CN111819695A - 光传感器及基于飞行时间的测距系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种光传感器(300)及相关基于飞行时间的测距系统。所述光传感器包括：半导体衬底(302)，具有第一面(302a)与第二面(302b)；光电二极管(PD)，设置于所述半导体衬底中且邻近所述第一面，所述光电二极管用于传感光线以产生电荷；第一浮置扩散区(FDN1)，设置于所述半导体衬底中且邻近所述第一面，用于在采样操作时，收集所述电荷；第一栅极，设置于所述半导体衬底上，用来选择性地控制所述电荷进入所述第一浮置扩散区；以及PIN二极管(304)，设置于所述光电二极管上；从俯视图来看，所述PIN二极管至少部分重叠所述光电二极管。

Description

光传感器及基于飞行时间的测距系统
技术领域
本申请涉及光传感器，尤其涉及一种具有PIN二极管的光传感器及相关基于飞行时间的测距系统。
背景技术
CMOS图像传感器已经得到大规模生产和应用。传统的图像传感器可以生成二维(2D)图像和视频，近来可以产生三维(3D)图像的图像传感器和系统受到广泛关注，这些三维图像传感器可以应用于脸部识别，增强现实(augmented reality，AR)/虚拟现实(virtual reality，VR)，无人机等。
现有的三维图像传感器的实现方式之一为基于飞行时间(time of flight，TOF)的距离测量技术，在此技术中，传感器的速度越快，准确度越高，因此，如何提升传感器的速度是本领域亟需解决的问题。
发明内容
本申请的目的之一在于公开一种光传感器以及相关基于飞行时间的测距系统，来解决上述问题。
本申请的一实施例公开了一种光传感器，包括半导体衬底和设置在所述衬底上的像素阵列，所述像素阵列包括多个像素，所述半导体衬底包括第一面和与其相对的第二面，其中所述每一像素包括：光电二极管，设置于所述半导体衬底且邻近所述第一面，所述光电二极管用于传感光线以产生电荷；第一浮置扩散区，设置于所述半导体衬底中且邻近所述第一面，用于在采样操作时，收集所述电荷；第一栅极，设置于所述半导体衬底上，用来选择性地控制所述电荷进入所述第一浮置扩散区；以及PIN二极管，设置于所述光电二极管上；其中所述光电二极管具有第一端与第二端，所述第一端面对所述第一浮置扩散区，所述第二端背对所述第一浮置扩散区；从所述半导体衬底的所述第一面，以垂直所述第一面且往所述第二面的方向来看，所述PIN二极管至少部分与所述光电二极管重叠。
本申请的一实施例公开了一种基于飞行时间的测距系统，包括：光脉冲产生单元，用于产生光脉冲信号；以及上述的光传感器，用于接收经目标物反射的所述光脉冲信号并产生对应的光感测信号；处理单元，用于根据所述光感测信号计算所述系统至目标物的距离。
本申请所公开的光传感器及相关基于飞行时间的测距系统利用PIN二极管来提升电子在像素的光电二极管中移动的速度，换句话说，提升了光传感器的速度，使基于飞行时间的测距系统的准确度上升。
附图说明
图1是本申请的基于飞行时间的测距系统的实施例的功能方框示意图。
图2为像素阵列中的其中一像素的实施例的示意图。
图3为本申请的光传感器的像素的光传感器的实施例的剖面图。
图4为图3的光传感器的俯视图。
图5为基于飞行时间的测距系统非操作在所述采样操作时，光传感器的电位图。
图6为基于飞行时间的测距系统操作在所述采样操作时，光传感器的电位图。
图7为本申请电子装置的实施例的示意图。
具体实施方式
图1是本申请的基于飞行时间的测距系统的实施例的功能方框示意图。基于飞行时间的测距系统100可用于探测目标物101与测距系统100之间的距离，需注意的是，目标物101与测距系统100之间的距离应小于或等于测距系统100的最大测量距离。举例来说(但本申请不限于此)，测距系统100可以是三维成像系统，其可采用时间飞行法来测量周遭目标物的距离，从而获得景深和三维图像信息。在此实施例中，测距系统100可实施为基于飞行时间的光学测距系统。
测距系统100可包括(但不限于)光脉冲产生单元102和光传感器103。光脉冲产生单元102可由发光单元来实施，以产生光脉冲信号EL。光脉冲信号EL可包括多个光脉冲。光脉冲产生单元102可以是(但不限于)激光二极管(laser diode，LD)、发光二极管(lightemitting diode，LED)或其他可以产生光光脉冲的发光单元。光传感器103用以对目标物101反射光脉冲信号EL所产生的反射信号RL进行传感与采样，以侦测测距系统100(或飞行时间光传感器130)与目标物101之间的距离。
光传感器103包括(但不限于)像素阵列104和读取电路105。像素阵列104包括多个像素(未绘示于图1)，读取电路105耦接至像素阵列104，用以对像素阵列104采样的结果进行进一步的处理。图2为像素阵列104中的其中一像素的实施例的示意图。如图2所示，像素204的光电二极管PD根据接收到的反射信号RL以产生对应的电荷。
像素204的开关MT1耦接于第一电荷输出电路2041和光电二极管PD之间，开关MT1根据第一电荷输出信号TX1的控制，以选择性地使第一电荷输出电路2041耦接于光电二极管PD，当第一电荷输出信号TX1控制开关MT1导通时，光电二极管PD的电荷会流入第一电荷输出电路2041的浮置扩散区FDN1，并通过第一电荷输出电路2041产生第一感测电压。像素204的开关MT2耦接于第二电荷输出电路2042和光电二极管PD之间，开关MT2根据第二电荷输出信号TX2的控制，以选择性地使第二电荷输出电路2042耦接于光电二极管PD，当第二电荷输出信号TX2控制开关MT2导通时，光电二极管PD的电荷会流入第二电荷输出电路2042的浮置扩散区FDN2，并通过第二电荷输出电路2042产生第二感测电压。其中第二电荷输出信号TX2和第一电荷输出信号TX1在不同时间导通，举例来说，第二电荷输出信号TX2和第一电荷输出信号TX1具有不同的相位，例如第二电荷输出信号TX2和第一电荷输出信号TX1的相位差为180度。
在本实施例中，像素204可另包括重置晶体管MP，但本申请不以此为限，重置晶体管MP耦接于光电二极管PD和第二电压V2之间，重置晶体管MP用来依据重置信号TXB选择性地重置光电二极管PD，以降低累积的非反射信号RL所产生的电荷对感测电压的影响，具体来说，在重置操作时，所述电荷进入第三浮置扩散区FDN3，以对光电二极管PD上的电荷进行清零。
在本实施例中，晶体管皆为N型晶体管，且第二电压V2大于第一电压V1，也就是说，图2的实施例中，像素204中的所有晶体管的极性均相同。但本申请不以此为限，在某些实施例中，像素204中的晶体管亦可以均为P型晶体管，且第一电压V1和第二电压V2的大小关系可作对应的调整。在某些实施例中，像素204中的晶体管可以同时具有N型晶体管和P型晶体管。
图3为本申请的光传感器103的像素204的光传感器的实施例的剖面图。图3所绘示的光传感器300仅包括像素204中部分的元件。具体来说，光传感器300包括半导体衬底302，具有第一面302a与第二面302b，光电二极管PD设置于半导体衬底302中且邻近第一面302a，光电二极管PD会传感光线以产生电荷。其中，像素204的受光面可以是第一面，也可以是第二面。在本实施例中，光电二极管PD受到轻度N型掺杂，且光电二极管PD中整体的N型掺杂浓度，无论从左往右，或从上往下，都是均匀的。光电二极管PD包括第一端301a与第二端301b，第一端301a和第二端301b为光电二极管PD与半导体衬底302之间的界面，第一端301a面对第一浮置扩散区FDN1，第二端301b背对第一浮置扩散区FDN1，因此。第一端301a较第二端301b更为邻近第一浮置扩散区FDN1，然而第一端301a并不直接相邻第一浮置扩散区FDN1，而是被半导体衬底302所隔开，也就是PD的N型掺杂区不与第一浮置扩散区FDN1直接相接。
浮置扩散区FDN1设置于半导体衬底302中且邻近第一面302a，用于在采样操作时，收集PD因受光照而产生的电荷。半导体衬底302还包括开关MT1的栅极G1，设置于半导体衬底302的第一面302a上，用来选择性地控制所述电荷从光电二极管PD进入第一浮置扩散区FDN1。栅极G1包括电极GE1与侧壁隔离件GS1，电极GE1耦接至第一电荷输出信号TX1，电极GE1可包括重度N型掺杂的多晶硅。栅极G1另包含介电层(例如包含氧化物等的绝缘层，未绘示于图中)设置于电极GE1和半导体衬底302的第一面302a之间。
半导体衬底302还包括二极管304设置于半导体衬底302的第一面302a上，例如是PIN二极管。在二极管304和半导体衬底302的第一面302a之间，设置有介电层(例如包含氧化物等的绝缘层，未绘示于图中)。应注意的是，二极管304并未绘示于图2的电路图中。在本实施例中，二极管304由多晶硅构成，且一部分的多晶硅受到重度N型掺杂形成N型区310，一部分的多晶硅受到重度P型掺杂形成P型区306，在多晶硅310和多晶硅306之间的多晶硅则没有经过掺杂形成本征区308，其中N型区310相较于P型区306更邻近第一浮置扩散区FDN1。其中，利用CMOS工艺在基底上长出多晶矽，再在两边分别用P型和N型掺杂得到二极管304，而中间没有掺杂的中性区为I，I具有一定厚度，在将二极管304反向偏置时可降低击穿发生。
图4为图3的光传感器的俯视图，图3的剖面图即是沿图4的剖面线L所得到。图4的俯视图包含开关MT2的栅极(包含电极GE2)、第二浮置扩散区FDN2、重置晶体管MP的栅极(包含电极GEP)和第三浮置扩散区FDN3。第一浮置扩散区FDN1、第二浮置扩散区FDN2和第三浮置扩散区FDN3皆位于光电二极管PD的同一侧，即靠近第一端301a的一侧。第三浮置扩散区FDN3位于第一浮置扩散区FDN1和第二浮置扩散区FDN2之间，以及电极GEP位于电极GE1和电极GE2之间。具体来说，由于第一浮置扩散区FDN1和第二浮置扩散区FDN2是会将各自于所述采样操作得到的电荷提供给第一电荷输出电路2041和第二电荷输出电路2042，因此第一浮置扩散区FDN1和第二浮置扩散区FDN2和光电二极管PD的相对位置以对称配置尤佳，以使所述电荷从光电二极管PD分别到第一浮置扩散区FDN1和第二浮置扩散区FDN2的距离和电场情况相等。
结合图3和图4来看，二极管304至少部分与光电二极管PD重叠，或者说所述二极管304与所述光电二极管在第一面或第二面上的投影至少部分重叠，在本实施例中，二极管304从光电二极管PD上方靠近第一端301a处向第二端301b延伸，且二极管304与光电二极管PD的第二端301b重叠。在图3、4所示的具体实施例中，如果按照二极管304与光电二极管PD在衬底上的投影关系来描述两者的位置关系，简单来讲就是二极管304没有覆盖住光电二极管PD靠近第一端301a的部分区域，但是覆盖住光电二极管PD的其他区域，包括第二端301b。本申请并不限制二极管304重叠光电二极管PD的范围，在某些实施例中，二极管304完全覆盖光电二极管PD。
二极管304耦接至偏置电压，当基于飞行时间的测距系统100运作时(包括所述采样操作及非采样操作)，二极管304被所述偏置电压反向偏置，即N型区310电压高于P型区306的电压，由于N型区310邻近第一端301a，P型区306邻近第二端301b，如此一来，二极管304可影响光电二极管PD中的电场，使第一端301a的电位能高于第二端301b。
图5为基于飞行时间的测距系统100非操作在所述采样操作时，光传感器302的电位图。如图5所示，横轴代表位置，纵轴代表电位(往下增加)，由于光电二极管PD受到二极管304影响产生了电位差，由第二端301b向第一端301a增加，因此电荷会往第一端301a移动，但由于此时开关MT1尚未被导通，即第一电荷输出信号TX1为低电压，因此所述电荷无法从光电二极管PD进入第一浮置扩散区FDN1。
图6为基于飞行时间的测距系统100操作在所述采样操作时，光传感器302的电位图。如图6所示，开关MT1被导通，即第一电荷输出信号TX1为高电压，因此光电二极管PD和第一浮置扩散区FDN1之间的电位屏障消失，所述电荷便从光电二极管PD进入第一浮置扩散区FDN1。
即使在本实施例中，光电二极管PD中整体的N型掺杂浓度都是均匀的，仍可仅仅依靠二极管304在光电二极管PD中制造的电场使光电二极管PD中所述电荷由第二端301b向第一端301a移动的速度变快，由于基于飞行时间的测距系统100是依据估算光的飞行时间来逆向推导出距离，若是光电二极管PD中所述电荷速度不够快，会使估算出的光飞行时间比实际的长，造成误差，因此，本申请将光电二极管PD中所述电荷由第二端301b向第一端301a移动的速度变快，可提升基于飞行时间的测距系统100的准确度，此外，反向偏置的二极管304具有很小的漏电流，因此不会为了在光电二极管PD中制造电场而增加太多功耗。本申请虽不限制二极管304重叠光电二极管PD的范围，但可理解的是，二极管304重叠光电二极管PD的范围越大，越能控制光电二极管PD中电场的形成。
然而，在某些实施例中，光电二极管PD中整体的N型掺杂浓度亦可以是不均匀的，例如N型掺杂浓度可以由第二端301b向第一端301a递增，以在光电二极管PD的第二端301b和第一端301a之间，制造更大的电位差，如此可更进一步提升所述电荷由第二端301b向第一端301a移动的速度。
图7为本申请电子装置的实施例的示意图。电子装置400用以进行测距，电子装置400包括光传感器103或基于飞行时间的测距系统100。其中，电子装置400可为例如智能型手机、个人数字助理、手持式计算机系统或平板计算机等任何电子装置。

Claims (15)

1.一种光传感器，包括半导体衬底和设置在所述衬底上的像素阵列，所述像素阵列包括多个像素，所述半导体衬底包括第一面和与其相对的第二面，其特征在于，所述每一像素包括：
光电二极管，设置于所述半导体衬底且邻近所述第一面，所述光电二极管用于传感光线以产生电荷；
第一浮置扩散区，设置于所述半导体衬底中且邻近所述第一面，用于在采样操作时，收集所述电荷；
第一栅极，设置于所述半导体衬底上，用来选择性地控制所述电荷进入所述第一浮置扩散区；以及
PIN二极管，设置于所述光电二极管上；
其中所述光电二极管具有第一端与第二端，所述第一端面对所述第一浮置扩散区，所述第二端背对所述第一浮置扩散区；
从所述半导体衬底的所述第一面，以垂直所述第一面且往所述第二面的方向来看，所述PIN二极管至少部分与所述光电二极管重叠。
2.如权利要求1所述的光传感器，其中所述PIN二极管是多晶硅材料制成。
3.如权利要求2所述的光传感器，其中所述多晶硅具有N型区、本征区以及P型区，其中所述N型区相较于所述P型区更邻近所述第一浮置扩散区。
4.如权利要求1所述的光传感器，所述PIN二极管与所述光电二极管的所述第二端重叠。
5.如权利要求4所述的光传感器，其中所述PIN二极管的所述P型区相较于所述N型区更邻近所述光电二极管的所述第一端，所述PIN二极管的所述N型区相较于所述P型区更邻近所述光电二极管的所述第二端。
6.如权利要求1所述的光传感器，其中在所述采样操作时，所述第一栅极耦接至第一偏置电压，在非所述采样操作时，所述第一栅极耦接至第二偏置电压，所述第一偏置电压高于所述第二偏置电压。
7.如权利要求1所述的光传感器，其中，所述光电二极管和所述浮置扩散区不直接相邻。
8.如权利要求1所述的光传感器，进一步包括：
第二浮置扩散区，设置于所述半导体衬底中且邻近所述第一面；以及
第二栅极，设置于所述半导体衬底上，用来选择性地控制所述电荷进入所述第二浮置扩散区；
其中所述光电二极管的所述第一端面对所述第二浮置扩散区。
9.如权利要求8所述的光传感器，进一步包括：
第三浮置扩散区，设置于所述半导体衬底中且邻近所述第一面，
用于在重置操作时，收集所述电荷；以及
第三栅极，设置于所述半导体衬底上，用来选择性地控制所述电荷进入所述第三浮置扩散区；
其中所述光电二极管的所述第一端面对所述第三浮置扩散区。
10.如权利要求9所述的光传感器，其中，所述第三栅极设于所述第一栅极和所述第二栅极之间。
11.如权利要求1所述的光传感器，其中所述光电二极管具有均匀的掺杂浓度。
12.如权利要求1-12任意一项所述的光传感器，其中所述光电二极管的掺杂浓度由所述第二端向所述第一端递增。
13.如权利要求1所述的光传感器，进一步包括介电层，所述介电层设置于所述PIN二极管和所述光电二极管之间。
14.如权利要求1-13任意一项所述的光传感器，其中所述PIN二极管被反向偏置，以使所述光电二极管的所述第一端的电位能高于所述第二端。
15.一种基于飞行时间的测距系统，包括：
光脉冲产生单元，用于产生光脉冲信号；
如权利要求1-14任意一项所述的光传感器，用于接收经目标物反射的所述光脉冲信号并产生对应的光感测信号；以及
处理单元，用于根据所述光感测信号计算所述系统至目标物的距离。
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