CN111430388A - 成像像素 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成像像素。一种图像传感器可包括具有高动态范围的多个成像像素。每个成像像素可具有光电二极管、浮动扩散区和转移晶体管，该转移晶体管被配置为将电荷从光电二极管转移到浮动扩散区。每个成像像素还可包括溢出电容器和溢出晶体管，该溢出晶体管插置在光电二极管与溢出电容器之间。双转换增益晶体管可插置在溢出电容器与浮动扩散区之间。为了减少与像素的操作相关联的噪声，环形导电层可形成用于溢出晶体管和双转换增益晶体管两者的栅极。该公共栅极可在积聚期间被设置到中间电平以允许电荷经过溢出晶体管溢出到溢出电容器。公共栅极还可用于断言双转换增益晶体管。

Description

成像像素
技术领域
本发明整体涉及图像传感器，具体地涉及成像像素，并且更具体地讲，涉及被配置为产生高动态范围(HDR)图像的图像传感器。
背景技术
现代电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用数字图像传感器。成像器(即，图像传感器)由二维图像感测像素阵列形成。每个像素可包括用于接收入射光子(入射光)并把光子转变为电荷的光传感器，诸如光电二极管。常规图像像素阵列包括前照式图像像素或背照式图像像素。图像传感器可包括在衬底前表面中形成的光电二极管和其他操作电路(例如晶体管)。二维图像感测像素阵列中的单个图像感测像素包括单个光敏区、形成在光敏区上方的滤色器以及形成在滤色器上方的单个圆顶形微透镜。
常规成像***可能具有带有与低动态范围相关的伪影的图像。具有较亮部分和较暗部分的场景可在常规图像传感器中产生伪影，因为图像的各部分可能曝光过度或曝光不足。常规成像***还可具有比期望更低的信噪比。
因此，希望提供具有改善的动态范围和减少的噪声的图像传感器。
发明内容
根据本发明一实施例，提供了一种成像像素。所述成像像素包括：光电二极管，所述光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；溢出电容器；第一晶体管，所述第一晶体管被配置为使得高于给定阈值的电荷能够从所述光电二极管溢出到所述溢出电容器；浮动扩散区；第二晶体管，所述第二晶体管介于所述溢出电容器与所述浮动扩散区之间；和，环形导电层，所述环形导电层形成所述第一晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极。
根据本发明另一实施例，提供了一种成像像素。所述成像像素包括：光电二极管，所述光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；浮动扩散区；转移晶体管，所述转移晶体管介于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间；隔离扩散区，所述隔离扩散区与环形栅极的中心开口重叠；第一晶体管，所述第一晶体管介于所述光电二极管与所述隔离扩散区之间，其中，所述环形栅极的第一部分形成所述第一晶体管的栅极；和，第二晶体管，所述第二晶体管介于所述隔离扩散区与所述浮动扩散区之间，其中，所述环形栅极的第二部分形成所述第二晶体管的栅极。
根据本发明另一实施例，提供了一种成像像素，所述成像像素包括：半导体衬底；在所述半导体衬底中的光电二极管；在所述半导体衬底中的浮动扩散区；在所述半导体衬底中的封闭扩散区；第一栅极，其中，所述第一栅极和所述半导体衬底重叠，并且所述第一栅极介于所述光电二极管与所述浮动扩散区之间；环形的第二栅极，其中，所述第二栅极和所述半导体衬底重叠，其中，所述第二栅极的一部分介于所述封闭扩散区与所述浮动扩散区之间；在所述半导体衬底中的势垒，所述势垒介于所述光电二极管与所述封闭扩散区之间；和，电容器，所述电容器电连接到所述封闭扩散区。
附图说明
图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。
图2是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的例示性像素阵列以及相关联的读出电路的示意图。
图3A是根据一个实施方案的具有双转换增益晶体管和溢出电容器的示例性成像像素的电路图。
图3B是根据一个实施方案的具有双转换增益晶体管和溢出晶体管的示例性成像像素的电路图。
图4是根据一个实施方案的具有用于双转换增益晶体管和溢出晶体管的公共栅极的示例性成像像素的电路图。
图5是根据一个实施方案的示出公共栅极可如何为环形的图4的示例性成像像素的顶视图。
图6至图9是根据一个实施方案的示出操作图4和图5的成像像素的示例性方法的时序图。
图10是根据一个实施方案的具有光电二极管与溢出电容器之间的势垒的示例性成像像素的电路图。
图11是根据一个实施方案的示出双转换增益晶体管的栅极可如何为环形的图10的示例性成像像素的顶视图。
图12是根据一个实施方案的示出光电二极管与连接到溢出电容器的封闭扩散区之间的势垒的、图10和图11的示例性成像像素的横截面侧视图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及图像传感器。本领域的技术人员应当理解，本发明的示例性实施方案可在不具有一些或所有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本发明的实施方案，未详细描述众所周知的操作。
电子设备诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(例如，数百或数千或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如用于操作像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件生成的电荷相对应。
图1是示例性成像和响应***的示意图，该***包括使用图像传感器捕获图像的成像***。图1的***100可以是电子设备，诸如相机、移动电话、摄像机、或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全***(例如，主动制动***或其他车辆安全***)，或者可以是监视***。
如图1所示，***100可包括成像***(诸如成像***10)和主机子***(诸如主机子***20)。成像***10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个透镜。
相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。在图像捕获操作期间，每个透镜可以将光聚焦到相关联的图像传感器14(诸如图2的图像传感器)上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、寻址电路等。
可以将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图像专家组格式或简称JPEG格式)。在典型布置方式(有时称为片上***(SOC)布置方式)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)上实现。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在单独半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在已堆叠的单独衬底上。
成像***10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子***20。主机子***20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、过滤或以其他方式处理成像***10提供的图像。
如果需要，***100可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为实现这些功能，***100的主机子***20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性存储器和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
图2中示出了图1的相机模块12的布置方式的示例。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14以及控制和处理电路44。控制和处理电路44可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素34)的阵列32，并且还可包括控制电路40和42。控制和处理电路44可耦接到行控制电路40，并且可经由数据路径26耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40可从控制和处理电路44接收行地址，并可通过控制路径36向图像像素34供应对应行控制信号(例如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他期望像素控制信号)。控制路径36有时也可称为行线36、控制线36、行控制信号线等。列控制和读出电路42可经由一个或多个导电线(诸如列线38)耦接到像素阵列32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应列线38)。列线38可用于从图像像素34读出图像信号，并向图像像素34供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关联的图像数据可由列控制和读出电路42在列线38上读出。
列控制和读出电路42可包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路、以及用于存储读出信号和任何其他期望数据的列存储器。列控制和读出电路42可通过线26将数字像素值输出到控制和处理电路44。
阵列32可以具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32中的行和列的数量将取决于图像传感器14的特定具体实施。虽然行和列在本文中一般相应被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(例如，本文中描述为行的特征部可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征部可水平地布置)。
图像阵列32可以设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件，该滤色器阵列允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，图像传感器像素诸如阵列32中的图像像素可以设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的对应红色图像传感器像素、绿色图像传感器像素和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由2×2个图像像素的重复单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适示例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何期望数量的图像像素34上方形成任何期望颜色和任何期望图案的滤色器元件。
如果需要，阵列32可以是堆叠管芯布置方式的一部分，其中阵列32的像素34被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在此类布置方式中，阵列32中的每个像素34可在像素内的任何期望节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与期望节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。期望节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通孔)上(即，作为该耦接结构的一部分)。在两个管芯结合之前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦合。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，可以使用任何金属对金属结合技术诸如软钎焊或焊接，来将形成在相应第一管芯和第二管芯上的耦接结构的第一部分和第二部分结合在一起。
如上所述，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为浮动扩散节点。另选地，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为在浮动扩散区与源极跟随器晶体管的栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在形成有光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接到第二管芯上的源极跟随器晶体管)、在浮动扩散区与转移晶体管的源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在未设有光电二极管的第二管芯上)、在源极跟随器晶体管的源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他期望节点。
一般来讲，阵列32、行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在一个示例中，阵列32可以形成在第一衬底中，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第二衬底中。在另一个示例中，阵列32可以被划分在第一衬底和第二衬底之间(使用上述像素划分方案中的一个像素划分方案)，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第三衬底中。
可包括在图像传感器14中的示例性成像像素示于图3A中。如图3A所示，成像像素34可包括光敏区域，诸如光电二极管102。光电二极管102可响应于入射光而生成电荷。所生成的电荷的量与入射光的强度以及光电二极管暴露于入射光的时间量成比例。光电二极管102具有耦接到地的第一端子以及通过转移晶体管104耦接到浮动扩散区106的第二端子。重置晶体管108可耦接在浮动扩散区106与偏置电压源端子110之间。重置晶体管108可在像素的操作期间被断言以将浮动扩散区重置到重置电压。
双转换增益晶体管114可耦接在浮动扩散区106与存储电容器116之间。浮动扩散区106可耦接到源极跟随器晶体管112的栅极。源极跟随器晶体管可耦接在偏置电压源端子110与行选择晶体管118之间。行选择晶体管118可耦接在源极跟随器晶体管112与列输出线120之间。行选择晶体管118可被断言以将浮动扩散区上的电荷采样到列输出线120(例如，可向列输出线120提供VOUT)。
转移晶体管104可具有接收转移晶体管控制信号TX(有时称为转移信号TX)的栅极。重置晶体管108可具有接收重置晶体管控制信号RST(有时称为重置信号RST)的栅极。双转换增益晶体管114可具有接收双转换增益晶体管控制信号DCG(有时称为双转换增益信号DCG)的栅极。行选择晶体管118可具有接收行选择晶体管控制信号RS(有时称为行选择信号RS)的栅极。可由行控制电路(例如，图2中的行控制电路40)通过控制路径(例如，图2中的控制路径36)来提供控制信号TX,DCG,RST,RS。
在本申请中，每个晶体管被示出为具有三个端子：源极、漏极和栅极。每个晶体管的源极和漏极端子可根据晶体管的偏置方式和所用晶体管的类型而改变。为简单起见，源极和漏极端子在本文中称为源极-漏极端子或简称为端子。
在像素34的操作期间，可重置光电二极管102以使积聚时间开始。例如，可通过断言转移晶体管104和重置晶体管108来重置光电二极管102。重置光电二极管102可使像素34的积聚时间开始。在积聚时间期间，光电二极管102响应于入射光而生成电荷。光电二极管在饱和之前可仅能够聚积一定量的电荷。因此，为了增加像素的动态范围，像素34可被配置为允许电荷从光电二极管溢出。可存储该溢出电荷并且随后对其进行采样。例如，可将转移信号TX设置到中间电平以允许超过一定阈值的电荷从光电二极管102溢出到浮动扩散区106。当积聚时间已结束时，可从浮动扩散区106对溢出电荷进行采样或将溢出电荷存储在溢出电容器116中以供后续采样。在积聚时间结束时，可断言转移晶体管104以将光电二极管102中的所有剩余聚积电荷(例如，非溢出电荷)转移到浮动扩散区106。然后还可对该电荷进行采样。处理电路可使用溢出电荷样本和非溢出电荷样本来确定成像像素的单个代表性信号。
像素34可使用双转换增益晶体管114和电容器116来实现不同双转换增益模式。具体地讲，像素34可按高转换增益模式以及按低转换增益模式操作。如果双转换增益晶体管114被禁用，则像素34将被置于高转换增益模式。如果双转换增益晶体管114被启用，则像素34将被置于低转换增益模式。当双转换增益晶体管114接通时，电容器116可被切换为使用状态，以向浮动扩散区106提供附加电容。这导致像素34的转换增益较低。当双转换增益晶体管114断开时，电容器的附加负载被移除，并且像素恢复到相对较高的像素转换增益配置。浮动扩散区106的每个样本(例如，溢出电荷采样、非溢出电荷采样、重置电压采样)可按低转换增益模式或高转换增益模式执行。
在图3A中，重置晶体管108和双转换增益晶体管114两者均耦接到浮动扩散区106。这提供了可在像素之间变化的两种不同泄漏源。因此，包括图3A所示类型的像素的图像传感器可具有比期望更高的暗信号不均匀性(DSNU)，特别是在高温下。具有改善的噪声和高动态范围的像素的布置方式示于图3B中。
如图3B所示，成像像素34包括光电二极管102。与图3A中类似，光电二极管102具有耦接到地的第一端子以及第二端子。第二端子通过转移晶体管104耦接到浮动扩散区106。重置晶体管108可耦接在浮动扩散区106与偏置电压源端子110之间。重置晶体管108可在像素的操作期间被断言以将浮动扩散区重置到重置电压。
双转换增益晶体管114可耦接在浮动扩散区106与电容器116(有时称为溢出电容器COVF)之间。浮动扩散区106可耦接到源极跟随器晶体管112的栅极。源极跟随器晶体管可耦接在偏置电压源端子110与行选择晶体管118之间。行选择晶体管118可耦接在源极跟随器晶体管112与列输出线120之间。行选择晶体管118可被断言以将浮动扩散区上的电荷采样到列输出线120(例如，可向列输出线120提供VOUT)。
为了减少像素34中的固定模式噪声，图3B的像素包括溢出晶体管122，该溢出晶体管耦接在光电二极管102的第二端子与溢出电容器116之间。通过使晶体管122直接耦接在光电二极管102与溢出电容器116之间，可减少从浮动扩散区114(如在图3A中)泄漏的溢出电荷所引起的噪声。
转移晶体管104可具有接收转移晶体管控制信号TX的栅极。重置晶体管108可具有接收重置晶体管控制信号RST的栅极。双转换增益晶体管114可具有接收双转换增益晶体管控制信号DCG的栅极。溢出晶体管122可具有接收溢出晶体管控制信号OVF的公共栅极。行选择晶体管118可具有接收行选择晶体管控制信号RS(有时称为行选择信号RS)的栅极。可由行控制电路(例如，图2中的行控制电路40)通过控制路径(例如，图2中的控制路径36)来提供控制信号TX,OVF,DCG,RST,RS。
为了进一步减少像素操作中的固定模式噪声，双转换增益晶体管114和溢出晶体管122可共用防止泄漏的公共环形栅极。这种类型的实施方案示于图4中。如图4所示，成像像素34包括光电二极管102。与图3A中类似，光电二极管102具有耦接到地的第一端子以及第二端子。第二端子通过转移晶体管104耦接到浮动扩散区106。重置晶体管108可耦接在浮动扩散区106与偏置电压源端子110之间。重置晶体管108可在像素的操作期间被断言以将浮动扩散区重置到重置电压。
双转换增益晶体管114可耦接在浮动扩散区106与电容器116(有时称为溢出电容器COVF)之间。浮动扩散区106可耦接到源极跟随器晶体管112的栅极。源极跟随器晶体管可耦接在偏置电压源端子110与行选择晶体管118之间。行选择晶体管118可耦接在源极跟随器晶体管112与列输出线120之间。行选择晶体管118可被断言以将浮动扩散区上的电荷采样到列输出线120(例如，可向列输出线120提供VOUT)。
为了减少像素34中的噪声，图3B的像素包括溢出晶体管122，该溢出晶体管耦接在光电二极管102的第二端子与溢出电容器116之间。通过使晶体管122直接耦接在光电二极管102与溢出电容器116之间，可减少从浮动扩散区114(如在图3A中)泄漏的溢出电荷所引起的噪声。另外，双转换增益晶体管114和溢出晶体管122可共用防止泄漏的公共环形栅极。
如图4所示，转移晶体管104可具有接收转移晶体管控制信号TX的栅极。重置晶体管108可具有接收重置晶体管控制信号RST的栅极。双转换增益晶体管114和溢出晶体管122可具有接收公共栅极控制信号CG的公共栅极。行选择晶体管118可具有接收行选择晶体管控制信号RS(有时称为行选择信号RS)的栅极。可由行控制电路(例如，图2中的行控制电路40)通过控制路径(例如，图2中的控制路径36)来提供控制信号TX,CG,RST,RS。
在像素34的操作期间，可重置光电二极管102以使积聚时间开始。例如，可通过断言转移晶体管104和重置晶体管108来重置光电二极管102。重置光电二极管102可使像素34的积聚时间开始。为了重置溢出电容器，还可断言公共栅极。在积聚时间期间，光电二极管102响应于入射光而生成电荷。光电二极管在饱和之前可仅能够聚积一定量的电荷。因此，为了增加像素的动态范围，像素34可被配置为允许电荷从光电二极管溢出。可存储该溢出电荷并且随后对其进行采样。例如，可将公共栅极CG设置到中间值以允许超过一定阈值的电荷通过溢出晶体管122从光电二极管102溢出到溢出电容器COVF。当积聚时间已结束时，可对溢出电荷进行采样。在积聚时间结束时，在通过开启和关闭重置晶体管108并读取浮动扩散重置值来重置浮动扩散区106之后，可断言转移晶体管104以将光电二极管102中的所有剩余聚积电荷(例如，非溢出电荷)转移到浮动扩散区106。还可对该电荷进行采样。处理电路可使用溢出电荷样本和非溢出电荷样本来确定成像像素的单个代表性信号。浮动扩散区106的每个样本(例如，溢出电荷采样、非溢出电荷采样、重置电压采样)可按低转换增益模式(在晶体管114被断言的情况下)或高转换增益模式(在晶体管114被解除断言的情况下)执行。
图4的成像像素可被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在此类布置方式中，像素34可在该像素内的任何一个或多个期望节点处被划分在两个管芯之间。例如，导电互连层可插置在转移晶体管104与浮动扩散区106之间，可插置在溢出电容器116与双转换增益晶体管114之间，和/或可插置在源极跟随器晶体管112与行选择晶体管118之间。在一个示例性实施方案中，光电二极管102、溢出晶体管122、转移晶体管104和双转换增益晶体管114可形成在第一衬底中，并且电容器116、浮动扩散区106、重置晶体管108、源极跟随器晶体管112和行选择晶体管118可形成在第二衬底中。
图5是图4所示类型的示例性成像像素的顶视图。如图5所示，成像像素包括光电二极管102。例如，可由半导体衬底的掺杂部分形成光电二极管102。转移晶体管可包括转移栅极134，该转移栅极被配置为将电荷从光电二极管102转移到浮动扩散区106。例如，可由半导体衬底的另一个掺杂部分形成浮动扩散区106。转移栅极可形成在半导体衬底上并且与光电二极管和浮动扩散区重叠。各种晶体管栅极可在本文中被描述为与半导体衬底和半导体衬底内的部件(例如，光电二极管、浮动扩散区等)重叠。应当理解，当像素是背照式成像像素时，晶体管栅极可实际上形成在半导体衬底的下面。然而，为简单起见，晶体管可在本文中被描述为与半导体重叠，而不论这些晶体管是在半导体的哪个侧面上形成。
触点152可将转移栅极134耦接到转移控制信号TX。导电层172(例如，金属线)可将浮动扩散区106处的触点164耦接到源极跟随器晶体管(SF)的栅极142上的触点166。用于重置晶体管108的重置栅极138也可形成在衬底上。重置栅极138可具有耦接到重置信号RST的触点154。当被断言时，重置晶体管可将浮动扩散区106耦接到偏置电压源端子触点160(有时称为VDD触点)。用于行选择晶体管118的栅极148也可形成在衬底上。栅极148可具有耦接到行选择信号RS的触点158。当被断言时，行选择晶体管可将源极跟随器晶体管的端子耦接到输出触点162。输出触点162可耦接到列输出线120。
像素34还包括公共栅极144，该公共栅极完全横向地围绕衬底的部分176。公共栅极144有时可在本文中被描述为环形栅极、圆形栅极、环状栅极、环形导电层、圆形导电层、环状导电层等。由于具有完全围绕衬底的部分176的占用空间的占用空间(例如，从上方观察时的轮廓)，公共栅极144可防止从衬底的部分176泄漏。环形导电层144可具有与衬底的部分176重叠的中心开口。衬底的部分176有时可称为封闭扩散区、隔离扩散区等。公共栅极144具有耦接到公共栅极信号CG的触点156。另外，导电层174(例如，金属线)可将封闭扩散区176处的触点168耦接到溢出电容器116处的触点170。这样，封闭扩散区176电连接到溢出电容器116。如果使用堆叠衬底来实现成像像素34，则导电层174可为将第二衬底中的电容器116耦接到第一衬底中的封闭扩散区176的导电互连层。
公共栅极144的部分184可形成双转换增益晶体管114的栅极。因此，当以断言晶体管114的电平提供公共栅极信号CG时，电荷可在公共栅极144的部分184下方从封闭扩散区176(及经由导电层174从溢出电容器116)传递到浮动扩散区106。
公共栅极144的部分182可形成溢出晶体管122的栅极。因此，当以断言晶体管122的电平提供公共栅极信号CG时，电荷可在公共栅极144的部分182下方从光电二极管102传递到封闭扩散区176(及经由导电层174传递到溢出电容器116)。
图6示出了用于操作图4和图5所示类型的像素的示例性时序图。如图6所示，在t0时，可将重置控制信号RST、转移晶体管控制信号TX和公共栅极控制信号CG升至高。这使得转移晶体管104、溢出晶体管122、双转换增益晶体管114和重置晶体管108均被断言。当这些晶体管被断言时，浮动扩散区106和电容器116将被重置到重置电压并且光电二极管102将被重置为空(即，不保留任何电荷)。在t1时，可降低这些信号以解除断言这些晶体管并且使积聚时间TINT开始。在整个积聚时间中，可任选地将公共栅极晶体管设置到中间电平(由图6中的虚线表示)。该中间电平可为固定的，或可包括使公共栅极晶体管在各种电平之间呈脉冲式变化。当处于中间电平时，高于给定阈值的电荷将通过晶体管122溢出到电容器116。电荷从晶体管122溢出到电容器116的阈值可由用于晶体管122的栅极的控制信号的中间电平确定。公共栅极信号可在整个积聚时间中处于相同中间电平，可在积聚时间期间在各种电平之间呈脉冲式变化等。
接下来，在t2时，重置控制信号可呈脉冲式变化以断言重置晶体管108。断言重置晶体管可使浮动扩散区106的电压被重置。然后可在样本S1处对该重置电压进行采样(例如，通过断言行选择晶体管)。
在t3时，可通过升高转移控制信号TX来断言转移晶体管104。积聚时间TINT可在转移晶体管的断言完成之后结束。溢出积聚时间可直到溢出电荷被读取才结束。断言转移晶体管104可将非溢出电荷从光电二极管102转移到浮动扩散区106。然后可在样本S2处对非溢出电荷进行采样。
公共栅极信号CG对于S1和S2采样而言可为低，这意味着对于S1和S2采样而言该像素采用的是高转换增益模式。因此S1信号有时可称为高转换增益(HCG)重置样本，并且S2信号有时可称为高转换增益信号样本。
在样本S2之后，可在t4时升高公共栅极控制信号CG。升高公共栅极控制信号会使得溢出晶体管122和双转换增益晶体管114被断言。因此，来自溢出电容器116的电荷(例如，在积聚时间期间已溢出经过晶体管122的溢出电荷)与浮动扩散区106共享。当公共栅极控制信号为高时，可在样本S3处对浮动扩散区(其包括溢出电荷和非溢出电荷)进行采样。
在样本S3之后，可降低公共栅极信号。然后，在t5时，可升高公共栅极信号和重置信号两者。这使重置晶体管108、双转换增益晶体管114和溢出晶体管122被断言。因此，浮动扩散区106和存储电容器116被重置到重置电压。然后在样本S4处按低转换增益模式(因为CG在S4期间为高)对重置电压进行采样。
公共栅极信号CG对于S3和S4采样而言可为高，这意味着对于S3和S4采样而言该像素采用的是低转换增益模式。因此S3信号有时可称为低转换增益(LCG)信号样本，并且S4信号有时可称为低转换增益重置样本。S1样本可用于以相关双采样技术校正S2样本。S4样本可用于以不相关双采样技术校正S3样本。
图6的时序图仅是示例性的。许多其他时序图可用于操作图4和图5的像素。例如，在图6中，在t2(S1之前)和t5(S4之前)时重置浮动扩散区。然而，可相反在S1之前、S3之前和S4之前重置浮动扩散区。图7中示出了该类型的示例。
如图7所示，在t0时，可将重置控制信号RST、转移晶体管控制信号TX和公共栅极控制信号CG升至高。这使得转移晶体管104、溢出晶体管122、双转换增益晶体管114和重置晶体管108均被断言。当这些晶体管被断言时，浮动扩散区106和电容器116将被重置到重置电压并且光电二极管102将被重置为空(即，不保留任何电荷)。在t1时，可降低这些信号以解除断言这些晶体管并且使积聚时间TINT开始。在整个积聚时间中，可任选地将公共栅极晶体管设置到中间电平(由图7中的虚线表示)。该中间电平可为固定的，或可包括使公共栅极晶体管在各种电平之间呈脉冲式变化。当处于中间电平时，高于给定阈值的电荷将通过晶体管122溢出到电容器116。公共栅极信号可在整个积聚时间中处于相同中间电平，可在积聚时间期间在各种电平之间呈脉冲式变化等。
接下来，在t2时，重置控制信号可呈脉冲式变化以断言重置晶体管108。断言重置晶体管可使浮动扩散区106的电压被重置。然后可在样本S1处对该重置电压进行采样(例如，通过断言行选择晶体管)。
在t3时，可通过升高转移控制信号TX来断言转移晶体管104。积聚时间TINT可在转移晶体管的断言完成时结束。溢出积聚时间可直到溢出电荷被读取才结束。断言转移晶体管104可将非溢出电荷从光电二极管102转移到浮动扩散区106。然后可在样本S2处对非溢出电荷进行采样。
公共栅极信号CG对于S1和S2采样而言可为低，这意味着对于S1和S2采样而言该像素采用的是高转换增益模式。因此S1信号有时可称为高转换增益(HCG)重置样本，并且S2信号有时可称为高转换增益信号样本。
在样本S2之后，可在t4时再次断言重置晶体管。这会重置浮动扩散区并从浮动扩散区中清除非溢出电荷。
可在t5时升高公共栅极控制信号CG。升高公共栅极控制信号会使得溢出晶体管122和双转换增益晶体管114被断言。因此，来自溢出电容器116的电荷(例如，在积聚时间期间已溢出经过晶体管122的溢出电荷)与浮动扩散区106共享。当公共栅极控制信号为高时，可在样本S3处对浮动扩散区(其仅包括溢出电荷)进行采样。
在样本S3之后，可降低公共栅极信号。然后，在t5时，可升高公共栅极信号和重置信号两者。这使重置晶体管108、双转换增益晶体管114和溢出晶体管122被断言。因此，浮动扩散区106和存储电容器116被重置到重置电压。然后在样本S4处按低转换增益模式(因为CG在S4期间为高)对重置电压进行采样。
公共栅极信号CG对于S3和S4采样而言可为高，这意味着对于S3和S4采样而言该像素采用的是低转换增益模式。因此S3信号有时可称为低转换增益(LCG)信号样本，并且S4信号有时可称为低转换增益重置样本。
在图8所示的另一个示例性时序图中，该像素的操作与图6中相同，不同的是在t4与t5之间控制公共栅极信号CG。在图8中，与图6中一样，在t4时对于样本S3而言升高公共栅极控制信号。然而，在图6中，CG在S3之后下降至低，并且在S4采样之前的t5时再次升高。在图8中，相比之下，CG在S3采样之后一直到t5和S4采样都保持为高。
图9示出了用于图4和图5的像素的操作的又一个示例性时序图。如图9所示的像素的操作与图6中相同，不同的是S3和S4采样的时序。在图6中，S3和S4样本均在公共栅极信号CG为高时采集。换句话讲，S3和S4在图6中按低转换增益模式采集。相比之下，在图9中，S3和S4样本在公共栅极信号降低之后采集。因此，在采样期间不断言双转换增益晶体管，并且对于S3和S4样本而言该像素采用的是高转换增益模式。这种类型的操作可比图6中的操作更嘈杂，但可具有改善的暗电平控制。
在图4和图5中，示出了一个示例，其中溢出晶体管122用作从光电二极管102溢出的电荷的势垒。超过一定电平的电荷穿过溢出晶体管122到达电容器116。然而，可在光电二极管102与电容器116之间使用其他类型的势垒以用于该目的。
图10是示例性像素34的电路图，该像素具有插置在光电二极管102与电容器116之间的受控制的势垒202(有时称为光垒)。高于一定阈值的电荷将超过势垒202并且从光电二极管102溢出到电容器116。该像素的其余部分具有与图4的像素类似的结构，并且具有插置在电容器116与浮动扩散区106之间的双转换增益晶体管114、插置在浮动扩散区106与偏置电压源端子110之间的重置晶体管、栅极耦接到浮动扩散区106的源极跟随器晶体管112、以及耦接在源极跟随器晶体管与列输出线120之间的行选择晶体管。图10中的双转换增益晶体管114接收专用双转换增益控制信号DCG(而非如图4中那样在两个晶体管之间共享的信号)。
图10的晶体管114的栅极仍可为环形，如图11所示。图11是图10的成像像素的顶视图。图11所示的像素的布局类似于图5所示的像素的布局。如图11所示，成像像素包括光电二极管102。与如图5所示的类似，图11的像素包括栅极144，该栅极完全横向地围绕衬底的部分176。栅极144有时可在本文中被描述为环形栅极、圆形栅极、环状栅极、环形导电层、圆形导电层、环状导电层等。通过完全围绕衬底的部分176，栅极144可防止从衬底的部分176泄漏。衬底的部分176有时可称为封闭扩散区、隔离扩散区等。栅极144具有耦接到双转换增益信号DCG的触点156。另外，导电层174(例如，金属线)可将封闭扩散区176处的触点168耦接到溢出电容器116处的触点170。这样，封闭扩散区176电连接到溢出电容器116。
公共栅极144的部分184可形成双转换增益晶体管114的栅极。因此，当以断言晶体管114的电平提供双转换增益信号DCG时，电荷可在公共栅极144的部分184下方从封闭扩散区176(及经由导电层174从溢出电容器116)传递到浮动扩散区106。
为了防止电荷不合期望地从光电二极管102泄漏到封闭扩散区176(或反之亦然)，光电二极管可具有凹槽192。因此栅极144不与光电二极管102重叠。这与图5截然不同，在图5中，栅极144不与光电二极管102重叠。
图12是沿图11中的线196截取的像素34的横截面侧视图。图12示出了超过一定阈值的电荷可如何穿过势垒202从光电二极管102到达封闭扩散区176。栅极144围绕封闭扩散区176以防止从封闭扩散区176泄漏。栅极144不与光电二极管102重叠。栅极144的边缘与光电二极管102的边缘之间存在间隙192。
根据一个实施方案，成像像素可包括光电二极管，该光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；溢出电容器；第一晶体管，该第一晶体管被配置为允许高于给定阈值的电荷从光电二极管溢出到溢出电容器；浮动扩散区；第二晶体管，该第二晶体管插置在溢出电容器与浮动扩散区之间；以及环形导电层，该环形导电层形成第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极。
根据另一个实施方案，成像像素还可包括转移晶体管，该转移晶体管被配置为将电荷从光电二极管转移到浮动扩散区。
根据另一个实施方案，成像像素还可包括封闭扩散区。环形导电层可具有中心开口，该中心开口与封闭扩散区重叠。
根据另一个实施方案，成像像素还可包括导电层，该导电层将封闭扩散区电连接到溢出电容器。
根据另一个实施方案，环形导电层的第一部分可插置在封闭扩散区与光电二极管之间，并且环形导电层的第二部分可插置在封闭扩散区与浮动扩散区之间。
根据另一个实施方案，环形导电层的第一部分可形成第一晶体管的栅极，并且环形导电层的第二部分可形成第二晶体管的栅极。
根据另一个实施方案，成像像素还可包括偏置电压源端子触点和重置晶体管，并且重置晶体管可具有栅极，该栅极插置在浮动扩散区与偏置电压源端子触点之间。
根据另一个实施方案，成像像素还可包括具有栅极的源极跟随器晶体管和附加导电层，该附加导电层将浮动扩散区电连接到源极跟随器晶体管的栅极。
根据另一个实施方案，成像像素还可包括列输出线；输出触点，该输出触点耦接到列输出线；以及具有栅极的行选择晶体管，该栅极插置在源极跟随器晶体管的栅极与输出触点之间。
根据另一个实施方案，成像像素还可包括控制路径，该控制路径被配置为向环形导电层提供单个控制信号。
根据另一个实施方案，成像像素可包括光电二极管，该光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；浮动扩散区；转移晶体管，该转移晶体管插置在光电二极管与浮动扩散区之间；隔离扩散区，该隔离扩散区与环形栅极的中心开口重叠；第一晶体管，该第一晶体管插置在光电二极管与隔离扩散区之间，其中环形栅极的第一部分形成第一晶体管的栅极；以及第二晶体管，该第二晶体管插置在隔离扩散区与浮动扩散区之间，其中环形栅极的第二部分形成第二晶体管的栅极。
根据另一个实施方案，成像像素还可包括存储电容器，该存储电容器由导电层耦接到隔离扩散区。
根据另一个实施方案，光电二极管可被配置为在积聚时间期间响应于入射光而生成电荷，并且第一晶体管可被配置为允许电荷在积聚时间期间从光电二极管溢出到隔离扩散区。
根据另一个实施方案，第二晶体管可被配置为将存储电容器耦接到浮动扩散区。
根据另一个实施方案，可通过环形栅极将隔离扩散区与浮动扩散区隔离。
根据另一个实施方案，第一晶体管可为溢出晶体管，并且第二晶体管可为双转换增益晶体管。
根据另一个实施方案，第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极可接收公共控制信号，该公共控制信号由耦接到环形栅极的控制路径提供给环形栅极。
根据一个实施方案，成像像素可包括半导体衬底；半导体衬底中的光电二极管；半导体衬底中的浮动扩散区；半导体衬底中的封闭扩散区；第一栅极，其中第一栅极和半导体衬底重叠，并且第一栅极插置在光电二极管与浮动扩散区之间；环形的第二栅极，其中第二栅极和半导体衬底重叠，并且其中第二栅极的一部分插置在封闭扩散区与浮动扩散区之间；半导体衬底中的势垒，该势垒插置在光电二极管与封闭扩散区之间；以及电容器，该电容器电连接到封闭扩散区。
根据另一个实施方案，光电二极管可被配置为在积聚时间期间生成电荷，并且势垒可被配置为允许所生成的电荷中的一些电荷从光电二极管溢出到封闭扩散区。
根据另一个实施方案，光电二极管与第二栅极之间可存在间隙。
前述内容仅仅是对本发明原理的示例性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种成像像素，其特征在于，所述成像像素包括：
光电二极管，所述光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；
溢出电容器；
第一晶体管，所述第一晶体管被配置为使得高于给定阈值的电荷能够从所述光电二极管溢出到所述溢出电容器；
浮动扩散区；
第二晶体管，所述第二晶体管插置在所述溢出电容器与所述浮动扩散区之间；和
环形导电层，所述环形导电层形成所述第一晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极。
2.根据权利要求1所述的成像像素，其特征在于，所述成像像素还包括：
转移晶体管，所述转移晶体管被配置为将电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散区。
3.根据权利要求2所述的成像像素，其特征在于，所述成像像素还包括：
封闭扩散区，其中，所述环形导电层具有中心开口，所述中心开口与所述封闭扩散区重叠。
4.根据权利要求3所述的成像像素，其特征在于，所述成像像素还包括：
导电层，所述导电层将所述封闭扩散区电连接到所述溢出电容器。
5.根据权利要求4所述的成像像素，其特征在于，所述环形导电层的第一部分插置在所述封闭扩散区与所述光电二极管之间，并且所述环形导电层的第二部分插置在所述封闭扩散区与所述浮动扩散区之间。
6.根据权利要求5所述的成像像素，其特征在于，所述环形导电层的所述第一部分形成所述第一晶体管的所述栅极，并且所述环形导电层的所述第二部分形成所述第二晶体管的所述栅极，并且在于所述成像像素还包括：
偏置电压源端子触点；
重置晶体管，其中，所述重置晶体管具有插置在所述浮动扩散区与所述偏置电压源端子触点之间的栅极；
具有栅极的源极跟随器晶体管；
附加导电层，所述附加导电层将所述浮动扩散区电连接到所述源极跟随器晶体管的所述栅极；
列输出线；
输出触点，所述输出触点耦接到所述列输出线；
行选择晶体管，所述行选择晶体管具有插置在所述源极跟随器晶体管的所述栅极与所述输出触点之间的栅极；和
控制路径，所述控制路径被配置为向所述环形导电层提供单个控制信号。
7.一种成像像素，其特征在于，所述成像像素包括：
光电二极管，所述光电二极管被配置为响应于入射光而生成电荷；
浮动扩散区；
转移晶体管，所述转移晶体管插置在所述光电二极管与所述浮动扩散区之间；
隔离扩散区，所述隔离扩散区与环形栅极的中心开口重叠；
第一晶体管，所述第一晶体管插置在所述光电二极管与所述隔离扩散区之间，其中，所述环形栅极的第一部分形成所述第一晶体管的栅极；和
第二晶体管，所述第二晶体管插置在所述隔离扩散区与所述浮动扩散区之间，其中，所述环形栅极的第二部分形成所述第二晶体管的栅极。
8.根据权利要求7所述的成像像素，其特征在于，所述成像像素还包括：
存储电容器，所述存储电容器通过导电层耦接到所述隔离扩散区，其中，所述光电二极管被配置为在积聚时间期间响应于入射光而生成电荷，其中，所述第一晶体管被配置为使得电荷在所述积聚时间期间能够从所述光电二极管溢出到所述隔离扩散区，并且其中，所述第二晶体管被配置为将所述存储电容器耦接到所述浮动扩散区。
9.一种成像像素，其特征在于，所述成像像素包括：
半导体衬底；
在所述半导体衬底中的光电二极管；
在所述半导体衬底中的浮动扩散区；
在所述半导体衬底中的封闭扩散区；
第一栅极，其中，所述第一栅极和所述半导体衬底重叠，并且所述第一栅极插置在所述光电二极管与所述浮动扩散区之间；
环形的第二栅极，其中，所述第二栅极和所述半导体衬底重叠，其中，所述第二栅极的一部分插置在所述封闭扩散区与所述浮动扩散区之间；
在所述半导体衬底中的势垒，所述势垒插置在所述光电二极管与所述封闭扩散区之间；和
电容器，所述电容器电连接到所述封闭扩散区。
10.根据权利要求9所述的成像像素，其特征在于，所述光电二极管被配置为在积聚时间期间生成电荷，并且在于所述势垒被配置为使得所生成的电荷中的一些电荷能够从所述光电二极管溢出到所述封闭扩散区。
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