CN102376728B - 单元像素、光电检测装置及使用其测量距离的方法 - Google Patents

单元像素、光电检测装置及使用其测量距离的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及单元像素、光电检测装置及使用其测量距离的方法。一种包括在光电检测装置中的单元像素包括：在半导体衬底中的浮置扩散区、在半导体衬底上方的环形收集栅、在半导体衬底上方的环形排放栅和在半导体衬底中的排出区，其中收集栅和排放栅分别布置在浮置扩散区和排出区之间。

Description

单元像素、光电检测装置及使用其测量距离的方法
技术领域
示范实施方式涉及一种光电检测装置。更具体地，示范实施方式涉及具有环形结构的单元像素、包括具有环形结构的单元像素的光电检测装置以及使用具有环形结构的单元像素测量距离的方法。
背景技术
图像传感器是将光信号转换成电信号的光电检测装置，该光信号包括关于物体的图像和/或距离(即，深度)信息。已经开发了各种图像传感器，诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器、CMOS图像传感器(CIS)等，从而提供关于物体的高质量图像信息。近来，正在研究和开发三维(3D)图像传感器，其提供深度信息以及二维图像信息。
三维图像传感器可使用红外光或近红外光作为光源来获得深度信息。三维图像传感器可具有比传统二维图像传感器低的信噪比(SNR)和低的灵敏度，这导致获得错误的深度信息。
发明内容
一个或多个实施方式提供了具有高灵敏度和改善的信噪比的光电检测装置的单元像素。
一个或多个实施方式提供了包括该单元像素的光电检测装置。
一个或多个实施方式提供了使用该光电检测装置测量与物体的距离的方法。
一个或多个实施方式可提供具有环形单输出结构的单元像素，其有效地收集和排放光电荷以精确测量与物体的距离。
一个或多个实施方式可提供包括单元像素的像素阵列和光电检测装置，该单元像素通过一体地形成相应于单元像素的最外部的排出区而不需要防晕染结构，由此提高总设计裕度(design margin)。
一个或多个实施方式可提供具有高信噪比的光电检测装置和通过使用信赖于与物体的距离的可变双态信号获得深度信息来测量距离的方法。
一个或多个实施方式可提供一种包括在光电检测装置中的单元像素，该单元像素包括：在半导体衬底中的浮置扩散区、在半导体衬底上方的环形收集栅、在半导体衬底上方的环形排放栅和在半导体衬底中的排出区，其中收集栅和排放栅分别布置在浮置扩散区和排出区之间。
收集栅可围绕浮置扩散区，排放栅可围绕收集栅，排出区可围绕排放栅。
浮置扩散区可以位于中心，与收集栅和排放栅相比，排出区在相对于浮置扩散区的最外面。
收集栅和排放栅可具有圆环形或多边环形。
收集栅信号和排放栅信号可以分别施加到收集栅和排放栅，其中当激活收集栅信号时半导体衬底中产生的光电荷收集到浮置扩散区中，和其中当激活排放栅信号时半导体衬底中产生的光电荷被排放到排出区中。
环形光电荷存储区在浮置扩散区与排出区之间的半导体衬底中，光电荷存储区掺杂有导电类型与半导体衬底相反的杂质。
收集栅可至少部分地交叠光电荷存储区的内部，和其中排放栅可至少部分地交叠光电荷存储区的外部。
收集栅在光电荷存储区和浮置扩散区之间，其中排放栅在光电荷存储区和排出区之间。
单元像素可包括半导体衬底中的覆盖光电荷存储区的环形钉扎层，钉扎层掺杂有导电类型与光电荷存储区相反的杂质。
单元像素可包括收集栅与排放栅之间的半导体衬底上方的覆盖光电荷存储区的环形光电栅。
半导体衬底可包括掺杂有相同导电类型但浓度不同的杂质的多个光电荷产生区域。
一个或多个实施方式可提供光电检测装置，包括：感测单元，配置为将接收光转换为电信号，该感测单元包括至少一个单元像素；和控制单元，配置为控制感测单元。
感测单元可包括像素阵列，在其中多个单元像素布置成矩形栅格或三角栅格。
多个单元像素的排出区可以一体地形成并且在半导体衬底中彼此空间耦接。
多个单元像素的至少两个的浮置扩散区可以彼此电耦接并且相应于像素组。
单元像素可以在栅格的至少一个格点处被规则地省略，感测单元可包括在省略了单元像素的格点处的读出电路以提供多个单元像素的输出。
多个单元像素可包括彩色像素和深度像素，光电检测装置可以是三维图像传感器。
一个或多个实施方式可提供测量距离方法，该方法包括：发射光到物体；使用多个双态信号将与发射光相应的接收光转换为电信号，该双态信号具有根据相对于发射光的相位差而增大的周期数；和基于电信号计算与物体的距离，其中使用单元像素将接收光转换为电信号，该单元像素包括在半导体衬底中的浮置扩散区、在半导体衬底上方的环形收集栅、在半导体衬底上方的环形排放栅以及在半导体衬底中的排出区，其中收集栅和排放栅分别布置在浮置扩散区和排出区之间。
多个双态信号的占空比可根据相对于发射光的相位差而增大。
将接收光转换为电信号可包括：当激活多个双态信号时在浮置扩散区中收集通过接收光产生的光电荷；和当去激活多个双态信号时，将通过接收光产生的光电荷排放到排出区。
方法可包括调整多个双态信号的相位和占空比以集中到与计算的距离相应的相位；和使用具有调整的相位和占空比的所述多个双态信号校正与所述物体的所述距离。
一个或多个实施方式可提供一种测量距离的方法，该方法包括：发射光到物体；使用多个双态信号将与发射光相应的接收光转换为电信号，该双态信号具有根据相对于发射光的相位差而增大的周期数；和基于电信号计算与物体的距离，其中使用具有环形结构的单输出像素将接收光转换为电信号，在该单输出像素中像素的浮置扩散区位于环形结构的中心且像素的排出区布置在环形结构的外部。
附图说明
通过参考附图详细描述示范实施方式，各特征对于本领域普通技术人员而言将变得更加显而易见，其中：
图1示出光电检测装置的单元像素的示范实施方式的布局图；
图2示出光电检测装置的单元像素的示范实施方式的平面图；
图3和图4示出图2的单元像素的示范实施方式的横截面图；
图5和图6示出横截面图，用于描述在图3和图4的单元像素中光电荷的水平运动的实例；
图7示出光电检测装置的单元像素的另一示范实施方式的平面图；
图8和图9示出图7的单元像素的示范实施方式的横截面图；
图10示出光电检测装置的单元像素的另一示范实施方式的平面图；
图11和图12示出图10的单元像素的示范实施方式的横截面图；
图13、图14、图15、图16和图17示出像素阵列的示范实施方式的图示；
图18示出用于提供单元像素的输出的读出电路的示范实施方式的示意图；
图19示出光电检测装置的示范实施方式的方框图；
图20示出测量距离的方法的示范实施方式的流程图；
图21示出示范信号的示范时序图，该示范信号能用于将接收的光转换为电信号；
图22和图23示出可变双态信号的实例的示范时序图，图20示出的测量距离的方法可使用该可变双态信号；
图24示出示范的可变双态信号的图示；
图25示出图24所示的可变双态信号的示范相位、激活持续时间的长度以及周期数；
图26示出测量距离的方法的示范实施方式的流程图；
图27示出示范的可变双态信号的图示；
图28示出图27所示的可变双态信号的示范相位、激活持续时间的长度以及周期数；
图29示出示范的调整的双态信号的图示；
图30示出三维图像传感器的感测单元的示范实施方式的图示；
图31示出在图30的感测单元中可使用的像素阵列的示范实施方式的图示；
图32示出包括三维图像传感器的照相机的示范实施方式的方框图；
图33示出包括三维图像传感器的计算系统的示范实施方式的方框图；及
图34示出在图33的计算系统中可使用的接口的示范实施方式的方框图。
具体实施方式
参考其中示出一些示范实施方式的附图，在下文将更充分地描述不同的示范实施方式。然而，特征可以以许多不同的形式实现而不应理解为限于在此阐述的示范实施方式。在附图中，为了清楚可以夸大层和区域的尺寸及相对尺寸。
可以理解当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“连接到”和/或“耦合到”另一元件或层时，它可以直接在其他元件或层上或直接连接到、耦合到另一元件或层，或者可以存在中间的元件或层。相反，当元件被称为“直接”在其他元件“上”、“直接连接到”和/或“直接耦合到”另一元件或层时，则没有中间元件或层存在。贯穿整个说明书，相似的附图标记表示相似的元件。这里所用的术语“和/或”包括相关列举项目的一个或更多的任何和所有组合。
可以理解虽然术语第一、第二和第三可以用于此来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，这些元件、部件、区域、层和/或部分应不受这些术语限制。这些术语只用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与其他元件、部件、区域、层或部分。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离本发明的教导。
在这里为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征和另一元件或特征如图中所示的关系。可以理解空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外的装置在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的装置被翻转，被描述为在其他元件或特征的“下方”或“下面”的元件则应取向在所述其他元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。装置也可以有其它取向(旋转90度或其它取向)且相应地解释这里所使用的空间相对描述语。此外，在其他元件“之间”或“围绕”其他元件的元件可以沿着相同平面或不同平面而位于其他元件之间或者围绕其他元件。更具体地，例如，元件可以沿着与其他元件中的一个或多个元件不同的平面延伸，该其他元件沿着另一元件延伸，但是从平面图看，元件可以位于其他元件之间和/或围绕其他元件。
这里所使用的术语是只为了描述特别的实施方式的目的且不旨在限制本发明。如这里所用，单数形式也旨在包括复数形式，除非内容清楚地指示另外的意思。可以进一步理解当在此说明书中使用时术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组分的存在，但是不排出存在或添加一个或更多其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组分和/或其组。
参考横截面图示在这里描述了本发明的实施方式，该图示是本发明的理想示范实施方式(和中间结构)的示意图。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化。因此，本发明的实施方式不应解释为限于这里所示的特别的区域形状，而是包括由于例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区将通常具有修圆或弯曲的特征和/或在其边缘具有注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。相似地，由注入形成的埋入区可以引起埋入区和通过其进行注入的表面之间的区域中的某些注入。因此，图中示出的区域本质上是示意性的且它们的形状不旨在示出区域的精确的形状且不旨在限制本发明的范围。
除非另有界定，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明属于的领域的普通技术人员共同理解的相同的意思。还可以理解诸如那些在共同使用的字典中定义的术语应解释为一种与在相关技术和本公开的背景中的它们的涵义一致的涵义，而不应解释为理想化或过度正式的意义，除非在这里明确地如此界定。
图1示出光电检测装置的单元像素的示范实施方式的布局图。
参考图1，单元像素可包括第一区域REG1、第二区域REG2和第三区域REG3。第一区域REG1可以位于单元像素的中心。第二区域REG2可围绕第一区域REG1。第三区域REG3可围绕第二区域REG2。单元像素可具有环形结构。第一区域REG1、第二区域REG2和/或第三区域REG3每个可具有环形结构，例如，圆环，多角环形结构。更具体地，虽然圆形单元像素的实例在图1示出，但是单元像素的环形结构的实施方式不局限于圆，可以例如是多边形或正多边形。
如同下文将参考图2至图12详细描述的，第一区域REG1可相应于浮置扩散区，用于收集光电荷。第三区域REG3可相应于排出区(drain region)，用于排放光电荷。在第一区域REG1和第三区域REG3之间的第二区域REG2可相应于栅极区(gate region)，至少一个栅极形成在该处。
在一些实施方式中，单元像素可以使用半导体衬底通过CMOS工艺形成。与传统的CMOS工艺相似，作为第一区域REG1的浮置扩散区和作为第三区域REG3的排出区可以使用离子注入工艺等形成在半导体衬底中。作为第二区域REG2的栅极区可以使用沉积工艺、蚀刻工艺等形成在半导体衬底上方。
图2示出光电检测装置的单元像素100的示范实施方式的平面图。
参考图2，单元像素100可包括浮置扩散区110、收集栅(collection gate)120、排放栅(drain gate)130和排出区140。收集栅120可以形成在半导体衬底上方。当从单元像素100的顶部看时，收集栅120可具有围绕在半导体衬底中形成的浮置扩散区110的环形。排放栅130可以形成在半导体衬底上方。当从顶部看时，排放栅130可具有围绕收集栅120的环形。排出区140可以形成在半导体衬底中。当从顶部看时，排出区140可围绕排放栅130。排出区140可以具有环形。
如同下文将要参考图3和图4详细描述的，单元像素100可通过CMOS工艺形成在半导体衬底上。浮置扩散区110和排出区140可形成在半导体衬底中。收集栅120和排放栅130可形成在半导体衬底上方。
虽然环形收集栅120和环形排放栅130在图2中示出为具有圆环形状，然而实施方式不限于此。例如，环形收集栅120和环形排放栅130可以具有正多边形，如同例如图15和图16大体示出的。
更具体地，例如，在一个或更多实施方式中，排出区140的内边缘140i可以具有与收集栅120和排放栅130相同的形状。排出区140的外边缘140o可以具有与收集栅120和/或排放栅130相同或不同的形状。例如，在多个单元像素排列成阵列的情况下，相邻的单元像素的排出区可彼此空间耦接并可一体地形成在半导体衬底中。在这种实施方式中，由于排出区一体形成，对于特定单元像素可不定义排出区的外边缘。
图3和图4图示沿着图2的I1-I2线截取的单元像素100的示范实施方式的截面图。因为图2的单元像素100具有环形结构，关于中心大体圆对称，线I1-I2可以是穿过单元像素100的中心的任意线。
参考图3，单元像素100a可包括形成在半导体衬底10中的浮置扩散区110、形成在半导体衬底10上方的收集栅120、形成在半导体衬底10上方的排放栅130和形成在半导体衬底10中的排出区140。如上所述，浮置扩散区110、收集栅120、排放栅130和排出区140每个可具有关于纵向中心轴VC基本圆对称的环形结构。
浮置扩散区110和排出区140可从半导体衬底10的上表面延伸到半导体衬底10中。浮置扩散区110和排出区140可以使用例如离子注入工艺等形成。收集栅120和排放栅130可以使用沉积工艺、蚀刻工艺等形成在半导体衬底10上方。收集栅120和排放栅130可以与半导体衬底10上表面间隔开。虽然没有示出，但是绝缘层，诸如氧化物层，可以形成在半导体衬底10的上表面与收集栅120及排放栅130之间。
收集栅120和排放栅130可包括，例如，多晶硅、透明导电氧化物(TCO)如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)等。
更具体地，例如，在其中入射到单元像素100a上的光穿过半导体衬底10的上表面的一个或多个实施方式中，收集栅120和排放栅130可包括，例如，透明导电氧化物。在其中入射到单元像素上的光穿过半导体衬底10的下表面的一个或多个实施方式中，收集栅120和排放栅130可包括例如非透明导电氧化物。
参考图3和图4，单元像素100a可包括光电荷存储区150。光电荷存储区150可以形成在浮置扩散区110与排出区140之间的半导体衬底中。光电荷存储区150可具有环形。光电荷存储区150可以掺杂有与半导体衬底10的导电类型相反的杂质。光电荷存储区150可以与浮置扩散区110和排出区140间隔开。光电荷存储区150可至少部分地交叠收集栅120和排放栅130。在一些实施方式中，半导体衬底10可以是P型半导体衬底，光电荷存储区150可以掺杂有N型杂质。在其他实施方式中，半导体衬底10可以是N型半导体衬底或可包括N型阱，光电荷存储区150可以掺杂有P型杂质。
更具体地，如图3所示，在一个或多个实施方式中，收集栅120可以形成为环形并可以覆盖光电荷存储区150的内侧部分。排放栅130可以形成为环形以覆盖光电荷存储区150的外侧部分。收集栅120可以与排放栅130间隔开。在这种实施方式中，光电荷存储区150可以首先形成为环形，接着，栅极120、130可以根据光电荷存储区150的形状形成为它们各自的环形从而交叠其各自的部分。
收集栅信号CG和排放栅信号DRG可以分别施加到收集栅120和排放栅130。在一些实施方式中，收集栅信号CG和排放栅信号DRG可以被互补地激活(参见，例如，图5和图6)。如果收集栅信号CG被激活，沟道形成在半导体衬底10的收集栅120下面的区域中，或者在光电荷存储区150与浮置扩散区110之间的区域中。如果排放栅信号DRG被激活，沟道形成在半导体衬底10的排放栅130下面的区域中，或者在光电荷存储区150与排出区140之间的区域中。
因此，当激活收集栅信号CG时，半导体衬底10中产生的光电荷可以收集到浮置扩散区110中。当激活排放栅信号DRG时，在半导体衬底10中产生的光电荷可以被排放到排出区140中。施加到排出区140的排放电压DR可根据半导体衬底10的导电类型和排放栅信号DRG的电压电平而具有适当的电压电平。
飞行时间(TOF)光电检测装置(time-of-flight photo-detection device)测量由物体反射的光以确定与物体的距离。典型地，使用两个双态信号或四个双态信号的锁定型检测方法(lock-in-type detection method)被广泛使用以确定距离。
在典型的锁定型检测方法中，这些双态信号是相对彼此相移180度(两个双态信号的情况下)或者相移90度(四个双态信号的情况下)，50％占空比的正弦调制波或脉冲串信号被用于所述双态信号。对于锁定型检测方法，通常使用具有多输出(multi-tap)结构的单元像素，其中光电荷存储区和/或光电荷产生区由多个浮置扩散区共用。
参考图1-3，在一个或多个实施方式中，单个浮置扩散区例如110可以与光电荷存储区例如150相关联使得每个单元像素仅需要一个浮置扩散区例如110来提供输出。更具体地，如上所述，单元像素100可具有围绕中心的浮置扩散区的环形结构。在一个或多个实施方式中，可以包括最外面的排出区140，从而排放例如在不期望的时期产生的不期望的光电荷。
收集到浮置扩散区110中的光电荷可以通过下文描述的读出电路输出为浮置扩散电压FD，并且可以相应于收集的光电荷的量而转变为电信号。因此，在一个或多个实施方式中，单元像素100可以用作单输出检测器(single-tap detector)，其使用一个浮置扩散区110提供输出。
参考图4，单元像素100b，与图3的单元像素100a相似，可包括形成在半导体衬底10’中的浮置扩散区110、形成在半导体衬底10’上方的收集栅120、形成在半导体衬底10’上方的排放栅130以及形成在半导体衬底10’中的排出区140。单元像素100b可还包括如上所述的光电荷存储区150。将省略图3和图4的示范实施方式的类似部件的重复描述。也就是说，通常，在下文将仅描述图3的单元像素100a与图4的单元像素100b之间的差别。
参考图4，图4的单元像素100b的半导体衬底10’可包括多个区域11、13和15，它们掺杂有相同导电类型但浓度不同的杂质。例如，在半导体衬底10’具有P型导电性的情况下，半导体衬底10’可包括从半导体衬底10’的上表面起按顺序的P区域11、P-区域13和P+区域15。P-区域13比P区域11掺杂得更轻，P+区域15比P区域11掺杂得更重。
在波长范围从大约700nm到大约850nm的近红外(NIR)光被用作TOF光电检测装置中的光源的情况下，P型半导体衬底可以用作半导体衬底10’。在一个或多个实施方式中，P-区域13的厚度可以在从约2um到约20um范围。更具体地，例如，在一些实施方式中，P-区域13的厚度可在从约3um到约5um范围。
入射到单元像素100b上的光子可进入P-区域13，并且可在P-区域13中产生电子空穴对。也就是说，P-区域13可相应于在其中可主要产生光电荷的光电荷产生主区。作为少数载流子产生的光电子可移动到光电荷存储区150与P-区域13之间的边界处的N-P结的耗尽区，然后可以扩散并且收集到光电荷存储区150中。光电荷存储区150可以基本充分耗尽，并可以与电荷耦合器件CCD的埋置沟道相似。此外，由于重掺杂的P+区域15位于P-区域13下面，靠近P-区域13与P+区域15之间的边界产生的光电子可趋向于移动到N-P结部分。
如上所述，半导体衬底10可包括掺杂有不同浓度的杂质的多个光电荷产生区域11、13和15，并可提高单元像素100b的灵敏度。
图5和图6示出横截面图，用于描述在图3和图4的单元像素中光电荷的水平运动的实例。更具体地，图5示出了以收集模式(collecton mode)操作的图4的单元像素100b，图6示出了以排放模式(rejection mode)操作的图4的单元像素100b。
参考图5，在收集模式中，施加到收集栅120的收集栅信号CG被激活，施加到排放栅130的排放栅信号DRG被去激活(deactivate)。例如，收集栅信号CG可以被激活到约3.3V的相对高电压，排放栅信号DRG可以被去激活到约0.0V的相对低电压。
如图5所示，电势墙可以形成在排出区140与光电荷存储区150之间，并且可阻挡光电子的移动。扩散到光电荷存储区150中的光电子可以穿过沟道收集到浮置扩散区110中，该沟道靠近半导体衬底10′的在光电荷存储区150与浮置扩散区110之间的上表面形成。由于单元像素具有环形结构，光电子可朝向中心(即，在向心方向上)水平地移动，由此可以收集到浮置扩散区110中。
参考图6，在排放模式中，施加到收集栅120的收集栅信号CG被去激活，施加到排放栅130的排放栅信号DRG被激活。例如，收集栅信号CG可以被去激活到约0.0V的相对低电压，排放栅信号DRG可以被激活到约3.3V的相对高电压。
如图6所示，电势墙可以形成在浮置扩散区110与光电荷存储区150之间，并且可阻挡光电子的运动。扩散到光电荷存储区150中的光电子可以穿过沟道被排放到排出区140中，该沟道靠近半导体衬底10’的在光电荷存储区150与排出区140之间的上表面形成。由于单元像素具有环形结构，光电子可远离中心(即，在离心方向上)水平地移动，由此可以排放到排出区140中。
排放电压DR可以维持在图5和图6所示的适当的电压电平的偏压。例如，排放电压DR可以是包括单元像素例如100b的光电检测装置的电源电压。
如上所述的包括例如环形结构的单元像素例如100a、100b的一个或多个实施方式可根据栅信号CG和DRG而允许光电荷通过沿向心方向的水平运动被收集或者通过沿离心方向的水平运动被排放，并可提高单元像素例如100a、100b的灵敏度和/或信噪比。单元像素例如100a、100b的一个或多个实施方式能够通过重复收集模式和排放模式来获得准确的深度信息，该收集模式传输期望的载流子到浮置扩散区110，该排放模式排放不期望的载流子到排出区140。
虽然以收集模式和排放模式操作的示范单元像素100b分别在图5和图6中示出，但是单元像素100b可根据施加电压的方式而以其他的模式操作。例如，中等水平的偏压可以施加到收集栅120和排放栅130。在一个或多个实施方式中，在P-区域13中产生的载流子可以收集到光电荷存储区150中，排出区140可起防晕染排放(anti-blooming drain)的作用。此后，当激活收集栅信号CG时，收集到光电荷存储区150中的载流子可以转移到浮置扩散区110。通过对单元像素施加此模式，可以执行相关双采样(CDS)，并且可以提供图像信息以及深度信息。
通过过程模拟和/或建模可以确定用于实现图5和图6所示的电势分布的单元像素的具体结构以及栅信号CG及DRG和排放电压DG的特定电压电平。
图7示出光电检测装置的单元像素200的另一示范实施方式的平面图。图8和图9示出图7的单元像素200的示范实施方式的横截面图。通常，下文将仅描述图7的单元像素200与图2的单元像素100之间的差别。
参考图7，单元像素200可包括浮置扩散区210、收集栅220、排放栅230和排出区240。与图2的单元像素100相似，当从单元像素200的顶部看时，收集栅220可以形成在半导体衬底101上。收集栅220可具有围绕半导体衬底101中形成的浮置扩散区210的环形。排放栅230可以形成在半导体衬底101上。排放栅230可具有围绕收集栅220的环形。排出区240可以形成在半导体衬底101中，排出区240可围绕排放栅230。参考图7，单元像素200可包括钉扎层270。钉扎层270可在收集栅220和排放栅230之间延伸。
更具体地，参考图8，单元像素200a可还包括以环形形成在浮置扩散区210与排出区240之间的半导体衬底101中的光电荷存储区250。光电荷存储区250可以掺杂有导电类型与半导体衬底101相反的杂质。
在图2的单元像素100中，收集栅120和排放栅130可以形成为分别覆盖部分的光电荷存储区150。在图8的示范实施方式中，收集栅220和排放栅230不与光电荷存储区250交叠。参考图8，图8的单元像素200a中，收集栅220可以以环形形成在光电荷存储区250与浮置扩散区210之间，排放栅230可以以环形形成在光电荷存储区250与排出区240之间。
参考图8，钉扎层270可以以环形形成在半导体衬底101中。钉扎层270可覆盖光电荷存储区250。钉扎层270可以掺杂有导电类型与光电荷存储区250相反的杂质。例如，光电荷存储区250可以掺杂有N型杂质，钉扎层270可以掺杂有P型杂质。钉扎层270可降低暗电流，并可以通过降低在半导体衬底101的表面可能存在的缺陷的影响，来使得整个光电荷存储区250的电势更一致。此外，通过降低光电荷存储区250的掺杂浓度，排放栅230和收集栅220的电势会变得陡峭，这会导致光电荷的迅速水平运动。
与图8的单元像素200a相比，图9的单元像素200b的半导体衬底101’包括掺杂有导电类型相同但浓度不同的杂质的多个光电荷产生区域11、13和15。
例如，在半导体衬底101’具有P型导电性的情况下，半导体衬底101’可包括从半导体衬底101’的上表面起按顺序的P区域11、P-区域13和P+区域15。P-区域13比P区域11掺杂得更轻，P+区域15比P区域11掺杂得更重。在这种情况下，类似于P+区域15，钉扎层270可以用P型杂质重掺杂。
如上所述，由于重掺杂的P+区域15位于P-区域13下面，靠近P-区域13与P+区域15之间的边界产生的光电子可趋向于移动到N-P结部分。因此，单元像素200b的灵敏度可以通过在半导体衬底101’中形成多个光电荷产生区域11、13和15而改善，该多个光电荷产生区域11、13和15掺杂有不同浓度的杂质。
图10示出光电检测装置的单元像素300的另一示范实施方式的平面图。图11和图12示出图10的单元像素300的示范实施方式的横截面图。
参考图10，单元像素300可包括浮置扩散区310、收集栅320、排放栅330、排出区340和光电栅(photo gate)370。参考图10，与图2的单元像素100和图7的单元像素200相似，当从单元像素300的顶部看时，收集栅320可以形成在半导体衬底201上。收集栅320可具有围绕半导体衬底201中形成的浮置扩散区310的环形。排放栅330可以形成在半导体衬底201上方。排放栅330可具有围绕收集栅320的环形。排出区340可以形成在半导体衬底201中。排出区340可围绕排放栅330。
如图11所示，单元像素300a可还包括光电荷存储区350。光电荷存储区350可以以环形形成在浮置扩散区310与排出区340之间的半导体衬底201中。光电荷存储区350可以掺杂有导电类型与半导体衬底10相反的杂质。
在图2的单元像素100中，收集栅120和排放栅130可以形成为分别覆盖部分的光电荷存储区150。在图11的示范实施方式中，收集栅320和排放栅330不交叠光电荷存储区350。在图11的单元像素300a中，收集栅320形成为在光电荷存储区350与浮置扩散区310之间的环形，排放栅330形成为在光电荷存储区350与排出区340之间的环形。
参考图11，单元像素300a可包括在收集栅320与排放栅330之间的半导体衬底201上方以环形形成的光电栅370，从而覆盖光电荷存储区350。光电栅370可以偏置以预定偏压VB以引发适当的电势分布，取代图8所示的钉扎层270。偏压VB施加到其上的光电栅370可降低暗电流，并通过降低在半导体衬底201的表面可能存在的缺陷的影响可使得整个光电荷存储区350的电势更一致。此外，通过降低光电荷存储区350的掺杂浓度，排放栅330和收集栅320的电势会变得陡峭，这会导致光电荷的迅速水平运动。
与图11的单元像素300a相比，图12的单元像素300b的半导体衬底201’包括掺杂有导电类型相同但浓度不同的杂质的多个光电荷产生区域11、13和15。
例如，在半导体衬底201’具有P型导电性的情况下，半导体衬底201’可包括从半导体衬底201’的上表面起按顺序的P区域11、P-区域13和P+区域15。P-区域13比P区域11掺杂得更轻，P+区域15比P区域11掺杂得更重。
如上所述，由于重掺杂的P+区域15位于P-区域13下面，靠近P-区域13与P+区域15之间的边界产生的光电子可趋向于移动到N-P结部分。单元像素300b的一个或多个实施方式可通过在半导体衬底201’中形成掺杂有不同浓度的杂质的多个光电荷产生区域11、13和15使得单元像素例如300b的灵敏度能够被改善。
图13至图17示出像素阵列的示范实施方式的图示。
参考图13，像素阵列410包括按矩形栅格布置的多个单元像素412。单元像素412可具有环形结构并且可相应于例如如上文参考图1至图12所述的单元像素100、200、300。矩形栅格可包括由四个相邻的单元像素定义的正方形415，一个单元像素可以位于每个格点处。
在单元像素412布置成阵列的情况下，相邻的单元像素的排出区417可以彼此空间耦接，并可以一体地形成在半导体衬底中。在这种实施方式中，由于一体地形成排出区，所以对于特定的单元像素可以不定义排出区的外边缘。在根据示范实施方式包括单元像素412的像素阵列410中，由于一体的排出区417实现防晕染(anti-blooming)，所以可以不需要额外的防晕染结构。
此外，在使用一个或多个如上所述的特征的一个或多个实施方式中，由于所有排出区可以基本彼此耦接并且每个单元像素可作为提供一个输出的单输出检测器工作，所以可以提高总布置裕度。
参考图14，像素阵列420包括按三角栅格布置的多个单元像素412。单元像素412可具有上文参考图1至图12所述的环形结构。三角栅格可包括由三个相邻的单元像素定义的三角形425，一个单元像素可以位于每个格点处。
参考图15，像素阵列430包括按矩形栅格布置的多个单元像素432。单元像素432可具有上文参考图1至图12所述的环形结构。更具体地，例如，如图15所示的一个或多个单元像素432可具有八边环形结构。
参考图16，像素阵列440包括按三角栅格布置的多个单元像素442。单元像素442可具有上文参考图1至图12所述的环形结构。更具体地，例如，如图16所示的一个或多个单元像素442可具有六边环形结构。
如图13至图16所示，根据示范实施方式的单元像素可具有圆环或任意多边的环形结构。例如，单元像素可具有矩形的环形结构。此外，具有任意环形结构的单元像素可以布置成矩形栅格或者三角栅格。
参考图17，像素阵列450包括按三角栅格布置的多个单元像素452。在一些实施方式中，包括在像素阵列450中的两个或更多单元像素的浮置扩散区可以彼此电耦接，该两个或更多单元像素可形成像素组。
例如，如图17所示，七个单元像素452的浮置扩散区可以彼此电耦接，并且七个单元像素452可形成像素组451。图17示出在其中规则地布置这种像素组451的像素阵列450的实例。浮置扩散区的电连接453可包括将浮置扩散区电耦接到上金属层的诸如通道(via)的层间连接器和在所述金属层中的图案化布线。在一个或多个实施方式中，通过将例如TOF光电检测装置中使用的像素阵列450的多个单元像素452分组，TOF检测装置的灵敏度可以提高并且可具有相对高的灵敏度。
在一个或多个实施方式中，单元像素可以在一些格点上被规则地省略或者漏掉。更具体地，例如，在没有设置单元像素的区域RDC中，可以设置读出电路以提供单元像素452或者像素组451的输出。每个读出电路可包括下文参考图18描述的晶体管。在一个或多个实施方式中，如上所述，由于单元像素452可以被分组并且可以有效地设置读出电路，所以可以提高像素阵列450的总体设计裕度。
图18示出用于提供单元像素(例如，图2的单元像素100)的输出的读出电路30的示范实施方式的示意图。
参考图18，可以使用读出电路30来读取单元像素(例如，图2的单元像素100)的输出。更具体地，读出电路30可将单元像素100的输出转换为电信号。从读出电路30转换的输出可以提供到外电路(未示出)。如上所述，单元像素100可具有环形结构并且可作为单输出检测器运行。此外，如上所述，单元像素100可包括浮置扩散区110、收集栅120、排放栅130和排出区140。
参考图18，读出电路30可包括源极跟随器晶体管T1、选择晶体管T2和重置晶体管T3。重置晶体管T3可响应于复位信号RST将浮置扩散区110的电压FD初始化到重置电压VRST。浮置扩散区110耦接到源极跟随器晶体管T1的栅极。如果在光电荷被收集之后选择晶体管T2响应于选择信号SEL被导通，与浮置扩散区110的电压FD相应的电信号经由输出线LO被提供到外电路。
如上所述，浮置扩散区110的与单元像素100的输出相应的电压FD可以通过图18所示的读出电路30而提供到外电路。在一个或多个实施方式中，读出电路30可以设置在没有单元像素定位的区域，例如，图17的RDC。或者，例如，在一个或多个实施方式中，读出电路30可以设置在像素阵列以外。
图19示出光电检测装置600的示范实施方式的方框图。
参考图19，光电检测装置600可包括感测单元610和控制感测单元610的控制单元630。感测单元610可包括将接收的光RL转换为电信号DATA的至少一个单元像素。单元像素可以是上文参考图1至图12所述的环形结构的单输出像素，例如，单元像素100、200、300。例如，单元像素可包括：形成在半导体衬底中的浮置扩散区；形成在半导体衬底上方的环形收集栅，使得收集栅围绕浮置扩散区；形成在半导体衬底上方的环形排放栅，使得排放栅围绕收集栅；和形成在半导体衬底中的排出区，使得排出区围绕排放栅。
控制单元630可包括发出光EL到物体60的光源LS、双态信号发生器BN和控制器CTRL，该双态信号发生器BN产生收集栅信号CG和排放栅信号DRG，该控制器CTRL控制光电检测装置600的总体操作。
光源LS可发出具有预定波长的光EL。例如，光源LS可发出红外光或者近红外光。由光源LS产生的发射光EL可以通过透镜51聚焦到物体60。光源LS可以由控制器CTRL控制来输出发射光EL以使得发射光EL的强度周期地改变。例如，发射光EL可以是具有连续脉冲的脉冲串信号。光源LS可以由发光二极管LED、激光二极管等实现。
双态信号发生器BN产生用于操作包括在感测单元610中的环形单元像素的收集栅信号CG和排放栅信号DRG。收集栅信号CG和排放栅信号DRG可以互补地被激活。如果激活收集栅信号CG，沟道形成在半导体衬底的收集栅下面的区域中，或者在光电荷存储区与浮置扩散区之间的区域中。如果激活排放栅信号DRG，沟道形成在半导体衬底的排放栅下面的区域中，或者在光电荷存储区与排出区之间的区域中。
因此，当激活收集栅信号CG时，在半导体衬底中产生的光电荷被收集到浮置扩散区中，当激活排放栅信号DRG时，在半导体衬底中产生的光电荷被排放到排出区中。
如下文将描述的，收集栅信号CG可包括多个双态信号(bin signal)CGi，该双态信号CGi的周期数根据相对于发射光EL的相位差而增大，光电检测装置600可通过将已经被物体60反射并穿过透镜53进入感测单元610的接收光RL转换为电信号来获得深度信息。
在一个或多个实施方式中，感测单元610可包括如上所述的单元像素(或像素组)和用于将单元像素的输出转换为数字信号的模-数转换单元ADC。
在一个或多个实施方式中，感测单元610可包括像素阵列PX，该像素阵列PX包括布置成阵列的多个单元像素(或多个像素组)。在这种实施方式中，感测单元610可包括模-数转换单元ADC和用于在像素阵列PX中选择特定单元像素的选择电路ROW、COL。
在一个或多个实施方式中，模-数转换单元ADC可执行列模数转换或可执行单个模数转换，该列模数转换使用分别耦接到多个列线的多个模-数转换器并行转换模拟信号，该单个模数转换使用单个模-数转换器串行转换模拟信号。
在一个或多个实施方式中，模-数转换单元ADC可包括用于提取有效信号分量的相关双采样(CDS)单元。
在一些实施方式中，CDS单元可执行基于模拟复位信号和模拟数据信号提取有效信号分量的模拟双采样(ADS)，该模拟复位信号表示复位分量，该模拟数据信号表示信号分量。
在其他实施方式中，CDS单元可执行数字双采样(DDS)，其将模拟复位信号和模拟数据信号转换为两个数字信号以提取两个数字信号之间的差作为有效信号分量。
在其他实施方式中，CDS单元可执行双相关双采样，其执行模拟双采样和数字双采样两者。
图20示出测量距离的方法的示范实施方式的流程图。
参考图19和图20，光源LS发射光EL到物体60(S110)。感测单元610使用多个可变双态信号将已经被物体60反射并进入感测单元610的接收光RL转换为电信号，该可变双态信号的周期数根据相对于发射光EL的相位差而增大(S120)。多个可变双态信号可以包括在由双态信号发生器BN产生的互补栅信号CG和DRG中。下文将参考图21至图25详细描述包括多个可变双态信号的收集栅信号CG和排放栅信号DG。控制器CTRL基于感测单元610提供的数据信号DATA计算与物体60的距离(S310)。
图21示出用于描述信号的时序图的示范实施方式，该信号用于将接收光转换为电信号。
参考图21，光电检测装置600的光源LS产生的发射光EL可以是脉冲串信号，包括预定周期To的脉冲。发射光EL被以距离Z定位的物体60反射，并到达光电检测装置600作为接收光RL。从光电检测装置600到物体60的距离Z可以使用公式“Tf＝2Z/C”计算，其中C表示光速，Tf表示发射光EL与接收光RL之间的相位差。
多个双态信号可用于获得发射光EL与接收光RL之间的相位差Tf。图21示出相对于发射光EL具有相位差Ti的一个双态信号CGi以及每一周期To的激活持续时间Wi。下文将参考图22和图23描述多个双态信号之间的关系。例如，双态信号CGi和反转的双态信号DRGi可以用作上文参考图2至图6描述的单元像素100的栅信号。
双态信号CGi可以施加到收集栅120作为收集栅信号CG，反转的双态信号DRGi可以施加到排放栅130作为排放栅信号DRG。当响应于接收光RL在半导体衬底10中产生光电荷时，产生的光电荷在第一时间Tr期间排放到排出区140，产生的光电荷在第二时间Tc期间收集到浮置扩散区110中。
光电荷的这种排放和收集在感测时期TS期间重复相应于包括在双态信号CGi中的周期数的次数。在浮置扩散区110中收集的光电荷的量接着可以在读出时期TR期间被图18所示的读出电路30输出.
图22和图23示出可变双态信号的实例的示范时序图，在图20中示出的测量距离的方法中可使用该可变双态信号。
参考图22，多个可变双态信号CG1、CG2、...CGk具有根据关于发射光EL的相位差T2、...Tk而增大的周期数。例如，具有关于发射光EL的0相位差的第一双态信号CG1可以具有最低的周期数，周期数可以随着关于发射光EL的相位差增大而逐渐增大，具有关于发射光EL的最大相位差的第k个双态信号CGk可以具有最高的周期数。换句话说，使用第一双态信号CG1的第一感测时期TS1(＝To×n1)最短，使用第k个双态信号CGk的第k感测时期TSk(＝To×nk)最长。
随着从光电检测装置600到物体60的距离Z增大，或随着发射光EL与接收光RL之间的相位差Tf增大，接收光RL的强度与距离Z的平方成反比地降低。因此，如上所述，由于包括在多个双态信号CGi中的周期数根据关于发射光EL的相位差Ti而增大，所以感测时期TSi可随着与物体60的距离Z增大而增大，这引起信噪比(SNR)的改善。此外，光电检测装置600的动态范围可通过施加这样的取决于距离Z的增益而改善。
在一些实施方式中，多个双态信号CGi可以变化使得占空比(Wi/To)根据关于发射光EL的相位差Ti而增大。也就是说，多个双态信号CGi每周期的激活持续时间Wi可以根据关于发射光EL的相位差Ti而增大。
通常，随着与物体60的距离Z增大，会降低对于距离Z的准确性的需要。如此，多个双态信号CGi的激活持续时间Wi可根据距离Z而增大从而增大增益，由此改善信噪比。
图22所示的多个双态信号CGi可分别施加到不同的单元像素。例如，在多个单元像素布置在具有多行和多列的阵列中的情况下，相同的双态信号可施加到相同行的单元像素，不同的双态信号可施加到不同行的单元像素。在这种情况下，各感测时期TSi可基本上被相应的读出时期TR紧随，因此可以在图像传感器中执行有效的滚帧(rolling frame)操作。
图23图示多个可变双态信号CGi施加到一个单元像素的实例的示范时序图。为了方便起见，图23中仅放大了两个双态信号CG2和CGk，其他的双态信号的特征可以是类似的。也就是说，多个可变双态信号CGi具有根据关于发射光EL的相位差Ti而增大的周期数ni。因此，使用具有关于发射光EL的最小相位差T1的第一双态信号CG1的第一时期TS1(＝To×n1)最短，使用具有关于发射光EL的最大相位差Tk的第k双态信号CGk的第k感测时期TSk(＝To×nk)最长。如上所述中，多个双态信号CGi可以变化使得占空比(Wi/To)根据关于发射光EL的相位差Ti而增大。在多个双态信号CGi施加到一个单元像素的情况下，各感测时期TSi可以分别被相应的读出时期TR基本紧随。
图24图示示范可变双态信号的图示。图25图示图24所示的可变双态信号的示范相位、激活持续时间的长度以及周期数的图表。
更具体地，图24图示多个可变双态信号CG1至CG10的实例，该多个可变双态信号CG1至CG10可用于测量发射光EL与接收光RL之间的相位差Tf。例如，在提供深度信息以及运动图像信息的三维图像传感器操作30fps的情况下，具有大约20％占空比的包括约三千万光脉冲的脉冲串信号可用作发射光EL。在这样的实施方式中，例如，当忽略读出时期时，发射光EL的相应于一帧的周期数可以是约一百万。在图24中，每个双态信号CGi的宽度可以表示激活持续时间Wi。如图24所示，相邻的双态信号的激活持续时间可以彼此重叠。
例如，第二双态信号CG2的激活持续时间W2的大约50％可以重叠第三双态信号CG3的激活持续时间W3，第三双态信号CG3的激活持续时间W3可以相对于第二双态信号CG2的激活持续时间W2增加约10％。图25示出了可变双态信号CGi的相差Ti、激活持续时间Wi和周期数的实例。在图25中，M表示所有周期数ni之和。
如上所述，光电荷可使用可变双态信号CGi来收集，与物体的距离Z可基于收集的光电荷的数量和可变双态信号CGi的相位来计算。
图26图示测量距离的方法的示范实施方式的流程图。
参考图19和图26，光源LS发射光EL到物体60(S210)。感测单元610使用可变双态信号将已经被物体60反射并且进入传感器610的接收光RL转换为电信号(S220)。如上所述，包括在可变双态信号中的周期数可以根据关于发射光EL的相位差而增大。此外，可变双态信号的占空比可以根据关于发射光EL的相位差而增大。控制器CTRL基于感测单元610提供的数据信号DATA计算与物体60的距离(S230)。控制器CTRL控制双态信号发生器BN以将双态信号的相位和占空比调整为集中到与计算的距离相应的相位(S240)。与物体的距离可使用具有调整的相位和占空比的多个双态信号校正。
图27图示示范可变双态信号的图示。图28图示图27所示的可变双态信号的示范相位、激活持续时间的长度以及周期数的图示。图29图示示范调整的双态信号的图示。
更具体地，图27图示四个可变双态信号CG1、CG2、CG3和CG4的实例，该四个可变双态信号可用于测量发射光EL与接收光RL之间的相位差Tf。在图27中，在使用具有约50％占空比的发射光EL的情况下，接收光RL的实例图示为虚线。图28示出了四个双态信号CG1、CG2、CG3和CG4的相差Ti、激活持续时间Wi和周期数ni的实例。如图27和图28所示，四个双态信号CG1、CG2、CG3和CG4可以具有相同的激活持续时间Wi，和根据关于发射光EL的相位差Ti而增大的周期数ni。
控制器CTRL可以基于使用这样的双态信号CGi从感测单元610提供的电信号DATA计算与物体60的距离，并且可以控制双态信号发生器BN以将双态信号CGi的相位和占空比调整为集中到与计算的距离相应的相位。图29图示以此方式调整的双态信号CGi’的实例。
如图29所示，通过使用调整为集中到接收光RL的脉冲上的双态信号CGi’，可获得更精确的数据并可精确地校正与物体的距离Z。例如，在面部识别安全防范系统中，到面部的平均距离可使用图27和图28的双态信号CGi测量，面部可使用基于测量结果被调整的图29的双态信号CGi’在平均距离附近被再次扫描。
图30示出三维图像传感器的感测单元的示范实施方式的图示.更具体地，图30示出图19的光电检测装置600是三维图像传感器的情况下感测单元610a的实例。
参考图30，感测单元610a可包括多个彩色像素和多个深度像素布置在其中的像素阵列C/Z PX、彩色像素选择电路CROW和CCOL、深度像素选择电路ZROW和ZCOL、彩色像素转换器CADC和深度像素转换器ZADC。彩色像素选择电路CROW和CCOL及彩色像素转换器CADC可通过控制包括在像素阵列C/Z PX中的彩色像素来提供图像信息CDATA，深度像素选择电路ZROW和ZCOL及深度像素转换器ZADC可通过控制包括在像素阵列C/Z PX中的深度像素来提供深度信息ZDATA。
如上所述，在三维图像传感器中，用于控制彩色像素的分部件和用于控制深度像素的部件可独立地操作以提供图像的彩色数据CDATA和深度数据ZDATA。
图31示出在图30的感测单元中可使用的像素阵列的示范实施方式的图示。
参考图31，像素阵列C/Z PX包括布置成三角栅格的多个单元像素R、G、B和Z。单元像素R、G、B和Z可具有上文参考图2至图12所述的环形结构。单元像素R、G、B和Z包括多个彩色像素R、G和B以及多个深度像素Z。彩色像素R、G和B可包括绿色像素G、红色像素R和蓝色像素B。如图31所示，彩色像素R、G和B可在单元像素基础上执行光电检测以提高分辩率，深度像素Z可在像素组的基础上执行光电检测以提高灵敏度。例如，如上所述，包括在一个像素组80中的四个深度像素Z的浮置扩散区可以彼此电耦接，一个像素组80的四个深度像素Z可整体操作。
彩色像素选择电路CROW和CCOL及彩色像素转换器CADC可对彩色像素R、G和B执行感测操作和读出操作，深度像素选择电路ZROW和ZCOL及深度像素转换器ZADC可对深度像素Z执行感测操作和读出操作。如上所述的多个可变双态信号CGi可以施加到深度像素Z的栅极以获得表示深度信息的数据ZDATA。彩色像素R、G和B及深度像素Z可响应于不同的栅信号以不同频率操作。
图32示出包括三维图像传感器的照相机的示范实施方式的方框图。
参考图32，照相机800包括光接收透镜810、三维图像传感器900和引擎单元840。三维图像传感器900可包括三维图像传感器芯片820和光源模块830。根据实施方式，三维图像传感器芯片820和光源模块830可以用分离的器件实现，或者光源模块830的至少一部分可以包括在三维图像传感器芯片820中。在一些实施方式中，光接收透镜810可以包括在三维图像传感器芯片820中。
光接收透镜810可将入射光聚焦到三维图像传感器芯片820的光接收区域(例如，包括在像素阵列中的深度像素和/或彩色像素)上。三维图像传感器芯片820可基于穿过光接收透镜810的入射光而产生包括深度信息和/或彩色图像信息的数据DATA1。例如，由三维图像传感器芯片820产生的数据DATA1可包括使用从光源模块830发出的红外光或近红外光产生的深度数据和使用外部可见光产生的拜耳模式(Bayer pattern)的RGB数据。三维图像传感器芯片820可基于时钟信号CLK提供数据DATA1到引擎单元840。在一些实施方式中，三维图像传感器芯片820可经由移动行业处理器接口MIPI和/或照相机串行接口CSI与引擎单元840进行接口。
引擎单元840控制三维图像传感器900。引擎单元840可处理从三维图像传感器芯片820接收的数据DATA1。例如，引擎单元840可基于从三维图像传感器芯片820接收的数据DATA1产生三维彩色数据。在其他实例中，引擎单元840可基于包括在数据DATA1中的RGB数据或诸如联合摄影专家组(JPEG)数据的压缩数据产生包括亮度分量、蓝色亮度差分量和红色亮度差分量的YUV数据。引擎单元840可以连接到主机/应用850并且可基于主时钟MCLK提供数据DATA2到主机/应用850。此外，引擎单元840可经由串行外围接口(SPI)和/或内部集成电路(I2C)与主机/应用850进行接口。
图33示出包括三维图像传感器的计算系统的示范实施方式的方框图。
参考图33，计算系统1000可包括处理器1010、存储器1020、存储装置1030、输入/输出器件1040、电源1050和三维图像传感器900。虽然图33没有示出，计算系统1000可还包括与视频卡、声卡、存储卡、USB器件或其他电子器件通信的端口。
处理器1010可执行各种计算或任务。根据实施方式，处理器1010可以是微处理器或CPU。处理器1010可经由地址总线、控制总线和/或数据总线与存储器1020、存储装置1030和输入/输出器件1040通信。在一些实施方式中，处理器1010可以耦接到扩展总线，诸如外围部件互连(PCI)总线。存储器1020可储存用于操作计算系统1000的数据。例如，存储器1020可以用动态随机存取存储器(DRAM)器件、移动DRAM器件、静态随机存取存储器(SRAM)器件、相位随机存取存储器(PRAM)器件、铁电式随机存取存储器(FRAM)器件、电阻式随机存取存储器(RRAM)和/或磁随机存取存储器(MRAM)器件来实现。存储装置可包括固态驱动器(SSD)、硬盘驱动器(HDD)、CD-ROM等。输入/输出器件1040可包括输入器件(例如，键盘、小键盘、鼠标等)和输出器件(例如，打印机、显示器等)。电源1050为计算系统1000供应操作电压。
三维图像传感器900可经由总线或其他通信链与处理器1010通信。如上所述，三维图像传感器900可包括具有环形结构的单元像素，该单元像素作为单输出检测器运行。此外，如上所述，三维图像传感器900可使用多个可变双态信号以测量与物体的距离。因此，可以提高灵敏度和信噪比。三维图像传感器900可以与处理器1010集成在一个芯片中，或者三维图像传感器900和处理器1010可以实现为分开的芯片。
三维图像传感器900可以以各种形式封装，诸如封装上封装(PoP)、球栅阵列(BGA)、芯片级封装(CSP)、带引线的塑料芯片载体(PLCC)、塑料的双列直插式封装(PDIP)、华夫盘包装管芯(die in waffle pack)、晶片式管芯(die in wafer form)、板上芯片(COB)、陶瓷双列直插式封装(CERDIP)、塑料公制四方扁平封装(MQFP)、薄四方扁平封装(TQFP)、小外形IC(SOIC)、收缩型小外形封装(SSOP)、薄型小外形封装(TSOP)、封装内系统(SIP)、多芯片封装(MCP)、晶片级制造封装(WFP)或晶片级处理堆叠封装(WSP)。
计算系统1000可以是使用三维图像传感器的任意计算系统。例如，计算系统1000可包括数码相机、移动电话、智能电话、便推式多媒体播放器(PMP)、个人数字助理(PDA)等。
图34示出在图33的计算系统中可使用的接口的示范实施方式的方框图。
参考图34，计算系统1100可以由采用或支持移动行业处理器接口(MIPI)的数据处理装置实现。计算系统1100可包括应用处理器1110、三维图像传感器1140、显示器1150等。应用处理器1110的CSI主机1112可经由照相机串行接口(CSI)执行与三维图像传感器1140的CSI器件1141的串行通信。在一些实施方式中，CSI主机1112可包括解串器(DES)，CSI器件1141可包括串行器(SER)。应用处理器1110的DSI主机1111可经由显示器串行接口(DSI)执行与显示器1150的DSI器件1151的串行通信。
在一些实施方式中，DSI主机1111可包括串行器(SER)，DSI器件1151可包括解串器(DES)。计算系统1100可还包括执行与应用处理器1110通信的射频(RF)芯片1160。计算系统1100的物理层(PHY)1113和RF芯片1160的物理层(PHY)1161可基于MIPI DigRF(MIPI数字射频)执行数据通信。应用处理器1110可还包括控制PHY 1161的数据通信的DigRFMASTER(DigRF主控)1114。
计算系统1100可还包括全球定位系统(GPS)1120、存储装置1170、MIC 1180、DRAM器件1185和扬声器1190。另外，计算系统1100可使用超宽频带(UWB)1210、无线局域网(WIAN)1220、全球互通微波存取(WIMAX)1230等执行通信。然而，电子设备1000的结构和接口不限于此。
在此描述的特征和/或实施方式可以应用于任何光电检测装置，诸如提供有关物体的图像信息和深度信息的三维图像传感器。例如，一个或多个实施方式可以应用于计算系统，诸如面部识别安全防范系统、台式计算机、膝上型计算机、数码相机、三维照相机、视频可携式摄像机、便携式电话、智能电话、个人数字助理(PDA)、扫描仪、视频电话、数字电视、导航系统、监测系统、自聚焦系统、跟踪系统、运动捕获系统、图像稳定系统等。
上文是对示范实施方式的说明而不应理解为对其的限制。虽然已经描述了一些示范实施方式，本领域技术人员将容易理解，在没有实质上脱离本发明构思的新颖性教导和优点的情况下，可以对示范实施方式进行许多修改。因此，所有这些修改旨在包括在权利要求所定义的本发明构思的范围内。因此，将理解，上文是对各种示范实施方式的说明而不应理解为限于公开的具体示范实施方式，对于公开的示范实施方式的修改以及其他的示范实施方式旨在包括在权利要求的范畴内。
本申请要求于2010年8月11日提交的美国临时申请No.61/372709和于2011年1月18日提交的韩国专利申请No.2011-0004750的优先权，在此通过引用引入其全部内容。

Claims (21)

1.一种单元像素，包括在光电检测装置中，该单元像素包括：
浮置扩散区，在半导体衬底中；
环形收集栅，在所述半导体衬底上方；
环形排放栅，在所述半导体衬底上方；
排出区，在所述半导体衬底中；以及
在所述浮置扩散区与所述排出区之间的所述半导体衬底中的环形光电荷存储区，其中所述收集栅和所述排放栅分别布置在所述浮置扩散区和所述排出区之间。
2.如权利要求1所述的单元像素，其中所述收集栅围绕所述浮置扩散区，所述排放栅围绕所述收集栅，所述排出区围绕所述排放栅。
3.如权利要求1所述的单元像素，其中所述浮置扩散区位于中心，与所述收集栅和所述排放栅相比，所述排出区在相对于所述浮置扩散区的最外面。
4.如权利要求1所述的单元像素，其中所述收集栅和所述排放栅具有圆环或多边环的形状。
5.如权利要求1所述的单元像素，其中收集栅信号和排放栅信号分别施加到所述收集栅和所述排放栅，
其中，当激活所述收集栅信号时，在所述半导体衬底中产生的光电荷收集到所述浮置扩散区中，和
其中，当激活所述排放栅信号时，在所述半导体衬底中产生的光电荷被排放到所述排出区中。
6.如权利要求1所述的单元像素，其中所述光电荷存储区掺杂有导电类型与所述半导体衬底相反的杂质。
7.如权利要求6所述的单元像素，其中所述收集栅至少部分地交叠所述光电荷存储区的内侧部分，和
其中所述排放栅至少部分地交叠所述光电荷存储区的外侧部分。
8.如权利要求6所述的单元像素，其中所述收集栅在所述光电荷存储区与所述浮置扩散区之间，和
其中所述排放栅在所述光电荷存储区与所述排出区之间。
9.如权利要求8所述的单元像素，还包括：
在所述半导体衬底中的环形钉扎层，覆盖所述光电荷存储区，所述钉扎层掺杂有导电类型与所述光电荷存储区相反的杂质。
10.如权利要求8所述的单元像素，还包括：
在所述收集栅与所述排放栅之间的所述半导体衬底上方的环形光电栅，从而覆盖所述光电荷存储区。
11.如权利要求1所述的单元像素，其中所述半导体衬底包括掺杂有相同导电类型但浓度不同的杂质的多个光电荷产生区域。
12.一种光电检测装置，包括：
感测单元，配置为将接收光转换为电信号，所述感测单元包括至少一个如权利要求1所述的单元像素；和
控制单元，配置为控制所述感测单元。
13.如权利要求12所述的光电检测装置，其中所述感测单元包括像素阵列，在该像素阵列中多个单元像素布置成矩形栅格或三角栅格。
14.如权利要求13所述的光电检测装置，其中所述多个单元像素的排出区一体地形成并且在所述半导体衬底中彼此空间耦接。
15.如权利要求13所述的光电检测装置，其中所述多个单元像素的至少两个的浮置扩散区彼此电耦接并且相应于一像素组。
16.如权利要求13所述的光电检测装置，其中所述多个单元像素在所述栅格的至少一个格点上被规则地省略，和
其中所述感测单元还包括在单元像素被省略的格点处的读出电路，从而提供所述多个单元像素的输出。
17.如权利要求13所述的光电检测装置，其中所述多个单元像素包括彩色像素和深度像素，和
其中所述光电检测装置是三维图像传感器。
18.一种测量距离的方法，所述方法包括：
发射光到物体；
使用多个双态信号将与发射光相应的接收光转换为电信号，所述双态信号具有根据相对于发射光的相位差而增大的周期数；和
基于所述电信号计算到所述物体的距离，其中使用单元像素将所述接收光转换为所述电信号，所述单元像素包括：
浮置扩散区，在半导体衬底中；
环形收集栅，在所述半导体衬底上方；
环形排放栅，在所述半导体衬底上方；和
排出区，在所述半导体衬底中，其中所述收集栅和所述排放栅分别布置在所述浮置扩散区和所述排出区之间，
其中所述多个双态信号的占空比根据相对于所述发射光的相位差而增大。
19.如权利要求18所述的方法，其中将所述接收光转换为所述电信号包括：
当激活所述多个双态信号时，在浮置扩散区收集由所述接收光产生的光电荷；和
当去激活所述多个双态信号时，将所述接收光产生的光电荷排放到排出区。
20.如权利要求18所述的方法，还包括：
调整所述多个双态信号的相位和占空比以集中到与所述计算的距离相应的相位；和
使用具有调整的相位和占空比的所述多个双态信号校正与所述物体的所述距离。
21.一种测量距离的方法，所述方法包括：
发射光到物体；
使用多个双态信号将与发射光相应的接收光转换为电信号，所述双态信号具有根据相对于所述发射光的相位差而增大的周期数；和
基于所述电信号计算到所述物体的距离，其中使用具有环形结构的单输出像素将所述接收光转换为所述电信号，在该单输出像素中所述像素的浮置扩散区位于所述环形结构的中心且所述像素的排出区布置在所述环形结构的外侧部分，
其中所述多个双态信号的占空比根据相对于所述发射光的相位差而增大。
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