CN104051483B - 深度像素和包括该深度像素的三维图像传感器 - Google Patents

深度像素和包括该深度像素的三维图像传感器 Download PDF

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Abstract

提供了一种深度像素和包括该深度像素的三维图像传感器。所述深度像素包括光检测区、第一光栅极、第二光栅极、第一浮动扩散区和第二浮动扩散区。光检测区基于由对象反射的光来收集光电荷。收集到的光电荷基于在光检测区中的内电场在第一方向和与第一方向不同的第二方向上漂移。第一光栅极响应于第一光控制信号而被激活。如果第一光栅极被激活，则第一浮动扩散区积累在第一方向上漂移的第一光电荷。第二光栅极响应于第一光控制信号而被激活。如果第二光栅极被激活，则第二浮动扩散区积累在第二方向上漂移的第二光电荷。

Description

深度像素和包括该深度像素的三维图像传感器
本申请要求于2013年3月11日提交到韩国知识产权局（KIPO）的第 2013-0025702号韩国专利申请的优先权，所述申请的内容通过引用整体合并于此。
技术领域
示例实施例总体涉及图像传感器，更具体地讲，涉及在三维（3D）图像传感器中包括的深度像素和/或包括所述深度像素的3D图像传感器。
背景技术
图像传感器是将从外部输入的光信号转换为电信号（即，执行光电转换）以提供与所述光信号相应的图像信息的半导体器件。最近，已经提出了基于光信号提供距离信息以及图像信息的三维（3D）图像传感器。通常，3D图像传感器可通过测量飞行时间（TOF）来测量在每个单位像素和对象之间的距离，其中，所述飞行时间与光脉冲（即，激光脉冲）由光源射向对象并随后在被对象反射之后被输入到单位像素所经过的时间相应。
发明内容
因此，提供本发明构思以基本上消除由于现有技术的局限性和缺点导致的一个或更多个问题。
一些示例实施例提供一种在三维（3D）图像传感器中包括的深度像素，即使光栅极（photo gate）的尺寸减小，所述三维（3D）图像传感器仍能够具有相对高的灵敏度。
一些示例实施例提供一种三维（3D）图像传感器，即使深度像素的光栅极的尺寸减小，所述三维（3D）图像传感器仍能够具有相对高的灵敏度。
根据至少一个示例实施例，在三维（3D）图像传感器中包括的深度像素包括：光检测区、第一光栅极、第一浮动扩散区（floating diffusion region）、第二光栅极和第二浮动扩散区。光检测区基于由对象反射的光来收集光电荷，并被构造为基于在光检测区中的内电场使收集到的光电荷在第一方向和与第一方向不同的第二方向上漂移。第一光栅极位于光检测区上，并响应于第一光控制信号而被激活。如果第一光栅极被激活，则第一浮动扩散区积累收集到的光电荷的第一光电荷。第一光电荷在第一方向上漂移。第二光栅极位于光检测区上，并与第一光栅极隔开，并且响应于第一光控制信号而被激活。如果第二光栅极被激活，则第二浮动扩散区积累收集到的光电荷的第二光电荷。第二光电荷在第二方向上漂移。
光检测区可通过掺入具有与半导体基底的导电类型不同的导电类型的杂质被形成在半导体基底中。在光检测区中的掺杂浓度可随着距第一光栅极的第一距离或距第二光栅极的第二距离增加而逐渐降低。
第一光栅极和第二光栅极可位于光检测区的边缘区域上。光检测区的边缘区的掺杂浓度可高于光检测区的中心区域的掺杂浓度。
第一方向可从光检测区的中心区域到第一光栅极。第二方向可从光检测区的中心区域到第二光栅极。
深度像素还可包括第一栅极。第一栅极可位于光检测区上，并可在第一光栅极和第二光栅极之间。第一栅极被构造为基于第一电压来控制内电场。
第一光栅极和第二光栅极可位于光检测区的各个边缘区域上。第一栅极可位于光检测区的中心区上。
第一方向可从第一栅极到第一光栅极。第二方向可从第一栅极到第二光栅极。
如果光检测区收集电子-空穴对的电子，则第一电压可以是负电压，如果光检测区收集电子-空穴对的空穴，则第一电压可以是正电压。
第一光栅极的尺寸和第二光栅极的尺寸可小于光检测区的尺寸。
深度像素还可包括第一输出单元。第一输出单元可产生与第一光电荷和第二光电荷之和相应的第一输出电压。
第一输出单元可包括第一复位晶体管、第一驱动晶体管和第一选择晶体管。第一复位晶体管可响应于第一复位信号使第一浮动扩散区和第二浮动扩散区复位。第一驱动晶体管可对第一浮动扩散区的电压和第二浮动扩散区的电压进行放大。第一选择晶体管可将由第一驱动晶体管放大的电压输出为第一输出电压。
深度像素还可包括第三光栅极、第三浮动扩散区、第四光栅极和第四浮动扩散区。第三光栅极可位于光检测区上，并可响应于第二光控制信号而被激活。如果第三光栅极被激活，则第三浮动扩散区可积累收集到的光电荷的第三光电荷。第三光电荷可在第一方向上漂移。第四光栅极可位于光检测区上，并可与第三光栅极隔开，并且响应于第二光控制信号而被激活。当第四光栅极被激活时，第四浮动扩散区可积累收集到的光电荷的第四光电荷。第四光电荷可在第二方向上漂移。
深度像素还可包括第一临时存储区、第二临时存储区、第一转移栅极（transfergate）以及第二转移栅极。如果第一光栅极被激活，则第一临时存储区可存储第一光电荷。如果第二光栅极被激活，则第二临时存储区可存储第二光电荷。第一转移栅极和第二转移栅极可响应于第一转移控制信号而被激活。如果第一转移栅极和第二转移栅极被激活，则在第一临时存储区和第二临时存储区中存储的第一光电荷和第二光电荷可分别被转移到第一浮动扩散区和第二浮动扩散区。
第一临时存储区和第二临时存储区可与光检测区相邻或与光检测区隔开。
深度像素还可包括第一桥扩散区（bridge diffusion region）、第二桥扩散区、第一存储区、第二存储区、第一存储栅极、第二存储栅极、第一转移栅极和第二转移栅极。第一桥扩散区和第二桥扩散区可与光检测区相邻，并且如果第一光栅极和第二光栅极被激活，则可分别存储第一光电荷和第二光电荷。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开。第一存储栅极和第二存储栅极可响应于第一存储控制信号而被激活。第一转移栅极和第二转移栅极可响应于第一转移控制信号而被激活。如果第一存储栅极和第二存储栅极被激活，则在第一桥扩散区和第二桥扩散区中存储的第一光电荷和第二光电荷可分别被转移到第一存储区和第二存储区。如果第一转移栅极和第二转移栅极被激活，则在第一存储区和第二存储区中存储的第一光电荷和第二光电荷可分别被转移到第一浮动扩散区和第二浮动扩散区。
根据至少一个示例实施例，在三维（3D）图像传感器中包括的深度像素包括光检测区、第一光栅极和第一浮动扩散区。光检测区基于由对象反射的接收光来收集光电荷，并基于在光检测区中的内电场使收集到的光电荷在第一方向上漂移。第一光栅极位于光检测区上，并响应于第一光控制信号而被激活。如果第一光栅极被激活，则第一浮动扩散区积累收集到的光电荷的第一光电荷。第一光电荷在第一方向上漂移。光检测区具有与半导体基底的导电类型不同的导电类型，并且在光检测区中的掺杂浓度随着距第一光栅极的第一距离增加而逐渐降低。
深度像素还可包括第一栅极。第一栅极可位于光检测区上，并被构造为基于施加到第一栅极的第一电压来控制内电场。
第一光栅极和第一栅极可位于光检测区的各个边缘区域上。
第一方向可以是从第一栅极到第一光栅极。
深度像素还可包括第二光栅极和第二浮动扩散区。第二光栅极可位于光检测区上，并可与第一光栅极隔开，并且可响应于第二光控制信号而被激活。如果第二光栅极被激活，则第二浮动扩散区可积累收集到的光电荷的第二光电荷。第二光电荷可在第一方向上漂移。
深度像素还可包括第一临时存储区和第一转移栅极。如果第一光栅极被激活，第一临时存储区可存储第一光电荷。第一转移栅极可响应于第一转移控制信号被激活。如果第一转移栅极被激活，则存储在第一临时存储区中的第一光电荷可被转移到第一浮动扩散区。
深度像素还可包括第一桥扩散区、第一存储区、第一存储栅极和第一转移栅极。第一桥扩散区可与光检测区相邻，并且如果第一光栅极被激活，则第一桥扩散区可存储第一光电荷。第一存储器区可与第一桥扩散区隔开。第一存储栅极可响应于第一存储控制信号而被激活。第一转移栅极可响应于第一转移控制信号而被激活。如果第一存储栅极被激活，则在第一桥扩散区中存储的第一光电荷可被转移到第一存储区。如果第一转移栅极被激活，则在第一存储区中存储的第一光电荷可被转移到第一浮动扩散区。
根据至少一个示例实施例，三维（3D）图像传感器包括光源模块和像素阵列。光源模块发射发送光。对象被所述发送光照射。像素阵列包括多个深度像素，并基于由对象反射的光来产生从3D图像传感器到对象的深度信息。所述多个深度像素的第一深度像素包括光检测区、第一光栅极、第一浮动扩散区、第二光栅极和第二浮动扩散区。光检测区基于接收光来收集光电荷，并基于在光检测区中的内电场使收集到的光电荷在第一方向和与第一方向不同的第二方向上漂移。第一光栅极位于光检测区上，并响应于第一光控制信号而被激活。如果第一光栅极被激活，则第一浮动扩散区积累收集到的光电荷的第一光电荷。第一光电荷在第一方向上漂移。第二光栅极位于光检测区上，与第一光栅极隔开，并且响应于第一光控制信号被激活。如果第二光栅极被激活，则第二浮动扩散区积累收集到的光电荷的第二光电荷。第二光电荷在第二方向上漂移。
第一光栅极和第一浮动扩散区可被所述多个深度像素的第一深度像素和第二深度像素共享。第二深度像素可与第一深度像素相邻。
根据至少一个示例实施例，三维（3D）图像传感器包括光源模块和像素阵列。光源模块发射发送光。对象被发送光照射。像素阵列包括多个深度像素，并基于由对象发射的接收光来产生从3D图像传感器到对象的深度信息。所述多个深度像素的第一深度像素包括光检测区、第一光栅极和第一浮动扩散区。光检测区基于接收光来收集光电荷，并基于在光检测区中的内电场使收集到的光电荷在第一方向上漂移。第一光栅极位于光检测区上，并响应于第一光控制信号而被激活。如果第一光栅极被激活，第一浮动扩散区积累收集到的光电荷的第一光电荷。第一光电荷在第一方向上漂移。光检测区具有与半导体基底的导电类型不同的导电类型，并且在光检测区中的掺杂浓度随着距第一光栅极的第一距离增加而逐渐降低。
至少一个示例实施例公开一种图像传感器，所述图像传感器包括被构造为基于接收到的光来获得电荷的光检测区，所述光检测区具有中心区域和边缘区域，在边缘区域中的掺杂浓度大于在中心区域中的掺杂浓度。
在示例实施例中，掺杂浓度从中心区域到边缘区域增加。
在示例实施例中，图像传感器还包括第一浮动扩散区和在光检测区和第一浮动扩散区之间的第一光栅极，第一浮动扩散区被构造为基于第一光栅极的操作状态来积累电荷。
在示例实施例中，第一光栅极的尺寸小于光检测区的尺寸。
在示例实施例中，图像传感器还包括第二浮动扩散区和在光检测区和第二浮动扩散区之间的第二光栅极，第二浮动扩散区和第二光栅极位于光检测区的与第一浮动扩散区和第一光栅极不同的边上。
在示例实施例中，第二光栅极的尺寸小于光检测区的尺寸。
在示例实施例中，图像传感器还包括在第一光栅极和第二光栅极之间的第一栅极。
在示例实施例中，图像传感器还包括在光检测区上的第一栅极。
因此，在三维图像传感器中包括的深度像素可包括光检测区和至少一个光栅极，并且内电场可形成在光检测区中。基于接收光被收集到的光电荷可基于内电场双向地或单向地漂移，并因此即使所述至少一个光栅极的尺寸减小，深度像素仍可有效地存储并转移收集到的光电荷。因此，深度像素可具有相对低的功耗，即使深度具有相对高的调制频率，仍可保持深度像素的解调对比度，在深度像素中的暗电流和噪声可被减少，并且深度像素和包括深度像素的3D图像可具有相对更高的性能。
附图说明
从结合附图进行的以下详细描述，说明性的、非限制性的示例实施例将被更清楚地理解。
图1是示出根据示例实施例的在三维（3D）图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图2和图3是用于描述图1的深度像素的结构的示图。
图4是用于描述图1的深度像素的操作的时序图。
图5是示出根据示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图6和图7是用于描述图5的深度像素的结构的示图。
图8是示出根据示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图9是用于描述图8的深度像素的结构的示图。
图10是用于描述图8的深度像素的操作的时序图。
图11是示出根据示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图12是示出根据示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图13A和图13B是用于描述图12的深度像素的结构的示图。
图14是用于描述图12的深度像素的操作的时序图。
图15是示出根据示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图16A和图16B是用于描述图15的深度像素的结构的示图。
图17是示出根据示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图18A和图18B是用于描述图17的深度像素的结构的示图。
图19是用于描述图17的深度像素的操作的时序图。
图20是示出根据示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图21和图22是用于描述图20的深度像素的结构的示图。
图23是示出根据示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图24和图25是用于描述图23的深度像素的结构的示图。
图26、图27、图28、图29和图30是示出根据一些示例实施例的在3D 图像传感器中包括的深度像素的平面图。
图31是示出根据示例实施例的3D图像传感器的框图。
图32是示出在图31的3D图像传感器中包括像素阵列的示例的示图。
图33A和图33B是示出在图32的像素阵列中包括的深度像素的示例的示图。
图34是示出根据示例实施例的3D图像传感器的框图。
图35A和图35B是示出在图34的3D图像传感器中包括的像素阵列的示例的示图。
图36是示出根据示例实施例的包括3D图像传感器的相机的框图。
图37是示出根据示例实施例的包括3D图像传感器的计算系统的框图。
图38是示出在图37的计算系统中可采用的接口的示例的框图。
具体实施方式
将参照附图对各种示例实施例进行更加全面地描述，其中，在附图中示出实施例。然而，可以以各种不同形式来实现本发明构思，并且本发明构思不应被解释为受限于在此所阐述的示例实施例。相反，提供示例实施例，使得本公开将会是全面和完整的，并将把本发明构思的范围传达给本领域技术人员。相同的标号贯穿本申请始终表示相同的元件。
应理解的是，虽然这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件应不受这些术语限制。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，并且类似地，第二元件可被称为第一元件。如这里所使用，术语“和/ 或”包括相关所列项目中一个或更多个的任意组合和所有组合。
应理解的是，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，所述元件可直接连接或耦接到另一元件，或者可存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，不存在中间元件。用来描述元件之间的关系的其他词语应该以相同的方式来解释（例如，“在…之间”与“直接在…之间”、“相邻”与“直接相邻”等）。
这里使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而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。还应理解的是，当在本文中使用术语“包含”和/或“包括”时，说明存在陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、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（包括技术术语和科技术语）具有与本发明构思所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应该进一步理解的是，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它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应理想地或者过于正式地解释它们的含义。
图1是示出根据至少一个示例实施例的在三维（3D）图像传感器中包括的深度像素的平面图。图2和图3是用于描述图1的深度像素的结构的示图。图2是沿着图1的线I-I’取得的深度像素的剖视图。图3示出在图1的深度像素中包括的光检测区中的掺杂浓度分布。
参照图1、图2和图3，在3D图像传感器中包括的深度像素100a包括光检测区120、第一光栅极131、第一浮动扩散区141、第二光栅极133和第二浮动扩散区143。深度像素100a还可包括第一输出单元180。
深度像素100a可基于半导体基底110通过互补金属氧化物硅（CMOS）处理来形成。例如，可使用例如离子注入工艺等来形成光检测区120和浮动扩散区141和143。可使用沉淀工艺、蚀刻工艺等在半导体基底110上形成光栅极131和133。虽然未在图1和图2中示出，但是可在半导体基底110 的上表面与栅极131和133之间形成绝缘层（诸如氧化层）。
光检测区120形成在半导体基底110中。光检测区120基于由对象反射的接收光RX来收集光电荷CC。在光检测区120中形成内电场，使得收集到的光电荷CC基于所述内电场在第一方向D1和不同于第一方向D1的第二方向D2上漂移（例如，双向地）。
第一光栅极131形成在半导体基底110上，例如，在光检测区120上。第二光栅极133形成在半导体基底110上（例如，在光检测区120上），并与第一光栅极131隔开。第一光栅极131和第二光栅极133响应于第一光控制信号PGC1而导通。
栅极131和133可包括多晶硅或透明导电氧化物（TCO）。例如，栅极 131和133可包括氧化铟锡（ITO）、氧化铟锌（IZO）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO2）等。
更具体地讲，例如，在深度像素100a上入射的接收光RX穿过如图2中所示的半导体基底110的上表面的一个或更多个实施例中，光栅极131和133 可包括TCO。在深度像素100a上入射的接收光穿过半导体基底110的下表面的一个或多个实施例中，光栅极131和133可包括非透明导电氧化物。
第一浮动扩散区141形成在半导体基底110中。当第一光栅极131导通时，第一浮动扩散区141积累收集到的光电荷CC的第一光电荷。第一光电荷在第一方向D1上漂移。换句话说，光检测区120和第一浮动扩散区141 可响应于施加到第一光栅极131的第一光控制信号PGC1而彼此电连接。这种电连接可以是在两个区之间的半导体基底110的上表面部分附近形成的通道。类似地，第二浮动扩散区143形成在半导体基底110中。当第二光栅极 133导通时，第二浮动扩散区143积累收集到的光电荷CC的第二光电荷。第二光电荷在第二方向D2上漂移。
第一光栅极131和第二光栅极133可形成在光检测区120的边缘区域EA 上。可通过掺入具有与半导体基底110的导电类型不同的导电类型的杂质，将光检测区120和浮动扩散区141和143形成在半导体基底110中。在光检测区120中的掺杂浓度可随着距第一光栅极131的第一距离或距第二光栅极 133的第二距离的增加而逐渐降低。
在示例性实施例中，当半导体基底110是p类型时，可用n类型的杂质掺入光检测区120和浮动扩散区141和143。在这种情况下，光检测区120 可收集电子-空穴对的电子（例如，第一光电荷和第二光电荷可以是电子）。另外，如图3所示，光检测区120的边缘区域EA的掺杂浓度可高于光检测区120的中心区域CA的掺杂浓度（例如，边缘区域EA可以是（n+）类型区，中心区域CA可以是n类型区或（n-）类型区），从而可基于这种掺杂浓度分布来形成内电场E-FIELD。第一光电荷和第二光电荷（例如，电子）可基于内电场E-FIELD分别在第一方向D1和第二方向D2上漂移。第一方向 D1可从光检测区120的中心区域CA到第一光栅极131，第二方向D2可从光检测区120的中心区域CA到第二光栅极133。
在另一示例实施例中，当半导体基底120是n类型时，可用p类型的杂质掺入光检测区120和浮动扩散区141和143。在此情况下，光检测区120 可收集电子-空穴对的空穴（例如，第一光电荷和第二光电荷可以是空穴）。光检测区120的边缘区域EA的掺杂浓度可高于光检测区120的中心区域CA 的掺杂浓度（例如，边缘区域EA可以是（p+）类型区，中心区域CA可以是p类型区或（p-）类型区），从而可基于这种掺杂浓度分布来形成内电场，所述内电场具有相对于图3中的E-FIELD的相反方向。第一光电荷和第二光电荷（例如，空穴）可基于内电场分别在第一方向D1和第二方向D2上漂移。
在示例实施例中，第一光栅极131的尺寸和第二光栅极133的尺寸可分别小于光检测区120的尺寸。由于收集到的光电荷CC基于内电场在第一方向D1和第二方向D2上漂移，因此即使光栅极131和133的尺寸减小，深度像素100a仍可存储并转移收集到的光电荷CC。当光栅极131和133的尺寸减小时，光栅极131和133的电容会减小，并且由制造工艺所引起的表面瑕疵会减少。随着光栅极131和133的电容减小，深度像素100a可具有相对低的功耗，并且即使深度像素100a具有相对高的调制频率，深度像素100a的解调对比度仍可被保持。随着表面瑕疵减少，可减少由表面瑕疵所引起的暗电流以及由暗电流所引起的噪声。因此，深度像素100a和包括深度像素100a 的3D图像传感器可具有相对更高的性能。虽然在图1和图2中未示出，但是可用各种形状中的一种来分别实现光检测区120以及光栅极131和133。
第一触摸单元180可响应于第一复位信号RST1来使第一浮动扩散区141 和第二浮动扩散区143复位，并可产生与在第一浮动扩散区141中积累的第一光电荷和在第二浮动扩散区143中积累的第二光电荷之和相应第一输出电压VOUT1。
第一输出单元180可包括第一复位晶体管181、第一驱动晶体管183和第一选择晶体管185。第一复位晶体管181可响应于第一复位信号RST1来使第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143复位。第一驱动晶体管183可对第一浮动扩散区141的电压和第二浮动扩散区143的电压进行放大。第一选择晶体管185可响应于第一选择信号SEL1将由第一驱动晶体管183放大的电压输出为第一输出电压VOUT1。可将第一输出电压VOUT1提供给第一输出线187。
图4是用于描述图1的深度像素的操作的时序图。
参照图1、图2和图4，第一复位信号RST1被激活以在积分时间间隔 TINT之前使第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143复位。
在积分时间间隔TINT期间用发送光TX照射对象，如图31和图34所示。3D图像传感器可包括光源或发光装置，以产生具有周期性变化的强度的发送光TX。发送光TX被对象反射，并作为接收光RX返回到深度像素100a。接收光RX相对于发送光TX延迟了飞行时间（TOF）。
在积分时间间隔TINT期间，通过接收光RX在光检测区120中收集光电荷CC。光电荷CC基于内电场在第一方向D1和第二方向D2上漂移。第一光控制信号PGC1具有周期性变化的强度，并且相对于发送光TX具有相位（例如，相同相位）。在第一方向D1上漂移的第一光电荷响应于第一光控制信号PGC1在第一浮动扩散区141中积累。在第二方向D2上漂移的第二光电荷响应于第一光控制信号PGC1在第二浮动扩散区143中积累。第一光电荷和第二光电荷之和与在第一光控制信号PGC1的激活间隔期间的光电荷Q 基本上相同。
可通过测量与第一光控制信号PGC1的相位相应的光电荷Q来获得 TOF。当从3D图像传感器到对象的距离为D并且光速为c时，可使用关系 D=（TOF×c）/2来计算所述距离。虽然图4示出了一个光控制信号PGC1，但是具有不同相位的多个光控制信号可被用来获得更准确的TOF。
在读出时间间隔TRD期间，采样控制信号SMPD被激活以对第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143的电压进行采样，作为解调电压VD。解调电压VD可与第一光电荷和第二光电荷（例如，光电荷Q）之和相应，并可与有效信号分量（例如，有效电压）相应。
虽然图4示出第一复位信号RST1在积分时间间隔TINT期间被去激活，但是根据至少一个示例实施例，第一复位信号RST1可在积分时间间隔TINT 之前被激活并可在整个积分时间间隔TINT期间保持激活状态。
图5是示出根据至少一个示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。图6和图7是用于描述图5的深度像素的结构的示图。图6 是沿着图5的线I-I’取得的深度像素的剖视图。图7示出在图5的深度像素中包括的光检测区中的电位电平分布。
参照图5、图6和图7，在3D图像传感器中包括的深度像素100b包括光检测区120、第一光栅极131、第一浮动扩散区141、第二光栅极133和第二浮动扩散区143。深度像素100b还可包括第一输出单元180和第一栅极 122。
与图1的深度像素100A相比，图5的深度像素100b还可包括第一栅极 122。在图5的深度像素100b中包括的光栅极131和133、浮动扩散区141 和143以及第一输出单元180可分别与在图1的深度像素100a中包括的光栅极131和133、浮动扩散区141和143以及第一输出单元180基本上相同。图5的深度像素100b可基于图4的时序图来操作。
第一栅极122可形成在光检测区120上，并可处于第一光栅极131和第二光栅极133之间。例如，第一光栅极131和第二光栅极133可分别形成在光检测区120的边缘区域EA上，并且第一栅极122可形成在光检测区120 的中心区域CA上。可使用用于光栅极131和133的工艺（例如沉淀工艺、蚀刻工艺等）来形成第一栅极122。
可基于施加到第一栅极122的第一电压V1在光检测区120中感应出内电场。第一电压V1可以是负电压或正电压。
在示例实施例中，当半导体基底110是p类型，并且光检测区120被掺入n类型的杂质时（例如，当光检测区120收集电子-空穴对的电子时），第一电压V1可以是负电压。在此情况下，如图7所示，在光检测区120中的电位电平可随着距第一光栅极131的第一距离或距第二光栅极133的第二距离增加而逐渐降低。换句话说，光检测区120的边缘区域EA的电位电平可高于光检测区120的中心区域CA的电位电平，从而可基于这种电位电平分布来形成内电场E-FIELD。第一光电荷和第二光电荷（例如，电子）可基于内电场E-FIELD分别在第一方向D1和第二方向D2上漂移。第一方向D1可从第一栅极122到第一光栅极131，第二方向D2可从第一栅极122到第二光栅极133。
在另一示例实施例中，当半导体基底110是n类型，并且光检测区120 被掺入p类型的杂质时（例如，当光检测区120收集电子-空穴对的空穴时），第一电压V1可以是正电压。在此情况下，在光检测区120中的电位电平可随着距第一光栅极131的第一距离或距第二光栅极133的第二距离增加而逐渐增加。换句话说，光检测区120的边缘区EA的电位电平可低于光检测区 120的中心区域CA的电位电平，从而可基于这种电位电平分布来形成内电场，所述内电场具有相对于图7中的E-FIELD的相反方向。第一光电荷和第二光电荷（例如，空穴）可基于内电场分别在第一方向D1和第二方向D2上漂移。
根据至少一个示例实施例，光检测区120可具有均匀的掺杂浓度，或者在光检测区120中的掺杂浓度可随着距第一光栅极131的第一距离或距第二光栅极133的第二距离增加而逐渐减小。换句话说，可将以上参照图1、图2 和图3所描述的实施例（例如，调整掺杂浓度）与以上参照图5、图6和图7 所描述的实施例（例如，另外地形成第一栅极122）结合。
图8是示出根据至少一个示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。图9是用于描述图8的深度像素的结构的示图。图9是沿着图8的线I-I’取得的深度像素的截面图。
参照图8和图9，在3D图像传感器中包括的深度像素100c包括光检测单元120、第一光栅极131、第一浮动扩散区141、第二光栅极133和第二浮动扩散区143。深度像素100c还可包括第三光栅极135、第三浮动扩散区145、第四光栅极137、第四浮动扩散区147、第一输出单元180和第二输出单元 190。
与图1的深度像素100a相比，图8的深度像素100c还可包括第三光栅极135和第四光栅极137、第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147以及第二输出单元190。第三光栅极135和第四光栅极137、第三浮动扩散区145 和第四浮动扩散区147以及第二输出单元190可分别与第一光栅极131和第二光栅极133、第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143以及第一输出单元180对称地形成。
第三光栅极135可形成在半导体基底110上（例如，在光检测区120上），并且可与第一光栅极131隔开。第四光栅极137可形成在半导体基底110上（例如，在光检测区120上），并可与第二光栅极133和第三光栅极135隔开。第三光栅极135和第四光栅极137可响应于第二光控制信号PGC2而导通。
第三浮动扩散区145可形成在半导体基底110上。当第三光栅极135导通时，第三浮动扩散区145可积累收集到的光电荷CC的第三光电荷。第三光电荷可在第一方向D1上漂移。第四浮动扩散区147可形成在半导体基底110 上。当第四光栅极137导通时，第四浮动扩散区147可积累收集到的光电荷 CC的第四光电荷。第四光电荷可在第二方向D2上漂移。
第二输出单元190可响应于第二复位信号RST2使第三浮动扩散区145 和第四浮动扩散区147复位，并可产生与在第三浮动扩散区145中积累的第三光电荷与在第四浮动扩散区147中积累的第四光电荷之和相应的第二输出电压VOUT2。
第二输出单元190可包括第二复位晶体管191、第二驱动晶体管193和第二选择晶体管195。第二复位晶体管191可响应于第二复位信号RST2使第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147复位。第二驱动晶体管193可对第三浮动扩散区145的电压和第四浮动扩散区147的电压进行放大。第二选择晶体管195可响应于第二选择信号SEL2将由第二驱动晶体管193放大的电压输出为第二输出电压VOUT2。可将第二输出电压VOUT2提供给第二输出线197。
在示例实施例中，在光检测区120中的掺杂浓度可随着距第一光栅极131 的第一距离、距第三光栅极133的第二距离、距第三光栅极135的第三距离或距第四光栅极137的第四距离增加而逐渐降低。可基于这种掺杂浓度分布来感应出内电场。
虽然在图8和图9中未示出，但是深度像素100c还可包括形成在第一光栅极131和第三光栅极135之间的半导体基底110中的通道停止区，以防止电荷在两个光栅极131和135之间转移。可用具有与半导体基底110的导电类型基本上相同的导电类型的杂质来对通道停止区进行高掺杂。另外，另一通道停止区可形成在第二光栅极133和第四光栅极137之间的半导体基底110 中。
图8的深度像素100c可被分开为两个半个的像素。例如，第一半像素可包括光检测区120、第二光栅极131和第二光栅极133、第一浮动扩散区141 和第二浮动扩散区143以及第一输出单元180。第二半像素可包括光检测区 120、第三光栅极135和第四光栅极137、第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147以及第二输出单元190。
图10是用于描述图8的深度像素的操作的时序图。
参照图8、图9和图10，第一复位信号RST1和第二复位信号RST2被激活以在积分时间间隔TINT之前使第一浮动扩散区141、第二浮动扩散区143、第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147复位。
在积分时间间隔TINT期间用发送光TX照射对象。发送光TX被对象反射，并作为接收光RX返回到深度像素100c。接收光RX相对于发送光TX 延迟了TOF。
第一光控制信号PGC1和第二光控制信号PGC2相对于发送光TX具有各自的相位差，其中，第一光控制信号PGC1和第二光控制信号PGC2在积分时间间隔TINT期间被激活以具有周期性变化的强度。例如，第一光控制信号PGC1可具有与发送光TX的相位相等的相位，第二光控制信号PGC2 可具有与发送光TX的相位相反的相位（例如，180度的相位差），如图10所示。换句话说，第一光控制信号PGC1和第二光控制信号PGC2可在积分时间间隔TINT期间在第一逻辑电平（例如，逻辑低电平）和第二逻辑电平（例如，逻辑高电平）之间被翻转，并且可在读出时间间隔TRD期间具有第一逻辑电平。
通过接收光RX在光检测区120中收集与第一光控制信号PGC1的激活间隔相应的光电荷Q1。光电荷Q1基于内电场在第一方向D1和第二方向D2上漂移。响应于第一光控制信号PGC1，在第一浮动扩散区141中积累光电荷Q1 的在第一方向D1上漂移的第一光电荷。响应于第一光控制信号PGC1，在第二浮动扩散区143中积累光电荷Q1的在第二方向D2上漂移的第二光电荷。另外，通过接收光RX在光检测区120中收集与第二光控制信号PGC2的激活间隔相应的光电荷Q2。光电荷Q2基于内电场在第一方向D1和第二方向D2 上漂移。响应于第二光控制信号PGC2，在第三浮动扩散区145中积累光电荷 Q2的在第一方向D1上偏移的第三光电荷。响应于第二光控制信号PGC2，在第四浮动扩散区147中积累光电荷Q2的在第二方向D2上漂移的第四光电荷。
在读出时间间隔TRD期间，采样控制信号SMPD被激活以对与第一光电荷和第二光电荷之和（例如，光电荷Q1）相应的第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143的电压进行采样来作为第一解调电压VD1，并对与第三光电荷和第四光电荷之和（例如，光电荷Q2）相应的第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147的电压进行采样来作为第二解调电压VD2。
图11是示出根据至少一个示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。
参照图11，在3D图像传感器中包括的深度像素100d包括光检测区120、第一光栅极131、第一浮动扩散区141、第二光栅极133和第二浮动扩散区 143。深度像素100d还可包括第一栅极122、第三光栅极135、第三浮动扩散区145、第四光栅极137、第四浮动扩散区147、第一输出单元180和第二输出单元190。
与图8的深度像素100c相比，图11的深度像素100d还可包括第一栅极 122。可基于施加到第一栅极122的第一电压V1在光检测区120中感应出内电场。根据在光检测区120中收集的光电荷的类型，第一电压V1可以是负电压或正电压。在图11的深度像素100d中包括的第一栅极122可与在图5和图6的深度像素100b中包括的第一栅极122基本上相同。图11的深度像素 100d可基于图10的时序图来操作。
根据至少一个示例实施例，光检测区120可具有均匀的掺杂浓度，或者在光检测区120中的掺杂浓度可随着距第一光栅极131的第一距离、距第二光栅极133的第二距离、距第三光栅极135的第三距离或距第四光栅极137 的第四距离增加而逐渐降低。
图12是示出根据至少一个示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。图13A和图13B是用于描述图12的深度像素的结构的示图。图13A是沿着图12的线I-I’取得的深度像素的剖视图。图13B是沿着图12 的线II-II’取得的深度像素的剖视图。
参照图12、图13A和图13B，在3D图像传感器中包括的深度像素100e 包括光检测区120、第一光栅极131、第一浮动扩散区141、第二光栅极133 和第二浮动扩散区143。深度像素100e还可包括第一桥扩散区151、第一转移栅极161、第二桥扩散区153、第二转移栅极163和第一输出单元180。另外，深度像素100e还可包括第三光栅极135、第三桥扩散区155、第三转移栅极165、第三浮动扩散区145、第四光栅极137、第四桥扩散区157、第四转移栅极167、第四浮动扩散区147和第二输出单元190。
与图8的深度像素100c相比，图12的深度像素100e还可包括作为临时存储区的第一桥扩散区151、第二桥扩散区153、第三桥扩散区155和第四桥扩散区157，并且还可包括第一转移栅极161、第二转移栅极163、第三转移栅极165和第四转移栅极167。在深度像素100e中，在光电荷被积累在浮动扩散区中之前，光电荷可存储在临时存储区（例如，桥扩散区151、153、155 和157）中，使得可在调制电压被采样之前对噪声电压进行采样。因此，可通过提高信噪比（SNR）确定更准确的有效电压。
第一桥扩散区151、第二桥扩散区153、第三桥扩散区155和第四桥扩散区157可形成在半导体基底110中，并可分别与光检测区120相邻。当第一光栅极131导通时，第一桥扩散区151可存储第一光电荷。当第二光栅极133 导通时，第二桥扩散区153可存储第二光电荷。换句话说，响应于第一光控制信号PGC1，在光检测区120中被收集并分别在第一方向D1和第二方向D2 上漂移的第一光电荷和第二光电荷可分别临时存储在第一桥扩散区151和第二桥扩散区153中。当第三光栅极135导通时，第三桥扩散区155可存储第三光电荷。当第四光栅极137导通时，第四桥扩散区157可存储第四光电荷。换句话说，响应于第二光控制信号PGC2，在光检测区120中被收集并分别在第一方向D1和第二方向D2上漂移的第三光电荷和第四光电荷可分别临时存储在第三桥扩散区155和第四桥扩散区157中。
与光检测区120和浮动扩散区141、143、145和147类似，可通过掺入具有与半导体基底110的导电类型不同的导电类型的杂质来在半导体基底 110中形成桥扩散区151、153、155和157。
第一转移栅极161和第二转移栅极163可形成在半导体基底110上，并可响应于第一转移控制信号TGC1而分别导通。第一转移栅极161可处于第一桥扩散区151和第一浮动扩散区141之间。第二转移栅极163可处于可处于第二桥扩散区153和第二浮动扩散区143之间。当第一转移栅极161和第二转移栅极163导通时，第一桥扩散区151和第二桥扩散区153可分别电连接到第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143，并因此第一光电荷和第二光电荷可分别从第一桥扩散区151和第二桥扩散区153转移到第一浮动扩散区 141和第二浮动扩散区143。第三转移栅极165和第四转移栅极167可形成在半导体基底110上，并可响应于第二转移控制信号TGC2而分别导通。第三转移栅极165可处于第三桥扩散区155和第三浮动扩散区145之间。第四转移栅极167可处于第四桥扩散区157和第四浮动扩散区147之间。当第三转移栅极165和第四转移栅极167导通时，第三桥扩散区155和第四桥扩散区157 可分别电连接到第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147，并因此第三光电荷和第四光电荷可分别从第三桥扩散区155和第四桥扩散区157转移到第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147。
在示例实施例中，在光检测区120中的掺杂浓度可随着距第一光栅极131 的第一距离、距第二光栅极133的第二距离、距第三光栅极135的第三距离或距第四光栅极137的第四距离增加而逐渐降低。
图14是用于描述图12的深度像素的操作的时序图。
参照图12、图13A、图13B和图14，第一复位信号RST1和第二复位信号RST2被激活以在积分时间间隔TINT之前使第一浮动扩散区141、第二浮动扩散区143、第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147复位。
在积分时间间隔TINT期间用发送光TX照射对象。发送光TX被对象反射，并作为接收光RX返回到深度像素100e。接收光RX相对于发送光TX 延迟了TOF。
第一光控制信号PGC1和第二光控制信号PGC2具有相对于发送光TX 的各自的相位差，其中，第一光控制信号PGC1和第二光控制信号PGC2在积分时间间隔TINT期间被激活以具有周期性变化的强度。通过接收光RX在光检测区120中收集与第一光控制信号PGC1的激活间隔相应的光电荷Q1。响应于第一光控制信号PGC1，光电荷Q1的在第一方向D1上漂移的第一电荷可临时存储在第一桥扩散区151中。响应于第一光控制信号PGC1，光电荷 Q1的在第二方向D2上漂移的第二电荷可临时存储在第二桥扩散区153中。另外，通过接收光RX在光检测区120中收集与第二光控制信号PGC2的激活间隔相应的光电荷Q2。响应于第二光控制信号PGC2，光电荷Q2的在第一方向D1上漂移的第三光电荷可临时存储在第三桥扩散区155中。响应于第二光控制信号PGC2，光电荷Q2的在第二方向D2上漂移的第四光电荷可临时存储在第四桥扩散区157中。
在读出时间间隔TRD期间，第一复位信号RST1和第二复位信号TSR2 可被激活以使第一浮动扩散区141、第二浮动扩散区143、第三浮动扩散区 145和第四浮动扩散区147复位。第一采样控制信号SMPB在浮动扩散区141、 143、145和147被复位之后被激活，然后第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143的电压被采样为第一噪声电压VB1，第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区的电压被采样为第二噪声电压VB2。第一转移控制信号TGC1和第二转移控制信号TGC2在噪声电压VB1和VB2被采样之后被激活，然后第一光电荷至第四光电荷分别从第一桥扩散区151、第二桥扩散区153、第三桥扩散区155和第四桥扩散区157转移到第一浮动扩散区141、第二浮动扩散区143、第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147。第二采样控制信号SMPD 在第一光电荷至第四光电荷分别在第一浮动扩散区141、第二浮动扩散区143、第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147中被积累之后被激活，然后与第一光电荷和第二光电荷之和（例如，光电荷Q1）相应的第一浮动扩散区 141和第二浮动扩散区143的电压被采样为第一解调电压VD1，并且与第三光电荷和第四光电荷之和（例如，光电荷Q2）相应的第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147的电压被采样为第二解调电压VD2。
可基于噪声电压VB1和VB2以及解调电压VD1和VD2来确定有效电压。例如，可将第一噪声电压VB1和第一解调电压VD1之间的差确定为第一有效电压V1（=|VB1-VD1|），并将第二噪声电压VB2和第二解调电压VD2 之间的差确定为第二有效电压V2（=|VB2-VD2|）。如果P1是第一光控制信号 PGC1和发送光TX之间的相位差，并且P2是第二光控制信号PGC2和发送光TX之间的相位差，则可将接收光RX的相位确定为（P1×V1+P2×V2）/ （V1+V2），并因此可确定TOF或到对象的距离。
图15是示出根据至少一个示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。图16A和图16B是用于描述图15的深度像素的结构的示图。图16A是沿着图15的线I-I’取得的深度像素的剖视图。图16B是沿着图15 的线II-II’取得的深度像素的剖视图。
参照图15、图16A和图16B，在3D图像传感器中包括的深度像素100f 包括光检测区120、第一光栅极131、第一浮动扩散区141、第二光栅极133 和第二浮动扩散区143。深度像素100f还可包括第一存储区152、第一转移栅极161、第二存储区154、第二转移栅极163和第一输出单元180。另外，深度像素100f还可包括第三光栅极135、第三存储区156、第三转移栅极165、第三浮动扩散区145、第四光栅极137、第四存储区158、第四转移栅极167、第四浮动扩散区147和第二输出单元190。
与图8的深度像素100c相比，图15的深度像素100f还可包括作为临时存储区的第一存储区152、第二存储区154、第三存储区156和第四存储区 158，并且还可包括第一转移栅极161、第二转移栅极163、第三转移栅极165 和第四转移栅极167。在深度像素100f中，在光电荷被积累在浮动扩散区中之前，光电荷可存储在临时存储区（例如，存储区152、154、156和158），使得噪声电压可在解调电压被采样之前被采样。因此，可通过提高SNR确定更准确的有效电压。图15的深度像素100f可基于图14的时序图来操作。
第一存储区152、第二存储区154、第三存储区156和第四存储区158 可形成在半导体基底110中，并可分别与光检测区120隔开。当第一光栅极 131导通时，第一存储区152可存储第一光电荷。当第二光栅极133导通时，第二存储区154可存储第二光电荷。当第三光栅极135导通时，第三存储区 156可存储第三光电荷。当第四光栅极137导通时，第四存储区158可存储第四光电荷。换句话说，响应于第一光控制信号PGC1，第一光电荷和第二光电荷可分别临时存储在第一存储区152和第二存储区154中，并且响应于第二光控制信号PGC2，第三光电荷和第四光电荷可分别临时存储在第三存储区 156和第四存储区158中。
与光检测区120和浮动扩散区141、143、145和147类似，可通过掺入具有与半导体基底110的导电类型不同的导电类型的杂质来在半导体基底 110中形成存储区152、154、156和158。
响应于施加到第一转移栅极161和第三转移栅极163的第一转移控制信号TGC1，第一存储区152和第二存储区154可分别电连接到第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143，并因此第一光电荷和第二光电荷可分别从第一存储区152和第二存储区154转移到第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143。响应于施加到第三转移栅极165和第四转移栅极167的第二转移控制信号TGC2，第三存储区156和第四存储区158可分别电连接到第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147，并因此第三光电荷和和第四光电荷可分别从第三存储区156和第四存储区158转移到第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147。
在示例实施例中，在光检测区120中的掺杂浓度可随着距第一光栅极131 的第一距离、距第二光栅极133的第二距离、距第三光栅极135的第三距离或距第四光栅极137的第四距离增加而逐渐降低。
图17是示出根据至少一个示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。图18A和图18B是用于描述图17的深度像素的结构的示图。图18A是沿着图17的线I-I’取得的深度像素的剖视图。图18B是沿着图17 的线II-II’取得的深度像素的剖视图。
参照图17、图18A和图18B，在3D图像传感器中包括的深度像素100g 包括光检测区120、第一光栅极131、第一浮动扩散区141、第二光栅极133 和第二浮动扩散区143。深度像素100g还可包括第一桥扩散区151、第一存储栅极171、第一存储区152、第一转移栅极161、第二桥扩散区153、第二存储栅极173、第二存储区154、第二转移栅极163和第一输出单元180。另外，深度像素100g还可包括第三光栅极135、第三桥扩散区155、第三存储栅极175、第三存储区156、第三转移栅极165、第三浮动扩散区145、第四光栅极156、第四桥扩散区157、第四存储栅极177、第四存储区158、第四转移栅极167、第四浮动扩散区147和第二输出单元190。
与图8的深度像素100c相比，图17的深度像素100g还可包括作为临时存储区的第一桥扩散区151、第二桥扩散区153、第三桥扩散区155和第四桥扩散区157以及第一存储区152、第二存储区154、第三存储区156和第四存储区158，并且还可包括第一转移栅极161、第二转移栅极163、第三转移栅极165和第四转移栅极167以及第一存储栅极171、第二存储栅极173、第三存储栅极175和第四存储栅极177。
第一桥扩散区151、第二桥扩散区153、第三桥扩散区155和第四桥扩散区157可分别形成为与光检测区120相邻。第一存储区152、第二存储区154、第三存储区156和第四存储区158可分别形成为与第一桥扩散区151、第二桥扩散区153、第三桥扩散区155和第四桥扩散区157隔开。当第一光栅极 131、第二光栅极133、第三光栅极135和第四光栅极137导通时，第一光电荷至第四光电荷可分别存储在第一桥扩散区151、第二桥扩散区153、第三桥扩散区155和第四桥扩散区157中。
第一存储栅极171、第二存储栅极173、第三存储栅极175和第四存储栅极177可形成在半导体基底110上，并可分别处于第一桥扩散区151、第二桥扩散区153、第三桥扩散区155和第四桥扩散区157与第一存储区152、第二存储区154、第三存储区156和第四存储区158之间。响应于施加到第一存储栅极171和第二存储栅极173的第一存储控制信号SGC1，第一桥扩散区 151和第二桥扩散区153可分别电连接到第一存储区152和第二存储区154，并因此第一光电荷和第二光电荷可分别从第一桥扩散区151和第二桥扩散区 153转移到第一存储区152和第二存储区154。响应于施加到第三存储栅极175和第四存储栅极177的第二存储控制信号SGC2，第三桥扩散区155和第四桥扩散区157可分别连接到第三存储区156和第四存储区158，并因此第三光电荷和第四光电荷可分别从第三桥扩散区155和第四桥扩散区157转移到第三存储区156和第四存储区158。
第一转移栅极161、第二转移栅极163、第三转移栅极165和第四转移栅极167可形成在半导体基底110上，并可分别处于第一存储区152、第二存储区154、第三存储区156和第四存储区158与第一浮动扩散区141、第二浮动扩散区143、第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147之间。响应于施加到第一转移栅极161和第二转移栅极163的第一转移控制信号TGC1，第一存储区152和第二存储区154可分别电连接到第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143，并因此第一光电荷和第二光电荷可分别从第一存储区152和第二存储区154转移到第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143。响应于施加到第三转移栅极165和第四转移栅极167的第二转移控制信号TGC2，第三存储区156和第四存储区158可分别电连接到第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147，并因此第三光电荷和第四光电荷可分别从第三存储区156 和第四存储区158转移到第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147。
在示例实施例中，在光检测区120中的掺杂浓度可随着距第一光栅极131 的第一距离、距第二光栅极133的第二距离、距第三光栅极135的第三距离或距第四光栅极137的第四距离增加而逐渐降低。
图19是用于描述图17的深度像素的操作的时序图。
参照图17、图18A、图18B和图19，深度像素100g在积分时间间隔TINT 之前和在积分时间间隔TINT期间的操作可与以上参照图14描述的深度像素 100e的操作基本上相同。
在读出时间间隔TRD期间，第一复位信号RST1和第二复位信号RST2被激活以使第一浮动扩散区141、第二浮动扩散区143、第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147复位。第一存储控制信号SGC1和第二存储控制信号SGC2 被激活以使第一光电荷至第四光电荷分别从第一桥扩散区151、第二桥扩散区153、第三桥扩散区155和第四桥扩散区157转移到第一存储区152、第二存储区154、第三存储区156和第四存储区158。第一采样控制信号SMPB被激活以对第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143的电压进行采样来作为第一噪声电压VB1，并对第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147的电压进行采样来作为第二噪声电压VB2。第一转移控制信号TGC1和第二转移控制信号TGC2被激活以将第一光电荷至第四光电荷分别从第一存储区152、第二存储区154、第三存储区156和第四存储区158转移到第一浮动扩散区141、第二浮动扩散区143、第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147。第二采样控制信号SMPD被激活以对与第一光电荷和第二光电荷之和（例如，光电荷 Q1）相应的第一浮动扩散区141和第二浮动扩散区143的电压进行采样来作为第一解调电压VD1，并对与第三光电荷和第四光电荷之和（例如，光电荷 Q2）相应的第三浮动扩散区145和第四浮动扩散区147的电压进行采样来作为第二解调电压VD2。可基于噪声电压VB1和VB2以及解调电压VD1和VD2 来确定有效电压。
根据至少一个示例实施例，图12的深度像素100e、图15的深度像素 100f、图17的深度像素100g还可包括第一栅极。如以上参照图5和图11所描述的，第一栅极可形成在光检测区120的中心区域CA上。可基于施加到第一栅极的第一电压在光检测区120中感应内电场。当深度像素100e、100f和 100g包括第一栅极时，光检测区120可具有均匀的掺杂浓度，或者在光检测区120中的掺杂浓度可随着距第一光栅极131的第一距离、距第二光栅极133的第二距离、距第三光栅极135的第三距离或距第四光栅极137的第四距离增加而逐渐降低。
根据至少一个示例实施例，图12的深度像素100e、图15的深度像素100f 和图17的深度像素100g可仅用两个半个的像素中的一个来实现。例如，可在深度像素100e中省略光栅极135和137、桥扩散区155和157、转移栅极 165和167、浮动扩散区145和147和输出单元190。可在深度像素100f中省略光栅极135和137、存储区156和158、转移栅极165和167、浮动扩散区 145和147以及输出单元190。可在深度像素100g中省略光栅极135和137、桥扩散区155和157、存储栅极175和177、存储区156和158、转移栅极165 和167、浮动扩散区145和147以及输出单元190。
图20是示出根据至少一个示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。图21和图22是用于描述图20的深度像素的结构的示图。图 21是沿着图20的线I-I’取得的深度像素的剖视图。图22示出在图20的深度像素中包括的光检测区中的掺杂浓度分布。
参照图20、图21和图22，在3D图像传感器中包括的深度像素200a包括光检测区220、第一光栅极231和第一浮动扩散区241。深度像素200a还可包括第一输出单元280。
光检测区220形成在半导体基底210中。光检测区220基于由对象反射的接收光RX收集光电荷CC。内电场形成在光检测区220中，使得收集到的光电荷CC基于内电场在第一方向D1上漂移（例如，单向地）。
第一光栅极231形成在半导体基底210上，例如，在光检测区220上。第一光栅极231响应于第一光控制信号PGC1而导通。第一浮动扩散区241 形成在半导体基底210中。当第一光栅极231导通时，第一浮动扩散区241 积累收集到的光电荷CC的第一光电荷。第一光电荷在第一方向D1上漂移。换句话说，光检测区220和第一浮动扩散区241可响应于第一光控制信号 PGC1而彼此电连接。
第一光栅极231可形成在光检测区220的第一边缘区域EA1上。可通过掺入具有与半导体基底210的导电类型不同的导电类型的杂质来在半导体基底210中形成光检测区220和第一浮动扩散区241。在光检测区220中的掺入杂质可随着距第一光栅极231的第一距离增加而逐渐降低。
在示例实施例中，当半导体基底210是p类型时，可用n类型的杂质对光检测区220和第一浮动扩散区241掺杂。在这种情况下，光检测区220可收集电子-空穴对中的电子（例如，第一光电荷可以是电子）。另外，如图22 中所示，光检测区220的第一边缘区域EA1的掺杂浓度可高于光检测区220 的中心区域CA的掺杂浓度以及光检测区220的第二边缘区域EA2的掺杂浓度（例如，第一边缘区域EA1可以是（n+）类型区，中心区域CA可以是n 类型区，并且第二边缘区域EA2可以是（n-）类型区），并因此可基于这种掺杂浓度分布来形成内电场E-FIELD。第一光电荷（例如，电子）可基于内电场E-FIELD在第一方向D1上漂移。第一方向D1可从光检测区220的第二边缘区域EA2到光检测区220的第一边缘区域EA1（例如，到第一光栅极 231）。
在另一示例实施例中，当半导体基底210是n类型时，可用p类型的杂质对光检测区220和第一浮动扩散区241掺杂。在这种情况下，光检测区220 可收集电子-空穴对的空穴（例如，第一光电荷可以是空穴）。光检测区220 的第一边缘区域EA1的掺杂浓度可高于光检测区220的中心区域CA的掺杂浓度和光检测区220的第二边缘区域EA2的掺杂浓度（例如，第一边缘区域 EA1可以是（p+）类型区，中心区域CA可以是p类型区，并且第二边缘区域EA2可以是（p-）类型区），并因此可基于这种掺杂浓度分布来形成内电场，其中，所述内电场具有相对于图22中的E-FIELD的相反方向。第一光电荷（例如，空穴）可基于内电场在第一方向D1上漂移。
在示例实施例中，第一光栅极231的尺寸可小于光检测区220的尺寸。由于收集到的光电荷CC基于内电场在第一方向D1上漂移，因此即使第一光栅极231的尺寸减小，深度像素200a仍可有效地存储并转移收集到的光电荷 CC。当第一光栅极231的尺寸减小时，第一光栅极231的电容会减小，并且由于制造工艺所引起的表面瑕疵会减少。随着第一光栅极231的电容减小，深度像素200a可具有相对低的功耗，并且即使深度像素200a具有相对高的调制频率，深度像素200a的解调对比度仍可被保持。随着表面瑕疵减少，可减少由表面瑕疵所引起的暗电流以及由暗电流所引起的噪声。因此，深度像素200a和包括深度像素200a的3D图像传感器可具有相对更高的性能.
第一输出单元280可响应于第一复位信号RST1使第一浮动扩散区241 复位，并可产生与在第一浮动扩散区241中积累的第一光电荷相应的第一输出电压VOUT1。
第一输出单元280可包括第一复位晶体管281、第一驱动晶体管283和第一选择晶体管285。第一复位晶体管281可响应于第一复位信号RST1来使第一浮动扩散区241复位。第一驱动晶体管283可对第一浮动扩散区241的电压进行放大。第一选择晶体管285可响应于第一选择信号SEL1将由第一驱动晶体管283放大的电压输出为第一输出电压VOUT1。可将第一输出电压 VOUT1提供给第一输出线287。
图20的深度像素可基于图4的时序图来操作。
图23是示出根据至少一个示例实施例的在3D图像传感器中包括的深度像素的平面图。图24和图25是用于描述图23的深度像素的结构的示图。图 24是沿着图23的线I-I’取得的深度像素的剖视图。图25示出在图23的深度像素中包括的光检测区中的电位电平分布。
参照图23、图24和图25，在3D图像传感器中包括的深度像素200b包括光检测区220、第一光栅极231和第一浮动扩散区241。深度像素200b还可包括第一输出单元280和第一栅极222。
与图20的深度像素200a相比，图23的深度像素200b还可包括第一栅极222。在图23的深度像素200b中包括的第一光栅极231、第一浮动扩散区 241和第一输出单元280可分别与在图20的深度像素200a中包括的第一光栅极231、第一浮动扩散区241和第一输出单元280基本上相同。图23的深度像素200b可基于图4的时序图来操作。
第一栅极222可形成在光检测区220上，并可与第一光栅极231隔开。例如，第一光栅极231和第一栅极222可分别形成在光检测区220的边缘区域上。第一光栅极231可形成在光检测区220的第一边缘区域EA1上，第一栅极222可形成在光检测区220的第二边缘区域EA2上。可使用用于第一光栅极231的工艺（例如，沉淀工艺、蚀刻工艺等）来形成第一栅极222。
可基于施加到第一栅极222的第一电压V1在光检测区220中感应内电场。第一电压V1可以是负电压或正电压。
在示例实施例中，当半导体基底210是p类型并且用n类型的杂质对光检测区220掺杂时（例如，当光检测区220收集电子-空穴对的电子时），第一电压V1可以是负电压。在此情况下，如图25所示，在光检测区220中的电位电平可随着距第一光栅极231的第一距离增加而逐渐降低。换句话说，光检测区220的第一边缘区域EA1的电位电平可高于光检测区220的中心区域CA的电位电平，光检测区220的中心区域CA的电位电平可高于光检测区220的第二边缘区域EA2的电位电平，并因此基于这种电位电平分布来形成内电场E-FIELD。第一光电荷（例如，电子）可基于内电场E-FIELD在第一方向D1上漂移。第一方向D1可以是从第一栅极222到第一光栅极231。
在另一示例实施例中，当半导体基底210是n类型并且用p类型的杂质对光检测区220掺杂时（例如，当光检测区220收集电子-空穴对中的空穴时），第一电压V1可以是正电压。在此情况下，在光检测区220中的电位电平可随着距第一光栅极231的第一距离增加而逐渐增加。换句话说，光检测区220 的第一边缘区域EA1的电位电平可低于光检测区220的中心区域CA的电位电平，光检测区220的中心区域CA的电位电平可低于光检测区220的第二边缘区域EA2的电位电平，并因此可基于这种电位电平分布来形成内电场，其中，内电场具有相对于图25中的E-FIELD的相反方向。第一光电荷（例如，空穴）可基于内电场在第一方向D1上漂移。
根据至少一个示例实施例，光检测区220可具有均匀的掺杂浓度，或者在光检测区220中的掺杂浓度可随着距第一光栅极231的第一距离增加而逐渐降低。换句话说，可将以上参照图20、图21和图22所描述的实施例（例如，调整掺杂浓度）与以上参照图23、图24和图25所描述的实施例（例如，另外地形成第一栅极222）结合。
图26、图27、图28、图29和图30是示出根据一些示例实施例的在3D 图像传感器中包括的深度像素的平面图。
参照图26，在3D图像传感器中包括的深度像素200c包括光检测区220、第一光栅极231和第一浮动扩散区241。深度像素200c还可包括第二光栅极 235、第二浮动扩散区245、第一输出单元280和第二输出单元290。
与图20的深度像素200a相比，图26的深度像素200c还可包括第二光栅极235、第二浮动扩散区245和第二输出单元290。第二光栅极235、第二浮动扩散区245和第二输出单元290可分别与第一光栅极231、第一浮动扩散区241和第一输出单元280对称地形成。
第二光栅极235、第二浮动扩散区245和第二输出单元290可分别与图8 中的第三光栅极135、第三浮动扩散区145和第二输出单元190基本上相同。例如，第二光栅极235可形成在半导体基底210上（例如，在光检测区220 上），并可与第一光栅极231隔开。第二光栅极235可响应于第二光控制信号 PGC2而导通。第二浮动扩散区245可形成在半导体基底210中。当第二光栅极235导通时，第二浮动扩散区245可积累收集到的光电荷CC的第二光电荷。第二光电荷可在第一方向D1上漂移。第二输出单元290可产生与在第二浮动扩散区245中积累的第二光电荷相应的第二输出电压VOUT2。第二输出单元290可包括第二复位晶体管291、第二驱动晶体管293和第二选择晶体管295。
在示例实施例中，在光检测区220中的掺杂浓度可随着距第一光栅极231 的第一距离或距第二光栅极235的第二距离增加而逐渐降低。可基于这种掺杂浓度分布感应内电场。
图26的深度像素200c可被分两个半个的像素。例如，第一半像素可包括光检测区220、第一光栅极231、第一浮动扩散区241和第一输出单元280。第二半像素可包括光检测区220、第二光栅极235、第二浮动扩散区245和第二输出单元290。
参照图27，在3D图像传感器中包括的深度像素200d包括光检测区220、第一光栅极231和第一浮动扩散区241。深度像素200d还可包括第一栅极 222、第二光栅极235、第二浮动扩散区245、第一输出单元280和第二输出单元290。
与图26的深度像素200c相比，图27的深度像素200d还可包括第一栅极222。可基于施加到第一栅极222的第一电压V1在光检测区220中感应内电场。根据在光检测区220中收集到的光电荷的类型，第一电压V1可以是负电压或正电压。在图27的深度像素200d中包括的第一栅极222可与在图 23和图24的深度像素200b中包括的第一栅极222基本上相同。
图26的深度像素200c和图27的深度像素200d可基于图10的时序图来操作。
参照图28，在3D图像传感器中包括的深度像素200e包括光检测区220、第一光栅极231和第一浮动扩散区241。深度像素200e还可包括第一桥扩散区251、第一转移栅极261和第一输出单元280。另外，深度像素200e还可包括第二光栅极235、第二桥扩散区255、第二转移栅极265、第二浮动扩散区245和第二输出单元290。
与图26的深度像素200c相比，图28的深度像素200e还可包括作为临时存储区的第一桥扩散区251和第二桥扩散区255，并还可包括第一转移栅极261和第二转移栅极265。
第一桥扩散区251、第二桥扩散区255、第一转移栅极261和第二转移栅极265可分别与图12中的第一桥扩散区151、第三桥扩散区155、第一转移栅极161和第三转移栅极165基本上相同。例如，第一桥扩散区251和第二桥扩散区255可形成在半导体基底210中，并可分别与光检测区220相邻。当第一光栅极231导通时，第一桥扩散区251可存储第一光电荷。当第二光栅极235导通时，第二桥扩散区255可存储第二光电荷。第一转移栅极261 和第二转移栅极265可分别响应于第一转移控制信号TGC1和第二转移控制信号TGC2而导通。当第一转移栅极261和第二转移栅极265导通时，第一桥扩散区251和第二桥扩散区255可分别电连接到第一浮动扩散区241和第二浮动扩散区245，并因此可分别将第一光电荷和第二光电荷从第一桥扩散区251和第二桥扩散区255转移到第一浮动扩散区241和第二浮动扩散区245。
在示例实施例中，在光检测区220中的掺杂浓度可随着距第一光栅极231 的第一距离或距第二光栅极235的第二距离增加而逐渐降低。
参照图29，在3D图像传感器中包括的深度像素200f包括光检测区220、第一光栅极231和第一浮动扩散区241。深度像素200f还可包括第一存储区252、第一转移栅极261和第一输出单元280。另外，深度像素200f还可包括第二光栅极235、第二存储区256、第二转移栅极265、第二浮动扩散区245 和第二输出单元290。
与图26的深度像素200c相比，图29的深度像素200f还可包括作为临时存储区的第一存储区252和第二存储区256，并还可包括第一转移栅极261 和第二转移栅极265。
第一存储区252、第二存储区256、第一转移栅极261和第二转移栅极 265可分别与图15中的第一存储区152、第三存储区155、第一转移栅极161 和第三转移栅极165基本上相同。例如，第一存储区252和第二存储区256 可形成在半导体基底210中，并可分别与光检测区220隔开。当第一光栅极 231导通时，第一存储区252可存储第一光电荷。当第二光栅极235导通时，第二存储区256可存储第二光电荷。响应于施加到第一转移栅极261和第二转移栅极263的第一转移控制信号TGC1和第二转移控制信号TGC2，第一存储区252和第二存储区255可分别电连接到第一浮动扩散区241和第二浮动扩散区245，并因此可分别将第一光电荷和第二光电荷从第一存储区252 和第二存储区256转移到第一浮动扩散区241和第二浮动扩散区245。
在示例实施例中，在光检测区220中的掺杂浓度可随着距第一光栅极231 的第一距离或距第二光栅极235的第二距离增加而逐渐降低。
图28的深度像素200e和图29的深度像素200f可基于图14的时序图来操作。
参照图30，在3D图像传感器中包括的深度像素200g包括光检测区220、第一光栅极231和第一浮动扩散区241。深度像素200g还可包括第一桥扩散区251、第一存储栅极271、第一存储区252、第一转移栅极261和第一输出单元280。另外，深度像素200g还可包括第二光栅极235、第二桥扩散区255、第二存储栅极275、第二存储区256、第二转移栅极265、第二浮动扩散区245 和第二输出单元290。
与图26的深度像素200c相比，图30的深度像素200g还可包括作为临时存储区的第一桥扩散区251和第二桥扩散区255以及第一存储区252和第二存储区256，并还可包括第一转移栅极261和第二转移栅极265以及第一存储栅极271和第二存储栅极275。
第一桥扩散区251和第二桥扩散区255、第一存储栅极271和第二存储栅极275、第一存储区252和第二存储区256以及第一转移栅极261和第二转移栅极265可分别与图17中的第一桥扩散区151和第三桥扩散区155、第一存储栅极171和第三存储栅极175、第一存储区152和第三存储区156以及第一转移栅极161和第三转移栅极165基本上相同。例如，第一桥扩散区 251和第二桥扩散区255可分别形成为与光检测区220相邻。当第一光栅极 231和第二光栅极235导通时，第一光电荷和第二光电荷可分别存储在第一桥扩散区251和第二桥扩散区255中。第一存储区252和第二存储区256可分别形成为与第一桥扩散区251和第二桥扩散区255隔开。响应于施加到第一存储栅极271和第二存储栅极275的第一存储控制信号SGC1和第二存储控制信号SGC2，第一桥扩散区251和第二桥扩散区255可分别电连接到第一存储区252和第二存储区256，并因此可分别将第一光电荷和第二光电荷从第一桥扩散区251和第二桥扩散区255转移到第一存储区252和第二存储区 256。响应于施加到第一转移栅极261和第二转移栅极265的第一转移控制信号TGC1和第二转移控制信号TGC2，第一存储区252和第二存储区256可分别电连接到第一浮动扩散区241和第二浮动扩散区245，并因此可分别将第一光电荷和第二光电荷从第一存储区252和第二存储区256转移到第一浮动扩散区241和第二浮动扩散区245。
在示例实施例中，在光检测区220中的掺杂浓度可随着距第一光栅极231 的第一距离或距第二光栅极235的第二距离增加而逐渐降低。
图30的深度像素200g可基于图19的时序图来操作。
图28的深度像素200e、图29的深度像素200f和图30的深度像素200g 还可包括第一栅极。根据一些示例实施例，图28的深度像素、图29的深度像素200f和图30的深度像素200g可仅用两个半个的像素中的一个来实现。
图31是示出根据至少一个示例实施例的3D图像传感器的框图。图32 是示出在图31的3D图像传感器中包括的像素阵列的示例的示图。
参照图31和图32，3D图像传感器500包括像素阵列510、行驱动单元520、模数转换（ADC）单元530、光源模块540、数字信号处理（DSP）单元550和控制单元560。
光源模块540发射具有波长的发送光TX。用发送光TX来照射对象580。例如，光源模块540可发射红外光或近红外光。光源模块540可包括光源541 和镜头543，并可包括滤光器（未示出）。光源541可由控制单元560来控制以输出发送光TX，使得发送光TX的强度周期性地变化。例如，发送光TX 的强度可被调制为具有脉冲波、正弦波、余弦波等的波形。可用发光二极管（LED）、激光二极管等来实现光源541。由光源541产生的发送光TX可通过镜头543被聚焦在对象580上，并可通过滤光器被滤波。
像素阵列510包括多个深度像素511。像素阵列510基于由对象580反射的接收光RX来产生从3D图像传感器500到对象580的深度信息。换句话说，所述多个深度像素511可分别接收接收光RX，将接收光RX转换为电信号，并提供关于对象580距3D图像传感器500的距离（或深度）的信息（例如，深度信息）。接收光RX可在被光源模块540发射到对象580之后，从对象580反射。在示例实施例中，当在3D图像传感器500中使用接收光RX中包括的红外光或近红外光时，3D图像传感器500还可包括形成在所述多个深度像素511上的红外滤光器或近红外滤光器。
所述多个深度像素511中的每个可以是图1的深度像素100a、图5的深度像素100b、图8的深度像素100c、图11的深度像素100d、图12的深度像素100e、图15的深度像素100f、图17的深度像素100g、图20的深度像素 200a、图23的深度像素200b、图26的深度像素200c、图27的深度像素200d、图28的深度像素200e、图29的深度像素200f和图30的深度像素200g中的一个。例如，所述多个深度像素511中的每个可包括光检测区和至少一个光栅极。可通过调整在光检测区中的掺杂浓度和/或在光检测区上另外地形成第一栅极，来在光检测区中形成内电场。基于接收光RX被收集到的光电荷可基于内电场双向或单向地漂移，并因此即使所述至少一个光栅极的尺寸减小，每个深度像素仍可有效地存储并转移收集到的光电荷。因此，每个深度像素可具有相对低的功耗，即使每个深度具有相对高的调制频率，仍可保持每个深度像素的解调对比度，在每个深度像素中的暗电流和噪声可被减少，并且包括多个深度像素511的3D图像传感器500可具有相对更高的性能。
行驱动单元520可与像素阵列510中的每一行连接。行驱动单元520可产生驱动信号以驱动每一行。例如，行驱动单元520可逐行地驱动在像素阵列510中包括的多个深度像素511。
ADC单元530可与像素阵列510中的每一列连接。ADC单元530可将从像素阵列510输出的模拟信号转换为数字信号。在一些示例实施例中，ADC 单元530可使用分别耦接到多条列线的多个模数转换器来执行并行地转换模拟信号的列模数转换。在其他示例实施例中，ADC单元530可使用单个模数转换器执行顺序地转换模拟信号的单模数转换。
根据至少一个示例实施例，ADC单元530还可包括用于提取有效信号分量的相关双采样（CDS）单元。在一些示例实施例中，CDS单元可执行模拟双采样，所述模拟双采样基于包括复位分量的模拟复位信号和包括信号分量的模拟数据信号之间的差来提取有效信号分量。在其他示例实施例中，CDS 单元可执行数字双采样，所述数字双采样将模拟复位信号和模拟数据信号转换为数字信号并基于这两个数字信号之间的差来提取有效信号分量。在另一示例实施例中，CDS单元可执行双相关双采样，所述双相关双采样执行所述模拟双采样和所述数字双采样两者。
DSP单元550可接收从ADC单元530输出的数字信号，并对所述数字信号执行图像数据处理。例如，DSP单元550可执行图像插值、色彩校正、白平衡、伽马校正、彩色变换等。
控制单元560可通过提供控制信号（诸如时钟信号、时序控制信号等）来控制行驱动单元520、ADC单元530、光源模块540和DSP单元550。根据一些示例实施例，控制单元560可包括控制逻辑电路、锁相环电路、时序控制电路、通信接口电路等。
图33A和图33B是示出在图32的像素阵列中包括的深度像素的示例的示图。
参照图32、图33A和图33B，一些元件可由被包括在像素阵列510中并彼此相邻的至少两个深度像素来共享。
在示例实施例中，如图33A所示，第一深度像素511a可包括第一光检测区PD1、第一光栅极PG1’、第一浮动扩散区FD1’、第二光栅极PG2、第二浮动扩散区FD2和第一输出单元OPU1’。第二深度像素511b可包括第二光检测区PD2、第一光栅极PG1’、第一浮动扩散区FD1’、第三光栅极PG3、第三浮动扩散区FD3和第一输出单元OPU1’。换句话说，第一光栅极PG1’、第一浮动扩散区FD1’和第一输出单元OPU1’可由第一深度像素511a和与第一深度像素511a相邻的第二深度像素511b来共享。
在另一示例实施例中，如图33B所示，第三深度像素511c可包括第一光检测区PD1、第一光栅极PG1、第一浮动扩散区FD1、第二光栅极PG2、第二浮动扩散区FD2和第一输出单元OPU1”。第四深度像素511d可包括第二光检测区PD2、第三光栅极PG3、第三浮动扩散区FD3、第四光栅极PG4、第四浮动扩散区FD4和第一输出单元OPU1”。换句话说，第一输出单元OPU1”可由第三深度像素511c和与第三深度像素511c相邻的第四深度像素511d来共享。
虽然图33A和图33B示出了深度像素511a、511b、511c和511d与图1 的实施例相应，但是被包括在像素阵列511中并共享一些元件的深度像素可以是图5、图8、图11、图12、图15、图17、图20、图23、图26、图27、图28、图29和图30的实施例中的一个。
图34是示出根据至少一个示例实施例的3D图像传感器的框图。图35A 和图35B是示出在图34的3D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，3D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、第一模数转换（ADC）单元 630a、第二ADC单元630b、光源模块640、数字信号处理（DSP）单元650 和控制单元660。
光源模块640发射具有波长的发送光TX。用发送光TX来照射对象680。光源模块640可包括光源641和镜头643。光源模块640可与图31中的光源模块540基本上相同。
像素阵列610基于由对象680反射的接收光RX来产生从3D图像传感器600到对象680的深度信息。像素阵列610可包括多个深度像素和多个色彩像素。根据至少一个示例实施例，可根据需要来改变深度像素和数量与色彩像素的数量的比率和/或深度像素的尺寸与色彩像素的尺寸的比率。例如，如图35A所示，像素阵列610a可包括深度像素611a和色彩像素613a。又例如，如图35B所示，像素阵列610可包括深度像素611b和色彩像素613b。红外滤光器和/或近红外滤光器可形成在深度像素上，色彩滤光器（例如，红滤波器、绿滤波器、蓝滤波器）可形成在色彩像素上。
第一行驱动单元620a可与色彩像素中的每一行连接，并可产生第一驱动信号来驱动色彩像素中的每一行。第二行驱动单元620b可与深度像素中的每一行连接，并可产生第二驱动信号来驱动深度像素中的每一行。第一ADC单元630a可与色彩像素中的每一列连接，并可将从色彩像素输出的第一模拟信号转换为第一数字信号。第二ADC单元630b可与深度像素中的每一列连接，并可将从深度像素输出的第二模拟信号转换为第二数字信号。DSP单元650 可接收从第一ADC单元630a和第二ADC单元630b输出的第一数字信号和第二数字信号，并对第一数字信号和第二数字信号执行图像数据处理。控制单元660可控制第一行驱动单元620a和第二行驱动单元620b、第一ADC单元630a和第二ADC630b、光源模块640和DSP单元650。
图36是示出根据至少一个示例实施例的包括3D图像传感器的相机的框图。
参照图36，相机800包括光接收镜头810、3D图像传感器820、电机单元830和引擎单元840。3D图像传感器820可以是图31的3D图像传感器500 和图34的3D图像传感器600中的一个，并可包括图像传感器芯片821和光源模块823。在一些示例实施例中，图像传感器芯片821和光源模块823可用单独的装置来实现，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。在一些示例实施例中，光接收镜头810可被包括在图像传感器芯片821中。
光接收镜头810可将入射光聚焦在图像传感器芯片821的光接收区（例如，在像素阵列中包括的深度像素和/或色彩像素）上。图像传感器芯片821 可基于穿过光接收镜头810的入射光来产生包括深度信息和/或色彩图像信息的数据DATA1。例如，由图像传感器芯片821产生的数据DATA1可包括使用从光源模块823发射的红外光或近红外光所产生的深度数据以及使用外部可见光所产生的拜尔模式的RGB数据。
图像传感器芯片821可包括深度像素和/或色彩像素，以产生深度信息和 /或色彩图像信息。每个深度像素可包括光检测区和至少一个光栅极，并且内电场可形成在光检测区中。基于接收光RX被收集到的光电荷可基于内电场单向地或双向地漂移，并因此即使所述至少一个光栅极的尺寸减小，每个深度像素仍可有效地存储并转移收集到的光电荷。因此，每个深度像素可具有相对低的功耗，即使每个深度具有相对高的调制频率，仍可保持每个深度像素的解调对比度，在每个深度像素中的暗电流和噪声可被减少，并且包括深度像素的图像传感器芯片821可具有相对更高的性能。
图像传感器芯片821可基于时钟信号CLK将数据DATA1提供给引擎单元840。在一些实施例中，图像传感器芯片821可经由移动产业处理器接口 MIPI和/或相机串行接口CSI来与引擎单元840接口连接。
电机单元830可响应于从引擎单元840接收到的控制信号CTRL来控制光接收镜头810的聚焦或者可执行快门。在一些示例实施例中，可由电机单元830或图像传感器821来控制在光源模块823中包括的光源和镜头的相对位置。
引擎单元840可控制3D图像传感器820和电机单元830。引擎单元840 可处理从图像传感器芯片821接收到的数据DATA1。例如，引擎单元840可基于从图像传感器芯片821接收到的数据DATA1来产生三维色彩数据。又例如，引擎单元840可基于在数据DATA1中包括的RGB数据或压缩数据（诸如联合图像专家组（JPEG）数据）来产生包括亮度分量、蓝色亮度差分量和红色亮度差分量的YUV数据。引擎单元840可连接到主机/应用850，并可基于主时钟MCLK将数据DATA2提供给主机/应用850。另外，引擎单元840 可经由串行外设接口（SPI）和/或内置集成电路（I2C）。
图37是示出根据至少一个示例实施例的包括3D图像传感器的计算系统的框图。
参照图37，计算系统1000可包括处理器1010、存储装置1020、3D图像传感器1030、贮存装置1040、输入/输出装置1050和电源1060。虽然在图 37中未示出，但是计算系统1000还可包括与显卡、声卡、存储卡、USB装置或其他电子装置通信的端口。
处理器1010可执行各种计算或任务。根据至少一个示例实施例，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/或数据总线与存储装置1020、贮存装置1040和输入/输出装置1050通信。在一些实施例中，处理器1010可耦接到扩展总线，诸如外围组件互连（PCI）总线。
存储装置1020可存储用于操作计算系统1000的数据。例如，存储装置 1020可用至少一种易失性存储装置（例如，动态随机存取存储器（DRAM）装置、静态随机存储存储器（SRAM）装置等）和/或至少一种非易失性存储装置（例如，可擦可编程只读存储器（EPROM）装置、电可擦可编程只读存储器（EEPROM）装置、闪存装置、相变随机存储存储器（PRAM）装置、电阻随机存取存储器（RRAM）装置、纳米浮栅极存储器（NFGM）装置、聚合物随机存取存储器（PoRAM）装置、磁随机存取存储器（MRAM）、铁电随机存取存储器（FRAM）装置等）来实现。
贮存装置1040可包括固态驱动器（SSD）、硬盘驱动器（HDD）、CD-ROM 等。输入/输出装置1050可包括输入装置（例如，键盘、键区、鼠标等）和输出装置（例如，打印机、显示装置等）。电源1060可为计算系统1000提供操作电压。
3D图像传感器1030可经由总线或其他通信链路与处理器1010通信。3D 图像传感器1030可包括深度像素和/或色彩像素，来产生深度信息和/或色彩图像信息。每个深度像素可包括光检测区和至少一个光栅极，并且内电场可形成在光检测区中。基于接收光RX被收集到的光电荷可基于内电场双向地或单向地漂移，并因此即使所述至少一个光栅极的尺寸减小，每个深度像素仍可有效地存储并转移收集到的光电荷。因此，每个深度像素可具有相对低的功耗，即使每个深度具有相对高的调制频率，仍可保持每个深度像素的解调对比度，并且包括深度像素的3D图像传感器1030可具有相对更高的性能。
3D图像传感器1030可以各种形式来封装，诸如层叠封装件（PoP）、球栅极阵列（BGA）、芯片级封装（CSP）、塑料引线芯片载体（PLCC）、塑料双列直插式封装件（PDIP）、晶片中华夫封装（die in waffle pack）、晶圆中管芯形式（die in wafer form）、板上芯片（COB）、陶瓷双列直插式封装（CERDIP）、塑料方形扁平封装（MQFP）、薄型方形扁平封装（TQEP）、小外形封装（SOIC）、收缩型小外形封装件（SSOP）、薄型小外形封装（TSOP）、系统级封装（SIP）、多芯片封装件（MCP）、晶圆级制作封装（WFP）或晶圆级堆叠封装（WSP）。
计算系统1000可以是使用3D图像传感器的任何计算系统。例如，计算系统1000可包括数字相机、移动电话、智能电话、便携式多媒体播放器（PMP）、个人数字助理（PDA）、个人计算机、服务器计算机、工作站、膝上型计算机、笔记本计算机、数字电视机、机顶盒、音乐播放器、便携式游戏控制台、导航系统等。
图38是示出在图37的计算系统中可采用的接口的示例的框图。
参照图38，计算系统1100可用使用或支持移动产业处理器接口（MIPI）接口的数据处理装置来实现。计算系统1100可包括应用处理器1110、3D图像传感器1140、显示装置1150等。
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。在一些示例实施例中，CSI 主机1112可包括串并转换器（DES），并且CSI装置1141可包括并串转换器（SER）。应用处理器1110的DSI主机1111可经由显示串行接口（DSI）与显示装置1150的DSI装置1151执行串行通信。在一些示例实施例中，DSI 主机1111可包括并串转换器（SER），DSI装置1151可包括串并转换器（DES）。
计算系统1100还可包括执行与应用处理器1110的通信的射频（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PHY 1161的数据通信的DigRF主机1114。
计算系统1100还可包括全球定位系统（GPS）1120、存储器1170、MIC 1180、DRAM装置1185和扬声器1190。另外，计算系统1100可使用超带宽（UWB）1120、无线局域网（WLAN）1220、微波接入全球互操作性（WIMAX） 1130等执行通信。然而，电子装置1000的结构和接口不限于此。
上述示例实施例可应用于3D图像传感器以及具有3D图像传感器的电子系统。例如，电子系统可以是使用3D图像传感器的系统，例如，计算机、数字相机、3D相机、蜂窝电话、个人数字助理（PDA）、扫描仪、导航系统、视频电话、监视系统、自动聚焦系统、跟踪系统、运动感测系统和/或图像稳定系统。
前述内容是示例实施例的说明，并且不别被解释为受限于此。虽然已经描述了一些示例实施例，但是本领域的技术人员将容易理解，在不严重脱离本发明构思的新颖教导和优点的情况下，各种修改在示例实施例中是可能的。因此，所有这种修改意图包括在有权利要求中限定的本发明构思的范围内。因此，应理解的是，上述内容是各种示例实施例的说明，并且不应该被解释为受限于公开的特定示例实施例，并且对公开的示例实施例以及其他示例实施例的修改意图被包括在权利要求的范围内。

Claims (31)

1.一种在三维图像传感器中包括的深度像素，包括：
光检测区，被构造为基于由对象反射的光来收集光电荷，并被构造为基于在光检测区中的内电场，使收集到的光电荷在第一方向和与第一方向不同的第二方向上漂移；
第一光栅极，位在光检测区上,第一光栅极被构造为响应于第一光控制信号而被激活；
第一浮动扩散区，被构造为如果第一光栅极被激活，则积累收集到的光电荷的第一光电荷，其中，第一光电荷在第一方向上漂移；
第二光栅极，位于光检测区上并且与第一光栅极隔开，第二光栅极被构造为响应于第一光控制信号而被激活；
第二浮动扩散区，被构造为如果第二光栅极被激活，则积累收集到的光电荷的第二光电荷，其中，第二光电荷在第二方向上漂移。
2.如权利要求1所述的深度像素，还包括：
半导体基底，其中，光检测区可通过掺入具有与半导体基底的导电类型不同的导电类型的杂质被形成在半导体基底中，并且在光检测区中的掺杂浓度随着距第一光栅极的第一距离或距第二光栅极的第二距离增加而逐渐降低。
3.如权利要求2所述的深度像素，其中，第一光栅极和第二光栅极位于光检测区的边缘区域上，并且光检测区的边缘区域的掺杂浓度高于光检测区的中心区域的掺杂浓度。
4.如权利要求3所述的深度像素，其中，第一方向是从光检测区的中心区域到第一光栅极，并且第二方向是从光检测区的中心区域到第二光栅极。
5.如权利要求1所述的深度像素，还包括：
第一栅极，位于光检测区上并且在第一光栅极和第二光栅极之间，第一栅极被构造为基于第一电压来控制内电场。
6.如权利要求5所述的深度像素，其中，第一光栅极和第二光栅极各自位于光检测区的边缘区域上，并且第一栅极位于光检测区的中心区域上。
7.如权利要求6所述的深度像素，其中，第一方向是从第一栅极到第一光栅极，第二方向是从第一栅极到第二光栅极。
8.如权利要求5所述的深度像素，其中，如果光检测区收集电子-空穴对中的电子，则第一电压是负电压，如果光检测区收集电子-空穴对中的空穴，则第一电压是正电压。
9.如权利要求1所述的深度像素，其中，第一光栅极的尺寸和第二光栅极的尺寸小于光检测区的尺寸。
10.如权利要求1所述的深度像素，还包括：
第一输出单元，被构造为产生与第一光电荷和第二光电荷之和相应的第一输出电压。
11.如权利要求10所述的深度像素，其中，第一输出单元包括：
第一复位晶体管，被构造为响应于第一复位信号使第一浮动扩散区和第二浮动扩散区复位；
第一驱动晶体管，被构造为对第一浮动扩散区的电压和第二浮动扩散区的电压进行放大；
第一选择晶体管，被构造为将由第一驱动晶体管放大的电压输出为第一输出电压。
12.如权利要求1所述的深度像素，还包括：
第三光栅极，位于光检测区上，第三光栅极被构造为响应于第二光控制信号而被激活；
第三浮动扩散区，被构造为如果第三光栅极被激活，则积累收集到的光电荷的第三光电荷，其中，第三光电荷在第一方向上漂移；
第四光栅极，位于光检测区上并且与第三光栅极隔开，第四光栅极被构造为响应于第二光控制信号而被激活；
第四浮动扩散区，被构造为如果第四光栅极被激活，则积累收集到的光电荷的第四光电荷，其中，第四光电荷在第二方向上漂移。
13.如权利要求1所述的深度像素，还包括：
第一临时存储区，被构造为如果第一光栅极被激活，则存储第一光电荷；
第二临时存储区，被构造为如果第二光栅极被激活，则存储第二光电荷；
第一转移栅极和第二转移栅极，被构造为响应于第一转移控制信号而被激活，
其中，第一转移栅极和第二转移栅极被构造为如果第一转移栅极和第二转移栅极被激活，则将第一光电荷和第二光电荷分别转移到第一浮动扩散区和第二浮动扩散区。
14.如权利要求13所述的深度像素，其中，第一临时存储区和第二临时存储区与光检测区相邻或与光检测区隔开。
15.如权利要求1所述的深度像素，还包括：
第一桥扩散区和第二桥扩散区，与光检测区相邻，第一桥扩散区和第二桥扩散区被构造为如果第一光栅极和第二光栅极被激活，则分别存储第一光电荷和第二光电荷；
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隔开；
第一存储栅极和第二存储栅极，被构造为响应于第一存储控制信号而被激活；
第一转移栅极和第二转移栅极，被构造为响应于第一转移控制信号而被激活，
其中，第一存储栅极和第二存储栅极被构造为如果第一存储栅极和第二存储栅极被激活，则将在第一桥扩散区和第二桥扩散区中存储的第一光电荷和第二光电荷分别转移到第一存储区和第二存储区，
第一转移栅极和第二转移栅极被构造为如果第一转移栅极和第二转移栅极被激活，则将在第一存储区和第二存储区中存储的第一光电荷和第二光电荷分别转移到第一浮动扩散区和第二浮动扩散区。
16.一种在三维图像传感器中包括的深度像素，包括：
光检测区，被构造为基于由对象反射的光来收集光电荷，并被构造为基于在光检测区中的内电场使收集到的光电荷在第一方向上漂移；
第一光栅极，位于光检测区上，第一光栅极被构造为响应于第一光控制信号而被激活；
第一浮动扩散区，被构造为如果第一光栅极被激活，则积累收集到的光电荷的第一光电荷，其中，第一光电荷在第一方向上漂移；
第一栅极，位于光检测区上并被构造为基于第一电压来控制内电场，
其中，光检测区具有与半导体基底的导电类型不同的导电类型，并且在光检测区中的掺杂浓度随着距第一光栅极的第一距离增加而逐渐降低。
17.如权利要求16所述的深度像素，其中，第一光栅极和第一栅极各自位于光检测区的边缘区域上。
18.如权利要求17所述的深度像素，其中，第一方向是从第一栅极到第一光栅极。
19.如权利要求16所述的深度像素，还包括：
第二光栅极，位于光检测区上并且与第一光栅极隔开，第二光栅极被构造为响应于第二光控制信号而被激活；
第二浮动扩散区，被构造为如果第二光栅极被激活，则积累收集到的光电荷的第二光电荷，其中，第二光电荷在第一方向上漂移。
20.如权利要求16所述的深度像素，还包括：
第一临时存储区，被构造为如果第一光栅极被激活，则存储第一光电荷；
第一转移栅极，被构造为响应于第一转移控制信号而被激活，
其中，第一转移栅极被构造为如果第一转移栅极被激活，则将在第一临时存储区中存储的第一光电荷转移到第一浮动扩散区。
21.如权利要求16所述的深度像素，还包括：
第一桥扩散区，与光检测区相邻，第一桥扩散区被构造为如果第一光栅极被激活，则存储第一光电荷；
第一存储区，与第一桥扩散区隔开；
第一存储栅极，被构造为响应于第一存储控制信号而被激活；
第一转移栅极，被构造为响应于第一转移控制信号而被激活，
其中，第一存储栅极被构造为如果第一存储栅极被激活，则将在第一桥扩散区中存储的第一光电荷转移到第一存储区，并且第一转移栅极被构造为如果第一转移栅极被激活，则将在第一存储区中存储的第一光电荷转移到第一浮动扩散区。
22.一种三维图像传感器，包括：
光源模块，被构造为发射发送光，对象被所述发送光照射；
像素阵列，包括多个深度像素，像素阵列被构造为基于由对象反射的光来产生从3D图像传感器到对象的深度信息，
其中，所述多个深度像素的第一深度像素包括，
光检测区，被构造为基于由对象反射的光来收集光电荷，并被构造为基于在光检测区中的内电场使收集到的光电荷在第一方向和与第一方向不同的第二方向上漂移；
第一光栅极，位于光检测区上，第一光栅极被构造为响应于第一光控制信号而被激活；
第一浮动扩散区，被构造为如果第一光栅极被激活，则积累收集到的光电荷的第一光电荷，其中，第一光电荷在第一方向上漂移；
第二光栅极，位于光检测区上并且与第一光栅极隔开，第二光栅极被构造为响应于第一光控制信号而被激活；
第二浮动扩散区，被构造为如果第二光栅极被激活，则积累收集到的光电荷的第二光电荷，其中，第二光电荷在第二方向上漂移。
23.如权利要求22所述的三维图像传感器，其中，第一光栅极和第一浮动扩散区被所述多个深度像素的第一深度像素和第二深度像素共享，第二深度像素与第一深度像素相邻。
24.一种三维图像传感器，包括：
光源模块，被构造为发射发送光，对象被所述发送光照射；
像素阵列，包括多个深度像素，像素阵列被构造为基于由对象反射的光来产生从3D图像传感器到对象的深度信息，
其中，所述多个深度像素的第一深度像素包括，
光检测区，被构造为基于由对象反射的光来收集光电荷，并被构造为基于在光检测区中的内电场使收集到的光电荷在第一方向上漂移；
第一光栅极，位于光检测区上，第一光栅极被构造为响应于第一光控制信号而被激活；
第一浮动扩散区，被构造为如果第一光栅极被激活，则积累收集到的光电荷的第一光电荷，其中，第一光电荷在第一方向上漂移；
第一栅极，位于光检测区上并被构造为基于第一电压来控制内电场，其中，光检测区具有与半导体基底的导电类型不同的导电类型，并且在光检测区中的掺杂浓度随着距第一光栅极的第一距离增加而逐渐降低。
25.一种图像传感器，包括：
光检测区，被构造为基于接收到的光来获得电荷，所述光检测区具有中心区域和边缘区域，在边缘区域中的掺杂浓度大于在中心区域中的掺杂浓度；
第一栅极，位于光检测区上并被构造为基于第一电压来控制光检测区中的内电场，
其中，光检测区被构造为基于在光检测区中的内电场使所获得的电荷在第一方向和与第一方向不同的第二方向上漂移。
26.如权利要求25所述的图像传感器，其中，掺杂浓度从所述中心区域到所述边缘区域增加。
27.如权利要求25所述的图像传感器，还包括：
第一浮动扩散区；
第一光栅极，在光检测区和第一浮动扩散区之间，所述第一浮动扩散区被构造为基于第一光栅极的操作状态来积累电荷。
28.如权利要求27所述的图像传感器，其中，第一光栅极的尺寸小于光检测区的尺寸。
29.如权利要求27所述的图像传感器，还包括：
第二浮动扩散区；
第二光栅极，在光检测区和第二浮动扩散区之间，第二浮动扩散区和第二光栅极位于光检测区的与第一浮动扩散区和第一光栅极不同的边上。
30.如权利要求29所述的图像传感器，其中，第二光栅极的尺寸小于光检测区的尺寸。
31.如权利要求29所述的图像传感器，其中，
第一栅极在第一光栅极和第二光栅极之间。
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