CN111684599B - 多光电二极管像素单元 - Google Patents

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Abstract

提供了用于图像感测的方法和系统。在一个示例中，一种装置包括：半导体衬底，其包括接收光的光入射表面、第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管，该第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管沿着垂直于光入射表面的轴在半导体衬底中形成堆叠结构，该堆叠结构使得第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管能够分别将光的第一分量和光的第二分量转换成第一电荷和第二电荷。该装置还包括一个或更多个电容器，该一个或更多个电容器形成在半导体衬底中，并被配置成分别基于第一电荷和第二电荷生成第一电压和第二电压。

Description

多光电二极管像素单元
相关申请
本专利申请要求：2017年12月6日提交的题为“PIXEL STRUCTURE WITH SEPARATEDPHOTODIODES FOR VISIBLE AND NIR SENSING”序列号为62/595,565的美国临时专利申请的优先权，2018年2月15日提交的题为“PIXEL STRUCTURE WITH VERTICALLY-STACKEDPINNED PHOTODIODES FOR VISIBLE AND NIR SENSING”序列号为62/631,426的美国临时专利申请的优先权，以及2018年7月9日提交的题为“PIXEL STRUCTURE WITH VERTICALLY-STACKED PINNED PHOTODIODES FOR VISIBLE AND NIR SENSING”序列号为62/695,458的美国临时专利申请的优先权，这些专利申请被转让给本申请的受让人，并且出于所有目的通过引用以其整体并入本文。
背景
本公开总体上涉及图像传感器，并且更具体地，涉及包括多个光电二极管的像素单元(pixel cell)。
图像传感器中典型的像素包括光电二极管，其用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。在曝光周期期间，电荷可以暂时存储在光电二极管中。为了改善噪声和暗电流性能，像素中可以包括钉扎光电二极管(pinned photodiode)，以将光子转换为电荷。像素还可以包括电容器(例如，浮置扩散(floating diffusion))，以从光电二极管收集电荷并将电荷转换成电压。场景的图像可以从像素阵列的电容器处产生的电压导出。
概述
本公开涉及图像传感器。更具体地且不受限制地，本公开涉及具有像素单元阵列的图像传感器，每个像素单元具有接收光的光入射表面，以及第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管。第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管沿着垂直于光入射表面的轴形成堆叠结构(stack structure)，第一钉扎光电二极管比第二钉扎光电二极管更远离光入射表面。由于钉扎光电二极管在堆叠结构中的放置，第一钉扎光电二极管可以接收具有较长波长范围的光的第一分量(例如，红外光)，并将第一分量转换成第一电荷。此外，第二钉扎光电二极管可以接收具有较长波长范围的光的第二分量(例如，可见光的红色、绿色或蓝色分量之一)，并将第二分量转换成第二电荷。每个像素单元还包括一个或更多个电容器，以将第一电荷和第二电荷分别转换成第一电压和第二电压。
本公开还涉及操作包括像素单元阵列的图像传感器，以执行至少两种不同的测量模式，该像素单元阵列具有如上所述的第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管的堆叠结构。在第一测量模式中，可以通过测量在像素单元阵列的第一钉扎光电二极管处生成的第一电荷的量来执行二维(2D)成像，该第一电荷的量反映了入射到像素单元阵列上的入射可见光的强度分布。在第二测量模式中，可以基于深度感测操作来执行三维(3D)成像。可以基于测量，例如，第二电荷的量、第二电荷累积的时序等来执行深度感测操作，深度感测操作可以用于确定对象和装置之间的距离。这两种测量模式可以在同一曝光周期内执行，或者在不同的曝光周期执行，以执行2D和3D成像。
根据一些实施例，提供了一种装置。该装置包括：半导体衬底，其包括接收光的光入射表面、第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管，该第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管沿着垂直于光入射表面的轴在半导体衬底中形成堆叠结构，该堆叠结构使得第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管能够分别将光的第一分量和光的第二分量转换成第一电荷和第二电荷。半导体衬底还包括一个或更多个电容器，该一个或更多个电容器形成在半导体衬底中，并被配置成分别基于第一电荷和第二电荷生成第一电压和第二电压。
在一些方面，第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管中的每一个包括：P型半导体层；以及完全嵌入在P型半导体层内并与装置的其他部件隔离的N型区域。
在一些方面，第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管中的每一个包括：N型半导体层；以及完全嵌入在N型半导体层内并与装置的其他部件隔离的P型区域。
在一些方面，其中第一钉扎光电二极管被配置成将与红外光相关联的第一波长范围的光的光子转换成第一电荷；并且其中第二钉扎光电二极管被配置成将与可见光分量相关联的第二波长范围的光的光子转换成第二电荷。
在一些方面，第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管形成堆叠结构，使得(a)光穿过第二钉扎光电二极管到达第一钉扎光电二极管，或者(b)光穿过第一钉扎光电二极管到达第二钉扎光电二极管。
在一些方面，第一钉扎光电二极管形成可控传输路径的一部分，用于将第二电荷从第二钉扎光电二极管传输到一个或更多个电容器。装置还包括控制电路。控制电路被配置成在第一测量周期中控制传输路径以阻止来自第二钉扎光电二极管的第二电荷到达一个、一个或更多个电容器，并且将第一电荷从第一钉扎光电二极管转移到一个或更多个电容器以生成第一电压。控制电路还被配置成在第二测量周期中控制传输路径，以经由第一钉扎光电二极管将第二电荷从第二钉扎光电二极管转移到一个或更多个电容器，以生成第二电压。
在一些方面，可控传输路径包括第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管之间的势垒层(barrier layer)。控制电路被配置成控制势垒层和半导体衬底的包括第二钉扎光电二极管的一部分之间的电势差，以控制传输路径。
在一些方面，控制电路被配置成控制势垒层处的电势，以控制势垒层和半导体衬底的该部分之间的电势差。
在一些方面，装置还包括一个或更多个深沟槽隔离(deep trench isolation，DTI)结构，该DTI结构邻近势垒层并在半导体衬底内沿着轴延伸。控制电路还被配置成基于在一个或更多个DTI结构处施加偏置电压来控制势垒层处的电势。
在一些方面，控制电路被配置成控制半导体衬底的该部分处的电势，以控制势垒层和半导体衬底的包括第二钉扎光电二极管的该部分之间的电势差。
在一些方面，半导体衬底的包括第二钉扎光电二极管的该部分包括第一表面。半导体衬底还包括与该第一表面相反的第二表面。
在一些方面，半导体衬底还包括沿着轴从第二表面延伸的一个或更多个深沟槽隔离(DTI)结构。该一个或更更多个DTI结构不完全延伸穿过半导体衬底的该部分，并且不到达第一表面。半导体衬底还包括连接区域，该连接区域沿着轴延伸，并在第二表面上的电触点和半导体衬底的该部分之间提供电连接。装置包括连接到第二表面上的电触点的电压源，以控制半导体衬底的该部分处的电势。
在一些方面，半导体衬底还包括沿着轴从第一表面延伸的一个或更多个深沟槽隔离(DTI)结构。第一表面包括电触点。装置还包括连接到第一表面上的电触点的电压源，以控制半导体衬底的该部分处的电势。
在一些方面，一个或更多个电容器包括一个电容器。装置被配置成在第一电荷的转移和第二电荷的转移之间复位(reset)该一个电容器。
在一些方面，一个或更多个电容器包括第一电容器和第二电容器。第一电容器被配置成存储第一电荷。第二电容器被配置成存储第二电荷。
根据一些实施例，提供了一种装置。该装置包括：半导体衬底，其包括接收光的光入射表面；第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管，该第一钉扎光电二极管沿着平行于光入射表面的轴在半导体衬底中邻近第二钉扎光电二极管形成；光学结构，其被配置成将光的第一分量传输到第一钉扎光电二极管，并将光的第二分量传输到第二钉扎光电二极管，以使第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管能够分别将光的第一分量和光的第二分量转换成第一电荷和第二电荷；以及一个或更多个电容器，其形成在半导体衬底中，并被配置成分别基于第一电荷和第二电荷生成第一电压和第二电压。
在一些方面，光学结构包括衍射光栅结构，该衍射光栅结构被配置成将光的第一分量与光的第二分量分离，并将光的第一分量和光的第二分量分别引导至第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管。
在一些方面，装置还包括光入射表面上的微透镜。光学结构包括反射镜，该反射镜被配置成将光的第一分量传输到第一钉扎光电二极管，并将光的第二分量朝向微透镜反射，以使微透镜将光的第二分量朝向第二钉扎光电二极管反射。
根据一些实施例，提供了一种方法。该方法包括：通过半导体衬底的光入射表面接收光；由第一钉扎光电二极管将光的第一分量转换成第一电荷；由第二钉扎光电二极管将光的第二分量转换成第二电荷，该第二钉扎光电二极管与第一钉扎光电二极管沿着垂直于光入射表面的轴在半导体衬底中形成堆叠结构；以及使用形成在半导体衬底中的一个或更多个电容器，分别基于第一电荷和第二电荷生成第一电压和第二电压。
根据一些实施例，提供了一种方法。该方法包括：通过半导体衬底的光入射表面接收光；由光学结构将光的第一分量传输到第一钉扎光电二极管，并将光的第二分量传输到第二钉扎光电二极管，该第一钉扎光电二极管沿着平行于光入射表面的轴在半导体衬底中邻近第二钉扎光电二极管形成；以及使用形成在半导体衬底中的一个或更多个电容器，分别基于第一电荷和第二电荷生成第一电压和第二电压。
附图简述
参考以下附图描述说明性实施例：
图1A和图1B是近眼显示器的实施例的示意图。
图2是近眼显示器的横截面的实施例。
图3示出了波导显示器的实施例的等轴视图。
图4示出了波导显示器的实施例的横截面。
图5是包括近眼显示器的系统的实施例的框图。
图6示出了包括多光电二极管像素单元的图像传感器的示例。
图7A和图7B示出了图6的图像传感器的操作的示例。
图8A、图8B、图8C、图8D和图8E示出了图6的多光电二极管像素单元的示例。
图9A和图9B示出了多光电二极管像素单元的半导体器件的示例。
图10A、图10B和图10C示出了多光电二极管像素单元的半导体器件的示例。
图11A和图11B示出了多光电二极管像素单元的半导体器件的示例。
图12示出了多光电二极管像素单元的半导体器件上的控制操作的示例。
图13A、图13B、图13C和图13D示出了像素单元阵列的半导体器件的示例。
图14A和图14B示出了像素单元阵列的半导体器件的示例。
图15A、图15B、图15C、图15D、图15E、图15F和图15G示出了多光电二极管像素单元的半导体器件的示例。
图16示出了用于执行成像的流程图的示例。
图17示出了用于执行成像的流程图的另一个示例。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到示出的结构和方法的可选的实施例可以被采用而不偏离本公开的原理和所推崇的益处。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用破折号和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各种部件。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
详细描述
在以下描述中，为了解释的目的阐述了具体细节，以便提供对某些创造性实施例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种实施例。附图和描述并不意图是限制性的。
典型的图像传感器通常包括像素单元阵列。每个像素单元可以具有光电二极管，用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。为了改善噪声和暗电流性能，像素中可以包括钉扎光电二极管，以将光子转换为电荷。在曝光周期期间，电荷可以暂时存储在光电二极管中。每个像素单元还可以包括浮置扩散节点，以将电荷转换成电压。可以基于电压生成像素值。像素值可以表示像素单元接收的光的强度。包括像素阵列的图像可以从像素单元阵列输出的电压的数字输出导出。
图像传感器可以用于执行不同的成像模式，例如2D和3D感测。可以基于不同波长范围的光来执行2D和3D感测。例如，可见光可以用于2D感测，而不可见光(例如，红外光)可以用于3D感测。图像传感器可以包括光学滤波器阵列，以允许不同光波长范围和颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的可见光到达指定用于2D感测的第一像素单元集合，而不可见光到达指定用于3D感测的第二像素单元集合。
为了执行2D感测，像素单元处的光电二极管可以以与入射到像素单元上的可见光的强度成比例的速率生成电荷，并且在曝光周期中累积的电荷量可以用于表示可见光(或者可见光的某个颜色分量)的强度。电荷可以暂时存储在光电二极管处，然后转移到电容器(例如，浮置扩散)以产生电压。电压可由模数转换器(ADC)采样并量化，以生成对应于可见光强度的输出。可以基于来自多个像素单元的输出来生成图像像素值，该多个像素单元被配置成感测可见光的不同颜色分量(例如，红色、绿色和蓝色)。
此外，为了执行3D感测，不同波长范围的光(例如，红外光)可以被投射到对象上，并且反射光可以被像素单元检测到。光可以包括结构化光、光脉冲等。像素单元输出可以用于基于，例如，检测反射的结构化光的图案、测量光脉冲的飞行时间(time-of-flight)等来执行深度感测操作。为了检测反射的结构化光的图案，可以确定在曝光时间期间由像素单元生成的电荷量的分布，并且可以基于对应于电荷量的电压生成像素值。对于飞行时间测量，可以确定像素单元的光电二极管处电荷生成的时序(timing)，以表示在像素单元处接收到反射光脉冲的时间。当光脉冲被投射到对象上时和在像素单元处接收到反射光脉冲时之间的时间差可以用来提供飞行时间。
像素单元阵列可用于生成场景信息。在一些示例中，阵列内像素单元的子集(例如，第一集合)可以用于执行场景的2D感测，而阵列内像素单元的另一子集(例如，第二集合)可以用于执行场景的3D感测。2D和3D成像数据的融合对于提供虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和/或混合现实(MR)体验的许多应用是有用的。例如，可佩戴VR/AR/MR系统可以执行系统用户所处环境的场景重建。基于重建的场景，VR/AR/MR可以生成显示效果以提供交互式体验。为了重建场景，像素单元阵列内的像素单元子集可以执行3D感测以，例如，识别环境中物理对象的集合并确定物理对象和用户之间的距离。像素单元阵列内的另一个像素单元子集可以执行2D感测以，例如，捕获包括这些物理对象的纹理、颜色和反射率的视觉属性。然后，场景的2D和3D图像数据可以被合并，以创建例如包括对象的视觉属性的场景的3D模型。作为另一个示例，可佩戴VR/AR/MR系统也可以基于2D和3D图像数据的融合来执行头部跟踪操作。例如，基于2D图像数据，VR/AR/AR系统可以提取某些图像特征来识别对象。基于3D图像数据，VR/AR/AR系统可以跟踪所识别的对象相对于用户佩戴的可佩戴设备的定位(location)。VR/AR/AR系统可以基于，例如，在用户的头部移动时跟踪所识别的对象相对于可佩戴设备的定位变化来跟踪头部移动。
然而，使用不同的像素集合用于2D和3D成像会带来许多挑战。首先，因为仅阵列的像素单元的子集用于执行2D成像或3D成像，所以2D图像和3D图像的空间分辨率都低于像素单元阵列处可达到的最大空间分辨率。尽管可以通过包括更多的像素单元来提高分辨率，但是这种方法会导致图像传感器的形状因子(form-factor)以及功耗的增加，这两者对于可佩戴设备来说都是不期望的。
此外，由于被分配来测量不同波长范围的光(用于2D和3D成像)的像素单元不是并置(collocate)的，不同的像素单元可能捕获场景的不同点(spot)的信息，这可能使2D和3D图像之间的映射变得复杂。例如，接收可见光的某个颜色分量(用于2D成像)的像素单元和接收不可见光(用于3D成像)的像素单元也可能捕获场景的不同点的信息。这些像素单元的输出不能简单地合并以生成2D和3D图像。当像素单元阵列捕获移动对象的2D和3D图像时，由于它们的不同定位，像素单元的输出之间对应性的缺乏会变得更糟。虽然存在可用于关联不同像素单元输出以生成2D图像的像素以及关联2D和3D图像(例如，插值)的处理技术，但是这些技术通常是计算密集型的，并且还会增加功耗。
本公开涉及具有像素单元阵列的图像传感器，每个像素单元具有接收光的光入射表面，以及第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管。第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管沿着垂直于光入射表面的轴形成堆叠结构，第一钉扎光电二极管比第二钉扎光电二极管更远离光入射表面。由于钉扎光电二极管在堆叠结构中的放置，第一钉扎光电二极管可以接收具有较长波长范围的光(例如，红外光)的第一分量，并将第一分量转换成第一电荷。此外，第二钉扎光电二极管可以接收具有较长波长范围的光的第二分量(例如，可见光的红色、绿色或蓝色分量之一)，并将第二分量转换成第二电荷。每个像素单元还包括一个或更多个电容器，以将第一电荷和第二电荷分别转换成第一电压和第二电压。
本公开也涉及操作包括像素单元阵列的图像传感器，以执行至少两种不同的测量模式，该像素单元阵列具有如上所述的第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管的堆叠结构。在第一测量模式中，可以通过测量在像素单元阵列的第一钉扎光电二极管处生成的第一电荷的量来执行二维(2D)成像，该第一电荷的量反映了入射到像素单元阵列上的入射可见光的强度分布。在第二测量模式中，可以基于深度感测操作来执行三维(3D)成像。可以基于测量，例如，第二电荷的量、第二电荷累积的时序等来执行深度感测操作，深度感测操作可用于确定对象和装置之间的距离。这两种测量模式可以在同一曝光周期内执行，或者在不同的曝光周期执行，以执行2D和3D成像。
利用本公开的示例，像素单元可以使用钉扎光电二极管来执行用于2D和3D成像操作的光子到电荷的转换。由于钉扎光电二极管可以在暗电流和噪声方面提供优异的性能，像素单元可以更精确地测量低强度的光，这可以提高图像传感器在低光强度环境中的灵敏度和性能。此外，用相同的像素单元集合来执行2D和3D感测可以促进由像素单元生成的2D图像和3D图像之间的对应性，尤其是在每个像素单元的钉扎光电二极管在同一曝光周期内同时检测并测量不同波长的光的情况下。此外，假设像素单元阵列的每个像素单元可以用于生成2D或3D图像，则可以利用像素单元阵列的全空间分辨率(full spatialresolution)。结果，还可以提高图像的空间分辨率，同时可以降低图像传感器的形状因子和功耗。
本公开的示例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
图1A是近眼显示器100的示例的示意图。近眼显示器100向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部器件从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器100通常被配置成作为虚拟现实(VR)显示器进行操作。在一些实施例中，近眼显示器100被修改为作为增强现实(AR)显示器和/或混合现实(MR)显示器来进行操作。
近眼显示器100包括框架105和显示器110。框架105耦合到一个或更多个光学元件。显示器110被配置成让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。在一些实施例中，显示器110包括波导显示组件，用于将来自一个或更多个图像的光导向用户的眼睛。
近眼显示器100还包括图像传感器120a、120b、120c和120d。图像传感器120a、120b、120c和120d中的每一个可以包括像素单元阵列(该像素单元阵列包括像素单元的阵列)，并且被配置成生成表示沿着不同方向的不同视场的图像数据。例如，传感器120a和120b可以被配置成提供表示沿着Z轴朝向方向A的两个视场的图像数据，而传感器120c可以被配置成提供表示沿着X轴朝向方向B的视场的图像数据，并且传感器120d可以被配置成提供表示沿着X轴朝向方向C的视场的图像数据。
在一些实施例中，传感器120a-120d可以被配置为输入设备，以控制或影响近眼显示器100的显示内容，从而向佩戴近眼显示器100的用户提供交互式VR/AR/MR体验。例如，传感器120a-120d可以生成用户所处物理环境的物理图像数据。物理图像数据可以被提供给定位跟踪系统，以跟踪用户在物理环境中的定位和/或移动路径。然后，系统可以基于例如用户的定位和定向来更新提供给显示器110的图像数据，以提供交互式体验。在一些实施例中，当用户在物理环境内移动时，定位跟踪系统可以运行SLAM算法来跟踪在物理环境中和用户视场内的对象集合。定位跟踪系统可以基于对象的集合来构建并更新物理环境的地图(map)，并且跟踪用户在地图内的定位。通过提供对应于多个视场的图像数据，传感器120a-120d可以向定位跟踪系统提供物理环境的更全面的视图，这可以导致更多的对象被包括在地图的构建和更新中。利用这种布置，可以提高在物理环境中跟踪用户定位的精度和鲁棒性。
在一些实施例中，近眼显示器100还可以包括一个或更多个有源照明器130，以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频谱(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，照明器130可以在黑暗环境中(或者在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光和/或光图案，以帮助传感器120a-120d在黑暗环境内捕获不同对象的3D图像。3D图像可以包括，例如，表示对象和近眼显示器100之间的距离的像素数据。距离信息可以用于，例如，构建场景的3D模型、跟踪用户的头部移动、跟踪用户的定位等。如下面将更详细讨论的，传感器120a-120d可以在不同时间以用于2D感测的第一模式和用于3D感测的第二模式进行操作。2D和3D图像数据可以合并并且提供给系统，以提供对例如用户定位、用户头部移动等的更鲁棒的跟踪。
图1B是近眼显示器100的另一个实施例的示意图。图1B示出了近眼显示器100的面向佩戴近眼显示器100的用户的眼球135的一侧。如图1B所示，近眼显示器100还可以包括多个照明器140a、140b、140c、140d、140e和140f。近眼显示器100还包括多个图像传感器150a和150b。照明器140a、140b和140c可以朝向方向D(与图1A的方向A相反)发射某个光学频率范围(例如，NIR)的光。发射的光可以与某种图案相关联，并且可以被用户的左眼球反射。传感器150a可以包括像素单元阵列，以接收反射的光并生成反射图案的图像。类似地，照明器140d、140e和140f可以发射携带图案的NIR光。NIR光可以被用户的右眼球反射，并且可以被传感器150b接收。传感器150b也可以包括像素单元阵列，以生成反射图案的图像。基于来自传感器150a和150b的反射图案的图像，系统可以确定用户的凝视点，并基于所确定的凝视点来更新提供给显示器100的图像数据，以向用户提供交互式体验。在一些示例中，图像传感器150a和150b可以包括与传感器120a-120d相同的像素单元。
图2是图1所示的近眼显示器100的横截面200的实施例。显示器110包括至少一个波导显示组件210。出射光瞳(exit pupil)230是当用户佩戴近眼显示器100时，用户的单个眼球220在视窗(eyebox)区域中的定位。为了说明的目的，图2示出了与眼球220和单个波导显示组件210相关联的横截面200，但是第二波导显示器用于用户的第二只眼睛。
波导显示组件210被配置成将图像光导向位于出射光瞳230处的视窗，并导向眼球220。波导显示组件210可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成。在一些实施例中，近眼显示器100包括在波导显示组件210和眼球220之间的一个或更多个光学元件。
在一些实施例中，波导显示组件210包括一个或更多个波导显示器的堆叠，该一个或更多个波导显示器包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等。堆叠式波导显示器是多色显示器(例如，红绿蓝(RGB)显示器)，其通过对各自的单色源具有不同颜色的波导显示器进行堆叠而创建。堆叠式波导显示器也是可以被投射在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器是可以被投射在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在替代实施例中，波导显示组件210可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。
图3示出了波导显示器300的实施例的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器300是近眼显示器100的部件(例如，波导显示组件210)。在一些实施例中，波导显示器300是将图像光导向特定定位的某个其他近眼显示器或其他系统的一部分。
波导显示器300包括源组件310、输出波导320、照明器325和控制器330。照明器325可以包括图1A的照明器130。为了说明的目的，图3示出了与单个眼球220相关联的波导显示器300，但是在一些实施例中，与波导显示器300分离或部分分离的另一个波导显示器向用户的另一只眼睛提供图像光。
源组件310生成图像光355。源组件310生成图像光355并将其输出到位于输出波导320的第一侧370-1上的耦合元件350。输出波导320是向用户的眼球220输出扩展的图像光340的光波导。输出波导320在位于第一侧370-1上的一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并将接收到的输入图像光355引导至导向元件360。在一些实施例中，耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以是，例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件(prismatic surfaceelement)、和/或全息反射器阵列。
导向元件360将接收到的输入图像光355重定向到去耦元件(decouplingelement)365，使得接收到的输入图像光355经由去耦元件365从输出波导320去耦出去。导向元件360是输出波导320的第一侧370-1的一部分或固定到其上。去耦元件365是输出波导320的第二侧370-2的一部分或固定到其上，使得导向元件360与去耦元件365相反。导向元件360和/或去耦元件365可以是例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件、和/或全息反射器阵列。
第二侧370-2表示沿x维度和y维度的平面。输出波导320可以由有助于图像光355的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导320可以由例如硅、塑料、玻璃和/或聚合物组成。输出波导320具有相对较小的形状因子。例如，输出波导320可以沿x维度宽约50mm，沿y维度长约30mm，以及沿z维度厚约0.5mm-1mm。
控制器330控制源组件310的扫描操作。控制器330确定源组件310的扫描指令。在一些实施例中，输出波导320将扩展的图像光340输出到具有大视场(FOV)的用户的眼球220。例如，扩展的图像光340以(x和y中的)60度和/或更大和/或150度和/或更小的对角FOV被提供给用户的眼球220。输出波导320被配置成提供视窗，其长度为20mm或更大和/或等于或小于50mm；和/或宽度为10mm或更大和/或等于或小于50mm。
此外，控制器330还基于由图像传感器370提供的图像数据来控制由源组件310生成的图像光355。图像传感器370可以位于第一侧370-1上，并且可以包括例如图1A的图像传感器120a-120d。图像传感器120a-120d可以被操作来执行对例如用户前方(例如，面向第一侧370-1)的对象372的2D感测和3D感测。对于2D感测，图像传感器120a-120d的每个像素单元可以被操作来生成表示由光源376生成并被对象372反射的光374的强度的像素数据。对于3D感测，图像传感器120a-120d的每个像素单元可以被操作来生成表示由照明器325生成的光378的飞行时间测量结果的像素数据。例如，图像传感器120a-120d的每个像素单元可以确定当照明器325被启用以投射光378的第一时间和当像素单元检测到从对象372反射的光378的第二时间。第一时间和第二时间之间的差可以指示图像传感器120a-120d和对象372之间的光378的飞行时间，并且飞行时间信息可以用于确定图像传感器120a-120d和对象372之间的距离。图像传感器120a-120d可以被操作来在不同的时间执行2D和3D感测，并且将2D和3D图像数据提供给远程控制台390，远程控制台390可以(或者可以不)位于波导显示器300内。远程控制台可以组合2D和3D图像以，例如，生成用户所处环境的3D模型、跟踪用户的定位和/或定向等。远程控制台可以基于从2D和3D图像导出的信息来确定要向用户显示的图像的内容。远程控制台可以向控制器330传输与所确定的内容相关的指令。基于这些指令，控制器330可以控制源组件310生成并输出图像光355，以向用户提供交互式体验。
图4示出了波导显示器300的横截面400的实施例。横截面400包括源组件310、输出波导320和图像传感器370。在图4的示例中，图像传感器370可以包括位于第一侧370-1上的像素单元402集合，以生成用户前方物理环境的图像。在一些实施例中，可以在像素单元402集合和物理环境之间插入机械快门404和光学滤波器阵列406。机械快门404可以控制像素单元402集合的曝光。在一些实施例中，如下面将讨论的，机械快门404可以由电子快门栅极(shutter gate)代替。如下所述，光学滤波器阵列406可以控制像素单元402集合暴露于的光的光学波长范围。每个像素单元402可以对应于图像的一个像素。尽管图4中未示出，但应当理解，每个像素单元402也可以叠加有滤波器，以控制要由像素单元感测的光的光学波长范围。
在从远程控制台接收到指令之后，机械快门404可以在曝光周期中打开并曝光像素单元402集合。在曝光周期期间，图像传感器370可以获得入射到像素单元402集合上的光样本，并且基于由像素单元402集合检测到的入射光样本的强度分布来生成图像数据。图像传感器370然后可以向远程控制台提供图像数据，该远程控制台确定显示内容，并向控制器330提供显示内容信息。控制器330然后可以基于显示内容信息来确定图像光355。
源组件310根据来自控制器330的指令生成图像光355。源组件310包括源410和光学系统415。源410是生成相干光或部分相干光的光源。源410可以是，例如，激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。
光学系统415包括一个或更多个光学部件，光学部件调节来自源410的光。调节来自源410的光可以包括例如，根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调整定向。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，光学系统415包括具有多个电极的液体透镜，液体透镜允许用阈值的扫描角度来扫描光束，以将光束移到液体透镜外部的区域。从光学系统415(还有源组件310)发射的光被称为图像光355。
输出波导320接收图像光355。耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得全内反射在输出波导320中发生，并且图像光355在输出波导320中(例如，通过全内反射)朝向去耦元件365进行内部传播。
导向元件360将图像光355重定向到去耦元件365，用于从输出波导320去耦。在导向元件360是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得入射图像光355以相对于去耦元件365的表面倾斜的角度离开输出波导320。
在一些实施例中，导向元件360和/或去耦元件365在结构上类似。离开输出波导320的扩展的图像光340沿着一个或更多个维度被扩展(例如，可以沿着x维度被拉长)。在一些实施例中，波导显示器300包括多个源组件310和多个输出波导320。每个源组件310发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的特定波段的单色图像光。每个输出波导320可以以一定的间隔距离堆叠在一起，以输出多色的扩展的图像光340。
图5是包括近眼显示器100的系统500的实施例的框图。系统500包括近眼显示器100、成像设备535、输入/输出接口540以及图像传感器120a-120d和150a-150b，它们各自耦合到控制电路510。系统500可以被配置为头戴式设备、可佩戴设备等。
近眼显示器100是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100和/或控制电路510接收音频信息，并基于音频信息来向用户呈现音频数据。在一些实施例中，近眼显示器100也可以充当AR眼镜。在一些实施例中，近眼显示器100利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。
近眼显示器100包括波导显示组件210、一个或更多个位置传感器525和/或惯性测量单元(IMU)530。波导显示组件210包括源组件310、输出波导320和控制器330。
IMU 530是一种电子设备，其基于从一个或更多个位置传感器525接收的测量信号生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置。
成像设备535可以生成各种应用的图像数据。例如，成像设备535可以根据从控制电路510接收的校准参数来生成图像数据以提供慢速校准数据。成像设备535可以包括，例如，图1A的图像传感器120a-120d，用于生成用户所处物理环境的2D图像数据和3D图像数据，以跟踪用户的定位和头部移动。成像设备535还可以包括例如图1B的图像传感器150a-150b，用于生成用于确定用户凝视点的图像数据(例如，2D图像数据)，以识别用户感兴趣的对象。
输入/输出接口540是允许用户向控制电路510发送动作请求的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。
控制电路510根据从成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或更多个接收的信息来向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在一些示例中，控制电路510可以被容纳在被配置为头戴式设备的系统500内。在一些示例中，控制电路510可以是与系统500的其他部件通信耦合的独立控制台设备。在图5所示的示例中，控制电路510包括应用储存器545、跟踪模块550和引擎555。
应用储存器545存储用于由控制电路510执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于显现给用户的内容。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
跟踪模块550使用一个或更多个校准参数来校准系统500，并且可以调整一个或更多个校准参数以减小近眼显示器100的位置确定中的误差。
跟踪模块550使用来自成像设备535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参考点的位置。
引擎555执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施例中，引擎555接收的信息可以用于产生信号(例如，显示指令)给波导显示组件210，该信号确定呈现给用户的内容类型。例如，为了提供交互式体验，引擎555可以基于(例如，由跟踪模块550提供的)用户的定位、(例如，基于由成像设备535提供的图像数据的)用户的凝视点、(例如，基于由成像设备535提供的图像数据的)对象与用户之间的距离来确定要呈现给用户的内容。
图6示出了图像传感器600的示例。图像传感器600可以将同一像素单元用于2D感测和3D感测。例如，同一像素单元可以被配置成检测可见光的颜色分量(例如，红色、绿色或蓝色)用于2D感测，并且检测红外光用于3D感测。图像传感器600可以是近眼显示器100的一部分，并且可以向图5的控制电路510提供2D和3D图像数据以控制近眼显示器100的显示内容。在图6的示例中，图像传感器600可以包括照明器602、光学滤波器阵列604、包括像素单元606a的像素单元阵列606和数字化模块608。
照明器602可以是红外照明器(例如激光器、发光二极管(LED)等)，其可以投射红外光用于3D感测。投射的光可以包括，例如，结构化光、光脉冲等。光学滤波器阵列604可以包括滤波器元件阵列，其中每个滤波器元件对应于像素单元阵列606的像素单元(例如，像素单元606a)。每个滤波器元件可以被配置成吸收某个波长范围的入射光，并将剩余的光传输到对应的像素单元。入射光可以包括环境可见光以及由照明器602投射并被对象反射的红外光。例如，一个滤波器元件可以将可见光的绿色分量以及红外光传输到像素单元，而另一个滤波器元件可以将可见光的蓝色分量以及红外光传输到另一个像素单元。在一些示例中，光学滤波器阵列604可以被配置成选择要与红外光一起传输的可见光的颜色分量，使得像素单元606a可以用于检测可见光的不同颜色分量以及红外光。
此外，像素单元606a可以包括多个光电二极管，以检测入射光中可见光的不同颜色分量以及红外光。例如，如图6所示，像素单元606a可以包括光电二极管612和光电二极管614。光电二极管612和光电二极管614可以是钉扎光电二极管。光电二极管612可以在曝光周期内检测第一波长范围的入射光的第一分量(例如，可见光的红色、蓝色或绿色之一)，将检测到的光子转换成电荷，并存储电荷。此外，光电二极管614可以在相同或不同的曝光周期内检测第二波长范围的入射光的第二分量(例如，红外光)，将检测到的光子转换成电荷，并存储电荷。像素单元606a还可以包括一个或更多个电容器616，电容器616可以是浮置扩散。在曝光周期结束时，存储在光电二极管612和614处的电荷可以被转移到一个或更多个电容器616，以产生用于2D和3D感测的电压。在一些示例中，像素单元606a可以包括单个电容器616，以收集存储在光电二极管612处的电荷来产生第一电压，然后收集存储在光电二极管614中的电荷来产生第二电压。在一些示例中，像素单元606a可以包括两个电容器616，以同时收集存储在光电二极管612和光电二极管614处的电荷。
图像传感器600还包括测量模块608，测量模块608可以基于光电二极管612和614生成的电荷以及电容器616处产生的电压来生成像素值。测量模块608可以包括2D测量模块622，以基于由光电二极管612生成的电荷执行2D成像操作。2D成像操作可以包括，例如，基于电容器616处产生的电压的幅度生成像素值，该像素值反映了曝光周期期间存储在光电二极管612处的电荷总量。测量模块608可以包括3D测量模块624，以基于由光电二极管614生成的电荷执行3D成像操作。3D成像操作可以包括，例如，检测由对象表面反射的结构化光的图案，并将检测到的图案与照明器602投射的结构化光的图案进行比较，以确定表面的不同点相对于像素单元阵列的深度。为了检测反射光的图案，3D测量模块624可以基于电容器616处产生的电压幅度来生成像素值，该像素值反映了曝光周期期间存储在光电二极管614处的电荷总量。作为另一个示例，3D测量模块624可以生成像素值，该像素值表示由照明器602传输并被对象反射的光脉冲的飞行时间测量结果。
图像传感器600还包括感测控制器610，以控制图像传感器600的不同部件来执行对象的2D和3D成像。现在参考图7A和图7B，图7A和图7B示出了用于2D和3D成像的图像传感器600的操作示例。图7A示出了用于2D成像的操作示例。对于2D成像，像素单元阵列606可以检测环境中的可见光，包括从对象反射的可见光。例如，参考图7A，可见光源700(例如，灯泡、太阳或其他环境可见光源)可以将可见光702投射到对象704上。可见光706可以从对象704的点708反射。可见光706可以被光学滤波器阵列604滤波，以使反射的可见光706的预定波长范围w0通过，从而产生经过滤波的光710a。波长范围w0可以对应于从点708反射的可见光706的第一颜色分量(例如，波长范围是620-750纳米(nm)的红色分量)。经过滤波的光710a可以被像素单元606a的第一光电二极管612捕获，以在曝光周期内生成并累积第一电荷。在曝光周期结束时，感测控制器610可以将第一电荷引导到一个或更多个电容器616，以生成表示第一颜色分量的强度的电压，并将第一电压提供给2D测量模块622。2D测量模块622可以包括模数转换器(ADC)，并且可以由感测控制器610控制来对第一电压进行采样并量化，以生成表示可见光706的第一颜色分量的强度的数字值。
此外，图像传感器600也可以执行对象704的3D成像。参考图7B，感测控制器610可以控制照明器602投射红外光728到对象704上，红外光728可以包括光脉冲、结构化光等。红外光728可以具有700纳米(nm)至1毫米(mm)的波长范围。红外光子730可以从对象704反射，朝向像素单元阵列606传播，并穿过光学滤波器604。在一些示例中，像素单元606a的第二光电二极管614可以将红外光子730转换成第二电荷。第二光电二极管614对红外光子730的检测和转换可以发生在与第一光电二极管612对可见光706的检测和转换相同的曝光周期内。这种布置允许每个像素单元对对象的同一点执行2D和3D成像，这可以提高2D和3D图像之间的对应性。感测控制器610可以将第二电荷引导至一个或更多个电容器616，以生成表示在像素单元处接收的红外光的强度的电压。
3D测量模块624可以基于投射到对象704上的光728的类型来执行不同类型的深度感测操作。在结构化光728被投射到对象704上的情况下，3D测量模块624可以包括ADC，并且可以由感测控制器610控制，以对第二电压进行采样和量化，从而生成表示由点708反射的红外光的强度的数字值。可以从数字值中获得由对象704反射的红外光强度的图案。可以将该图案与照明器602投射的结构化光图案进行比较，以确定对象704表面上不同点(包括点708)相对于像素单元阵列606的深度。在红外光728包括光脉冲的情况下，3D测量模块624可以检测第二光电二极管614处存储的电荷的变化。可以基于光脉冲离开照明器602的时间和检测到第二光电二极管614处存储的电荷的变化的时间之间的时间差来确定红外光脉冲的飞行时间。基于由每个像素单元提供的信息，可以生成对象704的3D图像。
图8A、图8B、图8C和图8D示出了像素单元内部部件的示例。图8A示出了像素单元800的示例，像素单元800可以是图6的像素单元阵列606的一部分。如图8A所示，像素单元800可以包括光电二极管801、光电二极管802、选择开关803、快门开关804、转移栅极806、复位开关807、测量电容器808和缓冲器809。
在一些示例中，光电二极管801和802中的每一个可以包括P-N二极管、P-N-P钉扎光电二极管、N-P-N钉扎光电二极管等。P-N-P钉扎光电二极管可以具有完全嵌入在P区域内并与其他器件隔离的N区域，而N-P-N钉扎光电二极管可以具有完全嵌入在N区域内并与其他器件隔离的P区域。光电二极管801和802中的每一个可以响应于检测到入射光而生成电荷，并且电荷可以在曝光周期期间分别在光电二极管801和802处累积。在曝光周期结束时，在光电二极管801和802处累积的电荷可以经由转移栅极806转移至测量电容器808，测量电容器808可以是包括转移栅极806的晶体管的浮置扩散。在图8A中，光电二极管801和802串联连接以形成堆叠结构。为了将在光电二极管802处累积的电荷转移至测量电容器808，选择开关803可以被接通，并且在光电二极管802处累积的电荷可以移动经过选择开关803、光电二极管801和(由转移信号814控制的)转移栅极806到达测量电容器808。光电二极管802的正端可以连接到偏置源840。如下文将描述的，在一些示例中，可以通过调节选择信号813来控制选择开关803。在一些示例中，选择信号813可以是固定信号，并且可以通过调制偏置源840来控制选择开关803。
此外，缓冲器809可以包括源跟随器(source follower)，并且可以缓冲在测量电容器808处产生的电压，并将该电压转发到数字化模块608。像素单元800也可以包括分别与快门开关804和复位开关807耦合的电压源820和电压源830。快门开关804可以由快门信号816控制，而复位开关807可以由复位信号818控制。与电压源820和830一起，快门开关804和复位开关807可以被控制以复位本地电容器810和812以及测量电容器808处的状态。
在一些示例中，选择开关803、快门开关804、转移栅极806和复位开关807中的每一个都可以包括晶体管。晶体管可以包括，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)等。此外，选择信号813、转移信号814、快门信号816和复位信号818中的每一个都可以由感测控制器610控制，以控制光电二极管801和802生成的电荷的流动以及测量电容器808和本地电容器810和812的复位。在一些示例中，缓冲器809可以包括执行相关双采样(correlated double sampling，CDS)的电路，以减轻复位噪声对存储在测量电容器808处的电荷的影响，从而提高测量电容器808处电荷的测量精度。
图8B是示出选择开关803、快门开关804、转移栅极806和复位开关807的操作示例的时序图。在图8B的示例中，光电二极管801和802被配置成在同一曝光周期内将检测到的入射光的不同分量转换成电荷。例如，光电二极管801可以将红外光光子转换成电荷，而光电二极管802可以将可见光的颜色分量(例如，红色)的光子转换成电荷。参考图8B，周期T0可以包括第一复位周期，其中光电二极管801和802以及测量电容器808被复位以移除存储的电荷。为了复位电容器，感测控制器610可以断定(assert)快门信号816和复位信号818有效，以分别启用(enable)快门开关804和复位开关807。此外，感测控制器610也可以断定选择信号813有效以启用选择开关803。通过启用这些开关，测量电容器808可以电短路到电压源830，以移除存储的电荷。此外，光电二极管801也可以电短路到电压源820，以移除存储的电荷。此外，在选择开关803被启用的情况下，光电二极管802也可以(经由光电二极管801)电短路到电压源820，以移除存储的电荷。在一些示例中，在周期T0期间，像素单元800也可以(例如，通过快门404)被阻挡接触入射光。
在周期T0之后的周期T1中，像素单元800可以暴露于光，该光可以包括可见光和红外光。快门信号816和复位信号818可以被断定无效(de-asserted)，这使光电二极管801和测量电容器808分别与电压820和830断开。光电二极管801和802可以转换光的不同分量的光子并累积电荷。在周期T1期间，选择信号813和转移信号814都被断定无效，以在光电二极管801和802处俘获(trap)电荷。
在周期T1之后的周期T2中，转移信号814可被断定有效(或设置某个偏置电平)以启用转移栅极806。存储在光电二极管801处的电荷可以转移到测量电容器808中进行读出。选择信号813保持被断定无效，以继续在光电二极管802处俘获电荷。存储在测量电容器808处的电荷量可以表示被光电二极管801接收的红外光的强度。在周期T2结束时在测量电容器808处产生的电压可以被缓冲器809缓冲，并被转发到3D测量模块624，以生成与例如红外光的强度、接收红外光光子的时序等相关的像素值。
周期T2之后的周期T3可以包括第二复位周期，在该第二复位周期中，光电二极管801和测量电容器808都在读出光电二极管801的电荷之后被复位。感测控制器610可以通过断定快门开关804和复位开关807有效来复位光电二极管801和测量电容器808。光电二极管801和测量电容器808的复位可以使它们为在后续的周期中从光电二极管802读出电荷做好准备，以提高存储在光电二极管802处的电荷读出的精度。
周期T3之后的周期T4可以包括用于读出存储在光电二极管802处的电荷的第二测量周期。在周期T4中，选择信号813和转移信号814都可以被断定有效(或者设置某些偏置电平)，而快门信号816被断定无效，以允许在光电二极管802处累积的电荷流经光电二极管801到达测量电容器808。在周期T4结束时存储在测量电容器808处的电荷量可以表示在周期T1中由光电二极管802接收的可见光颜色分量的强度。在周期T4结束时，在测量电容器808上产生的电压可以被缓冲器809缓冲，并被转发到2D测量模块622，以生成与可见光颜色分量的强度相关的像素值。
图8C示出了像素单元850的示例，像素单元850可以是图6的像素单元阵列606的一部分。如图8C所示，与图8A的像素单元800相比，像素单元850包括测量电容器的两个集合和相关联的控制和处理电路，一个集合用于光电二极管801，并且一个集合用于光电二极管802。例如，像素单元850包括用于读出存储在光电二极管801中的电荷的测量电容器808a，以及用于存储存储在光电二极管802中的电荷的测量电容器808b。像素单元850还包括(由转移信号814a控制的)转移栅极806a和(由转移信号814b控制的)转移栅极806b，转移栅极806a用于控制从光电二极管801到测量电容器808a的电荷流动，转移栅极806b用于控制从光电二极管802到测量电容器808b的电荷流动。像素单元850还包括(由复位信号818a控制的)复位开关807a和(由复位信号818b控制的)复位开关807b，复位开关807a通过用电压源830a电短路电容器来复位测量电容器808a，复位开关807b通过用电压源830b电短路电容器来复位测量电容器808b。像素单元850还包括缓冲在测量电容器808b处产生的电压的缓冲器809a和缓冲在测量电容器808b处产生的电压的缓冲器809b。缓冲器809a可以向3D测量模块624提供表示存储在光电二极管801处的电荷的电压(其反映入射在光电二极管801上的红外光)。缓冲器809b可以向2D测量模块622提供表示存储在光电二极管802处的电荷的电压(其反映入射在光电二极管802上的可见光颜色分量)。类似于像素单元800，在像素单元850中，光电二极管801和802串联连接形成堆叠结构，并且在光电二极管802处累积的电荷流经选择开关803和光电二极管801到达转移栅极806b和测量电容器808b。
图8D是示出选择开关803、快门开关804、转移栅极806a和806b以及复位开关807a和807b的操作示例的时序图。在图8D的示例中，光电二极管801和802被配置成在同一曝光周期中将检测到的入射光的不同分量转换成电荷。参考图8D，周期T0可以包括第一复位周期，其中光电二极管801和802以及测量电容器808a被复位。感测控制器610可以断定快门信号816以及复位信号818a和818b有效，以分别启用快门开关804、复位开关807a和复位开关807b。此外，感测控制器610也可以断定选择信号813有效以启用选择开关803。通过启用这些开关，测量电容器808a可以电短路到电压源830a，以移除存储的电荷。测量电容器808b可以电短路到电压源830b，以移除存储的电荷。光电二极管801可以电短路到电压源820，以移除存储的电荷。此外，在选择开关803被启用的情况下，光电二极管802也可以(经由光电二极管801)电短路到电压源820，以移除存储的电荷。在周期T0期间，像素单元850也可以(例如，通过快门404)被阻挡接触入射光。
在周期T0之后的周期T1中，像素单元850可以暴露于光，该光可以包括可见光和红外光。快门信号816和复位信号818a可以被断定无效，这使光电二极管801和测量电容器808分别与电压820和830断开。光电二极管801和802可以转换光的不同分量的光子并累积电荷。在周期T1期间，选择信号813和转移信号814a和814b都被断定无效，以在光电二极管801和802处俘获电荷。
在周期T1之后的周期T2中，转移信号814a可被断定有效(或者设置某个偏置电平)以启用转移栅极806a。转移信号814b可以保持被断定无效以禁用转移栅极806b。存储在光电二极管801处的电荷可以转移到测量电容器808中进行读出。选择信号813保持被断定无效，以继续在光电二极管802处俘获电荷。存储在测量电容器808处的电荷量可以表示光电二极管801接收的红外光的强度。在周期T2结束时，在测量电容器808a处产生的电压可以由缓冲器80a9缓冲，并被转发到3D测量模块608，以生成与例如红外光的强度、接收红外光光子的时序等相关的像素值。
周期T2之后的周期T3可以包括第二复位周期，在该第二复位周期中，光电二极管801在光电二极管801的电荷读出之后被复位。感测控制器610可以通过断定快门开关804有效来复位光电二极管801。光电二极管801的复位可以为在随后的周期中从光电二极管802读出电荷做准备，以提高存储在光电二极管802处的电荷读出的精度。
周期T3之后的周期T4可以包括用于读出存储在光电二极管802处的电荷的第二测量周期。在周期T4中，选择信号813和转移信号814b都可以被断定有效(或者设置某些偏置电平)，而快门信号816被断定无效，以允许在光电二极管802处累积的电荷流经光电二极管801到达测量电容器808b。在周期T4结束时存储在测量电容器808b处的电荷量可以表示在周期T1中由光电二极管802接收的可见光颜色分量的强度。在周期T4结束时，在测量电容器808b处产生的电压可以被缓冲器809b缓冲，并被转发到测量模块608，以生成与可见光颜色分量的强度相关的像素值。
与图8A的像素单元800相比，像素单元850为每个光电二极管提供一个测量电容器和相关联的处理电路，这可以提高入射光强度测量的精度。例如，可以降低复位噪声对测量电容器中存储的电荷的影响。如图8D所示，在测量电容器808b处对由光电二极管802生成的电荷进行测量之前，电容器(在周期T2中)被复位一次。相反，如图8A所示，由于光电二极管801和802之间共享测量电容器808，在测量电容器808处对光电二极管802生成的电荷进行测量之前，电容器需要(在周期T0和T3中)被复位两次。复位的额外实例会给测量电容器808增加复位噪声，并降低测量的精度。此外，如上文所讨论的，在像素单元850中，缓冲器809a和809b中的每一个可以硬连线到测量模块608中的相应控制电路(例如，缓冲器809a到飞行时间测量模块624，以及缓冲器809b到光强度测量模块622)，而在像素单元800中，缓冲器809的输出必须(例如，通过多路复用器电路)选择性地路由到两个模块中的一个。在缓冲器809和测量模块608之间添加多路复用器电路会在被相应的控制电路处理之前将噪声添加到缓冲器输出，这会进一步降低入射光的测量/检测精度。这样，像素单元850可以减少引入到入射光强度测量中的噪声。
图8E示出了像素单元860的示例，像素单元860可以是图6的像素单元阵列606的一部分。如图8E所示，并且类似于图8C的像素单元850，像素单元860也包括测量电容器808a和808b两个集合以及相关联的控制和处理电路。例如，像素单元860包括转移栅极806a、复位开关807a、缓冲器809a和电压源830a，以控制电荷到测量电容器808a的流动。此外，像素单元860也包括转移栅极806b、复位开关807b、缓冲器809b和电压源830b，以控制电荷到测量电容器808b的流动。然而，与图8C的像素单元850相反，在像素单元860中，每个光电二极管(及其本地电容器)与其测量电容器和相关联的控制处理电路独立连接。例如，光电二极管801直接与转移栅极806a和快门开关804a连接，而光电二极管802直接与转移栅极806b和快门开关804b连接，并且由光电二极管802生成的电荷不需要经过光电二极管801到达转移栅极806b和测量电容器808b。光电二极管801可以由快门开关804a基于快门信号816a复位，而光电二极管802可以由快门开关804b基于快门信号816b复位。
与图8A和图8C中的布置(其中从光电二极管801和802的电荷读出按顺序发生)不同，图8E中的布置能够同时从光电二极管801和802读出电荷。这种布置可以提高包含像素单元860的图像传感器的操作速度。此外，通过从用于传输由光电二极管802生成的电荷的路径移除光电二极管801，可以降低光电二极管801污染由光电二极管802生成的电荷的可能性，这可以提高光电二极管802的测量精度。
在一些示例中，图8A-图8E的像素单元800、850和860的多个光电二极管也可以用来作为具有经提升的满阱容量(full well capacity)的单个光电二极管起作用。例如，基于光学滤波器阵列604的配置和/或光电二极管801和802的配置，每个光电二极管可以被配置成检测并转换相同波长分量的光(例如，红外光、可见光的颜色分量等)以转换成电荷。选择开关803还可以增加光电二极管801和802存储电荷的容量。
现在参考图9A和图9B，图9A和图9B示出了被配置为具有多个光电二极管的像素单元的半导体器件900的示例。图9A示出了在P型半导体衬底901中形成的器件900。器件900可以形成图8A的像素单元800。器件900可以被配置为背侧照明的器件，以经由背侧(例如，面向方向A’的一侧)接收入射光902。器件900的背侧可以包括用于聚焦入射光的微透镜903和用于对入射光进行滤波的光学滤波器904，以使光电二极管能够接收沿着传播路径(沿着由A和A’表示的轴)聚焦的光的预定光分量902a和902b。光分量902a可以包括可见光的颜色分量(例如，红色、蓝色或绿色分量之一)，而光分量902b可以包括红外光。
器件900也包括嵌入在P型衬底901内以形成钉扎光电二极管的N型区域906。器件900也包括P阱908以及嵌入在P阱908内以形成另一个钉扎光电二极管的N型区域912。由N型区域912形成的钉扎光电二极管可以是对应于图8A-图8E的光电二极管801的第一钉扎光电二极管，而由N型区域912形成的钉扎光电二极管可以是对应于图8A-图8E的光电二极管802的第二钉扎光电二极管。势垒层914也可以形成在P阱908内，以在第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管之间提供势垒。在一些示例中，势垒层914可以是P型层并且是P阱908的一部分，或者可以是比P阱908具有更高的P型掺杂浓度的部分。在一些示例中，势垒层914也可以是N型层(例如，具有比N型区域906和N型区域912都低的N型掺杂浓度)。两个钉扎光电二极管可以具有相同或不同的钉扎电压(pinning voltage)(例如，光电二极管两端的最大电压差)。在第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管中，P型衬底901和P阱908内的N型区域906和N型区域912的完全隔离可以提供更好的暗电流和噪声性能。
如图9A所示，(由P型衬底901和N型区域906形成的)第二钉扎光电二极管、势垒层914和(由P阱908和N型区域912形成的)第一钉扎光电二极管可以在器件900内沿着(如A和A’之间的轴所表示的)入射光的传播方向形成堆叠。堆叠结构将第一钉扎光电二极管放置得比第二钉扎光电二极管更远离光接收背侧。这种布置使得第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管能够接收不同频率分量的光。例如，具有较短波长光子的可见光通常具有较浅的吸收深度，而红外光光子可以更深地穿入硅中。因此，在器件900中，第二钉扎光电二极管可以主要收集光分量902a(可见光的预定颜色分量)，而第一钉扎光电二极管可以主要收集光分量902b(红外光)。这种布置使得两个光电二极管能够检测不同波长分量的光，以在同一像素内执行2D和3D感测。
器件900还包括器件前侧(例如，面向A的一侧)上的钉扎层915、氧化物层916、多晶硅栅极918和N型漏极920。钉扎层915可以用于分离N型区域912，避免与绝缘层916直接相接，以减少由氧化物层916和衬底之间交界面处的表面-空穴结合(surface-holecombination)引起的暗电流，这可以进一步提高第一钉扎光电二极管的暗电流性能。在一些示例中，钉扎层915可以形成具有N型区域912的第二钉扎光电二极管，并且P阱908可以从器件900移除。多晶硅栅极918可以经由绝缘层916接收电压并施加电场，以在N型区域912和漏极920之间的沟道区域922处创建沟道。沟道可以创建来响应于检测到入射光传输由第一光电二极管或第二光电二极管之一生成的电荷。在一些示例中，如下所述，多晶硅栅极918也可以在第一钉扎光电二极管的N型区域912上延伸，以调节第一钉扎光电二极管内部的电势，从而调节从第二钉扎光电二极管的N型区域906到漏极920的电荷转移。返回参考图8A，器件900的漏极920可以对应于测量电容器808，器件900的多晶硅栅极918可以对应于转移栅极806，(由P阱908和N型区域912形成的)器件900的第一钉扎光电二极管可以对应于光电二极管801，(由P型衬底901和N型区域906形成的)器件900的第二钉扎光电二极管可以对应于光电二极管802，而势垒层914可以被配置为选择开关803。
图9B示出了在P型半导体衬底901中形成的器件950。器件950可以被配置为前侧照明的器件，以经由前侧(例如，面向方向A的一侧)接收入射光902。在器件950中，微透镜903和光学滤波器904可以位于覆盖氧化物层916和多晶硅栅极918的绝缘层952(其也可以是氧化物层或由其他绝缘体材料制成)的顶部上。在器件950中，(由P阱908和N型区域912形成的)第二钉扎光电二极管也可以被配置成检测光分量902a(例如，可见光的颜色分量)，而(由衬底901和N型区域906形成的)第一钉扎光电二极管也可以被配置成检测光分量902b。器件950也包括N型区域912和N型区域906之间的势垒层914，并且如在器件900中一样第二钉扎光电二极管、势垒层914和第一钉扎光电二极管在器件900内沿着(如A和A’之间的轴所表示的)入射光的传播方向形成堆叠。
图10A和图10B示出了可以被配置为具有多个光电二极管的像素单元的器件1000的示例。图10A示出了器件1000的两个横截面视图，其中一个横截面视图面向X和X’之间的轴，并且另一个横截面视图面向Y和Y’之间的轴。图10B示出了包括X和X’之间的轴以及Y和Y’之间的轴的器件1000的前侧视图(例如，面向方向A)。在一些示例中，器件1000可以包括图9A的器件900以形成图8A的像素单元800。器件1000可以形成在衬底901上，并且可以包括，例如，微透镜903、光学滤波器904、N型区域906(其是第二钉扎光电二极管的一部分)、可选的P阱908、N型区域912(其是第一钉扎光电二极管的一部分)、势垒层914、钉扎层915、氧化物层916和多晶硅栅极918，它们沿着A-A’轴形成堆叠。器件1000还包括被配置为浮置器件的漏极920，以存储由第一钉扎光电二极管或第二钉扎光电二极管之一生成的电荷。由第一钉扎光电二极管或第二钉扎光电二极管之一生成的电荷可以沿着由Z-Z’表示的路径经过(当多晶硅栅极918基于接收的电压施加电场时形成的)沟道区域922流到漏极920。在图10A的示例中，多晶硅栅极918在N型区域912(其形成第二钉扎光电二极管)上延伸，以调节第二钉扎光电二极管内部的电势，从而帮助电荷从第一钉扎光电二极管经由第二钉扎光电二极管转移到漏极920。尽管器件1000被示出为背侧照明的器件(入射光经由面向方向A’的背侧表面进入)，但是应当理解，器件1000也可以被配置为类似于图9B的器件950的前侧照明的器件。此外，尽管图10B示出了多晶硅栅极918在光电二极管堆叠的顶部上，但可以理解，多晶硅栅极918也可以在光电二极管堆叠的一侧上。
如图10A所示，器件1000还包括一个或更多个深沟槽隔离(DTI)结构1002。DTI结构可以充当绝缘体，以减少相邻像素单元器件(例如，沿着X-X’或Y-Y’轴彼此相邻放置的像素单元)之间的耦合，并且还改善衬底内N型区域的隔离。每个DTI结构可以包括由硅氧化物制成并填充有填充材料1004的一个或更多个侧壁1003。填充材料1004可以包括金属或掺杂的多晶硅。填充材料1004可以是导电的，并且可以接收电压信号以生成电场。在一些示例中，DTI结构的深度(例如，沿着A-A’轴)可以延伸穿过器件1000的包括衬底901的整个半导体器件。如图10B所示，DTI结构1002可以包括器件1000前侧上的一个或更多个触点1007，以提供到填充材料1004的电路径来施加电压信号。
DTI结构1002可用于控制势垒层914，以控制由(第二钉扎光电二极管的)N型区域906生成的电荷到(第一钉扎光电二极管的)N型区域912和漏极920的流动，从而执行选择开关803的功能。例如，如上所述，DTI结构1002可以接收电压信号以生成包括跨势垒层914的电场1006的电场。电场可以改变势垒层914内电荷载流子的分布，并且可以改变其相对于衬底901的电势。势垒层914和衬底901之间相对电势的改变又会导致势垒层914允许或不允许第二钉扎光电二极管生成的电荷流经第一钉扎光电二极管到达漏极920。
图10C示出了在器件1000的不同操作周期期间沿着路径Z-Z’的电势分布的示例。在周期1010中，第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管都暴露于入射光，并且钉扎光电二极管将光子转换成电荷并存储电荷。沟道区域922和势垒914处的电势可以被设置为与衬底901的电势大致相同或相等，并且低于N型区域906和N型区域912中电荷存储区域的电势。结果，电荷在钉扎光电二极管中被俘获。周期1010可以对应于例如图8B的周期T1，在图8B的周期T1中，转移信号814和选择信号813都被断定无效，结果多晶硅栅极918和DTI结构1002不生成电场。
在周期1012中，沟道区域922中的电势可以增加，以允许存储在第一钉扎光电二极管(包括N型区域912)处的电荷流向漏极920。可以(例如，通过由感测控制器610断定转移信号814有效)将电压施加到多晶硅栅极918，以在沟道区域922处创建沟道。沟道的创建提升了沟道区域922处的电势，并创建了从N型区域912到漏极920的电势梯度。电荷可以沿着电势梯度流入漏极920。同时，选择信号813保持被断定无效，并且势垒914的电势保持低于N型区域912。结果，存储在第二钉扎光电二极管(包括N型区域906)处的电荷保持被俘获。周期1012可以对应于，例如，图8B的周期T2。
在周期1014中，转移信号814和选择信号813都被断定有效，以允许存储在第二钉扎光电二极管(包括N型区域906)中的电荷被读出。由于断定转移信号814有效，沟道区域922的电势保持为高。此外，断定选择信号813有效导致电压信号被施加在DTI结构1002处，以在势垒层914上创建电场1006。电场可以，例如，推开势垒层914内的负电荷载流子，以增加其相对于衬底901和N型区域906的电势。结果，经由N型区域906、势垒层914和N型区域912形成从衬底901到沟道区域922的电势梯度，并且先前在第一钉扎光电二极管中俘获的电荷可以流向漏极920。进一步，在多晶硅栅极918与第二光电二极管(由N型区域912形成)重叠的情况下，断定转移信号814有效也可以在第二钉扎光电二极管内生成电场。电场可以推开N型区域906内的负电荷载流子，以进一步增加其电势并进一步使电势梯度变陡，这可以进一步促进电荷从第一钉扎光电二极管转移到漏极920。
现在参考图11A和图11B，图11A和图11B示出了被配置为具有多个光电二极管的像素单元的半导体器件的示例。图11A示出了器件1100。器件1100可以形成图8C的像素单元850。在图11A的示例中，器件1100可以被配置为背侧照明的器件，以经由类似于器件900和1000的背侧(例如，面向方向A’的一侧)接收入射光902。器件1100可以形成在衬底901上，并且可以包括，例如，微透镜903、光学滤波器904、N型区域906(其形成第二钉扎光电二极管)、可选的P阱908、N型区域912(其形成第一钉扎光电二极管)、势垒层914、钉扎层915和氧化物层916，它们沿着A-A’轴形成堆叠。器件1100还包括一个或更多个DTI结构1002，以控制势垒层914处的电势，从而执行存储在第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管处的电荷的顺序读出。此外，器件1100还包括分别位于氧化物层1116a和1116b上的一对多晶硅栅极1118a和1118b，以及一对漏极1120a和1120b。漏极1120a可以被配置成存储由第一钉扎光电二极管(包括N型区域912)生成的电荷，而漏极1120b可以被配置成存储由第二钉扎光电二极管(由N型区域912形成)生成的电荷。电荷从第二钉扎光电二极管(例如，N型区域906)到漏极1120a的流动可以由势垒层914和多晶硅栅极1118b控制，而电荷从第一钉扎光电二极管(例如，N型区域912)到漏极1120a的流动可以由多晶硅栅极1118a控制。返回参考图8C，器件1100的漏极1120a可以对应于测量电容器808a，器件1100的漏极1120b可以对应于测量电容器808b，器件1100的多晶硅栅极1118a可以对应于转移栅极806a，器件1100的多晶硅栅极1118b可以对应于转移栅极806b，而势垒层914可以被配置为选择开关803。尽管器件1100被示出为背侧照明的器件(入射光经由面向方向A’的背侧表面进入)，但是应当理解，器件1000也可以被配置为类似于图9B的器件950的前侧照明的器件。
除了改变势垒层914的电势(或作为替代)，还可以改变衬底901的电势，以控制电荷从(第二钉扎光电二极管的)N型区域906经由(第一钉扎光电二极管的)N型区域912到漏极920的流动。电势可以由例如图8A和图8C的偏置源840控制。图12示出了在器件1000(或器件1100)的不同操作周期期间沿着路径Z-Z’的电势分布的示例。为简单起见，仅示出了沟道区域922、N型区域912、势垒层914、N型区域906和衬底901处的电势。在周期1200(其可以对应于图10C的周期1010)中，衬底901可以被偏置在接地(ground)电压，使得势垒914和衬底901都可以具有相似的电势。同时，N型区域906和912的电势高于势垒914和沟道区域922，以俘获在N型区域处生成并存储的电荷。
在周期1202中，基于例如选择信号813，施加到衬底901的偏置电压可以从接地降低到负电压，而P阱908处的电势保持在接地电压。可以在衬底901和势垒层914之间形成电势梯度。负电压也可以完全耗尽存储在N型区域906处的电荷，并且电荷可以沿着电势梯度并经由势垒层914流入N型区域912。当转移信号814被断定有效并且沟道区域922处的电势增加时，电荷可以从N型区域912读出。通过调节衬底电压，势垒层914(由图8A和图8C的选择开关803表示)对于电荷从第二钉扎光电二极管到第一钉扎光电二极管的流动的控制效果也可以进行调整。
在图11A和图11B中，DTI结构1002可以被偏置以改善暗电流性能。例如，DTI结构1002可以被偏置在固定的负电压，以在硅二极管侧壁1003和衬底之间的交界面附近累积空穴。空穴的累积可以减少(第一钉扎光电二极管的)N型区域906中的暗电流。结果，可以进一步提高第一钉扎光电二极管处的入射光测量的精度。
图13A、图13B、图13C和图13D示出了包括多个像素单元器件1000的像素单元阵列1300的半导体器件的示例。图13A提供了像素单元阵列1300一个示例的侧视图，而图13B提供了像素单元阵列的前侧(例如，面向方向A的一侧)视图。如图13A所示，每个像素单元器件1000包括例如用于检测红外光的第一钉扎光电二极管(“IR-PD”)，以及例如用于检测可见光的第二钉扎光电二极管(“RGB-PD”)。每个像素单元器件1000还包括多晶硅栅极918以控制电荷的流动。IR-PD可以在P阱908中。第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管在衬底901上沿着沿A-A’轴的入射光的传播方向形成堆叠。图13A中未示出的其他处理电路(例如，测量模块608、感测控制器610等)可以被封装在N阱中以从衬底901屏蔽，从而确保当衬底901的偏置电压切换(toggle)时的正确操作。
此外，如图13A和图13B所示，为了提供对衬底901的接入(access)以施加偏置电压，可以形成一个或更多个P+区域1304，该P+区域1304从前侧延伸并与DTI结构平行行进，以到达像素阵列背侧(例如，面向A’的一侧)上的衬底901。P+区域1304可以包括高浓度的P型掺杂剂，以形成到衬底901的低电阻连接。如图13B所示，P+区域1304可以形成环结构，并且可以在像素单元阵列1300的前侧上提供触点1306，以将P+区域1304与覆盖在前侧上的金属互连部1308相连接。衬底901可以经由金属互连部1308接收偏置电压。偏置电压可以变化以改变势垒914和衬底901(和/或N型区域906)之间的电势差，或者如上所述可以是固定的。在一些示例中，也可以用小的正电压来使衬底901偏置，以提供用于RGB-PD的高光溢出保护(anti-blooming gate)。
进一步，像素单元阵列1300也包括DTI结构1002(其可以是像素单元器件1000的一部分并且在相邻像素单元器件之间共享)，以提供相邻像素单元器件的光电二极管之间的绝缘。在图13A的示例中，DTI结构1002可以从前侧制造。DTI结构可以从前侧延伸穿过IR-PD和RGB-PD的堆叠，并在衬底901处停止，以将DTI结构1002与衬底901隔离。DTI结构1002与衬底901的隔离可以避免施加到DTI结构1002的偏置电压(用于控制势垒层)干扰施加到衬底901的偏置电压(经由P+区域1304施加)。此外，DTI结构可以隔离每个像素单元器件1000的P阱908。如图13B所示，每个像素单元器件1000可以包括像素单元阵列1300前侧上的一个或更多个触点1302，以提供到像素单元器件的P阱908的电路径，从而使P阱能够接收偏置电压(例如，接地电压)来控制电荷的流动(如图12所示)。DTI结构也可以经由前侧上的触点和金属互连部来接收偏置电压(图13A和图13B中未示出)。如上所述，偏置电压可以变化以改变势垒914的电势，或者可以固定以减少暗电流的生成。在一些示例中，DTI结构的触点可以在每个像素定位处被提供，和/或可以在像素阵列外围上类似于P+区域1304的环结构中被提供。
图13C提供了像素单元阵列1300侧视图的另一个示例，而图13D提供了像素单元阵列的前侧(例如，面向方向A的一侧)视图。与图13A相比，每个像素单元器件1000包括检测红外光的第一钉扎光电二极管(“IR-PD”)和检测可见光的第二光电二极管(“RGB-PD”)。每个像素单元器件1000还包括多晶硅栅极918以控制电荷的流动。IR-PD可以在P阱908中。第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管在衬底901上沿着沿A-A’轴的入射光的传播方向形成堆叠。此外，可以形成一个或更多个P+区域1304，该P+区域1304从前侧延伸并与DTI结构平行行进，以到达像素阵列背侧(例如，面向A’的一侧)上的衬底901。P+区域1304可以包括高浓度的P型掺杂剂，以形成到衬底901的低电阻连接。
此外，像素单元阵列1300也包括DTI结构1002(其可以是像素单元器件1000的一部分并且在相邻像素单元器件之间共享)，以提供相邻像素单元器件的光电二极管之间的绝缘。但不同于图13A，在图13C的示例中，DTI结构1002没有到达衬底901。相反，DTI结构1002可以被延伸到衬底901的P型保护环1320包围。
P型保护环1320的形成可以提供许多优点。首先，在像素单元阵列1300被配置为背侧照明的器件以经由背侧(例如，面向方向A’的一侧)接收入射光的情况下，减小衬底901的厚度以增强衬底901对入射光的某个分量(例如，蓝光)的吸收可以是有利的，使得在RGB-PD处接收的可见光的强度可以被最大化。但是对于薄衬底，可能需要精确控制DTI结构1002的深度，使得DTI结构1002不会穿透到衬底901中(以避免DTI结构1002与衬底901短路，这将干扰衬底901的偏置)，而DTI结构1002可以将像素单元器件的IR-PD和RGB-PD与相邻像素单元器件的对应光电二极管封闭(并隔离)。通过添加保护环1320来封闭DTI结构1002，可以将DTI结构与衬底901隔离。此外，即使DTI结构1002不接触衬底901，保护环1320也可以隔离相邻像素单元器件1000的RGB-PD。因此，可以放松控制DTI结构1002的深度所需的精度。此外，保护环也可以减小所需的电压摆幅(例如，负电压摆幅)，以完全耗尽RGB-PD来进行电荷读出。可以通过注入来形成P型保护环1320，并且也可以放松注入深度的精度，只要P型保护环1320不接触RGB-PD和IR-PD之间的势垒层。
图14A和图14B示出了包括多个像素单元器件1000的像素单元阵列1400的示例。图14A提供了像素单元阵列1400的侧视图，而图14B提供了像素单元阵列的背侧(例如，面向方向A’的一侧)视图。如图14A所示，每个像素单元器件1000包括用于红外光检测的第一钉扎光电二极管(例如，“IR-PD”)和用于可见光检测的第二钉扎光电二极管(例如，“RGB-PD”)，以及用于控制电荷流动的多晶硅栅极918。IR-PD可以在P阱908中。图14A中未示出的其他处理电路(例如，数字化模块608、感测控制器610等)可以被封装在N阱中以从衬底901屏蔽，从而确保当衬底901的偏置电压切换时的正确操作。
此外，如图14A和图14B所示，像素单元阵列1400也包括DTI结构1002，以在相邻像素单元器件1000的钉扎光电二极管之间提供绝缘。在图14A的示例中，DTI结构1002可以从背侧制造。DTI结构可以从背侧延伸穿过第一光电二极管和第二光电二极管的堆叠，并在P阱908处停止。DTI结构不隔离每个像素单元器件1000的P阱908。每个像素单元的P阱908可以连接到公共衬底1402，并且可以(或者可以不)包括用于外部偏置连接的每个像素单元中的触点1302。然而，DTI结构隔离了每个像素单元器件1000的衬底901。为了提供对每个像素单元器件1000的衬底901的外部接入，可以在每个像素单元器件1000的衬底901处并在像素单元阵列1400的背侧上提供一个或更多个触点1404。可以提供金属互连部1406来与背侧上的触点1404连接。此外，像素单元阵列1400还包括从前侧延伸到背侧的一个或更多个硅通孔(TSV，through-silicon via)1407。TSV 1407可以提供在金属互连部1406和前侧上的金属互连部1408之间的电连接。偏置电压信号可以被施加到金属互连部1408，以改变每个像素单元器件1000的衬底901的偏置电压。偏置电压信号可以从金属互连部1408经由触点1410传输到TSV 1407，从TSV 1407经由触点1412传输到金属互连部1406，并且从金属互连部1406经由触点1404传输到衬底901。图14B示出了像素单元阵列1400背侧上的触点1412和1404以及金属互连部1406的示例。
在一些示例中(图13A-图14B中未示出)，DTI结构1002可以从前侧延伸到背侧，使得P阱908和衬底901在相邻的像素单元器件1000之间隔离。在这种情况下，像素单元阵列可以包括前侧上的触点(例如，触点1306)以提供对每个像素单元器件的P阱908的接入，以及背侧上的触点(例如，触点1404)以提供对每个像素单元器件的衬底901的接入。此外，在图13A-图14B的示例中，像素单元阵列器件的厚度可以被预先配置成当光在器件内传播时最大化可见光的某些颜色分量的吸收。
图15A-图15G示出了被配置为具有多个光电二极管的像素单元的半导体器件1500的示例。半导体器件1500可以形成图8E的像素单元860。半导体器件1500可以形成在P型衬底1501上，并且可以被配置为背侧照明的器件，以经由背侧(例如，面向方向A’的一侧)接收入射光902。半导体器件1500的背侧可以包括微透镜903、光学滤波器904和嵌入在绝缘层1504中的光学结构1502。入射光可以由微透镜903聚焦，并由光学滤波器904滤波。经过滤波的入射光可以包括与不同波长范围相关联的光分量902a(例如，可见光的颜色分量)和光分量902b(例如，红外光分量)。经过滤波的入射光可以沿着轴A-A’朝向前侧传播，并被光学结构1502分离。光学结构可以将光分量902a与光分量902b分离，并将不同的光分量投射到位于P型衬底1501内(例如，沿着轴Y-Y’)两个不同定位处的两个光电二极管。
如图15A所示，半导体器件1500包括嵌入P型衬底1501内的N型区域1506、势垒层1508和N型区域1510，以形成第一钉扎光电二极管(包括N型区域1506)和第二钉扎光电二极管(包括N型区域1510)。第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管可以沿着垂直于光902在例如光学结构1502内的传播方向(例如，沿着A-A’)的轴(例如，Y-Y’)并排布置。第一钉扎光电二极管可以被定位并被配置成接收例如来自光学结构1502的入射光的光分量902a(例如，可见光的颜色分量)，而第二钉扎光电二极管可以被定位并被配置成接收例如来自光学结构1502的入射光的光分量902b(例如，红外光)。势垒层1508被配置成在第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管之间提供隔离，并且可以包括，例如，部分P型衬底1501、DTI结构等。
半导体器件1500还包括器件前侧(例如，面向A的一侧)上的钉扎层1515、氧化物层1516、一对多晶硅栅极1518a和1518b、以及一对N型漏极1520a和1510b。漏极1520a可以被配置成存储由第一光电二极管(由N型层1506形成)生成的电荷，而漏极1520b可以被配置成存储由第二光电二极管(由N型区域1510形成)生成的电荷。从第一光电二极管(例如，N型区域1506)到漏极1520a的电荷流动可以由多晶硅栅极1518a控制，而从第二光电二极管(例如，N型层1510)到漏极1520b的电荷流动可以由多晶硅栅极1518b控制。钉扎层1515可以减少由氧化物层1516交界面处的耗尽引起的N型区域1506和1510中的暗电流。返回参考图8E，半导体器件1500的漏极1520a可以对应于测量电容器808a，半导体器件1500的漏极1520b可以对应于测量电容器808b，半导体器件1500的多晶硅栅极1518a可以对应于转移栅极806a，并且半导体器件1500的多晶硅栅极1518b可以对应于转移栅极806b。尽管半导体器件1500被示出为背侧照明的器件(入射光经由面向方向A’的背侧表面进入)，但是应当理解，半导体器件1500也可以被配置为类似于图9B的器件950的前侧照明的器件。
图15B-图15G示出了光学结构1502可以将光分量902a(例如，可见光)与光分量902b(例如，IR)分离并将不同的光分量投射到不同定位的机制的示例。例如，如图15B所示，光学结构1502可以包括棱镜1530，其可以通过折射来分离光分量。光902的折射可以发生在例如表面1532，其在光离开表面1552时改变光的传播方向。传播方向的改变取决于折射率，折射率可以是棱镜1550的材料以及光分量波长的函数。由于它们的不同波长，光902的不同光分量(包括光分量902a和902b)，可以经历其传播方向的不同程度的改变，这导致光分量902a和902b分别向N型区域1506和1510传播。
在一些示例中，如图15C所示，光学结构1502可以包括衍射光栅结构1540，该衍射光栅结构可以通过衍射分离光分量。衍射光栅结构1540可以包括例如透射光栅结构，该透射光栅结构包括多个凹槽(groove)，比如凹槽1542。当光902通过衍射光栅结构1540时，光902的不同分量可以在不同的偏离角度处具有相长干涉(constructive interferences)。例如，假设光902以角度θi入射到衍射光栅结构1540上，第m个衍射级的光分量的偏离角度θm可以基于以下方程与衍射光栅结构1540的相邻凹槽之间的距离a和光分量的波长入相关：
a[sin(θm)-sin(θi)]＝mλ (方程1)
对于特定衍射级(例如，一级)，不同波长的不同光分量(例如，902a和902b)相对于衍射光栅结构1540可以具有不同的偏离角度θm，这允许光分量902a和902b以不同的角度行进以到达N型区域1506和1510。
在一些示例中，如图15D所示，光学结构1502可以包括光栅结构1550，其对于光902的不同分量具有不同的光栅效率(gating efficiency)。例如，光学结构1502也可以包括光栅狭缝(gating slit)，每个狭缝的尺寸被配置为太小而不能衍射特定波长(例如，红外)的光，但是可以衍射较小波长(例如，可见光)的光。作为另一个示例，如图15D所示，光栅结构1550可以包括闪耀透射光栅(blazed transmission grating)，该闪耀透射光栅包括闪耀表面，闪耀表面被配置成朝向N型区域1506衍射光分量902b(例如，IR)，而光分量902a(例如，可见光的颜色分量)穿过光栅结构1550并进入N型区域1510。
在一些示例中，如图15E所示，光学结构1502可以包括光导(light guide)1560，光导1560可以分离光902的分量(例如，光分量902a和902b)，并将光分量投射到N型区域1506和1510。可以通过基于全内反射选择性俘获光分量来执行分离。如图15E所示，当光902进入光导1560时，由于不同的折射率(refractive indices)，光分量902a(例如，可见光)和902b(IR)经历不同程度的折射，其中光分量902b的折射小于光分量902a。不同的折射率可以归因于光分量的不同波长。由于光分量902a和902b经历不同程度的折射，折射的光分量902b可以沿着第一方向(由X标记)穿透经过光导1560到达N型区域1506，而折射的光分量902a可以在光导1560内经历全内折射，并且沿着第二方向(由Y标记)传播到达光学耦合器1562，光学耦合器1562可以将光分量902a导向N型区域1510。
图15F示出了光导1560的其他示例。如图15F所示，光导1560可以包括楔形表面1572，以增加光902的入射角，这可以导致光分量902a和902b的折射和分离。光分量902b可以穿透经过光导1560到达N型区域1506，而光分量902a可以经历全内折射并在光导1560内传播。光学耦合器1562可以附着在光导1560的边界上(在标记为A的位置)，以改变边界处的折射率比以及内部反射的临界角。光分量902a的全内反射可以在位置A处停止。光分量902a可以在位置A处离开光导1560并进入N型区域1510。
在一些示例中，如图15G所示，光学结构1502可以包括倾斜镜(tilted mirror)1580。倾斜镜1580允许光分量902b(IR)穿过以到达N型区域1506，同时反射光分量902a(可见光)远离。反射的光分量902a可以在另一个表面(例如在微透镜903处)再次反射。第二反射可以将光分量902a导向N型区域1510。
图16示出了用于执行场景成像的过程1600的流程图的实施例。过程1600可以由例如图9A的半导体器件900执行，半导体器件900包括具有光入射表面(例如，其上形成光学滤波器904的表面)的半导体衬底(例如，衬底901)。第一钉扎光电二极管(例如，包括钉扎层915、N型区域912和P阱908)和第二钉扎光电二极管(例如，包括衬底901和N型区域906)沿着垂直于光入射表面的轴在半导体衬底中形成堆叠。半导体器件900还包括电路，例如选择开关803、快门开关804和转移栅极806等，以控制由钉扎光电二极管生成的电荷的读出。半导体器件900还包括一个或更多个电容器(例如，测量电容器808、808a、808b等)来存储读出的电荷。
过程1600开始于步骤1602，其中半导体器件900通过半导体衬底的光入射表面接收光。光也可以被光学滤波器904滤波。
在步骤1604中，第一钉扎光电二极管将光的第一分量转换成第一电荷。第一分量可以对应于与红外光相关联的第一波长范围的光的分量。步骤1604也可以包括，例如，禁用半导体器件900的选择开关803、快门开关804和转移栅极806等，以使第一钉扎光电二极管能够累积第一电荷。
在步骤1606中，第二钉扎光电二极管将光的第二分量转换成第二电荷。第二分量可以对应于与可见光的颜色分量(例如，红色、绿色或蓝色之一)相关联的第二波长范围的光的分量。步骤1606也可以包括，例如，禁用半导体器件900的选择开关803、快门开关804和转移栅极806等，以使第二钉扎光电二极管能够累积第二电荷。
在步骤1608中，一个或更多个电容器分别基于第一电荷和第二电荷生成第一电压和第二电压。作为步骤1608的一部分，第一电荷可以经由转移栅极806从第一光电二极管转移到一个或更多个电容器(例如，图8A的电容器808、图8C的电容器808a和808b等)以产生第一电压。选择开关803可以在第一电荷转移期间被禁用，以防止第二光电二极管将第二电荷转移到一个或更多个电容器。在第一电荷的读出完成之后，可以启用选择开关803，以允许将第二电荷转移到一个或更多个电容器，从而产生第二电压。选择开关的禁用/启用可以包括，例如，调整第一光电二极管和第二光电二极管之间的势垒层处的电势，调整被配置为第二光电二极管的正端子的衬底的偏置电压，等等。
第一电压可以被提供给3D测量模块624，以生成表示像素单元和对象点之间的距离的第一数字值，而第二电压可以被提供给2D测量模块622，以生成表示从对其进行测距的对象的点反射的光的颜色分量的强度的第二数字值。
图17示出了用于执行场景成像的过程1700的流程图的实施例。过程1700可以由例如图15A的半导体器件1500执行，半导体器件1500包括半导体衬底(例如，衬底1501)和光入射表面(例如，形成绝缘层1504的表面)。第一钉扎光电二极管(例如，包括衬底1501和N型区域1506)可以沿着平行于光入射表面的轴邻近第二钉扎光电二极管(例如，包括衬底1501和N型区域1510)形成。半导体器件1500还包括光学结构(例如光学结构1502)，以将光分成第一分量和第二分量，并将光的第一分量导向第一钉扎光电二极管，将光的第二分量导向第二钉扎光电二极管。半导体器件1500还包括电路(例如快门开关804a和804b、转移栅极806a和806b等)，以控制由钉扎光电二极管生成的电荷的读出。半导体器件1500还包括存储读出电荷的第一电容器(例如，测量电容器808a)和第二电容器(测量电容器808b)。
过程1700开始于步骤1702，其中半导体器件1500通过光入射表面接收光。光也可以被光学滤波器904滤波。
在步骤1704中，光学结构将光的第一分量传输到第一钉扎光电二极管，并将光的第二分量传输到第二钉扎光电二极管。第一分量可以对应于与红外光相关联的第一波长范围的光的分量。第二分量可以对应于与可见光的颜色分量(例如，红色、绿色或蓝色之一)相关联的第二波长范围的光的分量。
在步骤1706中，第一钉扎光电二极管将光的第一分量转换成第一电荷。步骤1706也可以包括，例如，禁用半导体器件1500的快门开关804a、转移栅极806a等，以使第一钉扎光电二极管能够累积第一电荷。
在步骤1708中，第二钉扎光电二极管将光的第二分量转换成第二电荷。步骤1708也可以包括，例如，禁用半导体器件1500的快门开关804b、转移栅极806b等，以使第二钉扎光电二极管能够累积第二电荷。
在步骤1710中，第一电容器基于第一电荷生成第一电压。作为步骤1710的一部分，第一电荷可以经由转移栅极806a从第一钉扎光电二极管转移到第一电容器(例如，图8E的电容器808a等)以产生第一电压。
在步骤1712中，第二电容器基于第二电荷生成第二电压。作为步骤1712的一部分，第二电荷可以经由转移栅极806b从第二钉扎光电二极管转移到第二电容器(例如，图8E的电容器808b等)以产生第二电压。
第一电压可以被提供给3D测量模块624，以生成表示像素单元和对象点之间的距离的第一数字值，而第二电压可以被提供给2D测量模块622，以生成表示从对其进行测距的对象的点反射的光的颜色分量的强度的第二数字值。
本公开的实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不意图为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件和/或硬件中。
可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现所描述的步骤、操作或过程。在一些实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。
本公开的实施例也可以涉及用于执行所描述操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质、或者适于存储电子指令的任何类型的介质中，这些介质可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计以提高计算能力的体系结构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。
在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (18)

1.一种涉及图像传感器的装置，包括：
半导体衬底，其包括接收光的光入射表面；
第一钉扎光电二极管；
第二钉扎光电二极管，所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管沿着垂直于所述光入射表面的轴在所述半导体衬底中形成堆叠结构，所述堆叠结构使得所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管能够分别将所述光的第一分量和所述光的第二分量转换成第一电荷和第二电荷；
势垒层，所述势垒层夹在所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管之间；
一个或更多个电容器，其形成在所述半导体衬底中，并且被配置成：
在第一读出周期期间基于所述第一电荷生成第一电压，以及
在第二读出周期期间基于所述第二电荷生成第二电压；
一个或更多个控制结构，被配置为：在所述第一读出周期期间和所述第二读出周期期间，控制所述势垒层的第一电势与所述半导体衬底的第二电势之间的电势差；所述一个或更多个控制结构包括至少以下之一：
第一控制结构，其沿着第一轴线从所述半导体衬底的第一表面延伸到所述半导体衬底中，并且具有沿着垂直于所述第一轴线的第二轴线邻近势垒层的部分，所述第一控制结构被配置为向所述势垒层传导第一偏置电压以控制所述势垒层的所述第一电势，或
第二控制结构，其形成在所述半导体衬底的第二表面上并且经由电触点电连接到所述半导体衬底的所述第二表面，所述第二控制结构被配置为向所述半导体衬底传导第二偏置电压以控制所述半导体衬底的所述第二电势。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管中的每一个包括：
P型半导体层；以及
N型区域，其完全嵌入在所述P型半导体层内并与所述装置的其他部件隔离。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管中的每一个包括：
N型半导体层；以及
P型区域，其完全嵌入在所述N型半导体层内并与所述装置的其他部件隔离。
4.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述第一钉扎光电二极管被配置成将与红外光相关联的第一波长范围的光的光子转换成所述第一电荷；并且
其中，所述第二钉扎光电二极管被配置成将与可见光分量相关联的第二波长范围的光的光子转换成所述第二电荷。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管形成所述堆叠结构，使得(a)所述光穿过所述第二钉扎光电二极管到达所述第一钉扎光电二极管，或者(b)所述光穿过所述第一钉扎光电二极管到达所述第二钉扎光电二极管。
6.根据权利要求5所述的装置，
其中，所述第一钉扎光电二极管和所述势垒层形成可控传输路径的一部分，用于将所述第二电荷从所述第二钉扎光电二极管传输到所述一个或更多个电容器；
其中，所述装置还包括控制电路，所述控制电路被配置成：
在所述第一读出周期期间：
通过所述一个或更多个控制结构控制所述电势差使得所述势垒层：阻止来自所述第二钉扎光电二极管的第二电荷到达所述一个或更多个电容器，以及
将所述第一电荷从所述第一钉扎光电二极管转移到所述一个或更多个电容器，以生成所述第一电压；
以及
在所述第二读出周期期间：
通过所述一个或更多个控制结构控制所述电势差使得所述势垒层允许所述第二电荷从所述第二钉扎光电二极管经由所述第一钉扎光电二极管流动到所述一个或更多个电容器，以生成所述第二电压。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一控制结构包括一个或更多个深沟槽隔离DTI结构，所述DTI结构在所述半导体衬底内沿着所述第一轴线延伸；并且
其中，所述控制电路被配置成：基于在所述一个或更多个DTI结构处施加偏置电压来控制所述势垒层处的所述第一电势，以控制沿着所述第二轴线分布在所述势垒层的电场。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述控制电路被配置成基于施加在所述电触点上的偏置电压来控制所述半导体衬底的一部分处的所述第二电势，以控制所述势垒层和所述半导体衬底的包括所述第二钉扎光电二极管的所述部分之间的电势差。
9.根据权利要求8所述的装置，
其中，第二表面与所述第一表面相对。
10.根据权利要求9所述的装置，
其中，所述半导体衬底还包括沿着所述第一轴线从所述第二表面延伸的一个或更多个深沟槽隔离DTI结构；
其中，所述一个或更多个DTI结构不完全延伸穿过所述半导体衬底的所述部分，并且不到达所述第一表面；
其中，所述半导体衬底包括连接区域，所述连接区域沿着所述第一轴线延伸，并在所述第二表面上的所述电触点和所述半导体衬底的所述部分之间提供电连接；并且
其中，所述控制电路包括连接到所述第二表面上的电触点的电压源，以控制所述半导体衬底的所述部分处的第二电势。
11.根据权利要求9所述的装置，
其中，所述半导体衬底还包括沿着所述第一轴线从所述第一表面延伸的一个或更多个深沟槽隔离(DTI)结构；
其中，所述第一表面包括电触点；并且
其中，所述控制电路包括连接到所述第一表面上的电触点的电压源，以控制所述半导体衬底的所述部分处的电势。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个电容器包括一个电容器；并且
其中，所述装置被配置成在所述第一电荷的转移和所述第二电荷的转移之间复位所述一个电容器。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或更多个电容器包括第一电容器和第二电容器；
其中，所述第一电容器被配置成存储所述第一电荷；并且
其中，所述第二电容器被配置成存储所述第二电荷。
14.一种涉及图像传感器的装置，包括：
接收光的光入射表面；
第一钉扎光电二极管和第二钉扎光电二极管，所述第一钉扎光电二极管沿着平行于所述光入射表面的轴在半导体衬底中邻近所述第二钉扎光电二极管形成；
势垒层，所述势垒层夹在所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管之间；
光学结构，其被配置成将所述光的第一分量传输到所述第一钉扎光电二极管，并将所述光的第二分量传输到所述第二钉扎光电二极管，以使所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管能够分别将所述光的第一分量和所述光的第二分量转换成第一电荷和第二电荷；以及
第一电容器和第二电容器，其形成在所述半导体衬底中，并且被配置成：
在第一读出周期期间基于所述第一电荷生成第一电压，以及
在第二读出周期期间基于所述第二电荷生成第二电压；
一个或更多个控制结构，被配置为：在所述第一读出周期期间和所述第二读出周期期间，控制所述势垒层的第一电势与所述半导体衬底的第二电势之间的电势差；所述一个或更多个控制结构包括至少以下之一：
第一控制结构，其沿着第一轴线从所述半导体衬底的第一表面延伸到所述半导体衬底中，并且具有沿着垂直于所述第一轴线的第二轴线邻近所述势垒层的部分，所述第一控制结构被配置为向所述势垒层传导第一偏置电压以控制所述势垒层的所述第一电势，或
第二控制结构，其形成在所述半导体衬底的第二表面上并且经由电触点电连接到所述半导体衬底的所述第二表面，所述第二控制结构被配置为向所述半导体衬底传导第二偏置电压以控制所述半导体衬底的所述第二电势。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述光学结构包括衍射光栅结构，所述衍射光栅结构被配置成将所述光的第一分量与所述光的第二分量分离，并将所述光的第一分量和所述光的第二分量分别引导至所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管。
16.根据权利要求15所述的装置，还包括所述光入射表面上的微透镜；并且
其中，所述光学结构包括反射镜，所述反射镜被配置成将所述光的第一分量传输到所述第一钉扎光电二极管，并将所述光的第二分量朝向所述微透镜反射，以使所述微透镜将所述光的第二分量朝向所述第二钉扎光电二极管反射。
17.一种涉及图像传感器的方法，包括：
通过半导体衬底的光入射表面接收光；
由第一钉扎光电二极管将所述光的第一分量转换成第一电荷；
由第二钉扎光电二极管将所述光的第二分量转换成第二电荷，所述第二钉扎光电二极管与所述第一钉扎光电二极管沿着垂直于所述光入射表面的轴在所述半导体衬底中形成堆叠结构；
在第一读出周期中：
在一个或更多个控制结构处施加第一偏置电压以设置势垒层的第一电势与所述半导体衬底的第二电势之间的第一电势差，以阻止所述第二电荷进入所述第一钉扎光电二极管，所述势垒层夹在所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管之间，并且
将所述第一电荷转移到形成在所述半导体衬底中的一个或更多个电容器以产生第一电压；以及
在第二读出周期中：
在所述一个或更多个控制结构处施加第二偏置电压以设定所述势垒层的所述第一电势与所述半导体衬底的所述第二电势之间的第二电势差，以将所述第二电荷从所述第二钉扎光电二极管转移到所述一个或更多个电容器以产生第二电压，
其中，所述一个或更多个控制结构包括以下至少之一：
第一控制结构，其沿着第一轴线从所述半导体衬底的第一表面延伸到所述半导体衬底中，并且具有沿着垂直于所述第一轴线的第二轴线邻近所述势垒层的部分，所述第一控制结构被配置为向所述势垒层传导第一偏置电压以控制所述势垒层的所述第一电势，或
第二控制结构，其形成在所述半导体衬底的第二表面上并且经由电触点电连接到所述半导体衬底的所述第二表面，所述第二控制结构被配置为向所述半导体衬底传导第二偏置电压以控制所述半导体衬底的所述第二电势。
18.一种涉及图像传感器的方法，包括：
通过光入射表面接收光；
由光学结构将所述光的第一分量传输到第一钉扎光电二极管，并将所述光的第二分量传输到第二钉扎光电二极管，所述第一钉扎光电二极管沿着平行于所述光入射表面的轴在半导体衬底中邻近所述第二钉扎光电二极管形成；
由所述第一钉扎光电二极管将所述光的第一分量转换成第一电荷；
由所述第二钉扎光电二极管将所述光的第二分量转换成第二电荷；
在第一读出周期中：
在一个或更多个控制结构处施加第一偏置电压以设置势垒层的第一电势与所述半导体衬底的第二电势之间的第一电势差，以阻止所述第二电荷进入所述第一钉扎光电二极管，所述势垒层夹在所述第一钉扎光电二极管和所述第二钉扎光电二极管之间，并且
将所述第一电荷转移到形成在所述半导体衬底中的一个或更多个电容器以产生第一电压；以及
在第二读出周期中：
在所述一个或更多个控制结构处施加第二偏置电压以设定所述势垒层的所述第一电势与所述半导体衬底的所述第二电势之间的第二电势差，以将所述第二电荷从所述第二钉扎光电二极管转移到所述一个或更多个电容器以产生第二电压，
其中，所述一个或更多个控制结构包括以下至少之一：
第一控制结构，其沿着第一轴线从所述半导体衬底的第一表面延伸到所述半导体衬底中，并且具有沿着垂直于所述第一轴线的第二轴线邻近所述势垒层的部分，所述第一控制结构被配置为向所述势垒层传导第一偏置电压以控制所述势垒层的所述第一电势，或
第二控制结构，其形成在所述半导体衬底的第二表面上并且经由电触点电连接到所述半导体衬底的所述第二表面，所述第二控制结构被配置为向所述半导体衬底传导第二偏置电压以控制所述半导体衬底的所述第二电势。
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