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技術 一体化ピクセル加熱機構を有する半導体画像センサおよび半導体画像センサを作動させる方法

出願人 アーエムエスアクチエンゲゼルシャフト
発明者 シュトックマイアー,トマスフォルシス,リヒャルトトロクスラー,トマス
出願日 2015年5月21日 (3年6ヶ月経過) 出願番号 2016-569737
公開日 2017年6月29日 (1年5ヶ月経過) 公開番号 2017-517893
状態 特許登録済
技術分野 固体撮像素子
主要キーワード 抵抗温度センサ 画像センサチップ 関連ピクセル 金属ヒータ 基板貫通ビア 半導体画像センサ ヒータ要素 電気抵抗物質
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年6月29日)のものです。
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図面 (6)

課題・解決手段

半導体画像センサが、フォトセンサ(2)有する複数のピクセル(1)を備える。少なくとも1つのヒータ(4)は、フォトセンサと一体化され、少なくとも1つのピクセル内または少なくとも1つのピクセルの近傍に配置されている。ヒータを適切に作動させることにより関連ピクセルのフォトセンサの温度が上昇する。それによって、一体化読出し回路(3)の作動、または熱を発生する他のあらゆる一体化構成要素の作動に起因し得る温度差局所是正を果たすことが可能になる。

概要

背景

半導体画像センサによって生成される画像は、ピクセルごとに僅かな不均一性を示すことがあり、その不均一性は、漏洩電流およびフォトダイオード応答性が温度に依存するため、センサチップ内の局所的温度差によって生じ得る。この問題を防止するために、画像センサチップは、一定で、空間的に均一な温度で作動することが好ましい。特に画像センサチップ全体を加熱または冷却することによって、空間的および時間的に一定の温度を維持する通常の方法は、特に熱を発生する構成要素の近傍にフォトセンサが組み込まれている場合に、最適な温度状態を得るのに適切ではないことがある。

特許文献1には、画像センサチップを受けるように配置された面を有し、画像センサチップのセンサ領域の下に配置されたヒータ要素を有する基板を備える集積回路パッケージが開示されている。

特許文献2には、金属ヒータレジスタを含む集積回路ダイが開示されており、その金属ヒータレジスタは、ダイの外縁周りに配置され、電気端子が設けられている。

特許文献3には、半導体基板に形成された抵抗温度センサと、基板表面を覆っている絶縁層上に形成された抵抗ヒータとを含む一体型感知装置が開示されている。

概要

半導体画像センサが、フォトセンサ(2)有する複数のピクセル(1)を備える。少なくとも1つのヒータ(4)は、フォトセンサと一体化され、少なくとも1つのピクセル内または少なくとも1つのピクセルの近傍に配置されている。ヒータを適切に作動させることにより関連ピクセルのフォトセンサの温度が上昇する。それによって、一体化読出し回路(3)の作動、または熱を発生する他のあらゆる一体化構成要素の作動に起因し得る温度差局所是正を果たすことが可能になる。

目的

本発明の目的は、生成される画像が従来の画像センサよりも低減された不均一性を示す半導体画像センサを開示することである

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

ある温度を有するフォトセンサ(2)をそれぞれが備える複数のピクセル(1)と、少なくとも1つのヒータ(4)と、を備え、前記ヒータ(4)は、前記フォトセンサ(2)と一体化され、前記ヒータ(4)は、前記ヒータ(4)が作動すると前記ピクセル(1)の前記フォトセンサ(2)の温度が上昇するように、前記複数のピクセル(1)の少なくとも1つの中または近傍に配置されている、ことを特徴とする半導体画像センサ

請求項2

少なくとも1つの一体化読出し回路(3)をさらに備え、前記ヒータ(4)は、前記複数のピクセル(1)の少なくとも1つの中で、そのピクセル(1)の前記フォトセンサ(2)と前記少なくとも1つの一体化読出し回路(3)との間に配置される、請求項1に記載の半導体画像センサ。

請求項3

前記複数のピクセル(1)の別のピクセルをさらに備え、前記複数のピクセル(1)の別のピクセルは、それぞれ別の一体化読出し回路(3)及び別のヒータ(4)が設けられ、前記別のヒータ(4)が、それぞれの前記別の一体化読出し回路(3)と前記フォトセンサ(2)との間に配置されている、請求項2に記載の半導体画像センサ。

請求項4

前記ヒータ(4)は、前記複数のピクセル(1)の別のピクセルの中又は近傍に延在する、請求項1または2に記載の半導体画像センサ。

請求項5

前記複数のピクセル(1)の別のピクセルの少なくとも1つは、別のヒータ(4)が設けられ、前記別のヒータ(4)は、前記複数のピクセル(1)の別のピクセルの中または近傍に配置される、請求項1または2に記載の半導体画像センサ。

請求項6

前記ヒータ(4)は、前記複数のピクセル(1)の少なくとも1つの中または近傍に配置された複数の個々のヒータ(4’)によって形成される、請求項1に記載の半導体画像センサ。

請求項7

前記個々のヒータ(4’)は、前記複数のピクセル(1)の少なくとも1つの前記フォトセンサ(2)を取り巻く、請求項6に記載の半導体画像センサ。

請求項8

一体化温度センサ(8)をさらに備える、請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体画像センサ。

請求項9

前記一体化温度センサ(8)は、前記フォトセンサ(2)の近傍に配置されている、請求項8に記載の半導体画像センサ。

請求項10

別の一体化温度センサ(8)をさらに備え、前記一体化温度センサ(8)及び前記別の一体化温度センサ(8)は、それぞれ前記フォトセンサ(2)の近傍に配置されている、請求項8に記載の半導体画像センサ。

請求項11

前記フォトセンサ(2)に電気的に接続される基板貫通ビア(6)をさらに備える、請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体画像センサ。

請求項12

少なくとも1つの前記ヒータ(4)に電気的に接続される基板貫通ビア(7)をさらに備える、請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体画像センサ。

請求項13

前記複数のピクセル(1)の少なくとも1つを少なくとも1つの前記ヒータ(4)によって加熱するステップと、それによってそのピクセル(1)の温度を、前記複数のピクセル(1)の別のピクセルの少なくとも1つより高い度合いで上昇させるステップと、を含む、請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体画像センサを作動させる方法。

請求項14

前記複数のピクセル(1)の少なくとも1つを加熱するステップは、少なくとも1つの一体化読出し回路(3)および/または別の一体化読出し回路(3)の作動に起因する温度差局所是正を目的とする、請求項13に記載の方法。

請求項15

少なくとも1つの一体化温度センサ(8)によって前記温度を局所的に制御するステップをさらに含む、請求項13または14に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、一体化ピクセル加熱機構を有する半導体画像センサおよび半導体画像センサを作動させる方法に関する。

背景技術

0002

半導体画像センサによって生成される画像は、ピクセルごとに僅かな不均一性を示すことがあり、その不均一性は、漏洩電流およびフォトダイオード応答性が温度に依存するため、センサチップ内の局所的温度差によって生じ得る。この問題を防止するために、画像センサチップは、一定で、空間的に均一な温度で作動することが好ましい。特に画像センサチップ全体を加熱または冷却することによって、空間的および時間的に一定の温度を維持する通常の方法は、特に熱を発生する構成要素の近傍にフォトセンサが組み込まれている場合に、最適な温度状態を得るのに適切ではないことがある。

0003

特許文献1には、画像センサチップを受けるように配置された面を有し、画像センサチップのセンサ領域の下に配置されたヒータ要素を有する基板を備える集積回路パッケージが開示されている。

0004

特許文献2には、金属ヒータレジスタを含む集積回路ダイが開示されており、その金属ヒータレジスタは、ダイの外縁周りに配置され、電気端子が設けられている。

0005

特許文献3には、半導体基板に形成された抵抗温度センサと、基板表面を覆っている絶縁層上に形成された抵抗ヒータとを含む一体型感知装置が開示されている。

先行技術

0006

米国特許第7,480,006(B1)号明細書
米国特許第6,046,433(A)号明細書
米国特許第4,808,009(A)号明細書

発明が解決しようとする課題

0007

本発明の目的は、生成される画像が従来の画像センサよりも低減された不均一性を示す半導体画像センサを開示することである。別の目的は、半導体画像センサによって生成される改良された画像を得る方法を開示することである。

課題を解決するための手段

0008

これらの目的は、請求項1に記載の半導体画像センサおよび請求項13に記載の方法によって達成される。諸実施形態および変形形態従属請求項から導出される。

0009

半導体画像センサは、それぞれがフォトセンサを備える複数のピクセルと、フォトセンサと一体化され、複数のピクセルの少なくとも1つの中または近傍に配置されている少なくとも1つのヒータとを具備する。少なくとも1つの一体化読出し回路を一体化することもできる。ヒータを適切に作動させることにより関連ピクセルのフォトセンサの温度が上昇する。他のフォトセンサの温度は、その加熱によってより僅かな度合いでしか上昇しないか、もしくは影響を受けない。

0010

少なくとも1つの一体化読出し回路を備える半導体画像センサの実施形態では、ヒータは、関連ピクセル内で、そのピクセルのフォトセンサと一体化読出し回路との間に配置されている。

0011

別の実施形態では、複数のピクセルの別のピクセルのそれぞれは、別の一体化読出し回路と、その別の一体化読出し回路とフォトセンサとの間に配置された別のヒータとを備える。

0012

別の実施形態では、ヒータは、複数のピクセルの別のピクセルの少なくとも1つの中または近傍に延在する。

0013

別の実施形態では、複数のピクセルの別のピクセルの少なくとも1つは、その複数のピクセルの別のピクセルの中または近傍に配置された別のヒータを備える。

0014

別の実施形態では、ヒータは、複数のピクセルの少なくとも1つの中または近傍に配置された複数の個々のヒータによって形成されている。

0015

別の実施形態では、個々のヒータは、複数のピクセルの少なくとも1つのフォトセンサを取り巻いている。

0016

別の実施形態は、一体化温度センサを備え、その一体化温度センサは、特にフォトセンサの近傍に配置することができる。

0017

別の実施形態は、別の一体化温度センサを備え、上記の一体化温度センサ及び別の一体化温度センサは、それぞれフォトセンサの近傍に配置されている。

0018

別の実施形態は、フォトセンサに電気的に接続される基板貫通ビアおよび/または少なくとも1つのヒータに電気的に接続される基板貫通ビアを備える。

0019

このような半導体画像センサを作動させる方法は、複数のピクセルの少なくとも1つがヒータによって加熱され、それによって、そのピクセルの温度が複数のピクセルの別のピクセルの少なくとも1つより高い度合いで上昇する。複数のピクセルの別のピクセルの一部または全ては、その加熱プロセスによって実質的に影響を受けない。具体的にはピクセルの加熱は、一体化読出し回路および/または別の一体化読出し回路の作動に起因する温度差局所是正を目的とする。

0020

本発明の変形形態では、少なくとも1つの一体化温度センサによって温度が局所的に制御される。

0021

以下に、画像センサの例およびそのような画像センサを作動させる方法を、添付図面に即して詳細に説明する。

図面の簡単な説明

0022

画像センサの実施形態のピクセル内でのフォトセンサ、ヒータ、および読出し回路の配置の概略図である。
フォトセンサを取り巻く複数の個々のヒータを備える別の実施形態についての図1に即する配置の図である。
基板貫通ビアを有する別の実施形態についての図1に即する配置の図である。
別の実施形態でヒータが近接して配置されたピクセルのグループの図である。
温度センサを備える別の実施形態についての図1に即する配置の図である。

実施例

0023

図1は、半導体画像センサのピクセル1を示す。ピクセル1は、半導体本体または基板に一体化されているフォトセンサ2を備える。たとえば特にフォトダイオードまたは一群のフォトダイオードであり得るフォトセンサ2の細部は、それほど重要ではなく、したがって図1に示されていない。読出し回路3は、任意選択で、フォトセンサ2と共に半導体本体または基板に一体化され得る。読出し回路3は、たとえばCMOS回路でもよい。各ピクセル1には、個々に読出し回路3を設けることができる。それに代えて、読出し回路3は、一部または全部のフォトセンサ2に共通に設けてもよい。図1による実施形態では、フォトセンサ2と読出し回路3とは、ピクセル1内で、半導体本体または基板の同じ面に一体化されているが、フォトセンサ2と読出し回路3の配置は、この例とは異なるようにすることもできる。

0024

ヒータ4は、ピクセル1内またはピクセル1の近傍に一体化されている。ヒータ4は、特に抵抗ヒータであり得、好ましくは電圧または電流を加えるための電気接続部5を備える。抵抗ヒータは、半導体技術において本来知られている。図1による実施形態では、ヒータ4は、フォトセンサ2と読出し回路3との間に配置されている。図1に示される配置のように、読出し回路3の近傍にヒータ4を配置することは、特に適切であり得、その理由は、そのような配置は、特に読出し回路3が最大または通常の熱量を発生しない画像センサの作動モード中に、ヒータ4が類似の熱を発生することによって、読出し回路3による熱の発生の代わりまたは補足を可能にするからである。それによって均一な温度分布が、画像センサのあらゆる作動モード中に維持され得る。

0025

ヒータ4は、レジスタまたはレジスタのセットをフォトセンサ2に近接して配置することによって、画像センサに一体化することができる。具体的にはレジスタまたはレジスタのセットは、半導体技術では本来知られている態様で、電気抵抗物質の層によって形成することができる。レジスタによって形成された複数の個々の加熱要素は、ヒータ4を形成するように、並行または直列に接続され得る。レジスタまたはレジスタのセットに熱を発生させるために、電圧または電流が電気接続部5に加えられる。電圧または電流の供給は、画像センサチップ上で直接行われ得、または画像センサチップの電気端子を介して外部から行われ得る。複数個の画像センサのヒータ4を、チップ間相互接続部を介して互いに接続することができる。

0026

図2は、半導体画像センサの別の実施形態のピクセル1を示す。図1による実施形態の要素に対応する図2による実施形態の要素は、同じ参照符号によって示されている。図2による実施形態では、ヒータ4は、複数の個々のヒータ4’を備え、それらヒータ4’は別々の電気接続部5を備え得る。個々のヒータ4’は、特に例として図2に示されるようにフォトセンサ2を取り巻いてもよいが、フォトセンサ2および個々のヒータ4’の配置は、この例とは異なるようにすることもできる。

0027

図3は、半導体画像センサの別の実施形態のピクセル1を示す。図1および2による実施形態の要素に対応する図3による実施形態の要素は、同じ参照符号によって示されている。図3による実施形態は、フォトセンサ2およびヒータ4の電気接続部用の基板貫通ビア6、7を備える。この配置は、半導体本体または基板のフォトセンサ2とは反対側の面に読出し回路3が配置されている場合に特に適している。ヒータ4を反対側、特にフォトセンサ2の下側の位置に配置することもでき、この場合は、フォトセンサ2のみに電気接続部用の基板貫通ビア6を設ければ十分であり得る。

0028

図4は、半導体画像センサの別の実施形態の3つの隣接するピクセル1の配列を示す。図1による実施形態の要素に対応する図4による実施形態の要素は、同じ参照符号によって示されている。図4による実施形態は、複数のピクセル1に近接して共通に配置されたヒータ4を備える。図4に示された例では、ヒータ4は、それらピクセル1のフォトセンサ2と読出し回路3との間に配置されている。ヒータ4は、任意の数のピクセル1の近傍に共通に配置することができ、その配置は、図4に示されている例とは異なるようにすることもできる。

0029

図5は、半導体画像センサの別の実施形態のピクセル1を示す。図1による実施形態の要素に対応する図5による実施形態の要素は、同じ参照符号によって示されている。図5による実施形態は、温度センサ8をさらに備える。温度センサ8は、好ましくはフォトセンサ2に近接して配置される。温度センサ8は、フォトセンサ2の温度を検出する働きをし、それによって、温度センサ8の制御の下、所望の温度から逸脱しないようにヒータ4を作動させることができる。図4に従って複数のピクセル1に対して共通にヒータ4を使用するのと同様に、温度センサ8は、ピクセル1のグループに対して共通に使用することができる。それに代えて、各ピクセル1が個々の温度センサ8を備えてもよい。温度の測定値の評価およびそれに対応するヒータ4の作動の制御は、たとえば読出し回路3で実行してもよい。

0030

1つのピクセル1またはピクセル1の小グループに対してそれぞれ設けられるヒータ4またはヒータ4の配列を画像センサチップ内に一体化することによって、画像センサチップを組み立てかつ/または実装するための作業が著しく減少される。一体化された1つまたは複数のヒータ4は、画像センサチップの様々な領域、具体的には様々なピクセル1またはピクセル1のグループを互いに独立に加熱することが可能であり、したがって、空間的かつ時間的に実質的に一定な画像センサチップの温度分布を維持することが可能である。それによって、画像の生成が改善され、不均一性を防止または少なくとも実質的に低減することができる。

0031

1ピクセル
2フォトセンサ
3読出し回路
4ヒータ
4’ 個々のヒータ
5電気接続部
6基板貫通ビア
7 基板貫通ビア
8 温度センサ

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