CN109564277A - 具有载流子生成的钉扎光电二极管的解调器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种解调器，包括钉扎光电二极管；至少一个存储节点；至少一个传输栅极，连接在存储节点和钉扎光电二极管之间。钉扎光电二极管包括：p掺杂外延半导体层；n掺杂半导体区，形成在外延半导体层内；p+钉扎层，形成在半导体区的顶部。钉扎层分成由电绝缘元件隔开的至少两个单独区域，每个区域被设置成由相应的偏置信号独立偏置，以在半导体区内产生电势梯度。

Description

具有载流子生成的钉扎光电二极管的解调器及其操作方法
技术领域
本公开涉及一种用于接收作为调制信号的光信号和作为解调信号的电信号的解调器及其操作方法。感兴趣的应用之一是飞行时间测量。
背景技术
计算机视觉是一个日益增长的研究领域，其包括获取、处理、分析和理解图像的方法。该领域的主要驱动思想是通过电子地感知和理解场景图像来复制人类视觉能力。值得注意的是，计算机视觉的一个研究主题是深度感知，换言之，三维(3-D)视觉。
飞行时间(TOF)相机系统是最近出现的，并且能够通过对测量信号的发射和回波返回之间的时间间隔进行计时来捕捉场景的三维图像。这种方法基于以下原理，对于给定介质中具有已知传播速度的信号，由传播速度与信号来回传播所需的时间的乘积给出要测量的距离。这种TOF相机系统用于需要距固定点的深度或距离信息的许多应用中。
TOF测量通常基于相移测量。在这种方法中，通过发射光信号和接收光信号之间的相位比较来确定传播时间间隔。这种相位比较要求解调信号与发射光信号同步。
可以如下进行相移的计算。光电检测信号通常与电参考信号(即，解调信号)相关或解调，称为SI、SQ和如图1所示，与原始光信号S相比，SI、SQ和分别偏移了0°、180°、90°和270°。获得的相关信号定义为：
然后，计算两个参数I和Q，使得：
和
AS和α分别是光检测信号的振幅变化和相关性的效率。
的提取取决于调制信号S的形状。例如，如果S是正弦波，则
一旦相位已知，则可以通过以下公式得到物体距相机的距离
其中，fmod是调制频率，n是整数N。
在相关技术中，可以使用几种类型的装置来执行相关性(也称为解调)。例如，可以由解调器100执行相关性，如图2的a)、b)所示。图2的a)是解调器100的俯视图，图2的b)是解调器100沿图2的a)的线A-B的横截面。
解调器100包括钉扎光电二极管(pinned photodiode，pinned型光电二极管)。钉扎光电二极管是掩埋二极管结构，其中，掩埋n阱106夹在外延P型层P-epi 107和p+盖层(也称为钉扎层)105之间。外延层107也可以形成在P衬底108之上。
解调器100还包括传输栅极103、104(也分别表示为TX0、TX1)和存储位置101、102。存储位置101、102分别是与所有其他节点电绝缘的浮动扩散节点FD0、FD1。存储位置是准中性区域，其电势仅由存储在其中的电荷量及其电容决定。该区域的电容通常非常低，以实现高转换增益，即，通过添加一个电子来改变电势/电压比。存储位置101、102和传输栅极103、104分别形成在外延p层107内或上方。
解调器100如下执行解调。在曝光时间T期间，如上所述，用解调信号驱动传输栅极TX0、TX1。在钉扎光电二极管内形成电子-空穴对，并且由于解调信号，生成的少数载流子(在此处是电子)经由扩散现象传输到FD节点。在图2中，由于传输栅极TX0高，传输栅极TX1低，因此载流子传输朝向FD0。存储的电子数量与解调信号和反射光信号的重叠持续时间成比例，从而执行期望的相关。
将几个部件添加到解调器，以形成解调像素110，如图3所示。在读出之前，浮动扩散节点FD0、FD1由复位晶体管RST复位。在读出期间，通过分别打开传输栅极TX0、TX1，累积在光电二极管中的电子传输到浮动扩散节点FD0、FD1。浮动扩散节点FD0、FD1处的电压变化，并且该变化被源极跟随器晶体管SF放大，并且由于选择晶体管SEL而读出。
理论上，使用钉扎光电二极管可以克服几个问题。对于钉扎光电二极管，通过施加足够的传输栅极电压，n阱通常完全耗尽。实际上，如图4所示，钉扎光电二极管中的电势在n区域具有最大值，具有称为钉扎电势Vp的值。由传输栅极TG控制的最小电势或势垒电势VB在钉扎光电二极管和浮动扩散节点FD之间。从n阱到FD节点的电势单调增加，这允许所有载流子从n阱完全传输到FD节点。理论上，因此消除了滞后。由于这是掩埋式光电二极管，所以也抑制了暗电流。
实际上，如果n阱和FD节点之间的电势不单调增加，则存在电荷传输的势垒，并且可能永远不会移除一些载流子，即使在长传输时间之后，如图5所示。这种势垒可能会导致滞后和噪声。
此外，对于n阱中具有“平坦”电势的大像素，载流子的传输受到扩散的限制，并且完全传输的时间可能开始变得显著。例如，对于节距为5，6μm的像素，平均传输时间为12nsec，但节距为40μm时，平均传输时间会增长到600nsec。
在相关技术中，Lim等人在文章“A CMOS Image sensor based on unified pixelarchitecture with Time-Division Multiplexing scheme for color and depth imageacquisition”(IEEE Journal of the electron devices society,第2卷第3期，2014年5月)中实现了分裂钉扎光电二极管结构，如图6的a至c所示。为了实现更好的电荷传输，如本文上述的标准钉扎光电二极管分成两个小片，具有双倍数量的浮动扩散节点600、602、612。因此，生成的电子的行进距离减小，电荷传输更快。实际上，如图6的c)所示，耗尽区中的电势略微弯曲，生成横向电场，以通过漂移提高传输速度。
由于检测区域的尺寸减小，并且FD节点的数量增加了一倍，所以上述分裂钉扎光电二极管的灵敏度低于普通的钉扎光电二极管。光学面积也减少了，结果，这种分裂结构的填充因数也低于标准钉扎光电二极管的填充因数。实际上，上述设置正好相当于两个解调器共享一个浮动扩散节点。因此，需要在传输电荷速度和填充因数之间保持平衡。
因此，为了实现具有钉扎光电二极管的高效解调器，仍需提出一种解决方案，该解调器显示出良好的灵敏度、快速的电荷传输和高填充因数。
发明内容
本公开涉及根据权利要求1所述的解调器和根据权利要求14所述的用于操作解调器的方法。
实际上，本领域技术人员将当前情况下的装置称为解调器。然而，这种装置更像相关器。
由于本公开，施加到单独区域的偏置信号产生了电势梯度。少数载流子看到的势垒降低，电荷可以更快地从半导体区传输到存储节点。本公开能够组合扩散和漂移机制，以确保电荷更快地传输到存储节点，并避免滞后和噪声问题。
优选地，钉扎层的单独区域用解调信号偏置，而相关联的传输栅极用相同的解调信号或直流信号偏置，以改善解调速度。
优选地，在解调器内形成横向光电二极管。由于这种横向光电二极管，在解调速度和填充因数之间找到了折衷。钉扎光电二极管和存储节点之间的距离小，可以实现高解调速度。同时，还获得了高量子效率、高填充因数和高灵敏度，因为由于横向延伸的耗尽区，在大面积内生成电荷载流子。
有利地，半导体区和钉扎层横向延伸，以增大耗尽区的表面。
延伸的半导体区和钉扎层可以具有触角型形状，并且形成从钉扎层的中心区域朝向边界横向延伸并向外逐渐变细的多个触角。
这种特殊的触角形状产生了从触角尖端到中心区域的强梯度，这使得能够捕获大量生成的少数载流子并将其引向中心区域。因此，传输之前的载流子的复合速率大大降低。
由于本公开的这个实施例，钉扎二极管的中心区域的表面现在可以非常小，以提高解调速度。
更有利地，本公开的解调器用于飞行时间测量。例如，通过选择用于传输栅极的反相解调信号，可以执行有效且一致的相关测量。
当结合附图进行时，通过以下详细描述，本公开的其他优点和新颖特征将变得更加明显。
附图说明
图1示出了相关技术中用于确定TOF相机中的相关测量的信号的示例；
图2a的)是相关技术解调器的俯视图，图2的b)是解调器沿图2的a)的线A-B的横截面；
图3示出了相关技术解调像素的示例；
图4示出了相关技术解调器内的单调势垒的示例；
图5示出了相关技术解调器内的非单调势垒的示例；
图6的a至c示出了在相关技术中实现的分裂钉扎光电二极管结构，图6的a)是所述结构的俯视图，图6的b)是其横截面，并且图6的c)表示所述结构内的势垒；
图7的a)是根据本公开的解调器的横截面；
图7的b)表示在第一偏置条件下图7的a)的结构内的势垒；
图8的a)是根据本公开的解调器的横截面；
图8的b)表示在第二偏置条件下图8的a)的结构内的势垒；
图9是根据本公开的实施例的解调器的横截面；
图10是图9的解调器的俯视图；以及
图11是根据本公开的另一实施例的解调器的俯视图；
图12示意性地示出了根据本公开的实施例的TOF传感器的实现方式；和
图13更详细地示意性描述了可以在实施例的上下文中使用的电子装置的实施例。
具体实施方式
在下文中，将针对形成于p掺杂半导体层内的解调器来呈现本公开。应当理解，本领域技术人员可以通过调换形成解调器的不同元件的掺杂类型，在n掺杂半导体层内容易地实现本公开的解调器。
在图7的a)和8的a)中表示根据本公开的解调器400的截面图。
本公开的解调器400包括：
-钉扎光电二极管，用于响应入射调制信号生成多数载流子和少数载流子。当解调器400用于飞行时间测量时，该调制信号是从兴趣场景反射的调制光。
-至少一个存储节点406、407，用于存储由钉扎光电二极管生成的少数载流子。图7的a)和8的a)中表示了两个存储节点，但是本公开不限于此。存储节点可以是例如浮动扩散节点。
-至少一个传输栅极404、405，其连接在存储节点406、407和钉扎光电二极管之间，并由传输信号驱动，用于将钉扎光电二极管生成的少数载流子传输到存储节点。图7的a)和8的a)中表示了两个传输栅极，但是本公开不限于此。一旦在光电二极管内部，载流子的传输机制通常是扩散，但是如稍后将解释的，本公开能够通过漂移获得进一步传输。传输信号可以是解调信号或直流信号，这将在后面解释。
解调器400的钉扎光电二极管包括：
-外延半导体层413，其用第一导电类型的第一掺杂剂(例如，p)掺杂。该外延层413优选地轻掺杂或是本征半导体。该外延层413可以形成在半导体衬底414之上，例如，掺杂有第一导电类型的掺杂剂(在本例中为p)。
-半导体区415，其用与第一导电类型相反的第二导电类型的第二掺杂剂(例如，n)掺杂，形成在外延半导体层413内。该半导体区415优选地是深植入外延半导体区413内的n阱。
-钉扎层401，其用第一导电类型的第三掺杂剂(例如p+)掺杂，形成在所述半导体区(415)的顶部；优选地，该钉扎层401高度掺杂并形成欧姆接触。第三掺杂剂与第一掺杂剂的区别可能仅仅在于其浓度。
存储节点406、407形成在外延半导体层413内，传输栅极404、405形成在外延半导体层413的顶部。
本公开的解调器400的钉扎层401分成由电绝缘元件601隔开的至少两个单独区域401a、401b。每个区域401a、401b被设置成由相应的偏置信号独立地偏置，以在半导体区415内产生电势梯度。
实际上，钉扎光电二极管的工作基于半导体区415(优选地，阱)可以完全耗尽的原理。光电二极管中产生的电势是钉扎电压vp。在现有技术中，该电势称为“地”，这意味着钉扎层401的电势(通常偏置到地)和外延层413的电势(也通常偏置到地)相等。如果移动整个电势系统，移动钉扎层401上的参考电压和外延层413的电压，则钉扎电势vp也将移动。这意味着，如果钉扎层401偏置到与地不同的电势，则半导体区415内的钉扎电压也将改变。
本公开通过使半导体区415的一部分参考具有第一偏置信号Va的第一钉扎层401a，并且通过使半导体区415的第二部分参考具有第二偏置信号Vb的第二钉扎层401b，来使用这种行为在半导体区415内部产生电势梯度。钉扎层401a和401b可以例如由STI区域(浅沟槽隔离)分隔，或者区域401a和401b可以由结隔离分隔。区域401a和4001b也可以短路，同时仍然施加不同的偏置信号，在钉扎层401、401a、401b中产生功率耗散，同时在钉扎层中施加不同电压的接触区域之间的整个钉扎层中产生平滑的电压梯度。这个实施例是可能的，并且在钉扎层中具有平滑梯度的优点，但是以功耗为代价。
通过例如反相调制电压Va和Vb，如稍后将解释的，可以在钉扎光电二极管中产生调制的电势梯度。结果，聚集在阱415中的少数载流子现在将通过漂移移动到电势梯度指向的传输栅极404、405。在图7的b)和8的b)中表示在本公开的解调器400内的电势图，示出了在不同偏置条件下的所述电势梯度和载流子的相关移动。例如，电势梯度可以是从大致1.1V的电压(在415)到大致2.2V至2.5V的电压(在406、407)。在传输期间，阻塞传输栅极(405)的电压设置为例如大致0V，而有源传输栅极电压(404)设置为大致3.0V。
单独区域401a、401b可以由解调信号Va和Vb驱动，优选地是反相解调信号，而传输栅极通过(in pass)并且由作为直流信号的传输信号驱动。半导体区415中的电势梯度由偏压Va和Vb的差值产生，并定义少数载流子传输到哪个传输栅极404、405和相应的存储节点407、406。
优选地，钉扎层401的每个单独区域401a、401b与相应的传输栅极404、405相关联。然后，用相同的解调信号一起驱动单独区域及其相关联的传输栅极，以增强调制。如果解调器包括两个单独区域401a、401b和两个传输栅极404、405，则第一解调信号可以驱动第一关联401a、404，而第二解调可以驱动第二关联401b、405，第二解调信号相对于第一解调信号反相。如上所述，这使得能够执行相关测量。
在一个实施例中，未实现传输栅极，并且在默认情况下，存储节点405、406连接到光电二极管。钉扎层401a、401b上的解调信号产生电势梯度，该电势梯度定义阱415中聚集的少数载流子将漂移到哪个存储节点，从而允许调制或解调载流子。
在图9至11中表示本公开的解调器400的进一步实施例。图9是根据本公开的实施例的解调器400的横截面。图10是图9的解调器400的俯视图。
根据本公开的实施例，在半导体区415与外延半导体层413的界面处形成下结和基本垂直于下结的至少一个横向结，解调器400还包括用于在所述横向结处生成少数载流子和多数载流子以及用于形成横向光电二极管的生成装置。应当理解，半导体区415包括底壁和侧壁。从横向来说，应该理解，所述横向侧壁不平行于底壁，而是基本垂直于底壁。底结形成在底壁和外延半导体层413之间的界面处，而横向结形成在所述横向侧壁和外延半导体层413之间的界面处。
生成装置可以包括例如形成在外延半导体层413内的第一导电类型(例如，p)的阱402、403。至少一个传输栅极404、405和存储节点406、407形成在所述阱402、403内。至少一个传输栅极404、405和存储节点406、407由所述阱402、403封装，因为将存储节点与外延半导体层隔离是重要的。这种隔离也可以另一种方式进行，例如，通过使用基于掩埋氧化物的隔离。阱402、403与半导体区415接触。外延半导体层413是本征半导体。
外延半导体层413的掺杂和阱402、403的掺杂优选地适于形成在外延半导体层413内横向延伸的至少一个耗尽区411、412。由于外延本征半导体层413的掺杂比阱402、403低得多，所以允许横向形成该耗尽区。例如，外延层413可以从1E11/cm3掺杂到1E14/cm3，通常基本上为1E12/cm3，而光电二极管阱402、403通常可以在1E15和1E17/cm3之间掺杂，通常基本上为1E16/cm3。
实际上，在标准p-n结的界面处形成的耗尽区未在n区域和p区域之间对称分开的，该耗尽区将向轻掺杂侧延伸。在本公开中，因为外延半导体层413是本征的，所以对应于横向结n掺杂的半导体区415/本征p半导体层413，横向形成大的耗尽区411、412。由于p阱402、403，耗尽区401、402不能在存储节点406、407、传输栅极404、405和半导体区415之间延伸。这意味着在钉扎光电二极管内收集的大部分少数载流子源自横向耗尽区411、412。
半导体层413可以包括边界440，并且优选地，还可以包括掺杂有形成在所述半导体层413的顶部上的第一导电类型的第四掺杂剂(例如，p+)的半导体离子注入410，该离子注入沿着所述边界44设置，用于形成横向P-I-N光电二极管。这种离子注入能够实现更好的像素到像素隔离，并获得更好的灵敏度。应该指出的是，在图10和11中，边界440是正方形的，但是可以实现任何几何形状。
在图11中表示本公开的解调器400的另一实施例。
对于上述横向光电二极管，耗尽区不延伸靠近边界440，也不靠近半导体离子注入410。这意味着光电二极管的效率没有优化。为了克服这个问题，如图11所示，半导体区415和钉扎层401a、401b横向延伸，以增大耗尽区511、512的表面。当比较图11的耗尽区511、512的表面和图10的耗尽区411、412的表面时，可以注意到这种表面增大。
延伸的半导体区415和钉扎层401a、401b具有触角型形状，并形成从钉扎层401的中心区域514朝向所述边界440横向延伸并向外逐渐变细的多个触角513。
这种特定的触角(或星形)形状在从触角513的尖端到中心区域514的范围内产生了电势梯度，这使得能够捕获收集的少数载流子并将其更快地传输到发生调制的中心区域514。
由于本公开，中心区域514的表面现在可以非常小，优选地，低于耗尽区511、512的表面。钉扎层401a、401b的中心区域514由钉扎层401a、401b与连接传输栅极404、405的虚拟区域的虚拟交点的表面限定。
优选地，存储节点406、407，传输栅极404、405和钉扎层401a、401b的中心区域514沿着中心线450设置，耗尽区511、512在所述中心线450的两侧横向延伸。
解调器400还可以包括形成在第一导电类型(例如，在此处为p)的阱402、403内的像素电路408、409，所述阱形成在外延半导体层413内，如图9所示。这个阱可以与生成单元的阱相同，也可以不同。当未实现横向光电二极管的实施例时，像素电路408、409也可以直接在外延半导体层413内实现，如图7的a)和8的a)所示。
应该指出，上述解调器的任何实施例都可以用于在飞行时间(TOF)应用中使用。例如，通过选择用于传输栅极的反相解调信号，可以基于TOF测量来执行一致的相关测量，如描述的前序部分中所解释的。
图12示出了根据本公开的测距系统的实施例。测距系统包括光源49，用于将光51发射到场景55上，优选地聚焦到兴趣区域上，在该区域中反射光。测距系统还包括至少一个像素31，用于接收反射光。为了使光源49发射调制光，设置了信号发生器43。信号发生器43在节点48上生成第一时钟信号或调制信号，该信号优选地以预定频率(例如，约10MHz)永久振荡。该信号发生器43还生成第二至第五时钟信号，这些时钟信号分别传送到节点44、45、46、47上，与节点48上的第一时钟信号具有0°、180°、90°和270°相位关系。本领域技术人员还可以考虑在操作方案中使用其他或更多时钟相位，更多的时钟相位导致更好的测量精度，以换取更长的测量时间。或者，本领域技术人员也可以考虑传输伪随机比特流并与一组延迟和/或反转的相同伪随机比特流混合，而不是通过时钟信号的相位进行调制。本领域技术人员在文献中已知使用伪随机比特流(有时称为伪随机噪声)。在这种情况下，建议使用伪随机模式代替第一和第二时钟信号，使用相同的但是逐位反转的伪随机模式代替第三时钟信号，并且使用相同但是延迟一个比特周期的伪随机模式代替第四时钟信号，并且使用相同但是反转和延迟一个比特周期的伪随机模式代替第五时钟信号。
信号发生器43还生成控制信号41，其确定调制信号改变装置来改变调制信号，例如，控制信号41，其确定选择器58在第二至第五时钟信号之间选择，即，在时钟信号的不同相位之间选择。选择器58在这四个相位之间顺序切换，其将混频器级200和检测器的混频器29的输入节点42与节点44、45、46和47上的第二至第五时钟信号顺序连接。在这些位置中的每一个位置，选择器58可以保持连接例如大约1ms的松弛时间。
缓冲器50驱动光源49，光源49将其光51发射到场景55上，优选地，聚焦在兴趣区域上。反射该光的一部分，从而生成反射光52。然后，该反射光52到达光学聚焦系统，例如，透镜56，通过该光学聚焦系统，在像素31内的检测器28上成像或聚焦，其中，入射部分称为反射调制光(ML)27。
都来自不用于TOF测量的次级光源30的间接光53和直接光54也将出现在场景中，撞击到光学聚焦系统56上，并因此聚焦在检测器28上。进入检测器28的该光的部分将称为背景光(BL)26。生成BL的光源30包括白炽灯、TL灯、太阳光、日光或场景中存在的并且不从光源49发出用于TOF测量的任何其他光。本发明的目的是获得有效的TOF测量，即使存在来自BL 26的信号。
ML 27和BL 26撞击到光电检测器28上，并分别生成ML电流和BL电流，作为对撞击BL 26和ML 27的光感应电流响应。检测器28将这些电流输出到后续混合装置，例如，混频器29，用于将对撞击BL 26和ML 27的电流响应与输入节点42上的相移时钟信号混合。如前所述，该BL 26可以感应比为了TOF测量而接收的ML 27感应的ML电流高6个数量级的BL电流。
形成检测器和混频器级200的检测器28和混频器29也可以被实现为一个单独的装置，例如，如EP1513202A1中所描述的，其中，光生成的电荷混合，立即生成混合产物电流。
检测器和混频器级200将生成对撞击BL 26和ML 27响应的电流与相移时钟信号的混合产物，并且这些信号通过积分器在节点38上积分，例如，通过电容器25实现，电容器25优选地保持小，例如，周围晶体管的寄生电容。在积分期间，执行积分器节点38上混频器输出信号的自动复位。
这可以例如通过比较器33触发复位开关(例如，复位晶体管32)来实现，从而每当节点38上的混频器输出信号达到参考值Vref时就自动复位，从而避免饱和。
在图中未示出的替代实施例中，积分器节点38上的混频器输出信号的自动复位可以以几种其他方式实现。其中一种方式是触发电荷泵，而不是复位开关32，以向电容器25添加固定量的电荷，从而以更复杂为代价来产生更好的噪声性能。
在积分器节点38处，在所示的示例选择器58中，形成混频器输出信号的混合产物以与调制信号改变装置同步的顺序形式可用。输出驱动器24(例如，缓冲器)提供基本上为1的电压增益和电流放大，以便在输出节点23处提供更强的输出信号。
在曲线图59中，示出了节点23处的输出信号的示例。曲线62对应于输出节点23处输出信号的电压演变对时间。假设平均BL贡献26和平均ML 27在采集期间是恒定的。
在第一松弛周期34期间，选择器58连接到节点44。来自检测器28的输入信号(对BL26和ML 27的响应)与节点44处的第二时钟信号混合，该第二时钟信号是驱动光源49的第一时钟信号的0°移位版本。因此，节点38处的混频器输出信号将由BL分离和0°混合ML输出确定。下一个松弛周期35开始于输入节点42通过选择器58连接到节点45。从此，混频器29异相驱动180°。因此，其输出将由相同的BL分离和180°混合输出确定。随后分别在后续松弛周期36和37中类似地处理相位90°和270°。
飞行时间数据重建块39使用输出节点23处的输出信号，例如，通过取样来测量每个松弛周期34、35、36、37的结束值，也称为相位间隔。该数据分组为TOF对，例如，(0°，180°)和(90°，270°)。TOF数据重建块39用于将裸像素信号转换为有用的飞行时间输出40。
图13更详细地示意性描述了可以在实施例的上下文中使用的电子装置1300的实施例。电子装置1300包括作为处理器的CPU 1301。电子装置1300还包括连接到处理器1301的麦克风1310、扬声器1311和触摸屏1312。这些单元1310、1311、1312充当人机接口，并且能够实现在用户和电子装置之间的对话。电子装置1300还包括用于电信通信的接口(例如，UMTS/LTE接口)1304和用于无线LAN的接口(例如，WiFi接口)1305。这些单元1304、1305充当I/O接口，用于与外部装置(例如，伴随装置、服务器或云平台)进行数据通信。电子装置1300还包括图像传感器1320，图像传感器1320被设置成获得压缩的感测图像数据。图像传感器1320可以特别涉及飞行时间相机技术。电子装置1300还包括驱动电路1321，以驱动光源1322，例如，用于利用至少一个预定脉冲频率进行测距。电子装置1300还包括数据存储器1302(例如，硬盘驱动器、固态驱动器或SD卡)和数据内存1303(例如，RAM)。数据内存1303被设置成临时存储或高速缓存数据或计算机指令，以供处理器1301处理。数据存储器1302被设置为长期存储器，例如，用于记录从图像传感器1320获得的图像传感器数据。
应当注意，以上描述仅仅是示例性配置。替代配置可以用额外或其他传感器、存储装置、界面等来实现。例如，在替代实施例中，UMTS/LTE接口1304、WiFi接口1305、麦克风1310、触摸屏1312和/或扬声器1311可以省略或由其他单元代替。类似地，触摸屏1312可以例如由不是触敏的显示装置代替。
注意，也可以如下所述配置本技术。
(1)一种解调器，包括：
-钉扎光电二极管，被配置为响应于入射调制信号生成多数载流子和少数载流子；
-至少一个存储节点，被配置为存储由钉扎光电二极管生成的少数载流子；
-至少一个传输栅极，其连接在存储节点和钉扎光电二极管之间，并被设置为由传输信号驱动，用于将钉扎光电二极管生成的少数载流子传输到存储节点；
所述钉扎光电二极管包括：
-外延半导体层，其用第一导电类型的第一掺杂剂(p，n)掺杂；
-半导体区，其用与第一导电类型相反的第二导电类型的第二掺杂剂(n，p)掺杂，形成在外延半导体层内；和
-钉扎层，其用第一导电类型的第三掺杂剂(p+，n+)高度掺杂，形成在半导体区的顶部，所述钉扎层分成由电绝缘元件隔开的至少两个单独区域，每个区域被设置成由相应的偏置信号独立偏置，以在半导体区内产生电势梯度。
(2)根据(1)所述的解调器，其中，所述电绝缘元件包括浅沟槽隔离。
(3)根据(1)或(2)所述的解调器，其中，所述偏置信号中的至少一个是解调信号。
(4)根据(3)所述的解调器，其中，所述传输信号是直流信号或所述解调信号。
(5)根据(1)至(4)中任一项所述的解调器，其中，所述解调器不包括传输栅极，并且其中，所述至少一个存储节点直接连接到所述钉扎光电二极管。
(6)根据(1)至(5)中任一项所述的解调器，其中，所述半导体区是第一阱。
(7)根据(1)至(6)中任一项所述的解调器，其中，在所述半导体区与所述外延半导体层的界面处形成下结和基本垂直于所述下结的至少一个横向结，并且其中，所述解调器还包括生成单元，所述生成单元被配置为在所述横向结处生成少数载流子和多数载流子，并且用于形成横向光电二极管。
(8)根据(7)所述的解调器，其中，所述生成单元包括形成在所述外延半导体层内的第一导电类型(p，n)的至少一个第二阱，并且其中，所述至少一个传输栅极和存储节点形成在所述至少第二阱内，所述第二阱接触所述半导体区。
(9)根据(8)所述的解调器，其中，所述外延半导体层的掺杂和所述第二阱的掺杂适于形成在所述外延半导体层内横向延伸的至少一个耗尽区。
(10)根据(7)至(9)中任一项所述的解调器，其中，所述半导体层包括边界，并且其中，所述解调器还包括掺杂有形成在所述半导体层的顶部的第一导电类型的第四掺杂剂(p+，n+)的半导体离子注入，沿着所述边界设置所述半导体离子注入，用于形成横向PIN光电二极管。
(11)根据(9)或(10)所述的解调器，其中，所述半导体区和所述钉扎层横向延伸，以增大所述耗尽区的表面。
(12)根据(11)所述的解调器，其中，所述半导体区和钉扎层形成从所述钉扎层的中心区域朝向所述边界横向延伸并向外逐渐变细的多个触角。
(13)根据(1)至(12)中任一项所述的解调器，用于飞行时间应用中。
(14)一种用于操作根据(1)至(4)和(6)至(13)中任一项所述的解调器的方法，包括以下步骤：
-将钉扎层的每个单独区域与传输栅极相关联；
-用解调信号驱动钉扎层的至少一个单独区域；并且
-用直流信号和所述解调信号中的一个驱动相关联的传输栅极。
(15)根据(14)所述的用于飞行时间应用的方法，其中，所述解调器包括两个单独区域和两个传输栅极，所述方法包括以下步骤：
-用第一解调信号驱动单独区域和传输栅极的第一关联；
-用第二解调信号驱动另一单独区域和另一传输栅极的第二关联，所述第二解调信号与所述第一解调信号反相。

Claims (15)

1.一种解调器，包括：
-钉扎光电二极管，被配置为响应于入射调制信号生成多数载流子和少数载流子；
-至少一个存储节点，被配置为存储由所述钉扎光电二极管生成的所述少数载流子；
-至少一个传输栅极，连接在所述存储节点和所述钉扎光电二极管之间，并且所述传输栅极被设置为由传输信号驱动，用于将所述钉扎光电二极管生成的所述少数载流子传输到所述存储节点；
所述钉扎光电二极管包括：
-外延半导体层，以第一导电类型的第一掺杂剂(p，n)掺杂；
-半导体区，以与所述第一导电类型相反的第二导电类型的第二掺杂剂(n，p)掺杂，所述半导体区形成在所述外延半导体层内；和
-钉扎层，以所述第一导电类型的第三掺杂剂(p+，n+)高度掺杂，所述钉扎层形成在所述半导体区的顶部，
所述钉扎层分成由电绝缘元件隔开的至少两个单独区域，每个所述区域被设置成由相应的偏置信号独立偏置，以在所述半导体区内产生电势梯度。
2.根据权利要求1所述的解调器，其中，所述电绝缘元件包括浅沟槽隔离。
3.根据权利要求1或2所述的解调器，其中，所述偏置信号中的至少一者是解调信号。
4.根据权利要求3所述的解调器，其中，所述传输信号是直流信号或所述解调信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的解调器，其中，所述解调器不包括传输栅极，并且其中，至少一个所述存储节点直接连接到所述钉扎光电二极管。
6.根据前述权利要求中任一项所述的解调器，其中，所述半导体区是第一阱。
7.根据前述权利要求中任一项所述的解调器，其中，在所述半导体区与所述外延半导体层的界面处形成下结和基本上垂直于所述下结的至少一个横向结，并且其中，所述解调器还包括生成单元，所述生成单元被配置为在所述横向结处生成少数载流子和多数载流子，并且所述生成单元用于形成横向光电二极管。
8.根据权利要求7所述的解调器，其中，所述生成单元包括形成在所述外延半导体层内的所述第一导电类型(p，n)的至少一个第二阱，并且其中，所述至少一个传输栅极和所述存储节点形成在所述至少第二阱内，所述第二阱接触所述半导体区。
9.根据权利要求8所述的解调器，其中，所述外延半导体层的掺杂和所述第二阱的掺杂适于形成在所述外延半导体层内横向延伸的至少一个耗尽区。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的解调器，其中，所述半导体层包括边界，并且其中，所述解调器还包括形成在所述半导体层的顶部的掺杂有所述第一导电类型的第四掺杂剂(p+，n+)的半导体离子注入，沿着所述边界设置所述半导体离子注入，用于形成横向PIN光电二极管。
11.根据权利要求9或10所述的解调器，其中，所述半导体区和所述钉扎层横向延伸，以增大耗尽区的表面。
12.根据权利要求11所述的解调器，其中，所述半导体区和钉扎层形成从所述钉扎层的中心区域朝向边界横向延伸并向外逐渐变细的多个触角。
13.根据任何前述权利要求中任一项所述的解调器，用于飞行时间应用中。
14.一种用于操作根据权利要求1-4和6-13中任一项所述的解调器的方法，包括以下步骤：
-将所述钉扎层的每个单独区域与传输栅极相关联；
-用解调信号驱动所述钉扎层的至少一个所述单独区域；并且
-用直流信号和所述解调信号中的一者驱动相关联的所述传输栅极。
15.根据权利要求14所述的方法，用于飞行时间应用，其中，所述解调器包括两个单独区域和两个传输栅极，所述方法包括以下步骤：
-用第一解调信号驱动单独区域和传输栅极的第一关联；
-用第二解调信号驱动另一单独区域和另一传输栅极的第二关联，所述第二解调信号与所述第一解调信号反相。
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