像素陣列及圖像感測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本申請案涉及一種像素陣列及一種圖像感測系統(tǒng)。一種像素陣列包含布置于所述像素陣列中的多個可見光像素。所述多個可見光像素中的每一者包含布置于第一半導體裸片中以檢測可見光的光敏元件。所述多個可見光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導體裸片中的可見光讀出電路，所述第二半導體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導體裸片堆疊且耦合到所述第一半導體裸片。多個紅外IR像素布置于所述像素陣列中。所述多個IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導體裸片中以檢測IR光的單光子雪崩光電二極管SPAD。所述多個可見光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導體裸片中的IR光讀出電路。
【專利說明】
像素陣列及圖像感測系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器。更具體來說，本發(fā)明的實例涉及三維圖像傳感器。
【背景技術】
[0002]對三維(3D)相機的興趣正隨著3D應用的流行不斷在例如成像、電影、游戲、計算機、用戶接口及類似物的應用中增長而增加。用于創(chuàng)建彩色3D圖像的典型被動方式是使用多個相機來捕獲立體或多個圖像。使用立體圖像，可對圖像中的物體進行三角測量以創(chuàng)建彩色3D圖像。此三角測量技術的一個缺點是難以使用小裝置創(chuàng)建彩色3D圖像，這是因為每一相機之間必須存在最小分離距離以便創(chuàng)建彩色3D圖像。另外，此技術為復雜的，且因此需要顯著的計算機處理能力以便實時地創(chuàng)建彩色3D圖像。此外，使用多個相機可增加成像系統(tǒng)的大小及成本。
[0003]對于需要實時獲取彩色3D圖像的應用，有時利用基于光學飛行時間測量的有源深度成像系統(tǒng)。飛行時間系統(tǒng)通常采用:將光引導于物體處的光源，檢測從物體反射的光的傳感器，及基于光來往于物體行進所花費的往返時間而計算到所述物體的距離的處理單元。在典型飛行時間傳感器中，通常由于從光電檢測區(qū)到感測節(jié)點的高傳送效率而使用光電二極管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本申請案的一個實施例涉及一種像素陣列，其包括:多個可見光像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個可見光像素中的每一者包含布置于第一半導體裸片中以檢測可見光的光敏元件，其中所述多個可見光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導體裸片中的可見光讀出電路，所述第二半導體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導體裸片堆疊且耦合到所述第一半導體裸片;及多個紅外(IR)像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導體裸片中以檢測IR光的單光子雪崩光電二極管(SPAD)，其中所述多個IR光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導體裸片中的IR光讀出電路。
[0005]本申請案的另一實施例涉及一種圖像感測系統(tǒng)，其包括:光源，其用于將紅外(IR)光脈沖發(fā)射到物體;像素陣列，其用于從所述物體接收可見光及經(jīng)反射IR光脈沖，其中所述像素陣列包含:多個可見光像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個可見光像素中的每一者包含布置于第一半導體裸片中以檢測來自所述物體的所述可見光的光敏元件，其中所述多個可見光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導體裸片中的可見光讀出電路，所述第二半導體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導體裸片堆疊且耦合到所述第一半導體裸片;及多個IR像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導體裸片中以檢測來自所述物體的所述經(jīng)反射IR光脈沖來產(chǎn)生飛行時間信息的單光子雪崩光電二極管(SPAD)，其中所述多個可見光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導體裸片中的IR光讀出電路;及控制電路，其經(jīng)耦合以控制所述像素陣列的操作且借助同步信號控制并使所述光源同步以使所述光脈沖的發(fā)射與對從所述物體反射的光子的感測的時序同步。
【附圖說明】
[0006]參照以下圖描述本發(fā)明的非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另有規(guī)定，否則貫穿各個視圖，相同參考編號是指相同部件。
[0007]圖1是展示用于產(chǎn)生物體或場景的三維彩色圖像的成像系統(tǒng)的實例的示意性框圖。
[0008]圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有對應讀出電路、控制電路及功能邏輯的彩色飛行時間像素陣列的3D彩色圖像傳感器的實例的一部分的框圖。
[0009]圖3是展示根據(jù)本發(fā)明的教示安置于實例性彩色飛行時間像素陣列上方的實例性RGB-1R濾光器陣列的圖解說明。
[0010]圖4A是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的教示的堆疊式可見光像素的一個實例的示意圖。
[0011]圖4B是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的教示包含淬滅元件的堆疊式芯片SPAD像素的一個實例的示意圖。
[0012]圖5是根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有堆疊式裸片的3D彩色圖像傳感器的集成電路系統(tǒng)的橫截面圖。
[0013]貫穿圖式的數(shù)個視圖，對應參考字符指示對應組件。所屬領域的技術人員將了解，圖中的元件是為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪制。舉例來說，為幫助改進對本發(fā)明的各種實施例的理解，各圖中的元件中的一些元件的尺寸可能相對于其它元件被放大。同樣，通常不描繪在商業(yè)上可行的實施例中有用或必需的常見而眾所周知的元件以便促進對本發(fā)明的這些各個實施例的較不受阻礙的觀看。
【具體實施方式】
[0014]揭示一種用于使用飛行時間及深度信息獲得彩色3D圖像的設備及系統(tǒng)。在以下說明中，陳述眾多特定細節(jié)以提供對實施例的透徹理解。然而，相關領域的技術人員將認識至IJ，可在不具有所述特定細節(jié)中的一者或多者的情況下或者借助其它組件、材料等來實踐本文中所描述的技術。在其它實例中，未詳細展示或描述眾所周知的結構、材料或操作以避免使特定方面模糊。
[0015]貫穿本說明書對“一個實施例”或“實施例”的提及意指結合所述實施例所描述的特定特征、結構或特性包含于本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書在各個地方中出現(xiàn)的短語“在一個實施例中”或“在實施例中”未必全部是指相同實施例。此外，特定特征、結構或特性可以任一適合方式組合于一個或多個實施例中。
[0016]貫穿本說明書，使用數(shù)個技術術語。這些術語將呈現(xiàn)其在其所屬領域中的普通含義，除非本文中另外具體定義或其使用的上下文將另外清晰地暗示。舉例來說，術語“或”在包含性意義上使用(例如，如同“及/或”)，除非上下文另外清晰地指示。
[0017]圖1圖解說明可產(chǎn)生物體或場景12的彩色3D圖像的實例性成像系統(tǒng)10的示意性框圖。舉例來說，成像系統(tǒng)10可用作彩色相機用于3D手勢辨識系統(tǒng)的部分，3D手勢辨識系統(tǒng)舉例來說可用于視頻游戲系統(tǒng)中。如圖1中所展示，成像系統(tǒng)10包含光學成像儀或相機18，光學成像儀或相機18接收并處理來自場景或物體12的可見光。在所述實例中，相機18產(chǎn)生場景或物體12的紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)彩色圖像數(shù)據(jù)。如此，相機18也可被稱為“RGB相機”。RBG像素陣列22接收可見光，且讀出電路24讀出可見圖像數(shù)據(jù)。
[0018]在所述實例中，成像系統(tǒng)10還包含紅外(IR)源14，紅外(IR)源14用IR光照射場景或物體12。在一個實例中，IR源14可包含用于提供IR光的IR激光器或類似物。IR成像儀或相機16接收并處理從場景或物體12返回的IR光以產(chǎn)生場景或物體12的IR圖像數(shù)據(jù)。如此，IR像素陣列26接收IR光，且IR讀出電路28讀出IR圖像數(shù)據(jù)。
[0019]在所述實例中，來自RGB相機18及IR相機16的圖像數(shù)據(jù)的幀經(jīng)發(fā)射到圖像處理電路20，圖像處理電路20處理所接收數(shù)據(jù)以產(chǎn)生場景或物體12的3D彩色圖像。圖像處理電路20使用來自RGB相機18的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生彩色圖像，且使用來自IR相機16的數(shù)據(jù)來提供深度信息以便產(chǎn)生彩色3D圖像。因此，圖1的成像系統(tǒng)10包含用于產(chǎn)生彩色3D圖像的單獨RGB相機18及IR相機16。然而，應注意，通過利用例如RGB相機18及IR相機16的多個相機，存在多組控制信號線及多個數(shù)據(jù)集，其導致成像系統(tǒng)10具有大且復雜的外觀尺寸以及相對高成本。
[0020]在一個實例中，可通過使用其中將RGB相機及IR相機組合于一單個圖像像素陣列中的成像系統(tǒng)獲得3D彩色圖像。舉例來說，在一個實例中，成像系統(tǒng)包含圖像像素陣列，所述圖像像素陣列具有多個可見光像素及多個硅光子雪崩二極管(SPAD)像素。在所述實例中，所述多個可見光像素中的每一者包含用于接收光的一部分的(舉例來說)例如光電二極管的光敏元件，及用于產(chǎn)生表示光的所述所接收部分的強度的信號的像素支持電路。所述多個SPAD像素中的每一者包含用于檢測到物體的距離的雪崩二極管，及耦合到雪崩光電二極管的SPAD像素支持電路。光敏元件及SPAD像素的陣列安置于傳感器裸片上，且可見光像素及SPAD像素的像素支持電路安置于專用集成電路(ASIC)裸片上。傳感器裸片及ASIC裸片堆疊在一起。
[0021 ]在所述實例中，濾光器安置于所述多個可見光像素中的每一者及所述多個SPAD像素中的每一者上面。每一濾光器使預定波長帶或光的顏色通過。每一濾光器與可見光像素的相關聯(lián)光敏元件或SPAD像素的雪崩二極管對準。濾光器中的至少一者適于使可見色彩帶中的波長帶通過，且濾光器中的至少另外一者適于使紅外帶中的波長帶通過。
[0022]為圖解說明，圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有對應讀出電路、控制電路及功能邏輯的飛行時間像素陣列的堆疊式3D彩色圖像傳感器200的實例的一部分的框圖。特定來說，如所描繪實例中所圖解說明，堆疊式3D彩色圖像傳感器200包含彩色飛行時間(TOF)像素陣列210、讀出電路220、控制電路230、功能邏輯240及IR源250。在所述實例中，IR源250發(fā)射脈沖IR光252，脈沖IR光可用于基于IR光的脈沖的飛行時間來感測到物體260的往返距離。特定來說，根據(jù)本發(fā)明的教示可通過測量所發(fā)射IR光脈沖252從IR源250行進到物體260且返回到彩色TOF像素陣列210所花費的時間的量來確定往返距離。通過確定到物體260的往返距離，可確定3D信息?？膳e例來說在多種應用中(例如包含于舉例來說視頻游戲系統(tǒng)或類似物中的3D手勢辨識系統(tǒng)中的相機的部分)使用圖2的堆疊式3D彩色圖像傳感器200。在一個實例中，IR源250可包含發(fā)射照射物體260的IR光252的IR激光器。
[0023]在圖2中的所圖解說明的實例中，彩色TOF像素陣列210為安置于半導體傳感器裸片的半導體材料中的可見光像素211及SPAD像素212的二維(2D)陣列?？捎貌噬玊OF像素陣列210中的多個SPAD像素212來檢測來自物體260的經(jīng)反射IR光254以提供IR圖像數(shù)據(jù)。彩色TOF像素陣列210中的所述多個可見光像素211檢測來自物體260的可見光以提供彩色圖像數(shù)據(jù)。在一個實例中，所述多個可見光像素211中的每一者包含用于接收光的一部分的例如光電二極管的光敏元件，以及用于產(chǎn)生表示光的所述所接收部分的強度的信號的像素支持電路。所述多個SPAD像素212中的每一者包含雪崩二極管及SPAD像素支持電路。
[0024]如所描繪實例中所展示，所述多個SPAD像素212中的每一者在彩色TOF像素陣列210的半導體材料中的所有橫向側上被可見光像素211圍繞。如此，根據(jù)本發(fā)明的教示，所述多個SPAD像素212貫穿彩色TOF像素陣列210而分布于半導體傳感器裸片的半導體材料中的所述多個可見光像素211當中。在一個實例中，SPAD像素212與可見光像素211之間的大小的比率為4比I。在另一實例中，SPAD像素212與可見光像素之間的大小的比率可為另一值，例如9比I。在另一實例中，SPAD像素的大小為可見光像素的大小的N倍大，其中N為整數(shù)。由于堆疊式3D彩色圖像傳感器200包含以堆疊式芯片方案與ASIC裸片堆疊的傳感器裸片，因此光敏元件可占據(jù)可見光像素211的實質上整個區(qū)域且雪崩二極管可占據(jù)SPAD像素212的實質上整個區(qū)域。
[0025]在所描繪實例中，控制電路230經(jīng)耦合以控制彩色TOF像素陣列210的操作，以及借助同步信號235控制并使IR源250同步來發(fā)射到物體260的IR光252的脈沖以使IR光脈沖252的發(fā)射與借助SPAD像素212對從物體260反射的光子的感測的時序同步。特定來說，經(jīng)反射IR光254從物體260反射回到彩色TOF像素陣列210。用可見光像素211檢測可見光且用所述多個SPAD像素212檢測經(jīng)反射IR光254。
[0026]彩色圖像數(shù)據(jù)及IR圖像數(shù)據(jù)的幀通過位線225從彩色TOF像素陣列210傳送到包含于讀出電路220中的可見光讀出電路及IR光讀出電路。讀出電路220可包含放大器以放大通過位線225接收的信號。位線225可用于耦合安置于同一列上的可見光像素211。彩色飛行時間像素陣列210中的所述多個SPAD像素212中的每一者可耦合到其自身相應讀出電路，所述相應讀出電路不同于可見光像素211的讀出電路。由讀出電路220中的可見光讀出電路及IR光讀出電路讀出的信息接著可經(jīng)傳送到包含于功能邏輯240中的數(shù)字電路以存儲并處理從彩色TOF像素陣列210讀出的信息。在一個實例中，功能邏輯240可確定距彩色TOF像素陣列210的所述多個SPAD像素212中的每一者的飛行時間及距離信息。在一個實例中，功能邏輯240可操縱彩色圖像數(shù)據(jù)及/或IR圖像數(shù)據(jù)(例如，剪裁、旋轉、針對背景噪聲調整或類似物)。在一個實例中，功能邏輯240可將彩色圖像數(shù)據(jù)與IR圖像數(shù)據(jù)中的飛行時間信息組合以提供彩色3D圖像。
[0027]如所提及，應注意，圖2中所圖解說明的3D彩色圖像傳感器200可以堆疊式芯片方案實施。舉例來說，可見光像素211的光敏元件與SPAD像素212的雪崩二極管的陣列可安置于傳感器裸片上?？梢姽庀袼?11的像素支持電路及SPAD像素212的像素支持電路以及讀出電路220、控制電路230及功能邏輯240可安置于單獨ASIC裸片上。在所述實例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，傳感器裸片及ASIC裸片在制作期間以堆疊式芯片方案堆疊及耦合在一起以實施3D彩色圖像感測系統(tǒng)。
[0028]圖3是展示根據(jù)本發(fā)明的教示安置于實例性彩色TOF像素陣列上方的實例性RGB-1R濾光器陣列的圖解說明。在所描繪實例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，RGB-1R濾光器陣列300安置于圖2的彩色TOF像素陣列210的一個實例上方。返回參考圖3，濾光器310中的每一濾光器310、311、312及313與可見光像素211的對應下伏光敏元件對準，而濾光器315與SPAD像素212的對應下伏雪崩二極管對準。在一個實例中，可見光像素211的光敏元件可與濾光器310的每一濾光器310、311、312、313為實質上相同大小，且3?40像素212的雪崩二極管可與濾光器315為實質上相同大小。在一個實例中，濾光器310、311、312及313為經(jīng)布置成重復圖案(舉例來說例如拜耳(repeating)圖案或類似物)的彩色濾光器，其中最小重復彩色濾光器單元314如所展示包含四個彩色濾光器310、311、312及313的分組。在一個實例中，重復彩色濾光器單元314的大小與濾光器315為實質上相同大小。在一個實例中，濾光器310、311、312及313可分別為R、G、G及B彩色濾光器，從而使濾光器陣列300成為RGB-1R濾光器陣列。在一個實例中，濾光器陣列300可為CYM-1R濾光器陣列或CYGM-1R濾光器陣列或類似物。
[0029]圖4A是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的教示的四晶體管(4T)像素單元堆疊式芯片可見光像素的一個實例的示意圖。圖4A中所圖解說明的像素電路為用于實施圖2的彩色飛行時間像素陣列210的每一可見光像素211的可見光像素電路架構的一個可能實例。返回參考圖4A，每一可見光像素400包含光敏元件410(例如，光電二極管)及像素支持電路411，如所展示。光敏元件410可安置于堆疊式裸片系統(tǒng)的傳感器裸片上，而像素支持電路411可安置于ASIC裸片上。在一個實例中，像素支持電路411包含耦合到光敏元件410的轉移晶體管415、復位晶體管420、源極跟隨器(SF)晶體管425及行選擇晶體管430，如所展示。
[0030]在操作期間，在曝光周期期間光敏元件410響應于入射光而光生電荷。轉移晶體管415經(jīng)耦合以接收轉移信號TX，轉移信號TX致使轉移晶體管415將在光電二極管410中積累的電荷轉移到浮動擴散(FD)節(jié)點417。復位晶體管420耦合于電力軌VDD與浮動擴散節(jié)點417之間以響應于復位信號RST復位可見光像素400(例如，將浮動擴散節(jié)點417及光電二極管410放電或充電到預設電壓)。
[0031]浮動擴散節(jié)點417經(jīng)耦合以控制源極跟隨器晶體管425的柵極端子。源極跟隨器晶體管425耦合于電力軌VDD與行選擇晶體管430之間以響應于浮動擴散H)節(jié)點417上的電荷放大信號。行選擇晶體管430響應于行選擇信號RS將來自源極跟隨器晶體管425的像素電路的輸出耦合到讀出列或位線435。
[0032]光敏元件410及浮動擴散節(jié)點417通過暫時地斷言復位信號RST及轉移信號TX而復位。積累窗(例如，曝光周期)在轉移信號TX被撤銷斷言時開始，此準許入射光在光敏元件410中光生電荷。隨著所光生電子在光敏元件410中積累，其電壓降低(電子為負電荷載體)。光電二極管410上的電壓或電荷表示在曝光周期期間入射于光敏元件410上的光的強度。在曝光周期結束時，復位信號RST被撤銷斷言，此關斷復位晶體管420且將浮動擴散H)節(jié)點417與VDD隔離。接著，轉移信號TX被斷言以將光敏元件410耦合到浮動擴散節(jié)點417。電荷通過轉移晶體管415從光敏元件410轉移到浮動擴散FD節(jié)點417，此致使浮動擴散H)節(jié)點417的電壓下降與在曝光周期期間于光敏元件410上積累的所光生電子成比例的量。
[0033]圖4B是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的教示包含淬滅元件的堆疊式芯片SPAD像素的一個實例的示意圖。圖4B中所圖解說明的像素電路為用于實施圖2的彩色飛行時間像素陣列210的每一 SPAD像素212的SPAD像素電路架構的一個可能實例。返回參考圖4B，每一 SPAD像素450包含如所展示而耦合的雪崩二極管460、淬滅元件470及數(shù)字計數(shù)器480。雪崩二極管460耦合到淬滅元件470，且雪崩二極管460及淬滅元件470兩者均可安置于堆疊式裸片系統(tǒng)的傳感器裸片上，而包含于讀出電路中的數(shù)字計數(shù)器480安置于ASIC裸片上。在其它實例中，淬滅元件470可根據(jù)本發(fā)明的教示包含于傳感器裸片或ASIC裸片中。還應了解，淬滅元件470可根據(jù)本發(fā)明的教示使用無源或有源淬滅元件來實施。
[0034]數(shù)字計數(shù)器480可使用安置于ASIC裸片上的使用堆疊式裸片系統(tǒng)的標準CMOS過程制作的CMOS電路來實施，且經(jīng)電耦合以接收由雪崩二極管460響應于所接收光子產(chǎn)生的輸出脈沖465。數(shù)字計數(shù)器480可經(jīng)啟用以計數(shù)由雪崩二極管460在時間窗期間產(chǎn)生的輸出脈沖465的數(shù)目且輸出表示所述計數(shù)的數(shù)字信號485。盡管圖4B中所描繪的實例圖解說明包含雪崩光電二極管460及數(shù)字計數(shù)器480的像素電路之間的直接連接，但應了解，根據(jù)本發(fā)明教示可利用包含雪崩光電二極管460及數(shù)字計數(shù)器480的像素電路之間的任何連接(包含以AC耦合方式)。在一個實例中，每一數(shù)字計數(shù)器480包含用于放大所接收輸出脈沖465的放大器。替代地或除數(shù)字計數(shù)器480以外，根據(jù)本發(fā)明的教示，可在每一像素/列/陣列中放置用于計時入射光子的到達的計時電路以確定所述光子的飛行時間及到物體的往返距離。
[0035]在操作中，每一雪崩二極管460經(jīng)由高于每一雪崩二極管460的擊穿電壓的偏置電壓Vbias而反向偏置。響應于單個光生載流子(其響應于入射光子而產(chǎn)生)，觸發(fā)雪崩倍增過程，所述雪崩倍增過程在每一雪崩二極管460的輸出處產(chǎn)生雪崩電流。此雪崩電流響應于跨越淬滅元件470形成的電壓降而自淬滅，此導致跨越雪崩二極管460的偏置電壓下降。在雪崩電流的淬滅之后，跨越雪崩二極管460的電壓恢復到高于偏置電壓且接著雪崩二極管460準備好再次被觸發(fā)。每一雪崩二極管460的所得輸出脈沖465由其相應數(shù)字計數(shù)器480接收，數(shù)字計數(shù)器480響應于輸出脈沖465而使其計數(shù)遞增。
[0036]在與使用標準CMOS過程制作的CMOS數(shù)字計數(shù)器相同的芯片上并入SPAD的常規(guī)SPAD像素設計由于CMOS電路本身占據(jù)的面積而遭受成像平面上的減小填充因子的影響。因此，根據(jù)本發(fā)明的教示，實施堆疊式芯片結構的一個優(yōu)點提供成像平面上的經(jīng)改進填充因子。
[0037]應注意，圖4B的電路圖是出于解釋的目的而隨本文一起提供且未詳細展示一些其它電路元件(例如，例如電阻器及電容器的無源組件及例如晶體管的有源組件)以便不使本發(fā)明的教示模糊。舉例來說，圖4B的所圖解說明像素電路可產(chǎn)生輸出脈沖465，輸出脈沖465在被數(shù)字計數(shù)器480的輸入感測之前需要放大。在另一實例中，淬滅元件470與雪崩二極管460之間的節(jié)點處的連接將處于高電壓，此可需要AC耦合。
[0038]圖5是根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有堆疊式裝置裸片的3D彩色像素陣列的集成電路系統(tǒng)500的一個實例的橫截面圖。集成電路系統(tǒng)500為具有圖3的RGB-1R濾光器陣列300的圖2的彩色飛行時間像素陣列210的一個可能實施方案。舉例來說，圖5的集成電路系統(tǒng)500可為沿著圖3的虛線A-A’的橫截面圖。圖5中所展示的集成電路系統(tǒng)500的所圖解說明實例包含第一裝置裸片506、第二裝置裸片508及接合界面507，第一裝置裸片506在接合界面507處接合到第二裝置裸片508。第一裝置裸片506包含第一半導體層510及第一互連層512，而第二裝置裸片508包含第二半導體層514及第二互連層516。所圖解說明實例展示經(jīng)布置成行及列(舉例來說，例如也如圖2及3中所圖解說明)的多個可見光像素502A、502B、502C及502D以及多個SPAD像素503A及503B。
[0039]在一個實例中，可見光像素502A、502B、502C及502D可分別各自包含接近第一半導體層510的前側511安置的光敏區(qū)或光電二極管504六、5048、504(:及5040。在一個實例中，SPAD像素503A及503B可分別各自包含接近第一半導體層510的前側511形成的倍增區(qū)505A及505B。在所描繪實例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，光電二極管504A、504B、504C及504D以及倍增區(qū)505A及505B經(jīng)配置以通過第一半導體層510的背側513而被照射。
[0040]在一個實例中，第二裝置裸片508為CMOS邏輯裸片，所述CMOS邏輯裸片使用標準CMOS過程而制作且包含第二半導體層514，第二半導體層514包含可見光讀出電路517A、517B、517C及517D以及IR光讀出電路519A及519B。在一個實例中，IR光讀出電路519A及519B包含類似于舉例來說圖4的數(shù)字計數(shù)器480的數(shù)字計數(shù)器。在一個實例中，混合接合通孔528包含于接合界面507處，如所展示。舉例來說，在一個實例中，可包含混合接合通孔528以將包含于第一裝置裸片506中的SPAD像素503A及503B的電壓轉移到包含于第二裝置裸片508中的IR光讀出電路519A及519B?？梢姽庾x出電路517A、517B、517C及517D中的每一者可包含取樣與保持電路及模/數(shù)轉換(ADC)電路。如所描繪實例中所展示，可見光讀出電路517A、517B、517C及517D以及IR光讀出電路519A及519B接近第二半導體層514的前側520形成。在所圖解說明實例中，可見光讀出電路517A、517B、517C及517D安置于其相應可見光像素(例如，分別為502A、502B、503C及502D)內(nèi)的半導體層514的區(qū)中。類似地，IR光讀出電路519A及519B安置于其相應SPAD像素(例如，分別為503A及503B)內(nèi)的半導體層514的區(qū)中。在其它實例中，彩色飛行時間像素陣列內(nèi)的鄰近可見光像素的可見光讀出電路可經(jīng)分組以形成公共裸片面積。此公共裸片面積可由相鄰SPAD像素的IR光讀出電路中的數(shù)字計數(shù)器使用。
[0041]包含發(fā)明摘要中所描述內(nèi)容的對本發(fā)明的所圖解說明實施例的以上說明并不打算為窮盡性或將本發(fā)明限制于所揭示的精確形式。雖然出于說明性目的而在本文中描述本發(fā)明的特定實施例及實例，但相關領域的技術人員將認識到，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出各種修改。
[0042]可根據(jù)以上詳細說明對本發(fā)明做出這些修改。所附權利要求書中所使用的術語不應理解為將本發(fā)明限制于說明書中所揭示的特定實施例。而是，本發(fā)明的范圍將完全由所附權利要求書來確定，所述權利要求書將根據(jù)權利要求解釋的所創(chuàng)建原則加以理解。
【主權項】
1.一種像素陣列，其包括: 多個可見光像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個可見光像素中的每一者包含布置于第一半導體裸片中以檢測可見光的光敏元件，其中所述多個可見光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導體裸片中的可見光讀出電路，所述第二半導體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導體裸片堆疊且耦合到所述第一半導體裸片；及 多個紅外IR像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導體裸片中以檢測IR光的單光子雪崩光電二極管SPAD，其中所述多個IR光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導體裸片中的IR光讀出電路。2.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其中所述多個IR像素中的每一者在所述第一半導體裸片中的所有橫向側上被所述多個可見光像素圍繞。3.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其中所述多個IR像素貫穿所述像素陣列而分布于所述第一半導體裸片中的所述多個可見光像素當中。4.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其中所述多個IR像素中的每一者與所述多個可見光像素中的每一者之間的大小的比率為4比I。5.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其中所述多個可見光像素及所述多個IR像素適于通過所述第一半導體裸片的背側而被照射。6.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其中所述多個可見光像素以拜耳圖案布置于所述像素陣列中以提供所述彩色圖像數(shù)據(jù)。7.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其中由所述多個IR光像素提供的所述IR圖像數(shù)據(jù)提供飛行時間信息以提供三維3D圖像數(shù)據(jù)。8.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其中所述第一半導體裸片中的所述多個可見光像素及所述多個IR光像素通過在所述第一半導體裸片與所述第二半導體裸片之間的接合界面處的混合接合通孔而耦合到所述第二半導體裸片中的所述可見光讀出電路及所述IR光讀出電路。9.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其中所述第二半導體裸片為專用集成電路ASIC裸片。10.根據(jù)權利要求1所述的像素陣列，其中所述IR光讀出電路包含多個數(shù)字計數(shù)器，所述多個數(shù)字計數(shù)器經(jīng)耦合以計數(shù)由所述多個IR像素中的每一者的每一 SPAD響應于所接收光子產(chǎn)生的輸出脈沖。11.一種圖像感測系統(tǒng)，其包括: 光源，其用于將紅外IR光脈沖發(fā)射到物體； 像素陣列，其用于從所述物體接收可見光及經(jīng)反射IR光脈沖，其中所述像素陣列包含: 多個可見光像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個可見光像素中的每一者包含布置于第一半導體裸片中以檢測來自所述物體的所述可見光的光敏元件，其中所述多個可見光像素中的每一者經(jīng)耦合以將彩色圖像數(shù)據(jù)提供到安置于第二半導體裸片中的可見光讀出電路，所述第二半導體裸片以堆疊式芯片方案與所述第一半導體裸片堆疊且耦合到所述第一半導體裸片;及 多個IR像素，其布置于所述像素陣列中，其中所述多個IR像素中的每一者包含布置于所述第一半導體裸片中以檢測來自所述物體的所述經(jīng)反射IR光脈沖來產(chǎn)生飛行時間信息的單光子雪崩光電二極管SPAD，其中所述多個可見光像素中的每一者經(jīng)耦合以將IR圖像數(shù)據(jù)提供到安置于所述第二半導體裸片中的IR光讀出電路;及 控制電路，其經(jīng)耦合以控制所述像素陣列的操作且借助同步信號控制并使所述光源同步以使所述光脈沖的發(fā)射與對從所述物體反射的光子的感測的時序同步。12.根據(jù)權利要求11所述的圖像感測系統(tǒng)，其進一步包括功能邏輯，所述功能邏輯耦合到所述可見光讀出電路及所述IR光讀出電路以存儲并處理從所述像素陣列讀出的彩色圖像數(shù)據(jù)及所述IR圖像數(shù)據(jù)，其中所述功能邏輯經(jīng)耦合以將所述彩色圖像數(shù)據(jù)與所述IR圖像數(shù)據(jù)組合以產(chǎn)生所述飛行時間信息并提供彩色三維3D圖像。13.根據(jù)權利要求11所述的圖像感測系統(tǒng)，其中所述多個IR像素中的每一者在所述第一半導體裸片中的所有橫向側上被所述多個可見光像素圍繞。14.根據(jù)權利要求11所述的圖像感測系統(tǒng)，其中所述多個IR像素貫穿所述像素陣列而分布于所述第一半導體裸片中的所述多個可見光像素當中。15.根據(jù)權利要求11所述的圖像感測系統(tǒng)，其中所述多個IR像素中的每一者與所述多個可見光像素中的每一者之間的大小的比率為4比I。16.根據(jù)權利要求11所述的圖像感測系統(tǒng)，其中所述多個可見光像素及所述多個IR像素適于通過所述第一半導體裸片的背側而被照射。17.根據(jù)權利要求11所述的圖像感測系統(tǒng)，其中所述多個可見光像素以重復圖案布置于所述像素陣列中以提供所述彩色圖像數(shù)據(jù)。18.根據(jù)權利要求11所述的圖像感測系統(tǒng)，其中所述第一半導體裸片中的所述多個可見光像素及所述多個IR光像素通過在所述第一半導體裸片與所述第二半導體裸片之間的接合界面處的混合接合通孔而耦合到所述第二半導體裸片中的所述可見光讀出電路及所述IR光讀出電路。19.根據(jù)權利要求11所述的圖像感測系統(tǒng)，其中所述第二半導體裸片為專用集成電路AS IC裸片。20.根據(jù)權利要求11所述的圖像感測系統(tǒng)，其中所述IR光讀出電路包含多個數(shù)字計數(shù)器，所述多個數(shù)字計數(shù)器經(jīng)耦合以計數(shù)由所述多個IR像素中的每一者的每一 SPAD響應于所接收光子產(chǎn)生的輸出脈沖。
【文檔編號】H04N5/33GK105895645SQ201610072909
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月2日
【發(fā)明人】孫天佳, 王睿, 代鐵軍
【申請人】全視科技有限公司