CN113938584A - 图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

一种图像感测装置包括：单元像素的像素阵列，各个像素被构造为响应入射光以生成指示所检测的入射光的光电荷，并且在单元像素内的不同位置处包括不同感光子像素以检测入射光；不同检测结构，其分别形成在单元像素的不同感光子像素的外围位置，并且被配置为接收由单元像素的不同感光子像素生成并由单元像素中的电流承载的光电荷；单元像素电压节点，其位于单元像素的中央部分并且被电联接以使不同感光子像素的电位电偏置；以及控制电路，其联接到单元像素的不同检测结构以分别向单元像素的不同检测结构供应子像素检测控制信号，并且联接到单元像素电压节点以供应电场控制信号。

Description

图像感测装置
技术领域
本专利文献中所公开的技术和实现方式总体上涉及图像感测装置，更具体地，涉及一种用于感测到目标对象的距离的图像感测装置。
背景技术
图像传感器用在电子装置中以通过使用对光作出反应的半导体材料将光转换为电信号来捕获光学图像。随着最近汽车、医疗、计算机和通信行业的发展，在例如智能电话、数字相机、游戏机、物联网(IoT)、机器人、监控相机、医疗微型相机等的各种电子装置中对高性能图像传感器的需求不断增加。
图像传感器可大致分类为基于CCD(电荷耦合器件)的图像传感器和基于CMOS(互补金属氧化物半导体)的图像传感器。CCD图像传感器创建高质量、低噪声图像，传统上在噪声特性方面优于CMOS图像传感器。然而，由于优于CCD图像传感器的特定优点(包括例如更高的帧频和快门速度)，CMOS图像传感器现在得以广泛使用。
另外，CMOS图像传感器和信号处理电路可被集成到单个芯片中，使得可在实现更低功耗的同时使电子装置小型化。此外，使用CMOS制造技术可导致生产成本降低。CMOS图像传感器的这些特性使得这些传感器更适合于实现在移动装置中。
对于使用图像传感器测量范围和深度(即，到目标对象的距离)，已进行了许多开发和研究。例如，在例如安全装置、医疗装置、汽车、游戏机、虚拟现实(VR)/增强现实(AR)装置、移动装置等的各种装置中对测量范围和深度的技术的需求不断增加。使用一个或更多个图像传感器来测量深度信息的方法主要分类为三角测量法、飞行时间(TOF)方法和干涉测量法。在上述深度测量方法当中，飞行时间(TOF)方法由于其广泛的利用范围、高处理速度和成本优势而变得流行。TOF方法使用发射的光和反射的光来测量距离。
根据确定距离的是往返时间还是相位差，TOF方法可主要分类为直接方法和间接方法。直接方法可计算往返时间，并且可使用所计算的往返时间来测量到目标对象的距离。间接方法可使用相位差来测量到目标对象的距离。直接方法适合于测量远距离测量结果，因此广泛用在汽车中。间接方法适合于测量短距离测量结果，因此广泛用在被设计为以更高的速度操作的各种更高速装置(例如，游戏机、移动相机等)中。与直接型TOF系统相比，间接方法具有多个优点，包括具有更简单的电路、低存储器要求和相对低的成本。
电流辅助光子解调器(CAPD)方法是在间接TOF传感器中使用的一种像素电路。在CAPD中，在像素电路中由通过施加基板电压而创建的多数电流生成电子，并且利用电场之间的电位差来检测所生成的电子。由于CAPD方法被设计为使用多数电流，所以CAPD方法可更快速地检测电子。另外，通过检测形成在较深深度的一些电子，CAPD具有优异的效率。
发明内容
所公开的技术的各种实施方式涉及一种图像感测装置，其设置有包括为较小尺寸产品优化的电子检测结构的像素。
根据所公开的技术的实施方式，一种图像感测装置可包括：单元像素的像素阵列，各个像素被构造为响应入射光以生成指示所检测的入射光的光电荷，并且在单元像素内的不同位置处包括不同感光子像素以检测入射光；不同检测结构，其分别形成在单元像素的不同感光子像素的外围位置，并且被配置为接收由单元像素的不同感光子像素生成并由单元像素中的电流承载的光电荷；单元像素电压节点，其位于单元像素的中央部分并且被电联接以使不同感光子像素的电位电偏置；以及控制电路，其联接到单元像素的不同检测结构以分别向单元像素的不同检测结构供应子像素检测控制信号，并且联接到单元像素电压节点以供应电场控制信号。
在一些实现方式中，形成在单元像素的不同感光子像素的外围位置的各个检测结构包括接收用于单元像素的对应子像素检测控制信号的控制节点以及与控制节点相邻的至少一个检测节点。
在一些实现方式中，控制电路被构造为使得各个子像素检测控制信号具有启用电压或停用电压。
在一些实现方式中，电场控制信号具有介于停用电压和启用电压之间的电压。
在一些实现方式中，电场控制信号的电压是启用电压和停用电压的平均值。
在一些实现方式中，图像感测装置还包括光源，该光源生成照明光以对目标对象进行照明，像素阵列要通过检测在照明光的照明下来自目标对象的返回光来对目标对象进行成像，单元像素包括按2×2矩阵阵列布置的四个子像素，控制电路联接到光源以施加对照明光进行调制的光调制信号，并且还被构造为将第一子像素检测控制信号施加到单元像素的第一子像素的检测结构以具有与用于生成施加到目标对象的调制光的光调制信号基本上相同的相位，将第二子像素检测控制信号施加到单元像素的第二子像素的检测结构以相对于光调制信号具有180°的相位差，将第三子像素检测控制信号施加到单元像素的第三子像素的检测结构以相对于光调制信号具有90°的相位差，将第四子像素检测控制信号施加到单元像素的第四子像素的检测结构以相对于光调制信号具有270°的相位差。
在一些实现方式中，各个控制节点具有圆形形状，并且各个检测节点具有梯形、矩形或三角形之一的形状。
在一些实现方式中，图像感测装置还包括设置在相邻检测节点之间的隔离区域。
在一些实现方式中，隔离区域掺杂有掺杂剂类型与检测节点的掺杂剂类型相反的杂质。
在一些实现方式中，图像感测装置还包括网格结构，该网格结构沿着包括在单元像素中的相邻子像素之间的边界延伸，并且被配置为反射或吸收入射光。
在一些实现方式中，沿着相邻子像素之间的边界延伸的区域中的网格结构的宽度小于检测结构的水平长度和垂直长度。
在一些实现方式中，网格结构包括延伸以与检测结构交叠的区域。
在一些实现方式中，单元像素的各个感光子像素包括像素晶体管区域，该像素晶体管区域包括用于处理由感光子像素的检测节点捕获的光电荷的晶体管，并且其中，单元像素的感光子像素的不同像素晶体管区域关于子像素之间的边界对称布置。
根据所公开的技术的另一实施方式，一种图像感测装置可包括：单元像素，其包括像素并且具有边以及连接两条相邻边的顶点，该单元像素被配置为响应于入射光的接收而生成光电荷；控制节点，其设置在单元像素的顶点处并且被配置为接收在基板中生成空穴电流以使得光电荷沿着空穴电流的流动移动的第一控制信号；电压接收节点，其设置在单元像素的中央部分并且被配置为接收控制空穴电流的流动的第二控制信号；以及多个检测节点，其分别位于控制节点周围并且被配置为捕获光电荷。
在一些实现方式中，单元像素的4个子像素按2×2矩阵阵列布置。
在一些实现方式中，第一控制信号对应于具有启用电压或停用电压的解调控制信号。
在一些实现方式中，第二控制信号对应于具有介于启用电压和停用电压之间的值的电场控制信号
将理解，所公开的技术的以上一般描述和以下详细描述二者是例示性和说明性的，旨在提供对所要求保护的本公开的进一步说明。
附图说明
当结合附图考虑时，所公开的技术的以上和其它特征和有益方面将参照以下详细描述而变得易于显而易见。
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的示例的框图。
图2是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图1所示的像素阵列的示例的示意图。
图3是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图2所示的像素阵列中所包括的单元像素的示例的电路图。
图4、图5、图6和图7是示出基于所公开的技术的一些实现方式的对于各个阶段被配置为检测电子的图像感测装置的操作的示例的概念图。
图8是示出基于所公开的技术的一些实现方式的没有第五抽头的图像感测装置的电子检测操作的示例的概念图。
图9是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的操作的示例的时序图。
图10和图11是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图1所示的像素阵列中包括的第一至第四抽头的其它示例的示意图。
图12是示出基于所公开的技术的一些实现方式的设置在图2所示的像素阵列中的网格结构的示例的示意图。
图13是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图12所示的网格结构的示例的概念图。
图14是示出基于所公开的技术的一些实现方式的设置在图2所示的像素阵列中的像素晶体管区域的示例的示意图。
具体实施方式
本专利文献提供了图像感测装置的实现方式和示例，并且所公开的特征可被实现为基本上解决由于各种图像感测装置的限制和缺点而引起的一个或更多个问题。所公开的技术的一些实现方式涉及一种图像感测装置，该图像感测装置设置有包括为较小尺寸产品优化的电子检测结构的像素。所公开的技术提供了设置有包括电子检测结构的像素的图像感测装置的各种实现方式，其可允许单元像素接收电场控制信号，并且可使用电场控制信号来控制空穴电流的流动，从而导致更高的电子检测效率和更高的检测速度。
现在将详细参考所公开的技术的实施方式，其示例示出于附图中。只要可能，贯穿附图将使用相同的标号来指代相同或相似的部分。尽管本公开易于进行各种修改和替代形式，但附图中作为示例示出了其特定实施方式。
图1是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置ISD的示例的框图。
参照图1，图像感测装置ISD可使用飞行时间(TOF)方法来测量到目标对象1的距离。图像感测装置ISD可包括光源10、透镜模块20、像素阵列30和控制电路40。
光源10可在从控制电路40接收到光调制信号MLS(调制光信号)时向目标对象1发射光。光源10可以是用于发射具有特定波长带的光(例如，近红外(NIR)光、红外(IR)光或可见光)的激光二极管(LD)或发光二极管(LED)，或者可以是近红外激光器(NIR)、点光源、与白灯或单色仪组合的单色光源和其它激光源的组合中的任一个。例如，光源10可发射具有800nm至1000nm的波长的红外光。从光源10发射的光可以是由预定频率调制的光(即，调制光)。尽管为了描述方便，图1仅示出一个光源10，但所公开的技术的范围或精神不限于此，也可在透镜模块20的附近布置多个光源。
透镜模块20可收集从目标对象1反射的光，并且可允许所收集的光聚焦到像素阵列30的像素(PX)上。例如，透镜模块20可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一个或更多个其它圆柱形光学元件。透镜模块20可包括被布置为聚焦在光轴上的多个透镜。
像素阵列30可包括按二维(2D)矩阵结构连续布置的单元像素(PX)，其中单元像素布置在列方向以及与列方向垂直的行方向上。单元像素(PX)可形成在半导体基板上方。各个单元像素(PX)可将通过透镜模块20接收的入射光转换为与入射光的量对应的电信号，因此可使用该电信号输出像素信号。在这种情况下，像素信号可能不指示目标对象1的颜色，可以是指示到目标对象1的距离的信号。
各个单元像素(PX)可以是电流辅助光子解调器(CAPD)像素。以下将从图2开始参照附图描述各个单元像素(PX)的结构和操作。
各个单元像素(PX)可包括多个子像素。子像素可按矩阵形状布置，并且可形成单元像素(PX)。单元像素(PX)可以是在像素阵列内按相同的形状重复地布置的最小单元。
控制电路40可通过控制光源10来向目标对象1发射光，可通过驱动像素阵列30的单元像素(PX)来处理与从目标对象1反射的光对应的各个像素信号，并且可使用处理结果来测量到目标对象1的表面的距离。
控制电路40可包括控制电路41、光源驱动器42、定时控制器43和读出电路44。
控制电路41可响应于从定时控制器43生成的定时信号而驱动像素阵列的单元像素(PX)。例如，控制电路41可生成能够选择和控制多条行线当中的至少一条行线的控制信号。控制信号可包括用于在基板中生成空穴电流的解调控制信号、用于控制重置晶体管的重置信号、用于控制累积在检测节点中的光电荷的传输的传输(Tx)信号、用于在高照度水平下提供附加静电容量的浮置扩散(FD)信号、用于控制选择晶体管的选择信号等。
尽管为了描述方便，图1示出布置在像素阵列30的列方向(即，垂直方向)上的控制电路41，但控制电路41的至少一些部分(例如，用于生成解调控制信号的电路)可布置在像素阵列30的行方向(即，水平方向)上。
光源驱动器42可生成能够响应于来自定时控制器43的控制信号而驱动光源10的光调制信号MLS。光调制信号MLS可以是由预定频率调制的信号。
定时控制器43可生成定时信号以控制控制电路41、光源驱动器42和读出电路44。
读出电路44可在定时控制器43的控制下处理从像素阵列30接收的像素信号，因此可生成以数字信号形式形成的像素数据。为此，读出电路44可包括用于对从像素阵列30生成的像素信号执行相关双采样(CDS)的相关双采样器(CDS)电路。
另外，读出电路44可包括用于将CDS电路的输出信号转换为数字信号的模数转换器(ADC)。另外，读出电路44可包括缓冲电路，缓冲电路暂时存储从模数转换器(ADC)生成的像素数据并在定时控制器43的控制下输出像素数据。此外，由于像素阵列30包括CAPD像素，所以可向像素阵列30的各列指派用于传输像素信号的两条列线，并且用于处理从各条列线生成的像素信号的结构可被配置为与各条列线对应。
光源10可向图像感测装置ISD所捕获的场景发射由预定频率调制的光(即，调制光)。图像感测装置ISD可感测从包括在场景中的目标对象1反射的调制光(即，入射光)，因此可生成各个单元像素(PX)的深度信息。
在调制光与入射光之间可出现基于图像感测装置ISD与各个目标对象1之间的距离的时间延迟。时间延迟可由图像感测装置ISD所生成的信号与控制光源10的光调制信号MLS之间的相位差表示。图像处理器(未示出)可计算图像感测装置ISD的输出信号中生成的相位差，因此可生成包括各个单元像素(PX)的深度信息的深度图像。
图2是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图1所示的像素阵列30的示例的示意图。
参照图2，像素阵列30的一个示例被示出为包括按行和列布置的单元像素(PX)的阵列，并且各个单元像素包括不同的子像素。图2示例性地示出布置成包括四行和六列的矩阵形状的24个子像素P1至P24，并且示出像素阵列30中的三个完整单元像素(PX)。在特定应用中，像素阵列30中的单元像素的数量和子像素的数量可根据特定传感器应用的需要而被设计为不同的数量。
各个子像素(P1至P24)包括光电转换区域。光电转换区域可吸收入射光，并且可生成与入射光的量对应的光电荷(即，信号载流子)。光电转换区域可按各种配置实现，包括例如光电二极管(例如，无机光电二极管)、光电晶体管、光门或钉扎光电二极管(PPD)或其组合。所生成的光电荷可通过抽头捕获。
各个单元像素PX包括由Pn(其中“n”是正整数)表示的不同子像素。在所示示例中，各个单元像素PX包括4个子像素，如图2的中心具有子像素P1～P4的单元像素PX所示。子像素P1～P4可构造一个单元像素(PX)，并且各个子像素包括至少一个感光元件以将入射光转换为光电荷，并且四个子像素P1～P4的感光共同生成单元像素PX的感光响应。尽管本实现方式描述了单元像素(PX)包括四个子像素P1～P4，但包括在单元像素(PX)中的子像素的数量不限于四个，其它实现方式也是可能的。
像素阵列30可包括布置在其中的多个抽头T1～T17。
以下描述涉及单元像素(PX)的构造的示例，其具有包围矩形的四条边以及在四条边的交点处的四个顶点。第一抽头T1、第二抽头T2、第三抽头T3和第四抽头T4可分别设置在单元像素(PX)的顶点处。例如，第一抽头T1可设置在单元像素(PX)的左上顶点处，第二抽头T2可设置在单元像素(PX)的右下顶点处，第三抽头T3可设置在单元像素(PX)的右上顶点处，第四抽头T4可设置在单元像素(PX)的左下顶点处。
通过光电转换区域生成的光电荷(即，信号载流子)可由第一抽头T1、第二抽头T2、第三抽头T3和第四抽头T4捕获。捕获电荷的抽头可根据施加到各个抽头的电压而变化。
第五抽头T5可设置在单元像素(PX)的中央部分。在这种情况下，第一抽头T1、第二抽头T2、第五抽头T5可布置在对角方向上，第三抽头T3、第四抽头T4、第五抽头T5可布置在另一对角方向上。
在所公开的技术的一些实现方式中，当特定结构的中心点与单元像素(PX)的中心或顶点相同时，该特定结构设置在单元像素(PX)的中心或顶点处。在一些其它实现方式中，当特定结构的一部分与单元像素(PX)的中心或顶点交叠时，该特定结构设置在单元像素(PX)的中心或顶点处。
在包括在像素阵列30中的子像素P1～P24中的任一个形成为矩形形状并且四个子像素(例如，P1、P2、P3和P4)按(2×2)矩阵形状布置以形成单元像素(PX)的情况下，单元像素(PX)也形成为矩形形状，使得单元像素(PX)可包括四个顶点(例如，左上顶点、右上顶点、左下顶点和右下顶点)。
为了描述方便和更好地理解所公开的技术，单元像素(PX)的左上顶点以下将被称为第一顶点，单元像素(PX)的右下顶点以下将被称为第二顶点，单元像素(PX)的右上顶点以下将被称为第三顶点，单元像素(PX)的左下顶点以下将被称为第四顶点。
第一抽头T1、第二抽头T2、第三抽头T3和第四抽头T4可分别设置在各个单元像素的四个顶点处。另外，第五抽头T5可设置在单元像素(PX)的中央部分。
与单元像素(PX)关联，从第一顶点到第二顶点的对角方向以下将被定义为第一对角方向，从第三顶点到第四顶点的对角方向以下将被称为第二对角方向。
第一抽头T1、第五抽头T5和第二抽头T2可在像素阵列30中依次布置在第一对角方向上。另外，第三抽头T3、第五抽头T5和第四抽头T4可在像素阵列30中依次布置在第二对角方向上。
第一抽头T1至第四抽头T4或者第五抽头T5可稀疏地设置在像素阵列30的行方向(或水平方向)或列方向(或垂直方向)，而非分别设置在连续顶点处。
在一些实现方式中，行方向(或水平方向)或列方向(或垂直方向)上设置有第一抽头T1至第四抽头T4中的任一个的顶点和行或列方向上未设置抽头的顶点可交替地布置。
例如，与单元像素(PX)关联，相对于第一抽头T1在行方向上设置有第一抽头T1的顶点、相对于第一抽头T1在行方向上未设置抽头的顶点和相对于第一抽头T1在行方向上设置有第三抽头T3的顶点可依次布置。与第五抽头T5关联，行方向(或水平方向)或列方向(或垂直方向)上设置有第五抽头T5的顶点与行或列方向上未设置第五抽头T5的顶点可交替地布置。
第一抽头T1可包括第一控制节点CN1和围绕第一控制节点CN1的至少一个第一检测节点DN1。第二抽头T2可包括第二控制节点CN2和围绕第二控制节点CN2的至少一个第二检测节点DN2。第三抽头T3可包括第三控制节点CN3和围绕第三控制节点CN3的至少一个第三检测节点DN3。第四抽头T4可包括第四控制节点CN4和围绕第四控制节点CN4的至少一个第四检测节点DN4。尽管为了描述方便，图2所示的控制节点CN1～CN4中的每一个形成为圆形形状并且图2所示的检测节点DN1～DN4中的每一个形成为梯形形状，但是其它实现方式也是可能的。控制节点和检测节点的各种示例将稍后参照图10至图11描述。图2所示的检测节点DN1～DN4中的每一个可形成为梯形形状。更详细地，检测节点DN1可形成为与检测节点DN1所围绕的控制节点CN1邻接或相邻的一条边的长度比面向这一条边布置的另一条边的长度短的梯形形状。检测节点DN2可形成为与检测节点DN2所围绕的控制节点CN2邻接或相邻的一条边的长度比面向这一条边布置的另一条边的长度短的梯形形状。检测节点DN3可形成为与检测节点DN3所围绕的控制节点CN3邻接或相邻的一条边的长度比面向这一条边布置的另一条边的长度短的梯形形状。检测节点DN4可形成为与检测节点DN4所围绕的控制节点CN4邻接或相邻的一条边的长度比面向这一条边布置的另一条边的长度短的梯形形状。这种梯形形状可使得检测节点DN1～DN4中的每一个能够围绕包括在同一抽头中的控制节点CN1～CN4中的每一个，使得可形成尽可能大的各个检测节点DN1～DN4以围绕各个控制节点CN1～CN4。
在尽可能大的检测节点DN1～DN4分别围绕控制节点CN1～CN4的情况下，可更容易捕获沿着由控制节点CN1～CN4中的每一个形成的空穴电流移动的信号载流子。
控制节点CN1～CN4可分别设置在单元像素(PX)的顶点处。检测节点DN1～DN4可相对于控制节点CN1～CN4布置为在第一对角方向或第二对角方向上面向彼此。另外，检测节点DN1～DN4中的每一个可被部分地包括在与控制节点CN1～CN4中的每一个邻接或相邻的四个子像素中。更详细地，检测节点DN1可被部分地包括在与控制节点CN1邻接或相邻的四个子像素中，检测节点DN2可被部分地包括在与控制节点CN2邻接或相邻的四个子像素中，检测节点DN3可被部分地包括在与控制节点CN3邻接或相邻的四个子像素中，检测节点DN4可被部分地包括在与控制节点CN4邻接或相邻的四个子像素中。
例如，第二抽头T2的控制节点CN2可设置在单元像素(PX)的右下顶点(即，第二顶点)处，第二抽头T2的检测节点DN2可被部分地包括在四个子像素P2、P17、P22和P23中。
不同于第一抽头T1至第四抽头T4，第五抽头T5可不包括控制节点CN1～CN4和检测节点DN1～DN4。相反，第五抽头T5可包括接收电场控制信号的电压接收节点VN。
电压接收节点VN可设置在单元像素(PX)的中央部分。可从图2看出，第五抽头T5的电压接收节点VN可设置在第一抽头T1至第四抽头T4的控制节点CN1～CN4的中央部分。
在接收不同电压的控制节点CN1～CN4之间流动的空穴电流可与控制节点CN1～CN4之间的电位差成比例地增加，可与控制节点CN1～CN4之间的距离成反比地增加，并且可与控制节点CN1～CN4的各个对侧的区域的尺寸成比例地增加。相比之下，在接收不同电压的控制节点CN1～CN4之间流动的空穴电流可与控制节点CN1～CN4之间的电位差成反比地减小，可与控制节点CN1～CN4之间的距离成比例地减小，并且可与控制节点CN1～CN4的各个对侧的区域的尺寸成反比地减小。
空穴电流可由控制节点CN1～CN4之间的电位差和控制节点CN1～CN4之间的电阻确定。控制节点CN1～CN4之间的电阻可与控制节点CN1～CN4之间的距离成比例地增加，并且还可与控制节点CN1～CN4的对侧的区域的尺寸成反比地增加。
在一些实现方式中，由于电场控制信号被施加到第五抽头的电压接收节点VN，所以可调节控制节点CN1～CN4之间的电位梯度。
由于电场控制信号被施加到电压接收节点VN，所以除了由于施加到基板的解调控制信号而引起的电位差之外，还出现控制节点CN1～CN4中的每一个与电压接收节点VN之间的附加电位差。解调控制信号将稍后参照图4、图7和图9描述。
在实现方式中，电场控制信号可被设定为与施加到控制节点CN1～CN4的解调控制信号的启用电压与停用电压之间的中间电压对应，并且该电场控制信号被施加到电压接收节点VN以使得空穴电流的流动路径被调节。另外，可调节邻接或相邻单元像素(PX)之间的边界中生成的光电荷的移动路径，使得图像感测装置ISD的特性可改进。换言之，随着电场控制信号被施加到电压接收节点VN，空穴电流可朝着位于单元像素(PX)的中心的电压接收节点流动。朝着电压接收节点的空穴电流可防止两个相邻PX之间的不期望的串扰。
随着接收解调控制信号的控制节点CN1～CN4之间的空穴电流的流动通过电场控制信号改变，可由接收具有启用电压(例如，高电压)的解调控制信号的检测节点DN1～DN4容易地检测光电荷。另外，可调节光电荷的移动路径，使得所检测到的光电荷的量可增加。
由于电场控制信号被施加到电压接收节点VN，所以不仅存在接收高电压解调控制信号的控制节点CN1～CN4之间的电压差以及接收低电压解调控制信号的控制节点CN1～CN4之间的电压差，而且存在电压接收节点VN处另外出现的中间电压(即，解调控制信号的高电压与低电压之间的电压)。结果，在控制节点CN1～CN4之间流动的空穴电流的流动通道可在朝向电压接收节点VN的方向上弯曲或曲折。由于空穴电流的流动通道改变为另一通道，所以由空穴电流引起的移动光电荷的量可增加。其详细描述将稍后参照图4至图7描述。
在所公开的技术的一些实现方式中，包括在第一抽头T1中的控制节点和检测节点以下将分别定义为第一控制节点CN1和第一检测节点DN1。包括在第二抽头T2中的控制节点和检测节点以下将分别定义为第二控制节点CN2和第二检测节点DN2。包括在第三抽头T3中的控制节点和检测节点以下将分别定义为第三控制节点CN3和第三检测节点DN3。包括在第四抽头T4中的控制节点和检测节点以下将分别定义为第四控制节点CN4和第四检测节点DN4。
在图3中，以下将参照沿着图2所示的第一切割线A-A’截取的像素阵列30的横截面图和连接到对应区域的多个电路来描述单元像素(PX)的结构和操作。
图3是示出基于所公开的技术的一些实现方式的包括在图2所示的像素阵列中的单元像素(PX)的示例的电路图。
参照图3，单元像素(PX)可包括光电转换区域300和电路区域310。尽管为了描述方便，以下将使用沿着第一切割线A-A’截取的单元像素(PX)的横截面图作为示例来描述图3所示的单元像素(PX)，但是所公开的技术的范围或精神不限于此，根据需要，沿着图2所示的第二对角方向截取的单元像素(PX)的横截面图也可与图3所示的光电转换区域300的横截面图基本上相同。
另外，当图2所示的另一单元像素(包括子像素P11、P12、P15和P16)沿着相同的方向(即，从第六抽头T6到第四抽头T4的切割线)截取时，在横截面图中图2所示的另一单元像素(包括子像素P11、P12、P15和P16)也可与图3所示的光电转换区域300基本上相同。
图3示出沿着从包括在图2所示的像素阵列中的多个抽头当中的第一抽头T1到第二抽头T2的线截取的单元像素(PX)的横截面图，因此以下将集中于第一抽头T1和第二抽头T2描述图3所示的单元像素(PX)的详细描述。
图3示出子像素P1和P2的横截面图，各个子像素可包括光电转换区域300。并且各个子像素可包括各个抽头。例如，子像素P1包括第一抽头T1并且子像素P2包括第二抽头T2。
光电转换区域300可对应于简要示出沿着图2所示的第一切割线A-A’截取的像素阵列30的横截面图的区域。
光电转换区域300可包括第一控制节点CN1和第二控制节点CN2以及第一检测节点DN1和第二检测节点DN2。第一控制节点CN1和第一检测节点DN1可被包括在第一抽头T1的构造中，第二控制节点CN2和第二检测节点DN2可被包括在第二抽头T2中或构造第二抽头T2。
另外，光电转换区域300可包括电压接收节点VN。电压接收节点VN可被包括在第五抽头T5中或构造第五抽头T5。
第一控制节点CN1和第二控制节点CN2、第一检测节点DN1和第二检测节点DN2以及电压接收节点VN可形成在基板中。例如，当基板是P型半导体基板时，第一控制节点CN1和第二控制节点CN2中的每一个可由P型杂质区域形成或包括P型杂质区域，第一检测节点DN1和第二检测节点DN2中的每一个可由N型杂质区域形成。另外，电压接收节点VN可由与控制节点CN1和CN2中相同的P型杂质区域形成或包括该P型杂质区域。
在一些实现方式中，第一控制节点CN1和第二控制节点CN2可包括具有不同掺杂密度的P型杂质区域。例如，具有相对低的掺杂密度的P型杂质区域(即，P-区域)可被注入到基板中达第一深度，并且在与上述P-型杂质注入位置相同的位置处，具有相对高的掺杂密度的P型杂质区域(即，P+区域)可被注入到基板中达第二深度。在这种情况下，第一深度可大于第二深度。
第一检测节点DN1和第二检测节点DN2可包括具有不同掺杂密度的N型杂质区域。例如，具有相对低的掺杂密度的N型杂质区域(即，N-区域)可被注入到基板中达第三深度，并且在与上述N-型杂质注入位置相同的位置处，具有相对高的掺杂密度的N型杂质区域(即，N+区域)可被注入到基板中达第四深度。第三深度可大于第四深度。另外，第一深度可大于第三深度。要施加到检测节点DN1和DN2的空穴电流的流动可根据第三深度的改变而改变。
电压接收节点VN可包括具有不同掺杂密度的P型杂质区域。例如，具有相对低的掺杂密度的P型杂质区域(即，P-区域)可被注入到基板中达第五深度，并且在与上述杂质注入位置相同的位置处，具有相对高的掺杂密度的P型杂质区域(即，P+区域)可被注入到基板中达第六深度。在这种情况下，第五深度可大于第六深度。
在这种情况下，第五深度可小于第一深度。当第五深度大于第一深度时，施加到电压接收节点VN的电场控制信号可作为阈值操作，使得空穴电流的流动可中断。另外，当第五深度大于第一深度时，节点VN、DN1和DN2之间的电阻可减小，从而导致非预期的泄漏电流的发生。
可根据期望的装置特性(例如，内部电阻、功耗量、电位梯度等)通过实验确定第五深度。
在一些实现方式中，在电压接收节点VN中可不形成具有相对低的掺杂密度的P型杂质区域(即，P-型区域)。通过调节电压接收节点VN的第五深度，可在电场控制信号VS的接收时间调节形成在单元像素(PX)中的电位梯度。
第一控制节点CN1可与第一检测节点DN1隔离，第二控制节点CN2可与第二检测节点DN2隔离，并且第一控制节点CN1和第一检测节点DN1可与第二控制节点CN2和第二检测节点DN2隔离。
第一控制节点CN1可从控制电路41接收第一解调控制信号CS1，并且第二控制节点CN2可从控制电路41接收第二解调控制信号CS2。第一解调控制信号CS1与第二解调控制信号CS2之间的电位差可生成控制通过入射光在基板中生成的信号载流子的流动的电场(或空穴电流)。
第一解调控制信号CS1和第二解调控制信号CS2中的每一个可具有启用电压和停用电压中的任一个。在这种情况下，启用电压和停用电压可通过实验确定。例如，启用电压可为1.2V，停用电压可为零伏(0V)。
包括接收启用电压的解调控制信号的控制节点的抽头可捕获光电转换区域300中生成的光电荷。相反，包括接收停用电压的解调控制信号的控制节点的抽头可不捕获光电转换区域300中生成的光电荷。换言之，启用电压和停用电压可确定用于检测光电荷的抽头。
电压接收节点VN可从控制电路41接收电场控制信号VS。电场控制信号VS可具有与第一解调控制信号CS1和第二解调控制信号CS2的启用电压与停用电压之间的任何电压对应的特定电压。例如，假设解调控制信号CS1和CS2中的每一个的启用电压被设定为1.2V并且停用电压被设定为零伏(0V)，电场控制信号VS的电压可以是与两个电压1.2V和0V的平均电压对应的0.6V。
第一检测节点DN1和第二检测节点DN2中的每一个可捕获并累积信号载流子。
电路区域310可包括用于处理第一检测节点DN1和第二检测节点DN2所捕获的光电荷并将光电荷转换为电信号的多个元件。可从控制电路41供应施加到多个元件的控制信号RST、TRG、FDG和SEL。另外，像素电压(Vpx)可以是电源电压(VDD)或源极电压(VSS)。
以下将参照附图描述用于处理第一检测节点DN1所捕获的光电荷的元件。电路区域310可包括重置晶体管RX_1、转移晶体管TX_1、第一电容器C1_1、第二电容器C2_1、浮置扩散(FD)晶体管FDX_1、驱动晶体管DX_1和选择晶体管SX_1。
重置晶体管RX_1可响应于供应给其栅电极的重置信号RST的逻辑高电平而启用以进入活动状态，使得浮置扩散(FD)节点FD_1的电位和第一检测节点DN1的电位可被重置为预定电平(例如，像素电压Vpx)。另外，当重置晶体管RX_1被启用(即，活动状态)时，转移晶体管TX_1也可被启用(即，活动状态)以重置浮置扩散(FD)节点FD_1。
转移晶体管TX_1可响应于供应给其栅电极的转移信号TRG的逻辑高电平而被启用(即，活动状态)，使得累积在第一检测节点DN1中的光电荷可被传输至浮置扩散(FD)节点FD_1。
第一电容器C1_1可联接到浮置扩散(FD)节点FD_1，使得第一电容器C1_1可提供预定义的静电容量。
第二电容器C2_1可根据浮置扩散(FD)晶体管FDX_1的操作选择性地联接到浮置扩散(FD)节点FD_1，使得第二电容器C2_1可提供附加的预定义的静电容量。
第一电容器C1_1和第二电容器C2_1中的每一个可包括例如金属-绝缘体-金属(MIM)电容器、金属-绝缘体-多晶硅(MIP)电容器、金属-氧化物-半导体(MOS)电容器和结电容器中的至少一个。
浮置扩散(FD)晶体管FDX_1可响应于供应给其栅电极的浮置扩散(FD)信号FDG的逻辑高电平而被启用(即，活动状态)，使得浮置扩散(FD)晶体管FDX_1可将第二电容器C2_1联接到浮置扩散(FD)节点FD_1。
例如，当入射光的量足以与相对高的照度条件对应时，控制电路41可启用浮置扩散(FD)晶体管FDX_1，使得浮置扩散(FD)晶体管FDX_1进入活动状态并且浮置扩散(FD)节点FD_1可联接到第二电容器C2_1。结果，当入射光的量足以与高照度级别对应时，浮置扩散节点FD_1中可累积更多光电荷，这使得可保证高动态范围。
另一方面，当入射光的量不足，因此与相对低的照度级别对应时，控制电路41可控制浮置扩散(FD)晶体管FDX_1被停用(即，不活动状态)，使得浮置扩散(FD)节点FD_1可与第二电容器C2_1隔离。
在一些其它实现方式中，根据需要，可省略浮置扩散(FD)晶体管FDX_1和第二电容器C2_1。
驱动晶体管DX_1的漏电极联接到像素电压(Vpx)并且驱动晶体管DX_1的源电极通过选择晶体管SX_1联接到垂直信号线SL_1，使得可构造联接到垂直信号线SL_1的一端的恒流源电路CS_1的源极跟随器电路和负载(MOS)。因此，驱动晶体管DX_1可通过选择晶体管SX_1将与联接到栅电极的浮置扩散节点FD_1的电位对应的电流输出到垂直信号线SL_1。
选择晶体管SX_1可响应于供应给其栅电极的选择信号SEL的逻辑高电平而被启用(即，活动状态)，使得从驱动晶体管DX_1生成的像素信号可被输出到垂直信号线SL_1。
为了处理第二检测节点DN2所捕获的光电荷，电路区域310可包括重置晶体管RX_2、转移晶体管TX_2、第一电容器C1_2、第二电容器C2_2、浮置扩散(FD)晶体管FDX_2、驱动晶体管DX_2和选择晶体管SX_2。尽管用于处理第二检测节点DN2所捕获的光电荷的元件可在与用于处理第一检测节点DN1所捕获的光电荷的其它元件不同的定时点操作，但是用于处理第二检测节点DN2所捕获的光电荷的元件可在结构和操作方面与用于处理第一检测节点DN_A所捕获的光电荷的其它元件基本上相同。因此，为了描述方便，本文中将省略结构和操作的详细描述。
从电路区域310转移至垂直信号线SL_1的像素信号以及从电路区域310转移至垂直信号线SL_2的像素信号可通过噪声消除和模数(ADC)转换处理来执行，使得各个像素信号可被转换为图像数据。
尽管图3所示的重置信号RST、传输信号TRG、浮置扩散(FD)信号FDG和选择信号SEL中的每一个由单条信号线表示，但是重置信号RST、传输信号TRG、浮置扩散(FD)信号FDG和选择信号SEL中的每一个可通过多条信号线(例如，两条信号线)供应。在这种情况下，用于处理第一检测节点DN1所捕获的光电荷的元件和用于处理第二检测节点DN2所捕获的光电荷的其它元件可基于通过多条信号线供应的信号在不同的定时点操作。
图像处理器(未示出)可计算从第一检测节点DN1所捕获的光电荷获取的第一图像数据、从第二检测节点DN2所捕获的光电荷获取的第二图像数据、从第三检测节点(未示出)所捕获的光电荷获取的第三图像数据以及从第四检测节点(未示出)所捕获的光电荷获取的第四图像数据，可使用第一至第四图像数据来计算相位差，可基于与各个像素对应的相位差来计算指示到目标对象1的距离的深度信息，并且可生成包括与各个像素对应的深度信息的深度图像。
图4至图7是示出基于所公开的技术的一些实现方式的对于各个阶段被配置为检测电子的图像感测装置的操作的示例的图。
参照图4至图7，图像感测装置的操作时间可被分成四个时段，使得图像感测装置可捕获在四个时段中的每一个中生成的光电荷。
以下将参照图4、图5、图6、图7和图9描述基于所公开的技术的一些实现方式的使用图像感测装置捕获光电荷的方法。尽管以下将使用包括在单元像素(PX)中的子像素P1、P2、P3和P4作为示例来描述使用上述图像感测装置捕获光电荷的方法，但是其它实现方式也是可能的，上述光电荷捕获方法也可按照与子像素P1、P2、P3和P4中基本上相同的方式应用于包括在像素阵列30中的其它子像素P5～P24。
根据基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置，使用图像感测装置捕获光电荷的操作可贯穿与不同时间段对应的第一至第四时段在光电转换区域300中执行。
第一抽头T1、第二抽头T2、第三抽头T3和第四抽头T4可分别设置在单元像素(PX)的顶点处。另外，第五抽头T5可设置在单元像素(PX)的中央部分。
参照图4，在第一时段中，可通过光电转换处理入射在单元像素(PX)上的光，使得可根据入射光的量在基板中出现一对电子和空穴。在这种情况下，控制电路41可将第一解调控制信号CS1输出到第一控制节点CN1，可将第二解调控制信号CS2输出到第二控制节点CN2，可将第三解调控制信号CS3输出到第三控制节点CN3，并且可将第四解调控制信号CS4输出到第四控制节点CN4。
在这种情况下，第一解调控制信号CS1可具有启用电压，第二解调控制信号CS2、第三解调控制信号CS3和第四解调控制信号CS4中的每一个可具有停用电压。另外，在第一时段中，控制电路41可将电场控制信号VS输出到电压接收节点VN。
由于第一解调控制信号CS1与剩余解调控制信号CS2、CS3和CS4中的每一个之间的电压差，可在第一控制节点CN1与剩余控制节点CN2、CN3和CN4中的每一个之间出现电场，并且空穴电流可从第一控制节点CN1流到剩余控制节点CN2、CN3和CN4。即，由于基板中生成的电子可响应于入射光的量而朝着第一控制节点CN1移动，所以可由布置在第一控制节点CN1周围的第一检测节点DN1捕获电子。
空穴电流路径可通过施加到电压接收节点VN的电场控制信号VS而改变，使得光电荷的移动路径也可改变。用于没有电压接收节点VN的图像感测装置中的空穴电流路径将稍后参照图8描述。
由于施加到电压接收节点VN的电场控制信号VS具有介于解调控制信号的启用电压和停用电压之间的中间电压，所以可在电压接收节点VN与控制节点CN1、CN2、CN3和CN4中的每一个之间出现附加电场，并且从接收启用电压的第一控制节点CN1流到接收停用电压的第二控制节点CN2、第三控制节点CN3和第四控制节点CN4中的每一个的空穴电流的流动通道可在电压接收节点VN的方向上弯曲或曲折。
由于电场控制信号VS被施加到电压接收节点VN，所以子像素P1、P2、P3和P4中生成的电子可能由于改变的空穴电流路径而容易地朝着电压接收节点VN移动，并且已朝着电压接收节点VN移动的光电荷可容易地移回到第一检测节点DN1，使得可容易地捕获光电荷。
参照图5，在第一时段之后的第二时段中，可通过光电转换处理入射在单元像素(PX)上的光，使得可根据入射光的量在基板中出现电子空穴对。在这种情况下，控制电路41可将第二解调控制信号CS2输出到第二控制节点CN2，可将第一解调控制信号CS1输出到第一控制节点CN1，可将第三解调控制信号CS3输出到第三控制节点CN3，并且可将第四解调控制信号CS4输出到第四控制节点CN4。
在这种情况下，第二解调控制信号CS2可具有启用电压，第一解调控制信号CS1、第三解调控制信号CS3和第四解调控制信号CS4中的每一个可具有停用电压。另外，在第二时段中，控制电路41可将电场控制信号VS输出到电压接收节点VN。
由于第二解调控制信号CS2与剩余解调控制信号CS1、CS3和CS4中的每一个之间的电压差，可在第二控制节点CN2与剩余控制节点CN1、CN3和CN4中的每一个之间出现电场，并且空穴电流可从第二控制节点CN2流到剩余控制节点CN1、CN3和CN4。即，由于基板中生成的电子可响应于入射光的量而朝着第二控制节点CN2移动，所以可通过布置在第二控制节点CN2周围的第二检测节点DN2捕获电子。
可通过施加到电压接收节点VN的电场控制信号VS改变空穴电流路径，使得光电荷的移动路径可改变。用在没有电压接收节点VN的图像感测装置中的空穴电流路径将稍后参照图8描述。
当电场控制信号VS被施加到电压接收节点VN时，该电场控制信号VS使得在电压接收节点VN与控制节点CN1、CN2、CN3和CN4中的每一个之间存在附加电场。该附加电场使得从接收启用电压的第二控制节点CN2流到接收停用电压的第一控制节点CN1、第三控制节点CN3和第四控制节点CN4中的每一个的空穴电流的流动通道在电压接收节点VN的方向上弯曲或曲折。
由于电场控制信号VS被施加到电压接收节点VN，所以子像素P1、P2、P3和P4中生成的电子可能由于改变的空穴电流路径而容易地朝着电压接收节点VN移动，并且已朝着电压接收节点VN移动的光电荷可容易地朝着第二检测节点DN2移回，使得可更容易捕获光电荷以改进光电荷的收集或检测。
参照图6，在第二时段之后的第三时段中，可通过光电转换处理入射在单元像素(PX)上的光，使得可根据入射光的量在基板中出现一对电子和空穴。在这种情况下，控制电路41可将第三解调控制信号CS3输出到第三控制节点CN3，可将第一解调控制信号CS1输出到第一控制节点CN1，可将第二解调控制信号CS2输出到第二控制节点CN2，并且可将第四解调控制信号CS4输出到第四控制节点CN4。在这种情况下，第三解调控制信号CS3可具有启用电压，第一解调控制信号CS1、第二解调控制信号CS2和第四解调控制信号CS4中的每一个可具有停用电压。另外，在第三时段中，控制电路41可将电场控制信号VS输出到电压接收节点VN。
由于第三解调控制信号CS3与剩余解调控制信号CS1、CS2和CS4中的每一个之间的电压差，可在第三控制节点CN3与剩余控制节点CN1、CN2和CN4中的每一个之间出现电场，并且空穴电流可从第三控制节点CN3流到剩余控制节点CN1、CN2和CN4。由于基板中生成的电子可响应于入射光的量而朝着第三控制节点CN3移动，所以可通过布置在第三控制节点CN3周围的第三检测节点DN3捕获电子。
可通过施加到电压接收节点VN的电场控制信号VS改变空穴电流路径，使得光电荷的移动路径可改变。用在没有电压接收节点VN的图像感测装置中的空穴电流路径将稍后参照图8描述。
由于电场控制信号VS被施加到电压接收节点VN，所以可在电压接收节点VN与控制节点CN1、CN2、CN3和CN4中的每一个之间出现附加电场，并且从接收启用电压的第三控制节点CN3流到接收停用电压的第一控制节点CN1、第二控制节点CN2和第四控制节点CN4中的每一个的空穴电流的流动通道可在电压接收节点VN的方向上弯曲或曲折。
由于电场控制信号VS被施加到电压接收节点VN，所以子像素P1、P2、P3和P4中生成的电子可能由于改变的空穴电流路径而容易地朝着电压接收节点VN移动，并且已朝着电压接收节点VN移动的光电荷可容易地朝着第三检测节点DN3移回，使得可容易地捕获光电荷。
参照图7，在第三时段之后的第四时段中，可通过光电转换处理入射在单元像素(PX)上的光，使得可根据入射光的量在基板中出现一对电子和空穴。在这种情况下，控制电路41可将第四解调控制信号CS4输出到第四控制节点CN4，可将第一解调控制信号CS1输出到第一控制节点CN1，可将第二解调控制信号CS2输出到第二控制节点CN2，并且可将第三解调控制信号CS3输出到第三控制节点CN3。在这种情况下，第四解调控制信号CS4可具有启用电压，第一解调控制信号CS1、第二解调控制信号CS2和第三解调控制信号CS3中的每一个可具有停用电压。另外，在第四时段中，控制电路41可将电场控制信号VS输出到电压接收节点VN。
由于第四解调控制信号CS4与剩余解调控制信号CS1、CS2和CS3中的每一个之间的电压差，可在第四控制节点CN4与剩余控制节点CN1、CN2和CN3中的每一个之间出现电场，并且空穴电流可从第四控制节点CN4流到剩余控制节点CN1、CN2和CN3。由于基板中生成的电子可响应于入射光的量而朝着第四控制节点CN4移动，所以可通过布置在第四控制节点CN4周围的第四检测节点DN4捕获电子。
可通过施加到电压接收节点VN的电场控制信号VS改变空穴电流路径，使得光电荷的移动路径也可改变。用在没有电压接收节点VN的图像感测装置中的空穴电流路径将稍后参照图8描述。
由于电场控制信号VS被施加到电压接收节点VN，所以可在电压接收节点VN与控制节点CN1、CN2、CN3和CN4中的每一个之间出现附加电场，并且从接收启用电压的第四控制节点CN4流到接收停用电压的第一控制节点CN1、第二控制节点CN2和第三控制节点CN3中的每一个的空穴电流的流动通道可在电压接收节点VN的方向上弯曲或曲折。
由于电场控制信号VS被施加到电压接收节点VN，所以子像素P1、P2、P3和P4中生成的电子可能由于改变的空穴电流路径而容易地朝着电压接收节点VN移动，并且已朝着电压接收节点VN移动的光电荷可容易地朝着第四检测节点DN4移回，使得可容易地捕获光电荷。
图8是示出基于所公开的技术的一些实现方式的没有电压接收节点VN的图像感测装置的电子检测操作的示例的图。更详细地，图8示出在被配置为不包括电压接收节点VN的图像感测装置中通过空穴电流生成的光电荷的移动路径的示例。与启用电压与停用电压之间的任何电压对应的电场控制信号VS可不施加到图8所示的图像感测装置，使得光电荷的移动路径可在单元像素(PX)之间的边界处形成为直线形状。
由于光电荷在单元像素(PX)之间的边界中沿着笔直移动路径移动，所以可产生串扰，其中在另一邻接或相邻单元像素(PX)中不可避免地检测到在单元像素(PX)之间的边界周围生成的一些光电荷。相比之下，当电场控制信号VS被施加到电压接收节点VN时，光电荷的移动路径可如图4至图7所示在电压接收节点VN的方向上弯曲或曲折，使得沿着单元像素(PX)之间的边界移动的光电荷的量可减少，因此改进光电荷的检测。
另外，当由电场控制信号VS导致的中间电压未施加到图像感测装置的电压接收节点VN时，可不在电压接收节点VN中收集光电荷，使得检测节点(例如，图8所示的DN1)可能不容易检测到在远离接收具有启用电压的控制信号的控制节点(例如，图8所示的CN1)的子像素(例如，图8所示的P2)中生成的光电荷。
由于基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置包括电压接收节点VN，所以空穴电流的强度和路径可改变以方便光电荷检测，使得图像感测装置的灵敏度和图像感测装置的处理速度可改进。
图9是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置的操作的示例的时序图。
图9示例性地示出调制光(ML)、入射光(IL)、第一至第四解调控制信号CS1、CS2、CS3和CS4以及电场控制信号VS。
参照图9，调制光(ML)可指由控制电路40所控制的光源10向目标对象1发射的光。调制光(ML)可被生成为交替地具有高级别区段(即，发射光的时段)和低级别区段(即，不发射光的时段)。
入射光(IL)可指入射在基板上以通过光电转换生成电子-空穴对的光。入射光(IL)可具有随图像感测装置ISD与目标对象1之间的距离而改变的相位差(θ)。
调制光(ML)和入射光(IL)中的每一个的级别可指光的强度。
在捕获通过入射光(IL)生成的电子时，第一解调控制信号CS1、第二解调控制信号CS2、第三解调控制信号CS3和第四解调控制信号CS43中的每一个可交替地具有指示低电平的停用电压(L)和指示高电平的启用电压(H)。例如，解调控制信号CS1～CS4中的每一个的启用电压可被设定为1.2V，解调控制信号CS1～CS4中的每一个的停用电压可被设定为零伏(0V)。
另外，第一解调控制信号CS1可具有与调制光(ML)相同的相位，第二解调控制信号CS2可相对于调制光(ML)具有180°(π)的相位差，第三解调控制信号CS3可相对于调制光(ML)具有90°(π/2)的相位差，第四解调控制信号CS4可相对于调制光(ML)具有270°(3π/2)的相位差。
在所公开的技术的一些实现方式中，为了描述方便，假设在生成调制光(ML)的光调制信号MLS与调制光(ML)之间没有相位差，使得光调制信号MLS和调制光(ML)可具有相同的相位。
在第一时段PR1中，第一解调控制信号CS1可具有启用电压(H)，第二解调控制信号CS2、第三解调控制信号CS3和第四解调控制信号CS4中的每一个可具有停用电压(L)。因此，通过在第一时段PR1中接收的入射光(IL)生成的电子可通过空穴电流朝着第一抽头T1移动，使得电子可被第一检测节点DN1捕获。在这种情况下，第一检测节点DN1在第一时段PR1中捕获的电子以下可由“Q(0)”表示。
在第二时段PR2中，第二解调控制信号CS2可具有启用电压(H)，第一解调控制信号CS1、第三解调控制信号CS3和第四解调控制信号CS4中的每一个可具有停用电压(L)。因此，通过在第二时段PR2中接收的入射光(IL)生成的电子可通过空穴电流朝着第二抽头T2移动，使得电子可被第二检测节点DN2捕获。在这种情况下，第二检测节点DN2在第二时段PR2中捕获的电子以下可由“Q(π)”表示。
在第三时段PR3中，第三解调控制信号CS3可具有启用电压(H)，第一解调控制信号CS1、第二解调控制信号CS2和第四解调控制信号CS4中的每一个可具有停用电压(L)。因此，通过在第三时段PR3中接收的入射光(IL)生成的电子可通过空穴电流朝着第三抽头T3移动，使得电子可被第三检测节点DN3捕获。在这种情况下，第三检测节点DN3在第三时段PR3中捕获的电子以下可由“Q(π/2)”表示。
在第四时段PR4中，第四解调控制信号CS4可具有启用电压(H)，第一解调控制信号CS1、第二解调控制信号CS2和第三解调控制信号CS3中的每一个可具有停用电压(L)。因此，通过在第四时段PR4中接收的入射光(IL)生成的电子可通过空穴电流朝着第四抽头T4移动，使得电子可被第四检测节点DN4捕获。在这种情况下，第四检测节点DN4在第四时段PR4中捕获的电子以下可由“Q(3π/2)”表示。
通过具有随图像感测装置ISD与目标对象1之间的距离改变的相位差(θ)的入射光(IL)生成的电子可由第一检测节点DN1在第一时段PR1中捕获，可由第二检测节点DN2在第二时段PR2中捕获，可由第三检测节点DN3在第三时段PR3中捕获，并且可由第四检测节点DN4在第四时段PR4中捕获。
在第一时段PR1中，电场控制信号VS可具有介于解调控制信号CS1的启用电压(H)和停用电压(L)之间的电压。在第二时段PR2中，电场控制信号VS可具有介于解调控制信号CS2的启用电压(H)和停用电压(L)之间的电压。在第三时段PR3中，电场控制信号VS可具有介于解调控制信号CS3的启用电压(H)和停用电压(L)之间的电压。在第四时段PR4中，电场控制信号VS可具有介于解调控制信号CS4的启用电压(H)和停用电压(L)之间的电压。电场控制信号VS具有介于启用电压(H)和停用电压(L)之间的电压，使得可控制空穴电流梯度。由于空穴电流梯度被控制，所以空穴电流路径的长度可增加，并且沿着空穴电流移动的光电荷的量可增加。
基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置可被配置为针对包括子像素P1、P2、P3和P4的各个单元像素(PX)执行感测操作。
尽管为了描述方便，以包括子像素P1、P2、P3和P4的单元像素为中心公开了基于所公开的技术的一些实现方式的图像感测装置，但是其它实现方式也是可能的，围绕第一控制节点CN1的相应四个第一检测节点DN1可在第一时段PR1中捕获通过入射在不同单元像素(PX)上的入射光(IL)生成的电子。
在第一时段PR1中，以第一控制节点CN1为中心布置的四个第一检测节点DN1可捕获由分别包括四个子像素P6、P7、P12和P1的四个不同单元像素生成的光电荷。
在第二时段PR2中，第二检测节点DN2可捕获通过入射在不同单元像素上的入射光(IL)生成的电子。在第三时段PR3中，围绕第三控制节点CN3的第三检测节点DN3可捕获通过入射在不同单元像素上的入射光(IL)生成的电子。在第四时段PR4中，围绕第四控制节点CN4的第四检测节点DN4可捕获通过入射在不同单元像素上的入射光(IL)生成的电子。
因此，与包括在像素阵列30中的单元像素关联，具有启用电压的解调控制信号可在第一时段PR1至第四时段PR4中施加到位于不同位置的不同抽头。例如，与子像素P11、P12、P15和P16所形成的单元像素关联，在第一时段PR1中被施加有具有启用电压(H)的解调控制信号的抽头可以是第一抽头T1，在第二时段PR2中被施加有具有启用电压(H)的解调控制信号的抽头可被设定为第十抽头T10，在第三时段PR3中被施加有具有启用电压(H)的解调控制信号的抽头可被设定为第六抽头T6，在第四时段PR4中被施加有具有启用电压(H)的解调控制信号的抽头可被设定为第四抽头T4。
各个单元像素(PX)可包括被配置为接收电场控制信号VS的另一抽头。例如，与子像素P11、P12、P15和P16所形成的单元像素(PX)关联，在第一至第四时段PR1、PR2、PR3和PR4中的每一个中被施加有电场控制信号VS的抽头可被设定为第八抽头T8。
相对于单元像素之间的边界在第一时段PR1中被施加有具有启用电压(H)的解调控制信号CS1的第一抽头、相对于单元像素之间的边界在第二时段PR2中被施加有具有启用电压(H)的解调控制信号CS2的第二抽头、相对于单元像素之间的边界在第三时段PR3中被施加有具有启用电压(H)的解调控制信号CS3的第三抽头以及相对于单元像素之间的边界在第四时段PR4中被施加有具有启用电压(H)的解调控制信号CS4的第四抽头可彼此对称布置。分别在第一时段PR1、第二时段PR2、第三时段PR3和第四时段PR4中使用的第一抽头、第二抽头、第三抽头和第四抽头的这种对称布置也可根据需要应用于整个像素阵列30。
在一个单元像素(PX)中，任一个抽头所对应的时间段也可改变而不固定。
可使用捕获的电子Q(0)、Q(π/2)、Q(π)和Q(3π/2)来计算相位差(θ)。
通过入射在单元像素(PX)上的入射光(IL)生成的光电荷可分布到第一时段PR1、第二时段PR2、第三时段PR3和第四时段PR4，使得可在第一时段PR1至第四时段PR4中分开地捕获光电荷。
用于获取电子Q(0)的第一解调控制信号CS1、用于获取电子Q(π)的第二解调控制信号CS2、用于获取电子Q(π/2)的第三解调控制信号CS3以及用于获取电子Q(3π/2)的第四解调控制信号CS4可分别具有90°的相位差。结果，图像处理器(未示出)可基于分别从包括在单元像素(PX)中的像素P1、P2、P3和P4接收的第一图像数据、第二图像数据、第三图像数据和第四图像数据来计算相位差，并且可使用所计算的相位差来计算图像感测装置ISD与目标对象1之间的距离。这里，第一图像数据可对应于在第一时段PR1中捕获的电子Q(0)，第二图像数据可对应于在第二时段PR2中捕获的电子Q(π)，第三图像数据可对应于在第三时段PR3中捕获的电子Q(π/2)，第四图像数据可对应于在第四时段PR4中捕获的电子Q(3π/2)。
图10和图11是示出基于所公开的技术的一些实现方式的包括在图1所示的像素阵列中的第一至第四抽头的其它示例的示意图。
参照图10和图11，被配置为具有控制节点(例如，CN20)和检测节点(例如，DN20-1～DN20-4)的抽头可以是包括在像素阵列30中的第一至第四抽头中的任一个。在图10和图11中，除了与图2不同的一些特性之外，图10和图11所示的控制节点和检测节点的结构和操作的剩余部分可与图2所示的控制节点和检测节点基本上相同，因此为了简明，本文中将省略其冗余描述。因此，为了描述方便，以下将主要描述图10和图11所示的控制节点和检测节点的结构和操作与图2相比的不同特性。
在图10和图11中，控制节点CN20和CN21中的每一个可形成为圆形形状，并且控制节点CN20的检测节点的形状可根据需要不同于控制节点CN21的检测节点。
在图10中，围绕控制节点CN20的检测节点DN20-1～DN20-4中的每一个可形成为面向控制节点CN10的一条边的宽度小于远离控制节点的另一条边的宽度的梯形形状。
在图11中，围绕控制节点CN21的检测节点DN21-1～DN21-4中的每一个可形成为直角三角形形状，其中斜边被设置为远离控制节点CN21，并且与直角对应的顶点可被设置为更靠近控制节点CN21。
尽管图10所示的结构的形状不同于图11所示的结构，但是图10和图11具有不同形状的原因在于允许对应控制节点被检测节点围绕尽可能大的面积。结果，具有上述形状的检测节点可更容易捕获沿着控制节点所形成的空穴电流移动的信号载流子。
在图10中至少一个隔离区域IS20可设置在邻接或相邻检测节点之间，在图11中至少一个隔离区域IS21可设置在邻接或相邻检测节点之间。
由于如图10和图11所示设置隔离区域IS20和IS21，所以可防止在检测节点DN20-1～DN20-4和DN21-1～DN21-4的光电荷检测模式下发生邻接或相邻子像素中生成的光电荷的串扰。在图10中，隔离区域IS20可形成为掺杂剂类型与检测节点DN20-1～DN20-4相反的掺杂区域。在图11中，隔离区域IS2可形成为掺杂有掺杂剂类型与检测节点DN21-1～DN21-4相反的杂质的掺杂区域。在图10中，当基板被实现为P型基板时，检测节点DN20-1～DN20-4可通过P+型掺杂区域彼此隔离。在图11中，当基板被实现为P型基板时，检测节点DN21-1～DN21-4可通过P+型掺杂区域彼此隔离。
除了通过掺杂区域将检测节点彼此隔离的上述操作之外，如图10所示，至少一个绝缘层可设置在控制节点CN20和与控制节点CN20邻接或相邻的检测节点DN20-1～DN20-4中的每一个之间，并且如图11所示，至少一个绝缘层可设置在控制节点CN21和与控制节点CN21邻接或相邻的检测节点DN21-1～DN21-4中的每一个之间，使得图10所示的检测节点DN20-1～DN20-4可彼此隔离，并且图11所示的检测节点DN21-1～DN21-4可彼此隔离。
更详细地，如图10所示，控制节点CN20和与控制节点CN20邻接或相邻的检测节点DN20-1～DN20-4中的每一个可通过绝缘层彼此隔离，所述绝缘层通过利用绝缘材料间隙填充通过浅沟槽隔离(STI)工艺形成的沟槽而形成。控制节点CN21和与控制节点CN21邻接或相邻的检测节点DN21-1～DN21-4中的每一个可通过绝缘层彼此隔离，所述绝缘层通过利用绝缘材料间隙填充通过浅沟槽隔离(STI)工艺形成的沟槽而形成。
尽管为了描述方便，图10示例性地公开了控制节点CN20和检测节点DN20-1～DN20-4的形状和布置格式并且图11示例性地公开了控制节点CN21和检测节点DN21-1～DN21-4的形状和布置格式，但是所公开的技术的范围或精神不限于此，其它实现方式也是可能的。
图12是示出基于所公开的技术的一些实现方式的设置在图2所示的像素阵列30中的网格结构1200的示例的示意图。
更详细地，图12示出设置在图2所示的像素阵列30中的网格结构1200的示例。
为了描述方便和更好地理解所公开的技术，第一至第四抽头(例如，T1、T2、T3和T4)中的每一个的外壁形状可简化，使得第一抽头T1至第四抽头T4中的每一个可形成为菱形形状。另外，第五抽头T5(例如，T5)可形成为圆形形状。
网格结构1200可通过吸收或反射入射在像素阵列30上的光来防止光流到基板中。在这种情况下，网格结构1200可包括具有高光吸收率的金属(例如，钨W)和具有高光反射率的金属(例如，铝Al)中的至少一种。
网格结构1200可形成为沿着邻接或相邻单元像素(PX)之间的边界延伸。换言之，网格结构1200可包括：第一区域，其沿着彼此垂直邻接或相邻的单元像素(PX)之间的边界在水平方向(或行方向)上延伸；以及第二区域，其沿着彼此水平邻接或相邻的单元像素(PX)之间的边界在垂直方向(或列方向)上延伸。
由于通过在邻接或相邻单元像素(PX)之间的边界周围或附近施加的入射光生成的电子被接收入射光的像素以外的邻接或相邻像素的空穴电流移动并捕获，所以生成在像素信号中可充当噪声的串扰的可能性高。
另外，可在与第一至第四抽头T1、T2、T3和T4的检测节点邻接或相邻的区域内通过光电转换处理直接施加到第一至第四抽头T1、T2、T3和T4的相应位置的入射光，从而导致生成电子。另外，不管是否出现空穴电流，电子可被附近的检测节点捕获，使得所捕获的电子可在像素信号中充当噪声。
为了防止这种噪声，网格结构1200可包括设置在第一至第四抽头T1、T2、T3和T4上方的抽头保护区域1210和检查区域1220。
抽头保护区域1210可形成为具有与第一至第四抽头T1、T2、T3和T4中的每一个对应的形状和区域，使得抽头保护区域1210可完全覆盖第一至第四抽头T1、T2、T3和T4中的每一个。
检查区域1220可沿着彼此邻接或相邻的单元像素(PX)之间的边界延伸很长。沿着彼此垂直邻接或相邻的单元像素(PX)之间的边界在水平方向(或行方向)上延伸的检查区域1220可具有第一宽度W1。沿着彼此水平邻接或相邻的像素之间的边界在垂直方向(或列方向)上延伸的检查区域1220可具有第二宽度W2。
在这种情况下，第一宽度W1可以是小于第一抽头T1至第四抽头T4中的每一个的垂直长度的值，第二宽度W2可以是小于第一抽头T1至第四抽头T4中的每一个的水平长度的值。检查区域1220的第一宽度W1和第二宽度W2可通过实验确定，以减少串扰并增加光接收效率。
网格结构1200可不仅减少通过在邻接或相邻单元像素(PX)周围或附近入射的光生成的噪声量，而且减少通过直接施加到第一抽头T1至第四抽头T4的相应位置的光生成的噪声量，同时可优化各个单元像素(PX)的光接收效率。
图13是示出基于所公开的技术的一些实现方式的图12所示的网格结构1200的示例的概念图。更详细地，图13是示出沿着图12所示的第二切割线B-B’截取的像素阵列的示例的横截面图。
参照图13，基板1300可包括光入射在其上的第一表面以及与第一表面面对或相对的第二表面。
基板1300可包括设置在其中左侧的第一抽头T1以及设置在其中右侧的第二抽头T2。这里，第一抽头T1可在基板1300的左侧与第二表面邻接或相邻，第二抽头T2可在基板1300的右侧与第二表面邻接或相邻。另外，第五抽头T5可设置在第一抽头T1和第二抽头T2之间的中央部分。
第一抽头保护区域1310-1可被设置为在基板1300的第一表面与第一抽头T1交叠。
第二抽头保护区域1310-2可被设置为在基板1300的第一表面与第二抽头T2交叠。
由于第一抽头保护区域1310-1和第二抽头保护区域1310-2，可如图13所示的虚线所表示防止直接施加到检测节点DN1和DN2的相应位置的入射光，并且由通过第一保护区域1310-1和第二保护区域1310-2以外的开口入射的光生成的电子可为子像素P1和P2的像素信号做贡献。
图14是示出基于所公开的技术的一些实现方式的设置在图2所示的像素阵列30中的像素晶体管区域的示例的示意图。
尽管为了描述方便，图14示例性地示出包括子像素P1、P2、P3和P4的单元像素(PX)，但是所公开的技术的范围或精神不限于此，子像素P1～P4以外的剩余子像素P5～P24也可根据需要具有与子像素P1～P4的结构基本上相同的结构。
子像素P1可包括第一像素晶体管区域1400-1。子像素P2可包括第二像素晶体管区域1400-2。子像素P3可包括第三像素晶体管区域1400-3。子像素P4可包括第四像素晶体管区域1400-4。
第一像素晶体管区域1400-1可包括多个晶体管以处理由第一抽头T1的第一检测节点DN1捕获的光电荷。
第二像素晶体管区域1400-2可包括多个晶体管以处理由第二抽头T2的第二检测节点DN2捕获的光电荷。第三像素晶体管区域1400-3可包括多个晶体管以处理由第三抽头T3的第三检测节点DN3捕获的光电荷。第四像素晶体管区域1400-4可包括多个晶体管以处理由第四抽头T4的第四检测节点DN4捕获的光电荷。
单元像素(PX)的各个像素晶体管区域可关于第五抽头T5对称布置。
由于像素晶体管区域的这种对称布置，存在于第一抽头T1至第四抽头T4与像素晶体管区域1400-1～1400-4之间的电阻分量(例如，金属线的长度、寄生电容等)可被均衡，并且包括在像素信号中的噪声分量也可被基本上均衡，使得可通过图像信息处理容易地去除这些噪声分量。
尽管图14中未示出，像素晶体管区域可关于单元像素(PX)之间的边界对称布置。
更详细地，包括在像素阵列30中的单元像素可在结构上关于单元像素与邻接单元像素之间的边界与邻接或相邻单元像素对称。
由于邻接单元像素关于邻接单元像素之间的边界对称布置，所以在整个像素阵列30中电阻分量可被均衡，使得包括在像素信号中的噪声分量在整个像素阵列30中也基本上被均衡，并且所得噪声分量可由图像处理器(未示出)等容易地去除。
从以上描述显而易见的是，基于所公开的技术的一些实现方式的设置有包括电子检测结构的像素的图像感测装置可允许单元像素接收电场控制信号，并且可使用电场控制信号来控制空穴电流的流动，从而导致实现更高电子检测效率和更高检测速度。
所公开的技术的实施方式可提供各种效果，其能够通过上述专利文献直接或间接认识到。
本领域技术人员将理解，所公开的技术可按照本文所阐述的方式以外的其它特定方式执行。另外，所附权利要求中未明确提出的权利要求可作为实施方式组合提出，或者在提交申请之后通过后续修改作为新权利要求而被包括。
尽管已描述了许多例示性实施方式，但是应该理解，可基于本专利文献中描述和/或示出的内容想到众多其它修改和实施方式。
相关申请的交叉引用
本专利文献要求2020年6月26日提交的韩国专利申请No.10-2020-0078346的优先权和权益，其公开作为本专利文献的公开的一部分通过引用整体并入本文。

Claims (17)

1.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
单元像素的像素阵列，各个像素被构造为响应入射光以生成指示所检测的入射光的光电荷，并且在所述单元像素内的不同位置处包括不同感光子像素以检测入射光；
不同检测结构，所述不同检测结构分别形成在所述单元像素的所述不同感光子像素的外围位置，并且被配置为接收由所述单元像素的所述不同感光子像素生成并由所述单元像素中的电流承载的所述光电荷；
单元像素电压节点，该单元像素电压节点位于所述单元像素的中央部分并且被电联接以使所述不同感光子像素的电位电偏置；以及
控制电路，该控制电路联接到所述单元像素的所述不同检测结构以分别向所述单元像素的所述不同检测结构供应子像素检测控制信号，并且联接到所述单元像素电压节点以供应电场控制信号。
2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，
形成在所述单元像素的所述不同感光子像素的外围位置的各个检测结构包括：控制节点，所述控制节点接收用于所述单元像素的对应子像素检测控制信号；以及至少一个检测节点，所述至少一个检测节点与所述控制节点相邻。
3.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，
所述控制电路被构造为使得各个子像素检测控制信号具有启用电压或停用电压。
4.根据权利要求3所述的图像感测装置，其中，
所述电场控制信号具有介于所述停用电压和所述启用电压之间的电压。
5.根据权利要求4所述的图像感测装置，其中，
所述电场控制信号的电压是所述启用电压和所述停用电压的平均值。
6.根据权利要求2所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
光源，该光源生成照明光以对目标对象进行照明，所述像素阵列要通过检测在所述照明光的照明下来自所述目标对象的返回光来对所述目标对象进行成像，其中，
所述单元像素包括按2×2矩阵阵列布置的四个子像素，
所述控制电路联接到所述光源以施加对所述照明光进行调制的光调制信号，并且还被构造为：将第一子像素检测控制信号施加到所述单元像素的第一子像素的所述检测结构以具有与用于生成施加到所述目标对象的调制光的所述光调制信号相同的相位；将第二子像素检测控制信号施加到所述单元像素的第二子像素的所述检测结构以相对于所述光调制信号具有180°的相位差；将第三子像素检测控制信号施加到所述单元像素的第三子像素的所述检测结构以相对于所述光调制信号具有90°的相位差；并且将第四子像素检测控制信号施加到所述单元像素的第四子像素的所述检测结构以相对于所述光调制信号具有270°的相位差。
7.根据权利要求2所述的图像感测装置，其中，
各个控制节点具有圆形形状；并且
各个检测节点具有梯形、矩形和三角形之一的形状。
8.根据权利要求2所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
设置在相邻检测节点之间的隔离区域。
9.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中，
所述隔离区域掺杂有掺杂剂类型与检测节点的掺杂剂类型相反的杂质。
10.根据权利要求1所述的图像感测装置，该图像感测装置还包括：
网格结构，该网格结构沿着包括在所述单元像素中的相邻子像素之间的边界延伸，并且被配置为反射或吸收所述入射光。
11.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，
沿着所述相邻子像素之间的所述边界延伸的区域中的所述网格结构的宽度小于所述检测结构的水平长度和垂直长度。
12.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中，所述网格结构包括：
延伸以与所述检测结构交叠的区域。
13.根据权利要求1所述的图像感测装置，其中，所述单元像素的各个感光子像素包括：
像素晶体管区域，该像素晶体管区域包括用于处理由所述感光子像素的检测节点捕获的所述光电荷的晶体管，
并且其中，所述单元像素的所述感光子像素的不同像素晶体管区域关于子像素之间的边界对称布置。
14.一种图像感测装置，该图像感测装置包括：
单元像素，该单元像素包括像素并且具有边以及连接两条相邻边的顶点，该单元像素被配置为响应于入射光的接收而生成光电荷；
控制节点，所述控制节点设置在所述单元像素的所述顶点处并且被配置为接收在基板中生成空穴电流以使得所述光电荷沿着所述空穴电流的流动移动的第一控制信号；
电压接收节点，该电压接收节点设置在所述单元像素的中央部分并且被配置为接收控制所述空穴电流的流动的第二控制信号；以及
多个检测节点，多个所述检测节点分别位于所述控制节点周围并且被配置为捕获所述光电荷。
15.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中，所述单元像素的4个子像素按2×2矩阵阵列布置。
16.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中，
所述第一控制信号对应于具有启用电压或停用电压的解调控制信号。
17.根据权利要求15所述的图像感测装置，其中，
所述第二控制信号对应于具有介于启用电压和停用电压之间的值的电场控制信号。
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