CN111477642A - 用电感器进行栅极调制 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及用电感器进行栅极调制。一种传感器包含：光电二极管，其安置于半导体材料中以接收光及将所述光转换成电荷；及第一浮动扩散部，其耦合到所述光电二极管以接收所述电荷。第二浮动扩散部耦合到所述光电二极管以接收所述电荷，且第一转移晶体管经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第一浮动扩散部中。第二转移晶体管经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第二浮动扩散部中，且电感器耦合于所述第一转移晶体管的第一栅极端子与所述第二转移晶体管的第二栅极端子之间。所述电感器、所述第一栅极端子及所述第二栅极端子形成谐振电路。

Description

用电感器进行栅极调制
技术领域
本发明大体上涉及电子装置，且特定来说(但非排他地)，涉及图像传感器。
背景技术
随着3D应用的普及在例如成像、电影、游戏、计算机、用户接口、面部识别、对象识别、增强现实等的领域中持续增长，对三维(3D)相机的兴趣正在增加。创建3D图像的典型无源方式是使用多个相机捕获立体图像或多个图像。使用立体图像，可以对图像中的对象进行三角测量以创建3D图像。此三角测量技术的一个缺点是难以使用小型装置创建3D图像，因为每一台相机之间必须存在最小分隔距离以便创建三维图像。另外，此技术很复杂，且因此需要大量的计算机处理能力以便实时创建3D图像。
对于需要实时获取3D图像的应用，有时利用基于飞行时间测量的有源深度成像系统。飞行时间相机通常使用将光引导到对象的光源，检测从对象反射的光的传感器及基于光行进到对象及从对象行进所花费的往返时间计算到对象的距离的处理单元。
获取3D图像的持续挑战是平衡飞行时间相机的所期望性能参数与系统的物理大小及电力约束。举例来说，用于成像远对象及近对象的飞行时间系统的电力要求可能有很大的不同。这些挑战因外部参数(例如，所期望的相机帧速率、深度分辨率及横向分辨率)及固有参数(例如，传感器的量子效率、填充因子、抖动及噪声)而变得更加复杂。
发明内容
在一个方面中，提供一种传感器。所述传感器包括：光电二极管，其安置于半导体材料中以接收光及将所述光转换成电荷；第一浮动扩散部，其耦合到所述光电二极管以接收所述电荷；第二浮动扩散部，其耦合到所述光电二极管以接收所述电荷；第一转移晶体管，其经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第一浮动扩散部中；第二转移晶体管，其经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第二浮动扩散部中；及电感器，其耦合于所述第一转移晶体管的第一栅极端子与所述第二转移晶体管的第二栅极端子之间，其中所述电感器、所述第一栅极端子及所述第二栅极端子形成谐振电路。
在另一方面中，提供一种飞行时间(TOF)传感器系统。所述TOF系统包括：光发射器，其经耦合以发射光；及多个像素，其安置于半导体材料中且布置到阵列中以接收所述光，其中每一像素包含：光电二极管，其安置于半导体材料中以接收光及将所述光转换成电荷；第一浮动扩散部，其耦合到所述光电二极管以接收所述电荷；第二浮动扩散部，其耦合到所述光电二极管以接收所述电荷；第一转移晶体管，其经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第一浮动扩散部中；第二转移晶体管，其经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第二浮动扩散部中；及电感器，其耦合于所述第一转移晶体管的第一栅极端子与所述第二转移晶体管的第二栅极端子之间，其中所述电感器、所述第一栅极端子及所述第二栅极端子形成谐振电路。
附图说明
参考以下图式描述本发明的非限制及非详尽实例，其中相似的元件符号指代贯穿多种视图的相似部件，除非另有说明。
图1是展示根据本发明的教示的飞行时间(TOF)传感器的一个实例的图。
图2A展示根据本发明的教示的图1的TOF传感器的部分的实例电路图。
图2B展示根据本发明的教示的图2A的电路图的部分的实例示意图。
图2C展示根据本发明的教示的图2B的电感器的实例示意图。
对应的参考字符指示贯穿诸图中若干视图的对应组件。所属领域的技术人员应了解，为了简单且清楚的目的说明图中的元件，且并不一定按比例绘制元件。举例来说，图中一些元件的尺寸可相对于其它元件而被夸大以帮助改善对本发明的多种实施例的理解。而且，为了更方面地了解本发明的这些多种实施例，通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件。
具体实施方式
本文描述用于用电感器进行栅极调制的系统、设备及方法的实例。在以下描述中，陈述众多特定细节以便提供对实例的详尽理解。然而，相关领域的技术人员应认识到，可无需运用所述特定细节中的一或多者或可用其它方法、组件、材料等而实践本文描述的技术。在其它情况中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
贯穿本说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意味着与实例相结合而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书在多个地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”并不一定都指代相同的实例。此外，在一或多个实例中特定的特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
一些成像飞行时间(iTOF)传感器以从10MHz一直到数100MHz范围内的频率在装置中全局地调制栅极。传感器技术可使用栅极调制将电荷从光电二极管转移到浮动扩散部中。一些传感器可使用栅极调制以在光电二极管较大时加速光电二极管内的电荷转移。然而，栅极调制消耗大量电力，尤其是当栅极电容较大、栅极调制速度较高及/或栅极调制电压摆动较大时。
如将展示，根据本发明的教示的实例电路包含以较高频率调制的两个栅极。当一个栅极接通时，另一栅极关断。电感器串联耦合于这两个栅极之间且在接通及关断栅极时利用LC振荡(即，谐振电路)回收利用栅极电容电力。因此，在一些实例中，减小LC振荡器中的电阻以改进效率是有帮助的。使用像素级混合键，灵活性可用于特殊设计及过程以减小在一些实例中提出的金属线的电阻。
下文将进一步详述上文论述的实施例及其它实施例，因为其与图相关。
图1是展示根据本发明的教示的飞行时间系统100的一个实例的图。飞行时间系统100包含光源102、透镜116、多个像素120(包含第一像素122)及控制器126(其包含控制电路、存储器、计数器装置等)。控制器126耦合到光源102及多个像素120(包含第一像素122)。多个像素120定位在距透镜116的焦距flens处。如实例中展示，光源102及透镜116定位在距对象130的一距离L处。应了解，未按比例说明图1，且在一个实例中，焦距flens远小于透镜116与对象130之间的距离L。因此，应了解，出于本发明的目的，根据本发明的教示，出于飞行时间测量的目的，距离L及距离L+焦距flens基本上相等。如说明，多个像素120及控制器126表示为单独组件。然而，应了解，多个像素120及控制器126全都可集成到相同堆叠式芯片传感器上且还可包含时间到数字转换器(或多个时间到数字转换器，其中每一像素与多个时间到数字转换器中的对应者相关联)。在其它实例中，多个像素120及控制器126可集成到非堆叠式平面传感器上。还应了解，每一像素(或甚至每一SPAD)可具有用于存储用于对检测到的光子进行计数的数字位或信号的对应存储器。
飞行时间系统100可为3D相机，其基于用多个像素120进行的飞行时间测量计算将成像的场景(例如，对象130)的图像深度信息。多个像素120中的每一像素确定对象130的对应部分的深度信息使得可生成对象130的3D图像。深度信息通过测量光从光源102传播到对象130及回到飞行时间系统100的往返时间来确定。如说明，光源102(例如，可发射可见、红外或紫外光的垂直腔表面发射激光器)经配置以将光104发射到距离L外的对象130。接着，发射的光104从对象130反射作为反射光110，部分反射光110朝向距离L外的飞行时间系统100传播且入射于多个像素120之上作为光。多个像素120中的每一像素(例如第一像素122)包含检测图像光及将图像光转换成电信号(例如电荷)的光电二极管(例如一或多个单光子雪崩二极管(SPAD))。
如所描绘的实例中展示，发射光104的脉冲从光源102传播到对象130并回到多个像素120的往返时间可用于使用以下方程式(1)及(2)中的以下关系确定距离L：
Figure BDA0002259618250000041
Figure BDA0002259618250000042
其中c是光速，其大约等于3x108m/s，且TTOF对应于往返时间，其是光的脉冲行进到图1中所展示的对象及从所述对象行进所花费的时间量。因此，一旦已知往返时间，可计算距离L且其随后被用于确定对象130的深度信息。控制器126耦合到多个像素120(包含第一像素122，其可耦合到读出电路以读出电荷及将所述电荷转换到指示电荷的数据)及光源102，且包含逻辑，所述逻辑当被执行时致使飞行时间系统100执行用于确定往返时间的操作。逻辑可包含以已知速率充电的电容器，其中当光子由光源102发射时开始充电，且当光子由阵列120接收时停止。
在一些实例中，飞行时间传感器100包含于手持式装置(例如移动电话、平板计算机、相机等)中，其具有大小及至少部分基于装置的大小确定的电力约束。替代地或另外，飞行时间系统100可具有特定所期望的装置参数，例如帧速率、深度分辨率、横向分辨率等。在一些实例中，飞行时间传感器100包含于LiDAR系统中。
图2A展示根据本发明的教示的图1的TOF传感器200A的部分的实例电路图。电路200B是等效电路。如描绘，电路200A包含光电二极管203(例如，单光子雪崩光电二极管(SPAD))、第一转移晶体管205、第二转移晶体管207、第一浮动扩散部209(例如半导体材料中的掺杂阱)、第二浮动扩散部211(例如半导体材料中的掺杂阱)及电感器213。
如展示，第一浮动扩散209耦合到光电二极管203以接收在光电二极管203接收一或多个光子时生成的电荷。第二浮动扩散部211类似地耦合到光电二极管203以接收电荷。第一转移晶体管205经耦合以将电荷从光电二极管203转移到第一浮动扩散部209中，且第二转移晶体管207经耦合以将电荷从光电二极管203转移到第二浮动扩散部211中。电感器213耦合于第一转移晶体管205的第一栅极端子与第二转移晶体管207的第二栅极端子之间。在描绘的实例中，电感器213、第一转移晶体管205的第一栅极端子及第二转移晶体管207的第二栅极端子形成谐振电路。因此，电感器213将第一振荡电压施加于第一栅极端子及将第二振荡电压施加于第二栅极端子。施加于第一栅极端子的第一振荡电压可与施加于第二栅极端子的第二振荡电压180度异相。如上所述，使用电感器回收利用提供到转移晶体管的栅极电极的电荷可节省可观的传感器电力量，这是因为每芯片可存在数以千计的光电二极管及转移晶体管。
还展示当第一及第二转移晶体管205/207在其相应时间接通时的与电路200A等效的电路200B。等效电路的振荡频率ω0通过方程式给出：
Figure BDA0002259618250000051
其中ω0是振荡频率，L是电感，且C1及C2分别是两个电容器C(OX1)及C(OX2)的电容(其是两个转移栅极的结电容)。在各种实例中，上述变量的值可经设计使得振荡频率可大于100MHz(例如250MHz)。
图2B展示根据本发明的教示的图2A的电路图的部分的实例示意图。在描绘的实例中，光电二极管203、第一转移晶体管205的有源区、第二转移晶体管207的有源区、第一浮动扩散部209及第二浮动扩散部211安置于半导体材料201(例如硅)中。光电二极管203定位于半导体材料201中以吸收光及响应于所述光生成电荷。
如说明，电感器213安置于逻辑晶片(例如，含有一或多个金属层)中，且所述逻辑晶片耦合到半导体材料201的非照明侧。电感器213可耦合到栅极电极，其具有穿过接合氧化物从逻辑晶片延伸到半导体材料201的接合通孔。如展示，电感器213可包含基本上平坦的金属线圈，且金属线圈形成基本上同心的矩形形状。然而，在其它实例中，金属线圈可采用其它形状，其不一定是矩形的，例如圆形、六边形或类似物。另外，在一些实例中，金属(例如铜、铝、银或类似物)可不包含单个平面线圈，而可在逻辑晶片中的不同平面中包含许多线圈。
在一个实例中，假设Cox(TX)＝5e-8F/cm2(其中介电常数k＝4，栅极氧化物厚度大约＝70nm)，且必须同时打开/关闭(即，接通/关断)所有转移晶体管(TX)。因此，对于400x250转移晶体管阵列，每一TX具有0.1μm2的大小，总电容是5pF。因此，在描绘的实例中，L需要为160nH以在TX1与TX2之间实现250MHz的切换振荡频率。然而，受益于本发明的所属领域的一般技术人员应了解，这些参数可取决于装置尺寸及材料选择改变。
图2C展示根据本发明的教示的图2B的电感器的实例示意图。在描绘的实例中，电感器213包含基本上平坦的金属线圈(例如，在装置的横截面中存在于单个平面中)。如描绘的实例中展示，金属线圈形成基本上同心矩形形状且是连续线圈。如图2B中说明，线圈的内端可耦合到第一转移晶体管的栅极，且线圈的外端可耦合到第二转移晶体管的栅极，或反之亦然。
在描绘的实例中，假设～250MHz操作，D(OUT)可为100μm，D(IN)可为20.8μm，宽度可小于1μm(例如0.4μm)，间隔可小于1μm(例如0.4μm)，且可存在25个或25个以上匝(例如，50匝-线圈的圈数)。受益于本发明的所属领域的技术人员应了解，出于示范性目的仅描绘较少数目个匝，这是因为更多匝是冗余的且易于说明。
本发明所说明的实例的上文描述，包含说明书摘要中所描述的内容，不希望为详尽的或将本发明限制为所揭示的精确形式。虽然为了说明的目的，本文描述本发明的特定实例，但相关领域的技术人员应认识到，在本发明的范围内，多种修改是可能的。
鉴于上文详细的描述，可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中揭示的特定实例。确切来说，本发明的范围将完全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据建立的权利要求解释的公认原则来解释。

Claims (20)

1.一种传感器，其包括：
光电二极管，其安置于半导体材料中以接收光及将所述光转换成电荷；
第一浮动扩散部，其耦合到所述光电二极管以接收所述电荷；
第二浮动扩散部，其耦合到所述光电二极管以接收所述电荷；
第一转移晶体管，其经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第一浮动扩散部中；
第二转移晶体管，其经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第二浮动扩散部中；及
电感器，其耦合于所述第一转移晶体管的第一栅极端子与所述第二转移晶体管的第二栅极端子之间，其中所述电感器、所述第一栅极端子及所述第二栅极端子形成谐振电路。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述电感器将第一振荡电压施加于所述第一栅极端子及将第二振荡电压施加于所述第二栅极端子，且其中施加于所述第一栅极端子的所述第一振荡电压与施加于所述第二栅极端子的所述第二振荡电压180度异相。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述电感器以大于100MHz的频率将所述第一振荡电压施加于所述第一栅极端子及将所述第二振荡电压施加于第二栅极端子。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述电感器安置于耦合到所述半导体材料的非照明侧的逻辑晶片中。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述电感器包含基本上平坦的金属线圈。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述金属线圈形成同心的基本上矩形形状。
7.根据权利要求5所述的传感器，其中所述金属线圈具有小于1μm的绕组之间的间隔及小于1μm的绕组宽度。
8.根据权利要求5所述的传感器，其中所述金属线圈具有25个或25个以上绕组。
9.根据权利要求5所述的传感器，其中所述金属线圈的外径大于10μm。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中所述光电二极管包含单光子雪崩光电二极管SPAD。
11.一种飞行时间TOF传感器系统，其包括：
光发射器，其经耦合以发射光；及
多个像素，其安置于半导体材料中且布置到阵列中以接收所述光，其中每一像素包含：
光电二极管，其安置于半导体材料中以接收光及将所述光转换成电荷；
第一浮动扩散部，其耦合到所述光电二极管以接收所述电荷；
第二浮动扩散部，其耦合到所述光电二极管以接收所述电荷；
第一转移晶体管，其经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第一浮动扩散部中；
第二转移晶体管，其经耦合以将所述电荷从所述光电二极管转移到所述第二浮动扩散部中；及
电感器，其耦合于所述第一转移晶体管的第一栅极端子与所述第二转移晶体管的第二栅极端子之间，其中所述电感器、所述第一栅极端子及所述第二栅极端子形成谐振电路。
12.根据权利要求11所述的TOF传感器系统，其进一步包括读出电路，所述读出电路经耦合以从所述第一浮动扩散部及所述第二浮动扩散部读出所述电荷及将所述电荷转换成表示所述电荷的数据。
13.根据权利要求12所述的TOF传感器系统，其进一步控制器，所述控制器耦合到所述读出电路以接收所述数据，其中所述控制器包含逻辑，所述逻辑当由所述控制器执行时致使所述TOF传感器系统执行包括以下的操作：
从所述光发射器发射所述光；
用所述光电二极管接收所述光；及
基于所述数据计算从所述光发射器发射的所述光行进到对象及返回到阵列的飞行时间。
14.根据权利要求13所述的TOF传感器系统，其中所述控制器进一步包含逻辑，所述逻辑当由所述控制器执行时致使所述系统执行包括以下的操作：
基于所述飞行时间计算从所述TOF传感器系统到所述对象的距离。
15.根据权利要求11所述的TOF传感器系统，其中所述电感器将第一振荡电压施加于所述第一栅极端子及将第二振荡电压施加于所述第二栅极端子，且其中施加于所述第一栅极端子的所述第一振荡电压与施加于所述第二栅极端子的所述第二振荡电压180度异相。
16.根据权利要求14所述的TOF传感器系统，其中所述电感器以大于100MHz的频率将所述第一振荡电压施加于所述第一栅极端子及将所述第二振荡电压施加于第二栅极端子。
17.根据权利要求11所述的TOF传感器系统，其中所述电感器安置于耦合到所述半导体材料的非照明侧的逻辑晶片中。
18.根据权利要求17所述的TOF传感器系统，其中所述电感器包含基本上平坦的金属线圈。
19.根据权利要求18所述的TOF传感器系统，其中所述金属线圈具有25个或25个以上绕组。
20.根据权利要求11所述的TOF传感器系统，其中所述光电二极管包含单光子雪崩光电二极管SPAD。
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