CN110729315B - 像素架构和图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种像素架构包括：被配置成响应于入射光来生成电荷的吸收层(112)；半导体电荷传输层(118)，该半导体电荷传输层(118)被配置成传输所生成的电荷穿过电荷传输层(118)，其中一个或多个掺杂区域(122)被布置在电荷传输层(118)中，其中所述电荷传输层包括偏置区域(121)以及与该偏置区域(121)相关联的电荷分配区域(120)；连接到偏置区域(121)并向偏置区域(121)提供可选择的偏置电压的电连接(132)；以及至少一个转移栅极(124、126)，其中掺杂区域(122)和偏置区域(121)被不同地偏置以用于将所生成的电荷的传输朝向电荷分配区域(120)驱动，以及用于与至少一个转移栅极(124、126)一起控制电荷从电荷分配区域(120)到电荷节点(128、130)的转移。

Description

像素架构和图像传感器
技术领域
本发明概念涉及用于入射光检测的像素架构和包括像素阵列的图像传感器。特别地，本发明概念涉及可适用于高速成像的像素架构和图像传感器，其中电荷在像素架构内的快速转移是重要的。
背景
在一些成像应用中，重要的是在非常短的时间段内获取信息。例如，这可能对高速事件的成像很重要，其可例如被用于荧光显微镜中以检测诱导荧光的定时。
在深度或距离感测应用中，也需要以非常快的方式获取信息。此类应用可利用飞行时间(TOF)，即通过确定图像传感器何时接收到由对象反射的光脉冲的时间点，可确定到对象的距离。TOF应用可利用具有非常锐利边缘的光脉冲。光脉冲或光脉冲的边缘可具有非常短的持续时间，诸如纳秒级或甚至更短，这意味着可获得高分辨率的深度或距离感测。
对于TOF应用，可提供一系列光脉冲。对信息进行获取可以与光脉冲序列同步，使得由脉冲生成的电荷被累积，从而可在序列中的多个光脉冲上对信息执行整合，即所谓的锁定感测。这可实现TOF感测的改善的信噪比。
然而，为了能够以非常快的方式获取图像信息(例如TOF应用所需要的)，图像传感器需要具有可以以非常快的方式在像素内转移电荷的像素，以便获取信息并快速使像素准备好感测新信息。
在US 2011/0187908中，公开了一种高速电荷转移光电二极管，包括作为电荷生成区域的第一导电型半导体层；和作为由所述电荷生成区域生成的电荷的电荷转移区域的第二导电型表面埋置(surface-buried)区域，其中沿平行于半导体层的表面的平面提供的表面埋置区域中的指定方向被指定为电荷的电荷转移方向，并且在与电荷转移方向正交的方向上测得的表面埋置区域的宽度的变化和沿电荷转移方向测得的表面埋置区域的杂质浓度分布的变化中的至少一者被确定使得电荷转移方向上的电场分布是恒定的。
然而，US 2011/0187908的结构要求精确控制表面埋置区域的宽度或表面埋置区域的杂质浓度分布的变化以实现恒定的电场分布，这就对生产结构的制造过程施加了精确的控制要求。此外，可被诱导以驱动对电荷进行传输的电场的强度是有限的，因此在电荷收集区域中收集电荷的速度是有限的。
概述
本发明概念的目标是提供一种像素架构，该像素架构能够在像素内快速转移电荷以便于高速成像。本发明概念的特定目标是提供一种像素架构，其中能够对电荷转移实现动态控制。
本发明构思的这一目标和其他目标至少部分地由如独立权利要求中所限定的本发明来满足。在从属权利要求中阐述了优选实施例。
根据第一方面，提供了一种用于入射光检测的像素架构；所述像素架构包括：被配置成在第一平面中延伸的吸收层，该吸收层被配置成用于背侧照明，并被配置成响应于该吸收层的界面上的入射光而生成电荷并在垂直于第一平面的方向上传输电荷；具有电荷分配区域和电荷节点的半导体电荷传输层；该电荷传输层被布置成在与第一平面平行的第二平面中延伸，电荷传输层被配置成从吸收层接收所生成的电荷并传输所生成的电荷穿过电荷传输层，其中一个或多个掺杂区域被布置在电荷传输层中，其中所述电荷传输层进一步包括偏置区域，并且其中在与电荷传输层的第二平面平行的横向方向上形成专用区域的电荷分配区域与偏置区域相关联；连接到偏置区域以便向偏置区域提供可选择的偏置电压的电连接；以及在横向方向上与毗邻电荷分配区域的区块相关联的至少一个转移栅极；以及其中掺杂区域和偏置区域相对于电荷传输层的大块基板具有不同的掺杂，并且其中掺杂区域和偏置区域被不同地偏置以用于将所生成的电荷的传输朝向电荷分配区域驱动，并用于与至少一个转移栅极一起控制电荷在横向方向上从电荷分配区域到电荷节点的转移。
本发明概念的像素架构基于像素的背侧照明。这意味着(例如，将像素连接到图像传感器的读出结构的)布线层可被设置在像素的与光入射在像素上的一侧相对的一侧上。这意味着入射在像素上的光不需要行进穿过布线层，并且布线层中的光损失可被避免。在高速成像应用中使用背侧照明可能是特别有利的，因为入射在像素上的光量可能会由于短整合时间而非常低。
这意味着像素架构中的电荷转移可能需要在垂直方向和横向方向两者上被提供。在垂直方向和横向方向两者上的电荷转移在电荷分配区域内提供对电荷的收集，其中，电荷穿过电荷传输层从面向光入射的像素侧的界面被转移到面向图像传感器布线层连接侧的相对界面，以便在电荷分配区域形成的专用区域中被收集。然后，电荷在横向方向上被进一步从电荷分配区域转移到(诸)电荷节点，(诸)电荷节点可包括至少一个电荷存储节点，用于控制期望的节点中的电荷收集以便从像素架构中读出信息。
由于一个或多个掺杂区域(其也可以是偏置的)被布置在电荷传输层中，可在该电荷传输层中提供电势变化以驱动该电荷传输层中的电荷移动。因此，使用掺杂区域可确保提供：朝向电荷分配区域的及随后从电荷分配区域朝向电荷节点(例如电荷存储节点)的高速电荷转移。
电荷传输层可掺杂有第一电荷载流子类型，而掺杂区域可掺杂有第二电荷载流子类型。这可有利地用于掺杂区域以定义电荷传输层内的电势，以便将电荷朝向电荷分配区域并随后朝向(诸)电荷节点驱动。
各掺杂区域相对于电荷传输层的大块基板可具有不同的掺杂。偏置区域相对于电荷传输层的大块基板可具有不同的掺杂。而且，掺杂区域和偏置区域可具有不同的掺杂。然而，在一些实施例中，掺杂区域和偏置区域可具有相对应的掺杂。
吸收层和半导体电荷传输层可以是一体的，并且可由相同的材料(例如Si)形成。同一层可因此用作吸收层和电荷传输层两者。相对较厚(例如30-50μm)的层将使光在大厚度的材料中被吸收，这有利于实现入射光子的高吸收率。然而，本发明概念不限于任何厚度的吸收层和/或电荷传输层，并且这些层可以比所指示的间隔更薄或更厚。
当然应该认识到，吸收层和半导体电荷传输层可以是两个不同的层，例如由同一材料形成、具有不同的掺杂浓度或掺杂有不同的导电类型、或者由两种不同的材料形成。
由于连接到偏置区域的电连接，根据本发明概念的像素架构可确保在毗邻偏置区域的区域中在电荷传输层内部诱导电势阱。此电势阱形成电荷分配区域，所生成的电荷可被转移到该电荷分配区域以便在其中被收集。偏置电压可因此用于驱动由入射光生成的电荷，使得电荷将在电荷分配区域中非常快速地被收集。提供给偏置区域的偏置电压可被设置，以便与提供给像素的其他节点的偏置以及与像素中的掺杂区域相互作用，使得在电荷分配区域处形成期望的电势阱。
因此，根据本发明概念，与偏置区域相关联的电荷分配区域可确保所生成的电荷朝向电荷分配区域的极快转移。
偏置电压可进一步被设置，以便与偏置区域和掺杂区域的掺杂一起，促进将电荷从电荷分配区域朝向电荷节点(诸如电荷存储节点)以横向方向驱动。偏置电压可因此确保电荷可朝向转移栅极被驱动，从而可获得电荷从电荷分配区域到与转移栅极相关联的电荷节点的高速横向位移。此外，由于偏置电压将电荷朝向转移栅极驱动，电荷在电荷分配区域内被捕获(并因此影响随后的检测光周期)的风险可能会降低。
根据本发明概念的像素架构可因此在像素的垂直方向和横向方向两者上提供对电荷的快速转移。这意味着此像素架构适用于高速成像应用。例如，此像素架构可被用于TOF应用，例如，如TOF应用中的锁定像素。但是，应该认识到此像素架构也可替换地在其他类型的高速成像应用中适当地被使用。
由于电连接被提供给与电荷分配区域相关联的偏置区域，所以偏置电压可被动态选择并随时间改变(例如，相对于何时期望将电荷从电荷分配区域转移到电荷节点)。
掺杂区域也可被偏置，并且掺杂区域可以与偏置区域不同地偏置。掺杂区域也可被提供可选择的偏置电压。然而，在一个实施例中，掺杂区域被连接到接地。
偏置区域的偏置电压可被设置成仅将一种导电类型的电荷朝向转移栅极驱动。优选地但非必要地，可设置偏置电压以将电子朝向转移栅极驱动，因为由于电子的质量小，电子可比空穴转移得更快。
电荷分配区域可形成专用区域，该专用区域在横向方向上居中地布置在像素中。这意味着电荷可被传输向中心区域，这可有利于将电荷从吸收层的整个横向延伸区域快速地转移到电荷分配区域。
然而，应该认识到，电荷分配区域可替换地以不同的横向位置被布置，例如基于其他布局考虑，诸如以便将像素连接到控制线。
电荷节点可被用于从像素架构读出信息。电荷节点可因此是存储器节点，其可将转移到其上的电荷存储一段时间，直到接收到控制信号才读出与存储在该存储器节点中的电荷量相对应的值。
替换地，电荷节点可被用于转储电荷以便使像素准备好检测新信息。因此，电荷节点可以是漏极节点。
作为另一替换方案，电荷节点可以是附加的收集节点(除了电荷分配区域之外)，其可被用于在像素内进一步转移电荷。
还应该认识到，像素架构可包括与电荷分配区域相关联的一个或多个类型的多个电荷节点。
掺杂区域可被形成为电荷传输层中的植入。因此，在一个实施例中，掺杂区域可相对于电荷传输层的大块基板形成植入区域。然而，可以以任何方式形成掺杂区域以产生具有与电荷传输层不同的掺杂的区域。
根据一个实施例，偏置区域可被布置在电荷传输层背离吸收层的表面处。此外，电荷分配区域可以与偏置区域相关联，并且偏置区域可被布置在电荷分配区域和电荷传输层的表面之间。这意味着电荷分配区域可形成在电荷传输层表面附近，但在与所述表面相关的偏置区域之下。因此，可在靠近将从中读出来自像素的信号的表面的电荷分配区域中收集电荷，使得电荷可随后从电荷分配区域横向地移动到电荷存储节点用于信号读取。
根据一个实施例，偏置区域在电荷传输层中由掺杂植入形成，其中偏置区域用与掺杂区域相同的电荷载流子类型掺杂，并且偏置区域的掺杂浓度高于掺杂区域的掺杂浓度。
由于偏置区域在电荷传输层中被形成为掺杂植入，偏置区域可在电荷传输层内限定电势以促进电荷收集，如通过施加到偏置区域的偏置电压进一步设置的。
偏置区域被掺杂有与掺杂区域相同的电荷载流子类型并且具有更高的掺杂浓度，其中施加到偏置区域的偏置连同施加到掺杂区域的电压以及(诸)转移栅极上的偏置在电荷传输层中定义电势阱以形成电荷分配区域，使得电荷朝向电荷分配区域被驱动以便在其中被收集。
根据一个实施例，电荷传输层的大块基板可形成n型区域，掺杂区域可形成p型区域，电荷分布区域可形成n型区域，而偏置区域可形成p+型区域。此外，电荷存储节点可在植入区域内形成n+型区域。
但是，应该认识到，替换地，电荷传输层的大块基板可形成p型区域，掺杂区域可形成n型区域，电荷分布区域可形成p型区域，而偏置区域可形成n+型区域。
根据一个实施例，吸收层的大块基板形成耗尽区域。
这意味着像素可以提供厚的耗尽基板，该基板提供用于检测光的大列，并同时提供用于高速将电荷朝向电荷分配区域驱动的电场。
根据一个实施例，多个掺杂区域相对于电荷分配区域的横向延伸被布置在与电荷传输层相对的两侧上，其中电荷分配区相对的两侧上的掺杂区域之间的距离越靠近电荷传输层的背离吸收层的表面就越小，使得掺杂区域在电荷传输层中形成台阶型结构。
这意味着越靠近电荷传输层布置电荷分配区域的表面，掺杂区域和电荷分配区域之间的横向距离就越小。这意味着在靠近电荷分配区域的垂直位置处，掺杂区域进一步将电荷朝向电荷分配区域的横向位置驱动。这导致电荷朝向专用区域的期望横向位置聚焦，并且在电荷传输层的横向和垂直方向两者上将电荷朝向电荷分配区域驱动。而且，靠近电荷传输层表面的掺杂区域可有助于将电荷以横向方向从电荷分配区域朝向(诸)电荷节点驱动。
根据一个实施例，像素架构进一步包括在专用区域中的多个偏置区域和多个电连接，所述多个电连接用于单独地连接到偏置区域中的每一者以便为偏置区域中的每一者提供可选择的偏置，其中至少一个转移栅极与在专用区域的边缘处毗邻偏置区域的区块相关联。
这意味着可在专用区域中形成多个子节点(由多个偏置区域形成)。由于子节点被单独连接到电连接，可提供经改进的控制以在与不同子节点相关联的电荷分配区域的各部分之间转移电荷，并且在由转移栅极控制的情况下向电荷节点转移电荷。
根据一个实施例，多个偏置区域中的每一者都由电荷传输层中的单独掺杂植入形成。
这意味着每个植入的掺杂都可被单独地设置。这可能是有用的，以便提供在与不同子节点相关联的电荷分配区域的各部分之间以及到电荷节点的期望的电荷转移。
根据一个实施例，相邻偏置区域之间的各区块被连接到外部结构以便在专用区域中形成电场。
外部结构可向相邻偏置区域之间的各区块提供偏置电压。此外，可向不同相邻偏置区域对之间的各不同区块提供不同的偏置电压。这意味着，可通过外部结构在专用区域中形成电场并对专用区域中的电场进行动态控制，以进一步控制与不同子节点相关联的电荷分配区域各部分之间以及到电荷节点的电荷转移。
在一个实施例中，像素架构进一步包括多个转移栅极，该多个转移栅极中的每一者都与在横向方向上毗邻偏置区域的不同区块相关联，并且都与不同电荷节点相关联，用于控制电荷在横向方向上从电荷分配区域转移到电荷节点。
这意味着电荷分配区域中的电荷，因为由多个转移栅极所控制，可选择性地转移到不同的电荷节点。因此，不同的电荷节点可以向像素提供不同的功能。
例如，当希望重置像素以读取新信息时，第一电荷节点可被用作漏极节点，而第二电荷节点可被用作存储器节点以存储在整合时段期间经整合的电荷。
在另一实施例中，两个电荷节点被用作单独的存储器节点。这可用于存储在不同整合时段期间在不同电荷节点中整合的电荷，这例如在TOF应用中可能是有用的，其中在与光脉冲相关的第一时间段期间积累的电荷被存储在第一存储器节点中而在与光脉冲相关的第二时间段期间积累的电荷被存储在第二存储器节点中。
根据一个实施例，吸收层由与电荷传输层不同的材料形成。
吸收层可因此由对于待检测的光波长具有高吸收的材料形成，这可能会提高像素的灵敏度。
例如，Ge可被用于吸收层。针对近红外波长，Ge可提供比Si更高的吸收系数。
根据一个实施例，像素架构进一步包括电透镜，该电透镜在电荷传输层中形成电场以便在电荷传输层中将所生成的电荷的传输朝向电荷分配区域以横向方向驱动。
这可进一步改善在电荷传输层中朝向电荷分配区域的电荷转移，并因此可改善电荷转移的速度。
根据一个实施例，像素架构进一步包括集成光学微透镜，该集成光学微透镜被布置在吸收层的前面，并被配置成接收入射光并将光朝向吸收层的中心聚焦。
由于光学微透镜将光朝向吸收层的中心聚焦，吸收层中心的光吸收增加，这也意味着电荷主要被生成在吸收层的中心。当它在横向方向上被布置在中心位置时，这改善朝向专用区域的电荷转移的速度。
朝向吸收层中心聚焦的光应被解释为光在第一平面的横向方向上偏离，使得光的强度在朝向中心横向位置的横向方向上增加。
光学微透镜被布置在吸收层的前面应被解释为光学微透镜相对于接收入射光的方向而言被布置在吸收层的前面。这意味着朝向像素架构入射的光在到达吸收层之前到达光学微透镜。光学微透镜可被布置在被布置成接收入射光的吸收层的界面上。
根据一个实施例，像素架构进一步包括集成法布里-珀罗(Fabry-Pérot)滤光器，该集成法布里-珀罗滤光器被配置成选择性地使一波长范围的入射光通过以到达吸收层。
这意味着到达吸收层的光波长范围可由法布里-珀罗滤光器控制。当用像素架构执行光测量时，这可例如被用于滤除不期望的光。根据一个示例，在荧光应用中，仅荧光波长可通过法布里-珀罗滤光器，使得可以滤除例如激发光。根据另一示例，在TOF应用中，可以滤除除了脉冲光的发射波长之外的波长。
使用与像素集成的法布里-珀罗滤光器还可暗示像素阵列中的不同像素可以与不同的滤光器相关联，使得可在阵列的不同部分中检测不同的波长。这对于使用光谱分辨率进行成像可能是有用的。
根据第二方面，提供一种图像传感器，包括：像素的阵列，每个像素都具有根据第一方面的像素架构；以及被配置成提供控制信号以便控制每个像素的电荷从电荷分配区域到电荷节点的转移的控制单元。
该第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上文结合第一方面所描述的那些效果和特征。关于第一方面所提及的各实施例在很大程度上与第二方面相兼容。
在像素阵列中使用根据本发明概念的像素架构的图像传感器可因此在像素的垂直方向和横向方向两者上提供对电荷的快速转移。这意味着此图像传感器适用于高速成像应用。
控制单元可被用于控制每个像素的电荷从电荷分配区域到电荷节点的定时，以便使用像素阵列控制成像。
根据一个实施例，每个像素被配置成接收来自经目标样本反射的脉冲光的入射光以生成电荷，其中每个像素包括分别与第一电荷节点和第二电荷节点相关联的第一转移栅极和第二转移栅极，并且其中控制单元被配置成分别用脉冲光将电荷向着第一转移栅极和第二转移栅极的转移进行同步，使得第一电荷节点中的电荷与第二电荷节点中的电荷的比率形成距目标样本的距离的测量。
这意味着图像传感器可被用于TOF应用。与发出光脉冲的时间有关的第一和第二电荷节点中的电荷的比率可被用于确定图像传感器和目标样本之间的距离。
还应该认识到，在一个实施例中，两个电荷节点中的一者可简单地形成为电荷可被转储于其上的漏极节点。因此，可基于对由接收到的反射脉冲生成的总电荷量作出假设来确定距目标的距离的测量。因此，可以使用一个存储节点中的电荷量来确定距离的测量，因为从单个存储节点获得的测量可以反映存储节点中的电荷与转储到漏极节点中的电荷(这可基于对将由接收到的反射脉冲生成的总电荷量的假设)的比率。
此外，应该认识到，距目标样本的距离的测量可通过第一电荷节点和第二电荷节点中的电荷量(如检测到的或基于对将被生成的电荷总量的假设)的任何类型的计算来确定，并不必实际计算第一电荷节点中的电荷与第二电荷节点中的电荷的比率。
而且，应该认识到，可使用两个以上的电荷节点来存储在相对于脉冲光的不同时间段期间生成的电荷。
根据一个实施例，控制单元被配置成使用一系列光脉冲将电荷向着第一转移栅极和第二转移栅极的转移进行同步以用于锁定感测。
由于控制单元用一系列光脉冲来使电荷的转移同步，因此可以在像素中对该序列中的多个光脉冲执行电荷积累，从而提供与基于单个光脉冲的测量相比具有改善的信噪比的锁定感测。
根据一个实施例，控制单元被配置成控制像素的复位并从浮动扩散节点读取第一电压电平然后将电荷从电荷节点转移到浮动扩散节点，以及从浮动扩散节点读取第二电压电平以实现相关双采样。
由于偏置电压将电荷朝向转移栅极驱动，电荷在电荷分配区域内被捕获(并因此影响随后的检测光周期)的风险可能会降低。因此，当像素被重置时，电荷分配区域可被完全耗尽。这意味着，从像素读出信息时的任何噪声都可能源自电荷节点中的电荷经由浮动扩散节点到电压信号的转换。这种噪声可通过相关双采样，通过从电荷节点读出噪声水平来补偿。因此，图像传感器可用于确保读出信号中的噪声水平非常低，这使得能够获取具有非常高的信噪比的图像。
附图的简要说明
参考附图，通过以下解说性和非限制性详细描述，将更好地理解本发明概念的以上以及附加目标、特征和优点。在附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记将被用于相同的元件。
图1是图像传感器的示意图。
图2是由图像传感器执行飞行时间感测的控制信号的示意图。
图3是根据第一实施例的图像传感器的像素的像素架构的示意性剖视图。
图4是根据第二实施例的图像传感器的像素的像素架构的一部分的示意性剖视图。
图5-8是根据例示像素架构的可选特征的第一实施例的图像传感器的像素的像素架构的示意性剖视图。
具体实施方式
对光飞行时间(TOF)的检测可被用于确定距目标的距离。TOF传感器系统可因此被配置成以一个或多个光脉冲的形式发射脉冲光并检测脉冲光的反射。由目标反射的脉冲光的到达时间可因此与脉冲光的发射时间相关，以用于确定距目标的距离。TOF传感器系统可以以此方式，例如，被用于提供目标的三维图像。
TOF应用通常需要使用非常短的曝光时间(纳秒或甚至皮秒级)来检测由目标反射的脉冲光，以便能够准确地确定距目标的距离。这意味着在被用于检测入射光的图像传感器的像素中生成的电荷需要在像素内非常快速地转移，以实现精确的TOF感测。
根据本发明概念，提供了一种图像传感器，其中电荷被快速转移，这意味着该图像传感器适用于TOF应用。然而，应该认识到，尽管以下详细描述主要是关于TOF应用提供的，但在图像传感器的像素中的电荷快速转移可替换地被用于其他类型的应用，诸如对非常快速的事件进行成像，例如被用于荧光显微镜中。而且，即使图像传感器适用于高速成像应用，也不必仅在此类类型的应用中使用图像传感器。相反，图像传感器可被用于在其中获取图像信息的速度并不极其重要的其他应用。
图1例示了图像传感器100。图像传感器100包括像素110的阵列，其中像素110被配置成检测入射光。由像素110检测到的光可形成图像元素的信息，使得可使用二维像素110的阵列来获取二维图像。当图像传感器100被用于TOF应用时，每个图像元素可提供距目标的距离的信息，使得图像传感器100可获取目标的三维表示。
每个像素110可被配置成与入射在像素110上的光成比例地生成响应，诸如电荷。因此，像素110可生成对像素110接收到的光的强度的测量。
像素110的阵列可由控制单元150控制，该控制单元150可被配置成向像素110的阵列提供控制信号。控制信号可被用于激活和终止像素110中对入射光的整合，以便设置每个像素110的曝光时间。控制信号可进一步被用于激活从像素110读出信息以便从像素110的阵列读出图像信息。
该读出信息可被转移到一个或多个模数转换器，以便将由像素110接收到的光量的模拟读数转换成数字图像表示。数字图像表示可进一步被提供给图像处理单元，该图像处理单元可以是或可以不是用于进一步处理图像的图像传感器100的一部分。
图像传感器100可进一步包括(诸)布线层。(诸)布线层可包括形成到阵列中的像素110的连接的多个布线。(诸)布线层可至少部分地被布置在与像素110的阵列平行的平面中。布线可被用于将控制信号转移到像素110并用于从像素110读出检测到的光的信息。
控制单元150可被配置成提供用于执行TOF感测的控制信号。控制单元150可因此与用于控制脉冲光的发射的控制器同步。替换地，控制单元150可被连接到光源，使得控制单元150还控制来自光源的脉冲光的输出。
控制单元150可以用硬件或软件和硬件的任何组合来实现。例如，控制单元150可包括中央处理单元(CPU)，中央处理单元(CPU)包括用于在通用处理器中提供控制单元150的功能的软件。替换地，控制单元150可被实现为被布置在图像传感器100的嵌入式系统中的固件。作为另一替换方案，控制单元150可被实现为用于提供特定逻辑操作的专用电路系统。因此，控制单元150可例如以专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)或现场可编程门阵列(FPGA)的形式被提供。
如图2所例示的，光源发出脉冲光。脉冲光在时间段T0期间被发射。脉冲光将被目标反射，并且反射光被图像传感器100接收和检测。
控制单元150可经由控制信号TX1控制每个像素110以便在第一曝光时间期间对光进行整合。第一曝光时间T1与脉冲光的发射具有明确的关系。控制单元150可进一步经由控制信号TX2控制每个像素110以便在第一曝光时间之后的第二曝光时间期间对光进行整合。
如图2所例示的，可设置第一曝光时间和第二曝光时间，使得部分反射光脉冲在第一曝光时间期间被像素110接收，而部分反射光脉冲在第二曝光时间期间被像素110接收。在第一曝光时间期间接收到的光与在第二曝光时间期间接收到的光之间的关系可形成对距目标的距离的测量。
因此，控制单元150可控制像素110以存储对应于第一曝光时间和第二曝光时间的对两个检测到的光的测量。通过读出这两个测量结果，距目标的距离可被确定。距目标的距离D可被计算为：
D＝c*T0/2*(S1/(S1+S2)),
其中c是光速，S1是在第一曝光时间期间检测到的光量，S2是在第二曝光时间期间检测到的光量。该距离的计算依赖于在时间段T0期间具有恒定强度的脉冲光。
应该认识到，如果目标的反射响应是已知或可估计的，则距离可以仅根据每个像素110检测到的单个测量结果来确定。在此情况下，可将在曝光时间期间检测到的光量与反射光脉冲中可用的总光量进行比较。
如本领域技术人员将理解的，存在许多执行TOF测量的其他方式。例如，可使用具有多于两个存储节点(和相关联的转移栅极)的像素110，其中采用所生成的电荷形式的入射光的测量可被提供。替换地或附加地，可以获取多个帧，其中不同的定时设置可被用于不同的帧。
如图2中进一步所例示的，可以发射一系列光脉冲。第一和第二曝光时间可能与序列中的每个光脉冲具有相同的关系。这意味着在一系列第一曝光时间中检测到的光量可在每个像素110内被累积，并且在一系列第二曝光时间中检测到的光量可在每个像素110内被累积。因此，每个像素110可执行锁定感测，以便改善用于确定距目标的距离的信噪比，并从而改善确定距离的准确度。
在TOF感测中，很重要的一点是，在一时间段期间由像素110上的入射光生成的电荷可在此时间段期间被精确地测得。因此，每个像素110可能需要能够非常快速地在像素110内转移电荷。如下文将进一步解释的，像素110的像素架构被设计成允许在像素110内快速转移电荷。
控制单元150可进一步被配置成控制像素110，以便能够进行相关双采样CDS。这可以与上文描述的TOF感测相组合。然而，CDS感测可替换地与图像传感器100所执行的任何图像获取一起使用。
因此，控制单元150可被配置成确保读出噪声水平信号以及测量信号，使得可从测量信号中减去噪声水平信号以移除读出噪声。这意味着可以提供非常高的信噪比。
具体而言，如下文将进一步解释的，像素110可确保电荷不在所生成的电荷首先被收集于其中的电荷分配区域或在电荷分配区域与从其读取测量信号的存储节点之间的区域中被捕获，这意味着像素110将不会因捕获电荷而增加噪声。因此，当像素110中的电荷被转换为电压信号时，可在从像素110读出信号时，创建从像素110读出信号的噪声水平。此噪声可由控制单元150通过提供复位信号以移除像素110中的电荷并随后读出噪声水平信号来补偿，经读出的噪声水平信号可被用于补偿读出时所产生的噪声。
现在参考图3，将描述用于阵列中的像素110的根据第一实施例的像素架构。
像素110可被配置成用于背侧照明。这意味着光可在入射在像素110A侧上，A侧与像素110的B侧相对，其中图像传感器100(诸)布线层到电路系统的连接被提供。
这意味着入射在像素110上的光将不需要穿过(诸)布线层，这意味着在(诸)布线层中不会发生光损失。
如本领域技术人员所知，用于背侧照明的图像传感器100可例如通过在基板上形成连接到像素110的电路系统然后通过打磨基板以便从背侧暴露像素110来生产。
像素110可包括吸收层112。吸收层112可被配置成接收穿过背侧A入射在像素110上的光。吸收层112可限定像素110的表面，但被偏置供应层114所覆盖。偏置供应层114可跨图像传感器110的背侧提供恒定偏置的平面，这可确保吸收层112被耗尽以促进电荷在吸收层112中的生成和转移。
吸收层112可被配置成吸收入射光，以便响应于吸收光而形成光子生成的电荷。吸收层112可因此由吸收所期望的光波长的光的材料形成。例如，吸收层112可由Si形成。
为了增加像素110的灵敏度，吸收层112可以是厚的，以确保高百分比的入射光将在吸收层112中被吸收。例如，吸收层112可以具有30-50μm的厚度。然而，应该认识到吸收层的厚度可以比所指示的间隔更薄或更厚。
由于吸收光而生成的电荷被转移穿过像素110，以便被收集并且能够读出表示像素110上的入射光量的信号。
像素110可因此包括半导体电荷传输层118。电荷传输层118可被配置成朝向电荷分配区域120转移电荷。
偏置区域121在电荷传输层118中可被形成在像素110的B侧(与光入射的A侧相对)的电荷传输层118的表面处。
偏置区域121可进一步提供有偏置电压，该偏置电压与施加到像素中的各个节点/区域的电压一起，诱导在毗邻偏置区域121的区域中的电荷传输层118内形成电势阱。此电势阱形成电荷分配区域120，通过吸收光而生成的电荷可被转移到该电荷分配区域120以便在其中被收集。偏置电压可因此用于驱动由入射光生成的电荷，使得电荷将在电荷分配区域120中非常快速地被收集。
电荷传输层118可由半导体材料形成，该电荷传输层118可能被耗尽。这可能意味着从吸收层112进入电荷传输层118的光子生成的电荷可借助于由偏置区域121和其他节点限定的电势阱朝向电荷分配区域120被驱动，诸如掺杂区域和转移栅极，如下文将描述的。
电荷传输层118可以与吸收层112成为一体，并且可由相同的材料形成，其中吸收层112和电荷传输层118被耗尽。根据实施例，吸收层112和电荷传输层118可用Si形成，其中吸收层形成p型区域，而电荷传输层118形成n型区域。
像素110可进一步包括在电荷传输层118中的一个或多个掺杂区域122。掺杂区域122可被掺杂以限定在电荷传输层118中以横向方向将电荷朝向电荷分配区域120驱动的电势。掺杂区域122可被形成为电荷传输层118中的植入，并且术语掺杂区域和植入区域在下文中可互换使用。
如图3所指示的，植入区域122可形成台阶(terrace)型结构，使得在电荷传输层118内的不同深度处，植入区域122具有不同的横向延伸以便形成类似于台阶的结构。此外，台阶型结构可被形成在与电荷分配区域120相对的两侧上，或者完全包围电荷分配区域120。相对的台阶型结构之间可能有一定距离，该距离朝着其中布置有电荷分配区域120的电荷传输层118的表面越来越小。这意味着当电荷接近电荷传输层的表面时，植入区域122可驱动电荷接近电荷分配区域120，使得植入区域122还在穿过电荷传输层118的垂直方向上形成对电荷的驱动，如图3中的箭头C所例示的。
植入区域122可被掺杂有与电荷传输层118不同的电荷载流子类型，例如，以在电荷传输层118内形成p型区域。
偏置区域121可在电荷传输层118的表面处形成掺杂植入。偏置区域121可在电荷传输层内限定电势以便于收集电荷。偏置区域121可以是高度掺杂的植入，以便形成p+区域。这意味着可在毗邻偏置区域121的n型电荷传输层118中形成电势阱，使得电荷可在其中被收集的电荷分配区域120被限定。
具有植入区域122的电荷传输层118的结构可将电荷朝向电荷分配区域120驱动，使得通过在吸收层112中吸收入射光而产生的电荷可快速地穿过电荷传输层118被转移到电荷分配区域120以便在其中被收集。
因此，在曝光时段期间，像素110将生成与入射光量对应的电荷并在电荷分配区域120中收集电荷。
电荷分配区域120可被居中地布置在像素110中。然而，应该认识到，电荷分配区域120可被布置在不同的横向位置处，并且植入区域122的结构可被适配成将电荷驱动到其中布置有电荷分配区域120的横向位置。
如图3所例示的，像素110可进一步包括一个或多个转移栅极，如第一转移栅极124和第二转移栅极126。转移栅极124、126可被布置在偏置区域121和电荷分配区域120的边缘处，并且与毗邻电荷分配区域120的相应区块相关联。在向转移栅极124、126提供控制信号时，被收集在电荷分配区域120中的电荷可穿过与转移栅极124、126相关联的区块被转移到与转移栅极124、126相关联的电荷节点128、130。
像素110进一步包括到偏置区域121的电连接132。这意味着电连接132可被连接到用于向偏置区域121提供偏置电压的电压。
偏置电压可例如经由控制单元150被控制，使得提供给偏置区域121的偏置电压可被动态地改变。
偏置电压可被设置，使得在电荷分配区域120中的电荷在电荷分配区域120中朝向转移栅极124、126被横向地驱动。这意味着通过电连接132提供的偏置电压可加快电荷从电荷分配区域120到电荷节点128、130的转移速度。因此，电荷可快速地被转移到电荷节点128、130，使得像素110适用于高速成像。
偏置区域121可被提供有正偏置电压以便将电子电荷载流子朝向转移栅极124、126驱动。正偏置可因此改善从电荷分配区域120到电荷节点128、130的电荷驱动。
像素110可包括多个电荷节点128、130。在如图3所例示的一个实施例中，像素110可包括用作存储节点的两个电荷节点128、130，电荷从电荷分配区域120被转移到该电荷节点以便提供表示检测到的光量的信号。除了存储节点中的一者之外进一步地，或替代存储节点中的一者，像素110可包括用作漏极节点的电荷节点，电荷被转储到其上，例如以便在曝光时段之前重置像素110。
将电荷驱动到电荷节点128、130可由三个控制信号来控制，第一信号被提供给第一转移栅极124、第二控制信号被提供给第二转移栅极126、而第三控制信号通过电连接132被提供给偏置区域121。控制信号可被设置成选择性地将电荷驱动到电荷存储节点128、130中的一者或漏极电荷节点。
可将一个或两个控制信号设置为大致恒定的DC值，其中(诸)剩余控制信号的电平可控制电荷从电荷分配区域120的转移。例如，可设置控制信号使得电荷在默认情况下被转移到漏极电荷节点，然而例如提供给转移栅极124的第一控制信号的电平可被改变以使得电荷反而转移到电荷存储节点128。然而，可根据期望的电荷转移来改变所有三个控制信号，以便为像素110内的电荷转移提供精确控制。
像素110可包括多个存储器节点，例如两个存储器节点。例如，这可能在TOF应用中是有用的，其中在第一曝光时间期间累积的电荷可被转移到第一存储器节点，而在第二曝光时间期间累积的电荷可被转移到第二存储器节点。
由于除了转移栅极124、126之外还使用电连接132，从电荷分配区域120到各个电荷节点128、130的电荷驱动可被改善。这意味着横向方向上的电荷转移可被增加，并且电荷在电荷分配区域120中被捕获或者从电荷分配区域120被不完全转移的风险可被降低。这还意味着像素110可在从像素110读出的信号中提供低噪声水平。
由电连接132提供给电荷分配区域120的偏置电压可将电子朝向转移栅极124、126驱动。由于电连接132，偏置电压可被动态设置并可例如由控制单元150控制，使得偏置电压可例如根据将电荷朝向不同电荷节点128、130驱动的期望而被切换。
现在参考图4，将描述用于阵列中的像素110的根据第二实施例的像素架构。
在第二实施例中，多个偏置区域121a、121b、121c、121d被提供。每个偏置区域121a-d可被形成在电荷传输层118的表面处。每个偏置区域121a-d可在电荷传输层内限定电势，以形成电荷分配区域120并促进电荷的收集。偏置区域121a-d可被形成为单独的高掺杂植入，以便形成p+区域。因此，植入的掺杂浓度对于每个偏置区域121a-d可能是不同的，或者对于所有偏置区域121a-d可能是类似的。
偏置区域121a-d可一起限定电荷分配区域120，而不同的偏置区域121a-d可然后与电荷分配区域120的不同部分相关联。偏置区域121a-d可因此控制电荷分配区域120内的电势，并可驱动和控制电荷分配区域120内的电荷转移。
每个偏置区域121a-d可以与单独的电连接132a-d相关联，使得可为每个偏置区域121a-d独立地设置偏置电压。
此外，相邻偏置区域121a-d之间的区块可被连接到外部结构134。外部结构134可被连接到偏置电压，以进一步控制电荷分配区域120中的电场。
到偏置区域121a-d的电连接132a-d可被用于增加或减少施加到后续偏置区域121a-d的电压，以便生成用于将电荷分配区域120中的电荷转移到转移栅极124、126的电势。
现在参考图5-8，将描述像素110的附加的可选特征。
在图5中，示出了像素110，其中吸收层112以不同于电荷传输层118的材料提供。吸收层112可因此由特别适合于吸收期望被检测到的光波长的材料形成。例如，吸收层112可由Ge形成，其可适用于太阳背景辐射较低的波长的检测，诸如用于大约940nm的波长的检测。
在图6中，示出了像素110，其中像素110被提供有销式存储节点136。来自电荷分配区域120的电荷可因此被转移到销式存储节点136或多个销式存储节点136中所选择的一个。这允许非常低的电荷泄漏并有助于多次累积检测到的电荷。
替换地，MOS电容器可被用作存储节点。这些可以例如是具有埋置沟道的MOS电容器。
在图7中，示出了像素110，其中像素110进一步被提供有电连接138，该电连接138包围像素110并且至少部分地沿着电荷传输层118的厚度延伸。电连接138可被提供有偏置电压以形成电透镜，该电透镜在电荷传输层118中提供电场以便在像素110中将电荷朝向电荷分配区域120以横向方向驱动。
这可进一步改善朝向像素110中的电荷分配区域120的电荷转移。
如图7中进一步例示的，像素110可进一步被提供有光学微透镜140，该光学微透镜140可附连到吸收层112前面的像素110，使得入射在像素110上的光在到达吸收层112之前将穿过微透镜140。
微透镜140可被配置成在横向方向上将光转向像素110的中心。这意味着入射光的强度在像素110的中心部分将更强，以便在像素110的中心部分中生成更多电荷，使得电荷将在更靠近电荷分配区域120的地方生成。
微透镜140可具有能够将光朝向像素110的中心聚焦的形状，并且因此可例如被形成为如图7所指示的平凸透镜。然而，根据替换方案，微透镜140是菲涅耳透镜。
在图8中，示出了像素110，其中像素110进一步被提供有滤光器142。滤光器142可附连到吸收层112前面的像素110，使得入射在像素110上的光在到达吸收层112之前将穿过滤光器142。如图8所示，滤光器142可被布置在微透镜140和吸收层112之间。然而，可选地，可在不包括微透镜140的实施例中提供滤光器142。
滤光器142可被配置成选择性地使波长或波长范围通过以到达吸收层112。因此，可通过滤光器142滤除可能干扰图像传感器100的期望成像的光。
滤光器142可例如被配置成使得为TOF感测应用发射的脉冲光中使用的光波长通过。根据替换方案，滤光器142可被配置成使对应于荧光波长的光波长通过，使得图像传感器100被特别适配成用于进行荧光测量。
滤光器142可以是干涉滤光器。例如，滤光器142可以是法布里-珀罗滤光器。
像素110可全部被配置成检测相同波长或波长范围。因此，相同的滤光器142可被布置在每个像素110的前面。根据一个实施例，相同滤光器142可被布置在整个像素110的阵列的前面。
根据替换方案，像素110可被提供有不同的滤光器142，使得不同的波长可被不同的像素110检测。这可被用于例如使用光谱分辨率进行成像。在此情况下，可生产滤光器142，以便在不同的像素100前面形成不同的滤光器142。
在上文中已主要参考有限数量的示例描述了本发明的构思。然而，如本领域技术人员容易领会的，除了上文所公开的各示例以外的其他示例在如所附权利要求限定的本发明的构思的范围内同样是可能的。
例如，应该认识到，关于图5-8描述的可选特征可以以与上文例示和讨论的组合不同的组合使用。例如，尽管在图7-8中像素110被例示为包括销式存储节点136，但是像素110在不具有销式存储节点136的情况下包括电透镜和/或微透镜。

Claims (15)

1.一种用于入射光检测的像素架构；所述像素架构包括：
被配置成在第一平面中延伸的吸收层(112)，所述吸收层(112)被配置成用于背侧照明，并被配置成响应于所述吸收层(112)的界面上的入射光而生成电荷并在垂直于所述第一平面的方向上传输电荷；
具有电荷分配区域(120)和电荷节点(128、130)的半导体电荷传输层(118)；所述电荷传输层(118)被布置成在与所述第一平面平行的第二平面中延伸，所述电荷传输层(118)被配置成从所述吸收层(112)接收所生成的电荷并传输所生成的电荷穿过所述电荷传输层(118)，其中具有不同的横向延伸多个掺杂区域(122)以被布置在所述电荷传输层(118)中的不同深度处以形成台阶型结构，其中所述电荷传输层进一步包括偏置区域(121)，并且其中在与所述电荷传输层(118)的所述第二平面平行的横向方向上形成专用区域的所述电荷分配区域(120)与所述偏置区域(121)相连；
电连接(132)，所述电连接(132)连接到所述偏置区域(121)以便向所述偏置区域(121)提供可选择的偏置电压；以及
至少一个转移栅极(124、126)，所述至少一个转移栅极(124、126)在横向方向上与毗邻所述电荷分配区域(120)的区块相连，
其中所述掺杂区域(122)和所述偏置区域(121)相对于所述电荷传输层(118)的大块基板具有不同浓度的掺杂，并且其中被提供在所述电荷传输层(118)中背离所述吸收层(112)的表面居中处的所述偏置区域(121)被提供有偏置电压以用于将所生成的电荷的传输朝向所述电荷分配区域(120)驱动，并用于与所述至少一个转移栅极(124、126)一起控制电荷在横向方向上从所述电荷分配区域(120)到所述电荷节点(128、130)的转移。
2.如权利要求1所述的像素架构，其特征在于，所述偏置区域(121)由所述电荷传输层(118)中的掺杂植入形成，其中所述偏置区域(121)被掺杂有与所述掺杂区域(122)相同的电荷载流子类型，并且所述偏置区域(121)的掺杂浓度高于所述掺杂区域(122)的掺杂浓度。
3.如权利要求1或2所述的像素架构，其特征在于，所述吸收层(112)的大块基板形成耗尽区域。
4.如权利要求1或2所述的像素架构，其特征在于，多个掺杂区域(122)被布置在相对于所述电荷分配区域(120)的两侧上，其中越靠近所述电荷传输层(118)的背离所述吸收层(112)的表面掺杂区域(122)之间的距离就越小。
5.如权利要求1或2所述的像素架构，其特征在于，进一步包括在所述专用区域中的多个偏置区域(121a-d)和多个电连接(132a-d)，所述多个电连接(132a-d)用于单独地连接到所述偏置区域(121a-d)中的每一者以便为所述偏置区域(121a-d)中的每一者提供可选择的偏置，其中所述至少一个转移栅极(124、126)与在所述专用区域的边缘处毗邻偏置区域(121a-d)的区块相连。
6.如权利要求5所述的像素架构，其特征在于，所述多个偏置区域(121a-d)中的每一者由所述电荷传输层(118)中的单独掺杂植入形成，并且其中各相邻偏置区域(121a-d)之间的区块被连接到外部结构(134)以在所述专用区域中形成电场。
7.如权利要求1或2所述的像素架构，其特征在于，进一步包括多个转移栅极(124、126)，所述多个转移栅极(124、126)中的每一者都与在所述横向方向上毗邻所述偏置区域(121)的不同区块相连，并且都与不同电荷节点(128)相连，用于控制电荷在所述横向方向上从所述电荷分配区域(120)转移到所述电荷节点(128、130)。
8.如权利要求1或2所述的像素架构，其特征在于，所述吸收层(112)由不同于所述电荷传输层(118)的材料形成。
9.如权利要求1或2所述的像素架构，其特征在于，进一步包括至少部分地沿着所述电荷传输层(118)的厚度延伸的电连接(138)，所述电连接(138)被提供有偏置电压以形成电透镜，所述电透镜用于在所述电荷传输层(118)中形成电场以便在所述电荷传输层(118)中以横向方向将所生成的电荷的传输朝向所述电荷分配区域(120)驱动。
10.如权利要求1或2所述的像素架构，其特征在于，进一步包括集成光学微透镜(140)，所述集成光学微透镜(140)被布置在所述吸收层(112)的前面，并被配置成接收入射光并将光朝向所述吸收层(112)的中心聚焦。
11.如权利要求1或2所述的像素架构，其特征在于，进一步包括集成法布里-珀罗滤光器(142)，所述集成法布里-珀罗滤光器(142)被配置成选择性地使一波长范围的入射光通过以到达所述吸收层(112)。
12.一种图像传感器(100)，包括：
像素(110)的阵列，每个像素(110)都具有如前述权利要求中任一项所述的像素架构；以及
控制单元(150)，所述控制单元(150)被配置成提供控制信号以便控制每个像素(110)的电荷从所述电荷分配区域(120)到所述电荷节点(128、130)的转移。
13.如权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，每个像素(110)被配置成接收来自经目标样本反射的脉冲光的入射光以生成电荷，其中每个像素(110)包括分别与第一电荷节点和第二电荷节点(128、130)相关联的第一转移栅极和第二转移栅极(124、126)，并且其中所述控制单元(150)被配置成分别用所述脉冲光将电荷向着所述第一转移栅极和所述第二转移栅极(124、126)的转移进行同步，使得所述第一电荷节点中的电荷与第二电荷节点(128、130)中的电荷的比率形成距目标样本的距离的测量。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述控制单元(150)被配置成使用一系列光脉冲将电荷向着所述第一转移栅极和所述第二转移栅极(124、126)的转移进行同步，以用于锁定感测。
15.如权利要求12-14中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述控制单元(150)被配置成控制所述像素(110)的复位并从浮动扩散节点读取第一电压电平然后将电荷从所述电荷节点(128、130)转移到所述浮动扩散节点，以及从浮动扩散节点读取第二电压电平以实现相关双采样。
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