CN113488489A - 像素单元、光传感器及基于飞行时间的测距系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种像素单元及相关像素阵列、光传感器及基于飞行时间的测距系统。像素单元包括：光电二极管、第一浮置扩散区、第二浮置扩散区、第一栅极结构、第二栅极结构以及至少一电子导引栅极结构，设置于所述光电二极管上，其中所述第一栅极结构和所述第二栅极结构位于所述至少一电子导引栅极结构的同一侧，所述至少一电子导引栅极结构对应地耦接至至少一电子导引电压；其中在所述曝光操作时：所述第一栅极结构耦接至第一参考电压及所述第二栅极结构耦接至第二参考电压，使所述电子从所述光电二极管进入所述第一浮置扩散区。
Description
技术领域
本申请涉及一种半导体结构，尤其涉及一种像素单元及相关像素阵列、光传感器及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，近来可以测量深度或产生三维(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，传感器的电路中信号延迟越小，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像素单元及相关像素阵列、光传感器及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像素单元，包括：半导体衬底；光电二极管，设置于所述半导体衬底，所述光电二极管用于传感光线以产生电子；第一浮置扩散区，设置于所述半导体衬底，所述第一浮置扩散区用于在曝光操作时，收集所述电子；第二浮置扩散区，设置于所述半导体衬底，所述第二浮置扩散区用于在所述曝光操作时，收集所述电子；第一栅极结构，设置于所述半导体衬底上，其中所述光电二极管和所述第一浮置扩散区位于所述第一栅极结构的两侧，所述第一栅极结构用来选择性地控制所述电子从所述光电二极管进入所述第一浮置扩散区；第二栅极结构，设置于所述半导体衬底上，其中所述光电二极管和所述第二浮置扩散区位于所述第二栅极结构的两侧，所述第二栅极结构用来选择性地控制所述电子从所述光电二极管进入所述第二浮置扩散区；以及至少一电子导引栅极结构，设置于所述光电二极管上，其中所述第一栅极结构和所述第二栅极结构位于所述至少一电子导引栅极结构的同一侧，所述至少一电子导引栅极结构对应地耦接至至少一电子导引电压；其中在所述曝光操作时：所述第一栅极结构耦接至第一参考电压及所述第二栅极结构耦接至第二参考电压，使所述电子从所述光电二极管进入所述第一浮置扩散区；或所述第一栅极结构耦接至所述第二参考电压及所述第二栅极结构耦接至所述第一参考电压，使所述电子从所述光电二极管进入所述第二浮置扩散区，其中所述第一参考电压高于所述至少一电子导引电压，所述至少一电子导引电压高于所述第二参考电压。
本申请的一实施例公开了一种像素阵列，包括上述的像素单元。
本申请的一实施例公开了一种光传感器，包括上述的像素阵列。
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；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；以及处理单元，用于根据所述光感测信号计算所述基于飞行时间的测距系统至所述目标物的距离。
本申请所公开的像素单元及相关像素阵列、光传感器及基于飞行时间的测距系统利用至少一电子导引栅极结构，来提升电子在像素单元的光电二极管中移动至浮置扩散区的速度，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为本申请的像素阵列中的其中一像素的第一实施例的示意图。
图3为本申请的像素阵列中的其中一像素的布局的第一实施例。
图4为图3的像素沿剖面线A-A的剖面图。
图5为本申请的基于飞行时间的测距系统的时序图的第一实施例。
图6为本申请的基于飞行时间的测距系统的时序图的第二实施例。
图7为本申请的像素阵列中的其中两像素的布局的第一实施例。
图8为本申请的像素阵列中的其中一像素的第二实施例的示意图。
图9为本申请的像素阵列中的其中一像素的布局的第二实施例。
图10为本申请的像素阵列中的其中两像素的布局的第二实施例。
具体实施方式
以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
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包括多个像素单元(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中的其中一像素单元的实施例的示意图。如图2所示，像素单元200的光电二极管PD根据接收到的反射信号RL以产生对应的电子。
像素单元200包含光传感电路206、第一输出电路202及第二输出电路204，其对应的布局(版图，layout)的俯视图绘示于图3中，而对应的操作时序图则绘示于图5，应注意的是，为简洁起见，图3中对金属线层以及通孔进行省略，因此像素单元200版图中关于金属线层和通孔并未绘示在图中。请同时参照图2、图3和图5，光传感电路206包含光电二极管PD以及直接耦接于光电二极管PD的开关MT0、开关MT1及开关MP，光电二极管PD设置于半导体衬底301，光电二极管PD在图3中以含有点状图案的区域表示，具体来说，点状图案的区域表示光电二极管PD的感光区域，用于传感光线以产生电子。传感电路206的光电二极管PD较接近矩形，且传感电路206的第一浮置扩散区FDN0、主动区311和第二浮置扩散区FDN1沿著所述矩形的一个边设置。以图3来说，光线以入纸面的方向进入光电二极管PD，当光线进入光电二极管PD时会产生电子，在曝光操作时，所述电子可通过开关MT0进入第一浮置扩散区FDN0，即被收集在第一浮置扩散区FDN0，之后再被第一输出电路202读出为第一感测电压PO0；或通过开关MT1进入第二浮置扩散区FDN1，即被收集在第二浮置扩散区FDN1，之后再被第二输出电路202读出为第二感测电压PO1。在重置操作时，所述电子可通过开关MP进入主动区311后倾泄至提供第一电压V1的电源，使得光电二极管PD中的电子被清空，并等待在下一次曝光操作中再次被光子击中以产生光电流。因此第一电压V1在此作为光电二极管PD的重置电压。
第一浮置扩散区FDN0、第二浮置扩散区FDN1和主动区311设置于半导体衬底301且相邻光电二极管PD，其中第一浮置扩散区FDN0通过开关MT0的栅极即第一栅极结构308耦接光电二极管PD，第二浮置扩散区FDN1通过开关MT1的栅极即第二栅极结构312耦接至光电二极管PD，主动区311通过开关MP的栅极即第三栅极结构310耦接至光电二极管PD。第一栅极结构308、第二栅极结构312以及第三栅极结构310设置于半导体衬底301上，使光电二极管PD和第一浮置扩散区FDN0位于第一栅极结构308的两侧；光电二极管PD和第二浮置扩散区FDN1位于第二栅极结构312的两侧；光电二极管PD和主动区311位于第三栅极结构310的两侧。在本实施例中，第一栅极结构308包含第一段3081、第二段3082及第三段3083，第一段3081、第二段3082及第三段3083衔接成凹字形结构，并围绕第一浮置扩散区FDN0的三个边；第二栅极结构312包含第一段3121、第二段3122及第三段3123，第一段3121、第二段3122及第三段3123衔接成凹字形结构，并围绕第二浮置扩散区FDN1的三个边；第三栅极结构310包含第一段3101、第二段3102及第三段3103，第一段3101、第二段3102及第三段3103衔接成凹字形结构，并围绕主动区311的三个边。且第一栅极结构308的第一段3081、第二段3082及第三段3083形成的开口面向方向Y，并背朝PD在X方向的中心线；第二栅极结构312的第一段3121、第二段3122及第三段3123形成的开口同样面向方向Y，并背朝PD在X方向的中心线；第三栅极结构310的第一段3101、第二段3102及第三段3103形成的开口同样面向方向Y，并背朝PD在X方向的中心线。上述第一栅极结构308、第二栅极结构312以及第三栅极结构310的形状可以使光电二极管PD中的电子更容易进入第一浮置扩散区FDN0、第二浮置扩散区FDN1和主动区311。但本申请并不限制上述第一栅极结构308、第二栅极结构312以及第三栅极结构310的形状。
具体来说，开关MT0、开关MT1及开关MP分别受信号TX0、TX1及TXB的控制以决定是否导通。当信号TX0、TX1或TXB为第一参考电压时，开关MT0、开关MT1或开关MP对应地导通；当信号TX0、TX1或TXB为第二参考电压时，开关MT0、开关MT1或开关MP对应地不导通，所述第一参考电压时高于所述第二参考电压。
对于在第一栅极结构308、第二栅极结构312以及第三栅极结构310附近的电子来说，漂移至第一浮置扩散区FDN0、第二浮置扩散区FDN1和主动区311并不需花费太多时间，但若光子使光电二极管PD产生电子处离第一栅极结构308、第二栅极结构312以及第三栅极结构310较远，电子就需要花费较长时间漂移或扩散至第一浮置扩散区FDN0、第二浮置扩散区FDN1和主动区311，导致光传感器103的迟滞的现象，效果等同于对光线的反应较不敏锐(即受光产生的光电流较小)，会影响测距系统100的距离量测结果的准确度。以图3来说，PD越下方(越往Y方向的反方向)离第一栅极结构308、第二栅极结构312以及第三栅极结构310越远。
因此，本申请在光电二极管PD的上方形成至少一电子导引栅极结构并覆盖光电二极管PD，来改变光电二极管PD中对应区域的电位能阶，来导引电子，使电子可以受到导引以减少漂移至第一浮置扩散区FDN0、第二浮置扩散区FDN1和主动区311所需花费的时间，从而缓解上述的迟滞问题。依据光电二极管PD的大小，可以对应地设置一个或多个电子导引栅极结构，以图3的实施例为例，设置了第一电子导引栅极结构304和第二电子导引栅极结构306，在图2中则以晶体管MC0和晶体管MC1示意。也就是说，图2中的晶体管MC0和晶体管MC1仅为示意，实际上仅用以表示图3的实施例中的第一电子导引栅极结构304和第二电子导引栅极结构306，亦即图3的实施例中不包含图2的晶体管MC0和晶体管MC1的源极和漏极。
图4为图3的像素单元200沿剖面线A-A的剖面图。可以看出电子导引栅极结构304和电子导引栅极结构306直接设置于光电二极管PD之上，栅极结构308则设置于光电二极管PD和第一浮置扩散区FDN0之间的半导体衬底301的上方。电子导引栅极结构304包含栅极电极3041以及栅极介电层3042，栅极介电层3042设置于栅极电极3041和光电二极管PD之间。电子导引栅极结构306包含栅极电极3061以及栅极介电层3062，栅极介电层3062设置于栅极电极3061和光电二极管PD之间。栅极结构308包含栅极电极3081以及栅极介电层3082，栅极介电层3082设置于栅极电极3081和半导体衬底301之间。
第一电子导引栅极结构304及第二电子导引栅极结构306分别耦接至信号CX0及信号CX1，当希望电子导引功能被开启时，信号CX0的电位为第一电子导引电压，信号CX1的电位为第二电子导引电压，且所述第一参考电压高于所述第二电子导引电压，所述第二电子导引电压高于所述第一电子导引电压，所述第一电子导引电压高于所述第二参考电压。这样一来，当开关MT0导通时，第一栅极结构308、第二电子导引栅极结构306和第一电子导引栅极结构304的相对电压关系为高、中和低，使电子更快地被导引至第一浮置扩散区FDN0；当开关MT1导通时，第二栅极结构312、第二电子导引栅极结构306和第一电子导引栅极结构304的相对电压关系为高、中和低，使电子更快地被导引至第二浮置扩散区FDN1；当晶体管MP导通时，第三栅极结构310、第二电子导引栅极结构306和第一电子导引栅极结构304的电压关系为高、中和低，使电子更快地被导引至主动区311。
图3中，第一栅极结构308、第二栅极结构312以及第三栅极结构310位于所述至少一电子导引栅极结构的同一侧，使第二电子导引栅极结构306的一侧是第一电子导引栅极结构304，另一侧是第一栅极结构308、第二栅极结构312以及第三栅极结构310。相较于将第一栅极结构308和第二栅极结构312设置于所述至少一电子导引栅极结构的相对两侧，本申请的好处在于在第一栅极结构308和第二栅极结构312的导通状态互相交换时，尚未离开光电二极管PD的电子不需要再往反方向漂移，也就是提升了电子移动的效率。第一栅极结构308和第二栅极结构312的导通状态不断互相交换是为了判断出光子到达的时间，详细操作请参考后续关于图4的说明。
此外，第一电子导引栅极结构304和第二电子导引栅极结构306平行设置，并沿方向X跨越光电二极管PD的左右相对两侧，第一电子导引栅极结构304和第二电子导引栅极结构306并突出光电二极管PD的左右相对两侧。由于第一电子导引栅极结构304和第二电子导引栅极结构306皆保持相同的宽度跨越光电二极管PD，这样一来，可以使第一电子导引栅极结构304和第二电子导引栅极结构306对光电二极管PD造成的影响在方向X保持均匀。
由于第一栅极结构308、第二栅极结构312以及第三栅极结构310沿著方向X直线分布，因此将第一电子导引栅极结构304和第二电子导引栅极结构306也设置为沿方向X呈直线延伸，且第二电子导引栅极结构306到第一浮置扩散区FDN0的最近距离和第二电子导引栅极结构306到第二浮置扩散区FDN1的最近距离相同，以尽可能地使电子从光电二极管PD移动到第一浮置扩散区FDN0和从光电二极管PD移动到第二浮置扩散区FDN1的距离相同，以提升测距系统100的距离量测结果的准确度。
在本申请的实施例中，晶体管皆为N型晶体管，且第一电压V1大于第二电压V2，其中第一电压V1可以是所述第一参考电压，第二电压V2可以是所述第二参考电压，也就是说，图2的实施例中，像素单元200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，像素单元200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，像素单元200中的晶体管可以同时具有N型晶体管和P型晶体管。
图4绘示了部分信号在重置操作与曝光操作的时序，在光脉冲产生单元102发出光脉冲信号EL之前，会先进行所述重置操作，以清除光电二极管PD中的电子，此时信号TXB、信号CX1和信号CX0的电压关系被设置为高、中和低，且都高于所述第二参考电压。接着便可进行所述曝光操作，光脉冲产生单元102发出光脉冲信号EL，光传感器103对反射信号RL进行传感。具体来说，在所述曝光操作时，信号TX0和信号TX1会使开关MT0和开关MT1在不同时间导通，举例来说，信号TX0和信号TX1具有不同的相位，例如信号TX0和信号TX1的相位差为180度。当开关MT0导通时，信号TX0、信号CX1和信号CX0的电压关系被设置为高、中和低，且都高于所述第二参考电压；当开关MT1导通时，信号TX1、信号CX1和信号CX0的电压关系被设置为高、中和低，且都高于所述第二参考电压。
为了要降低信号TX0和信号TX1的电压，即降低所述第一参考电压，以降低功耗，本申请提出图6的实施例，其和图4的差别在于，图6的曝光操作时，将电子导引功能关闭，也就是不特别提升信号CX1和信号CX0的电压，让信号CX1和信号CX0的电压成为所述第二参考电压。由于重置操作时信号CX1和信号CX0在光电二极管PD中造成的电场在电子导引功能关闭后需要一段时间才会完全消失，因此在曝光操作时仍然可以对电子的漂移产生导引作用。
在本实施例中，第一输出电路202可包含源跟随晶体管MF0、重置晶体管MR0以及行选择晶体管MS0，源跟随晶体管MF0依据累积在浮置扩散区FDN0的电子以在源跟随晶体管MF0的源极输出端SFO0产生对应的感测电压。重置晶体管MR0的源极耦接至源跟随晶体管MF0的栅极，并依据信号R0来选择性地将浮置扩散区FDN0累积的电子清除。行选择晶体管MS0的漏极耦接至源跟随晶体管MF0的源极输出端SFO0，并依据信号RW0来选择性地将源极输出端SFO0的感测电压输出为第一感测电压PO0。第二输出电路204可包含源跟随晶体管MF1、重置晶体管MR1以及行选择晶体管MS1，源跟随晶体管MF1依据累积在浮置扩散区FDN1的电子以在源跟随晶体管MF1的源极输出端SFO1产生对应的感测电压。重置晶体管MR1的源极耦接至源跟随晶体管MF1的栅极，并依据信号R1来选择性地将浮置扩散区FDN1累积的电子清除。行选择晶体管MS1的漏极耦接至源跟随晶体管MF1的源极输出端SFO1，并依据信号RW1来选择性地将源极输出端SFO1的感测电压输出为第二感测电压PO1。
图3中的栅极314、栅极316、栅极318分别为重置晶体管MR0、源跟随晶体管MF0及行选择晶体管MS0的栅极；栅极322、栅极324、栅极326分别为重置晶体管MR1、源跟随晶体管MF1及行选择晶体管MS1的栅极。
应注意的是，在某些实施例中，开关MP可以省略，而改以其他方式重置光电二极管PD。例如利用重置晶体管MR0搭配开关MT0及/或重置晶体管MR1搭配开关MT1来重置光电二极管PD。
像素阵列104包含多个像素单元，例如在某些实施例中，像素阵列104至少包含前述的像素单元200和像素单元200'，如图7所示，像素单元200'的结构和像素单元200的结构沿对称轴L1对称，且像素单元200的第一浮置扩散区FDN0和第二浮置扩散区FDN1背对像素单元200'的第一浮置扩散区FDN0和第二浮置扩散区FDN0。这样的配置特别适合用在像素合并(pixel binning)的架构中，好处在于可以节省金属线绕线所需的空间。具体来说，像素合并架构有助于将独立像素的信息合并考虑，以将噪声的影响降低来提升精度。举例来说，独立设置的像素单元200和像素单元200'可以针对同一次曝光分别产生感测电压，并通过金属线直接合并素单元200和像素单元200'产生的感测电压以供另外的算法电路或处理器进行像素合并的飞行时间估计。
图8为像素阵列104中的其中一像素单元的另一实施例的示意图，其对应的布局的俯视图绘示于图9中，像素单元700和像素单元200的差异仅在于像素单元700的光传感电路706的结构和像素单元200的光传感电路206不相同。传感电路206的光电二极管PD较接近矩形，且传感电路206的第一浮置扩散区FDN0、主动区311和第二浮置扩散区FDN1沿著所述矩形的一个边设置。但传感电路706的光电二极管PD较接近六边形，类似于将传感电路206的光电二极管PD的两个角移除所得到，或者也可以说是一个矩形叠加一个等腰梯形得到的六边形结构，因此相较于传感电路206，传感电路706的第一浮置扩散区FDN0和第二浮置扩散区FDN1较往光电二极管PD的中心的方向设置，以尽可能地使电子从光电二极管PD移动到第一浮置扩散区FDN0的距离以及电子从光电二极管PD移动到第二浮置扩散区FDN1的距离缩短，以使电子可以更快从光电二极管PD移动到第一浮置扩散区FDN0，以及更快从光电二极管PD移动到第二浮置扩散区FDN1。而传感电路706的主动区811设置在和传感电路206的主动区311大致相同的位置，使传感电路706的第一浮置扩散区FDN0、主动区811和第二浮置扩散区FDN1不是沿著方向X成直线设置。
此外，相较于传感电路206，由于传感电路706的光电二极管PD局部往内缩，故面积较小，因此只配置一个电子导引栅极结构，即电子导引栅极结构802。且电子导引栅极结构802不为直线，其造型配合传感电路706的第一浮置扩散区FDN0、主动区811和第二浮置扩散区FDN1的配置。如图9所示，电子导引栅极结构802由左往右包含第一部分8021、第二部分8022、第三部分8023、第四部分8024以及第五部分8025，电子导引栅极结构802的第一部分8021沿著方向X延伸并从光电二极管PD的一侧突出，并在光电二极管PD的内部连接电子导引栅极结构802的第二部分8022，电子导引栅极结构802的第二部分8022沿著方向A2在光电二极管PD的内部延伸并连接电子导引栅极结构802的第三部分8023，电子导引栅极结构802的第三部分8023沿著方向X在光电二极管PD的内部延伸并连接电子导引栅极结构802的第四部分8024，电子导引栅极结构802的第四部分8024沿著方向A3在光电二极管PD的内部延伸并连接电子导引栅极结构802的第五部分8025，电子导引栅极结构802的第五部分8025沿著方向X在光电二极管PD的内部延伸并往外突出光电二极管PD。在本实施例中，若方向X为0度，方向Y为90度，则方向A2为45度，方向A1为135度，方向A3为-45度，但本申请不以此限。例如感光区域左上角斜边部分(即矩形区域切掉三角形后形成的斜边)相对X方向夹角为a时，A2可以与a基本相同。
在本实施例中，第一栅极结构806的第一段8061、第二段8062及第三段8063形成的开口面向方向A1；第二栅极结构810的第一段8101、第二段8102及第三段8103形成的开口面向方向A2；第三栅极结构808的第一段8081、第二段8082及第三段8083形成的开口面向方向Y。第一栅极结构806的第二段8062平行电子导引栅极结构802的第二部分8022；第二栅极结构810的第二段8102平行电子导引栅极结构802的第四部分8024；第三栅极结构808的第二段8082平行电子导引栅极结构802的第三部分8023。电子导引栅极结构802到第一浮置扩散区FDN0的最近距离d1和电子导引栅极结构802到第二浮置扩散区FDN1的最近距离d2相同，以尽可能地使电子从光电二极管PD移动到第一浮置扩散区FDN0和从光电二极管PD移动到第二浮置扩散区FDN1的距离相同，以使得不同相位子帧检测结果是基于相同特性的检测单元所获得，从而基于所述不同相位子帧的检测结果计算得到的深度准确性更高，以提升测距系统100的距离量测结果的准确度。
像素单元700对应的操作方式和像素单元200类似，且在某些实施例中，像素单元700也可以具有一个以上的电子导引栅极结构。
在某些实施例中，像素阵列104至少包含像素单元700和像素单元700'，如图10所示，像素单元700'的结构和像素单元700的结构沿对称轴L1对称，且像素单元700的第一浮置扩散区FDN0和第二浮置扩散区FDN1背对像素单元700'的第一浮置扩散区FDN0和第二浮置扩散区FDN0。
上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。
Claims (16)
1.一种像素单元，其特征在于，包括：
半导体衬底；
光电二极管，设置于所述半导体衬底，所述光电二极管用于传感光线以产生电子；
第一浮置扩散区，设置于所述半导体衬底，所述第一浮置扩散区用于在曝光操作时，收集所述电子；
第二浮置扩散区，设置于所述半导体衬底，所述第二浮置扩散区用于在所述曝光操作时，收集所述电子；
第一栅极结构，设置于所述半导体衬底上，其中所述光电二极管和所述第一浮置扩散区位于所述第一栅极结构的两侧，所述第一栅极结构用来选择性地控制所述电子从所述光电二极管进入所述第一浮置扩散区；
第二栅极结构，设置于所述半导体衬底上，其中所述光电二极管和所述第二浮置扩散区位于所述第二栅极结构的两侧，所述第二栅极结构用来选择性地控制所述电子从所述光电二极管进入所述第二浮置扩散区；以及
至少一电子导引栅极结构，设置于所述光电二极管上，其中所述第一栅极结构和所述第二栅极结构位于所述至少一电子导引栅极结构的同一侧，所述至少一电子导引栅极结构对应地耦接至至少一电子导引电压；
其中在所述曝光操作时：
所述第一栅极结构耦接至第一参考电压及所述第二栅极结构耦接至第二参考电压，使所述电子从所述光电二极管进入所述第一浮置扩散区；或
所述第一栅极结构耦接至所述第二参考电压及所述第二栅极结构耦接至所述第一参考电压，使所述电子从所述光电二极管进入所述第二浮置扩散区，其中所述第一参考电压高于所述至少一电子导引电压，所述至少一电子导引电压高于所述第二参考电压。
2.如权利要求1所述的像素单元，还包括：
主动区，设置于所述半导体衬底，所述主动区耦接至重置电压；以及
第三栅极结构，设置于所述半导体衬底上，其中所述光电二极管和所述主动区位于所述第三栅极结构的两侧，所述第三栅极结构用来选择性地控制所述电子从所述光电二极管进入所述主动区，其中在重置操作时，所述第三栅极结构耦接至所述第一参考电压，使所述电子从所述光电二极管进入所述主动区；
其中所述第三栅极结构、所述第一栅极结构和所述第二栅极结构位于所述至少一电子导引栅极结构的同一侧。
3.如权利要求1所述的像素单元，其中从俯视图来看，所述至少一电子导引栅极结构跨越所述光电二极管的相对两侧，所述至少一电子导引栅极结构并突出所述光电二极管的所述相对两侧。
4.如权利要求1所述的像素单元，其中所述至少一电子导引栅极结构包含第一电子导引栅极结构及第二电子导引栅极结构，所述第一电子导引栅极结构及所述第二电子导引栅极结构平行设置，所述第二电子导引栅极结构位于所述第一电子导引栅极结构和所述第一栅极结构之间。
5.如权利要求4所述的像素单元，其中所述第一电子导引栅极结构及所述第二电子导引栅极结构分别耦接至第一电子导引电压及第二电子导引电压，所述第一参考电压高于所述第二电子导引电压，所述第二电子导引电压高于所述第一电子导引电压，所述第一电子导引电压高于所述第二参考电压。
6.如权利要求1所述的像素单元，其中从俯视图来看，所述第一栅极结构包含第一段、第二段及第三段围绕所述第一浮置扩散区的三个边；以及所述第二栅极结构包含第一段、第二段及第三段围绕所述第二浮置扩散区的三个边。
7.如权利要求2所述的像素单元，其中从俯视图来看，所述第三栅极结构包含第一段、第二段及第三段围绕所述主动区的三个边。
8.如权利要求1至7中任一项所述的像素单元，其中从俯视图来看，所述至少一电子导引栅极结构呈直线，且所述至少一电子导引栅极结构到所述第一浮置扩散区的最近距离和所述至少一电子导引栅极结构到所述第二浮置扩散区的最近距离相同。
9.如权利要求8所述的像素单元，其中从俯视图来看，所述第一栅极结构的所述第一段、所述第二段及所述第三段形成的开口面向第一方向，所述第二栅极结构的所述第一段、所述第二段及所述第三段形成的开口也面向所述第一方向。
10.如权利要求1至7中任一项所述的像素单元，其中从俯视图来看，所述至少一电子导引栅极结构不呈直线，且所述至少一电子导引栅极结构到所述第一浮置扩散区的最近距离和所述至少一电子导引栅极结构到所述第二浮置扩散区的最近距离相同。
11.如权利要求10所述的像素单元，其中从俯视图来看，所述第一栅极结构的所述第一段、所述第二段及所述第三段形成的开口面向第一方向，所述第二栅极结构的所述第一段、所述第二段及所述第三段形成的开口面向第二方向，所述第二方向不同于所述第一方向。
12.如权利要求11所述的像素单元，其中所述第二方向垂直于所述第一方向。
13.一种像素阵列，其特征在于，包含：
多个如权利要求1至12中任一项所述的像素单元。
14.如权利要求13所述的像素阵列，其中所述多个像素单元包含第一像素单元以及第二像素单元，其中从俯视图来看，所述第一像素单元和所述第二像素单元对称设置，且所述第一像素单元的所述第一浮置扩散区和所述第二浮置扩散区背对所述第二像素单元的所述第一浮置扩散区和所述第二浮置扩散区。
15.一种光传感器，其特征在于，包括：
如权利要求13至14中任一项所述的像素阵列。
16.一种基于飞行时间的测距系统，其特征在于，包括：
光脉冲产生单元，用于产生光脉冲信号；
如权利要求13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基于飞行时间的测距系统至所述目标物的距离。
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003274290A (ja) * | 2002-03-13 | 2003-09-26 | Sony Corp | 固体撮像装置及びその駆動方法 |
| JP2006311515A (ja) * | 2005-03-29 | 2006-11-09 | Konica Minolta Holdings Inc | 固体撮像装置 |
| CN103811510A (zh) * | 2014-03-07 | 2014-05-21 | 上海华虹宏力半导体制造有限公司 | 图像传感器的像素单元及其形成方法 |
| US20160150175A1 (en) * | 2014-11-26 | 2016-05-26 | Semiconductor Components Industries, Llc | Global shutter image sensor pixels having improved shutter efficiency |
| US20160286151A1 (en) * | 2015-03-23 | 2016-09-29 | Tower Semiconductor Ltd. | Image Sensor Pixel With Memory Node Having Buried Channel And Diode Portions |
| CN107534048A (zh) * | 2015-03-31 | 2018-01-02 | 国立大学法人静冈大学 | 测长元件以及固体摄像装置 |
| US20200119082A1 (en) * | 2018-10-11 | 2020-04-16 | SK Hynix Inc. | Image sensor including active regions |
| CN111354752A (zh) * | 2018-12-20 | 2020-06-30 | 三星电子株式会社 | 图像传感器 |
| US20200284883A1 (en) * | 2019-03-08 | 2020-09-10 | Osram Gmbh | Component for a lidar sensor system, lidar sensor system, lidar sensor device, method for a lidar sensor system and method for a lidar sensor device |
| CN111819695A (zh) * | 2020-03-17 | 2020-10-23 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | 光传感器及基于飞行时间的测距系统 |
-
2021
- 2021-06-02 CN CN202110612733.0A patent/CN113488489B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003274290A (ja) * | 2002-03-13 | 2003-09-26 | Sony Corp | 固体撮像装置及びその駆動方法 |
| JP2006311515A (ja) * | 2005-03-29 | 2006-11-09 | Konica Minolta Holdings Inc | 固体撮像装置 |
| CN103811510A (zh) * | 2014-03-07 | 2014-05-21 | 上海华虹宏力半导体制造有限公司 | 图像传感器的像素单元及其形成方法 |
| US20160150175A1 (en) * | 2014-11-26 | 2016-05-26 | Semiconductor Components Industries, Llc | Global shutter image sensor pixels having improved shutter efficiency |
| US20160286151A1 (en) * | 2015-03-23 | 2016-09-29 | Tower Semiconductor Ltd. | Image Sensor Pixel With Memory Node Having Buried Channel And Diode Portions |
| CN107534048A (zh) * | 2015-03-31 | 2018-01-02 | 国立大学法人静冈大学 | 测长元件以及固体摄像装置 |
| US20200119082A1 (en) * | 2018-10-11 | 2020-04-16 | SK Hynix Inc. | Image sensor including active regions |
| CN111354752A (zh) * | 2018-12-20 | 2020-06-30 | 三星电子株式会社 | 图像传感器 |
| US20200284883A1 (en) * | 2019-03-08 | 2020-09-10 | Osram Gmbh | Component for a lidar sensor system, lidar sensor system, lidar sensor device, method for a lidar sensor system and method for a lidar sensor device |
| CN111819695A (zh) * | 2020-03-17 | 2020-10-23 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | 光传感器及基于飞行时间的测距系统 |
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| Publication number | Publication date |
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