CN101310387B - 像素器件、三维成像系统以及三维成像系统的用途 - Google Patents

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Abstract

一种半导体技术中的新像素包括：光敏检测区(1)，用于将电磁波场转换成流动电荷的电信号；分离解调区(2)，具有至少两个输出节点(D10、D20)；以及用于在调制周期内以至少两个不同时间间隔对电荷流信号进行采样的装置(IG10、DG10、IG20、DG20)。接触节点(K2)将检测区(1)链接到解调区域(2)。漂移场实现流动电荷的电信号从检测区到接触节点的传递。随后，在两个时间间隔的每一个期间，流动电荷的电信号从接触节点(K2)被传递到分配给相应时间间隔的两个输出节点。解调和检测区的分离提供了能够以高速和高灵敏度对电磁波场进行解调的像素。

Description

像素器件、三维成像系统以及三维成像系统的用途
发明领域
根据独立权利要求的前序部分，本发明涉及对调制电磁波，尤其是频率在光学频谱内的波进行检测和解调的像素器件。
像素器件可在需要与像素上快速采样相耦合的高度光敏像素的所有应用中使用。这些像素特征特别寻求对暂时强度调制的电磁光波进行解调。对于基于飞行时间原理或干涉测量法的非接触距离测量传感器，以及在诸如荧光应用的相位测量生物(化学)应用中，这些像素尤其受人关注。
发明背景
在德国专利DE4440613C1(Spirig，“Vorrichtung und Verfahren zurDetektion eines 
Figure G2006800386725D00011
Strahlungsfeldes”，1996)中，示出了对入射光学正弦调制光信号进行n次采样的解调器件。电荷耦合器件用于检测光信号，以及随后传输光生电荷。速度限制主要由电荷载流子传输期间的慢扩散过程给定。当为了增加灵敏度而将像素设计成具有较大光检测区时，该问题变得尤为重要。
德国专利申请DE19821974A1(Schwarte，“Vorrichtung und verfahren zurErfassung von Phase und Apmlitude elektromagnetischer Wellen”，1999)公开一种光子混合元件。为了获得具有高灵敏度和高速解调设施的像素，提出了条状元件的组合结构，每个元件都具有较短的传输路径。然而，条状结构仍然导致较差的填充因子，因为条间区域并不是光敏的。
在英国专利申请GB2389960A(Seitz，“Four-tap demodulation pixel(四抽头解调像素)”，2003)中，给出了用于具有高灵敏度和高解调速度的大面积解调像素的另一种方法。矩形和大尺寸的高电阻光栅极在半导体衬底中生成漂移场，迫使光生电荷向特定采样节点漂移。在此，由于较大的RC次数而在光栅极上产生的任何采样信号延迟都会降低这种解调像素的性能。特别地，当同时控制许多像素时，很难实现高频率。于是外部电子设备及其对大容量的受限驱动能力就呈现约束因素。
上述所有像素结构的共同之处在于，光生电荷向特定方向的横向传导总是与栅极结构上的推拉信号相关。为了得到更高的灵敏度，光检测区需要扩大。结果是寄生电容增大(必须被切换)或者传输路径更长。两个方面都是不期望的，因为它们将这些器件限制为以高频率使用。如果切换栅极电容增大，则驱动电子部件会给定速度限制。另一方面，较长的传输路径减小器件中光生电荷的速度，从而使高解调频率变为不可能。
新的解调器件克服了在灵敏度与解调速度之间进行折衷的问题。两方面可同时由该像素实现，而不会引入采样信号或填充因子的任何质量损失。相反，该像素带来以下解释的更多优点。
发明概述
本发明的目的是提供一种可用像素结构，就解调入射信号而言，该结构呈现高灵敏度和高速能力，并且诸如在低功耗下操作的能力之类的其它目的可由如第一权利要求所限定的器件解决。较佳地，在从属权利要求中阐述了本发明的优点或替换特征。
半导体衬底中的本发明像素器件适于检测和/或解调入射调制电磁波场。它包括
-检测装置，用于将入射电磁波场转换成流动电荷的电信号
-采样装置，用于在调制周期中以至少两个不同时间间隔对流动电荷的电信号进行采样，以及
-由采样装置采样的电信号的至少两个输出节点
像素器件还有利地包括：包含至少两个输出节点和具有第二传递装置的采样装置的解调装置，安排在检测装置与解调装置之间的接触节点，以及包含第一传递装置的检测装置。第一传递装置适于将流动电荷信号传递到接触节点，第二传递装置适于在至少两个时间间隔的每一个期间，将流动电荷信号从接触节点传递到分配给相应时间间隔的至少两个输出节点。
因此，根据本发明的像素器件能够同时以极高速度和高灵敏度解调光波。在检测区的有可能较大的光敏区上传递光生电子，主要由横向的静态漂移场实现，该漂移场是恒定电场。这导致电荷域中极快的传输过程，并且可以在不损失任何灵敏度的情况下达到高达千兆赫兹范围的高解调频率。像素中解调过程在几乎无噪声的电荷域中进行。对驱动电子设备的要求也得以降低，因为像素中的任何动态受控结构具有尽可能小的尺寸。对光生电荷流信号(也称为流动电荷信号或电荷流的信号)的解调由传导通道的快速激活来进行。这些传导通道具有最短的电荷传输路径长度。快速传输过程和传导通道(作为传递手段)的快速激活允许对高信号频率解调。此外，解调区的较小尺寸意味着控制栅极的较小寄生电容，该控制栅极必须被快速充电或再次充电以同时用高频率驱动大量像素。对驱动器电子设备的总体要求因较小电容而大大降低，因此解调效率进一步增大。
因为可以在半导体衬底中最大电荷传递速度以及相关联的最高解调频率的限制下很大地设计检测区的尺寸，所以像素的高光学灵敏度是有可能的。
基于该像素架构，可以实现用于许多不同应用的传感器。具体而言，它们是需要解调光波的应用，例如三维成像、荧光测量、光学数据传递等。
根据本发明的像素器件能够在低频率以及例如高达几百MHz的高频率上对光信号进行解调。与所支持的高频率解调并发地，该像素还同时提供高光学灵敏度。
根据本发明的像素器件在无需使像素的操作点落在低噪声电荷域中的情况下，在光检测区与有可能非光敏解调区之间限定一差别。光检测区由允许在衬底上创建恒定横向漂移场的架构构成。恒定漂移场使光生电荷漂移到更高电势的方向。对于恒定横向漂移场的产生，存在各种可能性。列举某些示例：高电阻栅极结构、连续偏置栅极、浮动栅或衬底中的浮动扩散。或为光敏或为非光敏的解调区被设计得尽可能小，这只受特定处理规则的约束。将光生电荷载流子注入到解调区中，并通过传导通道之一漏到所谓的存储点。特定传导通道是由触点之一上的电压信号激活的。对传导通道激活的具体控制对应于解调过程。
根据本发明的像素器件受不对称解调(即解调区中的不平衡采样过程)的影响较少。受影响较少的原因是解调过程不再受光入射到像素上的方向的影响。这在解调区被设计成非光敏的情况下会更加有利。
该像素器件的解调装置的另一优点是设计非条状结构而是正方形像素形状的可能性。这导致对场景进行空间(横向)采样的显著改进，这实现了对微透镜阵列的有效利用。该像素器件的又一优点是采样信号由于解调区中的延迟和衰减而引起的畸变更少，因为像素的动态受控部分被保持得尽可能小。较大的光敏检测区被静态控制。
根据本发明的像素器件可用于任何类型的应用，其中对电磁波的检测是必要的。此外，该像素器件最适于其中需要解调电磁波(尤其是在该波是强度调制光信号的情况下)的应用。同时具有高频率和高光学灵敏度的像素解调能力使得该像素十分适于高准确度的三维距离测量。完全的一维或二维阵列的设置允许实时的三维采集，而在整个系统中无需任何运动部分。可应用任何调制方案，即正弦波调制、矩形调制、诸如伪噪声调制的编码调制方案、以及频率调制信号和啁啾信号。然而，除了上述的连续波调制方法之外，脉冲调制方案也可用于本发明的像素器件。
根据本发明的光敏像素器件允许以最高准确度对尤其在光学范围内的调制电磁波进行采样。它具有紧凑型尺寸，并因此能与附加电子电路很好地集成在单个芯片上。特定架构允许用硅作衬底材料以任何标准互补金属氧化物半导体(CMOS)或电荷耦合器件(CCD)工艺制作该像素，从而使该制作非常成本有效。诸如硅锗等的替换衬底材料支持更高的频率。
附图简述
在下文中，比所附示意图更详细地描述本发明的实施方式以及用于对照的现有技术器件。
图1示出根据本发明的解调像素的结构的总体框图。
图2示出根据本发明的解调区的示意图。
图3示出根据本发明的包括解调像素二维阵列的图像传感器的示意图。
图4示出使用包括解调像素的传感器的三维测量设置的原理方案。
图5示出分别表示使用图4原理的所发射信号和所接收信号的光强和电荷流与时间的关系的曲线。
图6示出根据本发明的检测区的结构的五个不同实施方式。
图7示出根据本发明的解调区的结构的第一实施方式。
图8示出根据本发明的解调区的结构的第二实施方式。
图9示出用于实现在根据本发明的解调像素之内或之外使用的放大器的两个公知实施方式。
图10示出根据本发明的解调像素的四个实施方式。
图11示出树枝状栅极结构的所需二维电场分布。
图12示出实现电场分布的组合低-高电阻栅极结构的俯视图。
图13示出具有浮动栅的检测或解调区的横截面部分。
图14示出具有浮动植入的检测或解调区的横截面部分。
较佳实施方式的描述
图1示出根据本发明的光敏像素。该光敏像素DP包括光敏检测区1、解调区2、用于任何类型的数据处理的任选级4以及任选放大电路6。在接收例如光辐射的电磁辐射时，在检测区1和可能解调区2的光敏区域上生成光电荷载流子。
检测区1(尤其在很大设计时)需要尽可能快地将光生电荷载流子传输到解调区，以便使光电转换信号(同样称为流动电荷电信号或光电流信号)上的任何低通滤波效应最小化。向解调区2的快速电荷载流子传输是由特定方向上的横向漂移场来实现的。该漂移场可通过各种方法生成。以下对某些可能方法的列举并非要将像素仅限制于这些方法。静态漂移场的一个可能实现是通过半导体衬底和绝缘体层上的高电阻材料透光栅极而作出的。Hoffmann对存储器器件描述了这种架构(“Surface Charge Transport with anMOS-Transmission-Line(通过MOS传输线的表面电荷传输)”，Solid-StateElectronics(固态电子学)，20卷，177-181页，1977年)。电势差的施加生成穿过该栅极的电流，因此产生恒定的横向电场。由于栅极与半导体之间的电容耦合，该电势分布在半导体衬底中形成镜象，使得光生电荷受电漂移场的引导。如本发明较佳实施方式中所示出的，用于在像素的光敏检测区内生成横向电漂移场的其它示例应用分段栅极结构、浮动栅或浮动扩散。此外，在半导体表面上建立横向阶梯状掺杂梯度，造成无需任何进一步电压施加的具有内建漂移场的检测区。Lattes描述了这种内建漂移场的基本理念(“UltrafastShallow-Buried-Channel CCD’s with Built-in Drift Fields(具有内建漂移场的CCD超快浅埋入式通道)”IEEE Electron Device Letters，12卷，No.3，1991年3月)。在任一情形中，漂移场主导电荷载流子扩散过程是较佳的，从而解调区方向上的电荷速度v可如下估算
v＝μ*E漂移
其中μ表示半导体衬底中电荷载流子的迁移率，而E漂移是电场。在电荷迁移率由于极高电压而发生饱和效应之前，电荷载流子的速度与漂移场之间的这种正比关系有效。在该情形中，必须考虑半导体研究领域中公知的非线性模型。例如，Jacoboni描述了某些不同的模型(“A Review of Some Charge TransportProperties of Silicon(对硅的某些电荷传输特性的回顾)”，Solid-State Electronics(固态电子学)，20卷，77-89页，1977年)。可实现的最高速度被称为饱和速度vsat。它是金属专用参数，并且限定了施加于像素检测区的最大合理漂移场E漂移max。在第一种近似中，基于速度与漂移场之间的线性关系，如下计算最大合理漂移场：
E漂移max＝vsat/μ
将光生电荷直接注入到用参考信号对光电流信号执行相关处理的解调区2中。由此，解调区可部分地、甚至全部是光敏的，但是它也可以是非光敏的，因为解调区2的尺寸比实际检测区1之一小得多。解调区2的输出是解调信号的一组k个样本值A1-Ak，k是值至少为2的正整数。对样本的直接、像素固有处理可以使用任何类型的处理电路4，例如模-数转换器。最后，每个像素传送j个输出值out1-outj，这些值可能已在像素自身中得到放大，j是正整数。这些放大器可与标准APS(活动像素传感器)中的放大器级进行对照。如果在像素中不包含任何处理电路4，则该像素具有与样本数k相对应的j个输出值，其中j＝k。
解调区2执行依据信号理论表达的“相关处理”。在图2中以一般形式示出用于该相关处理的器件。在注入到该器件中之后，光生电荷载流子通过所谓的传导通道CC1、...、CCk漏到位于传导通道旁边的存储点S1、...、Sk。在存储点中，电荷载流子在特定时间周期中累积。解调区域中存在共k个传导通道和k个存储点。每个传导通道CC1、...、CCk可由k个触点GC1、...、GCk之一分别激活。对通道激活的灵活控制允许对所注入的电荷流信号进行采样。解调区2的实现，即下文中所谓的解调单元由具有k个触点GC1、...、GCk的紧凑型栅极结构制成。该结构可由按照CCD工艺所提供的一样其边缘可能重叠的若干相邻栅极来内部构建。栅极的几何宽度无需超过由特定处理技术规定的最小特征尺寸，从而可以实现最小可能解调单元。该栅极结构实现的另一种可能是高电阻栅极，与GB2389960A(Seitz，“Four-tap demodulation pixel(四抽头解调像素)”)和EP044005489(Büttgen等人，“Large-area pixel foruse in an image sensor(用于图像传感器的大面积像素)”)中描述的光感测器件所使用的类似。同样，在设计规则所允许的情况下，尺寸应被保持得尽可能小，以便同时获得高填充因子以及对高调制频率的支持。
所有栅极结构，无论用于检测区1还是解调区2，都被构建在将栅极结构与底层半导体隔离的绝缘体层顶部。绝缘体具有足以在半导体与栅极结构之间实现电容耦合的厚度，使得栅极结构上的电势分布总是镜像到半导体表面上。在本发明像素对任何特定工艺没有约束的情况下，在CMOS或CCD技术中，这些绝缘体的厚度通常分别从几纳米到几十纳米变动。由此，半导体可以是基于硅的材料，绝缘体主要是半导体氧化物，并且栅极结构由透光、导电材料构成，诸如多晶硅。在解调区2中被隔离的光生电荷载流子基本上是少数载流子。取决于半导体衬底的掺杂类型、水平和分布，电子或空穴在检测区和解调区1和2中传输，并在存储在存储点Sk中之后被转化成电压信号以供读出，还有可能在随后由处理电路4进一步处理。本发明的较佳实施方式包括通过电子的信息传输，因为电子的迁移率比空穴高得多，从而得到更好的解调性能。在任何栅极结构之下的所有电荷传输都能在埋入式通道中实现，以便进一步增大电荷传输效率。
解调像素的较小尺寸允许在单个芯片上集成若干像素，即几百或几千个像素。每个解调像素都配备有用于复位存储点的复位线和用于读出目的的选择线。此外，k条线连接于每个像素，用于控制解调区2的k个传导通道CC1、...、CCk。这k条线用于动态信号。两条附加线与每个像素相连，为像素中漂移场提供电压信号。其它线用于存储节点以及任何潜在的可用逻辑电路。
图3特别地示出使用具有m行和n列的像素矩阵的图像传感器中像素的示例。对每个像素DP指定其空间坐标(x，y)，其中x是具有从1到n的值的整数，y是具有从1到m的值的整数。各个源被示出：行选择地址发生器RAG、列选择地址发生器CAG、用于复位像素采样值的复位发生器RG、用于控制解调区中传导通道的电极接触电压模式发生器CPG、用于在检测模块和偏置线VB中生成恒定漂移场的电压发生器DFG。
每个像素DP(x，y)经由电压电平VR和复位信号发生器RSG相连，并与光检测区中的静态漂移场用的电压发生器DFG相连。两个电压电平VL1和VL2负责生成静态漂移场。解调区需要k条连接线L1、...、Lk以及分别与每个像素中样本或存储点数目相对应的k个触点GC1、...、GCk。根据k个样本的像素内处理，会得到每个像素的j个输出值out1、...、outj，并对其进行像素固有放大。由线VB偏置的负载晶体管LT1、...、LTj为像素内放大器提供校正电流。
为了获得更高的填充因子，将输出放大器级的这些负载晶体管LT1、...、LTj表示在像素之外。然而，这一像素外放大器还可以存在于像素中。行选择地址发生器RAG可以对一整行进行寻址，使得该行上所有像素的输出值在j条线MX1、...、MXj上复用。列选择地址发生器CAG只启用一个像素值的输出。作为示例，x行、y列上的像素DP(x，y)被选中。j个输出值通过例如运算放大器OA1、...、OAj或其它放大器技术而再次在像素矩阵外被放大，以便驱动外部电子设备并补偿第一像素内放大级的非线性。特定列由列选择地址发生器CAG进行选择。所有列输出在j条复用线MX1至MXj上复用。
许多应用要求测量光信号与参考电信号之间的相位延迟。某些示例是三维(3D)范围测量、荧光成像或光通信。
图4选取并示出基于新像素架构的使用的三维成像的第一示例。
将来自光源TM的调制光ML1发送到对象OB。所发出的总光功率的一部分被反射到相机，并由图像传感器检测到。传感器SN由像素矩阵构成，每个像素都能够解调入射光信号。像素DP包括具有与解调区分离的检测区的本发明像素的架构。分离控制板CB调节整个系统的时序。所有像素的相位值对应于场景中一个点的特定距离信息。它们可由例如个人计算机PC读出并显示。
因此，距离信息的采集可通过飞行时间的测量而实现。它是光从测量系统到达对象OB并再次返回到该系统的一个往返所需的时间。距离R可如下计算
R＝(c*TOF)/2
其中c是光速，TOF对应于飞行时间。或为脉冲强度调制或为连续强度调制的光由照射模块TM发送、由对象OB反射并由传感器SN进行检测。如果传感器的每个像素能够同时解调光信号，则该传感器SN能够实时传送3D图像，即高达30Hz或以上的帧速率成为可能。在该应用中，该应用的像素解调能力可以分别得到往返时间或飞行时间。在脉冲操作中，解调可以直接给出飞行时间。然而，连续调制给出所发射信号与所接收信号之间的相位延迟P，该延迟还直接对应于距离R：
R＝(P*c)/(4*pi*fmod)
其中fmod是光信号的调制频率。图5(a)和5(b)示出连续正弦调制情形中的信号关系。虽然在下文中描述了该特定调制方案，但是在3D成像中使用该像素完全不局限于该特定方案。可以使用任何其它调制方案：例如脉冲、矩形、伪噪声或啁啾调制。只有距离信息的最终提取有所不同。图5(a)分别示出所发射和所接收的调制信号ES和RS。所接收信号的振幅A、所接收信号的偏移B以及两种信号之间的相位P是未知的，但是它们可以通过至少三个所接收信号样本来明确地重建。在图5(b)中，示出每个调制周期四个样本的采样。每个样本都是电信号在持续时间dt上的积分，该持续时间dt是调制周期的预定部分。为了增大每个样本的信噪比，光生电荷在若干调制周期上得到累积。
通过交替激活解调区的传导通道CC1、...、CCk，注入到解调区2并在完整栅极结构下传播开的光生电荷被强制漂移或扩散到特定存储点。通道激活的交替可与采样频率同步进行。
采用例如现场可编程门阵列(FPGA)的电子时序电路生成用于解调级中同步通道激活的信号。在一个传导通道的激活过程中，所注入的电荷载流子运动到对应存储点S1、...、Sk，以便累积。作为示例，在解调区2中只实现两条传导通道CC1、...、CC2。于是，以相差半个调制周期的时间采样的两个调制信号样本A0和A1允许计算注入到采样级的正弦强度调制的无偏移电流的相位P和振幅A。方程式如下：
A＝(A0+A1)/2
P＝arcsin[(A0-A1)/(A0+A1)]
将该示例扩展到四个传导通道CC1-CC4，且样本值实际上需要带有四个触点C1-C4和四个存储点S1-S4的解调区的不同栅极结构，以及电极电压的适当时钟方案，以便获得注入电流的四个样本值A0、A1、A2和A3。通常，样本是所注入电荷载流子在多个四分之一调制周期上的积分结果，由此最终，每个样本对应于多个四分之一调制周期。两个后续样本之间的相移为90度。
使用这四个样本，三个决定性调制参数，即调制信号的振幅A、偏移B和相移P由下式提取
A＝sqrt[(A3-A1)2+(A2-A1)2]/2
B＝[A0+A1+A2+A3]/4
P＝arctan[(A3-A1)/(A0-A2)]
图6示出检测区1的五种不同结构DT1-DT5。参照图6，参数i与解调区的特定结构相关。取决于该结构，它是值从1到n(n＞＝2)的整数。图6(a)和6(b)所示的第一结构DT1是基于半导体-绝缘体栅极架构的，由此使用透光高电阻材料，其上施加两个触点k1和k2。在图6(b)中，尤其可以看到CMOS或CCD的典型设置，其中高电阻栅极材料GM1位于顶部，之下是绝缘体层IL1和由于光子入射而生成电荷的半导体衬底SUB1。当对触点k1和k2施加电压差时，栅极GM1负责创建横向漂移电场。检测结构中存在的所得电势分布在图(b)中示意性示出。由光检测生成的少数载流子MIC将漂移到更高电势，如箭头A所指示，其中它们会被注入到后续解调区2中。
在图6(c)至图6(j)所示的检测区的其它三个结构示例中，图6(a)和(b)的共同结构元素具有相同的附图标记。在所有三个示例中，衬底可采用具有两个相对平行边的大体梯形形状，第一触点K1位于两个平行边的较大边处，而第二触点K2位于两个平行边的较小边处。第二触点适于排列在检测区与解调区之间，如图10所示。该特定梯形形状，或者具有相同特性的其它形状具有以下优点：可将一个以上的梯形元素连接到公共解调区，梯形元素的整体限定了检测区。如图10(a)所示，该配置增大了检测区/尺寸与解调区/尺寸之间的比值。
图6(c)和6(d)所示的检测区的第二结构DT2是基于CMOS或CCD器件的典型设置的，具有由连续片段GM1.i构成的高电阻材料分段栅极结构，例如在其末端彼此相连的连续分离长条。该结构的剩余部分包括与图6(a)和6(b)的第一示例中相同的元素，并且漂移场同样由电流生成。分段栅极结构的目的是减小栅极自身的功耗。如图6(d)所示，横向漂移电场大致恒定。
图6(e)和6(f)示出检测区结构的第三示例DT3。检测区包括透光浮动栅Fgi，即彼此之间耦合的连续相邻长条。该结构的剩余部分包括与图6(a)和6(b)的第一示例中相同的元素。对各自位于栅极结构的外侧栅极FG1、FGn之一上的触点k1和k2施加两个电压。内侧栅极由于它们之间的电容耦合而获得中间电压。因此，每个栅极之间的电容耦合允许创建恒定漂移场，该漂移场被镜像到半导体衬底SUB1的表面上。该检测区在无需任何功耗的情况下工作。
图6(g)和6(h)示出检测区结构的第四示例DT4。检测区不包含任何栅极结构，却包括具有掺杂阱内的连续平行漂浮扩散区FDi或者与漂移扩散自身相反的掺杂浓度的通道。两个触点k1和k2直接连接于外侧扩散区FD1、FDn。因此，将两个电压施加到这两个触点，由此也施加到对应外侧扩散区，使得内侧扩散区获得中间电压。这是由于穿通机制而实现的，从而创建用于快速电荷传输的漂移场。本示例通过使用漂浮扩散而避免了检测区的任何功耗。
图6(i)和6(j)示出检测区结构的第五示例DT5。检测区包括其中每个平行栅极VGi连接到特定电压的栅极结构。可从例如集成到像素之内或之外的线性晶体管RL1-RLn-1线分接电压。栅极电压的特定施加限定了衬底SUB1中的电势特征。在本示例中，示出具有n偏置电压V1、...、Vn的n个栅极，得到如图6(j)所示的衬底中线性电势梯度。
图7和8示出根据本发明的解调区的两个示例。
图7示出基于电荷耦合器件架构的一个解调区示例，呈现所注入的光生电荷调制电流的两个样本。该解调区包括具有三个连续栅极(即左栅极LG、中栅极MG、右栅极RG)的栅极结构，与栅极LG相邻的连续为汇集栅极(integration gate)IG1、退耦栅极DG1，与栅极RG相邻的连续为汇集栅极IG2、退耦栅极DG2。此外，在图7的示例中，两个栅极触点GC1、GCm位于每个栅极上。来自检测区的光生电荷馈送到中栅极MG之下的解调级中。分别位于中栅极MG的左侧和右侧的两个相邻栅极LG和RG分别用于为解调目的而激活左或右传导通道。这一激活意味着将左栅极或右栅极的电势设为高于中栅极MG的电势，以及将右栅极或左栅极的另一个的电势设为低于中栅极MG的电势。图7(a)示出在给定时间施加到不同栅极的电势示图。在该特定示例中，左栅极具有比中栅极更高的电势时，左传导通道被使用。因此“传导通道”可以由第一和第二栅极之间的栅极序列来限定，第一与第二栅极之间的电势增大将把电荷载流子从第一栅极向第二栅极引导。当使用p掺杂半导体衬底时，传导通道由高压信号来激活。在两侧，特定电荷载流子存储在汇集栅极IG1或IG2之下。称为退耦栅极DG1和DG2的外侧栅极阻止电荷不受控制地扩散到也称为感测节点的输出节点D1、D2。当累积在汇集栅极IG1或IG2之一中的电荷载流子要被传递到解调区的扩散区D1或D2时，汇集栅极IG1或IG2以及左栅极LG和右栅极RG的电势电平被设定为退耦栅极DG1或DG2的电势电平，使电荷载流子扩散到扩散区D1或D2。
图8示出解调级的第二示例。该架构是基于具有一个闭合栅极GS和四个栅极触点GC10-GC40的栅极结构的。靠近每个栅极触点GC10-GC40的是汇集栅极IG10-IG40，之后是退耦栅极DG10-DG40。靠近每个退耦栅极DG10-DG40的是衬底中对应的扩散区D10-D40。在图8(a)中，作为示例示出了不同栅极和扩散区的电势梯度。由于流过栅极自身的电流而引起的闭合高电阻栅极GS下的电势梯度允许将所注入的电荷快速分离到包含汇集栅极的唯一一个存储节点。该电流被注入到闭合栅极之下、两个相邻触点之间。当在例如GC10的栅极触点之一上施加高于解调区其它栅极触点的电势时，传导通道形成。因此电荷载流子被传导到对应汇集栅极IG10。汇集栅极IG10对应于电荷载流子的存储点，与图7类似。同样在本示例中，包含退耦栅极的输出栅极结构阻止电荷向感测节点的非受控扩散。样本的读出可能需要附加放大级，以便能够足够快地驱动后续电子设备的容量。
图9示出两个可能的放大级。第一个是Miller积分器，其中它的能力可以代替图7和9中示出的感测扩散。第二个放大器是在成像传感器中广泛用于读取像素的源跟随器电路。
在高电阻、可能树枝状的透光栅极结构提供的示例中，图10的像素具有一个漂移场区域。高电阻透光栅极结构允许在衬底中生成光电流，其中可以预见，该电流由于漂移场而流向解调区。在图10中，解调级被示例性地示为四个样本CCD结构，其中闭合栅极结构被设定在与高电阻栅极的低电压节点相同的中间电压上。可以包括四个存储节点。有利的是，解调区比具有其恒定漂移场的实际光敏区(即检测区)小几倍。
图10中的像素包括如图6(a)所示的解调区：四个样本节点、四个栅极触点GC10-GC40以及一个闭合栅极结构GS。在图10(a)中，检测级由四个如图6(a)所示的几何对称栅极结构DT1以及四个对应注入节点(也标识为触点K2)形成。触点K1被设定成低电压，触点K2被设定成中间电压，使得在检测区中生成线性电势梯度。因此，静态漂移场的四个检测区是光敏的，并使光生电荷漂移到解调区。解调区的四个触点GC10-GC40控制传导通道的激活。它们在低电压和高电压电平之间反复。对应于四个汇集栅极IG10-IG40的触点的四个触点IGC10-IGC40被设定成更高的电压，以便实现对光生电荷的存储。四个触点DGC10、...、DGC40控制也称为输出门的退耦栅极，因此它们需要低电压。在图10(b)中，像素与图10(a)所示的类似，但是只有一个静态漂移场的检测区负责向解调级注入电荷。检测区包括检测结构DT1，即闭合高电阻栅极，如图6(a)所示。图10(c)示出一带有检测区的像素示例，该检测区具有功耗更低的组合高电阻和/或低电阻材料的树枝状栅极结构，该检测结构对应于图6(c)所示的结构。图10(d)示出与图10(c)相同的检测区。然而，光生电荷的注入有所不同。在图10(b)和10(c)中，电荷需要不同的时间延迟以到达不同存储节点。为了避免“拖尾”效应，可将电荷注入到解调区中部。触点K2包括位于检测区末端的第一接触元件K10、两个附加扩散区D8、D9、以及闭合栅极结构GS上的接触元件K20，两个附加扩散区中一个位于第一接触元件K10的末端而另一个在解调区中部(即闭合栅极结构GS的中部)并将它们相连接，可以预见接触元件K20靠近扩散区D8。因此，同时需要所注入的光生电荷传播到每个存储节点。该示例示出电荷注入不必从解调区的一侧实现，如图10(a)、10(b)和10(c)所示。此外，到解调区中部的注入能够避免拖尾效应。特定实现不局限于图10(d)中的示例。
参照图6、7或8，为了进一步减小功耗，检测区或解调区的栅极结构也可以是分段、树枝状或乔木状的。使其电极层为乔木状的这种栅极结构在欧洲专利申请No.04’405’489中有描述。实现特定电场分布的一极简示例在图11和12中示出。图11和12涉及仅作为示例的检测区，解调区也可以是分段、树枝状或乔木状的。
图11示出所需二维电场分布，并且图12示出实现图11的电场分布的组合的低和高电阻栅极结构3。树枝状栅极3的架构允许在栅极3和半导体材料中创建任何任意选择的二维电场分布。高和低电阻栅极材料31、32的二维排列生成振幅和方向变化的二维电场分布。
在这种情形中，栅极3中高和低电阻材料31、32的组合是由于流过栅极3自身的电流而生成所需电场分布的基本工具。通常，当需要特定的二维电场分布时，对应栅极结构3的拓扑也具有二维特性。
树枝状栅极3自身在其外围与至少两个(或更多)触点K1、K2接触，这些触点取决于操作模式连接于静态或可切换电压源。在触点K1、K2之间，存在至少一个高电阻栅极材料31的连接。流过树枝状栅极结构3的电流产生如图11所示的二维电势分布，这实质上在半导体块的顶部区域中再现。
电极层3的形状或其互补形状可以是竖琴状、梳状、树状、蛇形、冰晶状，或者是打孔的平面。如果用作解调区的栅极结构GS，则该树枝状具有在解调频率、由树枝状栅极的RC时间常数引起的响应速度、以及栅极及其关联电子驱动电路的总功耗之间实现最佳折衷。
栅极结构的另一实现可以具有浮动栅或浮动扩散，如欧洲专利申请No.04’007’760所述。该实现的示例在图13和14中示出。图13和14涉及仅作为示例的检测区，解调区也可被实现成具有包含浮动栅或浮动扩散的栅极结构。
图13示出贯穿提供了高响应速度的栅极结构的横截面。在半导体衬底A上，排列了多个浮动栅FG1-FG7。衬底A可以例如由p掺杂类型的块硅制成。然而，可以对衬底使用诸如锗的其它材料和/或诸如n掺杂类型的其它掺杂类型；对于这些替换方案，本领域技术人员能够作出对本文所述实施方式的适应。栅极FG1-FG7通常由未掺杂或掺杂多晶硅制成。它们彼此例如通过氧化物层(未示出)电绝缘，它们较佳地埋入该氧化物层中。例如二氧化硅层的薄(较佳地1-500nm厚)绝缘体层O将衬底A与栅极FG1-FG7隔开。
两个最远的栅极FG1、FG7各自与电触点K1和K2相接触。当两个不同电压V10和V20分别施加于触点K1和K2时，中间浮动栅FG2-FG6因电容耦合而获得中间电势。结果，生成离散、阶梯状电势分布Φ(x)，它依赖于水平坐标x。电势分布Φ(x)在半导体衬底A与绝缘体O之间的界面处在绝缘体O中起作用。由电荷注入节点注入衬底A中的例如电子e-的电荷载流子沿横向电场线运动到最高电势能量点，例如在V20高于V10的情形中的K2。因此，根据本发明，电荷分离和传输任务由衬底A的表面处的横向电场完成。
电荷累积和检测任务在提供最高电势的触点K2附近实现。出于这种目的，将n+掺杂的浮动扩散容积D设置在注入电荷载流子累积的衬底A表面上。扩散容积D与电触点相接触，以施加电压和读取电荷。累积扩散D的电势必须高于电极触点电压V20，使得少数载流子电子存储在扩散D中。或者，电荷可以首先汇集到汇集栅极之下，随后通过扩散容积D读取。
图14示出使用浮动植入来代替栅极结构的检测或解调区的横截面。在本实施方式中，浮动植入FI1-FI7的阵列排列在半导体衬底A的表面上。衬底A可以由例如p掺杂类型的块硅制成。浮动植入FI1-FI7可以是n+埋入式通道BC中的p+植入。
图14的实施方式的功能与图13中第一实施方式类似。两个最远浮动植入FI1、FI7各自与触点K1、K2接触，并且两个不同电压V10和V20被分别施加到触点K1和K2。中间浮动植入FI2-FI6因穿通机制而获得中间电势。因此，生成大致离散、阶梯状电势分布Φ(x)。例如电子e-的注入电荷载流子在其累积的n+掺杂浮动扩散容积D中被检测。
如果要收集电子，衬底A应该是p掺杂的。累积扩散D是n+型的，并且电极触点K1、K2处的电压V10、V20使大部分正电压施加到最靠近累积扩散D的触点K2。电压必须足够高，以使耗尽带从半导体氧化界面延伸进入半导体衬底A中。累积扩散D的电势必须高于电极触点电压V2，使得少数载流子电子存储在扩散D中。
如果要收集所注入的空穴，则衬底A应该是n掺杂的。累积扩散D是p+型的，并且在电极触点K1、K2处的电压V10、V20使大部分负电压施加到最靠近累积扩散D的触点K2。该电压必须足够低，以使耗尽带从半导体氧化物界面延伸进入半导体衬底A中。累积扩散D的电势必须低于电极触点电压V20，使得少数载流子空穴存储在扩散D中。
因此，一种解调区的实现示例可以是设置一个浮动区以及设有电触点的接触区域，其中电触点各自定位在解调区输出节点的每一个附近。因此，为了解调，可以在检测区的接触节点K2与解调区的触点之一之间施加电势差。
本发明不限于上述较佳实施方式，可以对其进行变化和改进而不背离本专利的保护范围。
参考标号列表
1                光敏检测区
2                解调区
4                处理电路
6                放大电路
DP，DP(x，y)     像素器件
S1，...，Sk      存储点
CC1，...，CCK    传导通道
GC1，...，GCk    触点
CPG              电极触点电压模式发生器
DFG              电压发生器
CAG              列选择地址发生器
RAG              行选择地址发生器
OA1，...，OAj    运算放大器
MX1，...，MXj    复用线
Out1，...outj    像素器件的输出
LT1，...LTj      负载晶体管
L1，...，Lk      连接线
VL1，VL2，VR     电压电平
VB               偏置线
OB               对象
IM                          光源
ML1                         调制光
CB                          控制板
SN                          图像传感器
PC                          个人计算机
ES                          所发射的信号
RS                          所接收的信号
DT1，...，DT5               检测区结构
K1，K2                      电触点
IL1                         绝缘体层
SUB1，SUB1O                 半导体衬底
MIC                         少数载流子
GM1                         高电阻栅极材料
GM1.1，GM1.i，GM1.n         高电阻栅极材料的连续片段
FG1，FGi，FGn               透光浮动栅
FD1，FDi，FDn               浮动扩散区
VG1，VGi，VGn               平行栅极
RL1，...，RLn               线性电阻
V1，...，Vn，V1O，V20       偏置电压
D1，D2，D10-D40             扩散区
GS                          栅极结构
IG1，IG2，IG1O-IG40         汇集栅极
DG1，DG2，DG 10-DG40        退耦栅极
GC1，GCm，GC10-GC40
DGC10-DGC40，IGC10-IGC40    栅极触点
BC                          埋入式通道

Claims (29)

1.一种在半导体衬底(SUB1、SUB10)中适于检测和解调入射调制电磁波场的像素器件，包括：
-检测装置(2)，用于将所述入射调制电磁波场转换成流动电荷的电信号，
-采样装置(LG、MG、RG、IG1、DG1、IG2、DG2；GS、DG10、IG10、DG20、IG20)，用于在调制周期中以至少两个不同时间间隔对所述流动电荷的电信号进行采样，以及
-由所述采样装置采样的电信号的至少两个输出节点(D1、D2；S1、S2)，
其特征在于，
所述像素器件还包括
-解调装置(4)，包括所述至少两个输出节点和所述采样装置，所述采样装置具有第二传递装置(LG、MG、RG；GS)，以及
-接触节点(K2)，排列在所述检测装置与所述解调装置之间，
所述检测装置(2)包括第一传递装置(GM1；GM1.i；FGi；FDi；VGi)，
所述第一传递装置适于将所述流动电荷的电信号传递到所述接触节点，而所述第二传递装置适于在所述至少两个不同时间间隔的每一个期间，将所述流动电荷的电信号从所述接触节点传递到分配给相应时间间隔的所述至少两个输出节点。
2.如权利要求1所述的像素器件，其特征在于，所述解调装置的尺寸小于所述检测装置的尺寸。
3.如权利要求1所述的像素器件，其特征在于，所述检测装置是光敏的。
4.如权利要求1所述的像素器件，其特征在于，所述第一传递装置包括适于定义静态漂移场的栅极结构(GM1；GM1.i)，其中所述静态漂移场能够将所述流动电荷的电信号传递到所述接触节点(K2)。
5.如权利要求4所述的像素器件，其特征在于，所述栅极结构(GM1；GM1.i)包括与所述半导体衬底(SUB 1)隔离的电阻性电极层以及用于沿所述电极层施加电势差的至少两个连接(K1、K2)。
6.如权利要求5所述的像素器件，其特征在于，所述电极层具有树枝状的形状。
7.如权利要求5所述的像素器件，其特征在于，所述电极层的形状或互补形状较佳地为竖琴状、梳状、树状、蛇形、冰晶状，或者是打孔的平面。
8.如权利要求5所述的像素器件，其特征在于，所述电极层包括材料(31)，所述材料(31)包括一个或多个具有不同薄层电阻的材料。
9.如权利要求1所述的像素器件，其特征在于，所述第一传递装置包括至少一个浮动区域(FG2、...、FGn-1；FD2、...、FDn-1)和至少两个接触区域(FG1、FGn；FD1、FDn)，所述接触区域设有用于向所述至少两个接触区域施加电势差的电触点(K1、K2)，所述接触区域(FG1、FGn；FD1、FDn)与所述至少一个浮动区域(FG2、...、FGn-1；FD2、...、FDn-1)电绝缘，但却电耦合到所述至少一个浮动区域中的至少一个。
10.如权利要求9所述的像素器件，其特征在于，所述第一传递装置包括多个浮动区域(FG2、...、FGn-1；FD2、...、FDn-1)的安排，所述安排使得相邻浮动区域彼此电绝缘，却彼此电耦合。
11.如权利要求1所述的像素器件，其特征在于，所述第二传递装置包括适于在所述至少两个不同时间间隔的每一个期间，定义从所述接触节点到分配给所述相应时间间隔的所述至少两个输出节点的传导通道的栅极电极(LG，MG，RG)。
12.如权利要求11所述的像素器件，其特征在于，所述栅极结构的电阻性电极层是CCD栅极电极。
13.如权利要求1中任一项的像素器件，其特征在于，所述第二传递装置包括具有至少两个触点的栅极电阻层(GS)，以便在所述至少两个不同时间间隔的每一个期间定义从所述触点节点到分配给所述相应时间间隔的所述至少两个输出节点的漂移场，每个所述触点定位在所述至少两个输出节点的每一个附近。
14.如权利要求13所述的像素器件，其特征在于，所述栅极电阻层具有树枝状的形状。
15.如权利要求13所述的像素器件，其特征在于，所述栅极电阻层的形状或互补形状较佳地为竖琴状、梳状、树状、蛇形、冰晶状，或者是打孔的平面。
16.如权利要求1所述的像素器件，其特征在于，所述第二传递装置包括至少一个浮动区域和设置有各自定位在所述至少两个输出节点的每一个附近的电触点的至少两个接触区域，以便在所述至少两个不同时间间隔的每一个期间在所述接触节点与分配给所述相应时间间隔的所述至少两个输出节点之一间定义电势差。
17.如权利要求1所述的像素，其特征在于，累积区域(IG1、IG2；IG10、IG20)被分配给所述至少两个输出节点的每一个，以便累积传递到相应输出节点(D1、D2)的所述流动电荷电信号的电荷载流子。
18.如权利要求中1所述的像素，其特征在于，所述接触节点(K2)是电触点。
19.如权利要求13所述的像素，其特征在于，所述接触节点(K2)包括位于所述检测装置末端的第一扩散节点(D9)和处于所述解调装置的栅极栅极电阻层中部的第二扩散节点(D8)，所述第一扩散节点与所述第二扩散节点相关。
20.如权利要求1所述的像素，其特征在于，所述入射调制电磁波场是强度调制的。
21.一种三维成像系统，包括
光源(IM)，用调制电磁波场(ML1)照射远程场景(OB)，
多个像素(SN)，用于对调制电磁波信号进行检测和解调，以及
控制装置(CB)，用于向所述多个像素提供时序调节，
其特征在于，
如权利要求1-18中任一项所述的像素器件用于对所述调制电磁波信号进行检测和解调。
22.如权利要求21所述的三维成像系统，其特征在于，所述像素器件((DPx，y)，(DP(x+1，y)...)排列在二维阵列的行和列中。
23.如权利要求21所述的三维成像系统，其特征在于，每个像素器件((DPx，y)，(DP(x+1，y)...)具有列地址和行地址，并可由列选择地址发生器和行选择地址发生器进行选择。
24.如权利要求21所述的三维成像系统，其特征在于，每个像素器件连接到一电压发生器(CPG)，以同时在所述像素器件的所述解调装置中生成漂移场，且每个像素器件连接到复位发生器以同时对其采样值进行复位。
25.如权利要求21所述的三维成像系统，其特征在于，在像素器件的每一列上，对该列的所述像素器件的每个输出节点设置一放大器(OAi)。
26.如权利要求21所述的三维成像系统用于测量调制电磁波场与电参考信号之间的相位延迟的一种用途。
27.如权利要求26所述的三维成像系统的用途，还包括用于三维范围测量、荧光成像或光通信的一种用途。
28.如权利要求22-25中任一项所述的三维成像系统用于测量调制电磁波场与电参考信号之间的相位延迟的一种用途。
29.如权利要求28所述的三维成像系统的用途，还包括用于三维范围测量、荧光成像或光通信的一种用途。
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