CN111710688A - 一种探测器像素单元、图像传感器和探测方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种探测器像素单元，包括：光电二极管，包括N型掺杂区域和表面P型掺杂区域；N型掺杂的浮动扩散节点；所述浮动扩散节点包含于P阱掺杂区中；具有转移功能的晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第一表面P型掺杂区，还包含位于所述第一表面P型掺杂区之下的第一N型掺杂区，所述第一N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N型掺杂区至所述浮动扩散节点的电子转移势垒，通过设置第一N型掺杂区和第一表面P型掺杂区保证了器件工作电压低功耗小的特点，也保证了光生电荷传输的可靠性。

Description

一种探测器像素单元、图像传感器和探测方法
技术领域
本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种探测器像素单元、图像传感器和探测方法。
背景技术
在探测技术领域越来越多的技术不断被推出，为了保证图像或者测距等应用领域的高效快速探测的目标信息，探测信息的获得效率也越来越受到关注，探测器的像素单元对于光的吸收率将直接影响探测器获得的图像质量或者测距过程中数据的准确性，通常这类型的探测器包含光电转化元件，其可将入射光转化成电信号，可以大致分为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)两种类型，其中CMOS是将电荷转化为每个单位像素的电压，并通过切换操作从信号线输出信号，通过上述两种光电转化器件的至少一种转化形成的光生电荷需要通过器件内部传输到浮动扩散节点上输出，在实际的器件使用过程中，传输栅的栅极施加一定的电压，会在栅极下方的像素区域上形成光电传输通道，这样在光电转化区域转化的光生电子会经过上述的光电传输通道转移至浮动扩散区，进而通过后续电路读出进一步进行处理可以获得需要的信息，包括图像信息和距离信息深度信息等等。在这种情况下需要在传输晶体管的栅极施加较大的电压，一方面会造成芯片内电路工作电压较高，器件之间的相互影响会变大对于现在越来越高集成度下器件的缩小将成为一个较大的制约因素，另一方面较高的电压意味着传感器的功耗较高芯片驱动需要较高的功耗。在目前的器件设计条件下，从器件的光电转化区将产生的光生电荷转移至浮动扩散节点时两个区域之间存在一个势垒，外加电源电压需要克服该势垒电压之后才能实现两者之间的导通，进而实现电荷的转移。在实际的使用过程中，尤其是针对于测距或者深度信息获取时，需要足够的光生电荷并保证足够高的转移速度来确保在测距过程中的电荷快速高效地转移，如果像之前的像素单元设计，电荷转移需要比较高的阈值电压，而且光生电荷区域至浮动扩散节点之间具有较高的夹断电压，这样就会导致在电压存在较大波动时传输通道被夹断的风险，这些因素会影响整个的光电转移效率。
因此，设计出一种能够降低光生电荷产生区域至浮动扩散节点之间电势垒保证器件工作的高效和可靠性是亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测器像素单元，以解决现有探测单元不能应对多目标高精度快速探测的技术问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供了一种探测器像素单元，包括：光电二极管，包括N型掺杂区域和表面P型掺杂区域；N型掺杂的浮动扩散节点；所述浮动扩散节点包含于P阱掺杂区中；具有转移功能的晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第一表面P型掺杂区，还包含位于所述第一表面P型掺杂区之下的第一N型掺杂区，所述第一N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N型掺杂区至所述浮动扩散节点的电子转移势垒。
可选地，所述第一N型掺杂区至少一端与所述浮动扩散节点或所述光电二极管的N型掺杂区连接，在所述具有转移功能晶体管所在区域投影面积超过所述转移晶体管的一半。
可选地，所述第一N型掺杂区连通所述浮动扩散节点和所述光电二极管的N型掺杂区。
可选地，所述第一表面P型掺杂区连接所述表面P型掺杂区域和所述浮动扩散节点。
可选地，所述第一表面P型掺杂区的P型材料掺杂浓度小于所述表面P型掺杂区域的P型材料掺杂浓度。
可选地，所述第一N型掺杂区的N型材料掺杂浓度小于所述光电二极管的N型掺杂区的N型材料掺杂浓度。
可选地，还包含N型掺杂区的第二浮动扩散节点；所述第二浮动扩散节点包含于第二P阱掺杂区中；具有转移功能的第二晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第二表面P型掺杂区，还包含位于所述第二表面P型掺杂区之下的第二N型掺杂区，所述第二N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N型掺杂区至所述第二浮动扩散节点的电子转移势垒。
可选地，所述两个晶体管在至少部分相同的时间段内具有不同的驱动电平。
可选地，所述具有转移功能的第一和第二晶体管具有相同的高电平，且在至少部分相同的时间段内所述两个晶体管只有一个晶体管处于高电平。
第二方面，本申请实施例提供了一种包含由第一方面探测器像素单元组成的接收阵列的图像传感器，所述图像传感器包括：
光电二极管，包括N型掺杂区域和表面P型掺杂区域；N型掺杂的浮动扩散节点；所述浮动扩散节点包含于P阱掺杂区中；具有转移功能的晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第一表面P型掺杂区，还包含位于所述第一表面P型掺杂区之下的第一N型掺杂区，所述第一N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N掺杂区至所述浮动扩散节点的电子转移势垒。
可选地，还包含N型掺杂区的第二浮动扩散节点；所述第二浮动扩散节点包含于第二P阱掺杂区中；具有转移功能的第二晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第二表面P型掺杂区，还包含位于所述第二表面P型掺杂区之下的第二N型掺杂区，所述第二N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N型掺杂区至所述第二浮动扩散节点的电子转移势垒。
第三方面提供一种利用第二方面的图像传感器获取三维图像信息的探测方法，包括光源，用于发出发射光以照亮被探测物；
控制器，能发出控制命令使所述光源发出发射光；
图像传感器，能接收返回光信息；
所述控制器还能够控制所述图像传感器中的所述两个晶体管，在与所述光源发出发射光不同的相位延时控制下传输至少部分所述光电二极管生成的光生电子至所述第一或第二浮动扩散节点。
本申请的有益效果是：
一种探测器像素单元，包括：光电二极管，包括N型掺杂区域和表面P型掺杂区域；N型掺杂区的浮动扩散节点；所述浮动扩散节点包含于P阱掺杂区中；具有转移功能的晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第一表面P型掺杂区，还包含位于所述第一表面P型掺杂区之下的第一N型掺杂区，所述第一N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N型掺杂区至所述浮动扩散节点的电子转移势垒；如此，浮动扩散节点设置于P阱之中保证了光生电荷产生之后不会直接传递至浮动扩散区消除背景光的影响，栅极下方的氧化层和P型参杂层能保证电荷不会溢出器件表面保证钳位的可靠性，在上述掺杂区之下成型第一N型参杂区，该N型掺杂区直接辅助栅极，不用施加过大的电压来形成反型层，这样设置的N型掺杂区具有降低电荷生成部和浮动扩散区的电子转移势垒，上部的P型掺杂区也保证了器件具有一定的势垒而非直接无势垒的状态，也解决了整个器件传递电荷可靠性和高效率工作的特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种像素单元结构示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种像素单元结构示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种像素单元结构示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种像素单元结构示意图；
图5为本申请实施例提供的又一种像素单元结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种采用本方案的像素单元效果示意图；
图7为本申请实施例提供的另一种采用本方案的像素单元效果示意图；
图8本申请实施例提供的又一种采用本方案的像素单元效果示意图；
图9为本申请实施例提供的一种系统示意图；
图10为本申请实施例提供的另一种系统示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
图1为本申请提出的一种像素单元的实施方案，其中光电转化部101，在其表面形成钳位的P++层102，本方案的器件为一种示例，此处也以图1的像素单元为例具体进行描述，并不限定为本方案的结构。在探测系统中光源发出发射光，所述发射光经过视场内被探测物之后，会形成返回光，返回光经过探测系统的探测模块接收，具体而言对于一个像素单元如图1结构，返回光可以在光电转化部101处被吸收，从而产生光生电荷，此处的光源可以为结构光或者激光此处并不限定，例如此处以测距的像素单元为例，返回的激光在光电转化部101被吸收，为了保证器件对于红外类型的激光有足够的吸收光电转化部需要有更深的吸收深度，对于测距类型的像素单元其外延层设计需要在20μm以上保证器件对于红外激光的足够的吸收，返回光入射至光电转化部101后，由于该区域具有的光电转化效应，光子在此区域被光电转化部101吸收，进而生成光生电荷，所述光生电荷可以为光生电子也可以为光生电荷空穴，此处并不限定，以光生电子进行说明，实施例1中的光电转化部101为N型掺杂区，衬底可以选择P型衬底，由于衬底层的存在背景光等产生的电子不能直接转移至浮动扩散区106，这样保证了测距和图像获取的可靠性，进一步浮动扩散区106，设置在P阱107中，P阱也是一种通过掺杂P型材料来形成的阱陷区域，浮动扩散区域106可以通过掺杂与光电转化部相同的掺杂材料来形成，为了保证器件的表面形成可靠的钳位，以避免生成的光生电荷溢出器件表面，在器件的表面掺杂与所述光电转化部101不同的P型材料，形成P++型钳位层102，传统的传输栅或者具有传输功能的器件104设置在光电转化部101和浮动扩散部106之间，通过在具有传输功能的器件栅极施加电压，当电压增加超过一定的阈值时设置在光电转化部101和浮动扩散节点106之间的P型衬底形成反型层，这样就构筑了一条光电转化部101和浮动扩散节点106之间的通道，在光电转化部101产生的光生电子可以通过形成的通道转移至浮动扩散节点106，浮动扩散节点106连接至后续的电路，完成获得返回光信息转移读出的整个信息处理过程。但是传统的器件由于需要在器件中形成反型层，需要克服较大的夹断电压，这样器件需要的操作电压较高，功耗也较大，当电源存在一定降低时很容易产生夹断现象导致光生电子转移不充分，本发明以这一问题为契机，提出了一种新型的结构，在所述的具有转移功能的器件104的下部设置第一N型掺杂区105，第一N型掺杂区105由于其掺杂的材料与光电转化部101和浮动扩散节点106掺杂材料相同，不需要通过增加过高的电压以形成反型层，因为在器件结构上已经预先搭建了电子转移通道，第一N型掺杂区105从物理角度直接降低了所述光电二极管N型掺杂区也就是光电转化部101至浮动扩散节点106的电子转移势垒，为了保证施加电压时器件的可靠性和预设电压能够可靠地作用于第一N型掺杂区需要在所述的具有转移功能的器件104之下设置第一表面P型掺杂区103，进一步为了保证背景光等产生的电子不被直接转移至浮动扩散节点所述第一N型掺杂区105的N型材料掺杂浓度小于光电转化部101和/或浮动扩散节点106的N型材料掺杂浓度，这样电子不能直接转移至浮动扩散节点，光电转化部101和所述的浮动扩散节点106之间虽然依旧存在势垒但是势垒小于之前设计的器件的势垒。进一步，为了保证第一表面P型掺杂区103不会与所述第一N型掺杂区105形成过大的节点电压，以保证具有转移功能的器件104不至于需要克服过大的节电压，第一表面P型掺杂区103的P型材料掺杂浓度小于表面钳位层102掺杂的P型材料浓度，这样一方面保证了表面不至于在较低电压下直接在具有转移功能的器件104之下直接形成小的反型层使得预定电压不能施加至所述第一N型掺杂区105而不能够保证电子转移通道的稳定和宽度以快速高效传递电荷，另一方面也产生了由于设置了第一N型掺杂区105而产生的表面电荷溢出等等缺陷，因此更进一步地第一表面P型掺杂区103的P型材料掺杂浓度需要大于所述P型衬底的P型材料掺杂浓度。更进一步为了保证电荷传递的高效性所述光电转化部101的掺杂浓度可以小于所述浮动扩散节点的掺杂浓度，当然两者也可以相等，这样梯度设计的效率提升也可以不作为主要发明点来考虑。进一步，为了保证具有转移功能的器件104具有更小更可靠的工作电压，所述第一表面P型掺杂区103的掺杂深度小于第一N型掺杂区105的掺杂深度，为了保证传递效率也同时为了保证整个器件不会受到背景光等其他光生电荷的影响或者其余因素的器件可靠性要求，本发明的第一N型掺杂区105掺杂深度小于浮动扩散节点106的掺杂深度。
图2为本申请提出的另一种像素单元的实施方案，与图1编号对应的器件各个区域功能与设计考虑因素是类似的此处不再详细赘述，与图1不同在于所述的第一N型掺杂区205和/或第一表面P型掺杂区203不为连通所述光电转化部201和浮动扩散节点206的结构，这样一方面能够保证一定的夹断电压或者一定程度的势垒，另一方面也降低了器件的势垒，为了保证所述势垒降低效应，第一N型掺杂区205和/或第一表面P型掺杂区203需要保证足够的区域，从所述具有转移功能的器件204所在面来看，第一N型掺杂区205和/或第一表面P型掺杂区203的投影面积需要大于所述具有转移功能的器件204面积的一半，从截面图来看，需要保证第一N型掺杂区205和/或第一表面P型掺杂区203的截至线大于所述具有转移功能的器件204的中心线。
图3为本申请提出的另一种像素单元的实施方案，与图1和图2编号对应的器件各个区域功能与设计考虑因素是类似的此处不再详细赘述，与上述两个实施例不同在于所述第一N型掺杂区305和第一表面P型掺杂区303均不直接连通所述光电转化部301和浮动扩散节点306，两者具有相同的截面积，从截面图来看，第一N型掺杂区305和第一表面P型掺杂区303的截至线相同且大于所述具有转移功能的器件304的中心线，两者均只连接所述光电转化部301接近侧而不与浮动扩散节点306连通。
图4为本申请提出的另一种像素单元的实施方案，与图1、图2和图3编号对应的器件各个区域功能与设计考虑因素是类似的此处不再详细赘述，与上述各个实施例不同在于所述第一N型掺杂区405和第一表面P型掺杂区403均不直接连通所述光电转化部401和浮动扩散节点406，从截面图来看，第一N型掺杂区405和第一表面P型掺杂区403的截至线相同且大于所述具有转移功能的器件404的中心线，两者均只连接所述浮动扩散节点406而不连接所述光电转化部401接近侧。
图5为本申请提出的另一种像素单元的实施方案，与之前附图编号对应的器件各个区域功能与设计考虑因素是类似的此处不再详细赘述，与上述各个实施例不同在于此器件具有至少两个具有传输功能的器件504a和504b，与之相配套有两个浮动扩散节点，和第一N型掺杂区505a、第一表面P型掺杂区403a、第二N型掺杂区505b、第一表面P型掺杂区503b、可以直接应用于TOF类型的测距中更进一步直接应用于ITOF的测距中可以由两个具有传输功能的器件504a和504b输出不同的相位延时返回光信息以保证测距的高效性。
图6为本申请实施例提供的一种采用本方案的像素单元效果示意图，采用之前的方案由于需要施加较高的电压克服较高的势垒形成反型层，本方案在衬底层直接形成物理结构的第一N型掺杂区，因此和现有技术相比本方案可以获得几百毫伏到之前施加电压的一半这一区间的电压降低，保证了器件工作可靠性的同时降低了器件的功耗。
图7为本申请实施例提供的另一种采用本方案的像素单元效果示意图，示意了一种应用于两个具有传输功能的器件的方案时序设计，两个具有传输功能的器件均具有更低的工作电压，两个具有传输功能的器件按照至少部分时间段内可逆设计布置，这样可以保证两个不同相位延时信息快速高效接收，这种设计类似于跷跷板结构，两边共同作用时可以只在一边施加更小的电压，此时设计电压甚至可以降为现有技术施加电压的一半以上。
图8为本申请实施例提供的又一种采用本方案的像素单元效果示意图，该示意图示意了一种非理想方波情况，施加的电压上升过程为一种具有一定斜率的方式。
图9为本申请实施例提供的一种采用本方案的像素单元的系统示意图，在这一系统中具有传输功能的器件可以为TX1和TX2，该系统可以有两个具有传输功能的器件输出不同相位延时信号对应的返回光信息。
图10为本申请实施例提供的一种采用本方案的像素单元的系统示意图，在这一系统中具有传输功能的器件可以为TX1和TX2，其中还包含具有调制解调功能的晶体管PG1和PG2，所述四个晶体管均具有传输转移电子的功能，当然这几个不同的晶体管也可按照本发明的思路均设置为势垒较低的方案，该系统可以有两个具有传输功能的器件输出不同相位延时信号对应的返回光信息，不同延时相位由不同的具有传输功能的器件利用至少部分时间段内互逆的信号控制，这样可以保证可靠的光生电子输出，进一步将该输出信号应用于测距中保证了器件可以高效快速地获得视场内被探测目标物的距离或者深度信息，进而获得三维图像信息。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种探测器像素单元，包括：光电二极管，包括N型掺杂区域和表面P型掺杂区域；N型掺杂的浮动扩散节点；所述浮动扩散节点包含于P阱掺杂区中；具有转移功能的晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第一表面P型掺杂区，还包含位于所述第一表面P型掺杂区之下的第一N型掺杂区，所述第一N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N型掺杂区至所述浮动扩散节点的电子转移势垒。
2.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述第一N型掺杂区至少一端与所述浮动扩散节点或所述光电二极管的N型掺杂区连接，在所述具有转移功能晶体管所在区域投影面积超过所述转移晶体管的一半。
3.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述第一N型掺杂区连通所述浮动扩散节点和所述光电二极管的N型掺杂区。
4.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述第一表面P型掺杂区连接所述表面P型掺杂区域和所述浮动扩散节点。
5.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述第一表面P型掺杂区的P型材料掺杂浓度小于所述表面P型掺杂区域的P型材料掺杂浓度。
6.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述第一N型掺杂区的N型材料掺杂浓度小于所述光电二极管的N型掺杂区的N型材料掺杂浓度。
7.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，还包含N型掺杂区的第二浮动扩散节点；所述第二浮动扩散节点包含于第二P阱掺杂区中；具有转移功能的第二晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第二表面P型掺杂区，还包含位于所述第二表面P型掺杂区之下的第二N型掺杂区，所述第二N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N型掺杂区至所述第二浮动扩散节点的电子转移势垒。
8.如权利要求7所述的探测器像素单元，其特征在于，所述两个晶体管在至少部分相同的时间段内具有不同的驱动电平。
9.如权利要求7所述的探测器像素单元，其特征在于，所述具有转移功能的第一和第二晶体管具有相同的高电平，且在至少部分相同的时间段内所述两个晶体管只有一个晶体管处于高电平。
10.一种图像传感器，包含如权利要求1所述的探测器像素单元组成的接收阵列，包括：光电二极管，包括N掺杂区域和表面P型掺杂区域；N型掺杂的浮动扩散节点；所述浮动扩散节点包含于P阱掺杂区中；具有转移功能的晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第一表面P型掺杂区，还包含位于所述第一表面P型掺杂区之下的第一N型掺杂区，所述第一N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N型掺杂区至所述浮动扩散节点的电子转移势垒。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，还包含N型掺杂区的第二浮动扩散节点；所述第二浮动扩散节点包含于第二P阱掺杂区中；具有转移功能的第二晶体管，包含栅极，栅极下方的氧化层，所述氧化层下方还包含第二表面P型掺杂区，还包含位于所述第二表面P型掺杂区之下的第二N型掺杂区，所述第二N型掺杂区用于降低所述光电二极管的N型掺杂区至所述第二浮动扩散节点的电子转移势垒。
12.一种使用权利要求11所述的图像传感器获取三维图像信息的探测方法，其特征在于，光源，用于发出发射光以照亮被探测物；
控制器，能发出控制命令使所述光源发出发射光；
图像传感器，能接收返回光信息；
所述控制器还能够控制所述图像传感器中的所述两个晶体管，在与所述光源发出发射光不同的相位延时控制下传输至少部分所述光电二极管生成的光生电子至所述第一或第二浮动扩散节点。
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