CN108391450B - 解调像素元件、像素元件阵列以及结合它们的光电元件 - Google Patents

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Abstract

像素元件和像素元件阵列可操作以解调入射在所述像素元件的光电检测区域上的调制光。所述像素元件可以包括浮置扩散植入层和传输栅极。将所述浮置扩散植入层和所述传输栅极设置成使得光生电荷载流子可以通过最小电荷载流子传输路径传导到所述浮置扩散植入层。

Description

解调像素元件、像素元件阵列以及结合它们的光电元件
公开领域
本公开涉及像素元件、像素元件阵列以及结合它们的光电元件，所述光电元件可操作以解调入射调制光以用于距离数据的收集。
背景
可操作以从入射光(即，电磁辐射)产生信号的像素元件包括光电检测区域。入射在光电检测区域上的光产生电荷载流子，所述电荷载流子行进通过光电检测区域并被采样，从而产生具有入射光特性的信号。例如，调制的入射光可以产生具有代表调制的入射光的调制特性的电荷载流子。然而，在一些情况下，入射在光电检测区域上的光可能不具有足够的强度以产生足够数量的电荷载流子以产生可靠信号。在这种情况下，对于给定的应用，信噪比可能太小。因此，像素元件可以被构造成具有大的光电检测区域，以在入射光的强度低时收集更多的光。然而，在这种大的光电检测区域中产生的电荷载流子在被采样之前行进较长的距离，从而减缓像素元件或其中结合有像素元件的光电元件对信号的采集。减缓信号采集对这类元件的潜在应用强加了很大的限制。
已经尝试了各种用于增加光敏感度，同时绕过长电荷载流子传输路径的方法。例如，一些像素体系结构包括多个电互连的传输栅极和浮置扩散植入层。然而，这一体系结构不允许对例如间接飞行时间技术所要求的入射调制光的有效解调。在这类情况下，包含在入射调制光内的信息(诸如与到目标物体的距离相关联的相位延迟)将会丢失或者未被使用。
已经尝试了其他用于增加光敏感度，同时绕过漫长的电荷载流子传输路径的方法。例如，已经开发了具有增强的光生电荷载流子的横向导电性的钉扎光电二极管，然而，这一方法及其他方法对要求解调入射调制光的应用具有类似的限制。
概述
本公开描述像素元件和其中结合有像素元件的光电元件。像素元件组合大的光电检测区域，同时最小化电荷载流子传输路径以便减轻或消除以上部分描述的限制。
在一个方面，可操作以解调入射调制光的像素元件包括钉扎二极管结构，所述钉扎二极管结构包括第一型的衬底和第二型的植入层。像素元件还包括设置在第二型的植入层内的第一型的植入层、设置在衬底的表面上的绝缘体以及光电检测区域。入射在光电检测区域上的调制光和共模光在光电检测区域内产生第二型的电荷载流子。电荷载流子具有入射调制光的调制特性。像素元件还包括设置在绝缘体的表面上的多个第一传输栅极和多个第二传输栅极，使得多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可操作以在第一型的衬底内产生场。像素元件还包括设置在第一型的衬底内的第二型的多个第一浮置扩散植入层和第二型的多个第二浮置扩散植入层。多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可操作以在第一时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层，并且多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可操作以在第二时刻将电荷载流子传导到多个第二浮置扩散植入层。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括至少一个辅助性传输栅极和至少一个辅助性浮置扩散植入层。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括可操作以将由共模光产生的电荷载流子传导到辅助性浮置扩散植入层的第一传输栅极、第二传输栅极以及辅助性传输栅极。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括多个辅助性传输栅极和多个辅助性浮置扩散植入层，其中第一传输栅极、第二传输栅极以及多个辅助性传输栅极可操作以将由共模光产生的电荷载流子传导到多个辅助性浮置扩散植入层。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括围绕光电检测区域沿周向设置的多个第一传输栅极、多个第二传输栅极、多个第一浮置扩散植入层以及多个第二浮置扩散植入层，使得到浮置扩散植入层的电荷载流子传输路径可以最小化。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括围绕光电检测区域沿六边形设置的多个第一传输栅极、多个第二传输栅极、多个第一浮置扩散植入层以及多个第二浮置扩散植入层。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括围绕光电检测区域沿八边形设置的多个第一传输栅极、多个第二传输栅极、多个第一浮置扩散植入层以及多个第二浮置扩散植入层。
在另外的方面，可操作以解调入射调制光的像素元件包括多个第一传输栅极和第二传输栅极，其中多个第一传输栅极内的每个第一传输栅极可以设置在光电检测区域的相对侧处，并且多个第二传输栅极内的每个第二传输栅极可以设置在所述光电检测区域的相对侧处。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括电荷载流子，其中电荷载流子具有入射调制光的调制特性。多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可以操作以在第一时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层和多个第二浮置扩散植入层。多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可以操作以在第二时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层和多个第二浮置扩散植入层。多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可以操作以在第三时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层和多个第二浮置扩散植入层。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括电荷载流子，其中多个第一传输栅极、多个第二传输栅极以及至少一个辅助性传输栅极可以操作以在第一时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层、多个第二浮置扩散植入层或至少一个辅助性浮置扩散植入层。多个第一传输栅极、多个第二传输栅极以及至少一个辅助性传输栅极可以操作以在第二时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层、多个第二浮置扩散植入层或至少一个辅助性浮置扩散植入层。多个第一传输栅极、多个第二传输栅极以及至少一个辅助性传输栅极可以操作以在第三时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层、多个第二浮置扩散植入层或至少一个辅助性浮置扩散植入层。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括电荷载流子，其中多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可以操作以在第一时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层和多个第二浮置扩散植入层。多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可以操作以在第二时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层和多个第二浮置扩散植入层。多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可以操作以在第三时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层和多个第二浮置扩散植入层。多个第一传输栅极和多个第二传输栅极可以操作以在第四时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层和多个第二浮置扩散植入层。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括电荷载流子，其中电荷载流子具有入射调制光的调制特性。多个第一传输栅极、多个第二传输栅极以及至少一个辅助性传输栅极可以操作以在第一时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层、多个第二浮置扩散植入层或至少一个辅助性浮置扩散植入层。多个第一传输栅极、多个第二传输栅极以及至少一个辅助性传输栅极可以操作以在第二时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层、多个第二浮置扩散植入层或至少一个辅助性浮置扩散植入层。多个第一传输栅极、多个第二传输栅极以及至少一个辅助性传输栅极可以操作以在第三时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层、多个第二浮置扩散植入层或至少一个辅助性浮置扩散植入层。多个第一传输栅极、多个第二传输栅极以及至少一个辅助性传输栅极可以操作以在第四时刻将电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层、多个第二浮置扩散植入层或至少一个辅助性浮置扩散植入层。
在一些实现方式中，可操作以解调入射调制光的像素元件包括设置在衬底内并且与另一个像素元件共享的第一浮置扩散植入层。
在一些实现方式中，可操作以解调入射调制光的像素元件包括设置在衬底内并且与另一个像素元件共享的第二浮置扩散植入层。
在一些情况下，可操作以解调入射调制光的像素元件包括围绕光电检测区域沿六边形设置的多个第一传输栅极、多个第二传输栅极、多个第一浮置扩散植入层以及多个第二浮置扩散植入层。多个第一浮置扩散植入层中的至少一个和多个第二浮置扩散植入层中的至少一个可以与另一个像素元件共享。
在一些情况下，一种可操作以确定到场景中的一个物体或多个物体的距离的光电元件包括光源，所述光源可操作以将调制光发射到场景中的一个物体或多个物体上，其中调制光的至少一部分从场景中的一个物体或多个物体反射。光电元件还包括光学组件，所述光学组件可操作以使调制光的部分中的一些聚焦到多个像素元件上，其中多个像素元件内的像素元件中的至少一个可操作以解调入射调制光。光电元件还包括处理器，所述处理器可操作以根据从多个像素元件内的至少一个像素元件产生的信号来确定距离数据。
其他方面、特征和优点将通过以下详细描述、附图和权利要求书变得容易理解。
附图简述
图1A描绘示例像素元件的示意性顶视图。
图1B描绘跨越示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布。
图2A描绘另一个示例像素元件的示意性顶视图。
图2B描绘跨越示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布。
图2C描绘示例像素元件的示意性顶视图。
图2D描绘跨越示例像素元件的另一个横向尺寸的另一个示意性剖视图和另一个电势分布。
图3A描绘再一示例像素元件的示意性顶视图。
图3B描绘跨越示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布。
图4A描绘又一示例像素元件的示意性顶视图。
图4B描绘跨越示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布。
图4C描绘示例像素元件的示意性顶视图。
图4D描绘跨越示例像素元件的另一个横向尺寸的另一个示意性剖视图和电势分布。
图5A描绘又一个示例像素元件的示意性顶视图。
图5B描绘跨越示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布。
图5C描绘示例像素元件的示意性顶视图。
图5D描绘跨越示例像素元件的另一个横向尺寸的另一个示意性剖视图和电势分布。
图5E描绘示例像素元件的示意性顶视图。
图5F描绘跨越示例像素元件的再一横向尺寸的再一示意性剖视图和电势分布。
图6A描绘包括共享浮置扩散植入层的示例像素元件阵列的示意性顶视图。
图6B描绘示例像素元件阵列的示意性剖视图和跨越示例像素元件阵列的横向尺寸的电势分布。
图7描绘包括共享浮置扩散植入层的另一个示例像素元件阵列的示意性顶视图。
具体实施方式
图1A描绘示例像素元件的示意性顶视图。像素元件100包括钉扎光电二极管结构101。钉扎光电二极管结构101包括p型衬底103、n型植入层105以及p型植入层107。p型衬底103可以由半导体材料(例如，晶体硅、多晶硅、锗、砷化铟镓、硫化铅或磷化铟)组成，其中p型衬底103内的多数电荷载流子是空穴(例如，本质上发生的或者通过受主掺杂引入的)。n型植入层105可以由半导体材料(例如，晶体硅、多晶硅、锗、砷化铟镓、硫化铅或磷化铟)组成，并且可以是与p型衬底103相同的材料或者可以与p型衬底103邻接(例如，外延生长或沉积在其上)。另外，n型植入层105内的多数电荷载流子可以是电子(例如，本质上发生的或者通过施主掺杂引入的)。p型植入层107可以由半导体材料(例如，晶体硅、多晶硅、锗、砷化铟镓、硫化铅或磷化铟)组成，并且可以是与p型衬底103相同的材料或者可以与p型衬底103邻接(例如，外延生长或沉积在其上)。另外，p型植入层107内的多数电荷载流子可以是空穴(例如，本质上发生的或者通过受主掺杂引入的)。
像素元件100还包括第一浮置扩散植入层109和第二浮置扩散植入层111(例如，浮置扩散节点或读出节点)。第一浮置扩散植入层109和第二浮置扩散植入层111内的多数电荷载流子可以是电子(例如，本质上发生的或者通过施主掺杂引入的)。第一浮置扩散植入层109和第二浮置扩散植入层111可以由半导体材料(例如，晶体硅、多晶硅、锗、砷化铟镓、硫化铅或磷化铟)组成，并且可以是与p型衬底103相同的材料或者可以与p型衬底103邻接(例如，外延生长或沉积在其上)。像素元件100还包括沉积在p型衬底103上的绝缘层113、第一传输栅极115(即，绝缘栅极结构的部件)和第二传输栅极117(即，另一个绝缘栅极结构的部件)以及光电检测区域119。光电检测区域119勾画像素元件100内的光敏区域。在一些实现方式中，光电检测区域119包括电荷载流子耗尽区域(例如，本征电荷载流子浓度的区域)。绝缘层113可以是基本上电绝缘的并且对诸如具有在可见或不可见范围内的波长的光(例如，近红外光或红外光)的波长是基本上透明的。绝缘层113可以由基本上电绝缘且透明的材料(例如，结晶二氧化硅或多晶二氧化硅)组成。绝缘体层113使第一传输栅极115和第二传输栅极117与p型衬底103绝缘。第一传输栅极115和第二传输栅极117可以由基本上透明的材料(例如，多晶硅)组成。
电压可以施加到第一传输栅极115和第二传输栅极117。因此，第一传输栅极115和第二传输栅极117可以操作以在像素元件100中产生电漂移场(例如，边缘场效应)。在一些实现方式中，绝缘层113可以具有足够的厚度以实现p型衬底103与第一传输栅极115和第二传输栅极117之间的电容耦合，使得第一传输栅极115和第二传输栅极117上的电压电平分别在p型衬底103内反映为电势分布120。在其中不同的电压电平分别施加到第一传输栅极115和第二传输栅极117的一些实现方式中，电漂移场可以出现在像素元件100内(例如，横向地位于光电检测区域119内)。在像素元件100内表现为电势分布的电漂移场可以促进在光电检测区域119内产生的光生电荷载流子在任何给定时刻传导到第一浮置扩散植入层109或第二浮置扩散植入层111。图1B中示出如以上所描述的这种电势分布120的实例。
图1B描绘跨越图1A中所描绘的示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布120。示意图中描绘跨越像素元件100的横向尺寸121(即，沿着线1B)的电势分布120，其中横向尺寸121在x轴上并且电势122在y轴上。如以上所描述，第一传输栅极115和第二传输栅极117上的电压电平可操作以产生具有特定特性的电势分布120。例如，图1B中所描绘的电势分布120可以将在光电检测区域119内产生的电荷传导到第二浮置扩散植入层111，并且可以禁止电荷载流子传导到第一浮置扩散植入层109中。
像素元件100或这类像素元件的阵列可以在利用入射在像素元件100的光电检测区域119上的调制光的数据收集应用中使用。入射调制光在入射调制光的特性下在光检测区域119中产生电荷载流子。可以在调制周期内在不同的时刻对电荷载流子进行采样。例如，可以在对应于调制的0°、180°、270°或360°的时刻对电荷载流子进行采样。因此，电荷载流子可以在第一时刻从光检测区域119通过电势分布120交替地传导到第一浮置扩散植入层109中，并且在第二时刻传导到第二浮置扩散层111中。
这一交替传输到浮置扩散植入层109、111中可以在多个时刻重复进行，使得足够的电荷载流子交替地传导到第一浮置扩散植入层109和第二浮置扩散植入层111以产生可靠信号。信号可以用于确定入射调制光的相移，所述入射调制光可以用于通过间接飞行时间技术确定到物体的距离。然而，由于1)两个浮置扩散植入层109、111布置在光电检测区域119的相对侧上，以及2)整个光电检测区域119用于收集光并且在任何给定时刻产生传导到单个浮置扩散植入层的电荷载流子，所以电荷载流子中的一些在任何给定时刻在跨越光电检测区域119的整个长度的传输路径上传导，从而用一些限制来困扰这个方法。
图2A描绘另一个示例像素元件200的示意性顶视图。像素元件200包括如以上所描述的部件，诸如钉扎光电二极管结构201、p型衬底203、n型植入层205、p型植入层207以及光电检测区域219。然而，像素元件200还包括多个第一传输栅极215、多个第二传输栅极217、多个第一浮置扩散植入层209以及多个第二浮置扩散植入层211。多个传输栅极215、217与多个浮置扩散植入层209、211一起允许在光电检测区域219中产生的电荷载流子在任何给定时刻传导到多个浮置扩散植入层，与如图1A和图1B所示的单个浮置扩散植入层相反。例如，在第一时刻，电荷载流子可以传导到多个第一浮置扩散植入层209，并且在第二时刻，电荷载流子可以传导到多个第二浮置扩散植入层211。由于电荷载流子在任何给定时刻传导到多个浮置扩散植入层，所以它们的传输长度显著减小。如上所述，交替传输到多个浮置扩散植入层209、211中可以在多个时刻重复进行，使得足够的电荷载流子交替地传导到第一浮置扩散植入层209和第二浮置扩散植入层211以产生可靠信号。另外，整个光电检测区域可以用于收集入射调制光并产生电荷载流子，从而允许在低强度入射光应用中使用这类像素元件。
图2B描绘在第一时刻跨越图2A中所描绘的示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布。示意图中描绘跨越像素元件200的横向尺寸221(即，沿着剖面线2B)的电势分布220，其中横向尺寸221在x轴上并且电势222在y轴上。多个第一传输栅极215和多个第二传输栅极217上的电压电平可操作以产生具有特定特性的电势分布220。例如，在第一时刻，图2B中所描绘的电势分布220可以将在光电检测区域219内产生的电荷传导到多个第一浮置扩散植入层209。在同一时刻，多个第一传输栅极215和多个第二传输栅极217上的电压电平可操作以产生具有特定特性的电势分布220，如图2C和图2D中所描绘。
图2C描绘示例像素元件的示意性顶视图，并且图2D描绘跨越示例像素元件的另一个横向尺寸(即，沿着剖面线2D)的电势分布的另一个示意性剖视图。图2D中所描绘的另一电势分布220可以将在光电检测区域219内产生的电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层209并且可以禁止电荷载流子传导到多个第二浮置扩散植入层211中。可以在另一个时刻对施加到多个第一传输栅极215和多个第二传输栅极217的电压电平进行修改，使得电势分布220将电荷载流子传导到多个第二浮置扩散植入层211并且禁止电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层209。前述过程可以在多个时刻重复进行，使得足够的电荷载流子交替地传导到多个第一浮置扩散植入层209和多个第二浮置扩散植入层211以产生可靠信号。
图3A描绘再一示例像素元件300的示意性顶视图。像素元件300包括如以上所描述的部件，诸如钉扎光电二极管结构301、p型衬底303、n型植入层305、p型植入层307、多个第一浮置植入层309、多个第二浮置植入层311、多个第一传输栅极315、多个第二传输栅极317以及光电检测区域319。然而，像素元件300还包括辅助性n型植入层306。辅助性n型植入层306可以由半导体材料(例如，晶体硅、多晶硅、锗、砷化铟镓、硫化铅或磷化铟)组成，并且可以是与p型衬底303相同的材料或者可以与p型衬底303邻接(例如，外延生长或沉积在其上)。另外，辅助性n型植入层306内的多数电荷载流子可以是电子(例如，本质上发生的或者通过施主掺杂引入的)。在一些实现方式中，辅助性n型植入层306内的本征电荷载流子或掺杂浓度可以不同于n型植入层305内的本征电荷载流子或掺杂浓度。
图3B描绘在第一时刻跨越图3A中所描绘的示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布。示意图中描绘跨越像素元件300的横向尺寸321(即，沿着剖面线3B)的电势分布320，其中横向尺寸321在x轴上并且电势322在y轴上。多个第一传输栅极315和多个第二传输栅极317上的电压电平可操作以产生具有特定特性的电势分布320。例如，在第一时刻，图3B中所描绘的电势分布320可以将在光电检测区域319内产生的电荷传导到多个第一浮置扩散植入层309。电势分布320受辅助性n型植入层306的影响。因此，在一些情况下，通过辅助性n型植入层306可以促进电荷载流子传导通过p型衬底303。
图4A描绘又一示例像素元件400的示意性顶视图。像素元件400包括如以上所描述的部件，诸如钉扎光电二极管结构401、p型衬底403、n型植入层405、p型植入层407、多个第一浮置植入层409、多个第二浮置植入层411、多个第一传输栅极415、多个第二传输栅极417以及光电检测区域419。像素元件400还包括以六边形布置方式设置的多个第一传输栅极415、多个第二传输栅极417、多个第一浮置扩散植入层409以及多个第二浮置扩散植入层411。如以上所描述，多个传输栅极和浮置扩散植入层允许在光电检测区域419中产生的电荷载流子在任何给定时刻传导到多个浮置扩散植入层(例如，和图2A-2D中所描绘的实现方式一样)。然而，六边形布置方式允许电荷载流子所通过的传输路径的显著减少。
图4B描绘在第一时刻跨越图4A中所描绘的示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布。示意图中描绘跨越像素元件400的横向尺寸421(即，沿着剖面线4B)的电势分布420，其中横向尺寸421在x轴上并且电势422在y轴上。多个第一传输栅极415和多个第二传输栅极417上的电压电平可操作以产生具有特定特性的电势分布420。例如，在第一时刻，图4B中所描绘的电势分布420可以将在光电检测区域419内产生的电荷传导到多个第一浮置扩散植入层409。在同一时刻，多个第一传输栅极415和多个第二传输栅极417上的电压电平可操作以产生具有特定特性的电势分布420，如图4C和图4D中所描绘。
图4C描绘示例像素元件的示意性顶视图，并且图4D描绘跨越示例像素元件的另一个横向尺寸(即，沿着剖面线4D)的电势分布的另一个示意性剖视图。图4D中所描绘的另一电势分布420可以将在光电检测区域419内产生的电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层409并且可以禁止电荷载流子传导到多个第二浮置扩散植入层411中。可以在另一个时刻对施加到多个第一传输栅极415和多个第二传输栅极417的电压电平进行修改，使得电势分布420将电荷载流子传导到多个第二浮置扩散植入层411并且禁止电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层409。
图5A描绘又一个示例像素元件500的示意性顶视图。像素元件500包括如以上所描述的部件，诸如钉扎光电二极管结构501、p型衬底503、n型植入层505、p型植入层507、多个第一浮置植入层509、多个第二浮置植入层511、多个第一传输栅极515、多个第二传输栅极517以及光电检测区域519。像素元件500还包括辅助性浮置扩散植入层512(例如，多个辅助性浮置扩散植入层512)和辅助性传输栅极518(例如，多个辅助性传输栅极518)。在图5A所描绘的示例实现方式中，多个第一传输栅极515、多个第二传输栅极517、多个第一浮置植入层509、多个第二浮置植入层511、多个辅助性浮置扩散植入层512以及多个辅助性传输栅极518均以六边形布置方式设置。如以上所描述，多个传输栅极、浮置扩散层、辅助性浮置扩散层以及辅助性传输栅极允许在光电检测区域519中产生的电荷载流子在任何给定时刻传导到多个浮置扩散植入层(例如，和图2A-2D中所描绘的实现方式一样)。
尽管六边形布置方式允许传输路径的显著减少，如结合图4A-4D中所示的示例实现方式所描述的，辅助性传输栅极或多个辅助性传输栅极和/或辅助性浮置扩散植入层或多个辅助性浮置扩散植入层可以允许共模光(例如，背景光)和/或图像重影的减轻或消除。在一些实现方式中，辅助性部件可以将电荷载流子从光电检测区域519排走。例如，从共模光产生的电荷载流子可以传导到辅助性浮置扩散植入层并且被排出或者倾倒出，从而防止共模电荷载流子侵入到多个第一或者多个第二浮置扩散植入层中的任何一个中。因此，光电检测区域519可以小于其他示例实现方式中的光电检测区域，所述其他示例实现方式不采用可以允许较短传输路径，并且在一些情况下可以允许p型衬底503内的较大漂移场，进而可以允许光生电荷的较大漂移速度的辅助性浮置扩散植入层(或多个辅助性浮置层)或辅助性传输栅极(或多个辅助性传输栅极)。另外，辅助性传输栅极518或多个辅助性传输栅极518或者辅助性浮置扩散植入层512或多个辅助性浮置扩散植入层512可以操作以在第三时刻收集光生电荷载流子。
图5B描绘在第一时刻跨越图5A中所描绘的示例像素元件的横向尺寸的示意性剖视图和电势分布。示意图中描绘跨越像素元件500的横向尺寸521(即，沿着剖面线5B)的电势分布520，其中横向尺寸521在x轴上并且电势522在y轴上。多个第一传输栅极515、多个第二传输栅极517以及多个辅助性传输栅极518上的电压电平可操作以产生具有特定特性的电势分布520。例如，在第一时刻，图5B中所描绘的电势分布520可以将在光电检测区域519内产生的电荷传导到多个第一浮置扩散植入层509。在同一时刻，多个第一传输栅极515、多个第二传输栅极517以及多个辅助性传输栅极518上的电压电平可操作以产生具有特定特性的电势分布520，如图5C-5F中所描绘。
图5C描绘示例像素元件的示意性顶视图，并且图5D描绘跨越示例像素元件的另一个横向尺寸(即，沿着剖面线5D)的电势分布的另一个示意性剖视图。图5D中所描绘的电势分布520可以将在光电检测区域519内产生的电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层509并且可以禁止电荷载流子传导到多个第二浮置扩散植入层511和多个辅助性浮置扩散植入层512中。可以在另一个时刻对施加到多个第一传输栅极515、多个第二传输栅极517以及多个辅助性传输栅极518的电压电平进行修改，使得电势分布520将电荷载流子传导到多个第二浮置扩散植入层511并且禁止电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层509和多个复制性浮置扩散植入层512。前述过程可以在多个时刻重复进行，直到足够的电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层509和多个第二浮置扩散植入层511以产生可靠信号。
图5E描绘示例像素元件的示意性顶视图，并且图5F描绘跨越示例像素元件的另一个横向尺寸(即，沿着剖面线5E)的电势分布的另一个示意性剖视图。图5F中描绘的电势分布520可以在以上所描述的第一时刻发生，其中图5E中所描绘的电势分布520可以将在光电检测区域519内产生的电荷载流子传导到多个第一浮置扩散植入层509，并且可以禁止电荷载流子传导到多个第二浮置扩散植入层511和多个辅助性浮置扩散植入层512中。可以在另一个时刻对施加到多个第一传输栅极515、多个第二传输栅极517以及多个辅助性传输栅极518的电压电平进行修改，使得电势分布520例如以电荷倾倒模式将电荷载流子传导到多个辅助性浮置扩散植入层512中。
图6A描绘包括共享浮置扩散植入层的示例像素元件阵列的示意性顶视图。像素元件阵列600包括诸如以上所描述的像素元件的多个像素元件。像素元件阵列600内的每个像素元件可以包括p型衬底603、n型植入层605、p型植入层607、绝缘层613、第一传输栅极615、第二传输栅极617以及光电检测区域619。每个像素元件可以包括与相邻像素元件共享的至少一个第一浮置扩散植入层609和至少一个第二浮置扩散植入层611(不与相邻像素元件共享的另外的第一浮置扩散植入层609和第二浮置扩散植入层611也在本公开的范围内)。在一些实现方式中，共享的第一浮置扩散植入层609和共享的第二浮置扩散植入层611可以提供优点。例如，在一些情况下，共享的部件可以促进像素装仓(例如，其中像素元件的灵敏度通过具有至少一个相互共享的第一浮置扩散植入层609或至少一个相互共享的第二浮置扩散植入层611的相邻像素元件来增强)。
图6B描绘示例像素元件阵列的示意性剖视图和在第一时刻跨越图5A中所描绘的像素元件阵列的横向尺寸的电势分布。示意图中描绘跨越像素元件阵列600的横向尺寸621(即，沿着剖面线6B)的电势分布620，其中横向尺寸621在x轴上并且电势622在y轴上。多个第一传输栅极615、多个第二传输栅极617以及多个辅助性传输栅极618上的电压电平可操作以产生具有特定特性的电势分布620。例如，在第一时刻，图6B中所描绘的电势分布620可以将在光电检测区域619内产生的电荷传导到多个共享的第一浮置扩散植入层609。在同一时刻，多个第一传输栅极615和多个第二传输栅极617上的电压电平可操作以禁止电荷传输到多个共享的第二浮置扩散植入层611。
图7描绘另一个包括共享浮置扩散植入层的示例像素元件阵列的示意性顶视图。像素元件阵列700包括诸如以上所描述的像素元件的多个像素元件。像素元件阵列700内的每个像素元件可以包括p型衬底703、n型植入层705、p型植入层707、绝缘层713、第一传输栅极715、第二传输栅极717以及光电检测区域719。每个像素元件可以包括与相邻像素器件共享的至少一个第一浮置扩散植入层709和至少一个第二浮置扩散植入层711(不与相邻像素元件共享的另外的第一浮置扩散植入层709和第二浮置扩散植入层711也在本公开的范围内)。在一些实现方式中，共享的第一浮置扩散植入层709和共享的第二浮置扩散植入层711可以提供优点。例如，在一些情况下，共享的部件可以促进像素装仓(例如，其中像素元件的灵敏度通过具有至少一个相互共享的第一浮置扩散植入层709或至少一个相互共享的第二浮置扩散植入层711的相邻像素元件来增强)。在此示例实现方式中，像素元件沿六边形设置，其中浮置扩散植入层由相邻像素元件共享。此实现方式可以具有类似的如以上所讨论的优点(例如，和在图4-6中所描绘的示例实现方式中一样)。
以上所描述的各种实现方式旨在是非限制性的。因此，以上所描述的各种特征的组合均在本公开的范围内。例如，以上所描述的各种示例实现方式包括围绕光电检测区域沿六边形设置的多个浮置扩散植入层和传输栅极，然而，其他实现方式可以包括围绕光电检测区域以任何其他方式沿周向(例如，沿八边形)设置的多个浮置扩散植入层和传输栅极。最小化从光电检测区域到浮置扩散植入层的电荷载流子传输路径的其他布置方式也在本公开的范围内。另外，以上已经描述了具有分别是空穴或电子、p型或n型的多数电荷载流子浓度的各种部件。在其他实现方式中，多数电荷载流子可能与已经公开的相反。例如，一些实现方式包括具有p型衬底、n型植入层以及设置在n型植入层顶部上的p型植入层的钉扎光电二极管结构。其他变型均在本公开的范围内。

Claims (18)

1.一种可操作以解调入射调制光的像素元件，所述像素元件包括：
钉扎光电二极管结构，所述钉扎光电二极管结构包括第一型的衬底、第二型的植入层、设置在所述第二型的所述植入层内的所述第一型的植入层、设置在所述衬底的表面上的绝缘体以及光电检测区域，所述光电检测区域可操作使得入射在所述光检测区域上的调制光和共模光产生所述第二型的电荷载流子，所述电荷载流子具有所述入射调制光的调制特性；
设置在所述绝缘体的表面上的多个第一传输栅极和多个第二传输栅极，其中所述多个第一传输栅极和所述多个第二传输栅极可操作以在所述第一型的所述衬底内产生场；以及
设置在所述第一型的所述衬底内的所述第二型的多个第一浮置扩散植入层和所述第二型的多个第二浮置扩散植入层；
其中所述多个第一传输栅极和所述多个第二传输栅极可操作以在第一时刻将所述电荷载流子传导到所述多个第一浮置扩散植入层，并且所述多个第一传输栅极和所述多个第二传输栅极可操作以在第二时刻将所述电荷载流子传导到所述多个第二浮置扩散植入层，
其中所述多个第一传输栅极、所述多个第二传输栅极、所述多个第一浮置扩散植入层以及所述多个第二浮置扩散植入层围绕所述光电检测区域沿周向设置，使得到所述浮置扩散植入层的所述电荷载流子传输路径最小化，并且
其中所述多个第一传输栅极内的每个第一传输栅极设置在所述光电检测区域的相对侧处，并且所述多个第二传输栅极内的每个第二传输栅极设置在所述光电检测区域的相对侧处。
2.如权利要求1所述的像素元件，其还包括居中设置在所述第二型的所述植入层内的所述第二型的辅助性植入层。
3.如权利要求1所述的像素元件，其还包括至少一个辅助性传输栅极和至少一个所述第二型的辅助性浮置扩散植入层。
4.如权利要求3所述的像素元件，其中所述第一传输栅极、所述第二传输栅极以及所述辅助性传输栅极可操作以将由所述共模光产生的电荷载流子传导到所述第二型的所述辅助性浮置扩散植入层。
5.根据权利要求4所述的像素元件，其还包括多个辅助性传输栅极和所述第二型的多个辅助性浮置扩散植入层，其中所述第一传输栅极、所述第二传输栅极以及所述多个辅助性传输栅极可操作以将由所述共模光产生的电荷载流子传导到所述第二型的所述多个辅助性浮置扩散植入层。
6.如权利要求1所述的像素元件，其中所述多个第一传输栅极、所述多个第二传输栅极、所述多个第一浮置扩散植入层以及所述多个第二浮置扩散植入层围绕所述光电检测区域沿六边形设置。
7.如权利要求1所述的像素元件，其中所述多个第一传输栅极、所述多个第二传输栅极、所述多个第一浮置扩散植入层以及所述多个第二浮置扩散植入层围绕所述光电检测区域沿八边形设置。
8.如权利要求1所述的像素元件，其中所述多个第一传输栅极和所述多个第二传输栅极可操作以在第三时刻将所述电荷载流子传导到所述多个第一浮置扩散植入层或所述多个第二浮置扩散植入层。
9.如权利要求3所述的像素元件，其中所述多个第一传输栅极、所述多个第二传输栅极以及所述至少一个辅助性传输栅极可操作以在第三时刻将所述电荷载流子传导到所述多个第一浮置扩散植入层、所述多个第二浮置扩散植入层或所述至少一个辅助性浮置扩散植入层。
10.如权利要求8所述的像素元件，其中所述多个第一传输栅极和所述多个第二传输栅极可操作以在第四时刻将所述电荷载流子传导到所述多个第一浮置扩散植入层或所述多个第二浮置扩散植入层。
11.如权利要求9所述的像素元件，其中所述多个第一传输栅极、所述多个第二传输栅极以及所述至少一个辅助性传输栅极可操作以在第四时刻将所述电荷载流子传导到所述多个第一浮置扩散植入层、所述多个第二浮置扩散植入层或所述至少一个辅助性浮置扩散植入层。
12.如权利要求1所述的像素元件，其中空穴是所述第一型的部件内的多数电荷载流子，并且电子是所述第二型的部件内的多数电荷载流子。
13.如权利要求1所述的像素元件，其中电子是所述第一型的部件内的多数电荷载流子，并且空穴是所述第二型的部件内的多数电荷载流子。
14.如权利要求1所述的像素元件，其中设置在所述第一型的所述衬底内的所述第二型的所述多个第一浮置扩散植入层中的至少一个与另一个像素元件共享。
15.如权利要求14所述的像素元件，其中设置在所述第一型的所述衬底内的所述第二型的所述多个第二浮置扩散植入层中的至少一个与另一个像素元件共享。
16.如权利要求15所述的像素元件，其中所述多个第一传输栅极、所述多个第二传输栅极、所述多个第一浮置扩散植入层以及所述多个第二浮置扩散植入层围绕所述光电检测区域沿六边形设置。
17.如权利要求15所述的像素元件，其中所述多个第一传输栅极、所述多个第二传输栅极、所述多个第一浮置扩散植入层以及所述多个第二浮置扩散植入层围绕所述光电检测区域沿八边形设置。
18.一种可操作以确定到场景中的一个物体或多个物体的距离的光电元件，所述光电元件包括：
光源，所述光源可操作以将调制光引导到场景中的一个物体或多个物体上，其中所述调制光的至少一部分从所述场景中的所述一个物体或所述多个物体反射；
光学组件，所述光学组件可操作以使所述调制光的所述部分中的一些聚焦到多个如权利要求1所述的像素元件上，其中所述像素元件中的至少一个可操作以解调入射调制光；以及
处理器，所述处理器可操作以根据从所述像素元件中的所述至少一个产生的信号来确定距离数据。
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