CN113451338A - 图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

一种图像感测装置包括像素阵列，该像素阵列包括布置成行和列的多个单位像素。多个单位像素中的每一个包括：光电转换元件，其通过转换入射到光电转换元件上的光来产生电荷载流子；多个浮置扩散区，其与光电转换元件隔开以保持电荷载流子；多个循环栅极，其沿第一方向和垂直于第一方向的第二方向中的每一个位于光电转换元件的两侧，被配置为基于循环控制信号在光电转换元件的不同区域中产生电场，并且被配置为引起电荷载流子的移动；以及多个转移栅极，其位于循环栅极之间，并且被配置为将由光电转换元件产生的电荷载流子转移到对应的浮置扩散区。

Description

图像感测装置
技术领域
本专利文件中公开的技术和实现方式总体涉及一种图像感测装置。
背景技术
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的装置。随着汽车、医疗、计算机和通信行业的最近发展，在诸如数码相机、摄像机、个人通信系统(PCS)、游戏控制台、监控摄像头、医疗用微型摄像头、机器人等各种装置中，对高性能图像传感器的需求正在增加。
发明内容
所公开技术的各种实施方式涉及一种图像感测装置，其具有新结构以改善其操作特性。
在所公开技术的一个实施方式中，一种图像感测装置可以包括像素阵列，该像素阵列包括以行和列布置的多个单位像素。多个单位像素中的每一个包括：光电转换元件，其通过转换入射到光电转换元件上的光来产生电荷载流子；多个浮置扩散区，其与光电转换元件隔开以保持电荷载流子；多个循环栅极，其沿第一方向和垂直于第一方向的第二方向中的每一个位于光电转换元件的两侧，被配置为基于循环控制信号而在光电转换元件的不同区域中产生电场，并且被配置为引起电荷载流子的移动；以及多个转移栅极，其位于循环栅极之间，并且被配置为将由光电转换元件产生的电荷载流子转移到对应的浮置扩散区。
在所公开技术的另一实施方式中，一种图像感测装置可以包括像素阵列，该像素阵列包括用于执行对入射光的光电转换并且输出与入射光相对应的电信号的多个单位像素。多个单位像素中的每一个可以包括：光电转换元件，其通过转换入射光而产生电荷载流子；多个循环栅极，其沿第一方向和垂直于第一方向的第二方向中的每一个位于光电转换元件的两侧；多个转移栅极，其位于循环栅极之间，并且与循环栅极交替布置；以及多个浮置扩散区，其基于多个转移栅极中的每一个，在与光电转换元件相对的方向上位于多个转移栅极中的每一个的一侧。
应当理解，所公开技术的前述一般描述和以下详细描述都是例示性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的公开内容的进一步解释。
附图说明
图1是示出基于所公开技术的一些实现方式的图像感测装置的示例的框图。
图2是示出基于所公开技术的一些实现方式的在图1所示的像素阵列中形成的单位像素的示例的平面图。
图3A是示出基于所公开技术的一些实现方式的沿图2所示的线A-A’截取的单位像素的示例的截面图。
图3B是示出基于所公开技术的一些实现方式的沿图2所示的线B-B’截取的单位像素的示例的截面图。
图3C是示出基于所公开技术的一些实现方式的沿图2所示的线C-C’截取的单位像素的示例的截面图。
图3D是示出基于所公开技术的一些实现方式的沿图2所示的线D-D’截取的单位像素的示例的截面图。
图4A示出了基于所公开技术的一些实现方式，在图2所示的单位像素中电子如何通过循环栅极而移动。
图4B示出了基于所公开技术的一些实现方式，图2所示的单位像素如何通过转移栅极将电子转移到浮置扩散区。
图5是示出基于所公开技术的一些实现方式的图2所示的单位像素的操作的定时图。
图6A至图6H是示出基于所公开技术的一些实施方式的被配置为在图5所示的步骤中操作的单位像素的操作的示意图。
具体实施方式
为了使用图像传感器获取三维(3D)图像，需要3D图像的颜色信息以及目标物体和图像传感器之间的距离(或深度)。
在获取与目标物体和图像传感器之间的距离相关联的信息时，图像传感器能够使用被动方法或主动方法。
被动方法可以仅使用目标物体的图像信息来计算目标物体和图像传感器之间的距离，而不向目标物体提供光信号。被动方法能够应用于立体摄像头。
与被动方法不同，主动方法能够使用由激光器或LED提供的人造光信号来测量目标物体和图像传感器之间的距离。这种主动方法的示例可以包括三角测量法和飞行时间(TOF)法。在已经将光信号从与图像传感器间隔预定距离的光源(例如，激光源或LED)发送到目标之后，三角测量法可以检测从目标物体反射的光，并且使用所检测到的光来计算目标物体和图像传感器之间的距离。在已经将光信号从光源发送到目标物体之后，TOF法可以测量从目标物体反射并且返回到图像传感器的光信号的往返时间，以计算目标物体和图像传感器之间的距离。
本专利文件提供了一种包括用于改善操作特性的新结构的图像感测装置的实现方式和示例。
现在将详细参照某些实施方式，其示例在附图中示出。在可能的情况下，相同的附图标记将在所有附图中用于表示相同或相似的部分。在以下描述中，将省略对并入本文中的相关已知配置或功能的详细描述以避免使主题模糊。
图1是示出基于所公开技术的一些实现方式的图像感测装置的示例的框图。
在一些实现方式中，图像感测装置可以使用飞行时间(TOF)原理来测量距离。在一个示例中，TOF传感器能够通过利用调制光源照射目标物体并且观察反射光来工作。测量照射和反射之间的相移(phase shift)，并且将其转换为目标物体和TOF传感器之间的距离。图像感测装置可以包括光源100、透镜模块200、像素阵列300和控制电路400。
当从控制电路400接收到时钟信号MLS时，光源100可以向目标物体1发射光。在一个示例中，光源100可以是用于发射红外光或可见光的激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。在另一示例中，光源100可以是与近红外激光器(NIR)结合的单色光源、点光源、白光灯和单色仪，或者其它激光源的组合。例如，光源100可以发射波长为800nm至1000nm的红外光。尽管为了描述方便，图1仅示出了一个光源100，但是所公开技术的范围或精神不限于此，并且也可以在透镜模块200的附近布置多个光源。
透镜模块200可以收集从目标物体1反射的光，并且可以使所收集的光聚焦到像素阵列300的像素(PX)上。透镜模块200可以包括具有由玻璃或塑料形成的表面的聚焦透镜或者具有由玻璃或塑料形成的表面的另一圆柱形光学元件。透镜模块200可以包括具有凸面结构的聚焦透镜。
像素阵列300可以包括连续布置成二维(2D)阵列的单位像素(PX)，其中单位像素以行和列布置。单位像素(PX)可以将通过透镜模块200接收的光转换成与所接收的光相对应的电信号，使得每个单位像素能够输出像素信号。在一些实现方式中，像素信号可以是由TOF传感器单位像素从反射光转换的电信号，以指示基于到目标物体1的距离的时间延迟而不是指示目标物体1的颜色。所公开技术的一些实现方式能够实现两种机制，以允许每个单位像素(PX)(1)沿预定方向(即，顺时针或逆时针)移动由光电转换元件基于反射光而产生的电荷载流子(例如，电子)，以及(2)将通过这种移动收集的电子转移到多个浮置扩散区。这里，这两种机制能够彼此分开执行。在一些实现方式中，每个单位像素(PX)可以包括被形成为围绕光电转换元件的多个循环栅极(circulation gate)和多个转移栅极(transfergate)。这样的循环栅极和转移栅极被操作为使得一定电压依次施加到循环栅极，并且一定电压以顺时针或逆时针的连续顺序依次施加到转移栅极。结果，在光电转换元件中产生的电子能够随着循环栅极和转移栅极处的电压电平的变化而沿预定方向移动或转移。如上所述，当TOF传感器利用光源照射目标物体并且观察反射光时，彼此分开执行的这种电子的移动和传输可以允许对照射和反射之间的时间延迟或相移(其被转换为TOF传感器和目标物体1之间的距离)进行更有效的分析。在一些实施方式中，如下所述地实现单位像素(PX)的结构和操作。
控制电路400可以控制光源100，使得能够在正确的定时将光发送到目标物体1。控制电路400还可以通过操作像素阵列300的单位像素(PX)来处理与从目标物体1反射的光相对应的每个像素信号，并且可以测量基于到目标物体1的表面的距离的时间延迟。
在一些实现方式中，控制电路400可以包括行解码器410、光源驱动器420、定时控制器430、调制驱动器440和逻辑电路450。
行解码器410可以响应于从定时控制器430产生的定时信号来激活像素阵列300的单位像素(PX)。例如，行解码器410可以产生能够选择多条行线中的至少一条的控制信号。控制信号不仅可以包括初始化单位像素(PX)所需的复位信号，而且还可以包括将从单位像素(PX)的浮置扩散区产生的分接头信号(tap signal)传输到逻辑电路450所需的其它信号。
光源驱动器420可以响应于来自定时控制器430的控制信号而产生能够操作光源100的时钟信号MLS。
定时控制器430可以产生定时信号来控制行解码器410、光源驱动器420、调制驱动器440和逻辑电路450。
调制驱动器440可以基于定时控制器430的控制信号而产生用于控制单位像素(PX)的调制操作的控制信号，并且可以将所产生的控制信号传输到像素阵列300。例如，调制驱动器440可以产生用于控制单位像素(PX)的光电转换元件中的电子移动的循环控制信号和用于将被移动的电子依次传输到浮置扩散区的转移控制信号，使得调制驱动器440能够向像素阵列300提供循环控制信号和转移控制信号。
逻辑电路450可以基于定时控制器430的定时信号来处理从像素阵列300接收的像素信号，并且由此可以计算基于到目标物体1的距离的时间延迟。逻辑电路450可以包括用于对从像素阵列300产生的像素信号执行相关双采样(CDS)的相关双采样器(CDS)电路。此外，逻辑电路450可以包括用于将CDS电路的输出信号转换成数字信号的模数转换器(ADC)。
图2是示出基于所公开技术的一些实现方式的形成在图1所示的像素阵列中的单位像素的示例的平面图。
在一些实现方式中，每个单位像素(PX)可以包括光电转换元件(PD)、多个浮置扩散区FD1-FD4、多个漏极节点D1-D4、多个转移栅极TG1-TG4和多个循环栅极CG1-CG4。
光电转换元件(PD)可以形成在半导体基板中。光电转换元件(PD)可以通过转换从目标物体1反射并且入射到半导体基板上的光束来产生电荷载流子。例如，光电转换元件(PD)可以响应于这种反射光束而产生电子和空穴对。光电转换元件(PD)可以包括层叠结构，其中不同类型的杂质区垂直层叠在彼此之上。例如，光电转换元件可以包括光电二极管(PD)或钉扎光电二极管(PPD)，其中N型杂质区和P型杂质区垂直层叠在彼此之上。
浮置扩散区FD1-FD4中的每一个可以位于转移栅极TG1-TG4中的对应的一个转移栅极的一侧，并且可以保持通过转移栅极TG1-TG4转移的电子。与存储在浮置扩散区FD1-FD4中的电荷载流子(例如，电子)的量相对应的信号可以分别作为分接头信号TAP1-TAP4输出。分接头信号TAP1-TAP4可以通过导线施加到对应源极跟随器晶体管(未示出)的栅极。例如，浮置扩散区FD1-FD4可以通过导线联接到对应的源极跟随器晶体管(未示出)的栅极。此外，分接头信号TAP1-TAP4可以通过导线施加到对应复位晶体管(未示出)的端子。例如，浮置扩散区FD1-FD4可以通过导线联接到对应复位晶体管(未示出)的端子。浮置扩散区FD1-FD4中的每一个可以包括通过将N型杂质注入半导体基板至预定深度而形成的杂质区。
漏极节点D1-D4可以分别位于对应的循环栅极CG1-CG4的一侧，并且漏极节点D1-D4中的每一个可以通过导线联接到漏极电压(Vd)的输入端子。漏极电压(Vd)可以在调制时段期间(在此期间，由光电转换元件(PD)产生的电荷载流子(光生电子)被收集，并且然后通过转移栅极TG1-TG4被转移到浮置扩散区FD1-FD4)处于低电压(例如，接地电压)电平，并且可以在调制时段之后的读出时段期间处于高电压(例如，电源电压)电平。漏极节点D1-D4中的每一个可以包括通过将N型杂质注入半导体基板至预定深度而形成的杂质区。
转移栅极TG1-TG4可以在接收到转移控制信号TFv1-TFv4时将光电转换元件(PD)中产生的电子转移到浮置扩散区FD1-FD4。可以从调制驱动器440接收转移控制信号TFv1-TFv4。
循环栅极CG1-CG4可以在调制时段期间响应于循环控制信号Vcir1-Vcir4而操作，使得光电转换元件(PD)中产生的电荷载流子(电子)能够在光电转换元件(PD)中沿预定方向(例如，沿逆时针方向)移动。在读出时段期间，循环栅极CG1-CG4可以基于排出控制信号(draining control signal)(Vdrain)将光电转换元件(PD)的电压电平固定在漏极电压(Vd)。可以从调制驱动器440接收循环控制信号Vcir1-Vcir4和排出控制信号(Vdrain)。
在一些实现方式中，当从上方观察时，循环栅极CG1-CG4可以分别位于与被形成为围绕光电转换元件(PD)的矩形形状的四条侧边相对应的区域中。在调制时段期间，循环栅极CG1-CG4可以以顺时针或逆时针的连续顺序依次接收循环控制信号Vcir1-Vcir4，使得循环栅极CG1-CG4能够在光电转换元件(PD)的边缘区域中局部地产生电场，并且能够以预定的时间间隔沿对应方向改变该电场。这样，光电转换元件(PD)的电子可以沿基于如上所述地产生和改变的电场而改变的方向移动。
在这种情况下，循环控制信号Vcir1-Vcir4可以具有不足以将光电转换元件(PD)电联接到漏极节点D1-D4的电压电平。换句话说，在调制时段期间，循环栅极CG1-CG4可以用于将光电转换元件(PD)的电子在光电转换元件(PD)内从一个地方移动到另一个地方。
在读出时段期间，循环栅极CG1-CG4可以响应于排出控制信号(Vdrain)而将光电转换元件(PD)的电压电平固定在漏极电压(Vd)，使得循环栅极CG1-CG4能够防止噪声被引入光电转换元件(PD)，从而防止信号失真。例如，当排出控制信号(Vdrain)被激活到高电平时，排出控制信号(Vdrain)可以具有高电压，循环栅极CG1-CG4可以通过该高电压将光电转换元件(PD)电联接到漏极节点D1-D4。也就是说，激活的排出控制信号(Vdrain)可以处于比激活的循环控制信号Vcir1-Vcir4更高的电压。
因此，在读出时段期间，可以将排出控制信号(Vdrain)激活到高电平。在这种情况下，漏极节点D1-D4电联接到光电转换元件(PD)，使得光电转换元件(PD)的电压电平可以固定到高漏极电压(Vd)。在调制时段期间，可以将排出控制信号(Vdrain)禁用至低电平。
在调制时段期间，循环栅极CG1-CG4中的每个可以响应于开关元件S1-S4中的对应的开关元件的开关操作而接收循环控制信号Vcir1-Vcir4。在读出时段期间，循环栅极CG1-CG4中的每一个可以响应于开关元件S1-S4的开关操作而接收排出控制信号(Vdrain)。
为了在尽可能大的区域中以更高的速度产生和改变电场，循环栅极CG1-CG4可以使得在循环栅极CG1-CG4中的每一个中的被形成为与光电转换元件(PD)交叠的区域具有最大长度(或最大宽度)W1。例如，循环栅极CG1-CG4中的每一个的宽度(W1)可以大于在转移栅极TG1-TG4中的每一个中的被形成为与光电转换元件(PD)交叠的区域的长度(即，宽度)(W2)。当从上方观察时，循环栅极CG1-CG4中的每一个可以被形成为矩形形状。例如，循环栅极CG1和CG3中的每一个可以被形成为矩形形状，其中循环栅极CG1和CG3中的每一个的第二方向(即，Y轴方向)的长度比循环栅极CG1和CG3中的每一个的第一方向(即，X轴方向)的长度更长，并且循环栅极CG2和CG4中的每一个可以被形成为矩形形状，其中第一方向(即，X轴方向)的长度比第二方向(即，Y轴方向)的长度更长。
转移栅极TG1-TG4和循环栅极CG1-CG4可以彼此隔开预定距离，同时交替布置在半导体基板上。当从上方观察时，转移栅极TG1-TG4和循环栅极CG1-CG4可以被布置成形成为围绕光电转换元件(PD)的环形形状。
循环栅极CG1和CG3可以在半导体基板上位于光电转换元件(PD)沿第一方向的两侧，并且循环栅极CG2和CG4可以位于光电转换元件(PD)沿第二方向的两侧。例如，循环栅极CG1-CG4可以位于与被形成为围绕光电转换元件(PD)的矩形形状的四条侧边相对应的区域中，并且循环栅极CG1-CG4的一部分可以与光电转换元件(PD)交叠。
转移栅极TG1-TG4中的每一个能够与两个邻接的循环栅极隔开预定距离，并且同时能够设置在对应的循环栅极之间。例如，转移栅极TG1-TG4可以位于与所述矩形形状的顶点相对应的区域中，并且转移栅极TG1-TG4的一部分可以与光电转换元件(PD)交叠。
图3A是沿图2所示的线A-A’截取的示出单位像素的截面图。图3B是沿图2所示的线B-B’截取的示出单位像素的截面图。图3C是沿图2所示的线C-C’截取的示出单位像素的截面图。图3D是沿图2所示的线D-D’截取的示出单位像素的截面图。
参照图3A，半导体基板10可以包括反射光入射到其上的第一表面和面对第一表面的第二表面。
光电转换元件(PD)可以位于半导体基板10中的单位像素(PX)的中央部分，并且可以包括其中N型杂质区(n)和P型杂质区(p+)垂直层叠的层叠结构。光电转换元件(PD)可以通过对通过半导体基板10的第一表面接收的入射光(反射光)进行光电转换来产生电荷载流子。
漏极节点D1和D3可以位于光电转换元件(PD)的两侧，使得漏极节点D1和D3能够在半导体基板10内沿第一方向与光电转换元件(PD)隔开预定距离。漏极节点D1和D3中的每一个可以包括通过将N型高密度杂质(n+)注入到半导体基板10中而形成的杂质区。漏极节点D1和D3中的每一个可以通过导线联接到漏极电压(Vd)的输入端子。
循环栅极CG1可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)和漏极节点D1之间，并且循环栅极CG3可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)和漏极节点D3之间。例如，漏极节点D1和光电转换元件(PD)可以位于循环栅极CG1的两侧，使得漏极节点D1和光电转换元件(PD)联接到循环栅极CG1。结果，漏极节点D1和光电转换元件(PD)可以用作循环栅极CG1的源极区/漏极区。此外，漏极节点D3和光电转换元件(PD)可以位于循环栅极CG3的两侧，使得漏极节点D3和光电转换元件(PD)联接到循环栅极CG3。结果，漏极节点D3和光电转换元件(PD)可以用作循环栅极CG3的源极区/漏极区。
绝缘层20可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)上。
参照图3B，光电转换元件(PD)可以位于单位像素(PX)的中央部分，并且可以包括其中N型杂质区(n)和P型杂质区(p+)垂直层叠在半导体基板10中的层叠结构。
漏极节点D2和D4可以位于光电转换元件(PD)的两侧，同时在半导体基板10中沿第二方向与光电转换元件(PD)隔开预定距离。漏极节点D2和D4中的每一个可以包括通过将N型高密度杂质(n+)注入到半导体基板10中而形成的杂质区。漏极节点D2和D4中的每一个可以通过导线联接到漏极电压(Vd)的输入端子。
循环栅极CG2可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)和漏极节点D2之间，并且循环栅极CG4可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)和漏极节点D4之间。例如，漏极节点D2和光电转换元件(PD)可以位于循环栅极CG2的两侧，使得漏极节点D2和光电转换元件(PD)联接到循环栅极CG2。结果，漏极节点D2和光电转换元件(PD)可以用作循环栅极CG2的源极区/漏极区。此外，漏极节点D4和光电转换元件(PD)位于循环栅极CG4的两侧，使得漏极节点D4和光电转换元件(PD)联接到循环栅极CG4。结果，漏极节点D4和光电转换元件(PD)可以用作循环栅极CG4的源极区/漏极区。
绝缘层20可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)上。
也就是说，单位像素(PX)沿第一方向的截面结构在形状上可以与单位像素(PX)沿第二方向的截面结构相同。
参照图3C，光电转换元件(PD)可以位于单位像素(PX)的中央部分，并且可以包括其中N型杂质区(n)和P型杂质区(p+)垂直层叠在半导体基板10中的层叠结构。
浮置扩散(FD)区FD1和FD3可以位于光电转换元件(PD)的两侧，同时在半导体基板10中沿第三方向与光电转换元件(PD)隔开预定距离。在这种情况下，第三方向可以指被形成为穿过第一方向和第二方向之间的特定方向。
浮置扩散区FD1和FD3中的每一个可以包括通过将N型高密度杂质(n+)注入到半导体基板10中而形成的杂质区。浮置扩散区FD1可以通过导线输出分接头信号TAP1，并且浮置扩散区FD3可以通过导线输出分接头信号TAP3。分接头信号TAP1可以指与通过转移栅极TG1而转移到浮置扩散区FD1的电荷载流子(例如，电子)的量相对应的信号，并且分接头信号TAP3可以指与通过转移栅极TG3而转移到浮置扩散区FD3的电荷载流子(例如，电子)的量相对应的信号。
分接头信号TAP1和TAP3可以通过导线施加到对应的源极跟随器晶体管(未示出)的栅极。另外，分接头信号TAP1和TAP3可以通过导线施加到对应的复位晶体管(未示出)的端子。
转移栅极TG1可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)和浮置扩散区FD1之间，并且转移栅极TG3可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)和浮置扩散区FD3之间。也就是说，转移栅极TG1和TG3中的每一个可以用作晶体管的栅极，其中光电转换元件(PD)与浮置扩散区FD1和FD3用作源极区/漏极区。
绝缘层20可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)上。
参照图3D，光电转换元件(PD)可以位于单位像素(PX)的中央部分，并且可以包括其中N型杂质区(n)和P型杂质区(p+)垂直层叠在半导体基板10中的层叠结构。
浮置扩散区FD2和FD4可以位于光电转换元件(PD)的两侧，同时在半导体基板10内沿垂直于第三方向的第四方向与光电转换元件(PD)隔开预定距离。
浮置扩散区FD2和FD4中的每一个可以包括通过将N型高密度杂质(n+)注入到半导体基板10中而形成的杂质区。浮置扩散区FD2可以通过导线输出分接头信号TAP2，并且浮置扩散区FD4可以通过导线输出分接头信号TAP4。分接头信号TAP2可以指与通过转移栅极TG2而转移到浮置扩散区FD2的电荷载流子(例如，电子)的量相对应的信号，并且分接头信号TAP4可以指与通过转移栅极TG4而转移到浮置扩散区FD4的电荷载流子(例如，电子)的量相对应的信号。
分接头信号TAP2和TAP4可以通过导线施加到对应的源极跟随器晶体管(未示出)的栅极。此外，分接头信号TAP2和TAP4可以通过导线施加到对应的复位晶体管(未示出)的端子。
转移栅极TG2可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)和浮置扩散区FD2之间，并且转移栅极TG4可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)和浮置扩散区FD4之间。也就是说，转移栅极TG2和TG4中的每一个可以用作晶体管的栅极，其中光电转换元件(PD)与浮置扩散区FD2和FD4用作源极区/漏极区。
绝缘层20可以在半导体基板10的第二表面处形成在光电转换元件(PD)上。
图4A示出了在图2所示的单位像素中电子如何通过循环栅极而移动
参照图4A，当循环控制信号Vcir1-Vcir4分别施加到循环栅极CG1-CG4时，可以在循环栅极CG1-CG4的外围区域中形成电场，使得由光电转换元件(PD)产生的电子可以聚集在光电转换元件(PD)的边缘区域处的循环栅极CG1-CG4附近。在这种情况下，当循环控制信号Vcir1-Vcir4中的每一个的电压电平小于阈值电平时(该阈值电平可以产生能够将光电转换元件(PD)电联接到漏极节点D1-D4中的每一个的沟道)，电子能够在循环栅极CG1-CG4附近积累，而不会移动到漏极节点D1-D4。
然而，从图2可知，循环栅极CG1-CG4被设置成围绕光电转换元件(PD)的上部。循环控制信号Vcir1-Vcir4并非同时施加，而是以顺时针或逆时针的连续顺序依次施加到循环栅极CG1-CG4，因此电子可以根据循环栅极CG1-CG4的期望操作顺序而沿光电转换元件(PD)的边缘区域移动。这样，电子能够在光电转换元件(PD)的边缘区域内沿预定方向移动。
在一些实现方式中，在第一时间点，将循环控制信号(Vcir1)施加到循环栅极CG1，由光电转换元件(PD)产生的电子能够通过在循环栅极CG1的外围区域中形成的电场而积累在循环栅极CG1附近。
在预定时间段之后，在第二时间点，将循环控制信号(Vcir2)施加到与循环栅极CG1邻接的循环栅极CG2，并且停止将循环控制信号(Vcir1)施加到循环栅极CG1。因此，积累在循环栅极CG1附近的电子可以向循环栅极CG2移动。
在预定时间段之后，在第三时间点，将循环控制信号(Vcir3)施加到与循环栅极CG2邻接的循环栅极CG3，并且停止将循环控制信号(Vcir2)施加到循环栅极CG2。因此，积累在循环栅极CG2附近的电子可以向循环栅极CG3移动。
在预定时间段之后，在第四时间点，将循环控制信号(Vcir4)施加到与循环栅极CG3邻接的循环栅极CG4，并且停止将循环控制信号(Vcir3)施加到循环栅极CG3。因此，积累在循环栅极CG3附近的电子可以向循环栅极CG4移动。
在预定时间段之后，在第五时间点，将循环控制信号(Vcir1)施加到与循环栅极CG4邻接的循环栅极CG1，并且停止将循环控制信号(Vcir4)施加到循环栅极CG4。因此，积累在循环栅极CG4附近的电子可以向循环栅极CG1移动。
如果连续并且重复地执行上述操作，则电子能够沿光电转换元件(PD)的边缘区域循环。
图4B示出图2所示的单位像素如何通过转移栅极将电子转移到浮置扩散区。
在一些实现方式中，当转移控制信号TFv1-TFv4施加到转移栅极TG1-TG4时，在转移栅极TG1-TG4下方在半导体基板10中产生电沟道，从而将光电转换元件(PD)联接到浮置扩散区FD1-FD4。由光电转换元件(PD)产生的电子能够通过沟道转移到浮置扩散区FD1-FD4。
转移控制信号TFv1-TFv4不是同时施加的，而是以顺时针或逆时针的连续顺序依次施加到转移栅极TG1-TG4。可以根据图4A所示的循环栅极CG1-CG4的期望操作顺序，将转移控制信号TFv1-TFv4依次施加到转移栅极TG1-TG4。
例如，在循环栅极CG1附近积累的电子向循环栅极CG2移动的情况下，转移控制信号(TFv1)能够仅施加到位于循环栅极CG1和CG2之间的转移栅极TG1。在这种情况下，转移控制信号(TFv1)可以具有比循环控制信号Vcir1和Vcir2中的每一个更高的电压电平。
如上所述，在转移栅极TG1和循环栅极CG1和CG2被布置成L形结构的布置结构中，在转移栅极TG1位于顶点位置，同时施加到转移栅极TG1的信号(TFv1)比施加到循环栅极CG1和CG2的信号Vcir1和Vcir2中的每一个处于更高电压电平的情况下，由循环栅极CG1和CG2以及转移栅极TG1收集的大部分电子可以被集中地(intensively)收集在位置靠近转移栅极TG1的区域中。也就是说，大部分收集的电子可以集中在狭窄的区域。因此，即使当使用具有相对较小尺寸的转移栅极TG1时，电子也能够快速转移到浮置扩散区FD1。
以与上述方式相同的方式，在循环栅极CG2附近积累的电子向循环栅极CG3移动的情况下，转移控制信号(TFv2)能够仅施加到位于循环栅极CG2和CG3之间的转移栅极TG2。此外，如果在循环栅极CG3附近积累的电子向循环栅极CG4移动，则转移控制信号(TFv3)能够仅施加到位于循环栅极CG3和CG4之间的转移栅极TG3。同样地，如果在循环栅极CG4附近积累的电子向循环栅极CG1移动，则转移控制信号(TFv4)能够仅施加到位于循环栅极CG4和CG1之间的转移栅极TG4。
图5是示出图2所示的单位像素的操作的定时图。图6A至图6H是示出被配置为以图5所示的步骤操作的单位像素的操作的示意图。从图5所示的时间点t1-t7可知，邻接时间点之间的时间间隔可以彼此相同。在图6A至图6H中，最外面的线是示意性地示出电子如何通过循环栅极或转移栅极的操作而被集中和移动的线。
参照图5和图6A，如果在时间点(t1)将使能信号(VEN)激活到高电平，则可以开始移动和转移电子的调制时段。调制时段结束的时段可以用作读出时段，读出时段用于读出与在调制时段期间已经转移到浮置扩散区FD1-FD4的电荷载流子(例如，电子)的量相对应的分接头信号TAP1-TAP4。
在调制时段中，施加到漏极节点D1-D4的漏极电压(Vd)可以处于低电压(例如，接地电压)电平。在读出时段期间，施加到漏极节点D1-D4的漏极电压(Vd)可以处于高电压(例如，电源电压)电平。例如，如果漏极电压(Vd)即使在调制时段中也处于高电压电平，则漏极电压(Vd)可能会阻止由循环栅极收集的电子向转移栅极移动，因此漏极电压(Vd)在调制时段中可以处于低电压电平。
在调制时段中，用于将光电转换元件(PD)固定到漏极电压(Vd)的排出控制信号(Vdrain)也可以处于低电压(VL)电平。在读出时段中，排出控制信号(Vdrain)可能处于高电压(VH)电平。
在从调制时段的开始经过预定时间之后，可以在时间点(t2)激活循环控制信号(Vcir1)。换句话说，可以在时间点(t2)将循环控制信号(Vcir1)施加到循环栅极CG1。在这种情况下，循环控制信号(Vcir1)可以具有漏极节点D1不会电联接到光电转换元件(PD)的电压(VM)。循环控制信号(Vcir1)可以在预定时间t2-t4内激活。
由于循环控制信号(Vcir1)施加到循环栅极CG1，所以可以在光电转换元件(PD)的边缘区域处的与循环栅极CG1邻接的区域中形成电场。结果，由在光电转换元件(PD)中的对反射光的光电转换而产生的电子可以通过该电场向循环栅极CG1移动，从而电子被收集在循环栅极CG1附近的区域。
参照图5和图6B，在从时间点(t2)终止起的预定时间之后，可以在时间点(t3)激活转移控制信号(TFv1)和循环控制信号(Vcir2)。例如，在循环控制信号(Vcir1)仍然激活的情况下，如果循环控制信号(Vcir2)施加到循环栅极CG2并且同时转移控制信号(TFv1)施加到转移栅极TG1，则循环栅极CG1和CG2以及转移栅极TG1能够同时操作。在这种情况下，转移控制信号(TFv1)可以比循环控制信号Vcir1和Vcir2中的每一个具有更高的电压(VH)，表示为“VM＜VH”。可以在预定时间段t3-t4激活转移控制信号(TFv1)，并且可以在预定时间段t3-t5激活循环控制信号(Vcir2)。
因此，在时间段t2-t3期间在循环栅极CG1附近收集的电子可以向转移栅极TG1移动。此外，在时间段t3-t4期间由转移栅极TG1和循环栅极CG1和CG2另外收集的电子也可以向转移栅极TG1移动。
也就是说，尽管循环栅极CG1和CG2以及转移栅极TG1布置成L形结构，但转移栅极TG1布置在顶点位置，并且将相对较高的电压施加到转移栅极TG1，使得能够在位置靠近转移栅极TG1的区域(即，顶点区域)中集中地收集电子。
所收集的电子能够通过转移栅极TG1转移到浮置扩散区FD1。也就是说，在狭窄的顶点区域中集中地收集电子，使得电子能够利用小尺寸的转移栅极TG1而快速转移到浮置扩散区FD1。
参照图5、图6C和图6D，可以在时间点(t4)停用循环控制信号(Vcir1)和转移控制信号(TFv1)，并且可以在时间点(t4)激活转移控制信号(TFv2)和循环控制信号(Vcir3)。也就是说，位于循环栅极CG2一侧的转移栅极TG1和循环栅极CG1可以停止操作，并且位于循环栅极CG2另一侧的转移栅极TG2和循环栅极CG3可以开始操作。在这种情况下，转移控制信号(TFv2)可以比循环控制信号(Vcir3)具有更高的电压(VH)。
然而，尽管激活了转移控制信号(TFv2)和循环控制信号(Vcir3)，但是在控制信号TFv2和Vcir3的电压电平达到栅极TG2和CG3能够实际操作的预定电平之前可能消耗预定时间(即，上升时间)。也就是说，可能出现转移栅极TG1停止操作而转移栅极TG2尚未操作的时间段。
因此，继续激活循环控制信号(Vcir2)，直到到达时间点(t5)。结果，在转移栅极TG2尚未操作的预定时间期间，电子可以不会分散，并且向循环栅极CG2移动。例如，如图6C所示，不仅没有由转移栅极TG1传输电子，而且新产生的电子可以向循环栅极CG2移动。
如图6D所示，如果控制信号TFv2和Vcir3中的每一个的上升时间已经终止，则可以通过转移控制信号(TFv2)和循环控制信号(Vcir3)来操作转移栅极TG2和循环栅极CG3。也就是说，循环栅极CG2和CG3以及转移栅极TG2可以同时操作。在这种情况下，由于转移控制信号(TFv2)的电压(VH)高于循环控制信号Vcir2和Vcir3中的每一个的电压(VM)，所以电子可以向转移栅极TG2移动，并且可以通过转移栅极TG2而流入浮置扩散区FD2。
参照图5、图6E和图6F，可以在时间点(t5)停用循环控制信号(Vcir2)和转移控制信号(TFv2)，并且可以在时间点(t5)激活转移控制信号(TFv3)和循环控制信号(Vcir4)。也就是说，位于循环栅极CG3一侧的转移栅极TG2和循环栅极CG2可以停止操作，并且位于循环栅极CG3另一侧的转移栅极TG3和循环栅极CG4可以开始操作。在这种情况下，转移控制信号(TFv3)可以比循环控制信号(Vcir4)具有更高的电压(VH)。
在这种情况下，继续激活循环控制信号(Vcir3)，直到到达时间点(t6)。结果，如图6E所示，在转移栅极TG3尚未操作的预定时间期间，电子可以不会分散，并且向循环栅极CG3移动。
如果控制信号TFv3和Vcir4中的每一个的上升时间已经终止，则可以通过控制信号TFv3和Vcir4来操作转移栅极TG3和循环栅极CG4，如图6F所示。也就是说，循环栅极CG3和CG4以及转移栅极TG3可以同时操作。在这种情况下，由于转移控制信号(TFv3)的电压(VH)高于循环控制信号Vcir3和Vcir4中的每一个的电压(VM)，所以电子可以向转移栅极TG3移动，并且可以通过转移栅极TG3而流入浮置扩散区FD3。
参照图5、图6G和图6H，可以在时间点(t6)停用循环控制信号(Vcir3)和转移控制信号(TFv3)，并且可以在时间点(t6)激活转移控制信号(TFv4)和循环控制信号(Vcir1)。在这种情况下，转移控制信号(TFv4)可以比循环控制信号Vcir1具有更高的电压(VH)，并且循环控制信号(Vcir4)可以保持激活，直到到达时间点(t7)。
因此，如图6G所示，电子可以向循环栅极CG4移动。此后，如果控制信号TFv4和Vcir1中的每一个的上升时间已经终止，则如图6H所示，电子可以通过转移栅极TG4而流入浮置扩散区FD4。
直到时间点(t7)之后的调制时段完成为止，在时间段t3-t7中的电子移动和流入浮置扩散区FD1-FD4的这些电子的顺序传输可以重复发生。也就是说，在调制时段期间，施加到每个单位像素(PX)的循环栅极CG1-CG4的循环控制信号和施加到每个单位像素(PX)的转移栅极TG1-TG4的转移控制信号能够沿逆时针方向重复地循环和改变。如果调制时段已经终止，则停用使能信号(VEN)，从而可以开始读出时段。在这种情况下，漏极电压(Vd)可以处于高电压电平，并且可以将排出控制信号(Vdrain)激活到高电压(VH)电平。基于开关元件S1-S4的开关操作，可以将排出控制信号(Vdrain)施加到循环栅极CG1-CG4。
因此，光电转换元件(PD)可以通过循环栅极CG1-CG4电联接到漏极节点D1-D4，使得光电转换元件(PD)的电压电平可以在读出时段期间固定在漏极电压(Vd)。
从以上描述显而易见，基于所公开技术的一些实现方式的图像感测装置能够改善其操作特性。
尽管已经描述了多个例示性实施方式，但是应当理解，能够基于本专利文件中所描述和/或示出的内容来设计许多其它修改和实施方式。
相关申请的交叉引用
本专利文件要求2020年3月27日提交的韩国专利申请No.10-2020-0037366的优先权和权益，其全部内容通过引用而并入为本专利文件的公开内容的一部分。

Claims (20)

1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
像素阵列，所述像素阵列包括布置成行和列的多个单位像素，
其中，所述多个单位像素中的每一个包括：
光电转换元件，所述光电转换元件通过转换入射到所述光电转换元件上的光来产生电荷载流子；
多个浮置扩散区，所述多个浮置扩散区与所述光电转换元件隔开以保持所述电荷载流子；
多个循环栅极，所述多个循环栅极沿第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向中的每一个位于所述光电转换元件的两侧，被配置为基于循环控制信号而在所述光电转换元件的不同区域中产生电场，并且被配置为引起所述电荷载流子的移动；以及
多个转移栅极，所述多个转移栅极分别位于所述多个循环栅极之间，并且被配置为将由所述光电转换元件产生的所述电荷载流子转移到对应的浮置扩散区。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述多个循环栅极包括：
第一循环栅极，所述第一循环栅极沿所述第一方向位于所述光电转换元件的两侧，并且形成为矩形形状，在所述矩形形状中，所述第一循环栅极沿所述第二方向的长度比所述第一循环栅极沿所述第一方向的长度更长；以及
第二循环栅极，所述第二循环栅极沿所述第二方向位于所述光电转换元件的两侧，并且形成为矩形形状，在所述矩形形状中，所述第二循环栅极沿所述第一方向的长度比所述第二循环栅极沿所述第二方向的长度更长。
3.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中：
所述多个转移栅极分别位于所述第一循环栅极和所述第二循环栅极之间。
4.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述多个转移栅极和所述多个循环栅极的位置被设置成至少部分地与所述光电转换元件交叠。
5.根据权利要求4所述的图像感测装置，其中：
所述多个循环栅极中的每个与所述光电转换元件交叠的区域的最长轴比所述多个转移栅极中的每个与所述光电转换元件交叠的区域的最长轴更长。
6.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述多个循环栅极被配置为基于排出控制信号而将所述光电转换元件的电压电平固定在预定的漏极电压。
7.根据权利要求6所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
多个开关元件，所述多个开关元件被配置为选择性地向所述多个循环栅极提供所述循环控制信号和所述排出控制信号中的一者。
8.根据权利要求6所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
多个漏极节点，所述多个漏极节点各自沿与所述光电转换元件相对的方向位于所述多个循环栅极中的对应的一个循环栅极的一侧，并且所述多个漏极节点被配置为接收所述漏极电压。
9.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中，所述多个漏极节点与所述光电转换元件隔开预定距离，并且包括通过注入第一类型杂质而形成的杂质区。
10.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中：
所述多个循环栅极分别位于与被形成为围绕所述光电转换元件的矩形形状的四条侧边相对应的区域中，并且
所述多个转移栅极分别位于与所述矩形形状的四个顶点相对应的区域中。
11.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述多个循环栅极被配置为沿预定方向依次接收所述循环控制信号。
12.根据权利要求11所述的图像感测装置，其中，所述转移栅极被配置和联接为沿所述预定方向依次接收转移控制信号。
13.根据权利要求12所述的图像感测装置，其中：
所述多个转移栅极中的每一个转移栅极被配置和联接为当所述多个循环栅极中的位于该转移栅极的两侧的循环栅极接收所述循环控制信号时接收所述转移控制信号。
14.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
像素阵列，所述像素阵列包括用于执行对入射光的光电转换并且输出与所述入射光相对应的电信号的多个单位像素，
其中，所述多个单位像素中的每一个包括：
光电转换元件，所述光电转换元件通过转换所述入射光而产生电荷载流子；
多个循环栅极，所述多个循环栅极沿第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向中的每一个位于所述光电转换元件的两侧；
多个转移栅极，所述多个转移栅极分别位于所述多个循环栅极之间，并且与所述多个循环栅极交替布置；以及
多个浮置扩散区，所述多个浮置扩散区分别基于所述多个转移栅极中的对应的一个转移栅极在与所述光电转换元件相对的方向上位于所述多个转移栅极中的所述对应的一个转移栅极的一侧。
15.根据权利要求14所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
多个漏极节点，所述多个漏极节点分别基于所述多个循环栅极中的对应的一个循环栅极沿与所述光电转换元件相对的方向位于所述多个循环栅极中的所述对应的一个循环栅极的一侧，并且所述多个漏极节点联接到漏极电压的输入端子。
16.根据权利要求14所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
多个开关元件，所述多个开关元件被配置为选择性地向所述多个循环栅极提供循环控制信号和排出控制信号中的一者。
17.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中，所述多个循环栅极和所述多个转移栅极被设置成至少部分地与所述光电转换元件交叠。
18.根据权利要求17所述的图像感测装置，其中：
所述循环栅极与所述光电转换元件交叠的区域的最长轴比所述转移栅极与所述光电转换元件交叠的区域的最长轴更长。
19.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中，所述多个循环栅极包括：
第一循环栅极，所述第一循环栅极沿所述第一方向位于所述光电转换元件的两侧，并且被形成为使得所述第一循环栅极沿所述第二方向的长度比所述第一循环栅极沿所述第一方向的长度更长；以及
第二循环栅极，所述第二循环栅极沿所述第二方向位于所述光电转换元件的两侧，并且被形成为使得所述第二循环栅极沿所述第一方向的长度比所述第二循环栅极沿所述第二方向的长度更长。
20.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中，所述多个循环栅极和所述多个转移栅极彼此隔开预定距离，并且被布置成围绕所述光电转换元件的环形形状。
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