具有大动态范围的图像感测器的制作方法

本文的公开涉及图像感测器，特别涉及具有大动态范围的图像感测器。

背景技术：

图像感测器或成像感测器是可以检测辐射的空间强度分布的感测器。图像感测器通常通过电信号表示检测的图像。基于半导体器件的图像感测器可分为若干类型：半导体电荷耦合器件(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)、n型金属氧化物半导体(nmos)。cmos图像感测器是使用cmos半导体工艺制成的一类有源像素感测器。cmos图像感测器中的像素上入射的光被转换成电压。电压数字化为代表该像素上入射的光的强度的离散值。有源像素感测器(aps)是图像感测器，其包括具有光电检测器和有源放大器的像素。ccd图像感测器包括像素中的电容器。当光入射在像素上时，光产生电荷并且这些电荷存储在电容器中。存储的电荷转换成电压并且电压数字化为代表该像素上入射的光的强度的离散值。

图像感测器的动态范围是图像感测器可以检测的最小和最大光强度之间的范围。即，图像感测器无法区分在动态范围外的不同光强度。

技术实现要素：

本文公开这样的系统，其包括：雪崩光电二极管(apd)；偏压源，其配置成向apd供应反向偏压；电流计，其配置成测量通过apd的电流；控制器，其配置成在apd上入射的光的强度高于阈值时使反向偏压从高于击穿电压的值减少到低于apd的击穿电压的值，并且配置成在反向偏压低于击穿电压时基于通过apd的电流确定高于阈值的光强度。

根据实施例，控制器配置成在反向偏压高于击穿电压时在控制器检测到电流中的上升沿之后使apd淬灭。

根据实施例，控制器配置成在使apd淬灭后使反向偏压增加到高于击穿电压。

根据实施例，控制器配置成在反向偏压高于击穿电压时基于指定时间量内电流中脉冲的数量确定apd上入射的光的强度。

本文公开图像感测器，其包括：apd阵列；电子系统，其配置成基于apd上入射的光的强度独立控制apd上的反向偏压。

根据实施例，电子系统配置成对阵列中的不同apd不同地设置反向偏压。

根据实施例，配置apd使得在指定时间apd中的第一个采用线性模式操作并且apd中的第二个采用geiger模式操作。

根据实施例，电子系统配置成确定采用线性模式操作的apd上入射的光的强度和采用geiger模式操作的apd上入射的光的强度。

根据实施例，电子系统配置成促使阵列中暴露于高于apd的饱和强度的光强度的这些apd采用线性模式操作；其中电子系统配置成促使阵列中暴露于低于apd的饱和强度的光强度的这些apd采用geiger模式操作。

根据实施例，电子系统配置成基于apd上入射的光的强度使阵列中的apd独立在采用线性模式操作和采用geiger模式操作之间切换。

根据实施例，图像感测器配置成输出apd上入射的光的强度的表示，而没有将apd的操作模式传递到下游电路。

根据实施例，apd在第一衬底中或第一衬底上并且电子系统在第二衬底中或第二衬底上；其中第一衬底和第二衬底接合在一起。

根据实施例，图像感测器进一步包括第一衬底中或第二衬底中的传输线。

根据实施例，图像感测器进一步包括通孔，其配置成电连接apd和电子系统。

本文公开望远瞄准镜，其包括设置在其中的图像感测器。

本文公开夜视镜，其包括设置在其中的图像感测器。

本文公开望远镜，其包括设置在其中的图像感测器。

本文公开光谱仪，其包括设置在其中的图像感测器。

本文公开载具，其包括设置在其中的图像感测器，其中该载具是陆地车辆、航天器、飞行器或水面载具。

本文公开使用apd的方法，其包括：(a)向apd施加高于apd的击穿电压的第一反向偏压；(b)测量apd上入射的光的第一强度；(c)确定第一强度是否高于第一阈值；如果第一强度不高于第一阈值，重复(a)-(c)；如果第一强度高于第一阈值：(d)向apd施加低于击穿电压的第二反向偏压；(e)测量apd上入射的光的第二强度；(f)确定第一强度是否低于第二阈值；如果第二强度不低于第二阈值，重复(d)-(f)；如果第二强度低于第一阈值，进行(a)-(c)。

根据实施例，测量第一强度包括对在给定时间量内通过apd的电流脉冲的数量计数。

根据实施例，测量第二强度包括测量apd中的电流。

根据实施例，第一阈值是apd的饱和强度。

根据实施例，第一和第二阈值相同。

【附图说明】

图1a示意示出采用线性模式和采用geiger模式的apd的电流-电压特性。

图1b示意示出在apd采用线性模式时apd中的电流关于apd上入射的光的强度的函数和在apd采用geiger模式时apd中的电流关于apd上入射的光的强度的函数。

图1c示意示出通过spad的电流关于时间的函数。

图1d示意示出电路，其包括spad。

图2示出根据实施例的系统，其包括apd。

图3示意示出根据实施例使用apd的方法的流程图。

图4示意示出图像感测器(其包括apd阵列)的顶视图。

图5a和图5b示意示出图像感测器(其包括多个apd)的横截面图。

图6a和图6b示意示出图像感测器(其包括多个apd)的横截面图。

图7示意示出夜视望远瞄准镜，其包括设置在其中的图像感测器。

图8示意示出一副夜视镜，其包括设置在其中的图像感测器。

图9示意示出望远镜，其包括设置在其中的图像感测器。

【具体实施方式】

单光子雪崩二极管(spad)(也称为geiger模式apd或g-apd)是在高于击穿电压的反向偏压下工作的雪崩光电二极管(apd)。在这里单词“高于”意指反向偏压的绝对值大于击穿电压的绝对值。当光子入射在spad上时，它可产生载流子(电子和空穴)。载流子中的一些通过spad中的电场而加速并且可通过碰撞电离触发雪崩电流。碰撞电离是材料中一个高能载流子可以通过创建其他载流子而失去能量所凭藉的过程。例如，在半导体中，具有足够动能的电子(或空穴)可以将束缚电子撞出它的束缚态(在价带中)并且使它提升到处于导带中的状态，从而创建电子-空穴对。spad可用于检测低强度光(例如，下至单个光子)并且信号传递具有几十微微秒抖动的光子的达到时间。

spad在高于p-n结的击穿电压的反向偏压(即，p-n结的p型区在比n型区还低的电势偏置)下采用p-n结的形式。p-n结的击穿电压是这样的反向偏压，p-n结中的电流出现高于该反向偏压的指数增加。

图1a示意示出采用线性模式和采用geiger模式(即，在apd是spad时)的apd的电流-电压特性100。apd可具有高于击穿电压vbd(即，spad)的电流-电压特性100的分歧。在反向偏压高于vbd时，电子和空穴都可导致明显电离，并且雪崩自持。当在高于vbd的反向偏压触发雪崩(例如，由入射光子)时，雪崩电流持续(“打开分支”110)；当在高于vbd的反向偏压未触发雪崩时，很少电流流过(“关闭分支”120)。在高于vbd的反向偏压，当入射光子在apd中触发雪崩时，apd的电流-电压特性100从关闭分支120转变(如由箭头130指示的)为打开分支110。该转变表现为流过apd的电流从基本上零到有限值il的急剧增加。该转变与geiger计数器背后的机制相似。因此，在高于vbd的反向偏压，apd采用“geiger模式”操作。因为apd中的电流与apd上入射的光的强度成比例，在低于击穿电压的反向偏压工作的apd采用线性模式操作。

图1b示意示出在apd采用线性模式操作时apd中的电流关于apd上入射的光的强度的函数112和在apd采用geiger模式操作时(即，在apd是spad时)apd中的电流关于apd上入射的光的强度的函数111。在geiger模式中，电流示出随着光强度非常急剧增加并且然后饱和。在线性模式中，电流基本上与光的强度成比例。

图1c示意示出通过spad的电流关于时间的函数。当光入射在spad上并且触发雪崩时，出现电流-时间(i-t)曲线的急剧上升沿131。电流从基本上零快速增加到有限值il。电流维持在有限值il，直到spad上的反向偏压重定为基本上零。将spad上的反向偏压重定为基本上零可称为使spad“淬灭”。使spad淬灭表现为i-t曲线中的下降沿132。

图1d示意示出电路，其包括spad142(即，采用geiger模式操作的apd)。电路配置成使spad142淬灭。偏压源140通过开关141向spad142供应反向偏压。由电流计143测量通过spad142的电流。spad142通过电流计143连接到地面144。电流计143测量的电流被传送到控制器145。控制器145配置成使spad142淬灭。在示例中，在控制器145在电流计143测量的电流中检测到上升沿(例如，上升沿131)之后，控制器145通过断开开关141由此使偏压源140与spad断开来使spad142淬灭；在使spad142淬灭后，控制器145闭合开关141，这之后spad准备检测下一个入射光子。图1d中示出的器件的动态范围是相对小的。当spad142上入射的两个连续光子之间的平均时间间隔与控制器145在感测到上升沿131后使spad142淬灭(例如，通过断开开关141)所花的时间146(参见图1c)和在控制器145使spad142淬灭后控制器145恢复反向偏压(例如，通过闭合开关141)所花的时间的总和相同或比之更短时，spad142饱和。即，在spad142饱和时，spad142无法区分入射光的不同强度。在spad142未饱和时，入射光的强度可以从在指定时间量内脉冲的数量、上升沿的数量或下降沿的数量获得。

图2示出根据实施例的系统，其包括apd242。偏压源240向apd242供应反向偏压。由电流计243测量通过apd242的电流。apd242通过电流计243连接到地面244。电流计243测量的电流被传送到控制器245。控制器245控制施加到apd242的反向偏压。在施加到apd242的反向偏压高于vbd时，即在apd242是spad242时，控制器245配置成使spad242淬灭。在示例中，在控制器245在电流计243测量的电流中检测到上升沿之后，控制器145通过使spad242与偏压源240断开或将反向偏压设置为基本上零(例如，低于0.1v)来使spad242淬灭；控制器245在使spad242淬灭后使反向偏压变回高于击穿电压vbd，这之后spad242准备检测下一个入射光子。控制器245还配置成感测spad242上入射光的强度。当强度高于阈值时(例如，当强度使spad242饱和时)，即当spad242是采用线性模式操作的apd242时，控制器245使spad242上的反向偏压减少到低于vbd的较小值。在这里，短语“使反向偏压减少”意指使反向偏压的绝对值减少；如关于反向偏压使用的单词“较小”意指反向偏压的绝对值较小。控制器245配置成感测采用线性模式的apd242上入射光的强度。当强度低于阈值时(即，当强度并未导致饱和时(如果反向偏压增加到高于vbd))，控制器245使apd242上的反向偏压增加到高于vbd的较大值(即，apd242现在是spad242)。

图3示意示出根据实施例使用apd的方法的流程图。在过程310中，向apd施加高于apd的击穿电压vbd的反向偏压v1。在过程320中，测量apd上入射的光的强度。例如，当apd是处于v1的spad时，可通过对在指定时间量内通过apd的电流脉冲的数量计数来测量强度。在过程330中，确定在过程320中测量的强度是否高于第一阈值。例如，该第一阈值可以是导致spad饱和的强度。如果强度不高于第一阈值，流程返回到过程310。如果强度高于第一阈值，流程前往过程340。在过程340中，向apd施加低于击穿电压vbd的反向偏压v2。在过程350中，测量apd上入射的光的强度。例如，当apd不是处于v2的spad时，可通过测量通过apd的电流来测量强度。在过程360中，确定在过程350中测量的强度是否低于第二阈值。例如，第一阈值可以是在反向偏压v1未导致spad饱和的强度。如果强度不低于第二阈值，流程返回到过程340。如果强度低于第二阈值，流程前往过程310。第一和第二阈值可相同或不同。

图4示意示出图像感测器400(其包括apd的阵列410)的顶视图。图像感测器400具有电子系统(其包括例如控制器245中的一个或多个)，其配置成基于apd上入射的光的强度独立控制apd上的反向偏压。电子系统可配置成对阵列410中的不同apd不同地设置反向偏压。在指定时间，阵列140中的apd中的一些可采用线性模式操作，并且一些可采用geiger模式操作(即，是spad)。电子系统可配置成确定apd上入射的光的强度，而不管apd是采用线性模式还是geiger模式操作。图像感测器400从而具有采用线性模式操作的apd和采用geige模式操作的apd的组合动态范围。当图像感测器400暴露于具有将使采用geiger模式操作的apd饱和的高光强度的一部分的场景时，阵列中暴露于该部分的那些apd可以采用线性模式操作并且余下的apd可以采用geiger模式操作。采用geiger模式操作的apd饱和所高于的入射光强度叫作apd的“饱和强度”。阵列中的apd可以使用图3中图示的方法来控制。电子系统可以基于apd上入射的光的强度随场景改变使阵列中的apd在采用线性模式操作与采用geiger模式之间独立切换。图像感测器400可以配置成输出apd上入射的光的强度的表示，而不必将apd的操作模式传递到下游电路。图像感测器400可配置成感测红外光、可见光、紫外光或x射线的场景。

图5a和图5b示意示出图像感测器500(其包括多个apd511)的横截面图。apd511可在衬底510(例如，半导体晶圆)中制造。在衬底510中可存在一个或多个通孔512并且通孔512使apd511电连接到衬底510的表面。备选地，apd511可设置在衬底510的表面上使得apd511上的电触点暴露于表面。与apd511通信和/或控制apd511的电子系统521可在另一个衬底520中制造。电子系统521可包括控制器、偏压源、开关、电流计、内存、放大器或其他适合的部件。电子系统521的一些部件可在衬底510中制造。电子系统521可配置成使用图3中图示的方法来使用apd511。可存在一个或多个通孔522并且它们使电子系统521电连接到衬底520的表面。备选地，电子系统521可设置在衬底520的表面处使得电子系统521上的电触点暴露于表面。衬底520可包括传输线530，其配置成将资料、功率和/或传送到电子系统521和从电子系统521传送，并且通过此传送到apd511和从apd511传送。衬底510和520可通过例如倒装接合或直接接合等适合的衬底接合来接合。

如在图5a和图5b中示出的，倒装接合使用沉积到衬底510和520中任一个的表面上的焊料凸点599。衬底510和520中的任一个翻转并且apd511和电子系统521对齐(例如，通过通孔512、522或两者)。促使衬底510和520接触。焊料凸点599可熔融来电连接apd511和电子系统521。焊料凸点599之间的任何空隙空间可用绝缘材料填充。

直接接合是没有任何额外中间层(例如，焊料凸点)的晶圆接合工艺。接合工艺基于两个表面之间的化学接合。直接接合可在高温下进行但不一定如此。

图6a和图6b示意示出图像感测器600(其包括多个apd611)的横截面图。apd611可在衬底610(例如，半导体晶圆)中制造。在衬底610中可存在一个或多个通孔612并且通孔612使apd611电连接到衬底610的表面。备选地，apd611可设置在衬底610的表面上使得apd611上的电触点暴露于表面。衬底610可包括传输线630。与apd611通信和/或控制apd611的电子系统621可在另一个衬底620中制造。电子系统621可包括控制器、偏压源、开关、电流计、内存、放大器或其他适合的部件。电子系统621的一些部件可在衬底610中制造。电子系统621可配置成使用图3中图示的方法来使用apd611。可存在一个或多个通孔622和623并且它们使电子系统621电连接到衬底620的表面。备选地，电子系统621可设置在衬底620的表面处使得电子系统621上的电触点暴露于表面。衬底610和620可通过例如倒装接合或直接接合等适合的衬底接合技术接合。

如在图6a和图6b中示出的，倒装接合使用沉积到衬底610和620中的任一个的表面上的焊料凸点699和698。衬底610和620中的任一个翻转并且apd611和电子系统621对齐(例如，通过通孔612、622或两者)。促使衬底610和620接触。焊料凸点699可熔融来电连接apd611和电子系统621。焊料凸点698可熔融来使电子系统620电连接到传输线630。传输线630配置成将资料、功率和/或信号传送到电子系统621和从电子系统621传送，并且通过此传送到apd611和从apd611传送。焊料凸点599和698之间的任何空隙空间可用绝缘材料填充。

图7示意示出夜视望远瞄准镜700，其包括设置在其中的图像感测器730(例如，图像感测器400、500或600)。瞄准镜700包括一个或多个光学(折射或反射)部件710，其将场景投射到图像感测器730。图像感测器730产生代表场景的电子信号。将这些电子信号传送到显示器740。显示器740基于电子信号显示图像。瞄准镜700可包括一个或多个光学(折射或反射)部件720，其配置成使用瞄准镜将图像投射给人。

图8示意示出一副夜视镜800，其包括设置在其中的图像感测器830(例如，图像感测器400、500或600)。镜800包括一个或多个光学(折射或反射)部件810，其将场景投射到图像感测器830。图像感测器830产生代表场景的电子信号。这些电子信号被传送到一个或两个显示器840。显示器840中的每个基于电子信号显示图像。镜800可包括一个或多个光学(折射或反射)部件820，其配置成使用镜将图像投射给人。

图9示意示出望远镜900，其包括设置在其中的图像感测器930(例如，图像感测器400、500或600)。望远镜900包括一个或多个光学(折射或反射)部件910，其将场景投射到图像感测器930。图像感测器930产生代表场景的电子信号。这些电子信号被传送到一个或两个显示器和/或被捕捉用于分析。

光谱仪可以包括设置在其中的图像感测器(例如，图像感测器400、500或600)。光谱仪使用棱镜或光栅来使来自场景的光展开成光谱。光谱可以投射到图像感测器用于检测。

载具(例如，陆地车辆、航天器、飞行器、水面载具)可包括本文公开的图像感测器(例如，图像感测器400、500或600)。

尽管本文公开各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求指示。