CN103985721A - 深度像素、三维图像传感器和操作深度像素的方法 - Google Patents

深度像素、三维图像传感器和操作深度像素的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开深度像素、三维图像传感器和操作深度像素的方法。一种三维图像传感器的深度像素包括：第一光栅极，响应于第一光控制信号导通/截止；第一光检测区，被配置为当第一光栅极导通时基于被对象反射的接收光产生第一电荷；第一发送栅极，响应于第一发送控制信号导通/截止；第一浮置扩散区，被配置为当第一发送栅极导通时累积从第一光检测区产生的第一电荷；和第一补偿单元，被配置为基于接收光中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷，以向第一浮置扩散区供应第二电荷。

Description

深度像素、三维图像传感器和操作深度像素的方法
相关申请的交叉引用
要求于2013年2月8日在韩国知识产权局（KIPO）提交的第2013-0014260号韩国专利申请的优先权，该申请的内容通过引用全部包含于此。
技术领域
示例实施例总体上涉及图像传感器，更具体地，示例实施例涉及一种包括在三维图像传感器中的深度像素、一种包括深度像素的三维图像传感器、以及一种操作三维图像传感器中包括的深度像素的方法。
背景技术
图像传感器是半导体装置，它被配置成将外部入射的光学信号转换成可用于获取对应于光学信号的图像信息的电信号。近来，已经针对能够基于光学信号提供距离信息以及图像信息的三维图像传感器的开发进行了研究。三维图像传感器可依赖于各深度像素之间的距离和飞行时间（TOF）测量来确定对象的距离。这里，TOF是指在激光脉冲照射到对象之后通过反射返回其初始位置所花费的激光脉冲的行进时间。
发明内容
根据示例实施例，一种三维图像传感器的深度像素包括：第一光栅极，响应于第一光控制信号导通/截止；第一光检测区，被配置为当第一光栅极导通时基于被对象反射的接收光产生第一电荷；第一发送栅极，响应于第一发送控制信号导通/截止；第一浮置扩散区，被配置为当第一发送栅极导通时累积从第一光检测区产生的第一电荷；和第一补偿单元。第一补偿单元被配置为基于接收光中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷，以向第一浮置扩散区供应第二电荷。
第一补偿单元可包括第一环境光检测区和第一注入栅极。第一环境光检测区可基于环境光分量产生第二电荷。第一注入栅极可响应于第一注入控制信号导通/截止。
当第一注入栅极导通时，从第一环境光检测区产生的第二电荷可被注入到第一浮置扩散区中。
第一环境光检测区的尺寸可小于第一光检测区的尺寸。
可通过掺杂导电类型与半导体基板的导电类型相同、浓度比半导体基板中掺杂的杂质的浓度高的第一杂质，在半导体基板中形成第一环境光检测区。
可通过使第一杂质的浓度在朝向接收光入射的半导体基板的第一表面的方向上逐渐增大，形成第一环境光检测区。
第一补偿单元还可包括第一重置晶体管，以响应于第一重置信号初始化第一环境光检测区。
第一补偿单元还可包括第二发送栅极和第一存储区。第二发送栅极可响应于第二发送控制信号导通/截止。当第二发送栅极导通时，第一存储区可存储从第一环境光检测区产生的第二电荷。
当第二发送栅极导通后第一注入栅极导通时，存储在第一存储区中的第二电荷可被注入到第一浮置扩散区中。
第一环境光检测区可包括第一杂质区和第二杂质区。可通过掺杂导电类型与半导体基板中掺杂的杂质的导电类型相同、浓度比半导体基板中掺杂的杂质的浓度高的第一杂质，在半导体基板中形成第一杂质区。可通过掺杂导电类型与第一杂质的导电类型不同的第二杂质，在第一杂质区下方的半导体基板中形成第二杂质区。
第一环境光检测区还可包括通过掺杂第二杂质在第一杂质区上方的半导体基板中形成的第三杂质区。
第一补偿单元还可包括第一重置晶体管，以响应于第一重置信号初始化第一存储区。
深度像素还可包括第二光栅极、第二光检测区、第二发送栅极、第二浮置扩散区和第二补偿单元。第二光栅极可响应于第二光控制信号导通/截止。当第二光栅极导通时，第二光检测区可基于接收光产生第三电荷。第二发送栅极可响应于第二发送控制信号导通/截止。当第二发送栅极导通时，第二浮置扩散区可累积从第二光检测区产生的第三电荷。第二补偿单元可基于环境光分量产生不同于第三电荷的第四电荷，以向第二浮置扩散区供应第四电荷。
深度像素还可包括第一光检测区和第二光检测区之间的沟道阻止区。
第一光控制信号可在光收集时间段期间在第一逻辑电平和第二逻辑电平之间周期性地切换，并且可在读出时间段期间具有第一逻辑电平。第二电荷可在光收集时间段期间被产生并且被收集，并且在光收集时间段或读出时间段期间被注入到第一浮置扩散区中。
深度像素还可包括第一输出单元，以产生与第一电荷和第二电荷的总和对应的输出电压。
第一输出单元可包括第一重置晶体管、第一驱动晶体管和第一选择晶体管。第一重置晶体管可响应于第一重置信号初始化第一浮置扩散区。第一驱动晶体管可放大第一浮置扩散区的电压。第一选择晶体管可将被第一驱动晶体管放大的电压作为输出电压输出。
根据示例实施例，一种三维图像传感器的深度像素包括：第一光检测区和第二光检测区，被配置为基于被对象反射的接收光，产生第一电荷；第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，被配置为分别累积从第一光检测区产生的第一电荷和从第二光检测区产生的第一电荷；第一补偿单元和第二补偿单元，被配置为基于接收光中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷，以分别向第一浮置扩散区和第二浮置扩散区供应第二电荷。
深度像素还可包括第一桥扩散区和第二桥扩散区以及第一光栅极和第二光栅极。第一桥扩散区和第二桥扩散区可分别与第一光检测区和第二光检测区相邻。第一光栅极和第二光栅极可分别形成在第一光检测区和第二光检测区上方，以响应于第一光控制信号和第二光控制信号将从第一光检测区产生的第一电荷和从第二光检测区产生的第一电荷分别存储在第一桥扩散区和第二桥扩散区中。
深度像素还可包括第一存储区和第二存储区以及第一光栅极和第二光栅极。第一存储区和第二存储区可分别与第一光检测区和第二光检测区分隔开。第一光栅极和第二光栅极可响应于第一光控制信号和第二光控制信号将第一光检测区和第二光检测区分别电连接到第一存储区和第二存储区。
深度像素还可包括第一桥扩散区和第二桥扩散区、第一存储区和第二存储区、第一光栅极和第二光栅极以及第一存储栅极和第二存储栅极。第一桥扩散区和第二桥扩散区可分别与第一光检测区和第二光检测区相邻。第一存储区和第二存储区可分别与第一桥扩散区和第二桥扩散区分隔开。第一光栅极和第二光栅极可分别形成在第一光检测区和第二光检测区上方，以响应于第一光控制信号和第二光控制信号将从第一光检测区产生的第一电荷和从第二光检测区产生的第一电荷分别存储在第一桥扩散区和第二桥扩散区中。第一存储栅极和第二存储栅极可将第一桥扩散区和第二桥扩散区分别电连接到第一存储区和第二存储区。
根据示例实施例，一种三维图像传感器包括光源单元和像素阵列。光源单元将调制的发送光照射到对象。像素阵列包括多个深度像素以基于被对象反射的接收光产生从三维图像传感器到对象的距离信息。所述多个深度像素之中的第一深度像素包括：第一光栅极，响应于第一光控制信号导通/截止；第一光检测区，被配置为当第一光栅极导通时基于接收光产生第一电荷；第一发送栅极，响应于第一发送控制信号导通/截止；第一浮置扩散区，被配置为当第一发送栅极导通时累积从第一光检测区产生的第一电荷；和第一补偿单元，被配置为基于接收光中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷，以向第一浮置扩散区供应第二电荷。
所述多个深度像素之中的与第一深度像素相邻的第二深度像素可包括第二光栅极、第二光检测区、第二发送栅极和第二浮置扩散区。第二光栅极可响应于第二光控制信号导通/截止。当第二光栅极导通时，第二光检测区可基于接收光产生第三电荷。第二发送栅极可响应于第二发送控制信号导通/截止。当第二发送栅极导通时，第二浮置扩散区可累积从第二光检测区产生的第三电荷。第一补偿单元可被第一深度像素和第二深度像素共用。
根据示例实施例，在一种操作三维图像传感器的深度像素的方法中，基于被对象反射的接收光，在光收集时间段期间产生第一电荷。基于接收光中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷。在读出时间段期间将第一电荷累积在浮置扩散区中。将第二电荷注入到浮置扩散区中。
可在光收集时间段期间执行产生第二电荷的步骤。可在光收集时间段或读出时间段期间执行将第二电荷注入到浮置扩散区中的步骤。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将理解示例性的、非限制性的示例实施例。
图1是示出根据示例实施例的三维图像传感器的深度像素的平面图。
图2是示出图1中示出的深度像素的垂直结构的示例的示图。
图3是在说明图1中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。
图4是示出图1中示出的深度像素的示例的平面图。
图5A和图5B是示出图4中示出的深度像素的垂直结构的示例的示图。
图6A、图6B和图6C是在说明图4中示出的深度像素的补偿单元中包括的环境光检测区的结构的过程中参考的示图。
图7A和图7B是在说明图4中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。
图8是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图9是示出图8中示出的深度像素的垂直结构的示例的示图。
图10A和图10B是在说明图8中示出的深度像素的补偿单元中包括的环境光检测区的结构的过程中参考的示图。
图11A和图11B是在说明图8中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。
图12是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图13是示出图12中示出的深度像素的垂直结构的示例的示图。
图14是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图15是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图16是示出图15中示出的深度像素的垂直结构的示例的示图。
图17是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图18是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图19是示出图18中示出的深度像素的垂直结构的示例的示图。
图20A和图20B是在说明图18中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。
图21是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图22A和图22B是在说明图21中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。
图23是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图24是示出图23中示出的深度像素的垂直结构的示例的示图。
图25是在说明图23中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。
图26是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图27是在说明图26中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。
图28和图29是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
图30是示出根据示例实施例的三维图像传感器的框图。
图31是示出图30中示出的三维图像传感器中包括的像素阵列的示例的示图。
图32是示出图30中示出的三维图像传感器中包括的像素阵列的另一示例的示图。
图33是在说明图30中示出的三维图像传感器的操作示例的过程中参考的时序图。
图34是示出根据示例实施例的三维图像传感器的框图。
图35A和图35B是示出图34中示出的三维图像传感器中包括的像素阵列的示例的示图。
图36是在描述根据示例实施例的操作三维图像传感器的深度像素的方法的过程中参考的流程图。
图37是在描述在根据示例实施例的三维图像传感器中测量距离的方法的过程中参考的流程图。
图38是示出根据示例实施例的三维图像传感器应用于相机的应用的框图。
图39是示出根据示例实施例的三维图像传感器应用于计算系统的应用的框图。
图40是示出图39的计算系统中使用的接口的一个示例的框图。
具体实施方式
将参照附图更充分地描述各种示例实施例，在附图中示出示例实施例。然而，本发明构思可用许多不同形式实施并且不应该被解释为限于在此提出的实施例。相反地，提供这些实施例使得本发明将是彻底和完全的，并且将本发明构思的范围充分地传达给本领域的技术人员。在本申请中，类似的标号始终表示类似的元件。
应该理解，尽管这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不应该受这些术语限制。这些术语用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离本发明构思的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。如这里使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列的项目的任意组合和所有组合。
应该理解，当元件被称作“连接”或“结合”到另一元件时，该元件可直接连接或结合到另一元件，或者可能存在中间元件。相反，当元件被称作“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。应该以类似方式解释用于描述元件之间的关系的其它词语（例如，“在…之间”与“直接在…之间”，“相邻”与“直接相邻”等）。
这里使用的术语是出于描述特定实施例的目的，不意图限制本发明构思。如这里使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。还应该理解，当在这里使用术语“包含”和/或“包括”时，说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件。
除非另有定义，否则这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明构思所属领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。还应该理解，除非这里明确定义，否则术语（诸如在通用字典中定义的术语）应该被解释为具有与相关技术的背景下它们的意思相同的意思，而不是理想地或者过于正式地解释它们的意思。
图1是示出根据示例实施例的三维图像传感器的深度像素的平面图。图2示出沿着图1的I-I'线截取的剖视图，并且代表图1中示出的深度像素的垂直结构。
参照图1和图2，示例实施例的三维图像传感器中包括的深度像素10包括光栅极20、光检测区30、发送栅极40、浮置扩散区50和补偿单元60。深度像素10还可包括输出单元80。
光栅极20形成在半导体基板11上方，并且响应于光控制信号PGC导通/截止。光检测区30形成在半导体基板11中，并且当光栅极20导通时，光检测区30基于被对象反射的接收光RX来产生第一电荷。
发送栅极40形成在半导体基板11上方，并且响应于发送控制信号TGC导通/截止。浮置扩散区50形成在半导体基板11中，以当发送栅极40导通时累积由光检测区30产生的第一电荷。换句话讲，光检测区30可响应于发送控制信号TGC电连接到浮置扩散区50。这种电连接可通过在光检测区30和浮置扩散区50之间的半导体基板11上方形成的沟道来实现。
补偿单元60形成在半导体基板11之上和内部。补偿单元60基于接收光RX中包括的环境光分量产生极性与第一电荷的极性不同（或相反）的第二电荷，并且响应于注入控制信号IGC向浮置扩散区50供应第二电荷。稍后将参照图4、图5B、图8和图9描述补偿单元60的详细结构示例。
在一个示例实施例中，第一电荷可以是电子并且第二电荷可以是电子-空穴对中的空穴。在另一个示例实施例中，第一电荷可以是空穴并且第二电荷可以是电子-空穴对中的电子。
输出单元80响应于重置信号RST重置浮置扩散区50，并且将浮置扩散区50的电压转换成电信号，以输出所述电信号。换句话讲，输出单元80可产生与第一电荷和第二电荷的总和对应的输出电压VOUT。稍后将参照图4和图5A描述输出单元80的详细结构示例。
图3是在描述图1中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。
参照图1、图2和图3，深度像素10通过在光收集时间段TINT之前启用重置信号RST来重置浮置扩散区50。
包括深度像素10的三维图像传感器在光收集时间段TINT期间向对象照射经调制的发送光TX。如稍后将参照图30和图34描述的，三维图像传感器可包括用于向对象照射具有周期性变化的强度的发送光TX的光源或发光器件。发送光TX被对象反射，并且作为接收光RX到达三维图像传感器。接收光RX相对于发送光TX延迟TOF（飞行时间）。
在光收集时间段TINT期间通过接收光RX从深度像素10的光检测区30产生第一电荷。详细地，光控制信号PGC在光收集时间段TINT期间具有周期性变化的强度，并且与光控制信号PGC的启用持续时间对应的光电荷Q从光检测区30产生并且被收集作为第一电荷。
以此方式，可基于与光控制信号PCG的相位对应的光电荷Q的量计算TOF。当从三维图像传感器到对象的距离是D并且光速是c时，可基于等式“D=TOF×c/2”计算距离D。尽管图3只示出相位与发送光TX的相位相同的一个光控制信号PGC，但根据示例实施例，可利用相位与发送光TX的相位不同的多个光控制信号来更准确地计算TOF。
另外，在光收集时间段TINT期间基于接收光RX中包括的环境光分量从深度像素10的补偿单元60产生第二电荷。
当读出时间段TRD开始时，最初启用重置信号RST，使得浮置扩散区50被初始化。在浮置扩散区50被初始化后，启用第一采样控制信号SMPB，使得浮置扩散区50的电压被检测为噪声电压VB。在检测到噪声电压VB后，启用发射控制信号TGC，使得第一电荷累积在浮置扩散区50中。同时，启用注入控制信号IGC，使得第二电荷注入浮置扩散区50中。在第一电荷和第二电荷累积在/注入浮置扩散区50中后，启用第二采样控制信号SMPD，使得浮置扩散区50的电压被检测为解调电压VD。解调电压VD对应于第一电荷和第二电荷的总和。另外，解调电压VD和噪声电压VB之差可对应于有效电压。
尽管图3示出在光收集时间段TINT期间禁用重置信号RST，但根据示例实施例，重置信号RST可在光收集时间段TINT之前被启用并且可保持启用状态。
根据示例实施例的深度像素10包括用于将基于环境光分量产生的第二电荷注入浮置扩散区50中的补偿单元60。由于基于接收光RX产生的第一电荷中的一些在与第二电荷复合之后消失，因此即使环境光相当强，包括深度像素10的三维图像传感器也可准确地测量到对象的距离，而性能没有降低。
下文中，将描述根据示例实施例的三维图像传感器中包括的深度像素的各种示例。
提供图4至图11B用于说明与基于接收光RX中包括的环境光分量产生第二电荷（例如，空穴）的补偿块相关的示例实施例，提供图12至图29用于说明与包括基于接收光RX产生第一电荷（例如，电子）的光检测区的主感测块相关的示例实施例。
图4是示出图1中示出的深度像素的示例的平面图，图5A是沿着图4的I-I'线截取的剖视图，图5B是沿着图4的II-II'线截取的剖视图。图5A和图5B代表图4中示出的深度像素的垂直结构。
参照图4、图5A和图5B，深度像素100a包括第一光栅极121、第一光检测区131、第一发送栅极141、第一浮置扩散区151和补偿单元160a。深度像素100a还可包括输出单元180。另外，深度像素100a还可包括第二光栅极123、第二光检测区133、第二发送栅极143、第二浮置扩散区153、第二补偿单元170a和第二输出单元190。
可通过对半导体基板110应用CMOS工艺来形成深度像素100a。例如，可通过在半导体基板110的顶表面上注入离子，在半导体基板110中形成光检测区和浮置扩散区151和153，可通过沉积工艺或蚀刻工艺在半导体基板110上方形成光栅极121和123和发送栅极141和143，使得光栅极121和123和发送栅极141和143可与半导体基板110分隔开。尽管在图中未示出，但可在半导体基板110的顶表面和栅极121、123、141和143之间插入诸如氧化物层的绝缘层。
第一光栅极121可响应于第一光控制信号PGC1导通/截止，并且第一发送栅极141可响应于第一发送控制信号TGC1导通/截止。第二光栅极123可响应于第二光控制信号PGC2导通/截止，并且第二发送栅极143可响应于第二发送控制信号TGC2导通/截止。第一光栅极121可设置在第一光检测区131上方，并且第一发送栅极141可设置在第一光检测区131和第一浮置扩散区151之间。第二光栅极122可设置在第二光检测区133上方，并且第二发送栅极143可设置在第二光检测区133和第二浮置扩散区153之间。
栅极121、123、141和143可包括多晶硅或透明导电氧化物（TCO）。例如，栅极121、123、141和143可包括氧化铟锡（ITO）、氧化铟锌（IZO）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO2）或它们的组合物。
如图5A和图5B中所示，接收光RX可从半导体基板110的顶表面入射到深度像素100a。在这种情况下，光栅极121和123可包括透明导电氧化物。同时，与图5A和图5B相反，接收光RX可从半导体基板110的底表面入射到深度像素100a。在这种情况下，光栅极121和123可包括不透明导电氧化物。
第一光检测区131可在第一光栅极121导通时基于被对象反射的接收光RX产生第一电荷，第一浮置扩散区151可在第一发送栅极141导通时累积从第一光检测区131产生的第一电荷。第二光检测区133可在第二光栅极123导通时基于接收光RX产生第三电荷，第二浮置扩散区153可在第二发送栅极143导通时累积从第二光检测区133产生的第三电荷。第一电荷具有与第三电荷的极性相同的极性。
可通过掺杂导电类型与半导体基板110的杂质的导电类型不同的杂质来形成光检测区131和133和浮置扩散区151和153。例如，当半导体基板110是p型半导体基板时，可通过掺杂n型杂质形成光检测区131和133和浮置扩散区151和153。在这种情况下，第一电荷和第三电荷可以是电子-空穴对中的电子。根据示例实施例，可通过掺杂浓度比半导体基板110中的杂质浓度高的n型杂质来形成光检测区131和133和浮置扩散区151和153，光检测区131和133可被实现为光电二极管或钉扎光电二极管。
第一输出单元180可输出与第一浮置扩散区151中累积的电荷对应的电信号。第二输出单元190可输出与第二浮置扩散区153中累积的电荷对应的电信号。
第一输出单元180可包括第一重置晶体管181、第一驱动晶体管183和第一选择晶体管185。第一重置晶体管181响应于第一重置信号RST1释放累积在第一浮置扩散区151中的电荷，以将第一浮置扩散区151初始化为电源VDD的电平。第一驱动晶体管183可放大第一浮置扩散区151的电压。第一选择晶体管185可响应于第一选择信号SEL1将被第一驱动晶体管183放大的电压作为第一输出电压VOUT1供应到第一输出线187。
第二输出单元190可具有与第一输出单元180的结构基本上相同的结构。详细地，第二输出单元190可包括第二重置晶体管191、第二驱动晶体管193和第二选择晶体管195。第二重置晶体管191响应于第二重置信号RST2释放累积在第二浮置扩散区153中的电荷，以将第二浮置扩散区153初始化为电源VDD的电平。第二驱动晶体管193可放大第二浮置扩散区153的电压。第二选择晶体管195可响应于第二选择信号SEL2将被第二驱动晶体管193放大的电压作为第二输出电压VOUT2供应到第二输出线197。
第一补偿单元160a可基于接收光RX中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷，并且可向第一浮置扩散区151供应第二电荷。第二补偿单元170a可基于环境光分量产生不同于第三电荷的第四电荷，并且可向第二浮置扩散区153供应第四电荷。第四电荷可具有与第二电荷的极性相同的极性。
第一补偿单元160a可包括第一环境光检测区161、第一注入栅极163和第三重置晶体管169。第一环境光检测区161可基于环境光分量产生第二电荷。第一注入栅极163可响应于第一注入控制信号HIGC1导通/截止。当第一注入栅极163导通时，从第一环境光检测区161产生的第二电荷可注入到第一浮置扩散区151中。也就是说，第一环境光检测区161可响应于第一注入控制信号HIGC1电连接到第一浮置扩散区151。此时，第一环境光检测区161和第一浮置扩散区151可通过形成在半导体基板110上方的沟道直接彼此连接，或者可通过金属布线间接彼此连接。第三重置晶体管169响应于第三重置信号HRST1释放累积在第一环境光检测区161中的电荷，以将第一环境光检测区161初始化为地电压VSS的电平。
第二补偿单元170a可具有与第一补偿单元160a的结构基本上相同的结构。第二补偿单元170a可包括基于环境光分量产生第四电荷的第二环境光检测区171、响应于第二注入控制信号HIGC2导通/截止的第二注入栅极173。当第二注入栅极173导通时，从第二环境光检测区171产生的第四电荷可注入到第二浮置扩散区153中。第二补偿单元170a可包括第四重置晶体管179，第四重置晶体管179响应于第四重置信号HRST2释放累积在第二环境光检测区171中的电荷，以将第二环境光检测区171初始化为地电压VSS的电平。
补偿单元160a和170a中包括的环境光检测区161和171可形成在半导体基板110中，注入栅极163和173可形成在半导体基板110上方。可通过掺杂导电类型与半导体基板110的杂质的导电类型相同的杂质来形成环境光检测区161和171。例如，当半导体基板110是p型半导体基板时，可通过掺杂p型杂质形成环境光检测区161和171。在这种情况下，第二电荷和第四电荷可以是电子-空穴对中的空穴。
在一个示例实施例中，第一环境光检测区161的尺寸可小于第一光检测区131的尺寸。因此，基于环境光分量产生的第二电荷的量可少于基于接收光RX产生的第一电荷的量。第一电荷中的一些可通过与第二电荷复合而消失，基于残留的第一电荷产生第一输出电压VOUT1，使得可抑制由环境光分量造成的光检测性能的劣化。以相同方式，第二环境光检测区171的尺寸可小于第二光检测区133的尺寸。
深度像素100a还可以包括沟道阻止区120。通过掺杂导电类型与半导体基板110的杂质的导电类型相同、浓度比半导体基板110中的杂质浓度高的杂质，在半导体基板110中的第一光检测区131和第二光检测区133之间形成沟道阻止区120。沟道阻止区120可阻挡电荷从第一光检测区131发送到第二光检测区133，和/或阻挡电荷从第二光检测区133发送到第一光检测区131。
同时，根据示例实施例的深度像素100a可被划分成用于基于接收光RX产生/收集电子的主感测块和用于基于环境光分量产生/收集空穴的补偿块。在这种情况下，主感测块可包括光栅极121和123、光检测区131和133、发送栅极141和143、浮置扩散区151和153以及输出单元180和190，并且补偿块可包括第一补偿单元160a和第二补偿单元170a。另外，根据示例实施例的深度像素100a可被划分成两个“半像素”。在这种情况下，第一半像素可包括光栅极121、第一光检测区131、第一发送栅极141、第一浮置扩散区151、第一补偿单元160a和第一输出单元180，第二半像素可包括第二光栅极123、第二光检测区133、第二发送栅极143、第二浮置扩散区153、第二补偿单元170a和第二输出单元190。
尽管图4示出每个半像素包括一个输出单元的单位像素并且单位像素包括一个主感测块和一个补偿块，但根据示例实施例，多个半像素可共用全部或部分输出单元并且多个主感测块可共用全部或部分补偿块。
图6A、图6B和图6C是用于描述图4中示出的深度像素的补偿单元中包括的环境光检测区的结构示例的示图。图6A和图6B是示出第一环境光检测区的示例的剖视图。图6C是示出根据第一环境光检测区的深度的掺杂分布的示图。
参照图6A，通过掺杂导电类型与半导体基板110的杂质的导电类型相同、浓度比半导体基板110中的杂质浓度高的杂质，在半导体基板110中形成第一环境光检测区161a。例如，半导体基板110可以是p型半导体基板，并且可通过掺杂浓度比半导体基板110中的杂质浓度高的p型杂质来形成第一环境光检测区161a。
参照图6B，通过掺杂导电类型与半导体基板110的杂质的导电类型相同、浓度比半导体基板110中的杂质浓度高的杂质，在半导体基板110中形成第二环境光检测区161b。在这种情况下，掺杂浓度可在朝向接收光RX入射的半导体基板110的第一表面（即，覆盖有栅极的半导体基板110的顶表面）的方向上逐渐增大。例如，半导体基板110可以是p型半导体基板，并且可通过掺杂浓度比半导体基板110中的杂质浓度高的p型杂质，并使得掺杂浓度在朝向半导体基板110的顶表面的方向上逐渐变高，来形成第二环境光检测区161b。在这种情况下，第一环境光检测区可具有如图6C中所示的掺杂分布，在图6C中，掺杂浓度在顶表面上最高，并且从顶表面开始与深度成比例地逐渐减小。
图6A中示出的第一环境光检测区161a和图6B中示出的第二环境光检测区161b可产生/收集电子-空穴对中的空穴。同时，尽管未示出，但第二补偿单元中包括的第二环境光检测区可具有与第一环境光检测区的结构基本上相同的结构。
图7A和图7B是在描述图4中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。图7A示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在光收集时间段期间被产生和收集并且在读出时间段期间被注入到浮置扩散区中的示例实施例。图7B示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在光收集时间段期间被产生和收集并且在光收集时间段期间被注入到浮置扩散区中的示例实施例。
参照图4、图5A、图5B和图7A，深度像素100a在光收集时间段TINT之前启用第一重置信号RST1和第二重置信号RST2以初始化浮置扩散区151和153，并且启用第三重置信号HRST1和第四重置信号HRST2以初始化环境光检测区161和171。
在光收集时间段TINT期间照射到对象上的发送光TX被对象反射并且作为接收光RX到达深度像素100a。接收光RX相对于发送光TX延迟TOF（飞行时间）。
具有周期性变化的强度的第一光控制信号PGC1和第二光控制信号PGC2在光收集时间段TINT期间具有相对于发送光TX的相位差。例如，如图7A中所示，第一光控制信号PGC1可具有与发送光TX的相位相同的相位，第二光控制信号PGC2可具有与发送光TX的相位相反的相位（即，相位差可以是180°）。详细地，第一光控制信号PGC1和第二光控制信号PGC2可在光收集时间段期间在第一逻辑电平和第二逻辑电平之间周期性切换，并且可在读出时间段TRD期间具有第一逻辑电平。
与第一光控制信号PGC1的启用持续时间对应的光电荷Q1从第一光检测区151产生并且被收集作为第一电荷，与第二光控制信号PGC2的启用持续时间对应的光电荷Q2从第二光检测区153产生并且被收集作为第二电荷。另外，从第一环境光检测区161基于接收光RX中包括的环境光分量产生第二电荷，并且从第二环境光检测区171产生第四电荷。
当读出时间段TRD开始时，启用第一重置信号RST1和第二重置信号RST2，使得浮置扩散区151和153被初始化。在浮置扩散区151和153被初始化后，启用第一采样控制信号SMPB，使得被初始化为电源电压VDD的第一浮置扩散区151的电压被检测为第一噪声电压VB1，并且被初始化为电源电压VDD的第二浮置扩散区153的电压被检测为第二噪声电压VB2。在检测到噪声电压VB1和VB2后，启用第一发送控制信号TGC1和第二发送控制信号TGC2，使得第一电荷被发送到第一浮置扩散区151，并且第三电荷被发送到第二浮置扩散区153。同时，启用第一注入控制信号HIGC1和第二注入控制信号HIGC2，使得第二电荷被注入到第一浮置扩散区151中，并且第四电荷被注入到第二浮置扩散区153中。在电荷累积在/注入到浮置扩散区151和153中后，启用第二采样控制信号SMPD，使得与第一电荷和第二电荷的总和对应的第一浮置扩散区151的电压被检测为第一解调电压VD1，并且与第三电荷和第四电荷的总和对应的第二浮置扩散区153的电压被检测为第二解调电压VD2。
可基于检测到的噪声电压VB1和VB2以及检测到的解调电压VD1和VD2确定有效电压。详细地，可基于第一噪声电压VB1和第一解调电压VD1之差确定与第一光控制信号PGC1的相位对应的第一有效电压（V1=|VB1-VD1|），可基于第二噪声电压VB2和第二解调电压VD2之差确定与第二光控制信号PGC2的相位对应的第二有效电压（V2=|VB2-VD2|）。例如，如果第一光控制信号PGC1和发送光TX之间的相位差是P1并且第二光控制信号PGC2和发送光TX之间的相位差是P2，则可基于诸如(P1V1+P2V2)/(V1+V2)的加权平均值计算发送光TX的相位，使得可计算到对象的距离。
参照图4、图5A、图5B和图7B，深度像素100a在光收集时间段TINT之前启用第一重置信号RST1和第二重置信号RST2以初始化浮置扩散区151和153，并且启用第三重置信号HRST1和第四重置信号HRST2以初始化环境光检测区161和171。在浮置扩散区151和153被初始化后，启用第一采样信号SMPB，使得被初始化为电源电压VDD的浮置扩散区151和153的电压被检测为第一噪声电压VB1和第二噪声电压VB2。
与第一光控制信号PGC1和第二光控制信号PGC2的启用持续时间对应的光电荷Q1和Q2从第一光检测区151和第二光检测区153产生，并且在光收集时间段TINT期间通过到达深度像素100a的接收光RX被收集作为第一电荷和第三电荷。另外，从第一环境光检测区161和第二环境光检测区171基于环境光分量产生第二电荷和第四电荷。
另外，在光收集时间段TINT期间，启用第一注入控制信号HIGC1和第二注入控制信号HIGC2，使得第二电荷和第四电荷被分别注入到第一光检测区131和第二光检测区133中。尽管图7A示出注入控制信号HIGC1和HIGC2在光收集时间段TINT期间被启用一次，但根据示例实施例，注入控制信号HIGC1和HIGC2可在光收集时间段TINT期间被启用多次。在这种情况下，第二电荷和第四电荷可多次被注入到第一光检测区131和第二光检测区133中。
当读出时间段TRD开始时，启用第一发送控制信号TGC1和第二发送控制信号TGC2，使得第一电荷和第三电荷被分别发送到浮置扩散区151和153。在电荷累积在浮置扩散区151和153中后，启用第二采样控制信号SMPB，使得与第一电荷和第二电荷的总和对应的第一浮置扩散区151的电压被检测为第一解调电压VD1，并且与第三电荷和第四电荷的总和对应的第二浮置扩散区153的电压被检测为第二解调电压VD2。可基于检测到的噪声电压VB1和VB2和检测到的解调电压VD1和VD2确定有效电压。
图8是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。图9是沿着图8的I-I'线截取的剖视图，并且代表图8中示出的深度像素的垂直结构。
参照图8和图9，深度像素100b包括第一光栅极121、第一光检测区131、第一发送栅极141、第一浮置扩散区151和第一补偿单元160a。深度像素100b还可包括输出单元180。另外，深度像素100b还可包括第二光栅极123、第二光检测区133、第二发送栅极143、第二浮置扩散区153、第二补偿单元170b、第二输出单元190和沟道阻止区120。
除了补偿单元160b和170b的构造之外，图8的深度像素100b可与图4的深度像素100a基本上相同。也就是说，图8中示出的深度像素100b的主感测块可具有与图4中示出的深度像素100a的主感测块的构造基本上相同的构造。
第一补偿单元160b可基于环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷，并且可向第一浮置扩散区151供应第二电荷。第二补偿单元170b可基于环境光分量产生不同于第三电荷的第四电荷，并且可向第二浮置扩散区153供应第四电荷。
第一补偿单元160b可包括第一环境光检测区162、第一注入栅极164、第三发送栅极165、第一存储区167和第三重置晶体管168。第一环境光检测区162可基于环境光分量产生第二电荷。第三发送栅极165可响应于第三发送控制信号HTGC1导通/截止。在第三发送栅极165导通时，第一存储区167可存储从第一环境光检测区162产生的第二电荷。也就是说，第一环境光检测区162可响应于第三发送控制信号HTGC1电连接到第一存储区167。此时，第一环境光检测区162和第一存储区167可通过形成在半导体基板110上方的沟道彼此连接。第一注入栅极164可响应于第一注入控制信号HIGC1导通/截止。当在第三发送栅极165导通后第一注入栅极164导通时，第一存储区167中存储的电荷可注入到第一浮置扩散区151中。也就是说，第一存储区167可响应于第一注入控制信号HIGC1电连接到第一浮置扩散区151。此时，第一存储区162和第一浮置扩散区151可通过形成在半导体基板110上方的沟道直接彼此连接，或者可通过金属布线间接彼此连接。第三重置晶体管168响应于第三重置信号HRST1释放累积在存储区167中的电荷，以将第一存储区167初始化为地电压VSS的电平。
第二补偿单元170b可具有与第一补偿单元160b的结构基本上相同的结构。第二补偿单元170b可包括基于环境光分量产生第四电荷的第二环境光检测区172、响应于第四发送控制信号HTGC2导通/截止的第四注入栅极175、用于当第四发送栅极175导通时存储从第二环境光检测区172产生的第四电荷的第二存储区177、和响应于第二注入控制信号HIGC2导通/截止的第二注入栅极174。当在第四发送栅极175导通后第二注入栅极174导通时，存储在第二存储区177中的第四电荷可注入到第二浮置扩散区153中。第二补偿单元170b可包括第四重置晶体管178，第四重置晶体管178响应于第四重置信号HRST2释放累积在第二存储区177中的电荷，以将第二存储区177初始化为地电压VSS的电平。
补偿单元160b和170b中包括的环境光检测区162和172以及存储区167和177可形成在半导体基板110中，发送栅极165和175以及注入栅极164和174可形成在半导体基板110上方。可通过掺杂导电类型与半导体基板110的杂质的导电类型相同的杂质（例如，p型杂质）来形成环境光检测区162和172以及存储区167和177。在一个示例实施例中，环境光检测区162和172的尺寸可小于光检测区131和133的尺寸。
图10A和图10B是用于描述图8中示出的深度像素的补偿单元中包括的环境光检测区的结构示例的视图。图10A和图10B是示出图8中示出的第一环境光检测区的示例的剖视图。
参照图10A，第一环境光检测区162a可被实现为光电二极管。环境光检测区162a可包括第一杂质区DPR1和第二杂质区DPR2。可通过掺杂导电类型与半导体基板110的杂质的导电类型相同、浓度比半导体基板110中的杂质浓度高的第一杂质，在半导体基板110中形成第一杂质区DPR1。通过掺杂导电类型与第一杂质的导电类型不同的第二杂质，在半导体基板110中的第一杂质区DPR1下方形成第二杂质区DPR2。例如，第一杂质可以是p型杂质并且第二杂质可以是n型杂质。半导体基板110可以是p型半导体基板，第一杂质区DPR1可被掺杂浓度比半导体基板110中的杂质浓度高的p型杂质，第二杂质区DPR2可被掺杂n型杂质。
参照图10B，第一环境光检测区162b可被实现为钉扎光电二极管。环境光检测区162b可包括第一杂质区DPR1、第二杂质区DPR2和第三杂质区DPR3。第一杂质区DPR1和第二杂质区DPR2与图10A的第一杂质区DPR1和第二杂质区DPR2基本上相同。通过掺杂第二杂质，在半导体基板110中的第一杂质区DPR1上方形成第三杂质区DPR3。例如，半导体基板110可以是p型半导体基板，第一杂质区DPR1可被掺杂浓度比半导体基板110中的杂质浓度高的p型杂质，第二杂质区DPR2和第三杂质区DPR3可被掺杂n型杂质。
图10A中示出的第一环境光检测区162a和图10B中示出的第一环境光检测区162b可产生/收集电子-空穴对中的空穴。同时，尽管在图中未示出，但包括在第二补偿单元中的第二环境光检测区可具有与第一环境光检测区的结构基本上相同的结构。
图11A和图11B是在说明图8中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。图11A示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在光收集时间段期间被产生并且被收集，并且在读出时间段期间被注入到浮置扩散区中的示例实施例。图11B示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在光收集时间段期间被产生并且被收集，并且在光收集时间段期间被注入到浮置扩散区中的示例实施例。
参照图8、图9和图11A，深度像素100b在光收集时间段TINT之前启用重置信号RST1、RST2、HRST1和HRST2，以初始化浮置扩散区151和153和存储区167和177。
在光收集时间段TINT期间检测区，通过到达深度像素100b的接收光RX，分别从光检测区131和133产生第一电荷和第三电荷。另外，从环境光检测区162和172基于环境光分量产生第二电荷和第四电荷。
另外，在光收集时间段TINT期间启用第三发送控制信号HTGC1和第四发送控制信号HTGC2，使得第三电荷和第四电荷被分别存储在存储区167和177中。尽管图11A示出第三发送控制信号HTGC1和第四发送控制信号HTGC2在光收集时间段TINT期间保持启用状态，但根据示例实施例，第三发送控制信号HTGC1和第四发送控制信号HTGC2可只在光收集时间段TINT的部分持续时间内保持启用状态。
当读出时间段TRD开始时，启用第一重置信号RST1和第二重置信号RST2，使得浮置扩散区151和153被初始化。然后，启用第一采样控制信号SMPB，使得被初始化为电源电压VDD的浮置扩散区151和153的电压被检测为噪声电压VB1和VB2。然后，启用第一发送控制信号TGC1和第二发送控制信号TGC2，使得第一电荷和第三电荷分别被发送到第一浮置扩散区151和第三浮置扩散区153。同时，启用第一注入控制信号HIGC1和第二注入控制信号HIGC2，使得第二电荷和第四电荷被分别注入到浮置扩散区151和153中。然后，启用第二采样控制信号SMPD，使得与第一电荷和第二电荷的总和对应的第一浮置扩散区151的电压和与第三电荷和第四电荷的总和对应的第二浮置扩散区153的电压被分别检测为解调电压VD1和VD2。可基于检测到的电压VB1、VB2、VD1和VD2确定有效电压。
参照图8、图9和图11B，深度像素100b在光收集时间段TINT之前启用重置信号RST1、RST2、HRST1和HRST2以初始化浮置扩散区151和153和存储区167和177，并且启用第一采样信号SMPB，使得被初始化为电源电压VDD的浮置扩散区151和153的电压被分别检测为噪声电压VB1和VB2。
在光收集时间段TINT期间分别从光检测区131和133通过到达深度像素100b的接收光RX来产生第一电荷和第三电荷。另外，从环境光检测区162和172基于环境光分量产生第二电荷和第四电荷。
另外，在光收集时间段TINT的部分持续时间期间，启用第三发送控制信号HTGC1和第四发送控制信号HTGC2，使得第二电荷和第四电荷被分别存储在存储区167和177中。在启用第三发送控制信号HTGC1和第四发送控制信号HTGC2后，启用注入控制信号HIGC1和HIGC2，使得第二电荷和第四电荷被分别注入到浮置扩散区151和153中。
当读出时间段TRD开始时，启用第一发送控制信号TGC1和第二发送控制信号TGC2，使得第一电荷和第三电荷分别被发送到浮置扩散区151和153。然后，启用第二采样控制信号SMPB，使得与第一电荷和第二电荷的总和对应的第一浮置扩散区151的电压被检测为第一解调电压VD1，并且与第三电荷和第四电荷的总和对应的第二浮置扩散区153的电压被检测为第二解调电压VD2。可基于检测到的电压VB1、VB2、VD1和VD2确定有效电压。
图12是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。图13是沿着图12的I-I'线截取的剖视图并且代表图12中示出的深度像素的垂直结构。
参照图12和图13，深度像素100c包括第一光栅极121、第一光检测区131、第一桥扩散区135、第一发送栅极141、第一浮置扩散区151、第一补偿单元160a、第一输出单元180、第二光栅极123、第二光检测区133、第二桥扩散区137、第二发送栅极143、第二浮置扩散区153、第二补偿单元170a和第二输出单元190。深度像素100c还可包括沟道阻止区120。
图12的深度像素100c可与图4的深度像素100a基本上相同，除了深度像素100c还包括用作暂时存储区的桥扩散区135和137之外。图12的深度像素100c可以以与图7A或图7B的示例实施例类似的方式操作，除了第一电荷和第三电荷被暂时分别存储在桥扩散区135和137中，而非光检测区131和133中之外。
第一桥扩散区135可与第一光检测区131相邻地形成。第一光栅极121可形成在第一光检测区131上方，以响应于第一光控制信号PGC1将从第一光检测区131产生的第一电荷存储在第一桥扩散区135中。第一桥扩散区135响应于施加到第一发送栅极141的第一发送控制信号TGC1电连接到第一浮置扩散区151，使得第一电荷可从第一桥扩散区135发送到第一浮置扩散区151。
第二桥扩散区137可与第二光检测区133相邻地形成。第二光栅极123可形成在第二光检测区133上方，以响应于第二光控制信号PGC2将从第二光检测区133产生的第三电荷存储在第二桥扩散区137中。第二桥扩散区137响应于施加到第二发送栅极143的第二发送控制信号TGC2电连接到第二浮置扩散区153，使得第三电荷可从第二桥扩散区137发送到第二浮置扩散区153。
桥扩散区135和137可形成在半导体基板110中。类似于光检测区131和133和浮置扩散区151和153，可通过掺杂导电类型与半导体基板110的杂质的导电类型相反的杂质，形成桥扩散区135和137。
图14是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
参照图14，深度像素100d包括第一光栅极121、第一光检测区131、第一桥扩散区135、第一发送栅极141、第一浮置扩散区151、第一补偿单元160b、第一输出单元180、第二光栅极123、第二光检测区133、第二桥扩散区137、第二发送栅极143、第二浮置扩散区153、第二补偿单元170b和第二输出单元190。深度像素100d还可包括沟道阻止区120。
图14的深度像素100d可与图8的深度像素100b基本上相同，除了深度像素100d还包括用作暂时存储区的桥扩散区135和137之外。图14的深度像素100d可以以与图11A或图11B的示例实施例类似的方式操作，除了第一电荷和第三电荷被暂时分别存储在桥扩散区135和137中，而非光检测区131和133中之外。桥扩散区135和137可具有与图12中示出的桥扩散区135和137的构造基本上相同的构造。
图15是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。图16是沿着图15的I-I'线截取的剖视图并且代表图15中示出的深度像素的垂直结构。
参照图15和图16，深度像素100e包括第一光栅极125、第一光检测区131、第一存储区145、第一发送栅极141、第一浮置扩散区151、第一补偿单元160a、第一输出单元180、第二光栅极127、第二光检测区133、第二存储区147、第二发送栅极143、第二浮置扩散区153、第二补偿单元170a和第二输出单元190。深度像素100e还可包括沟道阻止区120。
图15的深度像素100e可与图4的深度像素100a基本上相同，除了光栅极125和127的构造变化并且深度像素100e还包括用作暂时存储区的存储区145和147之外。图15的深度像素100e可以以与图7A或图7B的示例实施例类似的方式操作，除了第一电荷和第三电荷被暂时分别存储在存储区145和147中，而非光检测区131和133中之外。
第一存储区145可与第一光检测区131分隔开。第一光栅极125可形成在第一光检测区131和第一存储区145之间的半导体基板110上方，以响应于第一光控制信号PGC1将从第一光检测区131产生的第一电荷存储在第一存储区145中。也就是说，与施加到第一光栅极125的第一光控制信号PGC1的相位对应的光电荷可被收集作为第一电荷并且被存储在第一存储区145中。第一存储区145响应于施加到第一发送栅极141的第一发送控制信号TGC1电连接到第一浮置扩散区151，使得第一电荷可从第一存储区145发送到第一浮置扩散区151。
第二存储区147可与第二光检测区133分隔开。第二光栅极127可形成在第二光检测区133和第二存储区147之间的半导体基板110上方，以响应于第二光控制信号PGC2将从第二光检测区133产生的第三电荷存储在第二存储区147中。第二存储区147响应于施加到第二发送栅极143的第二发送控制信号TGC2电连接到第二浮置扩散区153，使得第三电荷可从第二存储区147发送到第二浮置扩散区153。
存储区145和147可形成在半导体基板110中。类似于光检测区131和133以及浮置扩散区151和153，可通过掺杂导电类型与半导体基板110的杂质的导电类型相反的杂质，形成存储区145和147。
图17是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
参照图17，深度像素100f包括第一光栅极125、第一光检测区131、第一存储区145、第一发送栅极141、第一浮置扩散区151、第一补偿单元160b、第一输出单元180、第二光栅极127、第二光检测区133、第二存储区147、第二发送栅极143、第二浮置扩散区153、第二补偿单元170b和第二输出单元190。深度像素100f还可包括沟道阻止区120。
图17的深度像素100f可与图8的深度像素100b基本上相同，除了光栅极125和127的构造变化并且深度像素100f还包括用作暂时存储区的存储区145和147之外。图17的深度像素100f可以以与图11A或图11B的示例实施例类似的方式操作，除了第一电荷和第三电荷被暂时分别存储在存储区145和147中，而非光检测区131和133中之外。光栅极125和127以及存储区145和147可具有与图15中示出的光栅极125和127以及存储区145和147的构造基本上相同的构造。
图18是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。图19是沿着图18的I-I'线截取的剖视图并且代表图18中示出的深度像素的垂直结构。
参照图18和图19，深度像素100g包括第一光栅极121、第一光检测区131、第一桥扩散区135、第一存储栅极155、第一存储区145、第一发送栅极141、第一浮置扩散区151、第一补偿单元160a、第一输出单元180、第二光栅极123、第二光检测区133、第二桥扩散区137、第二存储栅极157、第二存储区147、第二发送栅极143、第二浮置扩散区153、第二补偿单元170a和第二输出单元190。深度像素100g还可包括沟道阻止区120。
图18的深度像素100g可与图4的深度像素100a基本上相同，除了深度像素100g还包括用作暂时存储区的桥扩散区135和137和存储区145和147以及存储栅极155和157之外。
第一桥扩散区135和第二桥扩散区137可分别与第一光检测区131和第二光检测区133相邻地形成。第一存储区145和第二存储区147可分别与第一桥扩散区135和第二桥扩散区137分隔开。第一光栅极121和第二光栅极123可分别形成在第一光检测区131和第二光检测区133上方，以分别响应于第一光控制信号PGC1和第二光控制信号PGC2将从第一光检测区131和第二光检测区133产生的第一电荷和第三电荷分别存储在第一桥扩散区135和第二桥扩散区137中。
第一存储栅极155和第二存储栅极157可分别形成在第一桥扩散区135与第一存储区145和第二桥扩散区137与第二存储区147之间的半导体基板110上方。第一桥扩散区135和第二桥扩散区137分别响应于施加到第一存储栅极155的第一存储控制信号SGC1和施加到第二存储栅极157的第二存储控制信号SGC2电连接到第一存储区145和第二存储区147，使得第一电荷和第三电荷可分别从第一桥扩散区135和第二桥扩散区137发送到第一存储区145和第二存储区147。
第一发送栅极141和第二发送栅极143可分别形成在第一存储区145与第一浮置扩散区151和第二存储区147与第二浮置扩散区153之间的半导体基板110上方。第一存储区145和第二存储区147分别响应于施加到第一发送栅极141的第一发送控制信号TGC1和施加到第二发送栅极143的第二发送控制信号TGC电连接到第一浮置扩散区151和第二浮置扩散区153，使得第一电荷和第三电荷可分别从第一存储区145和第二存储区147发送到第一浮置扩散区151和第二浮置扩散区153。
图20A和图20B是在描述图18中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。图20A示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在读出时间段期间注入浮置扩散区中的示例实施例，图20B示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在光收集时间段期间注入浮置扩散区中的示例实施例。
参照图18、图19和图20A，在光收集时间段TINT之前和在光收集时间段TINT期间的深度像素100g的操作可与图7A中示出的示例实施例的操作基本上相同。
当读出时间段TRD开始时，启用第一重置信号RST1和第二重置信号RST2，使得浮置扩散区151和153被初始化。然后，启用存储控制信号SGC1和SGC2，使得第一电荷和第三电荷分别被发送到存储区145和147。此后，启用第一采样控制信号SMPB，使得被初始化为电源电压VDD的第一浮置扩散区151和第二浮置扩散区153的电压被检测为噪声电压VB1和VB2。然后，启用发送控制信号TGC1和TGC2，使得第一电荷和第三电荷被分别发送到第一浮置扩散区151和第二浮置扩散区153。同时，启用注入控制信号HIGC1和HIGC2，使得第二电荷和第四电荷被分别注入到第一浮置扩散区151和第二浮置扩散区153中。然后，启用第二采样控制信号SMPD，使得与第一电荷和第二电荷的总和对应的第一浮置扩散区151的电压和与第三电荷和第四电荷的总和对应的第二浮置扩散区153的电压被检测为解调电压VD1和VD2。可基于检测到的电压VB1、VB2、VD1和VD2确定有效电压。
参照图18、图19和图20B，在光收集时间段TINT之前和在光收集时间段TINT期间的深度像素100g的操作可与图7B中示出的示例实施例的操作基本上相同。
当读出时间段TRD开始时，启用存储控制信号SGC1和SGC2，使得第一电荷和第三电荷被分别发送到第一存储区145和第二存储区147。然后，启用发送控制信号TGC1和TGC2，使得第一电荷和第三电荷被分别发送到第一浮置扩散区151和第二浮置扩散区153。另外，启用第二采样控制信号SMPD，使得与第一电荷和第二电荷的总和对应的第一浮置扩散区151的电压和与第三电荷和第四电荷的总和对应的第二浮置扩散区153的电压被检测为解调电压VD1和VD2。可基于检测到的电压VB1、VB2、VD1和VD2确定有效电压。
图21是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
参照图21，深度像素100h包括第一光栅极121、第一光检测区131、第一桥扩散区135、第一存储栅极155、第一存储区145、第一发送栅极141、第一浮置扩散区151、第一补偿单元160b、第一输出单元180、第二光栅极123、第二光检测区133、第二桥扩散区137、第二存储栅极157、第二存储区147、第二发送栅极143、第二浮置扩散区153、第二补偿单元170b和第二输出单元190。深度像素100h还可包括沟道阻止区120。
图21的深度像素100h可与图8的深度像素100b基本上相同，除了深度像素100h还包括用作暂时存储区的桥扩散区135和137和存储区145和147以及存储栅极155和157之外。桥扩散区135和137、存储区145和147以及存储栅极155和157可具有与图18中示出的桥扩散区135和137、存储区145和147以及存储栅极155和157的构造基本上相同的构造。
图22A和图22B是在描述图21中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。图22A示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在读出时间段期间注入浮置扩散区中的示例实施例，图22B示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在光收集时间段期间注入浮置扩散区中的示例实施例。
参照图21和图22A，深度像素100h可以以与图11A中示出的实施例类似的方式操作。然而，本示例实施例还可包括在读出时间段TRD期间启用存储控制信号SGC1和SGC2以将第一电荷和第三电荷分别发送到存储区145和147的步骤。这个步骤可在启用第一重置信号RST1和第二重置信号RST2的步骤之后和启用第一采样控制信号SMPB的步骤之后执行。
参照图21和图22B，深度像素100h可以以与图11B中示出的实施例类似的方式操作。然而，本示例实施例还可包括在读出时间段TRD期间启用存储控制信号SGC1和SGC2以将第一电荷和第三电荷分别发送到存储区145和147的步骤。这个步骤可在启用第一发送信号TGC1和第二发送信号TGC2的步骤之前执行。
图23是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。图24是沿着图23的I-I'线截取的剖视图并且代表图23中示出的深度像素的垂直结构。
参照图23和图24，深度像素100i可包括第一光栅极121、第一光检测区131、第一发送栅极141、公共浮置扩散区152、第一补偿单元160a、公共输出单元186、第二光栅极123、第二光检测区133、第二发送栅极143和第二补偿单元170a。
图23的深度像素100i包括一个公共浮置扩散区152和一个公共输出单元186，以顺序地检测噪声电压VB1和VB2和解调电压VD1和VD2。公共浮置扩散区152和公共输出单元186被两个半像素共用。第一半像素可包括光栅极121、第一光检测区131、第一发送栅极141和第一补偿单元160a，第二半像素可包括第二光栅极123、第二光检测区133、第二发送栅极143和第二补偿单元170a。光栅极121和123、光检测区131和133、发送栅极141和143和补偿单元160a和170a可具有与图4中示出的光栅极121和123、光检测区131和133、发送栅极141和143以及补偿单元160a和170a的构造基本上相同的构造。
当光栅极121和123响应于光控制信号PGC1和PGC2导通时，光检测区131和133可基于接收光RX分别产生第一电荷和第三电荷。环境光检测区161和171可基于环境光分量产生第二电荷和第四电荷。当发送栅极141和143响应于发送控制信号TGC1和TGC2导通时，第一电荷和第三电荷可累积在公共浮置扩散区152中。当注入栅极163和173响应于注入控制信号HIGC1和HIGC2导通时，第二电荷和第四电荷可被注入到公共浮置扩散区152中。由于深度像素100g包括一个公共浮置扩散区152，因此发送控制信号TGC1和TGC2以及注入控制信号HIGC1和HIGC2可以以相互不同的时序启用。
公共输出单元186可产生与累积在公共浮置扩散区152中的电荷对应的电信号。公共输出单元186可包括重置晶体管187、驱动晶体管188和选择晶体管189。重置晶体管187响应于重置信号RST释放累积在公共浮置扩散区152中的电荷，以将公共浮置扩散区152初始化为电源VDD的电平。驱动晶体管188可放大公共浮置扩散区152的电压。选择晶体管189可响应于选择信号SEL1将被驱动晶体管188放大的电压作为输出电压CVOUT供应到输出线196。
图25是在描述图23中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。图25示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在读出时间段期间被注入到公共浮置扩散区中的示例实施例。
参照图23、图24和图25，在光收集时间段TINT之前和在光收集时间段TINT期间的深度像素100i的操作可与图7A中示出的示例实施例的操作基本上相同。
当读出时间段TRD开始时，启用重置信号RST，使得公共浮置扩散区152被初始化。然后，启用第一采样控制信号SMPB，使得被初始化为电源电压VDD的公共浮置扩散区152的电压被检测为第一噪声电压VB1。另外，启用第一发送控制信号TGC1，使得第一电荷被发送到公共浮置扩散区152。同时，启用第一注入控制信号HIGC1，使得第二电荷被注入到公共浮置扩散区152。然后，启用第二采样控制信号SMPD，使得与第一电荷和第二电荷的总和对应的公共浮置扩散区152的电压被检测为第一解调电压VD1。此后，再次启用重置信号RST以初始化公共浮置扩散区152，并且再次启用第一采样控制信号SMPD，使得被初始化为电源电压VDD的公共浮置扩散区152的电压被检测为第二噪声电压VB2。然后，启用第二发送控制信号TGC2，使得第三电荷被发送到公共浮置扩散区152。同时，启用第二注入控制信号HIGC2，使得第四电荷被注入到公共浮置扩散区152。然后，再次启用第二采样控制信号SMPD，使得与第三电荷和第四电荷的总和对应的公共浮置扩散区152的电压被检测为第二解调电压VD2。可基于检测到的电压VB1、VB2、VD1和VD2确定有效电压。
图26是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
参照图26，深度像素100j可包括第一光栅极121、第一光检测区131、第一发送栅极141、公共浮置扩散区152、第一补偿单元160b、公共输出单元186、第二光栅极123、第二光检测区133、第二发送栅极143和第二补偿单元170b。
图26的深度像素100j可与图23的深度像素100i基本上相同，除了补偿单元160b和170b的配置之外。补偿单元160b和170b的构造可与图8中示出的补偿单元160b和170b的构造基本上相同。
图27是在描述图26中示出的深度像素的操作示例的过程中参考的时序图。图27示出第二电荷和第四电荷（即，空穴）在读出时间段期间注入公共浮置扩散区中的示例实施例。
参照图27，在光收集时间段TINT之前和在光收集时间段TINT期间的深度像素100j的操作可与图11A中示出的示例实施例的操作基本上相同，在读出时间段TRD期间的深度像素100j的操作可与图25中示出的示例实施例的操作基本上相同。
同时，尽管未示出，但包括一个公共浮置扩散区152和一个公共输出单元186的图23和图26的深度像素100i和100j还可包括以上参照图12、图14、图15、图17、图18和图21描述的桥扩散区135和137以及存储区145和147（即，暂时存储区）中的至少一个。
图28和图29是示出根据另一个示例实施例的图1中示出的深度像素的平面图。
参照图28，深度像素200a包括形成在半导体基板210的内部或上方的第一光栅极221、第一光检测区231、第一发送栅极241、第一浮置扩散区251、第一补偿单元260a、第一输出单元280、第二光栅极223、第二光检测区233、第二发送栅极243、第二浮置扩散区253、第二补偿单元270a和第二输出单元290。深度像素200a还可包括沟道阻止区220。
图28的深度像素200a可具有与图4的深度像素100a的构造基本上相同的构造。详细地，包括光栅极221和223、光检测区231和233、发送栅极241和243、浮置扩散区251和253以及输出单元280和290的主感测块可具有与图5A中示出的构造基本上相同的构造，包括补偿单元260a和270a的补偿块可具有与图5B中示出的构造基本上相同的构造。输出单元280和290可分别包括重置晶体管281和291、驱动晶体管283和293以及选择晶体管285和295，补偿单元260a和270a可分别包括环境光检测区261和271、注入栅极263和273和重置晶体管269和279。
就图28中示出的深度像素200a而言，主感测块可基于接收光RX产生/收集空穴并且补偿块可基于环境光分量产生/收集空穴。在这种情况下，半导体基板210可以是p型半导体基板，可通过掺杂浓度比半导体基板210中的杂质浓度高的p型杂质形成光检测区231和233和浮置扩散区251和253，使得光检测区231和233可产生/收集电子-空穴对中的空穴。另外，通过掺杂浓度比半导体基板210中的杂质浓度高或者浓度在朝向半导体基板110的顶表面的方向上逐渐增大的n型杂质，形成环境光检测区261和271，使得环境光检测区261和271可产生/收集电子-空穴对中的空穴。
参照图29，深度像素200b包括第一光栅极221、第一光检测区231、第一发送栅极241、第一浮置扩散区251、第一补偿单元260b、第一输出单元280、第二光栅极223、第二光检测区233、第二发送栅极243、第二浮置扩散区253、第二补偿单元270b和第二输出单元290。深度像素200b还可包括沟道阻止区220。
图29的深度像素200b可与图28的深度像素200a基本上相同，除了补偿单元260b和270b的构造之外。也就是说，图29中示出的深度像素200b的主感测块可具有与图28中示出的深度像素200a的主感测块的构造基本上相同的构造。
包括补偿单元260b和270b的补偿块可具有与图9中示出的构造基本上相同的构造。补偿单元260b和270b可分别包括环境光检测区262和272、注入栅极264和274、发送栅极265和275、存储区267和277以及重置晶体管268和278。环境光检测区262和272以及存储区267和277可被掺杂与掺杂在半导体基板210中的杂质具有相同类型的n型杂质。环境光检测区262和272可被实现为用于产生/收集电子-空穴对中的空穴的光电二极管或钉扎二极管。
同时，尽管未示出，但主感测块可基于接收光RX产生/收集空穴并且补偿块可基于环境光分量产生/收集空穴的图28和图29的深度像素200a和200b还可包括以上参照图12、图14、图15、图17、图18和图21描述的桥扩散区135和137以及存储区145和147（即，暂时存储区）中的至少一个，并且可包括以上参照图23和图26描述的一个公共浮置扩散区152和一个公共输出单元186。
图30是示出根据示例实施例的三维图像传感器的框图。图31是示出图30中示出的三维图像传感器中包括的像素阵列的示例的示图。
参照图30和图31，三维图像传感器500包括像素阵列510、行驱动单元520、ADC（模数转换）单元530、光源单元540、DSP（数字信号处理）单元550和控制单元560。
光源单元540发送调制的发送光TX来照射对象580。光源单元540可包括光源541和透镜543。光源541可产生具有预定波长（例如，红外或近红外）的光。光源541可被实现为发光二极管（LED）或激光二极管，并且可产生强度周期性变化的光。例如，可调制光源541发射的光，使其具有连续脉冲，诸如脉冲波、正弦波或余弦波。透镜543可将从光源541发射到对象580上的光会聚为发送光TX。
像素阵列510包括多个深度像素511。像素阵列510基于被对象580反射的接收光RX产生表征从三维图像传感器500到对象580的距离的信息。也就是说，深度像素511中的每个可提供表征从三维图像传感器500到对象580的距离的信息。接收光RX可包括从光源540发射并且被对象580反射的反射光和环境光的分量。在一个实施例中，三维图像传感器500可使用反射光和环境光的分量中包括的红外线或近红外线。在这种情况下，可在深度像素511上形成红外滤波器或近红外滤波器。
深度像素511中的每个可以是图1中示出的深度像素10并且可如以上参照图4、图8、图12、图14、图15、图17、图18、图21、图23、图26、图28和图29描述来实现。也就是说，各深度像素511可包括具有光检测区和环境光检测区的补偿单元，所述光检测区基于接收光RX产生与电子-空穴对中的一个（例如，电子）对应的第一电荷，所述环境光检测区基于环境光分量产生与电子-空穴对中的另一个（例如，空穴）对应的第二电荷。由于第一电荷中的一些在与第二电荷复合之后消失，因此即使环境光相当强，包括深度像素511的三维图像传感器也可准确地测量到对象580的距离，而性能没有降低。
行驱动单元520连接到像素阵列510中的各行并且可产生用于驱动各行的驱动信号。例如，行驱动单元520可以以行为单位驱动像素阵列510中包括的深度像素511。
ADC单元530连接到像素阵列510中的各列，以将从像素阵列510输出的模拟信号转换成数字信号。在一个示例实施例中，ADC单元530可包括多个模数转换器，以执行用于并行（即，同时）将各列线输出的模拟信号转换成数字信号的列ADC。在另一个示例实施例中，ADC单元530可包括单个模数转换器，以执行用于将模拟信号顺序地转换成数字信号的单个ADC。
根据示例实施例，ADC单元530可包括CDS（相关双采样）单元，以提取有效的信号分量。在一个示例实施例中，CDS单元可基于代表重置分量的模拟重置信号和代表信号分量的模拟数据信号之差执行模拟双采样，以提取有效信号分量。在另一个示例实施例中，CDS单元可执行数字双采样，在所述中，模拟重置信号和模拟数据信号被分别转换成数字信号，然后这两个数字信号之差被提取作为有效信号分量。在另一个示例实施例中，CDS单元可执行包括模拟双采样和数字双采样二者的双重相关双采样。
DSP单元550接收从ADC单元530输出的数字信号并且针对数字信号处理图像数据。例如，DSP单元550可执行图像插值、颜色校正、白平衡、伽玛校正和颜色转换。
控制器560可控制行驱动单元520、ADC单元530、光源单元540和DSP单元550。控制器560可供应控制信号，诸如用于操作行驱动单元520、ADC单元530、光源单元540和DSP单元550的时钟信号和时序控制信号。在一个示例实施例中，控制单元560可包括逻辑控制电路、锁相环（PLL）电路、时序控制电路和通信接口电路。
图32是示出图30中示出的三维图像传感器中包括的像素阵列的另一示例的示图。
参照图30和图32，像素阵列510可包括多个深度像素511a、511b、511c和511d。
深度像素511a和511c排列在像素阵列510的第一行，深度像素511b和511d排列在像素阵列510的第二行。深度像素511a和511b可排列在像素阵列510的第一列并且深度像素511c和511d可排列在像素阵列510的第二列。深度像素511a、511b、511c和511d可分别包括主感测块MS1、MS2、MS3和MS4以及补偿块CA和CB。如以上参照图4描述的，主感测块MS1、MS2、MS3和MS4可分别包括光栅极、光检测区、发送栅极、浮置扩散区和输出单元，补偿单元CA和CB可分别包括补偿单元。
如以上参照图30描述的，由于像素阵列510中包括的深度像素以行为单位驱动，因此排列在互不相同的行中并且彼此相邻的深度像素511a、511b、511c和511d中的两个深度像素可共用一个补偿块。例如，深度像素511a和511b可共用补偿块CA并且深度像素511c和511d可共用补偿块CB。换句话讲，第一深度像素511a可包括具有第一光栅极和第二光栅极、第一光检测区和第二光检测区、第一发送栅极和第二发送栅极、第一浮置扩散区和第二浮置扩散区以及第一输出单元和第二输出单元的第一主感测块MS1，并且第二深度像素511b可包括具有第三光栅极和第四光栅极、第三光检测区和第四光检测区、第三发送栅极和第四发送栅极、第三浮置扩散区和第四浮置扩散区以及第三输出单元和第四输出单元的第二主感测块MS2。另外，第一深度像素511a和第二深度像素511b可共用包括第一补偿单元和第二补偿单元的第一补偿块CA。
图33是在描述图30中示出的三维图像传感器的操作示例的过程中参考的时序图。图33示出这样的示例实施例，其中，包括在图30中示出的三维图像传感器500中的像素阵列510被构造成使得两个相邻的深度像素如图32中所示共用一个补偿块，具体地，补偿块的补偿单元如图4中所示实现。
参照图30、图32和图33，信号PGC1、PGC2、RST1、RST2、TGC1、TGC2、VOUT1和VOUT2与第一深度像素511a的第一主感测块MS1相关，信号PGC3、PGC4、RST3、RST4、TGC3、TGC4、VOUT3和VOUT4与第二深度像素511b的第二主感测块MS2相关，信号HRST1、HRST2、HIGC1和HIGC2与第一深度像素511a和第二深度像素511b共用的第一补偿块CA相关。
在图33中，在第一光收集时间段TINT1和第一读出时间段TRD1期间，驱动第一深度像素511a，使得检测到噪声电压BA和解调电压DA，在第二光收集时间段TINT2和第一读出时间段TRD2期间，驱动第二深度像素511b，使得检测到噪声电压BB和解调电压DB。第一深度像素511a的操作和第二深度像素511b的操作可与图7A中示出的示例实施例的操作基本上相同，除了第一深度像素511a和第二深度像素511b共用第一补偿块CA之外。
尽管在图中未示出，但第一深度像素511a的操作和第二深度像素511b的操作可与图7B、图11A和图11B中示出的示例实施例的操作基本上相同。
图34是示出根据示例实施例的三维图像传感器的框图。图35A和图35B是示出图34中示出的三维图像传感器中包括的像素阵列的示例的示图。
参照图34、图35A和图35B，三维图像传感器600包括像素阵列610、第一行驱动单元620a、第二行驱动单元620b、第一ADC单元630a、第二ADC单元630b、光源单元640、DPS单元650和控制单元660。
光源单元640发送调制的发送光TX来照射对象680。光源单元640可包括光源641和透镜643。光源单元640可与图30中示出的光源单元540基本上相同。
像素阵列610基于被对象680反射的接收光RX产生表征从三维图像传感器600到对象680的距离的信息。像素阵列610可包括多个深度像素和多个颜色像素。根据示例实施例，像素阵列610中包括的深度像素相对于颜色像素的比率和定位可变化。例如，如图35A中所示，像素阵列610a可包括深度像素611a（Z）和颜色像素613a（RGB），或者如图35B中所示，像素阵列610b可包括深度像素611b（Z）和颜色像素613b（RGB）。在深度像素上可形成红外（或近红外）滤波器，并且在颜色像素上可形成滤色器（例如，红色、绿色和蓝色滤色器）。
第一行驱动单元620a连接到各行颜色像素并且可产生第一驱动信号以驱动各行颜色像素。第二行驱动单元620b连接到各行深度像素并且可产生第二驱动信号以驱动各行深度像素。第一ADC单元630a连接到各列颜色像素以将各列颜色像素输出的第一模拟信号转换成第一数字信号。第二ADC单元630b连接到各列深度像素以将各列深度像素输出的第二模拟信号转换成第二数字信号。DSP单元650从第一ADC单元630a和第二ADC单元630b接收第一数字信号和第二数字信号，以针对第一数字信号和第二数字信号处理图像数据。控制单元660可控制第一行驱动单元620a、第二行驱动单元620b、第一ADC单元630a、第二ADC单元630b、光源单元640和DSP单元650。
图36是示出根据示例实施例的操作三维图像传感器的深度像素的方法的流程图。
参照图1、图2、图3、图30和图36，在驱动三维图像传感器的深度像素的方法中，在光收集时间段TINT期间基于被对象580反射的接收光RX产生第一电荷（步骤S110）。光检测区可产生/收集第一电荷，第一电荷可对应于电子-空穴对中的一个（例如，电子）。
然后，基于接收光RX中包括的环境光分量，产生不同于第一电荷的第二电荷（步骤S120）。补偿单元60（具体地讲，补偿单元60的环境光检测区）可产生/收集第二电荷，第二电荷可对应于电子-空穴对中的另一个（例如，空穴）。在一个示例实施例中，可在光收集时间段TINT期间产生第二电荷。
在读出时间段TRD期间第一电荷累积在浮置扩散区50中（步骤S130）。第二电荷被注入到浮置扩散区50中（步骤S140）。第一电荷中的一些在与浮置扩散区50中的第二电荷复合之后消失，使得可补偿原本由环境光分量造成的深度误差。在一个示例实施例中，如图7A和图11A中所示，在读出时间段TRD期间，第二电荷可被注入到浮置扩散区50中。在另一个示例实施例中，如图7B和图11B中所示，在光收集时间段TINT期间，第二电荷可被注入到浮置扩散区50。
图37是示出在根据示例实施例的三维图像传感器中测量距离的方法的流程图。
参照图1、图2、图3、图30和图37，在三维图像传感器中测量距离的方法中，将调制的发送光TX照射到对象580上（步骤S210）。例如，可以调制发送光TX，使其具有脉冲波、正弦波或余弦波。
在光收集时间段TINT期间，基于被对象580反射的接收光RX产生第一电荷（步骤S220）。基于接收光RX中包括的环境光分量，产生不同于第一电荷的第二电荷（步骤S230）。步骤S220和S230可与图36的步骤S110和S120基本上相同。
在浮置扩散区50被初始化后，检测与浮置扩散区50的电压对应的噪声电压VB（步骤S240）。例如，启用重置信号RST，以将浮置扩散区50初始化为电源电压VDD的电平，启用采样控制信号SMPB以将被初始化的浮置扩散区50的电压检测为噪声电压VB。
在检测到噪声电压VB后，在读出时间段TRD期间，第一电荷累积在浮置扩散区50中（步骤S250）。第二电荷被注入到浮置扩散区50中（步骤S260）。步骤S250和S260可与图36的步骤S130和S140基本上相同。
检测与第一电荷和第二电荷的总和对应的解调电压VD（步骤S270）。基于噪声电压VB和解调电压VD之差确定有效电压（步骤S280）。
图38是示出根据示例实施例的三维图像传感器应用于相机的应用的框图。
参照图38，相机800可包括光接收透镜810、三维图像传感器820、电机单元830、引擎单元840。三维图像传感器820可以是图30或图34中示出的三维图像传感器，并且可包括图像传感器芯片821和光源模块823。根据示例实施例，图像传感器芯片821和光源模块823可彼此单独地设置，或者光源模块823中的至少一部分可被包括在图像传感器芯片821中。另外，光接收透镜810可被制备为三维图像传感器820的一部分。
光接收透镜810可将入射光会聚到图像传感器芯片821的光接收区（例如，深度像素和/或颜色像素）上。图像传感器芯片821可基于穿过光接收透镜810入射的可见光线或红外线产生包括距离信息和/或颜色图像信息的数据DATA1。例如，从图像传感器芯片821产生的数据DATA1可包括通过使用光源模块823发射的红外线或近红外线产生的距离数据，并且还可包括通过使用外部可见光线产生的拜耳图案（Bayer patteren）的RGB数据（RGB）。以此方式，图像传感器芯片821可用作用于提供距离信息和颜色图像信息的三维颜色图像传感器。
图像传感器芯片821包括深度像素和颜色像素以提供距离信息和颜色图像信息。各深度像素包括具有光检测区和环境光检测区的补偿单元，所述光检测区基于接收光RX产生与电子-空穴对中的一个（例如，电子）对应的第一电荷，所述环境光检测区基于环境光分量产生与电子-空穴对中的另一个（例如，空穴）对应的第二电荷。由于第一电荷中的一些在与第二电荷复合之后消失，因此即使环境光相当强，包括深度像素的图像传感器芯片也可以准确地测量到对象的距离，而性能没有降低。
图像传感器芯片821可基于时钟信号CLK向引擎单元840提供数据DATA1。根据示例实施例，图像传感器芯片821可通过MIPI（移动行业处理器接口）和/或CSI（相机串行接口）与引擎单元840连接。
电机单元830可响应于从引擎单元840接收的控制信号CTRL调节光接收透镜810的焦距，或者可执行快门操作。根据示例实施例，可由电机单元830或图像传感器芯片821控制光源模块823中的光源和透镜之间的相对位置。
引擎单元840控制图像传感器820和电机单元830。另外，引擎单元840可处理从图像传感器821接收的数据DATA1。例如，引擎单元840可基于从图像传感器芯片821接收的数据DATA1产生三维颜色数据。在另一个示例实施例中，引擎单元840可基于数据DATA1中包括的RGB数据，产生包括亮度分量、亮度分量和蓝色分量之差、亮度分量和红色分量之差的YUV数据，或者可产生压缩数据，诸如JPEG（联合图像专家组）数据。引擎单元840可连接到主机/应用850，以基于主时钟MCLK向主机/应用850提供数据DATA2。另外，引擎单元840可通过SPI（串行外围接口）和/或I2C（内部集成电路）与主机/应用850接口连接。
图39是示出根据示例实施例的三维图像传感器应用于计算系统的应用的框图。
参照图39，计算系统1000可包括处理器1010、内存装置1020、三维图像传感器1030、存储装置1040、输入/输出装置1050和电源1060。尽管在图39中未示出，但计算系统1000还可包括能够与视频卡、声卡、内存卡、USB装置或其它电子装置建立通信的端口。
处理器1010可执行特定计算或任务。根据示例实施例，处理器1010可包括微处理器或CPU（中央处理单元）。处理器1010可通过地址总线、控制总线和数据总线与内存装置1020、存储装置1040和输入/输出装置1050建立通信。根据示例实施例，处理器1010还可连接到扩展总线,诸如PCI（外围组件互连）总线。
内存装置1020可存储操作计算系统1000所需的数据。例如，内存装置1020可被实现为易失性存储器，诸如DRAM（动态随机存取存储器）、SRAM（静态随机存取存储器）或移动DRAM。另外，内存装置1020可被实现为非易失性存储器，诸如EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）、闪速存储器、PRAM（相变随机存取存储器）、RRAM（电阻随机存取存储器）、NFGM（纳米浮栅存储器）、PoRAM（聚合物随机存取存储器）、MRAM（磁随机存取存储器）、FRAM（铁电随机存取存储器）。
存储装置1040可包括固态驱动器、硬盘驱动器或CD-ROM。输入/输出装置1050可包括诸如键盘、小键盘或鼠标的输入单元和诸如打印机或显示器的输出单元。电源1060可供应操作计算系统1000所需的电力。
三维图像传感器1030可通过总线或其它通信链路连接到处理器1010，以建立与处理器1010的通信。如上所述，三维图像传感器1030可以是提供距离信息和颜色图像信息的三维图像传感器。三维图像传感器1030可包括深度像素和颜色像素以提供距离信息和颜色图像信息。各深度像素包括具有光检测区和环境光检测区的补偿单元，所述光检测区基于接收光RX产生与电子-空穴对中的一个（例如，电子）对应的第一电荷，所述环境光检测区基于环境光分量产生与电子-空穴对中的另一个（例如，空穴）对应的第二电荷。由于第一电荷中的一些在与第二电荷复合之后消失，因此即使环境光相当强，包括深度像素的三维图像传感器1030也可以准确地测量到对象的距离，而性能没有降低。
可根据各种封装技术中的任一种封装三维图像传感器1030。例如，可通过使用诸如PoP（层叠封装）、球栅阵列（BGA）、芯片级封装（CSP）、塑料引线芯片载体（PLCC）、塑料双列直插封装（PDIP）、裸片格栅封装（die in wafflepack）、裸片级晶片形式（die in wafer form）、板上芯片（COB）、陶瓷双列直插封装（CERDIP）、塑料方形扁平封装（公制）（MQFP）、薄方形扁平封装（TQFP）、小外形封装（SOIC）、窄间距小外形封装（SSOP）、薄小外形封装（TSOP）、系统级封装（SIP）、多芯片封装（MCP）、晶片级制造封装（WFP）和晶片级加工堆叠封装（WSP）的封装技术安装三维图像传感器1030中的至少一部分。
同时，计算系统1000必须是采用三维图像传感器的各种类型的计算系统中的任一种。例如，计算系统1000可包括移动电话、智能电话、PDA（个人数字助理）、PMP（便携式多媒体播放器）、数字相机、PC（个人计算机）、服务器计算机、工作站、笔记本计算机、数字电视、机顶盒、音乐播放器、便携式游戏控制台和导航系统。
图40是示出图39的计算系统中使用的接口的一个示例的框图。
参照图40，计算系统1100可被实现为使用或支持MIPI（移动行业处理器接口）的数据处理装置（例如，便携式电话、PDA、便携式多媒体播放器或智能电话）。计算系统1100可包括应用处理器1110、三维图像传感器1140和显示装置1150。
应用处理器1110的CSI主机1112可经由相机串行接口（CSI）与三维图像传感器1140的CSI装置1141执行串行通信。在一个示例实施例中，CSI主机1112可包括解串器DES并且CSI装置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）执行与显示装置1150的DSI装置1151的串行通信。在一个示例实施例中，DSI主机1111可包括串行器SER并且DSI装置1151可包括解串器DES。
计算系统1000还可包括与应用处理器1110执行通信的射频（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执行数据通信。应用处理器1110还可包括控制PHY1161的数据通信的DigRF主机1114。
同时，计算系统1000可包括全球定位系统（GPS）1120、存储器1170、麦克风1180、DRAM1185和扬声器1190。另外，通信系统1100可使用超宽带（UWB）1120、无线局域网（WLAN）1220和全球微波接入互操作（WIMAX）1230执行数据通信。然而，计算系统1100的以上结构和接口只是出于示例的目的，示例实施例可不限于此。
示例实施例可应用于三维图像传感器和包括三维图像传感器的电子装置。例如，示例实施例可应用于诸如便携式电话、智能电话、平板PC、笔记本计算机、个人数字助理（PDA）、便携式媒体播放器（PMP）、数字相机、音乐播放器、游戏控制台和导航系统的各种装置。
以上示出示例实施例并且将不被解释为是对示例实施例的限制。尽管已描述了数个示例实施例，但本领域的技术人员应该容易理解，在实质上不脱离本发明构思的新颖教导和优点的情况下，可在示例实施例中进行许多修改。因此，所有这类修改意在被包括在如权利要求限定的本发明构思的范围内。因此，要理解，以上示出各种示例实施例的示例并且将不被解释为限于所公开的特定实例实施例，并且所公开的示例实施例的修改以及其它实例实施例意在被包括在权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种三维图像传感器的深度像素，所述深度像素包括：
第一光栅极，响应于第一光控制信号导通/截止；
第一光检测区，被配置为当第一光栅极导通时基于被对象反射的接收光产生第一电荷；
第一发送栅极，响应于第一发送控制信号导通/截止；
第一浮置扩散区，被配置为当第一发送栅极导通时累积从第一光检测区产生的第一电荷；和
第一补偿单元，被配置为基于接收光中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷，以向第一浮置扩散区供应第二电荷。
2.如权利要求1所述的深度像素，其中，第一补偿单元包括：
第一环境光检测区，被配置为基于环境光分量产生第二电荷；和
第一注入栅极，响应于第一注入控制信号导通/截止。
3.如权利要求2所述的深度像素，其中，当第一注入栅极导通时，从第一环境光检测区产生的第二电荷被注入到第一浮置扩散区中。
4.如权利要求2所述的深度像素，其中，第一环境光检测区的尺寸小于第一光检测区的尺寸。
5.如权利要求2所述的深度像素，其中，第一环境光检测区包括在半导体基板中形成的杂质区，杂质区的导电类型与半导体基板的导电类型相同，杂质区的杂质浓度大于半导体基板的杂质浓度。
6.如权利要求5所述的深度像素，其中，杂质区的杂质浓度在朝向接收光入射的半导体基板的表面的方向上逐渐增大。
7.如权利要求2所述的深度像素，其中，第一补偿单元还包括：第一重置晶体管，第一重置晶体管被配置为响应于第一重置信号初始化第一环境光检测区。
8.如权利要求2所述的深度像素，其中，第一补偿单元还包括：
第二发送栅极，响应于第二发送控制信号导通/截止；和
第一存储区，被配置为当第二发送栅极导通时存储从第一环境光检测区产生的第二电荷。
9.如权利要求8所述的深度像素，其中，当第二发送栅极导通后第一注入栅极导通时，存储在第一存储区中的第二电荷被注入到第一浮置扩散区中。
10.如权利要求8所述的深度像素，其中，第一环境光检测区包括：
在半导体基板中形成的第一杂质区，第一杂质区的导电类型与半导体基板的导电类型相同，第一杂质区的杂质浓度大于半导体基板的杂质浓度；和
在第一杂质区下方的半导体基板中形成的第二杂质区，第二杂质区的导电类型与第一杂质区的导电类型不同。
11.如权利要求10所述的深度像素，其中，第一环境光检测区还包括在第一杂质区上方的半导体基板中形成的第三杂质区，第三杂质区具有与第二杂质区相同的导电类型。
12.如权利要求8所述的深度像素，其中，第一补偿单元还包括：第一重置晶体管，第一重置晶体管被配置为响应于第一重置信号初始化第一存储区。
13.如权利要求1所述的深度像素，还包括：
第二光栅极，响应于第二光控制信号导通/截止；
第二光检测区，被配置为当第二光栅极导通时基于接收光产生第三电荷；
第二发送栅极，响应于第二发送控制信号导通/截止；
第二浮置扩散区，被配置为当第一发送栅极导通时累积从第二光检测区产生的第三电荷；和
第二补偿单元，被配置为基于环境光分量产生不同于第三电荷的第四电荷，以向第二浮置扩散区供应第四电荷。
14.如权利要求13所述的深度像素，还包括：位于第一光检测区和第二光检测区之间的沟道阻止区。
15.如权利要求1所述的深度像素，其中，第一光控制信号在光收集时间段期间在第一逻辑电平和第二逻辑电平之间周期性地切换，并且在读出时间段期间具有第一逻辑电平，
第二电荷在光收集时间段期间被产生并且被收集，并且在光收集时间段或读出时间段期间被注入到第一浮置扩散区。
16.如权利要求1所述的深度像素，还包括：第一输出单元，第一输出单元被配置为产生与第一电荷和第二电荷的总和对应的输出电压。
17.如权利要求16所述的深度像素，其中，第一输出单元包括：
第一重置晶体管，被配置为响应于第一重置信号初始化第一浮置扩散区；
第一驱动晶体管，被配置为放大第一浮置扩散区的电压；和
第一选择晶体管，被配置为将被第一驱动晶体管放大的电压作为输出电压输出。
18.一种三维图像传感器的深度像素，所述深度像素包括：
第一光检测区和第二光检测区，被配置为基于被对象反射的接收光产生第一电荷；
第一浮置扩散区和第二浮置扩散区，被配置为分别累积从第一光检测区产生的第一电荷和从第二光检测区产生的第一电荷；和
第一补偿单元和第二补偿单元，被配置为基于接收光中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷，以分别向第一浮置扩散区和第二浮置扩散区供应第二电荷。
19.如权利要求18所述的深度像素，还包括：
第一桥扩散区和第二桥扩散区，分别与第一光检测区和第二光检测区相邻；和
第一光栅极和第二光栅极，分别形成在第一光检测区和第二光检测区上方，并且被配置为响应于第一光控制信号和第二光控制信号将从第一光检测区产生的第一电荷和从第二光检测区产生的第一电荷分别存储在第一桥扩散区和第二桥扩散区中。
20.如权利要求18所述的深度像素，还包括：
第一存储区和第二存储区，分别与第一光检测区和第二光检测区分隔开；和
第一光栅极和第二光栅极，被配置为响应于第一光控制信号和第二光控制信号将第一光检测区和第二光检测区分别电连接到第一存储区和第二存储区。
21.如权利要求18所述的深度像素，还包括：
第一桥扩散区和第二桥扩散区，分别与第一光检测区和第二光检测区相邻；
第一存储区和第二存储区，分别与第一桥扩散区和第二桥扩散区分隔开；
第一光栅极和第二光栅极，分别形成在第一光检测区和第二光检测区上方，并且被配置为响应于第一光控制信号和第二光控制信号将从第一光检测区产生的第一电荷和从第二光检测区产生的第一电荷分别存储在第一桥扩散区和第二桥扩散区中；和
第一存储栅极和第二存储栅极，被配置为将第一桥扩散区和第二桥扩散区分别电连接到第一存储区和第二存储区。
22.一种三维图像传感器，包括：
光源单元，被配置为使用调制的发送光照射对象；和
像素阵列，包括多个深度像素，并且被配置为基于被对象反射的接收光产生表征到对象的距离的距离信息，
其中，所述多个深度像素之中的第一深度像素包括：
第一光栅极，响应于第一光控制信号导通/截止；
第一光检测区，被配置为当第一光栅极导通时基于接收光产生第一电荷；
第一发送栅极，响应于第一发送控制信号导通/截止；
第一浮置扩散区，被配置为当第一发送栅极导通时累积从第一光检测区产生的第一电荷；和
第一补偿单元，被配置为基于接收光中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷，以向第一浮置扩散区供应第二电荷。
23.如权利要求22所述的三维图像传感器，其中，所述多个深度像素之中的与第一深度像素相邻的第二深度像素包括：
第二光栅极，响应于第二光控制信号导通/截止；
第二光检测区，被配置为当第二光栅极导通时基于接收光产生第三电荷；
第二发送栅极，响应于第二发送控制信号导通/截止；
第二浮置扩散区，被配置为当第二发送栅极导通时累积从第二光检测区产生的第三电荷，
其中，第一补偿单元被第一深度像素和第二深度像素共用，并且被配置为产生不同于第三电荷的第二电荷。
24.一种操作三维图像传感器的深度像素的方法，所述方法包括：
基于被对象反射的接收光，在光收集时间段期间产生第一电荷；
基于接收光中包括的环境光分量产生不同于第一电荷的第二电荷；
在读出时间段期间将第一电荷累积在浮置扩散区中；和
将第二电荷注入到浮置扩散区中。
25.如权利要求24所述的方法，其中，在光收集时间段期间执行产生第二电荷的步骤。
26.如权利要求25所述的方法，其中，在光收集时间段期间执行将第二电荷注入到浮置扩散区中的步骤。
27.如权利要求25所述的方法，其中，在读出时间段期间执行将第二电荷注入到浮置扩散区中的步骤。
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