CN110300272B - 堆叠芯片图像传感器和操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“堆叠芯片图像传感器和操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法”。本发明涉及一种堆叠芯片图像传感器和操作图像传感器的方法，并且具体地讲，涉及一种操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法。本发明解决的技术问题是常规像素电路将电子转换成电压并使所述空穴放电，这使得难以实现高动态范围。通过本发明实现的技术效果是提供图像传感器，所述图像传感器通过积聚(收集)电子和空穴来实现高动态范围。所述图像传感器包括像素电路阵列，并且每个像素电路包括在深沟槽隔离区中沿垂直方向取向的电荷存储电容器，并且所述电荷存储电容器用于存储由高光度照明的像素中的空穴生成的信号。

Description

堆叠芯片图像传感器和操作能够同时积聚电子和空穴的图像 传感器的方法
技术领域
本发明涉及堆叠芯片图像传感器和操作图像传感器的方法，并且具体地讲，涉及操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法。
背景技术
电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用图像传感器通过感测光来捕获图像。典型的成像器传感器包括像素的焦平面阵列，并且每个像素包括用于在衬底的一部分中聚积光生电荷的光电传感器，诸如光电门、光电导体或光电二极管。当光子投射在光电传感器上时，生成电子空穴对。常规图像传感器将在像素内积聚(收集)的电子转换成电压，而空穴通常被丢弃到衬底中。
在完成积聚周期之后，收集到的电子电荷被转换成电压，该电压被提供给图像传感器的输出端子。在CMOS图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟信号还可在到达芯片输出之前在芯片上被转换成数字等同物。
像素利用缓冲放大器，通常为源极跟随器(SF)晶体管，以驱动通过合适的寻址晶体管连接到像素的感测线。在电荷到电压的转换完成并且所得信号从像素被转移出去之后，像素被复位以便准备聚积新的电荷。在利用浮动扩散(FD)节点作为电荷检测节点的像素中，复位通过导通复位晶体管来实现，该复位晶体管将FD节点导电地连接到电压参考，该电压参考通常为像素SF漏极节点。该步骤移除收集的电荷；然而，该步骤会生成kTC复位噪声。该kTC复位噪声通常通过相关双采样(CDS)信号处理技术从信号移除，以便实现所需的低噪声性能。
利用CDS概念的典型CMOS图像传感器通常在像素中需要三个晶体管(3T)或四个晶体管(4T)，其中一个用作电荷转移晶体管。然而，难以使其适应高动态范围(HDR)操作，其中必须将大量电荷存储在像素中。解决该问题的常规方法包括：向一组像素中的一些传感器行或像素分配较短的积聚时间；使用对数电荷到电压转换特性；以及将电荷存储电容器并入像素中。然而，这些常规方法并不理想，因为一者或多者可导致牺牲低光度分辨率，较短的积聚时间可导致错过一些短脉冲持续时间光源的检测；对数电荷到电压转换可导致更高的信号噪声；并且/或者由于具有占据像素中较大面积的元件，因此增加了芯片的整体尺寸。
发明内容
本发明涉及堆叠芯片图像传感器和操作图像传感器的方法，并且具体地讲，涉及操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法。
本发明解决的技术问题是常规像素电路将电子转换成电压并使空穴放电，这使得难以实现高动态范围。
根据一个方面，用于操作能够同时积聚电子和空穴的图像传感器的方法包括：在光电二极管中同时积聚电子电荷和空穴电荷；在光电二极管中的电子电荷达到预定阈值之后，使用电荷溢出设备将空穴电荷转移到电容器；使用第一读出电路将电子电荷转换成电子生成的输出电压；以及使用第二读出电路将空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。
在一个操作中，该方法还包括：将电子生成的输出电压转换成等效的第一数字值；将空穴生成的输出电压转换成等效的第二数字值；以及组合第一数字值和第二数字值，以形成单个高动态范围数字信号。
根据权利要求1所述的用于操作图像传感器的方法，其中图像传感器在将电子电荷转换成电子生成的输出电压之前，将空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。
根据另一个方面，固态堆叠芯片图像传感器包括：像素电路阵列，每个像素电路包括：光电二极管；浮体区；连接到浮体区和接地电势的电容器；电荷溢出结构，该电荷溢出结构包括连接到光电二极管的漏极，并被配置为：将具有第一极性的电荷从光电二极管转移到漏极；并且在光电二极管达到预定电荷阈值之后，将相反极性的对应电荷转移到电容器；第一读出电路，该第一读出电路通过电荷转移设备连接到：浮动扩散区；和光电二极管；其中第一读出电路被配置为输出电子生成的电压；以及第二读出电路，该第二读出电路连接到电容器并被配置为输出空穴生成的电压；其中每个像素电路跨多个芯片形成。
在一个实施方案中，固态图像传感器包括与第二芯片垂直堆叠的第一芯片；并且第一芯片和第二芯片通过位于每个像素电路处的混合接合而接合在一起。
在一个实施方案中，混合接合与光电二极管基本上垂直对齐。
在一个实施方案中，第一芯片包括：光电二极管；电容器；和第一读出电路；并且第二芯片包括：第二读出电路；连接到第一读出电路的第一电流源；和连接到第二读出电路的第二电流源。
在一个实施方案中，该电荷溢出结构包括结型栅极场效应晶体管。
在一个实施方案中，电荷溢出结构包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
在一个实施方案中，电容器位于深沟槽隔离区内并包括：连接到浮体区的第一电极；和连接到参考电势的第二电极。
通过本发明实现的技术效果是提供图像传感器，该图像传感器通过积聚(收集)电子和空穴来实现高动态范围。图像传感器包括像素电路阵列，并且每个像素电路包括在深沟槽隔离区中沿垂直方向取向的电荷存储电容器，并且电荷存储电容器用于存储由高光度照明的像素中的空穴生成的信号。
附图说明
当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本发明技术。在以下附图中，通篇以相同附图标记指代各附图当中的类似元件和步骤。
图1代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的成像***；
图2是根据本技术的第一实施方案的电路图；
图3是根据本技术的各种实施方案的像素电路的剖视图；
图4是根据本技术的第二实施方案的电路图；
图5是根据本技术的第三实施方案的电路图；
图6是根据本技术的第四实施方案的电路图；并且
图7是根据本技术的第五实施方案的电路图。
具体实施方式
本技术可在功能块部件和各种信号加工步骤方面进行描述。此类功能块可通过被配置成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件来实现。例如，本技术可采用可执行多种功能的各种半导体器件、晶体管、电容器等。另外，本技术可结合任何数量的***(诸如便携式设备、消费电子器件、汽车***、监控***等)实施，并且所述的***仅为该技术的一个示例性应用。此外，本技术可采用任何合适的像素架构、读出方案和/或设备布局。
根据本发明的各个方面的用于图像传感器的方法和装置可提供改进的动态范围。根据本技术的各个方面的用于图像传感器的方法和装置可结合任何合适的相机应用一起操作，诸如数字相机、移动电话、平板计算机、网络相机、视频相机、视频监控***、汽车成像***、具有成像功能的视频游戏***，或任何其他所需的成像***。此外，用于图像传感器的方法和装置可与任何合适的成像***一起使用，诸如相机***、视频***、机器视觉、车辆导航、监视***、运动检测***等。
现在参见图1，示例性成像***可包括电子设备，诸如被配置为捕获图像数据的数字相机105。例如，成像***可包括通过总线115与各种设备通信的中央处理单元(CPU)110。连接到总线115的一些设备可提供进出***的通信，例如输入/输出(I/O)设备120。
成像***可被配置为使用低光度信号和高光度信号来构建数字高动态范围(HDR)图像。成像***还可包括用于观看数字图像的显示屏(未示出)。显示屏可耦接到总线115并被配置为从该总线发送和/或接收信息，诸如图像数据。
连接到总线115的其他设备可包括存储器125，例如随机存取存储器(RAM)和/或可移动存储器130，诸如USB驱动器、存储卡、SD卡等。虽然总线115被示为单条总线，但可使用任何数量的总线来提供通信路径以使设备互连。
成像***还可包括用于捕获和传送图像数据的图像传感器145。例如，图像传感器145可包括像素电路阵列(未示出)以检测光并通过以下方式传送构成图像的信息：将光子流的可变衰减(在它们穿过物体或经物体反射时)转换成电信号。图像传感器135可结合任何合适的技术来实现，诸如CMOS技术中的有源像素传感器。
在各种实施方案中，成像***可包括透镜135，以将图像或场景聚焦在图像传感器145上。例如，光可通过透镜135进入成像***并击中图像传感器135。透镜135可包括固定焦距透镜和/或可调焦距透镜。
在各种实施方案中，图像传感器145可被配置成处理图像数据。例如，图像传感器145可执行图像重建，诸如去马赛克、白平衡、降噪、颜色校正等。图像传感器145还可包括用于将像素电荷转换成数字图像的各种信号处理电路和/或***，诸如采样保持电路、模数转换器、放大器等。
参见图2和图4-图7，阵列内的每个像素电路200可捕获图像或场景的一部分。像素电路200可包括一个或多个集成电路，诸如信号处理电路、电荷存储设备、电荷转换电路、电荷转移设备等，以检测光信号并将所检测的光信号转换成表示像素信号的电荷。
根据各种实施方案，像素电路200包括光电探测器201，该光电探测器将光(光子)转换成包括电子和空穴(电子空穴对)的电荷，其可单独地被称为电子电荷和空穴电荷。光电探测器201可包括例如光电二极管、光电门或任何其他响应光的合适设备。在一个示例性实施方案中，光电探测器201包括具有浮体(也被称为浮体节点202)的钉扎光电二极管。
根据各种实施方案，像素电路200还可包括适于促进将电荷转移出光电探测器201的设备。例如，像素电路200可包括电荷溢出设备204，该电荷溢出设备被配置为将电子溢出电荷从光电探测器201转移到漏极224。根据各种实施方案，电荷溢出设备204操作以促进在光电探测器201达到预定电荷阈值之后从光电探测器201转移电子电荷。电荷溢出设备204可包括促进转移光电探测器无法容纳的电子电荷的任何合适的设备，诸如结型栅极场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET、MOS)等。当溢出电子电荷开始流出钉扎光电二极管201时，对应的空穴电荷开始流到电容器209并开始从先前建立的复位电平对其充电。由于电荷守恒定律，电容器209上存储的空穴电荷等于电子溢出电荷。
根据各种实施方案，像素电路还可包括电荷转移晶体管203，该电荷转移晶体管被配置成将电子电荷从光电探测器201转移到浮动扩散节点206(也被称为浮动扩散区)。电荷转移晶体管203可包括MOS晶体管或埋入式沟道MOS晶体管(例如，如图4-图7所示)，其包括连接到信号线211的栅极端子，其中信号线用于传输信号TX以操作电荷转移晶体管203。例如，当信号Tx处于其最高偏置电平时，转移晶体管203导通以将电荷从光电探测器201转移到浮动扩散节点206上。
现在参见图4-图7，MOS晶体管203可被配置作为埋入式沟道MOS晶体管，其具有提供电荷溢出功能的埋入式沟道注入物。在本实施方案中，转移晶体管203还可被称为电荷溢出设备204。
浮动扩散节点206可连接到第一读出电路，该第一读出电路被配置为使用相关双采样(CDS)技术来处理和/或读出浮动扩散节点206上的电子电荷生成的电压，以抑制当FD节点被复位时所生成的kTC复位噪声。电容器209也被复位，但不使用CDS复位噪声抑制技术。根据以下公式计算在没有CDS技术的情况下，屏蔽电容器209的kTC复位噪声所需的最小阈值电子数Nne：
Figure BDA0002003127630000061
其中q是电子电荷，k是玻尔兹曼常数，T是以开式度作为单位测量的绝对环境温度，并且C是电容器209的电容，约为10fF。电子电荷可进一步被转换成表示用于构建HDR图像的低光度信号的电压。
电容器209可用于存储来自光电探测器201的空穴电荷，例如约5,000e至8,000e。电容器209可连接到浮体节点202和接地电势GND。在各种实施方案中，第二复位晶体管217可用于将电容器209复位到接地电势GND。根据各种实施方案，空穴电荷收集电容器209不经历CDS复位操作，因为通过复位电容器209所生成的kTC复位噪声远小于由高光度溢出信号所生成的光子噪声，并且可以忽略。空穴电荷可进一步被转换成表示用于构建HDR图像的高光度信号的电压。
第一读出电路连接到浮动扩散节点206并被配置成递送(即输出)第一感测线220上对应的电子电荷生成的输出电压VOUT_e。例如，第一读出电路可包括第一源极跟随器晶体管207、第一复位晶体管205和第一行选择晶体管208。第一源极跟随器晶体管207、第一复位晶体管205和第一行选择晶体管208可包括常规MOSFET，各自包括栅极端子、源极端子和漏极端子。第一复位晶体管205的栅极端子可连接到第二信号线212，其中第二信号线212用于向复位晶体管205的栅极传输第一复位信号RX1，以将FD节点206的电压偏置电平复位到参考电压偏置电平VDD。同样地，第一行选择晶体管208的栅极端子可连接到第三信号线213，其中第三信号线213用于向晶体管208的栅极传输第一行选择信号SX1。
第二读出电路连接到电容器209并被配置成递送(即输出)第二感测线221上对应的空穴电荷生成的输出电压VOUT_h。例如，第二读出电路可包括第二源极跟随器晶体管218、第二复位晶体管217和第二行选择晶体管219。第二源极跟随器晶体管218、第二复位晶体管217和第二行选择晶体管219可包括常规MOSFET，各自包括栅极端子、源极端子和漏极端子。第二复位晶体管217的栅极端子可连接到第三信号线228，其中第三信号线228用于向复位晶体管217的栅极端子传输第二复位信号RX2，以将节点210的电压偏置电平复位到接地电势GND。类似地，第二行选择晶体管219的栅极端子可连接到第四信号线227，其中第四信号线227用于向晶体管219的栅极传输第二行选择信号SX2。
根据各种实施方案，并参见图4和图5，第二行选择晶体管219可包括p沟道晶体管。相反地，在其他实施方案中，并参见图2、图6和图7，第二行选择晶体管219可包括n沟道晶体管。可根据特定像素电路布局、所需功能等来选择晶体管类型。例如，p沟道第二行选择晶体管可在第二感测线221上提供更低的寄生电容。
在各种实施方案中，像素电路200还可包括第一电流源223，该第一电流源连接到第一读出电路并被配置为为第一读出电路提供偏置电流。类似地，像素电路200还可包括第二电流源222，该第二电流源连接到第二读出电路并被配置为为第二读出电路提供偏置电流。
在一个实施方案中，并参见图4，第二读出电路可包括放大器405，其具有连接在放大器405的反相输入端子和放大器405的输出端子之间的反馈电容器410。在本实施方案中，放大器405操作以将电容器209上的空穴电荷生成的电压转换成空穴电荷生成的输出电压VOUT_h。
在一个实施方案中，并参见图7，反馈电容器410可连接在浮体节点210/202和晶体管218的漏极节点420之间，其中晶体管218作为反相放大器。
在各种实施方案中，并参见图4和图7，像素电路200可包括由电容器415表示的预充电电容。预充电信号Φpc通过信号线420被提供给预充电电容器415。
在各种实施方案中，并参见图2、图6和图7，像素电路200可被布置在第一芯片240和第二芯片245上，其中第一芯片和第二芯片240,245垂直堆叠。在本实施方案中，第一芯片和第二芯片240,245可通过一种或多种类型的接合和/或电连接而接合在一起。例如，像素电路200可包括位于像素阵列的每个像素中的混合接合210和/或位于阵列的***上的连接214。
根据本实施方案，第一芯片240可包括光电探测器201、电容器209、电荷溢出设备204、第一电荷转移晶体管203、第一复位晶体管205、第一源极跟随器晶体管207和第一行选择晶体管208。第二芯片245可包括第二复位晶体管217、第二源极跟随器晶体管218和第二行选择晶体管219。根据本实施方案，第二芯片245还可包括第一电流源和第二电流源223,222。在一个替代实施方案中，电流源223,222和其他电路诸如模数转换器可位于堆叠芯片布置中的第三芯片(未示出)上。
在各种替代实施方案中，并参见图4和图5，像素电路200可被布置成非堆叠构型。例如，像素电路200可形成在单个芯片上，其中像素电路200的一部分400形成在芯片像素阵列的***上。形成在***上的像素电路200的部分400可包括与上述堆叠芯片布置中的第二芯片245基本上相同的元件。在本实施方案中，使用常规方法(诸如金属连线)来连接像素电路200元件。
参见图2和图3，形成在第一芯片240上的对应于像素电路200的一部分的固态像素结构300包括外延衬底层301(也被称为像素体区)，该外延衬底层的一个表面上覆盖有第一氧化物层303并且其相对的第二表面上覆盖有第二氧化物层311，其中每个氧化物层303,311隔离和/或保护外延衬底301。第二氧化物层311还用于将多晶硅转移栅极315(对应于转移晶体管203)与外延衬底301隔离开。
像素体区301通过深沟槽隔离区304与相邻的像素体隔离开，该深沟槽隔离区填充有掺杂多晶硅材料或任何其他导电材料，诸如钨。第三氧化物层305可设置在深沟槽隔离区304的内壁上，以将掺杂的多晶硅材料和像素体区301隔离开，并由此形成电容器209，该电容器通过通孔320连接到接地偏置电势。通孔320可填充有导电材料，诸如钨。由于电容器209的垂直取向，可能实现较大的电荷存储容量和高动态范围，而不牺牲曝光的像素面积。这将导致较小尺寸像素和较高量子效率，从而得到改进的传感器性能和较低的成本。
外延层301可包括沿着侧壁区和底部区的第一p+型掺杂层302。此外，外延层301可包括沿着顶部区的第二p+型掺杂层306，以钝化界面态，从而通过这些界面态来最小化暗电流的生成。第二p+型掺杂层306还形成到像素体区301的p+型掺杂连接，其收集光子生成的空穴310(即，空穴电荷)。第二p+型掺杂区306还部分地延伸通过电荷溢出设备204，在这种情况下，电荷溢出设备是JFET。p+型掺杂区302可在转移栅极315下方以及晶体管204下方延伸，以为这些结构提供稳定的背栅电势参考。
第一p+型掺杂区302通过类似于接地连接通孔320的通孔连接而连接到混合接合焊盘318。混合接合焊盘318为每个像素电路200的浮体提供到第二芯片245的连接。在一个示例性实施方案中，混合接合焊盘318位于第二p+型掺杂层306上方，以将可能未被吸收并生成电子空穴对的光子反射回光电二极管。该特征对于具有近红外感测能力的图像传感器可能是有用的。
固态像素结构300包括两个n+型掺杂区314,322，其形成JFET的浮动扩散区206和漏极端子。每个n+型掺杂区314,322还可分别通过通孔319,316连接到金属互连(未示出)。p+型掺杂层306和n-型掺杂层307形成收集光子生成的电子309的钉扎光电二极管区。固态像素结构300还可包括用于调节JFET的阈值电压的注入的p-型掺杂层317。
固态像素结构300还可包括沉积在外延层301的第一主表面上的第四氧化物层312和第五氧化物层313，以隔离各种金属互连，诸如通孔316,319和/或混合接合焊盘318。
固态像素结构300还可包括滤色器321和微透镜322。在一个示例性实施方案中，滤色器321设置在外延层301的第二主表面和第一氧化物层303附近，并且微透镜322设置在与第一氧化物层303相对的滤色器321的表面上。该布置通常被称为“背照式图像传感器像素”。微透镜322集中投射光子229以进入像素体201并生成电子309和空穴310，它们分别在n-掺杂区和p+掺杂区307和302中同时生成并积聚(收集)。
根据本技术的各种实施方案并参见图1-图7，在操作中，电子积聚在钉扎光电二极管201中并且用于在空穴积聚在像素浮体区202中的同时感测低光度照明信号。从空穴积聚的电荷随后用于检测高光度照明信号并存储在电容器209中。随后分别使用第一读出电路和第二读出电路读出来自电子和空穴的电荷生成的信号(即，转换成等效的电子和空穴输出信号电压VOUT_e,VOUT_h)。在一个示例性实施方案中，首先从电容器209读出空穴生成的信号，电容器209被复位，并且随后从光电二极管201读出电子生成的信号。然而，读出顺序可反转。
读出后，图像传感器145可将电子和空穴电压VOUT_e,VOUT_h转换成等效的数字值(第一数字值和第二数字值)。图像传感器145可随后组合数字值以形成单个高动态范围数字信号。
在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本发明技术的范围。实际上，为简洁起见，方法和***的常规制造、连接、制备和其它功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际***中可能存在多个替代的或另外的功能关系或物理连接。
已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下作出各种修改和变化。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本发明技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体示例确定所述技术的范围。例如，除非另外明确说明，否则可以任何顺序执行任何方法或工艺实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何装置实施方案中列举的部件和/或元件可以多种排列组装或者以其他方式进行操作配置，以产生与本技术基本上相同的结果，因此不限于具体示例中阐述的具体配置。
上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其他优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。
术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排他性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或装置不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或装置固有的其他要素。除了未具体引用的那些，本发明技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或部件的其他组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其他方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其他操作要求。
上文已经参照示例性实施方案描述了本技术，其中所描述的像素在具有n+型掺杂FD的p型掺杂半导体外延层中形成，其中钉扎光电二极管收集电子并且在连接到浮体的电容器上感测空穴信号。整个像素结构、衬底材料和结的极性可反转，以使得像素在具有p+型掺杂FD的n型掺杂半导体外延层中形成，其中钉扎光电二极管收集空穴并且在连接到浮体的电容器上感测电子信号。
然而，可在不脱离本发明技术的范围的情况下对示例性实施方案作出变化和修改。这些和其他变化或修改旨在包括在本技术的范围内，如以下权利要求书所述。
根据一个方面，在第一芯片和第二芯片上形成的堆叠像素电路包括：光电探测器，该光电探测器被配置为响应于光而生成电子电荷和空穴电荷；电荷溢出设备，该电荷溢出设备连接到光电探测器并被配置为将空穴电荷转移到电容器；浮体节点，该浮体节点设置在光电探测器和电容器之间；第一读出电路，该第一读出电路连接到光电探测器并被配置为输出电子电荷生成的电压；浮动扩散节点，该浮动扩散节点设置在光电探测器和第一读出电路之间；以及第二读出电路，该第二读出电路连接到浮体节点并被配置为输出空穴电荷生成的电压。
在一个实施方案中，该电荷溢出设备包括结型栅极场效应晶体管。
在一个实施方案中，电荷溢出设备包括具有埋入式沟道的金属氧化物半导体场效应晶体管。
在一个实施方案中，第一芯片包括：光电探测器；电容器；电荷溢出设备；和第一读出电路；并且第二芯片与第一芯片垂直堆叠并包括第二读出电路。
在一个实施方案中，混合接合连接电容器和第二读出电路。
在一个实施方案中，像素电路还包括：连接到第一读出电路的第一电流源；和连接到第二读出电路的第二电流源。
在一个实施方案中，在光电探测器达到预定电荷存储阈值后，电荷溢出设备从光电探测器转移电荷。
在一个实施方案中，第一读出电路包括：第一复位晶体管；第一源极跟随器晶体管；和第一行选择晶体管；并且第二读出电路包括：第二复位晶体管；第二源极跟随器晶体管；和第二行选择晶体管。
根据另一个方面，用于操作能够同时积聚电子和空穴的像素电路的方法包括：在光电二极管中同时积聚电子电荷和空穴电荷；在光电二极管中的电子电荷达到预定阈值之后，使用电荷溢出设备将空穴电荷转移到电容器；使用第一读出电路将电子电荷转换成电子生成的输出电压；以及使用第二读出电路将空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。
在一个操作中，该方法还包括：将电子生成的输出电压转换成等效的第一数字值；将空穴生成的输出电压转换成等效的第二数字值；以及组合第一数字值和第二数字值，以形成单个高动态范围数字信号。
在操作中，图像在将电子电荷转换成电子生成的输出电压之前，将空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。
根据又一个方面，固态堆叠芯片图像传感器包括：像素电路阵列，每个像素电路包括：光电二极管；浮体区；连接到浮体区和接地电势的电容器；电荷溢出结构，该电荷溢出结构包括连接到光电二极管的漏极，并被配置为：将具有第一极性的电荷从光电二极管转移到漏极；并且在光电二极管达到预定电荷阈值之后，将相反极性的对应电荷转移到电容器；第一读出电路，该第一读出电路通过电荷转移设备连接到：浮动扩散区；和光电二极管；其中第一读出电路被配置为输出电子生成的电压；以及第二读出电路，该第二读出电路连接到电容器并被配置为输出空穴生成的电压；其中每个像素电路跨多个芯片形成。
在一个实施方案中，固态图像传感器包括与第二芯片垂直堆叠的第一芯片。
在一个实施方案中，第一芯片包括：光电二极管；电容器；和第一读出电路；并且第二芯片包括：第二读出电路；连接到第一读出电路的第一电流源；和连接到第二读出电路的第二电流源。
在一个实施方案中，第一芯片和第二芯片通过位于每个像素电路处的混合接合而接合在一起。
在一个实施方案中，混合接合与光电二极管基本上垂直对齐。
在一个实施方案中，该电荷溢出结构包括结型栅极场效应晶体管。
在一个实施方案中，电荷溢出结构包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
在一个实施方案中，电容器位于深沟槽隔离区内并包括：连接到浮体区的第一电极；和连接到参考电势的第二电极。
在一个实施方案中，图像传感器被配置作为背照式图像传感器。

Claims (9)

1.一种用于操作图像传感器的方法，所述图像传感器能够同时积聚电子和空穴，其特征在于所述方法包括：
在光电二极管中同时积聚电子电荷和空穴电荷；
在所述光电二极管中的电子电荷达到预定阈值之后，使用电荷溢出设备将所述空穴电荷转移到电容器；
使用第一读出电路将所述电子电荷转换成电子生成的输出电压；以及
使用第二读出电路将所述空穴电荷转换成空穴生成的输出电压。
2.根据权利要求1所述的用于操作图像传感器的方法，其特征还在于包括：
将所述电子生成的输出电压转换成等效的第一数字值；
将所述空穴生成的输出电压转换成等效的第二数字值；以及
组合所述第一数字值和所述第二数字值，以形成单个高动态范围数字信号。
3.根据权利要求1所述的用于操作图像传感器的方法，其特征在于所述图像传感器在将所述电子电荷转换成所述电子生成的输出电压之前，将所述空穴电荷转换成所述空穴生成的输出电压。
4.一种固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于包括：
像素电路阵列，每个像素电路包括：
光电二极管；
浮体区；
电容器，所述电容器连接到所述浮体区和接地电势；
电荷溢出结构，所述电荷溢出结构包括连接到所述光电二极管的漏极，并被配置为：
将具有第一极性的电荷从所述光电二极管转移到所述漏极，并且
在所述光电二极管已经达到预定电荷阈值之后，将相反极性的对应电荷转移到所述电容器；
第一读出电路，所述第一读出电路：
连接到浮动扩散区，并且
通过电荷转移设备连接到所述光电二极管，
其中所述第一读出电路被配置为输出电子生成的电压；以及
第二读出电路，所述第二读出电路连接到所述电容器并被配置为输出空穴生成的电压；
其中每个像素电路跨与第二芯片垂直堆叠的第一芯片形成，其中：
所述第一芯片包括：
所述光电二极管；
所述电容器；和
所述第一读出电路；并且
所述第二芯片包括：
所述第二读出电路；
第一电流源，所述第一电流源连接到所述第一读出电路；和
第二电流源，所述第二电流源连接到所述第二读出电路。
5.根据权利要求4所述的固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于：
所述第一芯片和所述第二芯片通过位于每个像素电路处的混合接合而接合在一起。
6.根据权利要求5所述的固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述混合接合与所述光电二极管垂直对齐。
7.根据权利要求4所述的固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述电荷溢出结构包括结型栅极场效应晶体管。
8.根据权利要求4所述的固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述电荷溢出结构包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
9.根据权利要求4所述的固态堆叠芯片图像传感器，其特征在于所述电容器位于深沟槽隔离区内，并包括：
第一电极，所述第一电极连接到所述浮体区；和
第二电极，所述第二电极连接到参考电势。
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