CN112234074A - 一种图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器，其特征在于，包括：能获取由被探测目标反射回的返回光信号的接收光电二极管单元，所述二极管单元通过至少一个传输栅组与对应的至少一个存储单元部分时间段电性连通，以将所述返回光信息转化的光生电荷转移至所述至少一个存储单元，所述至少一个传输栅组包含至少两个传输栅单元，通过本发明的传输栅组代替传输栅单元实现了由光电二极管到浮动扩散节点之间在相同时刻可构建多于一个的传输通道，实现了光生电荷转移效率的提升，从而在最基本层面降低了传感器在后续面临的高速和高质量产生矛盾点的可能性。
Description
技术领域
本申请涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种三维图像传感器。
背景技术
近年来，随着图像传感器的发展，对于图像传感器的小型化光电转化效率，转化生成的电荷快速转移等等方面都提出了更高的要求，在传统的2D成像中一方面为了保证传感器的快速响应需要尽可能地压缩内部电荷转移等等时间，另一方面在现有的图像传感器设计框架下电荷转移需要一定的时间，否则会造成光生电荷转移不完全，在图像获取中造成残像等等问题。
随着激光雷达的技术发展，飞行时间测距法(Time of Flight，TOF)被受到了越来越多的关注，TOF原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。
而直接飞行时间探测(Direct Time of Flight，DTOF)、间接飞行时间探测(Indirect Time of Flight，ITOF)作为基于TOF发展的探测方式，两种探测方式在使用过程中各有优势，受到了越来越广泛的关注。
其中间接时间飞行时间探测，主要是获取发射波和被探测物的反射回波的相位差关系，利用相位差关系获得被探测物的距离信息，将该方法使用在具有深度的三维图像获取中，为了获取更远探测距离，需要更长的积分时间，这样就会产生更多的光生电荷，因此需要转移的电荷也更多，一旦电荷转移速度较低，通过探测器阵列获得的飞行时间距离信息将不准确，造成距离获取不准确而影响使用，另外深度信息获取中一般采用两个相位互补的信号控制传感器的传输栅，从而将不同相位信息的返回光信号传输至两个不同的浮动扩散节点(实际为一种存储单元)，如果在这个过程中两个互补信号控制的传输栅不能快速精确地转移相应返回光对应的信号，将使得ITOF探测的最底层信息存在差异，如此对于整个探测结果将产生非常大的影响。
因此，开发一种能够快速转移返回光信号在探测器内产生的光生电荷至输出的存储单元是二维和三维图像传感器设计中亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种图像传感器，以提高现有图像传感器对于回波产生的光生电荷快速转移。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
本申请实施例提供了一种图像传感器，包括：能获取由被探测目标反射回的返回光信号的接收光电二极管单元，所述二极管单元通过至少一个传输栅组与对应的至少一个存储单元部分时间段电性连通，以将所述返回光信息转化的光生电荷转移至所述至少一个存储单元，所述至少一个传输栅组包含至少两个传输栅单元。
可选地，所述至少一个传输栅组为两个传输栅组，所述至少一个存储单元为两个存储单元。
可选地，所述相同传输栅组内的至少两个传输栅单元的栅极连接在一起，且接收相同的控制信号。
可选地，所述存储单元为第一类型掺杂，且所述图像传感器还包含与所述存储单元掺杂相反的第二类型掺杂的外延层。
可选地，所述存储单元为第一类型掺杂，且所述图像传感器还包含与所述存储单元掺杂相同的第一类型掺杂的外延层。
可选地，所述第一类型外延层还连接的辅助耗尽层。
可选地，所述相同传输栅组内的至少两个传输栅单元的数量为偶数。
可选地，所述相同传输栅组内的偶数个传输栅单元在所述光电二极管单元的对称侧布置。
可选地，所述对称侧布置的至少两个传输栅单元的连线与所述光电二极管单元的之一中心线相平行。
可选地，所述两个传输栅组的控制信号为互逆信号。
本申请的有益效果是：
本申请实施例提供的一种图像传感器，该图像传感器可以包含能获取由被探测目标反射回的返回光信号的接收光电二极管单元，所述二极管单元通过至少一个传输栅组与对应的至少一个存储单元部分时间段电性连通，以将所述返回光信息转化的光生电荷转移至所述至少一个存储单元，所述至少一个传输栅组包含至少两个传输栅单元，由此设计可以保证返回光信号的接收光电二极管产生的光生电荷可以通过传输栅组转移至对应的一个存储单元(或者此处可以为浮动扩散节点)中，也就是传输组相当于在光电二极管和存储单元之间架设了多个转移通道，如此通过控制传输栅组的控制电压可以快速实现二极管内的电势特性快速改变，达到快速转移产生光生电荷的效果。
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现有技术的图像传感器探测单元构成示意图；
图2为本申请实施例提供的一种能获得深度信息的传感器电路示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种能获得深度信息的传感器电路示意图；
图4为本申请实施例提供的一种能获得深度信息的传感器单元示意图；
图5为本申请实施例提供的一种能获得深度信息的传感器单元剖面图；
图6为本申请实施例提供的另一种能获得深度信息的传感器单元示意图；
图7为本申请实施例提供的一种能获得深度信息的传感器单元效果图；
图8为本申请实施例提供的传感器单元与现有传感器效果对比图；
图9为本申请实施例提供的又一种能获得深度信息的传感器单元示意图；
图10为本申请实施例提供的又一种能获得深度信息的传感器单元示意图；
图11为本申请实施例提供的一种传感器单元内设置的辅助转移掺杂区示意图；
图12为本申请实施例提供的另一种传感器单元内设置的辅助转移掺杂区示意图；
图13为本申请实施例提供的又一种传感器单元内设置的辅助转移掺杂区示意图；
图14为本申请实施例提供的在图11的辅助转移掺杂区的结构下横截面电势分布效果示意图。
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为本申请实施例提供的一种现有技术的图像传感器探测单元构成示意图。如图1所示，现有的图像传感器一般采用的4T结构，其中101为光电二极管单元，也就是返回光信号可以在二极管单元的光电转化区转为光生电荷(包括电子、空穴等，为了高效传输一般的光生电荷指光生电子，此处也不限定具体实现一定为光生电子)，102传输栅一般可以为晶体管类型此处不做限定，在102的栅极施加控制信号，二极管内产生的光生电荷可以被转移至浮动扩散节点103中，当读出晶体管105的栅极被施加电压之后浮动扩散节点中的光生电荷可被转移至读出电路，进而通过后续的电路处理输出对应的信息，其中104为复位晶体管用于执行对传感器单元的复位，106为行选晶体管用于传递行选信息，当某一行被选中时行选晶体管的栅极可被高位的控制信号控制，通过上述的描述可知，传输栅102对于图像传感器单元生成电荷的转移至关重要，在上图1中传输栅只布置在光电二极管的一个边角位置，行业中也有在版图中布置在不同边或者角不同位置的设计，但实际上，这种布置可以明显看出传输栅的作用范围有限，距离较远的部位由于电势改变较小，回波所产生的电荷在目前对于探测器信息获取和处理速度要求越来越快的前提下，这种设计的缺陷将越来越影响探测器的高质量高效率工作，因此需要一种能够提高转移效率的图像传感器来满足日益发展下对于图像传感器性能的要求，图1为传统的二维图像传感器示意图，当然传统的深度信息获取的像素结构在图1的结构上增加了一个互补相位控制的模块，实际工作中在某一时刻也只有一个传输栅在工作，所以会产生不能快速完全转移光生电荷的问题，这样就造成了探测的最基础层面的信息可能出现偏差，因而不能够适应三维信息高速准确获取的要求。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明在像素单元设计中将传输栅变更为传输栅组，图2为本申请实施例提供的一种能获得深度信息的传感器电路示意图，由实现的电路图可以看出，本发明将传输栅修改为为传输栅组，组内包含至少两个传输栅单元，两个传输栅单元控制信号完全相同，例如图2中的两个传输栅组分别为TX1和TX2，为了利用ITOF进行高效的深度信息测量，需要设计为两个传输栅组，其中TX1和TX2接收两个互补相位的控制信号，例如TX1的控制信号为0°或者90°的接收相位差信号，TX2的控制信号为180°和270°的相位差信号，如此两个传输栅的信号通道将刚好互补，实现了高效探测的效果，为了保证每个相位信息能够高效快速地被转移到与之对应的存储单元(第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2)，第一传输栅组TX1接收0°或90°接收相位差信号控制，第二传输栅组TX2接收180°或270°接收相位差信号控制，同一个传输栅组中的每一个传输栅单元的栅极均连接在一起，如此在光电二极管和浮动扩散节点之间的传输通道变化为并列的两组，可以一方面提高转移通道数量，另一方面也更大范围地改变了光电二极管内电势分布特性，从而加速了电子转移的速度，当然此处以3维深度信息获取的传感器单元为示例进行说明，实际也可以是二维的图像传感器，这样就降低了获取到的图像残像等问题，其他部分功能与现有技术相同不再赘述。
图3为本申请实施例提供的另一种能获得深度信息的传感器电路示意图，与图2不同在于图3中每个传输栅组的传输栅单元数为4个，这样进一步增加了光电二极管至浮动扩散节点之间的传输通道数量，也进一步增加了光电二极管内电势被影响范围，当然此处也不限定具体实现的传输栅数量，也可以为3、5、6等等的数量。
图4为本申请实施例提供的一种能获得深度信息的传感器单元示意图；由图很容易地看出，为了实现图2所描述的传输栅组内包含两个传输栅单元的实现方案，在光电元件的相对侧设置传输栅的子传输栅单元，如图4中相对布置的两个TX1传输栅单元和相对布置的两个TX2传输栅单元，如此布置，使得相同的传输栅组的两个转移方向位于不同的方向上，类似于蹊跷板结构，这样使得光生电荷被快速转移走的概率更大，另外为了保证中间电子能够被快速地向两边转移，在光电二极管的中间掺杂与浮动扩散节点不相同的掺杂，例如浮动扩散节点中的掺杂为化学周期表中的V族元素在硅基体中进行掺杂，此处可以利用N、P、As等等元素进行掺杂，如此在光电二极管的中间区域掺杂III族元素，例如采用B、Al、Ga、In等等元素进行掺杂，获得一个电势抬高的中间区域，如此相当于中间设置了一个电子的排斥区域，如此配合相对布置的传输栅单元，在导通时相当于构建了两个电子坡道，光生电荷将被快速地向两个方向转移，从而大大地提高了电子的转移效率。
图5为本申请实施例提供的一种能获得深度信息的传感器单元剖面图；其为沿图4位置的剖面结构，此处的外延层为掺杂III族元素的P型外延层，在P型外延层上掺杂V族元素形成PDN光电转化区，表面再覆盖一层掺杂浓度大于外延层的P型掺杂区形成表面钳位，进一步在PDN的光电区域中间掺杂大于外延层P掺杂浓度但小于表面钳位的P掺杂浓度，形成辅助电子快速转移的掺杂区，其深度最优地为贯穿所述PDN区，这样能够保证生成电子被快速转移的效果，同时该掺杂区占据总的PDN面积的比例最优地设置为5％-15％之间这样能够保证器件的光电转化效率不受影响，当然其掺杂深度不限于贯穿，可以设置为PDN中N型掺杂深度的一半以上，此处并不限定于一定采用此结构实现，为了保证电荷转移方向和传输栅的对侧布置特性，对称侧布置的至少两个传输栅单元的连线与所述光电二极管单元的之一中心线相平行，这样能够保证形成的电势抬高对于电荷转移加速的正确指向性，保证了电荷准确高效转移的效果。
图6为本申请实施例提供的另一种能获得深度信息的传感器单元示意图；与图5不同在于其外延掺杂为V族的N型材料掺杂，如此可以增加光电转化效率，也就是说会配合产生更多的光生电荷，配合本发明的结构将更大地体现本发明的设计优势，也使得更多的光生电荷成为有效的光生电荷从而提高了图像传感器单元的探测效率和探测质量。
图7为本申请实施例提供的一种能获得深度信息的传感器单元效果图；由图可以看到通过本发明的设计能够尽可能地形成一个更平衡的转移电场，因此光电转化区生成的光生电荷能够被快速地向对侧布置的两个传输栅单元转移。
为了进一步说明本发明的技术效果，图8进行了量化的比较，与传统的单传输栅方案相比本发明的方案能够快速地转移电子，在图8中曲线I为现有当传输栅二极管电荷累积区剩余电荷数量与时间关系曲线，曲线II为采用本方案的传输栅组二极管电荷累积区剩余电荷数量与时间关系曲线，实际实验参数并未给出，实际测量结果例如为在1ns的时间内本发明的剩余电荷仅为5％左右，而相同时间内现有技术的剩余电荷在40％左右，相比而言本发明的方案能够更适应高效准确探测的要求，此处也是示例性地说明效果的优势实际并不一定为上述列举的数值。
图9为本申请实施例提供的又一种能获得深度信息的传感器单元示意图；其对应于图3的每个传输栅组包含四个传输栅单元的实施例说明，通过进一步增加传输栅组内传输单元的数量可以进一步增加光生电荷的转移速度，如图9中传输栅布置在光电转化区的对策，每个相同的传输栅单元交错布置，并且每个单元的间距基本一致，形成了均匀布置的效果，配合中心布置的辅助电子快速转移的掺杂区，实现了类似于2个单元类似的抬升效果，为了保证电子转移精确性掺杂区中心线并不与光电转化区的中心线相平行，为了保证每个方向电子转移的均衡性，并且适应现有的光电转化区形状，最优地将每个传输栅组的传输栅单元数量需要为偶数，这样能够保证在不改变现有光电转化区形状的前提下保证光生电荷被更高效转移，其他类似于图4和图5的部分不再详细赘述。
图10与图9的基本功能相同，差别在于图10的外延层为N型外延层，如此可以产生更高的光生电荷转化效率，与之前的图6类似，本发明的结构将对于N型外延层结构具有更优化的适应性效果，此处不再详细赘述。
结合图10的剖面结构进行进一步说明，图11-13为本申请实施例提供的不同传感器单元内设置的辅助转移掺杂区示意图；其中衬底层掺杂了N性材料，形成了N型外延衬底，与P型掺杂相同功能的PDN转化区位于其上部，在衬底和PDN的周边为具有P型掺杂的P阱区，为了辅助光生电荷在传输栅组结构设置的前提下很快地通过多个传输栅单元转移至对应的浮动扩散节点，可以按照图11-图13三种不同的结构来设置辅助转移掺杂区，其掺杂浓度小于表面钳位的P型掺杂浓度，但是大于P阱中的P型材料掺杂浓度，图11结构主要将辅助转移的掺杂区设置在N型外延中，并且其深度大于N型外延层深度的1/2，如此一方面抬高了中间电势，同时也不占用主要光电转化区的面积，进而保证了光生电荷效率与光电转移效率两个重要的参数。图12采用了在转化区PDN内设置辅助转移掺杂区的方案，与之前P型衬底图5转移辅助掺杂区的设置类似，此处不再赘述。图13为一种贯穿外延和转化区PDN设置的辅助转移掺杂区方案，与图11和图12相比，本结构能够更大程度地提升电荷转移效率，采用此设计例如可以设置其截面积较图12更小，如此可以兼顾光电转化效率和电荷转移速率提升，此处并不进行具体的限定。
进一步地为了保证光电转移效率，在图10-13和图6的N型外延层还连接辅助耗尽层，所述辅助耗尽层材料为Al2O3、HaO2等负电性材料，所述的辅助耗尽层一方面可以辅助N型外延的光电二极管构成全耗尽型器件，另一方面也能抬升在本发明中外延层相邻侧的电势，例如由图11所示的位置进行电势测量，结果如图14所示，其中横坐标的距表面深度为距图11的上表面的深度，也就是在设置了辅助耗尽层之后，与所述辅助耗尽层连接的部位电势被抬升，其效果类似于掺杂P型残料的辅助转移掺杂区，如此生成的光生电荷将在纵向上被快速地转移，此处不再详细赘述。
需要说明的是，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 (10)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：能获取由被探测目标反射回的返回光信号的接收光电二极管单元，所述二极管单元通过至少一个传输栅组与对应的至少一个存储单元部分时间段电性连通，以将所述返回光信息转化的光生电荷转移至所述至少一个存储单元，所述至少一个传输栅组包含至少两个传输栅单元。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述至少一个传输栅组为两个传输栅组，所述至少一个存储单元为两个存储单元。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述相同传输栅组内的至少两个传输栅单元的栅极连接在一起，且接收相同的控制信号。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述存储单元为第一类型掺杂，且所述图像传感器还包含与所述存储单元掺杂相反的第二类型掺杂的外延层。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述存储单元为第一类型掺杂，且所述图像传感器还包含与所述存储单元掺杂相同的第一类型掺杂的外延层。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述第一类型外延层还连接的辅助耗尽层。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述相同传输栅组内的至少两个传输栅单元的数量为偶数。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述相同传输栅组内的偶数个传输栅单元在所述光电二极管单元的对称侧布置。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述对称侧布置的至少两个传输栅单元的连线与所述光电二极管单元的之一中心线相平行。
10.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述两个传输栅组的控制信号为互逆信号。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
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| US18/033,388 US20230411417A1 (en) | 2020-10-30 | 2021-09-15 | Image sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Family
ID=74122415
Family Applications (1)
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022089069A1 (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-05 | 宁波飞芯电子科技有限公司 | 一种图像传感器 |
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-
2020
- 2020-10-30 CN CN202011189656.4A patent/CN112234074A/zh active Pending
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