CN112114319A - 光侦测装置以及电流再利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光侦测装置以及一种电流再利用方法，其中，该光侦测装置包含一第一光侦测器、一第二光侦测器、一第一调变信号产生电路以及一第二调变信号产生电路。该第一光侦测器用来依据一第一调变信号产生至少一第一侦测信号，而该第二光侦测器用来依据一第二调变信号产生一第二侦测信号。该第一调变信号产生电路耦接至该第一光侦测器并且操作于一第一电压以及一第二电压之间，且用来产生该第一调变信号。该第二调变信号产生电路耦接至该第二光侦测器并且操作于该第二电压与一第三电压之间，且用来产生该第二调变信号。该第二电压的值介于该第一电压与该第三电压之间。

Description

光侦测装置以及电流再利用方法
技术领域
本发明关于飞时测距(time of flight,ToF)应用，尤指一种具备电流再利用机制的光侦测装置(apparatus)以及电流再利用方法。
背景技术
在一飞时测距传感器中，光侦测器为基本的元件(device)，并且可集体形成一像素阵列以侦测反射光的抵达时间，以判断该飞时测距传感器与一目标物体之间的距离。通常在这个像素阵列中的全部的光侦测器是直接地耦接至一低压降(low-dropout,LDO)稳压器产生的一低压降电压，其中在这个低压降稳压器下的功耗是基于其输出电压及负载来决定。在这个概念下，当该飞时测距传感器需要高分辨率的像素阵列时，在这个低压降稳压器下会需要加入更多的光侦测器，而持续增加整体的功耗。
一种降低功耗的方式是直接的最小化该低压降稳压器的输出电压，然而，这个方式会牺牲光侦测器的解调对比(demodulation contrast,Cd)。另外，通过单纯降低直流对直流(direct current to direct current,DC-DC)电压来调整功耗无法解决电流突波(current spike)的问题，例如最大电流突波仍然很高。
有鉴于此，需要一种新颖的解决方案来降低整体功耗并且降低光传感器的电流突波。
发明内容
本发明的一目的在于降低整体功耗并且降低光传感器的电流突波，而本发明提供了下列实施例以达到此目的。
本发明一实施例提供一种光侦测装置，其包含一第一光侦测器、一第二光侦测器、一第一调变信号产生电路以及一第二调变信号产生电路。该第一光侦测器属于一第一列(column)，而该第一光侦测器用来依据一第一调变信号产生至少一第一侦测信号。该第二光侦测器耦接至该第一光侦测器并且属于一第二列，而该第二侦测器用来依据一第二调变信号产生一第二侦测信号。该第一调变信号产生电路耦接至该第一光侦测器且操作于一第一电压与一第二电压之间，而该第一调变信号产生电路用来产生该第一调变信号。该第二调变信号产生电路耦接至该第二光侦测器且操作于该第二电压与一第三电压之间，而该第二调变信号产生电路用来产生该第二调变信号。另外，该第二电压的值介于该第一电压与该第三电压之间，且该第一光侦测器的输出电流被该第二光侦测器再利用。
本发明一实施例提供一种电流再利用方法，其包含下列步骤：利用一第一光侦测器的多个第一输入端子来接收多个第一调变信号，并且利用该第一光侦测器的多个第一输出端子来输出多个第一侦测信号；利用一第二光侦测器的多个第二输入端子来接收多个第二调变信号，并且利用该第二光侦测器的多个第二输出端子来输出多个第二侦测信号；利用一第一调变信号产生电路来产生该多个第一调变信号；利用一第二调变信号产生电路来产生该多个第二调变信号；以及产生一电流流过该第一调变信号产生电路、该多个第一输入端子、该第二调变信号产生电路以及该多个第二输入端子。
本发明的一优势在于电流再利用系统不仅能加倍整体运作效率，亦能有效地消除电流突波问题。此外，本发明所提供的方法以及架构不会大幅增加成本，而能够以经济的方式达到目标。
附图说明
图1A为一光侦测装置100的示意图。
图1B针对图1A所示的光侦测装置展示一电流路径。
图2为一包含读出电路以及电流缓冲晶体管的光侦测器的一剖面图。
图3为一包含读出电路以及电流缓冲晶体管的光侦测器的一剖面图。
图4为依据本发明一实施例的用于一光侦测装置的一电流再利用方法的流程图。
附图标记说明：100-光侦测装置；101,102-调变信号产生电路；111,112-光侦测器；113-低压降稳压器；1011,1012,1021,1022-缓冲电路；160-隔离单元；170-电容器；111A,111B,112A,112B-输入端子；111C,111D,112C,112D-输出端子；SI11,SI12,SI21,SI22-调变信号；SO11,SO12,SO21,SO22-侦测信号；CKP,CKN-频率信号；V1,V2,V3-电压；C-收集区域；M-调变区域；200-架构；201-硅区域；1501,1502-读出电路；130-电流缓冲晶体管；140-重置晶体管；300-架构；301-锗区域；111’-光侦测器；401,402,403,404,405-步骤。
具体实施方式
在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请参考图1A，其为一光侦测装置100的示意图。光侦测装置100包含一低压降稳压器113、一第一光侦测器111、一第二光侦测器112、一第一调变信号产生电路101、一第二调变信号产生电路102、一隔离单元160以及一电容器170。低压降稳压器113用来产生一第一电压V1以对第一调变信号产生电路101进行偏压(bias)。用来对第二调变信号产生电路102进行偏压的第二电压V2可通过第一调变信号产生电路101来产生。尤其，本发明将奇数列(odd-column)的像素(以「Pixel_o」标记)的输出电流重新导向至偶数列(even-column)的像素(以「Pixel_e」标记)，以使该输出电流被该偶数列的像素再利用(例如，由光侦测器111输出的电流能被光侦测器112再利用)。在这个运作下，电流的峰值可被减少为一半。例如，该奇数列的像素的操作电压的范围可为1.2V～0.6V，而该偶数列的像素的操作电压的范围可为0.6V～0V。
基于上述概念所做的某些调整亦隶属于本发明的范畴。例如，通过将该奇数列的像素的操作电压的范围设定为高于该奇数列的像素的操作电压的范围，自该偶数列的像素输出的电流可被该奇数列的像素再利用。如此一来，该偶数列的像素的操作电压的范围可为1.2V～0.6V，而该奇数列的像素的操作电压的范围可为0.6V～0V。
于本实施例中的隔离单元160用来提供像素对像素之间的隔离，以避免像素之间的漏电流。隔离单元160可使用掺杂(doping)隔离、背侧深沟槽隔离(back-side deeptrench isolation,BDTI)、或任意其他替代方案以达到隔离的效果。
第一调变信号产生电路101用来产生调变信号SI11及SI12于输入端子111A及111B上，其中第一调变信号产生电路101操作在第一电压V1与第二电压V2之间的电压。在本实施例中，低压降稳压器113耦接至一直流对直流(direct current to direct current,DC-DC)电源供应器，例如，提供1.8V直流电压。一0.6V中功率导轨(mid-power rail)可被用于奇/偶数列的像素的驱动器。例如，第一电压V1可被设置为1.2V而第二电压V2可被设置为0.6V。以此方式，调变信号SI11及SI12可在1.2V与0.6V之间摆动(swing)/变动。
又例如，第二电压V2可被设计成第一电压V1与第三电压V3的中间位准(例如V1＝1.2V、V2＝0.6V且V3＝0V)，或者第二电压V2可被设计成于第一电压V1与第三电压V3之间且该中间位准以外的电压(例如V1＝1.2V、V2＝0.8V且V3＝0V)等。
第二调变信号产生电路102用来产生调变信号SI21及S22于输入端子112A及112B上，其中第二调变信号产生电路102操作在第二电压V2与第三电压V3之间。在本实施例中，第二电压V2可被设置为0.6V而第三电压V3可被设置成0V。在此方式下，调变信号SI21及SI22可在0.6V与0V之间摆动/变动。
符号「C」代表一收集区域，而「M」代表一调变区域。输入端子111A、111B、112A及112B分别用来接收调变信号SI11、SI12、SI21及SI22，输出端子111C、111D、112C及112D用来收集于第一光侦测器111及第二光侦测器112内的光生(photo-generated)电子电洞载体并且据以输出侦测信号SO11、SO12、SO21及SO22。在一例子中，输入端子111A、111B、112A及112B可被掺杂(doped)或不掺杂(un-doped)，例如输入端子111A、111B、112A及112B可用N型或P型掺杂物(dopant)来掺杂。在一例子中，输出端子111C、111D、112C及112D可被掺杂，例如输出端子111C、111D、112C及112D可用N型或P型掺杂物来掺杂。
本实施例仅展示一个两像素(two-pixel,2x)的堆栈架构(例如光侦测装置100在一电流路径上堆栈两个像素)，但本发明不限于此，而一更高程度(>2x)的像素堆栈设计(例如三像素(three-pixel,3x)或四像素(four-pixel,4x)堆栈)也是可能的实施方式。例如，其中一个方式为设计操作在1.2V电压空间的一个四像素堆栈架构，其中其内的一第一像素操作在1.2V与0.9V之间，其内的一第二像素操作在0.9V与0.6V之间，其内的一第三像素操作在0.6V与0.3V之间，而其内的一第四像素操作在0.3V与0V之间；以及至少一电流自该第一像素流至该第四像素。
在一例子中，第一调变信号产生电路101可包含缓冲电路1011及1012，而第二调变信号产生电路102可包含缓冲电路1021及1022。在一例子中，缓冲电路1011、1012、1021及1022可通过利用互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)反向器来实施。另外，在缓冲电路1011、1012、1021及1022中的金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)可为三井(triple well)金属氧化物半导体场效晶体管，例如该三井金属氧化物半导体场效晶体管可通过加入一深N型井(deep N-well)来实施。
第一光侦测器111用来依据第一调变信号SI11及SI12产生第一侦测信号SO11及SO12于输出端子111C及111D。第一光侦测器112用来依据第二调变信号SI21及SI22产生第二侦测信号SO21及SO22于输出端子112C及112D。
在一例子中，调变信号SI11、SI12、SI21及SI22可为具有一预定工作周期(dutycycle)或占空比(例如50％、或低于50％)的频率信号，例如，频率信号CKN及CKP可被控制为具有50％或50％以下的工作周期。在另一例子中，调变信号SI11、SI12、SI21及SI22可为正弦曲线(sinusoidal)信号。在运作的期间，自低压降稳压器113产生的电流会流过第一调变信号产生电路101、输入端子111A及111B、第二调变信号产生电路102、以及输入端子112A及112B，而这个电流路径可由图1B中加入的粗体线来表示。通过以上配置，流过至少两个光侦测器111及112以及它们各自的两个调变信号产生电路101及102能被再利用。
除了上述元件，电容器170可另外被采用以减少电压V2的电压波纹(ripple)/弹跳(bouncing)。电容器170的一端子耦接至缓冲电路1011及1012的端子，而电容器的另一端子耦接至接地电压或电压V3。
请参考图2，其为依据本发明一实施例的架构200，包含一读出电路1501以及一读出电路1502的光侦测器111的一剖面图。在本实施例中，一电流缓冲晶体管130可被加入至重置晶体管140与光侦测器111之间，以供连接/断开光侦测器111与重置晶体管140。电流缓冲晶体管130能控制输出端子111D的操作电压，而第一光侦测器111的输出端子111D可在运作的期间实质上(substantially)/大致上维持在一固定电压。
在一例子中，输出端子111C及111D可被偏压在1.6V，而输出端子112C及112D可被偏压在1V。在运作的期间，于光侦测器111的输出端子111C及111D产生的电压以及于光侦测器112的输出端子112C及112D产生的电压可不同。读出电路1502内的电路是与读出电路1501内的电路对称的，相关图标为简明起见，在此省略。
依据本实施例，光侦测器111使用硅做为吸光材料，输入端子111A及111B以及输出端子111C及111D形成于一硅区域201(诸如硅基板)中。相类似的，光侦测器112亦使用硅做为吸光材料，输入端子112A及112B以及输出端子112C及112D亦形成于一硅区域201(诸如硅基板)中。依据一些实施方式，硅区域201可被替换为其他材料，例如：III-V族半导体材料。
图3为依据本发明另一实施例的架构300，包含一读出电路1501以及一读出电路1502的光侦测器111’的一剖面图。本实施例的光侦测器111’使用锗做为吸光材料，其中，锗区域301(其可被视为一锗井)形成于硅区域201中(诸如硅基板)，且输入端子111A及111B以及输出端子111C及111D形成于锗区域301中。相类似的，光侦测器112亦使用锗做为吸光材料，输入端子112A及112B以及输出端子112C及112D亦形成于另一锗区域中(图未示)。
依据一些实施方式，光侦测器111’可被设计为输入端子111A及111B形成于锗区域301中，以及输出端子111C及111D形成于硅区域201中。依据一些实施方式，锗区域301可被替换为其他材料，例如：III-V族半导体材料。
由于输出端子111C、111D、112C及112D的实体结构与输入端子111A、111B、112A及112B类似，其剖面图为简明起见在此省略。操作于架构300的输入端子111A、111B、112A及112B以及输出端子111C、111D、112C及112D的电压可参照上述的实施例，因此相关细节为简明起见在此省略不赘述。
图4为依据本发明一实施例的用于一光侦测装置的一电流再利用方法的流程图，而该电流再利用方法于本实施中可包含下列步骤。
步骤401：利用一第一光侦测器的多个第一输入端子来接收多个第一调变信号，并且利用该第一光侦测器的多个第一输出端子来输出多个第一侦测信号。
步骤402：利用一第二光侦测器的多个第二输入端子来接收多个第二调变信号，并且利用该第二光侦测器的多个第二输出端子来输出多个第二侦测信号。
步骤403：利用一第一调变信号产生电路来产生该多个第一调变信号。
步骤404：利用一第二调变信号产生电路来产生该多个第二调变信号。
步骤405：产生一电流流过该第一调变信号产生电路、该多个第一输入端子、该第二调变信号产生电路以及该多个第二输入端子。
尤其，在某些实施例中，该第一光侦测器操作于一第一电压与一第二电压之间；以及该第二光侦测器操作于该第二电压与一第三电压之间，其中该第二电压介于该第一电压与该第三电压之间。
在某些实施例中，该第一电压与该第二电压之间的电压差等于该第二电压与该第三电压之间的电压差。
在某些实施例中，该多个第一调变信号以及该多个第二调变信号为具有一预定工作周期/占空比(例如50％或小于50％)的频率信号；或者，该多个第一调变信号以及该多个第二调变信号为正弦曲线信号。
在某些实施例中，该第一光侦测器的该多个第一输入端子以及该第一光侦测器的该多个第一输出端子被嵌入在一硅区域(例如硅基板)。
在某些实施例中，该第一光侦测器的该多个第一输入端子以及该第一光侦测器的该多个第一输出端子被嵌入在一锗区域，且该锗区域形成于一硅区域(例如硅基板)上。
上述用于一光侦测装置的电流再利用方法可具有其他实施方式，其可参考在上列光侦测装置的实施例所揭示的内容。为简明起见，相关细节在此不重复赘述。
本发明提供一种方式，其将奇数列的像素所输出的电流重新导向至偶数列的像素。除了节省功耗，在堆栈了两个像素的情况下也能将峰值电流减半。此外，通过采用本发明所提出的解决方案，具备收集区域及调变区域像素(例如依序以收集区域、调变区域、调变区域、收集区域排列的像素)的飞时测距(time of flight,ToF)系统可获得诸多改善诸如峰值电流能被降低，所以电源/接地绕线的需求能被简化或减少。另外，在使用相同可用的直流对直流电源供应器的情况下，采用本发明的装置及方法能使功耗被大幅地减少。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种光侦测装置，其特征在于，包含：
一第一光侦测器，用来依据一第一调变信号产生至少一第一侦测信号；
一第二光侦测器，耦接至该第一光侦测器，用来依据一第二调变信号产生一第二侦测信号；
一第一调变信号产生电路，耦接至该第一光侦测器且操作于一第一电压与一第二电压之间，用来产生该第一调变信号；以及
一第二调变信号产生电路，耦接至该第二光侦测器且操作于该第二电压与一第三电压之间，用来产生该第二调变信号；
其中该第二电压介于该第一电压与该第三电压之间。
2.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，该第一电压与该第二电压之间的电压差等于该第二电压与该第三电压之间的电压差。
3.如权利要求2所述的光侦测装置，其特征在于，该第一电压与该第二电压之间的电压差为0.6V。
4.如权利要求2所述的光侦测装置，其特征在于，该第一电压与该第二电压之间的电压差为0.6V以外的值。
5.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，在运作的期间产生了一电流并且该电流流过该第一调变信号产生电路、该第一光侦测器、该第二调变信号产生电路以及该第二光侦测器。
6.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，一隔离单元被配置在该第一光侦测器以及该第二光侦测器之间。
7.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，另包含耦接于该第一光侦测器的一输出端子与一重置晶体管之间的一电流缓冲晶体管。
8.如权利要求7所述的光侦测装置，其特征在于，该第一光侦测器的该输出端子的电压在运作的期间维持在一固定电压。
9.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，该第一调变信号以及该第二调变信号为具有一预定工作周期的频率信号。
10.如权利要求9所述的光侦测装置，其特征在于，该预定工作周期小于50％。
11.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，该第一调变信号以及该第二调变信号为正弦曲线信号。
12.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，该第一光侦测器的多个输入端子以及该第一光侦测器的多个输出端子形成于一硅基板中。
13.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，该第一光侦测器的多个输入端子以及该第一光侦测器的多个输出端子形成于一锗区域中，且该锗区域形成于一硅基板上。
14.一种电流再利用方法，其特征在于，包含：
利用一第一光侦测器的多个第一输入端子来接收多个第一调变信号，并且利用该第一光侦测器的多个第一输出端子来输出多个第一侦测信号；
利用一第二光侦测器的多个第二输入端子来接收多个第二调变信号，并且利用该第二光侦测器的多个第二输出端子来输出多个第二侦测信号；
利用一第一调变信号产生电路来产生该多个第一调变信号；
利用一第二调变信号产生电路来产生该多个第二调变信号；以及
产生一电流流过该第一调变信号产生电路、该多个第一输入端子、该第二调变信号产生电路以及该多个第二输入端子。
15.如权利要求14所述的电流再利用方法，其特征在于，该第一光侦测器操作于一第一电压与一第二电压之间；以及该第二光侦测器操作于该第二电压与一第三电压之间，其中该第二电压介于该第一电压与该第三电压之间。
16.如权利要求15所述的电流再利用方法，其特征在于，该第一电压与该第二电压之间的电压差等于该第二电压与该第三电压之间的电压差。
17.如权利要求14所述的电流再利用方法，其特征在于，该多个第一调变信号以及该多个第二调变信号为具有一预定工作周期的频率信号。
18.如权利要求14所述的电流再利用方法，其特征在于，该多个第一调变信号以及该多个第二调变信号为正弦曲线信号。
19.如权利要求14所述的电流再利用方法，其特征在于，该第一光侦测器的该多个第一输入端子以及该第一光侦测器的该多个第一输出端子形成于一硅基板中。
20.如权利要求14所述的电流再利用方法，其特征在于，该第一光侦测器的该多个第一输入端子以及该第一光侦测器的该多个第一输出端子形成于一锗区域，且该锗区域形成于一硅基板上。
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