对图像传感器进行时钟控制的方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求由christopherparks发明的、提交于2016年1月11日的名称为“methodsforclockinganimagesensor”(用于对图像传感器进行时钟控制的方法)的美国临时申请no.62/277167的优先权，该申请以引用方式并入本文，并且据此要求该申请的共同主题的优先权。

背景技术：

本申请整体涉及成像系统，并且更具体地讲，涉及用于耦合器件(ccd)图像传感器的时钟控制方法，该时钟控制方法改进了合并期间的水平ccd转移速率并且提供了更好的噪声性能。

电子设备(诸如移动电话、相机、计算机)通常包括成像系统，该成像系统进一步包括用于捕捉图像的数字图像传感器。可将图像传感器制作成具有二维图像像素阵列，这些图像像素包括把入射光子(入射光)转变为电信号的光电二极管。电子设备通常包括显示器，用于显示捕捉的图像数据。

常规行间ccd成像器具有形成于钉扎层下方的多个光电二极管。在常规成像器中，光电二极管通常为半导体衬底中的n型掺杂区域。形成于光电二极管上方的钉扎层通常为p型掺杂层。形成于光电二极管上方的钉扎层通常接地并且充当光电二极管的接地。光电二极管的电势保持恒定，只要在钉扎层上所提供的电压恒定，并且在整个设备上无全局净电流。

入射在成像器上的光导致光生电子积聚在n型光电二极管区域中。通过向形成于vccd上方和光电二极管与vccd之间的区域的转移栅极施加读出电压(有时称为“第三级电压”)而将这些光生电子中的一些读出到竖直ccd(vccd)中。

传统上用于将光生电荷从光电二极管读出到vccd的“第三级电压”通常为大于7v的大电压。随后将光生电子从每个vccd读出到水平ccd(hccd)，在hccd中这些光生电子随即存储在浮动扩散节点中，然后再被转移到相关输出端。

在一些常规ccd图像传感器中，在从相关输出端读出电荷之前，对电荷执行合并操作。传统上来讲，该合并仅在hccd的输出端处在求和栅极上执行。该求和栅极具有控制信号，此控制信号具有75％的占空比，以hccd的频率的一半进行时钟控制。这需要以非合并方法的频率的两倍对hccd进行时钟控制，以便实现相同的输出取样频率。这种传统的合并方法仅允许两个电荷合并在一起，并且所有电荷都必须在求和栅极中合并。由于传统合并方法中所使用的占空比较高，因此可从浮动扩散节点对电荷进行取样的时间窗口(即，取样窗口)为传统非合并ccd读出方法的对应取样窗口的尺寸的一半。取样窗口的尺寸的这种减小导致噪声增大，并且需要更高带宽的电子器件，这提高了系统的成本。

因此，需要一种允许电荷在ccd图像传感器中合并在一起，同时避免出现与上述常规技术相关的缺点的技术。

附图说明

图1为ccd图像传感器的框图。

图2为穿过图1具有遮光罩的ccd的中线a-a’的横截面侧视图。

图3为示出了根据一个实施方案的方法的示意图和截面图，该方法用于在合并操作期间通过ccd图像传感器中的hccd和该hccd的相关输出端来传递电荷，其中求和栅极以hccd时钟频率的一半频率、并以50％的占空比进行时钟控制。

图4为根据一个实施方案的对应于图3示意图的示例性时序图。

图5为示出了根据一个实施方案的方法的示意图和截面图，该方法用于在合并操作期间通过ccd图像传感器中的hccd和该hccd的相关输出端来传递电荷，其中求和栅极以hccd时钟频率的三分之一频率、并以50％的占空比进行时钟控制。

图6为根据一个实施方案的对应于图5示意图的示例性时序图。

具体实施方式

图1为行间电荷耦合器件(ccd)图像传感器110的基本构造的示意图。图像传感器110可整合至车辆安全系统(例如后视摄像头或其他车辆安全系统)、监视系统、电子器件(例如照相机、移动电话、摄影机，或捕获数字图像数据的任何其他所需电子器件)。光采集单元可包括被排布成数行和数列的光电二极管120阵列。各个光电二极管120可与一个图像像素相关，并且因此可互换地称为“像素二极管”。滤光元件诸如滤色器、等离子体滤光器、谐振增强滤色器或任何其他过滤元件可形成于每个光电二极管120上方。透镜元件诸如微透镜也可形成于光电二极管120上方。外部电路24可用于向图像传感器110提供信号或从该图像传感器接收信号。例如，外部电路24可用于向图像传感器110内的部件提供控制信号。

图像传感器110中的每一列光电二极管120均可与相应的竖直ccd(vccd)130相关。在图像传感器110中还可提供一个或多个水平ccd(hccd)140，并且所述一个或多个水平ccd(hccd)可耦接到输出放大器150，该输出放大器向附加的图像读出和处理电路(未示出)提供图像像素信号。在逐行扫描读出模式下，每个光电二极管120可同时向其相应的vccd130转移在图像捕获模式期间在光电二极管中所收集的一些或全部光生电荷。例如，可将来自第一列图像传感器110中的光电二极管120的一些或全部光生电荷转移到第一vccd130，同时可将来自第二列图像传感器110中的光电二极管120的一些或全部光生电荷转移到第二vccd130。

可通过将所有列并行地(一次一行)转移到hccd140中来读出vccd130中的电荷。例如，可将与和图像传感器中的每一列相关的所有vccd130的每一行相关的电荷朝向hccd140转移一行。同时，可将与相邻于hccd140的图像传感器110的第一行相关的电荷从vccd130转移到hccd140。

输出级145可包括求和栅极150、浮动扩散节点160和输出放大器170。输出级145可包括未示出的附加部件(例如，重置栅极、读出节点、输出栅极)。一旦hccd140从vccd130接收到与给定行相关的电荷，hccd140随后即可经由求和栅极150向浮动扩散节点160连续地转移电荷。在读出期间，聚积在浮动扩散节点160处的电荷可被转移到输出放大器170(有时称为浮动扩散放大器)。为了提高帧率，ccd图像传感器可具有不止一个输出放大器(未示出)，并且每个输出放大器可提供不同的输出增益。在某些情况下，可在图像传感器110的相对侧上复制hccd140(例如，用于多输出读出操作)。复制品hccd可与hccd140起到相同作用并且可具有相同功能。

控制电路22可用于向hccd140和输出级145内的部件提供控制信号(例如，时钟信号、功率信号、电压偏移等)。控制电路22可通过路径23从外部电路24接收控制信号。另选地，控制电路22可部分或全部地容纳在外部电路24内。

为了转移电荷包，在vccd130和hccd140区域中存在多晶硅栅极。在像素内，vccd130和hccd140区域包括一个或多个多晶硅栅极。在两个电势之间对这些栅极上的电压进行时钟控制提供了用于以斗链方式转移电荷的手段。

图2为对于行间ccd(诸如图像传感器110)穿过图1中的线a-a’的截面侧视图。遮光罩210可阻止入射光290照射栅极215并到达限定vccd235的信道注入物。遮光罩210可形成于n型注入物235(有时称为“vccd信道235”)上方，并且可至少部分地形成于光电二极管230上方。具体地讲，如图2所示，遮光罩210可形成于合并注入物225的至少一部分上方，而该合并注入物形成于光电二极管230上方。遮光罩210可形成于栅极215上方并且可通过电介质295与栅极215分开。栅极215可至少部分地形成于p掺杂区245和p-注入物250上方。

限定vccd235的信道注入物可包括p掺杂区240和245。栅极电介质220可使栅极215与其中形成有掺杂区225-260的半导体电隔离。半导体衬底265和掺杂区225-260可统称为“半导体”。p+钉扎注入物225可具有足够高浓度的p型掺杂物，以在电介质220和半导体的界面处聚积空穴。该空穴聚积层可减少暗电流并且建立到图像传感器110的像素阵列外围的接地连接。给定列中的像素可共享p+钉扎注入物225，并且该p+钉扎注入物可形成于图像传感器110的给定列中的多个光电二极管120上方。

光生电子可被收集在光电二极管230中。深p-区260可在光电二极管230与n衬底265之间建立垂直溢流漏极。在强光的情况下，来自光电二极管230的过量电荷载流子可流入衬底中而不是溢出到vccd信道235中。p型注入物240和245可在vccd信道235与光电二极管230之间提供隔离。p-注入物250和n注入物255可设定光电二极管230与vccd信道235之间的转移栅极电势。

通过在栅极215上施加正电压来将收集在光电二极管230中的光生电子转移到vccd信道235。对于行间ccd，该电压通常大于7v。

图3的示意图示出了一种用于在合并操作期间经由hccd处的ccd图像传感器和输出级传递电荷的方法。具体地讲，图3示出了一种用于在hccd读出期间在ccd图像传感器的hccd上将每两个相邻电荷合并在一起的方法。截面图300示出了hccd和输出级(例如，图1所示的hccd140和输出级145)的横截面图。如横截面300所示，栅极302、304、306、308、310和312可以是hccd的一部分(例如，图1所示的hccd140)，并且可将电荷经由栅极314以斗链方式传递到求和栅极316。输出栅极318可插置在求和栅极316与浮动扩散节点320之间。浮动扩散节点320可插置在输出栅极318与重置栅极322之间。浮动扩散节点320可经由输出栅极318从求和栅极316接收电荷。重置栅极322可插置在浮动扩散节点320与重置漏极324之间。浮动扩散节点320可耦接到输出放大器(例如，图1所示的输出放大器170)。输出放大器可以例如是浮动扩散放大器、浮动栅极放大器或任何其他类型的电荷感测放大器。

栅极302、304、310和312可接收控制信号h1(本文中有时称为时钟信号h1)。栅极306和308可接收控制信号h2(本文中有时称为时钟信号h2)。信号h1和h2可为互补时钟信号(例如，当信号h1较高时，信号h2较低，反之亦然)，以实现斗链样式的电荷转移。栅极314和求和栅极316可接收控制信号hsum(本文中有时称为时钟信号hsum)。输出栅极318可接收控制信号og，或也可在栅极的制造期间被任选地设定至静态电势值。浮动扩散节点320上的电压可由信号fd表示。重置栅极322可接收控制信号rg。重置漏极节点324可被设定至静态电势。

示意图350示出了读出过程中在各个时刻相对于沿横截面图300的位置(x)的能级(v)。在时间t1时，可分别向栅极304和312提供电荷326和328，同时使信号h1保持在高电压以将栅极302、304、310和312设定在高电势，并且同时使信号h2和hsum保持在低电压以将栅极308、306、314和求和栅极316设定在低电势。时间t1可对应于ccd图像传感器的水平回扫周期(即，线转移周期)。应当指出的是，每当信号hsum、h1、h2和rg处于高电压电平时，其对应栅极处于高电位，反之亦然。可向图3中未示出的沿着hccd的额外栅极提供其他电荷。在时间t2时，可使信号h2保持为高电压，同时使信号h1和hsum保持为低电压，以使得电荷326从栅极304经由栅极306传递到栅极308。在时间t3时，可使信号h1保持为高电压，同时使信号h2和hsum保持为低电压，以使得电荷326可从栅极308经由栅极310传递到栅极312，由此合并电荷326和328。同样在时间t3-时，电荷330可从相邻hccd栅极(未示出)经由栅极302传递到栅极304。在时间t4时，可使信号h1保持为低电压，并且可使信号h2和hsum保持为高电压，以使得电荷328和326从栅极312经由栅极314传递到求和栅极316，并且使得电荷330可从栅极304经由栅极306传递到栅极308。同样在时间t4时，可在时钟过渡后马上对信号rg施加脉冲使其变高，以使得浮动扩散节点320上的任何电荷经由重置栅极322转移到重置漏极节点324(即，使得浮动扩散节点上的电荷被移除，并且浮动扩散节点重置到重置漏极电压)。在时间t5时，可使信号h2保持为低电压，同时使信号h1和hsum保持为高电压，以使得电荷330从栅极308经由栅极310传递到栅极312。同样在时间t-5时，电荷332可从相邻hccd栅极经由栅极302传递到栅极304。在时间t6时，可使信号h2保持为高电压，同时使信号h1和hsum保持为低电压，以使得电荷326和328经由输出栅极318传递到浮动扩散节点320。同样在时间t6时，电荷332可从栅极304经由栅极306传递到栅极308。在时间t7时，可使信号h1保持为高电压，同时使信号h2和hsum保持为低电压，以使得电荷332从栅极308经由栅极310传递到栅极312，由此合并电荷330和332。同样在时间t7时，电荷334可从相邻hccd像素通过栅极302传递到栅极304。应当指出的是，本文所述的电荷实际上在栅极下方的硅区中移动，并且并不移动穿过栅极本身。此电荷转移和合并过程可按照上述方式重复进行，直到hccd上的每个电荷均被读出，此时可将更多电荷从vccd馈送到hccd中。

图4的时序图结合图3的横截面300和示意图350示出了信号h1、h2、hsum、rg和fd相对于时间(t)的电压(v)。如图4所示，信号h1和h2可以是从高到低不断交替的互补信号。信号hsum可具有50％的占空比，并且其频率可为信号h1和h2的频率的一半。信号rg可在每隔三个时间段开始时(例如，在时间t4、t8、t12开始时)受到脉冲，以便经由重置栅极322向重置漏极324转移电荷，从而从浮动扩散节点320移除电荷。当电荷存在于浮动扩散节点320上时(例如，在时间t6、t-7、t10、t11时等)，信号fd可处于低电压电平。当电荷不存在于浮动扩散节点320上时(例如，在时间t5时)，信号fd可处于中间电压电平。当重置栅极322被脉冲为高电压时，在浮动扩散节点320上存在对应的电容性馈通脉冲。如图4所示，信号h1、h2、hsum和rg的时序可以每四个时间段重复一次，直到hccd上的每个电荷均已被读出。例如，信号h1、h2、hsum和rg从时间t4至t7的时序可与信号h1、h2、hsum和rg从t8至t11的时序相同。

图5的示意图示出了用于在合并操作期间经由hccd处的ccd图像传感器和输出级传递电荷的另一种方法。具体地讲，图5所示的实施方案提出了一种用于在hccd读出期间在ccd图像传感器的hccd上将每三个相邻电荷合并在一起的方法。

示意图550示出了读出过程中在各个时刻相对于沿横截面图500的位置(x)的能级(v)。在时间t1时，可分别向栅极304和312提供电荷526和528，同时信号h1保持为高电压，并且同时信号h2和hsum保持为低电压。时间t1可对应于ccd图像传感器的水平回扫周期(即，线转移周期)。可向图5中未示出的沿着hccd的额外栅极提供其他电荷。在时间t2时，可使信号h2保持为高电压，同时使信号h1和hsum保持为低电压，以使得电荷526从栅极304经由栅极306传递到栅极308。在时间t3时，可使信号h1保持为高电压，同时使信号h2和hsum保持为低电压，以使得电荷526可从栅极308经由栅极310传递到栅极312，由此合并电荷526和528。同样在时间t3-时，电荷530可从相邻hccd栅极(未示出)经由栅极302传递到栅极304。在时间t4时，可使信号h1保持为低电压，并且可使信号h2和hsum保持为高电压，以使得电荷528和526从栅极312经由栅极314传递到求和栅极316，并且使得电荷530可从栅极304经由栅极306传递到栅极308。同样在时间t4时，可在时钟过渡后马上对信号rg施加脉冲使其变高，以使得浮动扩散节点320上的任何电荷经由重置栅极322转移到重置漏极节点324(即，使得电荷被移除，并且浮动扩散节点重置到重置漏极电压)。在时间t5时，可使信号h2保持为低电压，同时使信号h1和hsum保持为高电压，以使得电荷530从栅极308经由栅极310传递到栅极312。同样在时间t-5时，电荷532可从相邻hccd栅极经由栅极302传递到栅极304。在时间t6时，可使信号h1保持为低电压，同时使信号h2和hsum保持为高电压，以使得电荷530从栅极312经由栅极314传递到求和栅极316，由此合并电荷530与电荷528和526。同样在时间t6时，电荷532可从栅极304经由栅极306传递到栅极308。在时间t7时，可使信号h1保持为高电压，同时使信号h2和hsum保持为低电压，以使得电荷526、528和530从求和栅极316经由输出栅极318传递到浮动扩散节点320。同样在时间t7时，电荷532可从栅极308经由栅极310传递到栅极312，并且电荷534可从相邻hccd像素经由栅极302传递到栅极304。在时间t8时，可使信号h2保持为高电压，同时使信号h1和hsum保持为低电压，以使得电荷534从栅极304经由栅极306传递到栅极308。在时间t9时，可使信号h1保持为高电压，同时使信号h1和hsum保持为低电压，以使得电荷534从栅极308经由栅极310传递到栅极312。同样在时间t9时，电荷536可从相邻hccd栅极经由栅极302传递到栅极304。应当指出的是，本文所述的电荷实际上在栅极下方的硅区中移动，并且并不移动穿过栅极本身。此电荷转移和合并过程可按照上述方式重复进行，直到hccd上的每个电荷均被读出，此时可将更多电荷从vccd馈送到hccd中。

图6的时序图结合图5的横截面300和示意图350示出了信号h1、h2、hsum、rg和fd相对于时间(t)的电压(v)。如图6所示，信号h1和h2可以是从高到低不断交替的互补信号。信号hsum可具有50％的占空比，并且其频率可为信号h1和h2的频率的三分之一。信号rg可在始于时间t4-的每隔五个时间段开始时(例如，在时间t4、t10、t16开始时)受到脉冲，以将浮动扩散节点320上的电荷经由重置栅极322移除到重置漏极节点324。当电荷存在于浮动扩散节点320上时(例如，在时间t7、t8、t9、t13、t14、t15时等)，信号fd可处于低电压电平。当电荷不存在于浮动扩散节点320上时(例如，在时间t5时)，信号fd可处于中间电压电平。当重置栅极322被脉冲为高时，在浮动扩散节点320上存在对应的电容性馈通脉冲。信号h1、h2、hsum和rg的时序可以每六个时间段重复一次，直到hccd上的每个电荷均已被读出。例如，信号h1、h2、hsum和rg从时间t4至t9的时序可与信号h1、h2、hsum和rg从t10至t15的时序相同。

图3至图6的合并方法可用于单色ccd图像传感器以改进低光条件下的图像检测。另选地，这些合并方法可在用于低光条件下的彩色ccd图像传感器。例如，来自彩色ccd图像传感器中单个拜耳滤色器单元的四个信号可合并在一起，以便在检测到非常低的光信号时形成单个单色信号，从而允许用户以单色模式选择性地成像。应当指出的是，图3至图6的合并方法并非限于行间ccd图像传感器，而是也可用于全帧转移ccd图像传感器、线性ccd图像传感器、延时集成ccd图像传感器或任何其他兼容的ccd图像传感器。

经由输出栅极318转移电荷的能力和输出放大器的压摆率是当前ccd技术的ccd读出频率的限制因素。因此，时钟信号hsum的频率应为常数(例如，20mhz)，而时钟信号h1和h2的频率可基于将要合并在一起的相邻电荷的所需数量而被调整为hsum时钟频率的倍数。合并在一起的相邻电荷的数量可对应于将h1/h2时钟频率所设定为的hsum时钟频率的倍数。例如，在图3和图4的实施方案中，h1/h2时钟频率可以是hsum时钟频率的两倍，以使得每两个相邻电荷先被合并在一起，再被读出。当h1/h2时钟频率是hsum时钟频率的两倍时，合并可发生在栅极312处。在图5和图6的实施方案中，h1/h2时钟频率可以是hsum时钟频率的三倍，以使得每三个相邻电荷先被合并在一起，再被读出。当h1/h2时钟频率是hsum时钟频率的两倍以上时，合并可发生在求和栅极316处。如果需要，可将h1/h2时钟频率设定为hccd的操作频率范围内的hsum时钟频率的任意倍数。

已描述了各种实施方案，示出用于在ccd图像传感器中合并电荷的方法和设备。一种用于在电荷耦合器件(ccd)图像传感器中合并电荷的方法可包括：利用控制电路向hccd内的第一元件子组提供第一hccd控制信号，其中第一hccd控制信号具有第一频率；利用所述控制电路向hccd内的第二元件子组提供第二hccd控制信号，其中第二hccd控制信号具有第一频率；以及利用所述控制电路向ccd的输出级中的求和元件提供求和控制信号，其中所述求和控制信号具有占空比基本上为50％的第二频率，并且其中第一频率为第二频率的倍数。第二hccd控制信号可与第一hccd控制信号180度异相。第一元件子组和第二元件子组中的每个元件均可包括栅极。第二元件子组中的每个元件可插置在第二元件子组中的元件之间。求和元件可耦接到hccd。求和元件可包括求和。求和栅极可经由输出栅极耦接到浮动扩散节点。浮动扩散节点可耦接到浮动扩散放大器。

在一些实施方案中，第一频率可以是第二频率的两倍。该方法还可包括在hccd中相邻于求和元件的元件处将电荷合并在一起。

在一些实施方案中，第一频率可以是第二频率的三倍。所述方法还可包括在求和元件的求和栅极处将电荷合并在一起。

一种用于在具有水平ccd(hccd)的电荷耦合器件(ccd)图像传感器中合并电荷的方法可包括：利用控制电路向hccd的第一组元件提供第一时钟信号，其中第一时钟信号以第一频率摆动；利用所述控制电路向hccd的第二组元件提供第二时钟信号，其中第二时钟信号以第一频率摆动，并且其中第一和第二时钟信号为互补信号；以及利用所述控制电路向求和元件提供求和时钟信号，其中所述求和时钟信号以不同于所述第一频率的第二频率摆动，并且其中所述求和时钟信号具有基本上为50％的占空比。第一频率可以是第二频率的倍数。所述方法还可包括在ccd图像传感器中将多个相邻电荷合并在一起，并且通过放大器读出合并后的电荷，其中合并在一起的相邻电荷的数量取决于第一频率与第二频率之比。

在一些实施方案中，第一频率可以是第二频率的两倍。将多个相邻电荷合并在一起还可包括在hccd处将每两个相邻电荷合并在一起。

在一些实施方案中，第一频率可以是第二频率的三倍。将多个相邻电荷合并在一起还可包括在求和元件处将每三个相邻电荷合并在一起。

电荷耦合器件(ccd)图像传感器可包括：水平ccd(hccd)；耦接至hccd的输出级；以及耦接至hccd和输出级二者的控制电路，其中控制电路可被配置为以第一频率向hccd提供第一和第二互补控制信号，并且以第二频率向输出级提供求和信号。第一频率可以是第二频率的倍数。输出级可包括：求和元件，该求和元件从控制电路接收求和信号并且耦接至hccd；输出栅极，该输出栅极耦接至求和元件；浮动扩散节点，其中输出栅极耦接在求和元件与浮动扩散节点之间；重置栅极，该重置栅极耦接至浮动扩散节点；以及浮动栅极放大器，该浮动栅极放大器耦接至浮动扩散节点。

在一些实施方案中，第一频率可以是第二频率的两倍。hccd中的每两个相邻电荷可先在hccd内被合并在一起，再被读出。

在一些实施方案中，第一频率可以是第二频率的三倍。hccd中的每三个相邻电荷可先在求和元件内被合并在一起，再被读出。

前述内容仅是对本发明原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下进行多种修改。上述实施方案可单独地或以任意组合方式实施。