CN105405855B - 成像电路和用于操作成像电路的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及成像电路和用于操作成像电路的方法。成像电路包括第一垂直沟槽栅极和相邻的第二垂直沟槽栅极。成像电路包括栅极控制电路。栅极控制电路以第一操作模式操作以生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一集电接触的第一空间电荷区域并且以第二操作模式操作以生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一集电接触的第二空间电荷区域。成像电路还包括图像处理电路，其基于在第一操作模式下第一集电接触处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子来确定对象的距离信息，并且基于在第二操作模式下第一集电接触处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子来确定对象的颜色信息。

Description

成像电路和用于操作成像电路的方法
技术领域
实施例涉及产生对象的图像并且特别是涉及成像电路和用于操作成像电路的方法。
背景技术
各种传感器和计量器使用声学和光学脉冲或编码信号的延迟测量。在一些应用中，距离的测量与模式检测耦合。这可以是例如在使用可见或红外光的一些渡越时间（TOF）技术中的情况。红外光因为其不可见性可以是许多应用中选择的波长信号。红外光具有大约十微米或更大的穿透深度。在该深度，不能容易地借助于表面掺杂层的向外扩散而建立空间电荷区域。光子混合器件（PMD）也不能进行颜色识别，因为仅红外脉冲光被估计。所使用的光电管给出固定的光谱响应并且因此并非设计以用作颜色识别器件。
发明内容
需要提供一种成像电路，其能够生成三维彩色图像。
这样的需要可以由权利要求的主题满足。
一些实施例涉及成像电路，其包括半导体衬底和延伸到半导体衬底中的第一垂直沟槽栅极和相邻的第二垂直沟槽栅极。成像电路还包括栅极控制电路。栅极控制电路配置为以第一操作模式操作以将第一电压提供给第一垂直沟槽栅极并且将第二电压提供给第二垂直沟槽栅极，从而生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极附近的第一集电（collection）接触的第一空间电荷区域。栅极控制电路还配置为以第二操作模式操作以将第三电压提供给第一垂直沟槽栅极，从而生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极附近的第一集电接触的第二空间电荷区域。成像电路还包括图像处理电路，其配置为基于在第一操作模式下第一集电接触处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子来确定对象的距离信息，并且基于在第二操作模式下第一集电接触处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子来确定对象的颜色信息。
一些实施例涉及成像电路，其包括半导体衬底和延伸到半导体衬底中的多个垂直沟槽栅极。每个相应的垂直沟槽栅极具有在其附近的用于收集第一电荷载流子类型的光生电荷载流子的对应的集电接触。成像电路还包括栅极控制电路，其配置为在集电时间间隔期间将不同电压提供给多个垂直沟槽栅极中的每一个。每个相应的垂直沟槽栅极生成用于将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至其相应的集电接触的相应空间电荷区域。成像电路还包括图像处理电路，其配置为确定对象的多个颜色信息类型的颜色信息，每个颜色信息类型的颜色信息基于每个对应的集电接触处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子。
一些实施例涉及用于操作成像电路的方法。该方法包括在第一操作模式下，将第一电压提供给第一垂直沟槽栅极并且将第二电压提供给第二垂直沟槽栅极以生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极附近的第一集电接触的第一空间电荷区域。该方法还包括在第二操作模式下，将第三电压提供给第一垂直沟槽栅极以生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极附近的第一集电接触的第二空间电荷区域。该方法还包括基于在第一操作模式下第一集电接触处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子，来确定对象的距离信息。该方法还包括基于在第二操作模式下第一集电接触处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子，来确定对象的颜色信息。
附图说明
以下将仅作为示例并且参照附图来描述装置和/或方法的一些实施例，其中：
图1示出根据实施例的成像电路的示意截面图。
图2示出根据实施例的操作在第一操作模式下的成像电路的示意截面图。
图3示出根据实施例的指示由第一操作模式下的栅极控制电路提供的电压的图解。
图4A示出根据实施例的操作在第二操作模式下的垂直沟槽栅极的示意截面图。
图4B示出根据实施例的操作在第二操作模式下的垂直沟槽栅极的示意截面图。
图4C示出根据实施例的操作在第二操作模式下的垂直沟槽栅极的示意截面图。
图4D示出根据实施例的操作在第二操作模式下的垂直沟槽栅极的示意截面图。
图5示出根据实施例的操作在第二操作模式下的垂直沟槽栅极的示意截面图。
图6示出根据实施例的成像电路的示意截面图。
图7示出根据实施例的用于操作成像电路的方法的流程图。
图8A示出根据实施例的成像电路的示意俯视图。
图8B示出根据实施例的成像电路的示意俯视图。
图9示出指示深耗尽下空间电荷区域宽度的视图。
图10示出指示光进入硅的穿透深度的图解。
图11示出指示所测量的光电流作为沟槽栅极电压的函数的图解。
具体实施方式
现在将参照其中图示一些示例实施例的附图来更全面地描述各种示例实施例。在附图中，线、层和/或区域的厚度可以为了清楚而放大。
因此，尽管示例实施例能够进行各种修改和替换形式，但其实施例作为示例在附图中示出并且在此将详细描述。然而，应理解，并非意在将示例实施例限制于所公开的特定形式，而是相反，示例实施例将覆盖所有落入本公开的范围内的修改、等同物和替换。在整个附图的描述中，相同标记指代相同或相似的元件。
应理解，当元件被称为“连接”或“耦合”于另一元件时，其可以直接连接于或耦合于另一元件，或者可以存在介入元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”于另一元件时，则不存在介入元件。用于描述元件之间关系的其他用词应该以类似形式来解释（例如，“之间”相对于“直接之间”，“邻近”相对于“直接邻近”等）。
在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且并非意在限制示例实施例。如在此使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意在包括复数形式，除非上下文另有清楚指示。还应该进一步理解，术语“包括”、“包含”和/或“包含了”，在此使用时，指代存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
除非另外限定，所有在此使用的术语（包括技术和科学术语）具有与示例实施例所属领域的技术人员通常理解的相同含义。还应理解，例如在通常使用的字典中限定的那些术语的术语应该解释为具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化地或过分正式的意义来解释，除非在此明确如此限定。
图1示出根据实施例的成像电路1的示意截面图。成像电路1包括半导体衬底10和延伸到半导体衬底10中的第一垂直沟槽栅极12和相邻的第二垂直沟槽栅极13。
成像电路1还包括栅极控制电路239。栅极控制电路239以第一操作模式操作以将第一电压，例如V1，提供给第一垂直沟槽栅极12并且将第二电压，例如，V2，提供给第二垂直沟槽栅极13，从而生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极12附近的第一集电接触32的第一空间电荷区域。
栅极控制电路239还以第二操作模式操作以将第三电压提供给第一垂直沟槽栅极12，从而生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极12附近的第一集电接触32的第二空间电荷区域。
成像电路1还包括图像处理电路235，其基于在第一操作模式下第一集电接触32处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子来确定对象的距离信息，并且基于在第二操作模式下第一集电接触32处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子来确定对象的颜色信息。
由于图像处理电路235、栅极控制电路239、第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13的以上实施，成像电路使得能够生成示出周围场景和颜色识别的详细图片的三维图像、彩色图像和三维彩色图像。此外，对象的距离信息和颜色信息两者可以通过相同的成像电路来确定。此外，具有关于对象的距离信息和颜色信息两者的图像可以由成像电路1来产生。此外，由于使用了用于生成空间电荷区域的垂直沟槽栅极，成像电路1的横向尺寸可以减小，或者分辨率可以增加，并且由杂散电荷载流子引起的噪声可以被避免或最小化。
半导体衬底10可以是基于硅的半导体衬底、基于碳化硅的半导体衬底、基于砷化镓的半导体衬底或基于氮化镓的半导体衬底。半导体衬底10可以被掺杂，以使得半导体衬底的大部分电荷载流子是例如空穴的正电荷载流子，或者使得半导体衬底的大部分电荷载流子是例如电子的负电荷载流子。为了说明目的，半导体衬底10假定为p掺杂的半导体衬底。换言之，假定，半导体衬底10中的电荷载流子中的大部分是正电荷载流子，即空穴。
例如，半导体衬底10可以具有在1×1013至1×1017 cm-3之间，或1×1014至1×1016cm-3之间，或者1×1014至1×1015 cm-3之间的掺杂浓度，例如大约5 ×1014 cm-3。
半导体衬底10可以是例如半导体管芯或半导体芯片。第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13可以在半导体衬底10，即在半导体管芯中形成。半导体衬底10可以具有在半导体衬底的顶面和底面之间的垂直方向上测量的厚度。
第一垂直沟槽栅极12可以位于第一垂直沟槽218中（在图2中示出）并且由在第一垂直沟槽218内的绝缘层216（在图2中示出）与半导体衬底10绝缘。例如，第一垂直沟槽218可以例如通过对半导体衬底的顶面101进行结构化而形成在半导体衬底10的顶面101处，并且第一垂直沟槽218可以从顶面101延伸到半导体衬底10中。
随后，绝缘层216可以沉积在第一垂直沟槽218中并且可以覆盖第一垂直沟槽218的底壁和侧壁。绝缘层216可以是例如氧化物层。例如，绝缘层216可以是二氧化硅层。绝缘层216可以具有在1nm至30nm之间或者2nm至25nm之间，或者5nm至25nm之间的厚度，例如大约20nm。
绝缘层216还可以称为栅极氧化物层，或氧化物衬里。第一垂直沟槽栅极12可以通过在第一垂直沟槽218中沉积导电材料来形成。导电材料可以例如填充第一垂直沟槽218，并且可以形成在绝缘层216上方，例如直接在绝缘层216上方。例如，导电材料可以是多晶硅，和/或金属。绝缘层216可以将第一垂直沟槽栅极12与半导体衬底10绝缘。
第二垂直沟槽栅极13可以根据第一垂直沟槽栅极12的实施方式来实现。
例如，第一集电接触32可以包括形成在半导体衬底10的顶表面的局部n掺杂区域（在图4A至4D中示出）以及形成在该n掺杂区域上方的金属接触。例如，第一集电接触32可以是沉积在n掺杂注入区域上方的导电电极材料。第一集电接触32可以与n掺杂注入区域直接电连接，或者可以通过一个或多个导电层电连接至n掺杂注入区域。第一集电接触32和n掺杂注入区域可以形成在半导体衬底10的在第一垂直沟槽栅极12附近的顶面101处。例如，n掺杂注入区域可以形成在半导体衬底10中顶面101的表面处，并且第一集电接触32可以形成在n掺杂注入区域上方，例如，半导体衬底10的顶面101上方。例如，第一集电接触32和n掺杂注入区域可以围绕第一垂直沟槽栅极12。例如，第一集电接触32和/或n掺杂注入区域可以与第一垂直沟槽栅极12的绝缘层216相邻或直接相邻。例如，第一集电接触32和n掺杂注入区域可以至少部分或全部围绕第一垂直沟槽栅极12，例如它们可以至少部分或全部环绕第一垂直沟槽栅极12。
第一集电接触32可以电连接至图像处理电路235。第一集电接触32可以提供与第一集电接触32处收集的光生电荷载流子有关的光生电信号。例如，第一集电接触32处收集的光生电荷载流子可以至少由栅极控制电路239施加至第一垂直沟槽栅极12的第一电压V1和第三电压V3来生成，和/或可以是由于来自浓度梯度的扩散而到达第一集电接触32处的光生电荷载流子。所提供的光生电信号可以发送至图像处理电路235以进行估计。图像处理电路235可以接收与光生电荷载流子有关的光生电信号。光生电信号可以例如是光电流或电压信号。
第一空间电荷区域和第二空间电荷区域可以是在不同时间生成的空间电荷区域。第一空间电荷区域和第二电荷区域可以通过施加相同或不同电压来生成并且可以延伸通过半导体衬底的相同部分或不同部分。
在第一操作模式下，关于对象的期望的距离信息可以通过成像电路1的图像处理电路235来确定。例如，由成像电路1产生对象的三维图像可以是期望的。
例如，对象可以是东西、场景或人。例如，对象可以是三维的并且具有颜色。
在第一操作模式下，照明源可以在对象的附近，例如朝向对象，发射具有所关心的第一波长的电磁波。具有所关心的第一波长的电磁波可以由照明源发射并且以调制频率f进行调制。所发射的具有所关心的第一波长的电磁波可以由对象反射并且由成像电路1接收。为了确定对象的距离信息，可以由成像电路1估计具有所关心的第一波长的电磁波与其反射信号之间的相位校正。
例如，假定半导体衬底10是p掺杂的半导体衬底，第一电压V1可以是正向偏置电压而第二电压V2可以是零电压，即没有偏置。可以理解，对于V1和V2可以选择其他偏置电压，以使得V1与V2之间存在潜在电位差。电压V1和V2交替地施加至第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13所处的偏置频率可以被锁定为将要检测的信号（例如，由对象反射的具有所关心的波长的电磁波）的频率f。
第一电压V1向第一垂直沟槽栅极12的供应以及第二电压V2向第二垂直沟槽栅极13的供应可以在半导体衬底10内生成第一空间电荷区域。
由于利用第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13来实现栅极控制电路239，可以达到噪声的减少。通过使用垂直沟槽栅极，可以生成空间电荷区域，从而可以避免对噪声做出贡献的、由至少部分在中等衬底掺杂水平的空间电荷区域外部的红外光生成的电子空穴对。除了噪声的减少以外，可以达到相比于光子混合器器件小得多的横向尺寸。
在第一操作模式下，图像处理电路235可以基于在第一时间间隔期间在第一集电接触32处收集的第一电荷载流子类型16的光生电荷载流子以及在第二时间间隔期间在第二垂直沟槽栅极13附近的第二集电接触33处收集的第一电荷载流子类型16的光生电荷载流子来确定对象的距离信息。为了计算具有第一波长的电磁波的相位延迟，图像处理电路235可以比较在第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13处搜集的电荷量。在第一操作模式下，图像处理电路235可以执行算法，例如在TOF相位检测中使用的脉冲宽度调制或连续波调制计算。
在上述实施例中，半导体衬底10被假定为p掺杂的半导体衬底。可以理解，在其他实施例中，半导体衬底10可以不限于是p掺杂的半导体衬底并且替代地可以是n掺杂的半导体衬底。在这些其他实施例中，配置可以反转。例如，第一集电接触32和第二集电接触33的掺杂可以例如从n掺杂反转为p掺杂。例如，块接触的掺杂可以例如从p掺杂反转为n掺杂。例如，V1可以是负向偏置而不是正向偏置。例如，V2可以是正向偏置或零。例如，第一电荷载流子类型16可以是正电荷载流子，例如空穴而第二电荷载流子类型17可以是负电荷载流子，例如电子。
由于该实施方式（例如，具有第一垂直沟槽栅极12、第二垂直沟槽栅极13、第一集电接触32和第二集电接触33的栅极控制电路239），成像电路1可以被实现为用于快速捕捉周期的相位敏感光电管，其中电子可以在沟槽栅极表面处被收集并且随后由接近于沟槽的局部接触从器件中提取，同时空穴可以被排斥到该块并且由衬底接触收集。
在第二操作模式下，可以由成像电路1的图像处理电路235确定关于对象的期望颜色信息。图像处理电路235可以基于由多个不同电压生成的光生电荷载流子来确定对象的多个颜色信息类型的颜色信息，并且可以基于多个颜色信息类型的颜色信息来产生对象的彩色图像。
例如，多个颜色信息类型可以基于光生电荷载流子的强度/幅度信息，该强度/幅度信息基于图像电路对于多个所关心的波长，例如红光或绿光或蓝光的光谱敏感性。可以理解，多个颜色信息类型的颜色信息类型数目不限于三个，并且可以包括任何大于一的整数。此外，可以理解，图像电路的光谱敏感性不限于红光或绿光或蓝光，而可以包括任何大于一的颜色数目。
图2示出在第一操作模式下操作的成像电路2的示意图。成像电路2可以包括已经关于成像电路1描述的特征中的一个或多个，或全部。
第一垂直沟槽栅极12可以位于第一垂直沟槽218中并且由第一垂直沟槽218内的绝缘层216与半导体衬底10绝缘。例如，第一垂直沟槽218可以例如通过对半导体衬底的顶面101进行结构化而形成于半导体衬底10的顶面101处，并且第一垂直沟槽218可以从顶面101延伸到半导体衬底10中。
第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13可以延伸到半导体衬底10中大于5μm。例如，第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13的垂直高度h可以在5μm至500μm之间，或者10μm至300μm之间，或者10μm至100μm之间，例如70μm。第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13可以延伸到相同或相似深度，虽然这在其他实施例中可以改变。
第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13均可以具有范围在0.1μm至5μm之间，或者0.1μm至4μm之间，或者0.1μm至2μm之间，例如1μm的宽度w（例如，在一个方向上最小或平均的延伸）。
半导体衬底10可以具有在半导体衬底10的顶面与底面之间的垂直方向上测量的厚度ds。可能的半导体衬底厚度的示例可以，但或不限于是在400μm至1mm之间，或者500μm至900μm之间，或者600μm至850μm之间。
在第一操作模式的第一时间间隔t1期间，栅极控制电路239可以将第一电压V1提供至第一垂直沟槽栅极12并且将第二电压V2提供至第二垂直沟槽栅极13（如图3中所示）。第一电压V1向第一垂直沟槽栅极12的供应以及第二电压V2向第二垂直沟槽栅极13的供应可以同时执行。
由对象反射的具有所关心的第一波长的电磁波可以由成像电路1接收。具有第一波长的电磁波可以照射到成像电路1上并且可以进入半导体衬底10内的电磁波接收区域26。例如，箭头19（在图2中示出）图示从半导体衬底10的顶面101照射并且进入例如成像电路1的成像电路的具有第一波长的电磁波的进入。可以理解，在其他替换实施例中，具有第一波长的电磁波可以从半导体衬底10的底面102进入。具有第一波长的电磁波进入第一空间电荷区域241可以导致光生电荷载流子，即电子空穴对的生成，电子空穴对包括例如电子的第一电荷载流子类型16和例如空穴的第二电路载流子类型17。
在第一时间间隔t1期间，在第一电压V1被提供至第一垂直沟槽栅极12以及第二电压V2被提供至第二垂直沟槽栅极13时，第一空间电荷区域将第一电荷载流子类型16，例如电子的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极12附近的第一集电接触32。例如，第一电荷载流子类型16的光生电荷载流子也可以由于通过浓度梯度的扩散而到达第一垂直沟槽栅极12并且也可以由第一集电接触32收集。此外，第一空间电荷区域将第二电荷载流子类型17，例如空穴的光生电荷载流子加速至连接至半导体衬底的块接触和/或加速至第二垂直沟槽栅极13附近的第二集电接触。第一空间电荷区域可以形成为围绕第一垂直沟槽栅极12，而第二垂直沟槽栅极13可以保持在半导体衬底10的中性区域中。
将电压V1和V2分别施加至垂直沟槽栅极12和13使第一空间电荷区域241水平地展开（平行于器件表面或顶面101）。例如，第一垂直沟槽栅极12与第二垂直沟槽栅极13之间的分离距离d可以与衬底掺杂水平联系，使得其作为TOF相位敏感检测器的操作可以例如在第一垂直沟槽栅极12与第二垂直沟槽栅极13之间生成全耗尽间隙。
例如，分离距离d可以在0.5μm至10μm之间，或者在1μm至5μm之间，或者在1μm至3μm之间，例如大约1μm。空间电荷区域241与第一垂直沟槽栅极12的扩展距离可以在0.5μm至10μm之间，或者在1μm至5μm之间，或者在1μm至3μm之间，例如大约1μm，但可以小于分离距离d，使得第二垂直沟槽栅极13保持在中性区域108中。
第一空间电荷区域241也可以垂直地展开，（垂直于半导体衬底表面或顶面101）。空间电荷区域241的深度d1可以在5μm至500μm之间，或者10μm至300μm之间，或者10μm至100μm之间。空间电荷区域241的深度取决于垂直沟槽栅极的高度、所施加的栅极电压和/或掺杂水平，并且例如可以由于垂直扩展而略微大于垂直沟槽栅极的高度。
第一电荷载流子类型16（电子）的光生电荷载流子可以由于在第一操作模式下在第一时间间隔t1期间在第一垂直沟槽栅极12处所施加并且在第一集电接触32处收集的（正向）偏置而朝向第一垂直沟槽栅极12加速。第二电荷载流子类型17（空穴）的光生电荷载流子可以在块接触36（在图5中示出）处和/或在第二垂直沟槽栅极13处的第二集电接触处收集。例如，第二电荷载流子类型17的光生载流子可以被排斥到半导体衬底10的块并且由块接触收集。类似地，当在第一操作模式的第二时间间隔t2期间提供交替偏置时，第一电荷载流子类型16的光生电荷载流子可以朝向第二垂直沟槽栅极13加速而第二电荷载流子类型17的光生电荷载流子可以朝向第一垂直沟槽栅极12加速。
例如，在第一操作模式的第一时间间隔中，第一垂直沟槽栅极12与第二垂直沟槽栅极13之间的距离可以被选择为使得第一垂直沟槽栅极12由第一空间电荷区域241包围，而第二垂直沟槽栅极13保持在半导体衬底10的中性区域108中。半导体衬底10的中性区域108（在图2中示出）可以是具有与半导体衬底10的块类似的电性质（例如，在将相同电压施加至垂直沟槽栅极和块时自由电荷载流子的浓度）的区域。类似地，例如，当在第一操作模式的第二时间间隔中施加交替偏置时，第一垂直沟槽栅极12与第二垂直沟槽栅极13之间的距离可以选择为使得第二垂直沟槽栅极13由第二空间电荷区域包围，而第一垂直沟槽栅极12保持在半导体衬底10的中性区域中。
例如，成像电路的像素元件可以是例如具有在第一操作模式下以具有固定频率的耗尽模式操作的至少两个沟槽栅极的光电管。该频率被锁定为所发送信号的频率，因此可以估计光脉冲与其反射之间的相位校正。通过使用沟槽栅极，空间电荷区域可以在深耗尽下水平展开（平行于器件表面），因为耗尽宽度大于例如平衡下的最大耗尽深度。
两个邻近电极之间的空间可以以如下的方式与衬底掺杂水平联系：作为TOF器件的操作在沟槽之间强制出完全耗尽的间隙。沟槽栅极的深度可以适于用作信号源的光波长，即其可以在数十微米的范围中。
例如，在第一操作模式下，成像器件1可以用作相位敏感检测器，并且邻近沟槽的电极，例如第一12和第二13垂直沟槽栅极以正向（快速扫描）交替偏置，使得成像器件1以深耗尽状态操作。读出电路可以随后用于比较在电极处搜集的、由接近于沟槽的局部n掺杂区域和接触读出的电荷量。例如，成像器件1可以与第一操作模式下的光子混合器器件类似地操作。
该交替偏置说明性地在图3中示出，其示出指示由栅极控制电路在第一操作模式下提供的电压的视图。
在第一操作模式的第一时间间隔期间加速的第一电荷载流子类型16的光生电荷载流子中的至少一部分可以由具有所关心的第一波长的电磁波生成。此外，在第一操作模式的第二时间间隔期间加速的第二电荷载流子类型17的光生电荷载流子中的至少一部分可以由具有所关心的第一波长的电磁波生成。
读出电路可以将由在第一集电接触32和块接触处收集的光生电荷载流子生成的强度/幅度信息转换为电信号，例如电流信号或电压信号或电阻信号。读出电路可以将第一集电接触32和块接触中的每一个连接至接收电信号的图像处理电路235。
栅极控制电路239可以将第一电压V1提供至第一垂直沟槽栅极12，使得第一空间电荷区域241至少延伸到半导体衬底10的深度d1，从而在第一空间电荷区域241中生成由具有所关心的第一波长的电磁波生成的光生电荷载流子。用于控制第一空间电荷区域241的深度d1的第一电压V1可以基于具有所关心的第一波长的电磁波根据Beer-Lambert法则而从半导体衬底10的顶面101起的穿透深度。穿透深度可以定义为从顶面101起的深度，或者从穿透半导体衬底的电磁波的强度降低到在顶面101或表面处进入半导体衬底的电磁波的强度的大约1/e（例如，大约0.367）时所处的半导体衬底的表面起的深度。例如，用于控制第一空间电荷区域241的深度d1的第一电压V1可以选择为使得在第一空间电荷区域241内生成由进入半导体衬底10的具有所关心的第一波长的电磁波生成的光生电荷载流子中的预先确定百分比（例如，大于大约80%、90%或95%）或大部分（例如，大于大约50%）。在该说明性示例中，具有所关心的第一波长的电磁波可以是红外电磁波。例如，如果所关心的第一波长是大约800nm，800nm波长EM波在硅衬底中的穿透深度可以是大约11.8μm。由电磁波生成的光生电荷载流子中的预先确定百分比或大部分可以在大约11.8μm的深度内生成，并且第一空间电荷区域241可以至少延伸到该区域的深度d1中，例如至少或大于11.8μm。
此外，第一和第二垂直沟槽栅极12、13的高度可以被结构化为，使得由第一和第二垂直沟槽栅极12、13生成的空间电荷区域的深度可以至少延伸到由特定的所关心的波长生成的电荷载流子中的预先确定百分比或大部分在其内被生成的深度中。例如，深度，即第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13的高度h可以适于基于所关心的第一波长，即用作信号源的光波长的穿透深度。例如，第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13可以延伸到半导体衬底中数十微米。
在后续的第二时间间隔t2期间，施加至第一垂直沟槽栅极12和相邻的第二垂直沟槽栅极13的电压可以反转，如图3中所示。因此，在后续的第二时间间隔期间，栅极控制电路239可以将第二电压V2提供至第一垂直沟槽栅极12并且将第一电压V1提供至第二垂直沟槽栅极1。
将第二电压V2提供至第一垂直沟槽栅极12并且将第一电压V1提供至第二垂直沟槽栅极13生成第三空间电荷区域，其将第一电荷载流子类型16，例如电子的光生电荷载流子加速至第二垂直沟槽栅极13附近的第二集电接触33（在图2中示出）。此外，第三空间电荷区域附加地将第二电荷载流子类型17，例如空穴的光生电荷载流子加速至块接触或另一块接触，其连接至半导体衬底10，例如在半导体衬底的背面处。换言之，在配置反转的情况下，即第三空间电荷区域可以形成在第二垂直沟槽栅极13周围，而第一垂直沟槽栅极12保持在半导体衬底10的中性区域中。
读出电路可以将由在第二集电接触33和块接触处收集的光生电荷载流子生成的数据转换为电信号，例如电流信号或电压信号或电阻信号。读出电路可以连接至接收电信号的图像处理电路。
更多细节和方面结合上述或下述实施例进行叙述（例如，关于半导体衬底、第一垂直沟槽栅极、第二垂直沟槽栅极、栅极控制电路和图像处理电路）。图2中示出的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，其对应于结合所提出的概念或上述（例如图1）或下述（例如，图3、或4A至4D、5至7或8A至8B）的一个或多个实施例叙述的一个或多个方面。
图3示出指示由栅极控制电路在第一操作模式下提供的电压的图解。
栅极控制电路配置为将V1和V2的快速交替偏置交替地施加至第一12和第二13垂直沟槽栅极，使得成像电路1、2的像素元件在第一操作模式下处于深耗尽。例如，交替频率可以在50Hz至1MHz之间，或者在100Hz至800Hz之间，或者在200Hz至600Hz之间，或者这些值之间的任何值。
例如，电压V1可以在1V至15V之间，或者2V至12V之间，或者5V至10V之间。例如，电压V2可以是大约零伏特（地）或另一基准电位。
图4A至4D示出在第二操作模式下操作的成像电路1或2的示意截面图。
在第二操作模式下，来回切换栅极电压可以由例如栅极电压扫描（sweep）来代替，其引起沟槽通道区域处电荷载流子浓度的变化。通过使用这一技术，可以提供光谱响应的变化并且因此提供颜色识别。针对颜色识别实现的附加特征可以是随着增加栅极电压而渐进地改变沟道电荷的沟道区域。这可以由逐渐掺杂的衬底区域来提供。这也可以有助于通过使用内置场来增加量子效率并且可以用于PMD系统中。另一方法将是圆锥形状或化学计量成分改变的栅极电介质。
由于增加或上升的栅极电压，沟道区域可以以累积、耗尽和/或反型操作。在第二操作模式下，第一垂直沟槽栅极12可以在多个不同操作状态下操作以在半导体衬底内生成多个不同的反型区。例如，栅极控制电路239可以在第二操作模式下将多个不同电压，例如V3、V4、V5和/或更多电压提供至第一垂直沟槽栅极12。
在第二操作模式期间施加的电压，例如V3、V4、V5可以在1V至15V之间，或者在2V至12V之间，或者在5V至10V之间。在一些示例中，在第二操作模式下的电压可以从1V逐渐扫描至15V，或者从2V至12V，或从5V至10V。换言之，电压V3、V4、V5可以是在1V至15V之间，或者在2V至12V之间，或者在5V至10V之间的离散选择值。
例如，电压可以是按照增加栅极偏置的次序。多个不同电压的每个电压可以连续地（例如，一个接一个）被提供至第一垂直沟槽栅极12，以在反型区与半导体衬底的界面处生成相应的空间电荷区域，并且例如其到半导体衬底10中的延伸随着栅极偏置的增加而增加。例如，每个空间电荷区域可以将第一电荷载流子类型16的光生电荷载流子加速至第一集电接触32。
图4A示出累积区域，例如形成在第一垂直沟槽栅极12周围的具有与半导体衬底10相同的多数载流子，即空穴的沟道区域。累积区域可以由于负向偏置提供至第一垂直沟槽栅极而生成。
图4B说明性地示出在第三时间间隔t3期间操作的成像电路。栅极控制电路239可以在第三时间间隔t3期间将第三电压V3提供至第一垂直沟槽栅极12。将第三电压V3提供至第一垂直沟槽栅极12可以在半导体衬底10中生成反型区22。反型区22可以通过将合适的外部电位提供至第一垂直沟槽栅极12来生成。例如，由于第一垂直沟槽栅极12由用作栅极电介质的绝缘层216与半导体衬底10绝缘，表面电荷载流子累积在半导体衬底10中的第一垂直沟槽栅极12的绝缘层216与半导体衬底10之间的界面处。例如，反型区22中的表面电荷载流子具有与半导体衬底10的块掺杂的电荷载流子类型相反的电荷载流子类型。因此，假定半导体衬底10是p掺杂的半导体，则合适的正向偏置施加至第一垂直沟槽栅极生成例如电子的反型区22。
在第三时间间隔t3期间，由栅极控制电路239提供至第一垂直沟槽栅极12的第三电压V3可以生成可以延伸到半导体衬底10中的反型区22，使得第二空间电荷区域24（在图5中示出）至少延伸到半导体衬底10的深度d2中，在其内生成由具有所关心的第二波长的电磁波生成的光生电荷载流子中的预先确定百分比或大部分。
例如，在第三时间间隔t3期间，反型区22可以延伸到半导体衬底10中第一垂直沟槽栅极12的高度h的大约1/3至大约1/2的深度（进一步在图4B中图示）。换言之，反型区22可以仅形成在第一垂直沟槽栅极12的上部分处。
当光波进入电磁波接收区域26时，电压V3的供应可以将成像电路调谐为对于具有所关心的第二波长的电磁波具有光谱敏感性。电压V3的供应可以调谐第二空间电荷区域24的深度，使得第二空间电荷区域至少延伸到半导体衬底10的深度d2中，在其内生成由具有所关心的第二波长的电磁波生成的光生电荷载流子中的预先确定百分比或大部分。例如，用于控制第二空间电荷区域24的深度d2的第三电压V3可以基于具有所关心的第二波长的电磁波根据Beer-Lambert法则而从半导体衬底10的顶面101起的穿透深度。例如，用于控制第二空间电荷区域24的深度d2的第三电压V1可以选择为使得在第二空间电荷区域24内生成由进入半导体衬底10的具有所关心的第二波长的电磁波生成的光生电荷载流子中的预先确定百分比（例如，大于大约80%、90%或95%）或大部分（例如，大于大约50%）。例如，第二空间电荷区域的深度d2可以低于10μm，或低于8μm或低于5μm。
例如，当具有所关心的第二波长的电磁波是可见光谱中的电磁波时，具有所关心的第二波长的电磁波具有比具有所关心的第一波长的电磁波小的穿透深度。由栅极控制电路239提供至第一垂直沟槽栅极的电压V3可以选择为其中在反型模式下由电压V3生成的第二反型区22以及由此的第二空间电荷区域24的深度小于在深耗尽下由电压V1和电压V2生成的第一241和第三空间电荷区域的深度。换言之，第一空间电荷区域241和第二空间电荷区域24可以延伸到半导体衬底10中的不同深度。
第二空间电荷区域24可以将第一电荷载流子类型，例如电子的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极12附近的第一集电接触32。在第二操作模式期间加速的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子中的至少一部分由具有所关心的第二波长的电磁波生成。第一电荷载流子类型的光生电荷载流子沿着反型区22从半导体衬底10的深度被引导至半导体衬底10的顶面101处的第一集电接触32，在那里它们可以被提供至图像处理电路以进行估计。第二空间电荷区域24可以将第二电荷载流子类型，例如正电荷的空穴的光生电荷载流子加速至块接触，并且可以经由块接触提供至图像处理电路235。
由栅极控制电路239将多个电压例如V3、V4、V5连续地提供至第一垂直沟槽栅极12改变了反型区22的深度和空间电荷区域24的范围，从而利用不同的偏置电压创建不同的光谱响应。例如，V3、V4和V5可以步进地或逐渐增量地，即栅极电压扫描，被提供至第一垂直沟槽栅极12，从而导致反型区的延伸的增加以及由此垂直进入半导体衬底10中的空间电荷区域24的延伸。
图4C示出在第二操作模式下操作的成像电路的示意截面图。
在后续的第四时间间隔t4期间，栅极控制电路239可以进一步配置为将第四电压V4提供至第一垂直沟槽栅极12，其中第三电压V3和第四电压V4是不同的。在第四时间间隔期间由栅极控制电路239提供至第一垂直沟槽栅极12的第四电压V4生成反型区222，其比如图4B所示的由所施加的电压偏置V3生成的反型区22更深地延伸到半导体衬底中。反型区222可以形成在第一垂直沟槽栅极12的上部分和中部分处。
由栅极控制电路239提供至第一垂直沟槽栅极12的电压V4可以生成第二反型区222，其可以延伸到半导体衬底10中，以使得第四空间电荷区域至少延伸到半导体衬底10的深度d3中，在其中由具有所关心的第三波长的电磁波生成光生电荷载流子中的预先确定百分比或大部分。例如，在第四时间间隔t4期间，第二反型区222可以延伸到半导体衬底10中至为第一垂直沟槽栅极12的高度h的大约1/2至大约3/4的深度。
当光波进入电磁波接收区域26时，电压V4的供应可以将成像电路调谐为对于具有所关心的第三波长的电磁波具有光谱敏感性。电压V4的供应可以调谐第四空间电荷区域的深度，使得第四空间电荷区域至少延伸到半导体衬底10的深度d3中，在其内生成由具有所关心的第三波长的电磁波生成的光生电荷载流子的预先确定百分比或大部分。例如，用于控制第四空间电荷区域的深度d3的电压V4可以基于具有所关心的第三波长的电磁波从半导体衬底10的顶面101起的穿透深度。例如，用于控制第四空间电荷区域的深度d3的电压V4可以选择为使得在第四空间电荷区域内生成由进入半导体衬底10的具有所关心的第三波长的电磁波生成的光生电荷载流子的预先确定百分比（例如，大于大约80%、90%或95%）或大部分（例如，大于大约50%）。例如，第四空间电荷区域的深度d3可以低于10μm，或低于8μm或低于5μm。
具有所关心的第三波长的电磁波可以具有比具有所关心的第二波长的电磁波大的穿透深度。由栅极控制电路239提供至第一垂直沟槽栅极的电压V4可以选择为其中由电压V4生成的第二反型区222以及由此的第四空间电荷区域的深度d3大于由电压V3生成的反型区22以及由此的第二空间电荷区域的深度。
类似地，第四空间电荷区域将第一电荷载流子类型，例如电子的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极12附近的第一集电接触32。第一电荷载流子类型的光生电荷载流子沿着第二反型区222从半导体衬底10的深度被引导至半导体衬底10的顶面101处的第一集电接触32，在那里它们可以被提供至图像处理电路以进行估计。第二电荷载流子类型的光生电荷载流子可以被收集于第二集电接触33处，被提供至图像处理电路。
因此可以理解，在第二操作模式下，成像电路可以在多个操作状态下操作，其中在多个操作状态的每一个下，反型区22、222、223穿透到半导体衬底10的深度的范围可以改变。操作状态的每一个下反型区的深度可以离散地或逐渐地被调整。在图4中由箭头23指示反型区的延伸的离散或逐渐的调整或改变。
图4D示出例如由栅极控制电路239提供至垂直沟槽栅极12的第五电压V5。在第五时间间隔期间，第五电压V5可以生成第三反型区223，其可以大致延伸到第一垂直沟槽栅极12的整个深度。换言之，由栅极控制电路239提供至第一垂直沟槽栅极12的电压V5可以选择为其中由电压V5生成的第三反型区223以及由此的第五空间电荷区域的深度大于由电压V4生成的第二反型区222以及由此的第四空间电荷区域的深度。第三反型区223可以沿着整个第一垂直沟槽栅极12形成。
电压V5的供应可以将成像电路调谐为对于具有所关心的第四波长的电磁波具有光谱敏感性。电压V5的供应可以调谐第五空间电荷区域的深度，使得第五空间电荷区域至少延伸到半导体衬底10的深度d4中，在其内生成由具有所关心的第四波长的电磁波生成的光生电荷载流子的预先确定百分比或大部分。例如，用于控制第五空间电荷区域的深度的电压V5可以基于具有所关心的第四波长的电磁波在半导体衬底10中的穿透深度。例如，用于控制第五空间电荷区域的深度的电压V5可以选择为使得在第五空间电荷区域内生成由进入半导体衬底10的具有所关心的第四波长的电磁波生成的光生电荷载流子的预先确定百分比（例如，大于大约80%、90%或95%）或大部分（例如，大于大约50%）。例如，第五空间电荷区域的深度d4可以低于10μm，或低于8μm或低于5μm。
成像电路还可以包括配置用于提供第一电荷载流子类型的光生电荷载流子的第一集电接触32。在第二操作模式的第一操作状态下，第一反型区22可以配置为选择性地收集第一电荷载流子类型的光生电荷载流子中的第一部分，并且将所收集的光生电荷载流子的第一部分引导至第一集电接触32。在第二操作状态下，第二反型区可以配置为选择性地收集第一电荷载流子类型的光生电荷载流子中的第二部分并且将所收集的光生电荷载流子的第二部分引导至第一集电接触32。
具有所关心的第二、第三或第四波长的电磁波可以来自光波。可以来自例如环境光或发光装置的光波可以由将要拍摄（三维）彩色图像的对象反射。光波可以包括具有处于可见光谱，例如从大约380nm至大约750nm中的波长的电磁波。例如，所反射的光波可以包括关于对象的颜色信息。
可以理解，在此描述的所关心的波长可以彼此不同。例如，所关心的第一波长和所关心的第二波长可以是不同的。例如，第一、第二波长、第三波长和第四波长均可以彼此不同。特定电压对于垂直沟槽栅极的施加可以允许成像电路对于特定的所关心波长或特定波长范围，例如红外或可见光谱内，显示出最大的光谱敏感性。不同电压偏置对于垂直沟槽栅极的施加可以有效地将成像电路调谐为对于所关心的不同波长具有不同的光谱敏感性。
已经关于图4A至4D说明性地示出第一垂直沟槽栅极12中光谱敏感性的实施方式。然而，可以理解，第一垂直沟槽栅极12不仅可以单独地由栅极控制电路235控制，而且可以与形成在半导体衬底10中的多个垂直沟槽栅极同时地由栅极控制电路235控制。例如，在第二操作模式下，栅极控制电路239可以在第三时间间隔期间将第三电压V3提供至第一垂直沟槽栅极12并且类似地也提供至第二垂直沟槽栅极13，以进一步生成将第一电荷载流子类型16的光生电荷载流子加速至第二垂直沟槽栅极13附近的第二集电接触33的另外的空间电荷区域。同样，电压扫描中的每个连续电压可以同时提供至多个垂直沟槽栅极，例如半导体衬底10中的第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13以及其他垂直沟槽栅极。
多个垂直沟槽栅极可以形成光电检测器阵列，其中光电检测器阵列中的每个像素元件包括至少一个垂直沟槽栅极。在第二操作模式下，光电检测器阵列的每个像素元件可以使用像素元件内的单个垂直沟槽栅极光电检测器产生关于对象的颜色信息。在第一操作模式下，一对相邻的像素元件，例如第一垂直沟槽栅极12和第二垂直沟槽栅极13可以使用一对垂直沟槽栅极光电检测器产生关于对象的距离信息。
随后，图像处理电路235可以基于距离信息和颜色信息来生成对象的三维彩色图像的图像数据。
其他实施例描述了生成可以离散地或逐渐地延伸到半导体衬底10的深度中的反型区的方式。
在一个实施例中，半导体衬底10可以具有沿着第一垂直沟槽栅极12逐渐地增加的掺杂。例如，半导体衬底10可以具有垂直进入衬底（即，从顶面101朝向底面102）的深度的逐渐地增加的掺杂。例如，半导体衬底10的掺杂在第一垂直沟槽栅极12的底部和第二垂直沟槽栅极13的底部附近比顶面101更高。这可以导致更高的电压，该更高的电压需要被施加至第一垂直沟槽栅极12以便能够创建延伸到第一垂直沟槽栅极12的底部的反型区。
替换地、可选地或附加地，绝缘层216的厚度可以增加到半导体衬底10中。绝缘层216可以在半导体衬底10中具有增加的深度的第一垂直沟槽216中变得更厚。例如，绝缘层216的厚度可以随着半导体衬底10中增加的深度而逐渐地增加，其中在沟槽底部的绝缘层216的厚度可以是沟槽顶部的厚度的数倍厚，例如两或更多倍厚。
替换地、可选地或附加地，绝缘层216可以具有非一致的化学计量。例如，沟槽电介质216可以改变其进入深度中的介电特性。这可以通过随着绝缘层216在半导体衬底中的增加的深度而降低绝缘层216的氮化来达到。例如，绝缘层216中的电场的量值在垂直沟槽218的底部可以比在顶部低。
由于半导体衬底的逐渐掺杂、改变绝缘层216的厚度和绝缘层的非一致化学计量中的至少一个的实施方式，通过施加不同电压，反型区22的延伸可以连续地和/或逐渐地可调整并且光电检测器的光谱敏感性可以连续地和/或逐渐地可调整。在具有上面列出的措施，例如逐渐掺杂的衬底和/或栅极电介质的圆锥形状和/或空间上修改的化学计量的情况下，沟槽栅极TOF器件可以并行地用作颜色感测器件。此外，可以快速地获得颜色信息，例如，栅极电压扫描可以花费少于1ms。
三个或更多的（例如，四个、五个、六个或七个或更多）不同电压可以施加至第一垂直沟槽栅极以在小于1ms内（或者小于100ns或小于10ns）获得不同的颜色信息。
更多细节和方面将结合上述或下述实施例进行叙述（例如，关于半导体衬底、第一垂直沟槽栅极、第二垂直沟槽栅极、栅极控制电路和图像处理电路）。在图4A至4D中示出的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，其对应于结合所提出的概念或上述（例如图1至图3）或下述（例如，图5至7，8a至8b）的一个或多个实施例叙述的一个或多个方面。
图5更详细地说明性地示出关于图1至图3以及4A至4D描述的、在第二操作模式的操作状态下的成像电路1或2。图5示出在反型区与半导体衬底之间的界面处空间电荷区域的生成。空间电荷区域可以具有比反型区更大的进入半导体衬底中的延伸。例如，由于在p掺杂的半导体衬底10中生成n沟道的反型区22，第二空间电荷区域24可以生成于n沟道反型区22与p掺杂半导体衬底10之间的界面处。例如，空间电荷区域24具有比反型区22更大的进入半导体衬底10中的延伸。
图5示出上面关于图1至3以及4A至4D的实施例描述的块接触36。块接触36可以是沉积在p掺杂的注入区域上方的导电电极材料。块接触36可以形成在半导体衬底10中并且与半导体衬底10直接接触。例如，块接触36和p掺杂注入区域可以形成在半导体衬底10的顶面101处。块接触36可以位于例如中性区域108内。例如，块接触36可以位于第一垂直沟槽栅极12与第二垂直沟槽栅极13之间的大约一半处。
箭头23示出当变化的电压偏置施加至第一垂直沟槽栅极12时，半导体衬底10中例如沿着垂直沟槽的高度的反型区的以及由此空间电荷区域的深度变化的方向（例如垂直方向）。
更多细节和方面结合上述或下述实施例进行叙述（例如，关于半导体衬底、第一垂直沟槽栅极、第二垂直沟槽栅极、栅极控制电路和图像处理电路）。在图5中示出的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，其对应于结合所提出的概念或上述（例如图1至3或4A至4D）或下述（例如6至7或8a至8b）的一个或多个实施例叙述的一个或多个方面。
图6示出根据实施例的成像电路的示意截面图。
成像电路3包括半导体衬底10和延伸到半导体衬底10中的多个垂直沟槽栅极12、13、14。每个相应的垂直沟槽栅极在其附近具有用于收集第一电荷载流子类型的光生电荷载流子的对应的集电接触32、33、34。
成像电路3包括配置为在集电时间间隔tc期间将不同电压提供给多个垂直沟槽栅极中的每一个的栅极控制电路239。每个相应的垂直沟槽栅极生成用于将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至其相应的集电接触的相应的空间电荷区域。
成像电路3还包括配置为确定对象的多个颜色信息类型的颜色信息的图像处理电路235。每个颜色信息类型的颜色信息可以基于每个对应的集电接触32处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子。
由于以上实施方式，垂直沟槽栅极中的每一个可以调谐为使得每个垂直沟槽栅极在相同收集时间间隔tc期间具有与其他不同的光谱敏感性。这允许成像电路3快速地获取并且产生关于对象的多个颜色信息类型的颜色信息。
例如，在实施例中，栅极控制电路239可以配置为同时，即在相同集电时间间隔tc内，将电压V3提供至第一垂直沟槽栅极12并且将电压V4提供至相邻的第二垂直沟槽栅极13和/或将电压V5提供至另外的相邻的第三垂直沟槽栅极14。由此，第一垂直沟槽栅极12、第二垂直沟槽栅极13以及第三垂直沟槽栅极13均可以具有与其他不同的光谱敏感性。例如，假定电压V3和V4和V5是增加的电压偏置，具有所施加的电压偏置V3的第一垂直沟槽栅极12可以具有对于比具有所施加的电压偏置V4的第二垂直沟槽栅极13短的波长的光谱敏感性。类似地，具有所施加的电压偏置V4的第二垂直沟槽栅极13可以具有对于比具有所施加的电压偏置V5的第三垂直沟槽栅极14短的波长的光谱敏感性。例如，在相同集电时间间隔tc期间，第一垂直沟槽栅极12可以具有对于蓝光的光谱敏感性，第二垂直沟槽栅极13可以具有对于绿光的光谱敏感性以及第三垂直沟槽栅极14可以具有对于红光的光谱敏感性。
可以理解，多个垂直沟槽栅极可以指的是大于一的任何整数数目的垂直沟槽栅极，其均可以用于检测关于对象的颜色信息。例如，图6中提及的多个垂直沟槽栅极可以是成像电路3中的垂直沟槽栅极的总数目的子集，并且成像电路3可以包括多个这样的子集。
例如，成像电路3可以包括以垂直沟槽栅极组（或子集）组织的垂直沟槽栅极的阵列。每组垂直沟槽栅极可以包括提供有不同电压的多个垂直沟槽栅极，例如12、13、14）。
图像处理电路235可以针对每组垂直沟槽栅极确定对象的多个颜色信息类型的颜色信息。
除了或替换上面已经描述的第一操作模式和/或第二操作模式，栅极控制电路239还可以提供关于图6描述的操作模式。
更多细节和方面将结合上述或下述实施例进行叙述（例如，关于半导体衬底、第一垂直沟槽栅极、第二垂直沟槽栅极、栅极控制电路和图像处理电路）。图6中示出的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，其对应于结合所提出的概念或上述（例如图1至图3，或4A至4D或5）或下述（例如，图7或8A至8B）的一个或多个实施例叙述的一个或多个方面。
图7示出用于操作成像电路的方法700的流程图。方法700包括在第一操作模式下，将第一电压提供710给第一垂直沟槽栅极并且将第二电压提供给第二垂直沟槽栅极以生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极附近的第一集电接触的第一空间电荷区域。
方法700还包括在第二操作模式下，将第三电压提供720给第一垂直沟槽栅极以生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至第一垂直沟槽栅极附近的第一集电接触的第二空间电荷区域。
方法700还包括基于在第一操作模式下第一集电接触处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子，来确定730对象的距离信息。
方法700还包括基于在第二操作模式下第一集电接触处收集的第一电荷载流子类型的光生电荷载流子，来确定740对象的颜色信息。
由于在第一操作模式下将第一电压提供至第一垂直沟槽栅极以及将第二电压提供至第二垂直沟槽栅极以及在第二操作模式下将第三电压提供至第一垂直沟槽栅极的实施方式，对象的距离信息和颜色信息两者可以通过相同的成像电路来确定。此外，具有对象的距离信息和颜色信息两者的图像可以由成像电路产生。
更多细节和方面将结合上述或下述实施例进行叙述（例如，关于半导体衬底、第一垂直沟槽栅极、第二垂直沟槽栅极、栅极控制电路和图像处理电路）。图7中示出的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，其对应于结合所提出的概念或上述（例如图1至图3，或4A至4D或6）或下述（例如，8A至8B）的一个或多个实施例叙述的一个或多个方面。
图8A和8B均示出根据各种实施例的成像电路的示意俯视图。成像电路可以包括用于各种沟槽和接触布置中的光电管。除了用于载流子集电的线性场，可以存在使用多于两个的电极以进行相位检测的选项。这可以导致新的读出版本。
图8A示出根据实施例的用于光电管，例如成像电路4的合适布置。例如，块接触36可以位于第一垂直沟槽栅极12与第二垂直沟槽栅极13之间的大约一半处并且可以布置为相对于最大的横向延伸正交于第一12和第二13垂直沟槽栅极。在其他示例中，块接触36可以位于半导体衬底10中的任何地方，例如远离沟槽的横向方向上的数微米与数百微米之间。
例如，垂直沟槽栅极12、13均可以具有在0.1μm至100μm之间，或在10μm至80μm之间，或者在20μm至50μm之间，例如大约30μm的长度l（最大横向延伸）。
图8B示出根据实施例的用于光电管，例如成像电路5的部分的另一合适布置。在实施例中，多于两个的电极可以用于相位检测。例如，四个垂直沟槽栅极12、13、14、15可以用于相位检测。例如，第一垂直沟槽栅极12可以平行于相邻的第二垂直沟槽栅极13。第三14和第四15垂直沟槽栅极可以正交于第一12和第二13垂直沟槽栅极。四个垂直沟槽栅极12、13、14、15可以布置为形成环形或正方形。四个电池沟槽虑及圆形偏置电压。
块接触36可以位于半导体衬底中的其他地方。例如，块接触36可以定位为平行于垂直沟槽栅极并且在平行的垂直沟槽栅极之间。例如，块接触36可以位于四个垂直沟槽栅极的环形或正方形外部。
空间电荷区域的三维形成会对于一些器件几何形状生成串扰并且可以限制器件的收缩（shrinking）电位。垂直沟槽栅极可以被拉长以最小化垂直沟槽栅极之间的串扰。此外，当块接触定位为远离垂直沟槽栅极时，可以进一步最小化串扰。
更多细节和方面将结合上述或下述实施例进行叙述（例如，第一垂直沟槽栅极、第二垂直沟槽栅极、集电接触和块接触）。图8A和8B中示出的实施例可以包括一个或多个可选的附加特征，其对应于结合所提出的概念或上述（例如图1至图3，图4A至4D，5至7）的一个或多个实施例叙述的一个或多个方面。
图9示出指示在深耗尽下（在第一操作模式下）空间电荷区域宽度910相对于栅极电压偏置920的图解。随着掺杂浓度降低，深耗尽下的空间电荷区域的宽度增加。例如，在较高的栅极电压（大于10V）以及较低的掺杂浓度，例如1×1013cm-3下，空间电荷区域的宽度可以大于35μm。
图10示出指示强度1010相对于光920进入硅的穿透深度的图解。三个波长，600nm、800nm和1000nm波长被示出。虽然600nm波长的光的强度在小于20μm的进入硅中的穿透时下降至零，但在中等衬底掺杂水平下红外光至少部分在空间电荷区域外部生成电子空穴对。
图9和10提供关于深耗尽下空间电荷区域的深度相对于光子吸收深度的关系的信息。
图11示出指示所测量的光电流1110作为沟槽栅极电压1120的函数的图解。光电流µA由850nm的光生成并且响应于增加的栅极电压而被测量。从-1V至16V的栅极电压的变化可以生成图4A至4D中图示的各种累积和反型阶段，例如沟槽附近的累积到整个沟槽表面的反型。当栅极电压是大约12V时光电管测量到最大光电流，其中已经发生沟槽表面的完全反型。
各种实施例涉及用于联合的3D和颜色成像的光电管。
各种实施例涉及光电管，其被实现为使用电荷耦合器件（CCD）原理的光子混合器器件和两个收集二极管或更多个以允许相位敏感读出。使用瞬时切换模式来管理光生电荷载流子的快速集电。在快速偏置扫描条件下，MIS电极下方的半导体区域可以脉冲化为深耗尽状态。在该操作模式下，耗尽宽度大于平衡下的最大耗尽宽度。这一效应可以用于具有用于载流子捕捉的表面电极的器件，即电荷耦合器件或光子混合器器件，并且还用于使用垂直沟槽栅极电极的各种实施例中。
各种实施例涉及基于沟槽的光电管，其实现光生电荷载流子的非常快速的捕捉。其通过使用沟槽以创建深耗尽区域而避免载流子的花费时间的扩散。实施例将操作模式与颜色感测例程组合，其中来回切换栅极电压被栅极电压扫描取代。相比于将红外光用于不能进行颜色识别的TOF测量的测量原理，这通过单个光电管布置允许3D和颜色成像的联合检测。
各种实施例提供了其读出电路由于光的高速而工作在时间严格域的成像电路。根据各种实施例，成像电路的单元设计和读出技术可以提供光生电荷载流子的快速捕捉和估计。此外，可以避免引起花费时间的载流子扩散的来自空间电荷区域外部的载流子的背景电流。
示例实施例可以进一步提供具有程序代码的计算机程序，在计算机程序在计算机或处理器上执行时，程序代码用于执行以上方法之一。本领域技术人员将容易认识到，各种上述方法的动作可以由编程计算机执行。在此，一些示例实施例也意图覆盖程序存储装置，例如数字数据存储介质，其是机器或计算机可读以及编码机器可执行或计算机可执行指令程序，其中指令执行上述方法的动作中的一些或全部。程序存储装置可以是例如数字存储器、诸如磁盘和磁带的磁性存储介质、硬驱或可选地可读数字数据存储介质。进一步的示例实施例还意图覆盖编程为执行上述方法的动作的计算机或编程为执行上述方法的动作的（现场）可编程逻辑阵列（（F）PLA）或（现场）可编程门阵列（（F）PGA）。
描述和附图仅图示本公开的原理。因此，应理解，本领域技术人员将能够设计虽然未在此明确描述或示出的，但体现本公开的原理并且包括在其精神和范围内的各种布置。此外，在此记载的所有示例原则上仅明确地意图用于教导目的以有助于读者理解本公开的原理和发明人贡献的概念，从而扩展现有技术，并且不应解释为限于这样明确记载的示例和条件。并且，在此记载本公开的原理、方面和实施例，以及其具体示例的所有陈述意图覆盖其等同物。
表示为“用于…的装置”的（执行特定功能）功能模块应理解为包括配置为分别执行特定功能的电路的功能模块。因此，“用于某事的装置”也可以理解为“配置为或适用于某事的装置”。因此，配置为执行特定功能的装置并非暗示这样的装置必须要执行该功能（在给定时刻）。
在附图中示出的各种元件的功能，包括标记为“装置”、“用于提供传感器信号的装置”、“用于生成传输信号的装置”等，可以通过使用专用硬件来提供，诸如“信号提供器”、“信号处理单元”、“处理器”、“控制器”等，以及能够执行与合适软件相关联的软件的硬件。此外，任何在此描述为“装置”的实体可以对应于或实现为“一个或多个模块”、“一个或多个器件”、“一个或多个单元”等。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或其中一些可以被共享的多个单独处理器来提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应解释为排他地提及能够执行软件的硬件，而是可以暗含地包括但不限于数字信号处理器（DSP）硬件、网络处理器、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、用于存储软件的只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）以及非易失性存储装置。也可以包括常规和/或定制的其他硬件。
本领域技术人员应理解，在此的任何方框图表示体现本公开的原理的说明性电路的概念图。类似地，应理解，任何流程图、流程图表、状态过渡图表、伪代码等表示可以基本上表现于计算机可读介质并且因此由计算机或处理器执行的各种过程，无论这样的计算机或处理器是否明确示出。
此外，以下权利要求在此合并到详细描述中，其中每个权利要求可以作为分开的实施例独立自主。虽然每个权利要求可以作为分开的实施例独立自主，但要注意，尽管从属权利要求在权利要求中可以提及与一个或多个其他权利要求的具体组合，但其他实施例也可以包括该从属权利要求与每个其他从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。在此提出这样的组合，除非指明并非意图的具体组合。此外，还意图包括权利要求对于任何其他独立权利要求的特征，即使该权利要求并未直接从属于该独立权利要求。
还要注意，在说明书或权利要求书中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的相应动作中的每一个的装置的设备来实现。
此外，应理解，在说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开内容不可以解释为按照该特定次序。因此，多个动作或功能的公开内容将不将其限制于特定的次序，除非这样的动作或功能出于技术原因不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或者可以分解为多个子动作。除非明确排除，这样的子动作可以包括在该单个动作的公开内容中并且为其一部分。

Claims (20)

1.一种成像电路（1、2、3、4、5），包括：
半导体衬底（10）；
延伸到所述半导体衬底（10）中的第一垂直沟槽栅极（12）以及相邻的第二垂直沟槽栅极（13）；
栅极控制电路（239），配置为以第一操作模式操作以将第一电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12）并且将第二电压提供给所述第二垂直沟槽栅极（13），从而生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至所述第一垂直沟槽栅极（12）附近的第一集电接触（32）的第一空间电荷区域，并且以第二操作模式操作以将第三电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12），从而生成将所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至所述第一垂直沟槽栅极（12）附近的所述第一集电接触（32）的第二空间电荷区域；以及
图像处理电路（235），配置为基于在所述第一操作模式下所述第一集电接触（32）处收集的所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子来确定对象的距离信息，并且基于在所述第二操作模式下所述第一集电接触（32）处收集的所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子来确定所述对象的颜色信息。
2.根据权利要求1所述的成像电路，其中，所述栅极控制电路（239）配置为以所述第一操作模式操作以在第一时间间隔期间将所述第一电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12）并且将所述第二电压提供给所述第二垂直沟槽栅极（13），并且在第二时间间隔期间将所述第二电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12）以及将所述第一电压提供给所述第二垂直沟槽栅极（13）。
3.根据权利要求2所述的成像电路，其中，将所述第二电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12）并且将所述第一电压提供给所述第二垂直沟槽栅极（13）生成将所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至所述第二垂直沟槽栅极（13）附近的第二集电接触（33）的第三空间电荷区域。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，所述图像处理电路（235）还配置为附加地基于在所述第一操作模式下在所述第二垂直沟槽栅极（13）附近的第二集电接触（33）处收集的所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子，来确定所述对象的所述距离信息。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，在所述第二操作模式下，所述第二空间电荷区域将第二电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至块接触（36），所述块接触（36）连接至所述半导体衬底（10）。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，在所述第一操作模式期间加速的所述第一电荷载流子类型的所述光生电荷载流子中的至少一部分由具有所关心的第一波长的电磁波生成，并且其中，在所述第二操作模式期间加速的所述第一电荷载流子类型的所述光生电荷载流子中的至少一部分由具有所关心的第二波长的电磁波生成，其中所述所关心的第一波长和所述所关心的第二波长是不同的。
7.根据权利要求6所述的成像电路，其中，具有所述所关心的第一波长的电磁波是在红外光谱中的电磁波。
8.根据权利要求6所述的成像电路，其中，所述栅极控制电路（239）配置为将所述第三电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12），以使得所述第二空间电荷区域至少延伸到所述半导体衬底（10）的一深度中，其中由具有所述所关心的第二波长的电磁波生成的光生电荷载流子中的预先确定百分比或大部分在所述第二空间电荷区域内生成。
9.根据权利要求6所述的成像电路，其中，具有所述所关心的第二波长的电磁波是在可见光谱中的电磁波。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，所述栅极控制电路（239）配置为在所述第二操作模式下，在第三时间间隔期间将所述第三电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12）并且在第四时间间隔期间将第四电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12），其中所述第三电压和所述第四电压是不同的。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，所述栅极控制电路（239）配置为以所述第二操作模式在第三时间间隔期间将所述第三电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12）以及所述第二垂直沟槽栅极（13），从而进一步生成将所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至所述第二垂直沟槽栅极（13）附近的第二集电接触（33）的另外的空间电荷区域。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，所述图像处理电路（235）配置为在所述第二操作模式下，基于在将所述第三电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12）期间生成的所述第一电荷载流子类型的所述光生电荷载流子，来确定所述对象的第一颜色信息类型的颜色信息，并且基于在将第四电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12）期间生成的光生电荷载流子，来确定所述对象的第二颜色信息类型的颜色信息。
13.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，所述图像处理电路（235）配置为基于所述距离信息和所述颜色信息，来生成所述对象的三维彩色图像的图像数据。
14.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，所述半导体衬底（10）具有沿着所述第一垂直沟槽栅极（12）逐渐增加的掺杂。
15.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，所述第一垂直沟槽栅极（12）位于第一垂直沟槽（218）中并且通过所述第一垂直沟槽内的绝缘层（216）与所述半导体衬底（10）绝缘，其中所述绝缘层（216）具有非一致的化学计量。
16.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，所述第一垂直沟槽栅极（12）位于第一垂直沟槽（218）中并且通过所述第一垂直沟槽内的绝缘层（216）与所述半导体衬底（10）绝缘，其中所述绝缘层（216）的厚度随着所述半导体衬底（10）增加的深度而增加。
17.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像电路，其中，所述第一垂直沟槽栅极（12）和所述第二垂直沟槽栅极（13）延伸到所述半导体衬底（10）中大于5μm。
18.一种成像电路（3），包括：
半导体衬底（10）；
延伸到所述半导体衬底（10）中的多个垂直沟槽栅极（12、13、14），每个相应的垂直沟槽栅极（12、13、14）具有在其附近的用于收集第一电荷载流子类型的光生电荷载流子的对应的集电接触（32、33、34）；
栅极控制电路（239），配置为在集电时间间隔期间将不同电压提供给所述多个垂直沟槽栅极（12、13、14）中的每一个，每个相应的垂直沟槽栅极（12、13、14）生成用于将所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至其相应的集电接触（32、33、34）的相应空间电荷区域；以及
图像处理电路（235），配置为确定对象的多个颜色信息类型的颜色信息，每个颜色信息类型的所述颜色信息基于每个对应的集电接触（32、33、34）处收集的所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子。
19.根据权利要求18所述的成像电路，包括以垂直沟槽栅极组组织的垂直沟槽栅极的阵列，其中每个垂直沟槽栅极组包括提供有所述不同电压的多个垂直沟槽栅极（12、13、14），其中所述图像处理电路（235）配置为对于每个垂直沟槽栅极组确定所述对象的所述多个颜色信息类型的所述颜色信息。
20.一种用于操作成像电路的方法，所述方法包括：
在第一操作模式下，将第一电压提供给第一垂直沟槽栅极（12）并且将第二电压提供给第二垂直沟槽栅极（13）以生成将第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至所述第一垂直沟槽栅极（12）附近的第一集电接触（32）的第一空间电荷区域；
在第二操作模式下，将第三电压提供给所述第一垂直沟槽栅极（12）以生成将所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子加速至所述第一垂直沟槽栅极（12）附近的所述第一集电接触（32）的第二空间电荷区域；
基于在所述第一操作模式下所述第一集电接触（32）处收集的所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子，来确定对象的距离信息；以及
基于在所述第二操作模式下所述第一集电接触（32）处收集的所述第一电荷载流子类型的光生电荷载流子，来确定所述对象的颜色信息。
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