(57)【要約】  低光条件と高光条件とにおける光強度を検出するための２つの別個の方式が使用される。高光条件では、２つのしきい値電圧がセットされ、２つのしきい値電圧におけるセンサー電圧の交差の間の時間が、高光条件における光強度を決定するために測定される。低光条件では、センサー電圧の電圧レベルを、時間とともに増加する基準電圧に対して比較するために比較器が使用される。基準電圧がセンサー電圧レベルに達する時間が、低光条件における光強度を決定するために検出される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、
浮遊拡散ポイントと、
前記フォトダイオードと前記浮遊拡散ポイントとの間のトランジスタであって、前記トランジスタのゲートは、露出段階中に前記フォトダイオードに入射した光の強度がしきい値強度を超えたことに応答して、前記フォトダイオードから前記浮遊拡散ポイントに電荷を転送するために前記トランジスタのターンオフ電圧と前記トランジスタのターンオン電圧との間の中間電圧が印加され、前記トランジスタの前記ゲートは、前記フォトダイオードから前記浮遊拡散に前記電荷を転送するために、前記露出段階の後の検知段階において前記ターンオン電圧が印加される、トランジスタと
を備える、フォトセンサー中のピクセル。
【請求項２】
前記フォトダイオードと、前記浮遊拡散ポイントと、前記トランジスタとが、第１の基板の一部分中に含まれる、請求項１に記載のピクセル。
【請求項３】
導電線に結合された回路を含む第２の基板の一部分であって、前記回路は、
信号電圧が第１のしきい値に達する第１の時間と、前記信号電圧が、前記第１のしきい値とは異なる第２のしきい値に達する第２の時間との間の時間差を検出することであって、前記信号電圧が、前記浮遊拡散ポイントにおける電圧の増幅されたバージョンを表す、時間差を検出することと、
前記検知段階中に、時間とともに増加する基準電圧が前記信号電圧に達する時間を検出することと
を行うように設定された、第２の基板の一部分と、
前記信号電圧を送信するための、前記浮遊拡散ポイントと前記導電線との間のピクセルレベル相互接続と
をさらに備える、請求項２に記載のピクセル。
【請求項４】
前記第１の基板が、
第１のリセットトランジスタであって、前記露出段階の後に前記第１のリセットトランジスタをオンにしたことに応答して、前記浮遊拡散ポイントにおける電圧をリセットするように設定された、第１のリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ポイントに接続された入力端子、および前記ピクセルレベル相互接続に接続された出力端子を有する増幅器と
をさらに備える、請求項３に記載のピクセル。
【請求項５】
前記増幅器がソースフォロワトランジスタである、請求項４に記載のピクセル。
【請求項６】
前記第２の基板が、
前記ピクセルレベル相互接続に接続された入力端子を有するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、
前記ピクセルレベル相互接続に結合された電流源と
をさらに備える、請求項１に記載のピクセル。
【請求項７】
前記ＡＤＣが、
前記信号電圧が第１の基準電圧に対応する第１の時間における第１の出力と、前記信号電圧が、前記第１の基準電圧よりも低い第２の基準電圧に対応する第２の時間における第２の出力とを生成するように設定された比較器と、
前記第１の出力と前記第２の出力とを受信するために前記比較器に結合されたカウンタであって、前記カウンタが、前記第１の時間と前記第２の時間との間のクロックパルスの数を計数するように設定された、カウンタと
を備える、請求項６に記載のピクセル。
【請求項８】
前記電流源は、前記検知段階の一部中にバイアス電圧が印加されるゲートを有する別のトランジスタを備える、請求項６に記載のピクセル。
【請求項９】
前記浮遊拡散ポイントが、前記検知段階の後にリセット電圧にリセットするように設定された、請求項１に記載のピクセル。
【請求項１０】
ピクセルを動作させるための方法であって、前記方法が、
露出段階において第１のトランジスタのゲートに、前記第１のトランジスタのターンオフ電圧と前記トランジスタのターンオン電圧との間の中間電圧を印加することと、
前記露出段階の後の検知段階において前記第１のトランジスタの前記ゲートにターンオン電圧を印加することと、
前記露出段階中にフォトダイオードに入射した光の強度がしきい値強度を超えたことに応答して、第１の基板中で前記フォトダイオードから浮遊拡散ポイントに電荷を転送することと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記方法は、
ピクセルレベル相互接続によって、前記第１の基板から第２の基板に信号電圧を送信することであって、前記信号電圧が、前記浮遊拡散ポイントにおける電圧の増幅されたバージョンを表す、信号電圧を送信すること
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記露出段階中に第２の基板中の回路によって前記信号電圧の増加または減少のレートを検出することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記回路がアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記信号電圧の増加または減少の前記レートは、前記信号電圧が第１のしきい値に達する第１の時間と、前記信号電圧が、前記第１のしきい値とは異なる第２のしきい値に達する第２の時間との間の時間差を決定することによって検出される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記時間差は、
前記第２の基板中の比較器によって、前記信号電圧が第１の基準電圧に対応する第１の時間における第１の出力を生成することと、
前記第１の時間において前記第１の出力を前記比較器からカウンタに送信することと、
前記比較器によって、前記信号電圧が、前記第１の基準電圧よりも高い第２の基準電圧に対応する第２の時間における第２の出力を生成することと、
前記第２の時間において前記第２の出力を前記比較器から前記カウンタに送信することと、
前記カウンタによって、前記第１の時間と前記第２の時間との間のクロックパルスの数を計数することと
によって決定される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法が、
前記露出段階の後に第１のリセットトランジスタをオンにしたことに応答して、前記浮遊拡散ポイントにおける電圧をリセットすること
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記検知段階の一部中に電流源のゲートにバイアス電圧を印加すること
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記検知段階の後に前記浮遊拡散ポイントをリセットすること
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記検知段階中に、変動する基準電圧の電圧レベルが前記信号電圧の電圧レベルと一致する時間を検出することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
フォトダイオードと、
浮遊拡散ポイントと、
前記フォトダイオードと前記浮遊拡散ポイントとの間のトランジスタであって、前記トランジスタのゲートは、露出段階中に前記フォトダイオードに入射した光の強度がしきい値強度を超えたことに応答して、前記フォトダイオードから前記浮遊拡散ポイントに電荷を転送するために前記トランジスタのターンオフ電圧と前記トランジスタのターンオン電圧との間の中間電圧が印加され、前記トランジスタの前記ゲートは、前記フォトダイオードから前記浮遊拡散に前記電荷を転送するために、前記露出段階の後の検知段階において前記ターンオン電圧が印加される、トランジスタと
を備える、フォトセンサー中のピクセル。
【請求項２１】
前記フォトダイオードと、前記浮遊拡散ポイントと、前記トランジスタとが、第１の基板の一部分中に含まれる、請求項２０に記載のピクセル。
【請求項２２】
導電線に結合された回路を含む第２の基板の一部分であって、前記回路は、
信号電圧が第１のしきい値に達する第１の時間と、前記信号電圧が、前記第１のしきい値とは異なる第２のしきい値に達する第２の時間との間の時間差を検出することであって、前記信号電圧が、前記浮遊拡散ポイントにおける電圧の増幅されたバージョンを表す、時間差を検出することと、
前記検知段階中に、時間とともに増加する基準電圧が前記信号電圧に達する時間を検出することと
を行うように設定された、第２の基板の一部分と、
前記信号電圧を送信するための、前記浮遊拡散ポイントと前記導電線との間のピクセルレベル相互接続と
をさらに備え、
好ましくは、前記第１の基板が、
第１のリセットトランジスタであって、前記露出段階の後に前記第１のリセットトランジスタをオンにしたことに応答して、前記浮遊拡散ポイントにおける電圧をリセットするように設定された、第１のリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ポイントに接続された入力端子、および前記ピクセルレベル相互接続に接続された出力端子を有する増幅器と
をさらに備え、
好ましくは、前記増幅器がソースフォロワトランジスタである、請求項２０または２１に記載のピクセル。
【請求項２３】
前記第２の基板が、
前記ピクセルレベル相互接続に接続された入力端子を有するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、
前記ピクセルレベル相互接続に結合された電流源と
をさらに備え、
好ましくは、前記ＡＤＣは、
前記信号電圧が第１の基準電圧に対応する第１の時間における第１の出力と、前記信号電圧が、前記第１の基準電圧よりも低い第２の基準電圧に対応する第２の時間における第２の出力とを生成するように設定された比較器と、
前記第１の出力と前記第２の出力とを受信するために前記比較器に結合されたカウンタであって、前記カウンタが、前記第１の時間と前記第２の時間との間のクロックパルスの数を計数するように設定された、カウンタと
を備え、および／または、
好ましくは、前記電流源は、前記検知段階の一部中にバイアス電圧が印加されるゲートを有する別のトランジスタを備える、請求項２０から２２のいずれか一項に記載のピクセル。
【請求項２４】
前記浮遊拡散ポイントが、前記検知段階の後にリセット電圧にリセットするように設定された、請求項２０から２３のいずれか一項に記載のピクセル。
【請求項２５】
ピクセルを動作させるための方法であって、前記方法が、
露出段階において第１のトランジスタのゲートに、前記第１のトランジスタのターンオフ電圧と前記トランジスタのターンオン電圧との間の中間電圧を印加することと、
前記露出段階の後の検知段階において前記第１のトランジスタの前記ゲートにターンオン電圧を印加することと、
前記露出段階中にフォトダイオードに入射した光の強度がしきい値強度を超えたことに応答して、第１の基板中で前記フォトダイオードから浮遊拡散ポイントに電荷を転送することと
を含む、方法。
【請求項２６】
前記方法は、
ピクセルレベル相互接続によって、前記第１の基板から第２の基板に信号電圧を送信することであって、前記信号電圧が、前記浮遊拡散ポイントにおける電圧の増幅されたバージョンを表す、信号電圧を送信すること
をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記露出段階中に第２の基板中の回路によって前記信号電圧の増加または減少のレートを検出することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記回路がアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記信号電圧の増加または減少の前記レートは、前記信号電圧が第１のしきい値に達する第１の時間と、前記信号電圧が、前記第１のしきい値とは異なる第２のしきい値に達する第２の時間との間の時間差を決定することによって検出され、
随意に、前記時間差は、
前記第２の基板中の比較器によって、前記信号電圧が第１の基準電圧に対応する第１の時間における第１の出力を生成することと、
前記第１の時間において前記第１の出力を前記比較器からカウンタに送信することと、
前記比較器によって、前記信号電圧が、前記第１の基準電圧よりも高い第２の基準電圧に対応する第２の時間における第２の出力を生成することと、
前記第２の時間において前記第２の出力を前記比較器から前記カウンタに送信することと、
前記カウンタによって、前記第１の時間と前記第２の時間との間のクロックパルスの数を計数することと
によって決定される、請求項２７または２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記方法が、
前記露出段階の後に第１のリセットトランジスタをオンにしたことに応答して、前記浮遊拡散ポイントにおける電圧をリセットすること
をさらに含む、請求項２５から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記検知段階の一部中に電流源のゲートにバイアス電圧を印加すること
をさらに含む、請求項２５から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記検知段階の後に前記浮遊拡散ポイントをリセットすること
をさらに含む、請求項２５から３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記検知段階中に、変動する基準電圧の電圧レベルが前記信号電圧の電圧レベルと一致する時間を検出することをさらに含む、請求項２５から３２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に光センサーに関し、より詳細には、積層アセンブリ中の裏面照射（ｂａｃｋｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）光センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
光センサーは、光を電子信号に変換する電子検出器である。写真撮影では、シャッターは、光が、決定された時間期間の間通過することを可能にし、シーンの画像をキャプチャするために、光センサーを光に露出（ｅｘｐｏｓｅ）する、デバイスである。ローリングシャッターは、静止ピクチャまたはビデオの各フレームが、水平または垂直方向においてシーンにわたって迅速に走査することによってキャプチャされる画像キャプチャの方法である。すなわち、あらゆるピクセルが、同時にキャプチャされるとは限らず、異なる行からのピクセルが、異なる時間にキャプチャされる。ローリングシャッターは、たいていセルフォンセンサーにおいて使用される。マシンビジョンは、対照的に、あらゆるピクセルが同時にキャプチャされるグローバルシャッターを使用する。
【０００３】
たいていの光センサーは、裏面照射を使用する。裏面照射型（ｂａｃｋ−ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）センサーは、撮像素子の特定の構成を使用して、キャプチャされる光の量を増加させ、低光性能（ｌｏｗ−ｌｉｇｈｔ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を改善するタイプのデジタル光センサーである。旧来の前面照射型（ｆｒｏｎｔ−ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）デジタルカメラは、人間の眼と同様に構築され、前面にレンズがあり、裏面に光検出器がある。センサーのこの配向は、センサーの前面上にデジタルカメラセンサーのアクティブマトリックス、個々の画素のマトリックスを配置し、製造を簡略化する。しかしながら、そのマトリックスおよびマトリックスの配線は、光の一部を反射し、キャプチャされるために利用可能である信号を低減する。裏面照射型センサーは、同じ要素を含んでいるが、光が、配線層を通過することなしに光電陰極層（ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ  ｌａｙｅｒ）に当たることができるように、製造中にシリコンウエハを反転し、次いで、シリコンウエハの裏側を薄くすることによって、光電陰極層の後ろに配線を構成し、それにより、入力光子がキャプチャされる見込みを改善する。
【０００４】
しかしながら、従来の裏面照射型センサーは、光に露出されたとき、より高い漏れを有する傾向がある。また、フォトダイオードフィルファクタ、または総ピクセルエリアに対するピクセルの感光性エリアの比は、比較的低い。大きいフィルファクタは、ピクセルエリアのより多くがフォト収集（ｐｈｏｔｏｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）のために使用されるので、有益であり、それにより、同時に信号対雑音比（ＳＮＲ）とダイナミックレンジとを改善する。画像センサーのダイナミックレンジは、センサーがどのくらい広い範囲の照明を正確にキャプチャすることができるかを測定する。画像センサーのダイナミックレンジが広いほど、低光条件の下で示され得る細部が多くなり、したがって、撮像システムは汎用性が高くなる。画像センサーのＳＮＲは、信号と信号の関連する雑音との間の比を測定する。低いＳＮＲをもつ画像センサーは、高い量の雑音が、キャプチャされた画像中に現れることになる。高いＳＮＲをもつ画像センサーは、低光条件において使用され得る。
【発明の概要】
【０００５】
実施形態は、フォトダイオードと、浮遊拡散ポイント（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｐｏｉｎｔ）と、フォトダイオードと浮遊拡散ポイントとの間のトランジスタとを含む、フォトセンサー中のピクセルに関する。トランジスタのゲートは、露出（ｅｘｐｏｓｕｒｅ）段階中にフォトダイオードに入射した光の強度がしきい値強度を超えたことに応答して、フォトダイオードから浮遊拡散ポイントに電荷を転送するためにトランジスタのターンオフ電圧とトランジスタのターンオン電圧との間の中間電圧が印加される。トランジスタのゲートは、フォトダイオードから浮遊拡散ポイントに電荷を転送するために、露出段階の後の検知段階においてターンオン電圧が印加される。
【０００６】
本発明による実施形態は、特に、フォトセンサー中のピクセル、方法、記憶媒体、システムおよびコンピュータプログラム製品を対象とする添付の特許請求の範囲で開示され、１つの請求項カテゴリー、たとえば、フォトセンサー中のピクセルにおいて述べられた任意の特徴は、別の請求項カテゴリー、たとえば、方法においても請求され得る。添付の特許請求の範囲における従属関係または参照は、形式上の理由で選定されるにすぎない。ただし、前の請求項への意図的な参照（特に複数の従属関係）から生じる主題も請求され得、その結果、請求項とその特徴との任意の組合せが、開示され、添付の特許請求の範囲で選定された従属関係にかかわらず請求され得る。請求され得る主題は、添付の特許請求の範囲に記載の特徴の組合せだけでなく、特許請求の範囲における特徴の任意の他の組合せをも含み、特許請求の範囲において述べられた各特徴は、特許請求の範囲における任意の他の特徴または他の特徴の組合せと組み合わせられ得る。さらに、本明細書で説明または示される実施形態および特徴のいずれかは、別個の請求項において、ならびに／あるいは、本明細書で説明もしくは示される任意の実施形態もしくは特徴との、または添付の特許請求の範囲の特徴のいずれかとの任意の組合せで請求され得る。
【０００７】
本発明による一実施形態では、フォトセンサー中のピクセルは、
【０００８】
フォトダイオードと、浮遊拡散ポイントと、フォトダイオードと浮遊拡散ポイントとの間のトランジスタであって、トランジスタのゲートは、露出段階中にフォトダイオードに入射した光の強度がしきい値強度を超えたことに応答して、フォトダイオードから浮遊拡散ポイントに電荷を転送するためにトランジスタのターンオフ電圧とトランジスタのターンオン電圧との間の中間電圧が印加され、トランジスタのゲートは、フォトダイオードから浮遊拡散に電荷を転送するために、露出段階の後の検知段階においてターンオン電圧が印加される、トランジスタとを備える。
【０００９】
フォトダイオードと、浮遊拡散ポイントと、トランジスタとは、第１の基板の一部分中に含まれ得る。
【００１０】
ピクセルは、導電線に結合された回路を含む第２の基板の一部分であって、回路は、信号電圧が第１のしきい値に達する第１の時間と、信号電圧が、第１のしきい値とは異なる第２のしきい値に達する第２の時間との間の時間差を検出することであって、信号電圧が、浮遊拡散ポイントにおける電圧の増幅されたバージョンを表す、時間差を検出することと、検知段階中に、時間とともに増加する基準電圧が信号電圧に達する時間を検出することとを行うように設定された、第２の基板の一部分と、信号電圧を送信するための、浮遊拡散ポイントと導電線との間のピクセルレベル相互接続とをさらに備え得る。
【００１１】
第１の基板は、第１のリセットトランジスタであって、露出段階の後に第１のリセットトランジスタをオンにしたことに応答して、浮遊拡散ポイントにおける電圧をリセットするように設定された、第１のリセットトランジスタと、浮遊拡散ポイントに接続された入力端子、およびピクセルレベル相互接続に接続された出力端子を有する増幅器とをさらに備え得る。
【００１２】
増幅器はソースフォロワトランジスタであり得る。
【００１３】
第２の基板は、ピクセルレベル相互接続に接続された入力端子を有するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、ピクセルレベル相互接続に結合された電流源とをさらに備え得る。
【００１４】
ＡＤＣは、信号電圧が第１の基準電圧に対応する第１の時間における第１の出力と、信号電圧が、第１の基準電圧よりも低い第２の基準電圧に対応する第２の時間における第２の出力とを生成するように設定された比較器と、第１の出力と第２の出力とを受信するために比較器に結合されたカウンタであって、カウンタが、第１の時間と第２の時間との間のクロックパルスの数を計数するように設定された、カウンタとを備え得る。
【００１５】
電流源は、検知段階の一部中にバイアス電圧が印加されるゲートを有する別のトランジスタを備え得る。
【００１６】
浮遊拡散ポイントは、検知段階の後にリセット電圧にリセットするように設定され得る。
【００１７】
本発明によるさらなる実施形態では、ピクセルを動作させるための方法は、露出段階において第１のトランジスタのゲートに、第１のトランジスタのターンオフ電圧とトランジスタのターンオン電圧との間の中間電圧を印加することと、露出段階の後の検知段階において第１のトランジスタのゲートにターンオン電圧を印加することと、露出段階中にフォトダイオードに入射した光の強度がしきい値強度を超えたことに応答して、第１の基板中でフォトダイオードから浮遊拡散ポイントに電荷を転送することとを含む。
【００１８】
本方法は、ピクセルレベル相互接続によって、第１の基板から第２の基板に信号電圧を送信することであって、信号電圧が、浮遊拡散ポイントにおける電圧の増幅されたバージョンを表す、信号電圧を送信することをさらに含み得る。
【００１９】
本方法は、露出段階中に第２の基板中の回路によって信号電圧の増加または減少のレートを検出することをさらに含み得る。
【００２０】
回路はアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を備え得る。
【００２１】
信号電圧の増加または減少のレートは、信号電圧が第１のしきい値に達する第１の時間と、信号電圧が、第１のしきい値とは異なる第２のしきい値に達する第２の時間との間の時間差を決定することによって検出され得る。
【００２２】
時間差は、第２の基板中の比較器によって、信号電圧が第１の基準電圧に対応する第１の時間における第１の出力を生成することと、第１の時間において第１の出力を比較器からカウンタに送信することと、比較器によって、信号電圧が、第１の基準電圧よりも高い第２の基準電圧に対応する第２の時間における第２の出力を生成することと、
【００２３】
第２の時間において第２の出力を比較器からカウンタに送信することと、
【００２４】
カウンタによって、第１の時間と第２の時間との間のクロックパルスの数を計数することと
によって決定され得る。
【００２５】
本方法は、露出段階の後に第１のリセットトランジスタをオンにしたことに応答して、浮遊拡散ポイントにおける電圧をリセットすることをさらに含み得る。
【００２６】
本方法は、検知段階の一部中に電流源のゲートにバイアス電圧を印加することをさらに含み得る。
【００２７】
本方法は、検知段階の後に浮遊拡散ポイントをリセットすることをさらに含み得る。
【００２８】
本方法は、検知段階中に、変動する基準電圧の電圧レベルが信号電圧の電圧レベルと一致する時間を検出することをさらに含み得る。
【００２９】
本発明のさらなる実施形態では、１つまたは複数のコンピュータ可読非一時的記憶媒体は、ソフトウェアを具備し、ソフトウェアは、実行されたとき、本発明によるシステム、または上述の実施形態のいずれかにおいて、実施するように動作可能である。
【００３０】
本発明のさらなる実施形態では、コンピュータ実装方法は、本発明によるシステム、または上述の実施形態のいずれかを使用する。
【００３１】
本発明のさらなる実施形態では、好ましくはコンピュータ可読非一時的記憶媒体を備えるコンピュータプログラム製品は、本発明によるシステム、または上述の実施形態のいずれかにおいて使用される。
【００３２】
１つまたは複数のコンピュータ可読非一時的記憶媒体は、実行されたとき、上記の本発明によるシステムにおいて実施するように動作可能であるソフトウェアを具備する。
【００３３】
上記の本発明によるシステムが使用されるコンピュータ実装方法。
【００３４】
上記の本発明による記憶媒体が使用されるコンピュータ実装方法。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一実施形態による、フォトセンサーを含む電子デバイスを示す高レベルブロック図である。
【図２】一実施形態による、図１のフォトセンサーを示す概略図である。
【図３】一実施形態による、積層構造におけるフォトセンサーの断面図である。
【図４】一実施形態による、フォトセンサーのピクセルを示す回路図である。
【図５】一実施形態による、ピクセルが高強度光に露出される露出段階中の電圧信号の変化を示すグラフである。
【図６】一実施形態による、ピクセルが高強度光に露出される露出段階中の電圧信号の変化を示すグラフである。
【図７】一実施形態による、検知段階における電圧信号の変化を示すグラフである。
【図８】一実施形態による、低光条件および高光条件における光強度を検出する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
次に、その例が添付の図面において示されている好ましい実施形態への参照が詳細に行われる。可能な場合はいつでも、同じ参照番号が、同じまたは同様の部分を指すために図面全体にわたって使用されることになる。
【００３７】
実施形態は、２つの基板が垂直方向に積層される積層フォトセンサーアセンブリに関する。２つの基板は、第１の基板におけるフォトダイオードから第２の基板上の回路要素に信号を与えるためにピクセルレベルで相互接続を介して接続される。第１の基板中の電荷量に対応する電圧信号が、第２の基板において生成および処理される。低光条件と高光条件とにおける光強度を検出するための２つの別個の方式が使用される。高光条件では、２つのしきい値電圧がセットされ、２つのしきい値電圧におけるセンサー電圧の交差の間の時間が、高光条件における光強度を決定するために測定される。低光条件では、センサー電圧の電圧レベルを、時間とともに増加する基準電圧に対して比較するために比較器が使用される。基準電圧がセンサー電圧レベルに達する時間が、低光条件における光強度を決定するために検出される。
【００３８】
例示的なシステムアーキテクチャ
図１は、一実施形態による、電子デバイス１００を示す高レベルブロック図である。一実施形態では、電子デバイス１００は、構成要素の中でも、通信可能に結合されたプロセッサ１０２とフォトセンサー１０４とを含む。電子デバイス１００は、メモリおよび様々な他のセンサーなど、図１に示されていない他の構成要素を含み得る。
【００３９】
プロセッサ１０２は、特に、画像を与えるためにデータソースに対して動作を実施する電子回路である。データソースは、センサーデータ１０８を与えるフォトセンサー１０４を含み得る。プロセッサ１０２はまた、フォトセンサー１０４にいくつかの動作を実施させるための、フォトセンサー１０４に送られる動作命令１０６を生成する。プロセッサ１０２によって実施される処理は、画像の品質を改善するかまたは画像を編集するための様々なデジタル信号処理を含み得る。
【００４０】
フォトセンサー１０４は、光変換（ｐｈｏｔｏｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）を使用してピクセルごとにフォトセンサー１０４に当たる光の強度を測定する回路である。光強度を測定することは、ピクセル中のフォトダイオードによって光を検出することを伴い得る。応答して、ピクセルは、検出された光に対して電圧または電流信号への光変換を実施する。各ピクセルにおいて検出された光の強度を表す電圧または電流信号は、センサーデータ１０８にデジタル化され、プロセッサ１０２に送られ得る。
【００４１】
図１に示されていないが、電子デバイス１００は、センサーデータ１０８が記憶されたメモリを含み得る。電子デバイス１００は、ディスプレイデバイス（たとえば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ）上で表示するためにセンサーデータ１０８を送るためのディスプレイインターフェースをも含み得る。
【００４２】
図２は、一実施形態による、フォトセンサー１０４を示す概略図である。フォトセンサー１０４は、構成要素の中でも、デジタルブロック２０２と、グローバルカウンタ２０３と、行ドライバおよびグローバル信号ドライバモジュール２０４と、モバイルインダストリプロセッサインターフェース（ＭＩＰＩ）２０５と、カウンタバッファ２０６と、デジタルピクセルアレイ２０７と、センス増幅器２０８と、ラインメモリ２０９と、電力調整器２１０と、ランプ生成およびバッファモジュール２１１と、センス増幅バイアスモジュール２１２とを含む。
【００４３】
デジタルブロック２０２は、フォトセンサー１０４の動作に関連するデジタル信号を処理する回路である。１つまたは複数の実施形態では、デジタルブロック２０２のうちの少なくとも一部は、デジタルピクセルアレイ２０７とは別個の回路であるのではなく、デジタルピクセルアレイ２０７の一部として与えられ得る。
【００４４】
グローバルカウンタ２０３は、カスケードフリップフロップから構築されたデジタル順序論理回路であり、フォトセンサー１０４の様々な構成要素にカウンタ信号を与える。
【００４５】
行ドライバおよびグローバル信号ドライバモジュール２０４は、走査線（図示せず）を介してピクセルの行に信号を与える回路である。ピクセルの各行に与えられた信号は、ピクセルの各行における画像信号の検知および／またはリセット動作を示す。
【００４６】
ＭＩＰＩ２０５は、フォトセンサー１０４からプロセッサ１０２にセンサーデータ１０８を送信するためのシリアルインターフェースである。ＭＩＰＩインターフェースは、典型的には、単一のクロックレーンと、シリアルデータを搬送する２つのデータレーンと（図示せず）を有する。これらの３つのレーンは、信号がしばしば差動であるワイヤのペア上で信号を搬送する。
【００４７】
カウンタバッファ２０６は、グローバルカウンタ２０３からカウンタ信号を受信し、デジタルピクセルアレイ２０７中のピクセルの列に信号を送って、検知とリセット動作とを協調させる回路である。
【００４８】
デジタルピクセルアレイ２０７は複数のピクセルを含む。一実施形態では、デジタルピクセルアレイは２次元で構成され、行および列によってアドレス指定可能である。各ピクセルは、光を検知し、入力光の強度に対応する信号を出力するように設定される。各ピクセルは、図３を参照しながら以下で説明されるような構成要素を含み得る。
【００４９】
センス増幅器２０８は、デジタルピクセルアレイ２０７からのデジタル信号の読出しのために使用される読出し回路要素（ｒｅａｄ  ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）中の要素である。センス増幅器２０８は、デジタルピクセルアレイ２０７中のピクセルによってキャプチャされる光の強度を表すビット線から、低電力信号を検知する。センス増幅器２０８は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を利用することによってデジタル出力信号を生成し得る。１つまたは複数の実施形態では、センス増幅器２０８のうちの少なくとも一部は、デジタルピクセルアレイ２０７中に含まれ得る。
【００５０】
ラインメモリ２０９は、デジタルピクセルアレイ２０７において検出された光強度の検知されたデジタル値を、センサーデータ１０８としてＭＩＰＩ２０５を介してプロセッサ１０２に送る前に、センス増幅器２０８によって検知され、デジタルブロック２０２によって処理されるように、デジタル値を一時的に記憶する。
【００５１】
電力調整器２１０は、フォトセンサー１０４の構成要素に送出される電力の品質を改善する回路である。電力調整器２１０は、フォトセンサー１０４の構成要素が適切に機能することを可能にする一定の電圧を維持および送出し得る。一実施形態では、電力調整器２１０は、正弦波ＡＣ波形を平滑化するＡＣ電力調整器である。代替実施形態では、電力調整器２１０は、電力を取り入れ、その電力を、電力線調整器に接続された構成要素の要件に基づいて変更する電力線調整器である。
【００５２】
ランプ生成器およびバッファモジュール２１１は、ランプ生成器とバッファとを備える。ランプ生成器は、ランプ生成器の電圧を特定の値まで増加させる関数生成器である。ランプ生成器は、負荷を変更するとき、衝撃（ｊｏｌｔ）を回避するために使用され得る。バッファは、ランプ生成器が負荷によって影響を受けるのを防ぐために、回路間での電気インピーダンス変換（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を与える。
【００５３】
センス増幅バイアスモジュール２１２は、センス増幅器２０８にバイアス電圧信号を与える。バイアス電圧信号は、安定したＤＣ電圧など、センス増幅器２０８の適切な動作条件を確立するための所定の電圧である。
【００５４】
例示的な積層フォトセンサーアセンブリ
図３は、一実施形態による、積層フォトセンサーアセンブリ３００を示す断面図である。一実施形態では、積層フォトアセンブリは、第２の基板３４０に結合された第１の基板３１０を含む。第１の基板３１０は、反転された裏面照射３０２センサーであり得、構成要素の中でも、第１のｎ＋拡散ウェル３１２と、フォトダイオード３１４と、トランジスタＡＢ３１３と、トランジスタＴＸ３１６と、第２のｎ＋拡散ウェル３２０とを含む。
【００５５】
トランジスタＡＢ３１３およびトランジスタＴＸ３１６の各々は、活性層と、活性層に結合されたドレイン電極と、トランジスタＡＢとトランジスタＴＸの両方のソースとして働くフォトダイオード３１４と、活性層上の絶縁層と、ゲート電極（図示せず）とを含む。トランジスタＡＢ３１３とトランジスタＴＸ３１６とのゲートにおける電圧レベルを制御することによって、トランジスタＡＢ３１３およびトランジスタＴＸ３１６は、オンまたはオフにされ得る。これらのトランジスタのゲートは、デジタルピクセルアレイ２０７の外部の回路から信号を受信する。
【００５６】
第１のｎ＋拡散ウェル３１２は、第１の基板３１０中に形成されたＮドープされた注入領域である。第１のｎ＋拡散ウェル３１２は、トランジスタＡＢ３１３が非露出時間中にオンにされたとき、フォトダイオード３１４から転送される光電子を受信する。これは、旧来のフィルムカメラにおける閉シャッターモードに相当する。フォトダイオード３１４から第１のｎ＋拡散ウェル３１２への光電子の転送は、非露出時間が、信号が生成されない期間であるので、光電子がフォトダイオード３１４上に蓄積されないことを保証する。第１のｎ＋拡散ウェル３１２は、典型的には、正電圧源、たとえば、ＶＤＤに接続され、したがって、光電子は排出される。フィルムカメラにおけるシャッター開モードに相当する露出時間中に、トランジスタＡＢ３１３とトランジスタＴＸ３１６の両方がオフにされ、光電子は、フォトダイオード３１４の内部に最初に貯蔵される。露出の終了時に、トランジスタＴＸ３１６はオンにされる。その結果、フォトダイオード３１４に貯蔵された電荷は、第２のｎ＋拡散ウェル３２０に転送される。
【００５７】
フォトダイオード３１４は、光を電流に変換する半導体デバイスである。光子がフォトダイオード３１４中に吸収されるとき、電流が生成される。フォトダイオード３１４は、ｐｎ接合またはＰＩＮ構造であり得る。裏面照射３０２を通る光の強度が高くなると、フォトダイオード３１４上に蓄積される電荷量は高くなる。同様に、裏面照射３０２を通る光の強度が低くなると、フォトダイオード３１４上に蓄積される電荷量は低くなる。
【００５８】
相互接続３５０は、第２のｎ＋拡散ウェル３２０から第２の基板３４０中の回路３４２へのピクセルレベル直接相互接続であり得る。いくつかの実施形態では、相互接続３５０は、第１の基板３１０中の（図３に示されていない）増幅器の出力から第２の基板３４０中の回路３４２へのピクセルレベル直接相互接続であり得る。増幅器はバッファとして働き、相互接続３５０に関連する高い漏れ電流および寄生キャパシタンスがあるので、相互接続３５０から浮遊拡散ポイントを絶縁する。増幅器および浮遊拡散ポイントは、図４を参照しながら以下で詳細に説明される。一実施形態では、相互接続３５０は、フォトダイオード３１４から第２のｎ＋拡散ウェル３２０に転送される電荷量を反映する電圧信号を送信する。代替実施形態では、相互接続３５０は、フォトダイオード３１４から第２のｎ＋拡散ウェル３２０に転送される電荷量を反映する電流信号を送信する。相互接続３５０は、サンプリングおよびアナログデジタル変換など、さらなる処理のために回路３４２に電圧信号を搬送する。さらに他の実施形態では、積層フォトセンサーアセンブリ３００は、同じく第２の基板３４０の回路３４２から第１の基板３１０に信号を送信する追加の相互接続を含み得る。たとえば、トランジスタＡＢ３１３とトランジスタＴＸ３１６とを制御するための信号は、これらの追加の相互接続を介して回路３４２から送信され得る。
【００５９】
実施形態は、従来のフォトセンサーにおける第１の基板３１０上に設けられた様々な回路構成要素を第２の基板３４０に移動させ、ピクセルレベル相互接続３５０を介して第２の基板３４０の回路を第１の基板３１０中の構成要素に接続する。第２の基板３４０に移動される様々な回路構成要素は、特に、スイッチと、増幅器と、電流源とを含み得る。このようにして、第１の基板３１０中の構成要素によって占有されるエリアは、有益に低減され得、フィルファクタは増加され得る。
【００６０】
フォトセンサーのピクセルの例示的な回路要素
図４は、一実施形態による、フォトセンサー１０４のピクセル４００を示す回路図である。図４の実施形態では、第１の基板３１０は、構成要素の中でも、フォトダイオード３１４と、トランジスタＴＸと、第１のリセットトランジスタＴＲＳＴ１と、増幅器ＴＳとを含む。寄生キャパシタンスは、トランジスタＴＸと第１のリセットトランジスタＴＲＳＴ１との間の、第１の基板３１０中の第１のキャパシタＣＳ１中に存在する。フォトダイオード３１４とトランジスタＴＸとの動作は、図３を参照しながら上記で説明されている。
【００６１】
動作の露出段階中に、トランジスタＴＸのゲート電圧は、トランジスタＴＸをオンにもオフにもしない中間電圧において維持される。詳細には、中間電圧は、本明細書では、０．３Ｖ〜０．７Ｖを指す。この範囲では、フォトダイオード３１４中に蓄積される電荷は、浮遊拡散ポイントＦＤに移動し得る。中間電圧は、トランジスタＴＸのアクティブ電圧と非アクティブ電圧との間にある電圧を指す。トランジスタＴＸゲートの下のポテンシャルは、フォトダイオード３１４と浮遊拡散ポイントＦＤとの間の障壁として働く。トランジスタＴＸゲートが０または負電圧に接続された場合、障壁は高く、より多くの電荷がフォトダイオード３１４の内部に蓄積される。トランジスタＴＸゲートが極めて正の電圧（たとえば、２．５Ｖ〜３．３Ｖ）に接続された場合、トランジスタＴＸゲートは完全にオンにされ、障壁がない。中間電圧は中程度の障壁を生じ、ここで、低レベル光によって生成されたすべての電荷はフォトダイオード３１４内に蓄積されるが、明るい光の場合、フォトダイオード３１４が一杯になると、電荷は、障壁を超えて流れて、浮遊拡散ポイントＦＤ上に蓄積する。
【００６２】
ゲート電圧を中間電圧にすることによって、電荷は、裏面照射３０２の光強度があるしきい値を超えたとき、フォトダイオード３１４から第２のｎ＋拡散ウェル３２０に移動する。裏面照射３０２の光強度がしきい値を超えない場合、電荷は、第２のｎ＋拡散ウェル３２０に転送することなしにフォトダイオード３１４内に蓄積する。逆に、露出段階の後の検知段階において、トランジスタＴＸは、フォトダイオード３１４中に蓄積された電荷を第２のｎ＋拡散ウェル３２０に転送するために完全にオンにされる。
【００６３】
浮遊拡散ポイントＦＤにおける電圧レベルは、露出段階中にフォトダイオード３１４の露光（ｌｉｇｈｔ  ｅｘｐｏｓｕｒｅ）の持続時間および／または強度を示すプロキシとして働く。浮遊拡散ポイントＦＤは、第２のｎ＋拡散ウェル３２０に接続される。電荷がトランジスタＴＸを介してフォトダイオード３１４から浮遊拡散ポイントＦＤに転送されるにつれて、浮遊拡散ポイントＦＤにおける電圧レベルは減少される。露出段階中のフォトダイオード３１４の露光の持続時間および／または強度が増加されたとき、浮遊拡散ポイントＦＤにおける電圧レベルは同じく減少される。フォトダイオード３１４の露光の持続時間および／または強度が、トランジスタＴＸゲート中間電圧によってセットされたあるレベルを下回る場合、浮遊拡散ポイントＦＤにおける電圧レベルは、フォトダイオード３１４から浮遊拡散ポイントＦＤに転送される電荷がないので、変化しないことになる。
【００６４】
第１のリセットトランジスタＴＲＳＴ１は、第１のリセットトランジスタＴＲＳＴ１がオンにされたとき、浮遊拡散ポイントＦＤにおける電圧をリセットするように機能する。第１のリセットトランジスタＴＲＳＴ１は、露出および検知の各サイクルの後に、リセット信号ＲＳＴ１が第１のリセットトランジスタＴＲＳＴ１のゲートにおいて受信されたとき、オンにされる。第１のリセットトランジスタＴＲＳＴ１のドレインは、電圧源ＶＤＤに接続される。第１のリセットトランジスタＴＲＳＴ１のソースは、浮遊拡散ポイントＦＤに接続される。
【００６５】
増幅器ＴＳは、回路３４２に送信される電圧信号ＶＳＩＧを生成するために、増幅器ＴＳのゲート信号を増幅するソースフォロワ増幅器である。増幅器ＴＳのゲートは、浮遊拡散ポイントＦＤに接続される。増幅器ＴＳのドレインは、電圧源ＶＤＤに接続される。増幅器ＴＳのソースは、相互接続３５０に接続される。電圧信号ＶＳＩＧは、浮遊拡散ポイントＦＤにおける電圧レベルによって規定されるような、増幅器ＴＳのソース端子における電圧レベルに対応する。
【００６６】
回路３４２は、第２の基板３４０中に設けられる。回路は、相互接続３５０を介して電圧信号ＶＳＩＧを受信し、電圧信号ＶＳＩＧを処理し、フォトダイオード３１４が露出された光の強度および／または持続時間を示すデジタル出力４３２を生成する。
【００６７】
回路３４２は、構成要素の中でも、トランジスタＴＣＳと、比較器４１０と、カウンタ４１８とを含み得る。トランジスタＴＣＳは、オンにされたとき、電流源として動作する。一実施形態では、電流源ＴＣＳのゲートは、ピクセル動作の露出段階および検知段階全体にわたってバイアス電圧ＶＢＩＡＳのパルスが印加される。電流源ＴＣＳのドレインは相互接続３５０に接続され、電流源ＴＣＳのソースは接地される。電流源ＴＣＳと比較器４１０との間の、第２の基板３４０中の第２のキャパシタＣＳ２中に寄生キャパシタンスが存在する。
【００６８】
フォトダイオード３１４において受信された光強度がしきい値を上回るとき、電荷は、トランジスタＴＸが中間電圧にされるので、露出段階中に浮遊拡散ポイントＦＤに転送する。その結果、増幅器ＴＳにおけるゲート電圧は徐々に降下し、それにより、相互接続３５０における電圧信号ＶＳＩＧが徐々に降下する。
【００６９】
比較器４１０とカウンタ４１８とは、組み合わせて、電圧信号ＶＳＩＧの低下のレートを表すデジタル出力４３２を作り出す単一傾斜アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）として機能し、デジタル出力４３２は、図５および図６を参照しながら以下で詳細に説明されるように、フォトダイオード３１４に入射した光の強度および／または持続時間を示す。その動作の後に、比較器４１０は、カウンタ４１８にリセット信号ＲＳＴ２を与えることによってリセットされ得る。カウンタ４１８にリセット信号ＲＳＴ２を与えることにより、カウンタ４１８における計数された値が０にリセットされる。
【００７０】
比較器４１０は、電圧信号ＶＳＩＧが２つの基準電圧に達する時間を検出する。この目的のために、比較器４１０は、相互接続３５０を介して第１の端子において電圧信号ＶＳＩＧを受信し、第２の端子において第１の基準電圧ＶＲＥＦ１を受信し、第３の端子において第２の基準電圧ＶＲＥＦ２を受信する。比較器４１０が、電圧信号ＶＳＩＧがＶＲＥＦ１またはＶＲＥＦ２に達したことを検出した後に、比較器４１０は、線４２８にわたってトリガリング信号をカウンタ４１８に送る。
【００７１】
カウンタ４１８は、電圧信号ＶＳＩＧが第１の基準電圧ＶＲＥＦ１から開始して第２の基準電圧ＶＲＥＦ２に達する、クロックサイクルの数を計数する。カウンタ４１８は、線４２８によって比較器４１０に通信可能に結合され、クロック信号４３４とリセット信号ＲＳＴ２とを受信し、デジタル出力４３２を出力する。一実施形態では、カウンタ４１８は、第１のトリガリング信号を受信したことに応答して計数を開始し、第２のトリガリング信号を受信したことに応答して計数を停止する。カウンタ４１８によって与えられるデジタル出力は、２進値であり得る。デジタル出力は、フォトダイオードに入射した光の強度に直接対応するＶＳＩＧの傾斜を算出するために使用され得る。
【００７２】
例示的なピクセル動作
本開示のピクセル構造は、異なる段階（すなわち、露出段階および検知段階）中に異なる機構を使用して高強度光と低強度光とを測定するように設定される。露出段階中に、ピクセル構造は高強度光を測定するが、同じピクセル構造はより低い強度の光を測定する。
【００７３】
図５および図６は、一実施形態による、露出段階中にあるときの高光強度の測定を示すグラフである。露出段階では、電圧信号ＶＳＩＧが降下するとき、比較器４１０は、電圧信号ＶＳＩＧを２つの基準電圧、第１の基準電圧ＶＲＥＦ１と第２の基準電圧ＶＲＥＦ２とに対して比較する。電圧ＶＳＩＧが第１の基準電圧ＶＲＥＦ１に達したとき、比較器４１０は、線４２８にわたってカウンタ４１８に開始トリガ信号を送り、それによりカウンタ４１８は、カウンタ４１８において受信されたクロック信号４３４に基づいて、計数を開始することができる。逆に、電圧信号ＶＳＩＧが第２の基準電圧ＶＲＥＦ２に達したとき、比較器４１０は、計数を停止するために、線４２８にわたってカウンタ４１８に停止信号を送る。（カウンタ４１８における計数された値によって示されるように）比較器４１０によって送られた２つの信号間のクロックサイクルの数に基づいて、電圧信号ＶＳＩＧ線の傾斜は、決定され得る。
【００７４】
図５の例をとると、電圧信号ＶＳＩＧは徐々に降下し、時間Ｔ１において第１の基準電圧ＶＲＥＦ１に達し、次いで、時間Ｔ２において第２の基準電圧ＶＲＥＦ２に達する。その後、電圧信号ＶＳＩＧは、さらに、時間Ｔ３において飽和電圧ＶＳＡＴまで降下し、それにより、浮遊拡散ポイントＦＤにおける第１のキャパシタＣＳ１が完全に飽和され、電圧信号ＶＳＩＧが増幅器ＴＳによって読み出されるには低すぎることが示される。期間ＴＰはＴ１とＴ２との間の時間差を示す。
【００７５】
電圧信号ＶＳＩＧ線の傾斜が、図６に示されているようにより急である（すなわち、フォトダイオードに入射した光の強度がより大きい）場合、電圧信号ＶＳＩＧは、時間Ｔ１’およびＴ２’において、それぞれ、第１の基準電圧ＶＲＥＦ１および第２の基準電圧ＶＲＥＦ２に達する。Ｔ１’およびＴ２’は、図５のＴ１およびＴ２よりも速い。さらに、Ｔ１’とＴ２’との間の時間期間ＴＰ’は、図５のＴ１とＴ２との間の時間期間ＴＰよりも短い。
【００７６】
したがって、電圧信号ＶＳＩＧが第１の基準電圧ＶＲＥＦ１まで降下する時間と、電圧信号ＶＳＩＧが第２の基準電圧ＶＲＥＦ２まで降下する時間との間の時間差を測定することによって、フォトダイオード３１４に入射した光の強度は、フォトダイオード３１４が露出段階の終了の前に飽和された場合でも決定され得る。
【００７７】
実施形態が、主に、比較器４１０とカウンタ４１８とを使用することに関して上記で説明されたが、電圧信号ＶＳＩＧの傾斜を測定するために様々な他のタイプの回路が使用され得る。
【００７８】
フォトダイオード３１４に入射した光の強度がしきい値を超えないとき、蓄積された電荷はフォトダイオード３１４中に残り、露出段階中に第２のｎ＋拡散ウェル３２０に転送されない。したがって、浮遊拡散ポイントＦＤにおける電圧の変化はもうなく、電圧信号ＶＳＩＧの減少は、露出段階中に検出されない。この場合、電圧信号ＶＳＩＧは、トランジスタＴＸが露出段階の後の検知段階において完全にオンにされた後にのみ変化する。トランジスタＴＸがオンにされたとき、浮遊拡散ポイントＦＤにおける電圧は、浮遊拡散ポイントＦＤの初期リセット電圧レベルからあるレベルまで減少し、増幅器ＴＳのゲート電圧をある電圧にセットする。応答して、増幅器ＴＳのソース端子も、ある電圧レベルに達する。
【００７９】
図７は、一実施形態による、増幅器ＴＳが検知段階においてオンにされた後の、電圧信号ＶＳＩＧレベルの測定を示すグラフである。図５および図６に反して、相互接続３５０における電圧信号ＶＳＩＧは、露出段階の後の検知段階全体にわたって比較的不変のままである。
【００８０】
検知段階において、比較器４１０は、第１の端子において信号電圧ＶＳＩＧを与えられ、第２の端子において第３の基準電圧ＶＲＥＦ３信号を与えられる。図７の実施形態では、ＶＲＥＦ３は、最小予想ＶＳＩＧ値から最大ＶＳＩＧ値に掃引するランプ信号である。比較器４１０の第３の端子は使用されず、高インピーダンス状態にされる。検知段階の開始時に、カウンタ４１８はオンにされる。カウンタ４１８がクロック信号４３４に基づいて実行している間、第３の基準電圧ＶＲＥＦ３信号は徐々に増加される。第３の基準電圧ＶＲＥＦ３信号が時間Ｔ４において電圧信号ＶＳＩＧに達したとき、カウンタ４１８は、カウンタ４１８を停止する、線４２８にわたる停止信号を作り出す。カウンタ４１８のカウンタ値は、検知段階の開始時間と、第３の基準電圧ＶＲＥＦ３信号が電圧信号ＶＳＩＧ電圧レベルに達する時間との間の時間期間ＴＰＵを表す。電圧信号ＶＳＩＧが高くなるならば、カウンタ値は高くなるであろう。したがって、検知段階においてカウンタ値を検出することによって、電圧信号ＶＳＩＧの電圧レベルが決定され得、それにより、しきい値レベルを下回る光強度を測定することが可能になる。
【００８１】
基準電圧ＶＲＥＦ３は、信号生成器（図示せず）によって与えられ得る。図７の実施形態は、線形的に増加する基準電圧ＶＲＥＦ３を使用するが、基準電圧ＶＲＥＦ３は、他の実施形態では非線形様式で増加し得る。
【００８２】
図８は、一実施形態による、低光条件および高光条件における光強度を検出する方法を示す図である。８００において、露出段階において、トランジスタＴＸをオンにもオフにもしない中間電圧がトランジスタＴＸのゲートに印加される。
【００８３】
ゲート電圧を中間電圧にすることによって、裏面照射の光強度があるしきい値を超えたとき、電荷がフォトダイオードから第２のｎ＋拡散ウェルに移動する。高光条件では、フォトダイオードにおいて受信される光強度は、しきい値を上回る。その結果、８１２において、第１の基板中で、フォトダイオードからの電荷が浮遊拡散ポイントＦＤに転送される。
【００８４】
８１６において、ピクセルレベル相互接続が電圧信号ＶＳＩＧを第１の基板から第２の基板に送信する。電圧信号ＶＳＩＧは、浮遊拡散ポイントＦＤにおける電圧の増幅されたバージョンを表す。回路は、以下で詳細に説明されるように、ピクセルレベル相互接続を介して電圧信号ＶＳＩＧを受信し、電圧信号ＶＳＩＧを処理し、フォトダイオードが露出された光の強度および／または持続時間を示すデジタル出力を生成する。
【００８５】
８２０において、第２の基板中の回路は、電圧信号ＶＳＩＧが第１のしきい値に達する第１の時間Ｔ１と、電圧信号ＶＳＩＧが、第１のしきい値とは異なる第２のしきい値に達する第２の時間Ｔ２との間の時間差ＴＰを検出する。第２の基板中の比較器は、電圧信号ＶＳＩＧが第１の基準電圧ＶＲＥＦ１に対応する第１の時間Ｔ１における第１の出力を生成し、第１の時間Ｔ１において第１の出力をカウンタに送信する。比較器はまた、電圧信号ＶＳＩＧが第１の基準電圧ＶＲＥＦ１よりも高い第２の基準電圧ＶＲＥＦ２に対応する第２の時間Ｔ２における第２の出力を生成し、第２の時間Ｔ２において第２の出力をカウンタに送信する。カウンタは、第１の時間Ｔ１と第２の時間Ｔ２との間のクロックパルスの数を計数する。
【００８６】
露出段階の後の検知段階において、８２４において、ターンオン電圧をトランジスタＴＸのゲートに印加して、トランジスタＴＸを飽和状態にする。
【００８７】
８２８において、フォトダイオードに入射した光の強度が露出段階中にしきい値強度を超えたとき、フォトダイオードからの電荷が第１の基板中で浮遊拡散ポイントＦＤに転送される。光強度がしきい値強度を超えない場合、電荷は、浮遊拡散ポイントＦＤに転送することなしにフォトダイオード内に蓄積する。
【００８８】
８３０において、ピクセルレベル相互接続は、電圧信号ＶＳＩＧを第１の基板から第２の基板に送信する。８５０において、回路は、検知段階中に、時間とともに増加する基準電圧ＶＲＥＦ１が電圧信号ＶＳＩＧに達する時間を検出する。電圧信号ＶＳＩＧは、露出段階の後の検知段階において比較的不変のままである。比較器は、電圧信号ＶＳＩＧと第１の基準電圧ＶＲＥＦ１とを与えられる。検知段階の開始時に、カウンタはオンにされる。カウンタがクロック信号に基づいて実行している間、第１の基準電圧ＶＲＥＦ１は徐々に増加される。第１の基準電圧ＶＲＥＦ１が時間Ｔ４における電圧信号ＶＳＩＧに達したとき、カウンタは、カウンタを停止する、線にわたるラッチ信号を作り出す。
【００８９】
本明細書で使用される言い回しは、主に読みやすさおよび教授の目的で選択されており、その言い回しは、本発明の主題を画定または制限するために選択されていないことがある。したがって、特許権の範囲はこの詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ、詳細な説明に基づく適用例に関して生じる請求項によって限定されることが意図される。したがって、実施形態の開示は、以下の特許請求の範囲に記載される特許権の範囲を例示するものであり、限定するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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