CN111211138A - 一种像素单元、传感器以及传感阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式提供一种像素单元、传感器以及传感阵列。该像素单元包括：电荷收集区，用于接收辐射生成光生电荷；传输栅，连接于电荷收集区与悬浮扩散节点之间，用于将光生电荷从电荷收集区转移至悬浮扩散节点；电势调整区，设置于电荷收集区外围，用于将光生电荷向电荷收集区中与传输栅连接的一侧集中。

Description

一种像素单元、传感器以及传感阵列
技术领域
本发明的实施方式涉及微电子技术领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种像素单元、传感器、以及传感阵列。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
目前，互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)传感器因其成本低并且较适于批量生产而备受关注。例如常见的CMOS传感器有基于光电二极管结构的CMOS传感器等。在远距离、高精度的测距场景中，由于光的传播速度很快，为了保证CMOS传感器能够及时接收反射辐射，就会要求CMOS传感器拥有较高的响应速度和精度，例如要求CMOS传感器的响应时间为几十纳秒。
而传统的光电二极管结构中由于光电二极管内部电势平坦，电荷转移主要依靠扩散运动，转移速度较慢，转移效率较低，从而会导致图像拖尾。传统的光电二极管结构中电荷传输沟道还可能会存在势垒和势阱等问题，同样也会导致图像拖尾。对于传统的光电二极管结构，电荷转移效率会直接影响光电传感器的响应速度和测量精度。
为了解决传统的光电二极管结构存在的问题，现有技术中通常会采用非均匀掺杂的方式产生调制电场来加速电荷的横向转移，但非均匀掺杂的工艺过程复杂，光电二极管结构生产的控制过程难度大。
发明内容
由于现有技术中采用非均匀掺杂的方式产生调制电场来加速电荷的横向转移，但非均匀掺杂的工艺过程复杂，光电二极管结构生产的控制过程难度大，因此亟待设计一种技术方案以解决上述技术问题。在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种像素单元、传感器、以及传感阵列。
在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种像素单元，包括：电荷收集区，用于接收辐射生成光生电荷；悬浮扩散节点，用于存储并输出所述电荷收集区生成的所述光生电荷；传输栅，连接于电荷收集区与悬浮扩散节点之间，用于将光生电荷从电荷收集区转移至悬浮扩散节点；电势调整区，设置于电荷收集区外围，用于将光生电荷向电荷收集区中与传输栅连接的一侧集中。
在本发明的一个实施例中，电势调整区由多晶电阻构成，多晶电阻的形状为条状或块状。
在本发明的一个实施例中，若电势调整区由多个块状多晶电阻构成，则多个块状多晶电阻之间通过金属导体连接，或者多个块状多晶电阻之间无连接物。
在本发明的一个实施例中，电源与电势调整区相连；电势调整区包括至少两个子调整区，其中，至少两个子调整区的连接处接地。可选的，至少两个子调整区呈对称排布。
在本发明的一个实施例中，若电势调整区由多个块状多晶电阻与金属导体构成，则电源的数量为一个，电源分别与至少两个子调整区中靠近传输栅的一端相连。
在本发明的一个实施例中，若电势调整区由多个块状多晶电阻构成，并且多个块状多晶电阻之间无连接物，则电源的数量为多个，多个块状多晶电阻中不同块状多晶电阻所连接的电源电压不同，且距离传输栅越近的块状多晶电阻所连接的电源电压越大。
在本发明的一个实施例中，若电势调整区由条状多晶电阻构成，并且与电势调整区相连的电源的数量为一个，则电势调整区包括至少两个子调整区，电源分别与至少两个子调整区中靠近传输栅的一端相连；且至少两个子调整区的连接处接地。可选的，至少两个子调整区呈对称排布。
在本发明的一个实施例中，电势调整区与传输栅距离越近的区域的电势越低。
在本发明实施方式的第二方面中，提供了一种传感器，该传感器包括一个或多个第一方面中任一项的像素单元。
在本发明实施方式的第三方面中，提供了一种传感阵列，该传感阵列包括多个传感器，这多个传感器可以与多个如第二方面中任一项的像素单元相同。
本发明提供的技术方案，通过设置于电荷收集区外围的电势调整区形成调制电场，从而使光生电荷在调制电场的影响下定向转移，提高转移速度和转移效率，避免图像拖尾，提升光电传感器的响应速度和测量精度。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1A示意性地示出了根据本发明实施例涉及的一种像素单元的等效电路的结构示意图；
图1B示意性地示出了根据本发明实施例涉及的一种电荷收集区内的电势变化趋势的示意图；
图2A示意性地示出了根据本发明实施例涉及的另一种像素单元的等效电路的结构示意图；
图2B示意性地示出了根据本发明实施例涉及的另一种电荷收集区内的电势变化趋势的示意图；
图3A示意性地示出了根据本发明实施例涉及的又一种像素单元的等效电路的结构示意图；
图3B示意性地示出了根据本发明实施例涉及的又一种电荷收集区内的电势变化趋势的示意图；
图4示意性地示出了根据本发明实施例涉及的一种传感器的结构示意图；
图5示意性地示出了根据本发明实施例涉及的一种传感阵列的结构示意图。
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明人发现，传统的光电二极管结构中由于光电二极管内部电势平坦，电荷转移主要依靠扩散运动，转移速度较慢，转移效率较低，从而会导致图像拖尾，进而影响光电传感器的响应速度和测量精度。为了解决传统的光电二极管结构存在的问题，现有技术中通常会采用非均匀掺杂的方式产生调制电场来加速电荷的横向转移，但非均匀掺杂的工艺过程复杂，光电二极管结构生产的控制过程难度大。
为了克服现有技术存在的问题，本发明中提出了一种像素单元、基于该像素单元的传感器以及传感阵列。该像素单元包括：电荷收集区，用于接收辐射生成光生电荷；悬浮扩散节点，用于存储并输出所述电荷收集区生成的所述光生电荷；传输栅，连接于电荷收集区与悬浮扩散节点之间，用于将光生电荷从电荷收集区转移至悬浮扩散节点；电势调整区，设置于电荷收集区外围，用于将光生电荷向电荷收集区中与传输栅连接的一侧集中。本发明通过设置于电荷收集区外围的电势调整区形成调制电场，从而使光生电荷在调制电场的影响下定向转移，提高转移速度和转移效率，避免图像拖尾，提升光电传感器的响应速度和测量精度。
本发明实施例所提供的技术方案适用于任意装置中的电荷转移场景，或者任意装置中的电荷收集场景。例如，本发明实施例所提供的技术方案可以适用于测距设备中的光生电荷转移场景，也可以适用于结构光设备中的光生电荷转移场景，还可以应用于其他设备中的电荷转移场景，本发明实施例中并不限定。本发明实施例涉及的像素单元中的光电二极管结构可以是前照式，也可以是背照式，还可以是堆栈式等其他形式，本发明实施例并不限定。
在介绍了本发明的基本原理和应用场景之后，下面具体介绍本发明的各种非限制性实施方式。
下面结合上文所示的应用场景来描述根据本发明示例性实施方式的一种像素单元。需要注意的是，上述应用场景仅是为了便于理解本发明的精神和原理而示出，本发明的实施方式在此方面不受任何限制。相反，本发明的实施方式可以应用于适用的任何场景。
本发明实施例提供的一种像素单元，该像素单元至少包括电荷收集区、传输栅、悬浮扩散节点以及电势调整区。其中，电荷收集区用于接收辐射生成光生电荷；悬浮扩散节点用于存储并输出所述电荷收集区生成的所述光生电荷；传输栅连接于电荷收集区与悬浮扩散节点之间，传输栅用于将光生电荷从电荷收集区转移至悬浮扩散节点；电势调整区设置于电荷收集区外围，电势调整区用于将光生电荷向电荷收集区中与传输栅连接的一侧集中。图1A所示的像素单元通过设置于电荷收集区外围的电势调整区形成调制电场，从而使光生电荷在调制电场的影响下定向转移，提高转移速度和转移效率，避免图像拖尾，提升光电传感器的响应速度和测量精度。
本发明实施例中，电势最低的子区域与传输栅之间的距离最近。本发明实施例中，电势调整区中与传输栅之间的距离越近的子区域的电势越低。这样，可以将光生电荷向电势最低的子区域集中，再该电势最低的子区域转移至传输栅，从而转移速度和转移效率。
本发明实施例中，电势调整区还包括接地点。具体的，多个不同电势的子区域沿靠近传输栅的方向排布可以实现为，不同电势的子区域沿从接地点向传输栅的方向排布。
本发明实施例中，像素单元还包括电源，该电源与电势调整区相连。可选的，电源与电势调整区之间通过导线连接，或者电源、传输栅以及电势调整区之间通过导线连接。若电源为一个，则电源与电势调整区中的一个或多个子区域相连。若电源为多个，并且电势调整区中的子区域划分为多组，则电势调整区中不同组子区域所连接的电源的电压不同。若电源为多个，并且电势调整区中子区域划分为多组，则电势调整区中同组子区域所连接的电源的电压相同。优选的，同组子区域对称设置于电荷收集区外围。
本发明实施例中，电源与电势调整区相连，电势调整区包括至少两个子调整区，其中至少两个子调整区的连接处接地。本发明实施例并不限定电势调整区至少两个子调整区呈对称排布或非对称排布。
本发明实施例中，电势调整区由多晶电阻构成，多晶电阻的形状包括条状或块状。多晶电阻(也即多晶硅电阻)是由MOS管栅极的Poly层形成的电阻，因此也可以称为Poly电阻；可选的，可以采用离子注入小剂量杂质来实现多晶电阻，也可以多加一层薄膜(mask)来实现多晶电阻。由于采用多晶电阻形成的电势调整区的工艺过程简单，因此这种实现方式可以有效改善现有技术中采用非均匀掺杂方式产生调制电场造成的工艺过程复杂、光电二极管结构生产的控制过程难度大等问题，降低像素单元的制造难度。需要说明的是，本发明实施例中并不限定电势调整区由除多晶电阻之外的其他电阻构成，或电势调整区由电势调整区为除电阻之外其他元件构成。
下面将结合附图分别说明电势调整区的几种实现方式：
实现方式一：由条状多晶电阻构成电势调整区。具体的，若所述电势调整区由条状多晶电阻构成，并且与所述电势调整区相连的电源的数量为一个，则所述电势调整区包括至少两个子调整区，所述电源分别与所述至少两个子调整区中靠近所述传输栅的一端相连。并且，所述至少两个子调整区的连接处接地。本发明实施例并不限定电势调整区至少两个子调整区呈对称排布或非对称排布。由于条状多晶电阻的电阻值变化呈线性变化趋势，因此这种实现方式中处于条状多晶电阻包围的电荷收集区内的电势沿电荷转移方向上呈线性下降趋势。
举例说明一
图1A示出了根据本发明实施例涉及的一种像素单元的等效电路的结构示意图。图1A所示的像素单元包括电荷收集区101、传输栅102、悬浮扩散节点103、电势调整区2、电源VDD以及接地点。其中，电势调整区2为多晶电阻；电势调整区2分为2个子区域，电势调整区2中从接地点至与传输栅102的连接点之间对称排布的两个子调整区；该像素单元中的电源VDD分别与电势调整区2中的两个子调整区的一端相连。图1A所示的电荷收集区101内沿电荷转移方向上的电势变化呈线性下降趋势，如图1B所示。
实现方式二：由块状多晶电阻构成电势调整区。其中由块状多晶电阻构成电势调整区的主要实现方式分为以下两种：
第一种实现方式：若所述电势调整区由多个块状多晶电阻构成，则所述多个块状多晶电阻之间通过金属导体连接。可选的，金属导体连接于电势调整区中相邻的子区域之间。具体的，若所述电势调整区由多个块状多晶电阻与金属导体构成，则所述电源的数量为一个，所述电源分别与至少两个子调整区中靠近所述传输栅的一端相连。相对于多晶电阻的电阻值，金属导体的电阻值较小，导致处于金属导体之间的电荷收集区的电势变化较为平缓，减缓了电荷收集区内的电势变化趋势，使得电荷收集区内的电势变化呈阶梯下降趋势。本发明实施例通过金属导体可以调节电势调整区中相邻的子区域之间的电势变化情况，控制光生电荷的转移。
举例说明二
图2A示出了根据本发明实施例涉及的另一种像素单元的等效电路的结构示意图。图2A所示的像素单元包括电荷收集区101、传输栅102、悬浮扩散节点103、电势调整区、金属导体5、电源VDD以及接地点。其中，电势调整区为多晶电阻；电势调整区分为6个子区域4，这6个子区域4中相邻的子区域4之间通过金属导体5相连，这6个子区域4分为两组对称排布于电势调整区两侧；电源VDD分别与这6个子区域4中与传输栅102之间距离最近的2个子区域4的一端相连。
图2A所示的电荷收集区101内沿电荷转移方向上的电势变化呈阶梯下降趋势，如图2B所示。需要理解的是，相对于多晶电阻的电阻值，金属导体5的电阻值较小，导致处于金属导体5之间的电荷收集区101的电势变化较为平缓，减缓了电荷收集区101内的电势变化趋势，使得电荷收集区101内的电势变化呈阶梯下降趋势。
第二种实现方式：若所述电势调整区由多个块状多晶电阻构成，所述多个块状多晶电阻之间不设置连接物。进一步的，若电势调整区由多个块状多晶电阻构成，并且多个块状多晶电阻之间无连接物，则电源的数量为多个，多个块状多晶电阻中不同块状多晶电阻所连接的电源电压不同，且距离传输栅越近的块状多晶电阻所连接的电源电压越大。由于多个块状多晶电阻之间无连接物，造成处于多晶电阻之间的电荷收集区的电势呈下降趋势，而未处于多晶电阻之间的电荷收集区的电势不变化；同时，受到不同电源电压的影响，不同块多晶电阻之间的电荷收集区的电势不同，使得电荷收集区内的电势变化也呈阶梯下降趋势。
举例说明三
图3A示出了根据本发明实施例涉及的又一种像素单元的等效电路的结构示意图。图3A所示的像素单元包括电荷收集区101、传输栅102、悬浮扩散节点103、电势调整区、电源VDD、电源VDD1以及电源VDD2。其中，电势调整区为多晶电阻；电势调整区分为6个子区域4，这些子区域4之间相互独立，这些子区域4分为三组对称排布于电势调整区两侧；这三组子区域4分别与电源VDD、电源VDD1以及电源VDD2相连；电荷收集区101内沿电荷转移方向上不同组的子区域4所连接电源的电压值逐渐增大，即VDD>VDD1>VDD2。
图3A所示的电荷收集区101内沿电荷转移方向上的电势变化呈阶梯下降趋势，如图3B所示。需要理解的是，处于不同组的子区域4之间的电势不同，使得电荷收集区101内沿电荷转移方向上的电势变化呈阶梯下降趋势。
需要注意的是，两种实现方式中由多个块状多晶电阻构成的电荷收集区的电势均会呈阶梯下降趋势，但两种阶梯下降趋势的成因不同。
本发明提供的像素单元通过设置于电荷收集区外围的电势调整区形成调制电场，从而使光生电荷在调制电场的影响下定向转移，提高转移速度和转移效率，避免图像拖尾，提升光电传感器的响应速度和测量精度。
参见图4，本发明还提供了示例性实施的一种传感器，该传感器包括多个图1A所示的像素单元，或者该传感器包括多个图2A所示的像素单元，或者该传感器包括多个图3A所示的像素单元。
参见图5，本发明还提供了示例性实施的一种传感阵列，该传感阵列包括多个图4所示的传感器，或者该传感阵列包括多个图1A所示的像素单元，或者该传感阵列包括多个图2A所示的像素单元，或者该传感阵列包括多个图3A所示的像素单元。可选的，该传感阵列可以是M行N列的阵列，其中M、N均为正整数。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种像素单元，其特征在于，包括：
电荷收集区，用于接收辐射生成光生电荷；
悬浮扩散节点，用于存储并输出所述电荷收集区生成的所述光生电荷；
传输栅，连接于所述电荷收集区与所述悬浮扩散节点之间，用于将所述光生电荷从所述电荷收集区转移至所述悬浮扩散节点；
电势调整区，设置于所述电荷收集区的外围，用于将所述光生电荷向所述电荷收集区中与所述传输栅连接的一侧集中。
2.如权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述电势调整区由多晶电阻构成，所述多晶电阻的形状为条状或块状。
3.如权利要求2所述的像素单元，其特征在于，若所述电势调整区由多个块状多晶电阻构成，则所述多个块状多晶电阻之间通过金属导体连接，或者所述多个块状多晶电阻之间无连接物。
4.如权利要求1-3中任一项所述的像素单元，其特征在于，电源与所述电势调整区相连；所述电势调整区包括至少两个子调整区，所述至少两个子调整区的连接处接地。
5.如权利要求4所述的像素单元，其特征在于，若所述电势调整区由多个块状多晶电阻与金属导体构成，则所述电源的数量为一个，所述电源分别与所述至少两个子调整区中靠近所述传输栅的一端相连。
6.如权利要求4所述的像素单元，其特征在于，若所述电势调整区由多个块状多晶电阻构成，并且所述多个块状多晶电阻之间无连接物，则所述电源的数量为多个，所述多个块状多晶电阻中不同块状多晶电阻所连接的电源电压不同，且距离所述传输栅越近的块状多晶电阻所连接的电源电压越大。
7.如权利要求2所述的像素单元，其特征在于，若所述电势调整区由条状多晶电阻构成，并且与所述电势调整区相连的电源的数量为一个，则所述电势调整区包括至少两个子调整区，所述电源分别与所述至少两个子调整区中靠近所述传输栅的一端相连；且
所述至少两个子调整区的连接处接地。
8.如权利要求5或6或7所述的像素单元，其特征在于，所述电势调整区与所述传输栅距离越近的区域的电势越低。
9.一种传感器，其特征在于，所述传感器包括如权利要求1至8中任一项所述的像素单元。
10.一种传感阵列，其特征在于，所述传感阵列包括多个如权利要求1至8任一所述的像素单元，或者所述传感阵列包括多个如权利要求9所述的传感器。
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