CN1839484A - 光探测元件及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括包含阱区31元件形成层22的光探测元件1。表面电极25形成于绝缘层24上方的所述层22上。所述区31包含电子保持区32。所述区32包含空穴保持区33。所述层24包含通过层24面对区33的控制电极26。电子和空穴产生于层22。存在两个选定状态。在一个状态中，通过控制施加到电极25、26的各个电势，在区32收集电子，同时在区33收集空穴。在另一个状态中，激励电子和空穴之间的复合。在复合之后，剩余的电子被检出以作为接收的光输出。

Description

光探测元件及其操作方法
技术领域
本发明涉及光探测元件和所述光探测元件的控制方法。
背景技术
已知的传统光探测设备有光敏二极管、光敏晶体管、CCD图像传感器等。这样的元件广泛地用于不同的应用，如基于接收光的强度的变化来探测实体目标的光传感器，使用光作为传输介质的光通信，基于三角测量方法以及在发射光和接收光之间的相差等来光学测量距离的距离传感器(测距仪)，诸如摄像机或数码相机的图像拾取装置，等等。
在这些应用中，有这样的情形，光源与光探测元件一起使用，例如监视闯入者的光传感器、诸如(红外)光遥控器的光通信、用于自动聚焦或机器人眼睛的距离传感器、与光源一起使用以便获得远距离图像的图像拾取装置，等等。在所述情形中，由于所述元件不仅接收来自光源的光，还接收来自环境的光，如自然光，所以与仅接收来自光源的光的情形相比，接收的光强增加了。
在这种光探测元件中，通过对应于接收光量的量在元件内产生载流子(电子或空穴)。但是，随着接收光量的增加，产生的载流子的量逐渐接近饱和水平。因为存在根据接收的光量产生的载流子量的极限。因此，在诸如上述的应用中，当环境光与包含目标信息的信号光一起被接收时，由于所述元件的动态范围被环境光量减小，存在不能从信号光获得大的输出的问题。
还有，当信号光与环境光混和时，如果环境光波动，有可能不能从混和光区分信号光。通过使用包含在信号光中的特定波长的分量的光滤波器可以从混和光中区分信号光。然而，当环境光具有如太阳光一样的在宽范围展开的频谱分量时，既便通过光滤波器也不能充分地消除环境光的影响。
在另一种用于分离信号光和环境光的现有技术中，元件的输出被分为信号光分量和环境光分量。例如，在日本未审专利公开No.2001-337166中描述的现有技术通过在间歇地运行光源时找到发光期间接收的光和消光期间接收的光之间的差分量来减小或消除环境光分量。所述发光期间是光源运行的时期，而消光期间是光源熄灭(不运行)的时期。即，在环境光不波动的这样短的时期内，差分量是通过从对应于在发光期间具有环境光和信号光分量的输出中减去对应于在消光期间仅有环境光分量的输出计算的。结果，变得可以抑制环境光分量，以大大增加信号光分量的比率。
但是，在日本未审专利公开No.2001-337166中描述的现有技术中，存在当元件饱和时信号光不能被探测到的问题。因为现有技术在用于光探测元件的外部电路计算差分量，以便将元件的输出分离为信号光分量和环境光分量。即在环境光存在的情况下所述元件的信号光的动态范围变窄了，所以现有技术仍然不能解决不能根据信号光从光探测元件获得大输出的问题。
对上述问题展开，必须增加由光照射产生的载流子数，以便减少散粒噪声(shot noise)的影响。因为元件的探测精度的限制通常由光电转换伴随的散粒噪声决定。在处于饱和水平时，随着接收光变强载流子数变大，并且光接收时间变得更长(例如接收的光量变大)。因此，可以通过增加光源的照射强度或加长光探测元件的接收时间来减少散粒噪声的影响。但是，既便光源的照射量增加或元件的光接收时间加长，信噪比也不能充分提高。因而在存在环境光的情况下元件的动态范围减少了。
现有技术还需要从图像拾取装置如CCD传感器或MOS型传感器(光探测元件)读至少两次。因为对应于接收光的输出必须被从图像拾取装置检出两次，以便取差分量。即由于直到获得探测结果花费了2帧的读出时间，响应速度被该时间减少。
发明内容
本发明的目的是避免由于环境光引起的饱和，而不需要外部电路来探测信号光分量，其可以改善信号光的动态范围。
本发明的另一个目的是避免响应速度的减少，既便图像图像拾取装置具有阵列结构。
光探测元件形成于半导体器件内并且包括光敏单元、载流子分离单元、复合单元和输出单元。光敏单元被配置以接收从光源照射的光并产生电子和空穴，其各自的数量随在光敏单元接收的光量变化；载流子分离单元具有分离控制电极。载流子分离单元还被配置以根据施加到所述分离控制电极上的电势的控制将在光敏单元产生的电子和空穴分离为目标载流子和非目标载流子，所述目标载流子是电子和空穴之一，所述非目标载流子是电子和空穴的另一个。复合单元具有复合控制电极。复合单元还被配置以根据控制施加到复合控制电极的电势，激励在所述光敏单元发光期间产生的目标载流子和在所述光敏单元消光期间产生的非目标载流子之间的复合。发光期间是光源的运行期间。消光期间是所述光源的熄灭期间。输出单元还被配置以检出在所述复合单元复合之后剩余的目标载流子。
在该结构中，复合发生在光敏单元发光期间产生的目标载流子和光敏单元消光期间产生的非目标载流子之间。复合之后，剩余的目标载流子被检出到外部。因此，等效于环境光的载流子可以从等效于从在光敏单元中接收的光源的光(此后称为“输入信号光”)的目标载流子中去除，并且可以在复合后剩余的目标载流子中大体去除环境光的分量。结果，可以减少从复合单元传输到输出单元的目标载流子中的环境光分量，并且避免由于该分量引起的输出单元饱和。上述的功能可以通过一个半导体器件实现。因此，由于与将环境光的分量从半导体器件的输出信号中去除的情形相比，可以更优选地避免输出单元的饱和，因此可以显著地增加输出信号光的动态范围。而且，在通过排列多个光探测元件构成图像拾取装置时，可以避免响应速度的减小。因为通过在光探测元件内安装复合单元，从等效于两个不同期间内接收的光量的差的目标载流子来获得接收的光输出，所以不需要从图像拾取设备读出两帧图像。
载流子分离单元优选地被配置调整，以使目标载流子数大于非目标载流子数，所述目标载流子在发光期间产生以提供于在所述复合单元的复合；所述非目标载流子在消光期间产生以提供于该复合。
在该结构中，由于载流子分离单元调整在光敏单元产生的目标载流子数和非目标载流子数之间的关系，所以容易在复合单元复合之后剩余的目标载流子中去除在消光期间中的环境光分量。
优选地，光探测元件还包括目标载流子保持单元和非目标载流子保持单元。目标载流子保持单元被配置以收集在所述光敏单元产生的目标载流子，以保持所述目标载流子直至复合。非目标载流子保持单元被配置以收集在所述光敏单元产生的非目标载流子，以保持所述非目标载流子直至复合。并且复合单元被配置以激励在目标载流子保持单元保持的目标载流子和在非目标载流子保持单元保持的非目标载流子之间的复合。
在该结构中(此后称为“第三结构”)，由于载流子被分离为被保持直到复合的目标载流子和非目标载流子，所以可以这样地保持和分离它们以便在两个不同期间产生的目标载流子和非目标载流子之间发生复合。
优选地，载流子分离单元还包括开关单元，用于除去在所述目标载流子保持单元保持的目标载流子。在该结构中，可以除去在发光期间和消光期间的一个期间产生的目标载流子。因此，由于只有在所述一个期间产生的非目标载流子被保持，所以可以增加在复合单元复合的目标载流子数和非目标载流子数之间的差别。结果，可以在复合后检出相对多的目标载流子，同时相对缩短了各个消光期间和发光期间。此外还可以增加灵敏度。
输出单元优选地包括累积功能，用于累积在所述复合单元复合之后剩余的目标载流子。在该结构中，既便在一个发光期间和一个消光期间从复合单元获得的目标载流子数少，也可以通过在输出单元累积目标载流子来提高从输出单元发出的目标载流子数。
光探测元件优选地包括元件形成层、阱区、表面电极、第一保持区、第二保持区和公共控制电极。元件形成层是第一导电类型的，并且形成于半导体衬底的主表面；阱区是第二导电类型的，并且形成于主表面侧的元件形成层之内；表面电极形成于元件形成层的主表面上，以通过绝缘层至少面对阱区。表面电极还具有半透光性。第一保持区是第二导电类型的，且形成于所述阱区之内，并且位于元件形成层的主表面侧，作为目标载流子保持单元；第二保持区是第一导电类型的，并且形成于第一保持区内并且位于所述元件形成层的主表面侧，作为非目标载流子保持单元。公共控制电极用作分离控制电极和复合控制电极。而且，公共控制电极还具有半透明性，并且被设置以通过绝缘层面对第二保持区。光敏单元包括产生电子和空穴的所述元件形成层。复合单元包括第一保持区和第二保持区的至少一个。
在该结构中(此后称为“第六结构”)，第六结构的光探测元件可以由具有相对简单结构的半导体器件实现。尤其是它可以被做得紧凑，因为复合单元包括第一保持区和第二保持区的至少一个。
优选地，光探测元件还包括漏区和漏电极。漏区是第二导电类型的，且被提供用来除去来自所述目标载流子保持单元的目标载流子。所述漏区形成于主表面侧在所述元件形成层之内并且接近所述阱区。漏电极通过欧姆耦合被耦合到漏区。所述漏电极被施加有电势，以便将来自所述第一保持区的目标载流子分配到漏区。
在该结构中(此后称为“第七结构”)，可以增加复合时目标载流子数和非目标载流子数之间的差，因为漏区可以除去发光期间和消光期间的一个期间内产生的目标载流子，并且随后非目标载流子保持单元可以仅保持在所述一个期间内产生的非目标载流子。结果，可以在复合后检出相对多的目标载流子以增加灵敏度，同时相对缩短了各个消光期间和发光期间。
光探测元件优选地包括元件形成层、阱区、表面电极、保持区和公共控制电极。元件形成层是第一导电类型的，并且形成于半导体衬底的主表面。阱区是第二导电类型的，并且形成于主表面侧的元件形成层之内，作为目标载流子保持单元。表面电极形成于元件形成层的主表面上，以通过绝缘层至少面对阱区。表面电极还具有半透光性。保持区是第一导电类型的，形成于阱区之内并且位于元件形成层的主表面侧，作为非目标载流子保持单元。公共控制电极用作分离控制电极和复合控制电极。该公共控制电极设置以通过绝缘层来面对保持区的一部分。公共控制电极还具有半透明性。而且，光敏单元包括产生电子和空穴的元件形成层，同时复合单元包括阱区内保持区的内部和外部的至少一个。
在该结构中(此后称为“第八结构”)，第八结构的光探测元件可以由具有相对简单结构的半导体器件实现。尤其是它可以被做得紧凑，因为复合单元包括阱区内保持区的内部和外部的至少一个。
光探测元件优选地包括元件形成层、阱区、表面电极、保持区和公共控制电极。元件形成层是第二导电类型的，通过第一导电类型的中间层形成于第二导电类型的半导体衬底的主表面。阱区是第二导电类型的，形成于主表面侧所述元件形成层之内，作为目标载流子保持单元。表面电极形成于元件形成层的主表面上，通过绝缘层至少面对阱区。表面电极还具有半透明性。保持区是第一导电类型的，形成于所述阱区内并且位于元件形成层的主表面侧，作为非目标载流子保持单元。公共控制电极用作分离控制电极和复合控制电极。公共控制电极设置以通过所述绝缘膜面对部分的保持区。公共控制电极还具有半透明性。并且，光敏单元包括产生电子和空穴的元件形成层，而且复合单元包括所述阱区内保持区的内部和外部的至少一个。
在该结构中(此后称为“第九结构”)，第九结构的光探测元件可以由具有相对简单结构的半导体器件实现。尤其是它可以被做得紧凑，由于复合单元包括阱区内保持区的内部和外部的至少一个。由于阱区和元件形成层由相同导电类型的半导体形成，它还可以使产生电子和空穴的用作光敏单元的元件形成层的深度均匀。此外还可以通过调整衬底和中间层的每个的电势，从而简单地分离目标载流子和非目标载流子。因为在衬底和元件形成层之间有中间层，并且中间层的导电类型不同于衬底和元件形成层的每个的导电类型。
优选地，光探测元件还包括埋层。埋层被提供用于增加所述阱区和元件形成层之间的势垒，并且形成于所述阱区的底部。并且，形成元件形成层之内的阱区以便从衬底分开。
在该结构中(此后称为“第十结构”)，可以通过在阱区底部形成的埋层来避免载流子从阱区向衬底泄漏。与没有埋层的情形相比，结果更多的目标载流子可以被传输到输出单元。
第十结构的光探测元件的控制方法包括控制施加到所述分离控制电极的电势以便收集在所述目标载流子保持单元的目标载流子，同时除去发光期间中的非目标载流子。所述控制方法还包括控制施加到所述分离控制电极的电势以便收集在所述非目标载流子保持单元的非目标载流子，同时去除消光期间中的目标载流子。
在所述方法中，理论上可以获得等效于目标载流子和非目标载流子之间复合之后的发光期间内和消光期间内接收的光量差的载流子。因为目标载流子在发光期间收集，而非目标载流子在消光期间收集。结果，可以从接收光输出中大体消除环境光分量。
第六到第十结构的光探测元件的控制方法包括对公共控制电极施加电势，用于分别在所述目标载流子保持单元和非目标载流子保持单元保持目标载流子和非目标载流子。此后，所述控制方法还包括改变施加到所述公共控制电极的电势，以便使所述目标载流子单元保持的目标载流子和非目标载流子保持单元保持的非目标载流子中的至少之一迁移，以提供于所述目标载流子和非目标载流子之间的复合。
第八或第九结构的光探测元件的控制方法包括对所述公共控制电极施加电势，用于分别在所述目标载流子保持单元和非目标载流子保持单元保持目标载流子和非目标载流子。此后，所述控制方法包括多次改变施加到所述公共控制电极的电势，以便通过使目标载流子在所述阱区内的保持区的内部和外部之间来回迁移，而且使非目标载流子在所述保持区内面对和不面对公共控制电极的部分之间来回迁移，从而激励所述目标载流子和非目标载流子之间的复合。
在这种方法中，可以在阱区内面对公共控制电极的部分激励复合。在非目标载流子和目标载流子之间的复合被激励，并且非目标载流子通过表面电势被俘获在保持区界面。由于不是所有的非目标载流子都可以通过一次的目标载流子到保持区的迁移而消失，该载流子来回迁移多次。还可以通过对于施加到公共控制电极的电势和施加电势的时机的相对简单的控制来提取对应于输入信号光的分量。由于当目标载流子在保持区和阱区之间来回迁移时，电流不流到外部，所以可以实现低能耗。
第八或第九结构的光探测元件的控制方法包括控制施加到所述各个表面电极、公共控制电极和衬底的电势，以便在所述保持区收集非目标载流子，同时在消光期间内除去目标载流子。所述控制方法还包括控制所述电势，以便在所述保持区收集目标载流子，同时在发光期间内除去非目标载流子。
在这种方法中(此后称为“第十四结构”)，理论上可以获得等效于目标载流子和非目标载流子之间复合之后的发光期间内和消光期间内接收的光量差的载流子。结果，可以从接收光输出中大体消除环境光分量。
第十四结构的光探测元件的控制方法包括在发光期间用于施加目标载流子的状态和在消光期间收集非目标载流子的状态，反转施加到所述表面电极和所述公共控制电极的电势与施加到所述衬底的电势的每个之间的极性。该控制方法还包括在所述发光期间和消光期间至少之一内用来激励目标载流子和非目标载流子之间的复合的状态，多次反转施加到所述公共控制电极的极性。所述控制方法还包括在复合之后检出在所述阱区剩余的目标载流子。
在这种方法中，可以分别在发光期间和消光期间在保持区收集目标载流子和非目标载流子。还可以通过在保持区内部和外部之间传输目标载流子和非目标载流子来激励主要在保持区内的复合。而且，通过多次重复所述传输可以提高复合几率。
附图说明
现将更详细地描述本发明的优选实施例。参考下列详细描述和附图，本发明的其它特征和优点将变得更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的光探测元件的截面图；
图2A和2B描述图1的光探测元件的运行；
图3描述图1的光探测元件的运行；
图4是配备有图1的光探测元件的距离传感器的主要结构图；
图5描述图1的光探测元件的运行原理；
图6显示根据本发明的光探测元件的替代实施例；
图7A-7D显示根据本发明的配备有光探测元件的距离探测器的替代实施例；
图8是根据本发明第二实施例的配备有光探测元件的距离探测器的主要结构图；
图9是根据本发明第三实施例的光探测元件的截面图；
图10描述图9的光探测元件的运行；
图11描述图9的光探测元件的运行；
图12显示根据本发明的光探测元件的替代实施例；
图13A和13B显示根据本发明的光探测元件的另一个替代实施例；以及
图14是根据本发明第四实施例的光探测元件的截面图。
具体实施方式
图1-3显示了根据本发明的第一实施例的光探测元件1，且图4显示了通过使用光探测元件1来测量距离的距离传感器。该传感器用光源2、光探测元件1和时控单元10构成。光源2发射光作为物方空间上的输出信号光。该目标空间包括远离传感器的物理目标3(待测距离)。元件1从目标空间接收光(此后称为“输入光”)。输入光包括从光源2发出取决于情况被目标3反射的光(此后称为“输入信号光”)。并且传感器获得对应于从元件1接收的光的输出。该输出代表来自目标空间的输入光量。
用通用方法，上述距离通过计算从光源2发射输出信号光的时刻到元件1接收输入信号光的时刻的光传输时间来测量。传感器根据由如正弦波的适当的波形形成的调制信号以及通用的方法来调制输出信号光的强度。传感器随后探测输出信号光的调制波形和输入光信号的调制波形之间的相位差。然后，传感器将该相位差转换为要测量的距离。主要使用发光二极管或半导体激光作为光源2。
输出信号光的强度根据从时控单元10发出的调制信号来调制。调制信号通过具有固定调制频率(例如20MHz)的正弦波来形成。并且存在光源2发射输出光信号的期间(此后称为“发光期间”)和光源2不发射输出光信号的期间(此后称为“消光期间”)。发光期间和消光期间交替地变换。在发光期间内，输出信号光在多次(例如10,000次)调制信号循环的期间发射。简而言之，光源2间歇地点亮(运行)。
在消光期间，由元件1接收的光仅包含环境光并且不包含输入信号光。在发光期间，由元件1接收的光包含环境光和输入信号光，并且在微观上波动。因为输入信号光从强度被调制的输出信号光获得。即由于强度由高频信号调制的输出信号光间隙地发射，发光期间变成发射输出信号光的期间。简而言之，在消光期间接收光主要包含环境光，而在发光期间接收光主要包含环境光和输入信号光。因此，通过从在发光期间接收的光量中减去在消光期间接收的光量，理论上可以消除环境光分量以仅检出输入信号光分量。
传感器还包括距离算法单元(未图示)，对该距离算法单元发出对应于从元件1接收光的输出。所述距离算法单元在不同时刻从元件1检出输出。所述单元从其强度被调制的输出信号光的波形和其强度根据输出信号光强度波动的输入信号光的波形之间的相差获得光传输时间。然后，所述单元从光传输时间获得该距离。
通过仅使用元件1，可以测量传感器和目标3之间的距离，目标3存在于传感器周围的特定方向上。
而且，通过由多个元件1构成图像拾取装置，可以产生距离图像。在这种情形，接收光系统位于图像拾取装置前面并且各个图像拾取装置的元件1通过接收光系统朝向目标空间。因此，距离图像的各个像素对应于在分配给像素的方向上的距离。例如，每个元件1位于具有多个单位格栅的矩形平面上以排列在每个格栅处。元件1还包括输出单元16，输出单元16发出对应于接收光的输出，同时图像拾取装置的输出由多个单元16构成。在这种情形，可以构成图像拾取装置的输出以及在CCD(电荷耦合装置)图像传感器中的电荷传输单元(结构)。通过使用图像拾取装置，产生传输距离图像。
元件1产生电子和电子空穴(此后称为“空穴”)，其每种的数量随接收光量而变化。在第一实施例中，其中的电子被当作目标载流子，而空穴被当作非目标载流子。对应于来自元件1的接收光的输出值由目标载流子数(即电子)来决定。
如图1所示的元件1被提供在N型(第一导电类型)半导体(例如硅)衬底21的主表面上，以包括形成于主表面上的P型(第二导电类型)的元件形成层22。层22由与衬底21接触的第一层22a，和通过第一层22a而面对衬底21的第二层22b组成。在层22a的一部分，形成了N型埋层23以与层22b接触。层22a的厚度被设置为例如5μm。在层22的主表面，形成了绝缘层24以与层22(22b)接触，同时表面电极25形成以通过层24而面对层22。层24是氧化层(如硅氧化层)。在层24内，控制电极26和栅电极27被埋入以便与层22的主表面隔开，同时电极26、27沿层22的表面相互隔开。即电极26、27通过部分层24来面对层22。电极25、26是半透明性的。
在层22b中，阱区31形成以面对层23。阱区31是N-型的并且具有与层22b基本相同的厚度。在阱区31中，N型电子保持区(第一保持区)32形成于主表面侧的层22内。在区32内P+型空穴保持区(第二保持区)33形成于主表面侧的层22内。上述的电极26设置以相对于区33。
在主表面侧的层22b内，N型漏区34a形成于区31的一侧(左)，而N型漏区34b形成于区31的另一侧(右)。区34a、34b具有通过欧姆耦合分别耦合到区34a、34b表面的漏电极35a、35b。区34a、34b的每个沿图1的平面的法线形成。区34a比区34b更接近区31。
而且，在主表面侧的层22b内，N型电荷传输区36形成于区31、34b之间，而区36沿区34b形成。在层24中，上述的电极27位于对应于在区31、36之间的中间位置的位置，因此在区31、36之间构成MOS结构。在电极25的表面内，在对应于电极27和区36、34b的位置形成了具有光阻挡效应的遮蔽膜。
如上所述，由于电极25通过层24设置于衬底21和层22上，元件1具有MIS器件结构。没有膜37的区起光敏单元11(见图4)的作用，其响应光照射来产生电子和空穴。将层22的电势设置为地电势。将衬底21的电势通过正电压设置为比地电势高的一定的电势(此后称为“正电势”)。产生的电子和空穴如果置之不理则将在相对短的时间内通过复合而消失。因此，为了收集和分离响应输入光产生的电子和空穴，将电极25的电势设置为正电势，而将电极26的电势通过负电压设置为低于地电势的电势(此后称为“负电势”)。
通过如上所述设置每个电势，电子(黑圆圈)的电势和空穴(白圆圈)的电势变成如图2B所示的状态。在图2B中，左曲线表示空穴的势能，并且其左侧的能量比右侧的能量高。右曲线表示电子的势能，并且其右侧的能量比左侧的能量高。因此，区33主要收集在区31附近产生的载流子的空穴，区31包括区32、33，而载流子的电子主要在区32收集。由于接收光量由在区32收集的电子的数量和在区33收集的空穴的数量表示，随着接收光量的增加接收的电子和空穴的数量变大。由于衬底21被施加正电势并且层22被施加地电势，在衬底21和层22之间施加了反偏压。结果，在衬底21和层22产生的电子和空穴通过除去和复合在短时间内消失。
顺序解释消光和发光期间的操作。在消光期间，电极25被施加正电势，而电极26被施加负电势。当元件1接收输入光时，在单元11产生载流子。载流子的电子在区32收集，而载流子的空穴在区33收集。
在这个操作之后，当电极35a被施加正电势时，在区32收集的电子迁移进入区34a，如图3所示。即在消光期间，电极25被施加正电势，而电极26的电势被保持在负电势。就在发光期间之前，电极35a被施加正电势。然后，由于在消光期间收集的空穴留在区33，而在消光期间产生的电子迁移进入区34a，以使区32空出来。在另一个实例中，通过对电极25施加负电势同时对电极35a施加正电势，产生的电子可以被迅速地迁移入区34a。
在发光期间，同消光期间一样，电极25被施加正电势，而电极26被施加负电势。当元件1接收输入光时，在单元11产生载流子。载流子的电子在区32被收集，同时载流子的空穴在区33被收集。在这种情形，区33除了在发光期间产生的空穴还包括在消光期间产生的空穴。另一方面，区32理想地包括仅在发光期间产生的电子，因为在发光期间之前区32的电子被分配入区34a。在这个时刻，由于电极26被施加负电势，如图2B所示的区32对于电子是低电势(势阱)，同时区33对于空穴是低电势(势阱)。结果，电子和空穴没有被提供于复合，而是分别被保持和分离在区32和33。
简而言之，通过对电极26施加合适的电势，可以分别在区32和33收集和分离产生的电子和空穴。电极26和区32、33起分离电子和空穴的载流子分离单元12(见图4)的作用。电极26起分离控制电极的作用。
然后电极26被施加正电势。在这个时刻，区32、33之间的势差小(即势垒低)。因此，空穴被从区33推出以提供给与电子在区31的复合(主要在区32)。而且，电子从区32迁移到区33，并且随后提供到与在层24和区33之间的表面附近被俘获的空穴复合。复合取决于比如施加到电极26上的电势的条件以控制电子和空穴的电势、施加到电极26的电势的持续时间、构成区31、33的半导体的掺杂浓度，等等。通过控制施加到电极26的电势，激励电子和空穴的复合，并且因此电极26起复合控制电极的作用。由于复合在区31发生，区31起复合单元15(见图4)的作用。
对上述扩展，在第一实施例中，将电子的数量调整以便比在区32的电子和区33的空穴之间复合之前的空穴的数量大。然后，在复合之后，空穴消失，同时剩余电子。剩余的电子是在发光期间在区31产生的电子。因此，通过检出剩余的电子，可以消除环境光的影响以检出电荷(信号电荷)，其数量与输入信号光成比例。在电极26被施加正电势以激励电子和空穴的复合之后，电极26被施加负电势。然后，剩余的电子被收集在区32。
然后，区32的电子作为信号电荷被检出。即当电子被保持在区32时，电极27被施加以正电势。然后，由于在层22内区31、36之间形成了沟道，区32的电子通过该沟道迁移到区36。区36的电子根据例如在CCD图像传感器等中使用的电荷传输的众所周知的技术被发射到外部。
总结上述，单元10控制对电极25、26、27、34b、35b施加电势的时机。在消光期间，电极25被施加正电势，同时电极26被施加负电势。当元件1接收输入光时，通过光致激发在衬底21、区22、层23和区31、33产生电子和空穴。电极35a被施加正电势同时电子和空穴分别被保持在区32和33。然后，在消光期间产生的空穴留在区33，同时在消光期间产生的电子迁移到区34a以使区32空出来。
在发光期间，与消光期间一样，电极25被施加正电势，同时电极26被施加负电势。当元件1接收输入光时，通过光致激发在衬底21、区22、层23和区31、33产生电子和空穴。区33不仅包括在发光期间产生的空穴还包括在消光期间产生的空穴。区32仅包括在发光期间产生的电子。
在这个操作之后，电极26被施加正电势。然后，由于在区32、33之间的势差小，所以区33的空穴迁移到区32以被提供到与电子复合。而且，区32的电子迁移到区33以被提供到与空穴复合。当电子被保持在区32时，栅极27被施加正电势。然后，由于在层22中区31、36之间形成沟道，区32的电子迁移到区36。区36的电子被发射到外部。
参照图4，解释元件1的各个单元。光敏单元11对应于MIS装置结构的区域，所述结构包括衬底21、层22(包括区31)、层24和电极25，并且响应光照射产生电子和空穴。如上所述，衬底21和层22的电子和空穴迅速地消失。因此，在区31产生的电子和空穴主要等效于在单元11内产生的电子和空穴。
在单元11产生的电子和空穴的数量比率在单元12调整之后，空穴和电子被分别在空穴保持单元13和电子保持单元14收集。在第一实施例中，由于电子和空穴分别是目标载流子和非目标载流子，单元13是非目标载流子保持单元且对应于区33，而单元14是目标载流子保持单元且对应于区32。
对上述进行扩展，单元12分别在单元13和14收集和分离空穴和电子。单元12还控制在单元13收集的空穴的数量和在单元14收集的电子的数量量的比率。例如，单元12进行调整，以使该比率变成如下比率，例如，1∶2(即“空穴”∶“电子”＝1∶2)等。该比率取决于元件结构，比如区32、33的掺杂浓度、尺寸、形状、排列以及电子和空穴迁移率的差别。通过控制施加到电极26的电势的极性，空穴和电子可以分别在单元13和单元14被收集和分离。而且，通过改变施加到电极25、26的电势的电平可以控制所述比率。即由于可以通过调整电势的电平(电压)来控制势垒的高度和势阱的深度，所以可以控制在单元13收集的空穴的数量和在单元14收集的电子的数量。
在单元14收集的电子的数量还通过从单元14除去电子来调整。通过在发光期间之前将消光期间在单元14收集的电子分配到由区34a组成的除去单元18，可以避免与发光期间在单元14收集的电子混和。电子的除去时机受由电极35a组成的开关单元17的开启时机(ON-timing)控制。即可以通过对电极35a施加正电势以使单元17开启，从而从单元14除去电子。因而，通过将消光期间保持的电子通过单元17分配到单元18，从而除去仅由环境光产生的电子。结果，可以从与空穴复合后剩余的电子减小环境光的影响。
在单元13和单元14收集的空穴和电子被提供到在单元15的复合。单元15由区32、33和电极26组成，并且其复合时机由施加到电极26的正电势的时机控制。在复合之前，在单元14保持的电子几乎是在发光期间产生的。因此，通过使得电子在单元15的复合之后保留，与没有复合的情形相比，可以增加在复合后剩余的电子中的输入信号光的分量。复合之后在单元14(区32)剩余的电子通过由电极27和区36组成的单元16被检出到外部。控制单元12、15、16、17的运行时机以便通过控制光源2的开启(发光)/关闭(消光)的单元10来与光源2的发光和消光状态同步。
如上所述，为了使电子在单元15的复合之后保留，必须使复合之前在单元14保持的电子的数量大于在单元13保持的空穴的数量。这个条件通过在单元12中使单元14收集的电子的数量大于在单元13收集的空穴的数量来得到满足。而且，为了从由单元15检出的电子中去除环境光的分量，希望在单元14和13收集的电子和空穴的数量的比率分别与消光时间和发光时间的比率相关。
解释这些条件。如果当单元11在时间“t”内以强度“I”接收光时，单元12将数量是“αIt”的电子提供给单元14，则在发光期间内在单元14收集的电子的数量“NE”由下式给出：
NE＝α(Ia+Ib)t2
其中“Ia”是输入信号光的强度，“Ib”是环境光强度，并且“t2”是发光期间。
在消光和发光期间在单元13收集的空穴的数量“NH”由下式给出：
NH＝kα{Ibt1+(Ia+Ib)t2}
其中“k”是电子的数量的比例因子，其等于由单元12检出的空穴的数量(即空穴的数量是电子的数量的“k”倍)，并且“t1”是消光期间。
因此，当满足理想条件时，由单元15检出的电子的数量“N”是：
N＝α(Ia+Ib)t2-kα{Ibt1+(Ia+Ib)t2}       (1)
其中在消光期间保持在单元14的所有的电子被分配到单元18，同时单元13的所有的空穴被提供到与单元14的电子的复合，如上述的理想条件。由于数量“N”必须是正数，所以“k”小于“1”(k＜1)。
在将函数公式(1)改变为由附带“Ia”项和附带“Ib”项组成的公式之后，用于使“Ib”项为“0”的计算为：
t1＝{(1-k)/k}t2
如果根据“k”调整“t1”和“t2”的比率，则可以消除环境光分量以便仅检出输入信号光。如果t1∶t2被设置为1∶1，“k”是0.5(k＝0.5)。在这种情形，当通过单元12将电子的数量设置为空穴的数量的两倍时，可以消除环境光分量以仅检出输入信号光的分量。在这个条件下，如图5所示的在发光期间“t2”内由环境光产生的电子的数量E(t21)等于由环境光在消光期间“t1”产生的空穴的数量H(t1)和由环境光在发光期间产生的空穴的数量H(t21)的总和。因此，电子E(t21)以及总和(H(t1)+H(t21))相互抵消。
而且，在发光期间由输入信号光产生的电子的数量E(t22)是在发光期间由输入信号光产生的空穴的数量H(t22)的两倍。因此，在复合之后剩余的电子是电子的数量E(t22)的一半。结果，对于复合之后的电子(目标载流子)，仅剩余了输入信号光分量。
解释单元18的效应。假设满足下列函数：
Qa＝A·Qb
其中“Qa”(Qa＝β·Ia)是在单元14保持的电荷量，“A”、“β”是比例常数，“Qb”(Qb＝β·Ib)是在单元13保持的电荷量，消光期间等于发光期间，并且在两个期间环境光的强度是固定的。
还假设当从消光期间转换到发光期间时开启单元17，以便从单元14除去电子，且在发光期间关闭单元17，以便在单元14收集电子。
在这些条件下，在消光期间在单元14保持的电子在被转换到发光期间之前的时间点(优选地，就在转换之前的瞬间)被除去。结果，可以避免在消光期间产生的电子和在发光期间产生的电子混和。在另一个实例中，由于允许在转换期间混和，当从发光期间向消光期间转换时，单元17被保持在关闭。
在省略单元18的情形，在消光期间保持的目标载流子和非目标载流子的电荷量分别为A·β·Ib和β·Ib。而且，在发光期间在单元14收集的电子和在单元13收集的空穴分别是A·β(Ia+Ib)和β(Ia+Ib)。因此，复合之后剩余的电子电荷量由A·β(Ia+2Ib)-β(Ia+Ib)给出。在计算基于强度Ia、Ib的函数公式之后，得到β{(A-1)Ia+(2A-2)Ib}。
在具有单元18的第一实施例中，在发光期间之前的瞬间在单元13仅保持空穴，并且电荷量由β·Ib给出。在发光期间在单元14和单元13收集的电子和空穴的电荷量分别由A·β(Ia+Ib)和β(Ia+Ib)给出。因此，复合之后剩余的电子的电荷量由A·β(Ia+Ib)-β(Ia+2Ib)给出。在计算基于强度Ia、Ib的函数公式之后，得到β{(A-1)Ia+(A-2)Ib}
因此发现与没有单元18的情形相比，元件1可以减小环境光的影响，因为在元件1中环境光的系数比所述情形小A·β倍。例如在A＝2的情形，在所述情形复合之后剩余的电荷量由β(Ia+2Ib)给出，而在元件1中的电荷量由βIa给出，从而可以检出电子而没有环境光的影响。在“消光期间”∶“发光期间”是1∶1的条件下，A＝2等效于在单元12的“k”是0.5。
解释从单元15电荷迁移的控制。为了在单元15获得输入信号光的电子，必须满足在消光期间和发光期间环境光的强度基本固定。为了满足这个条件，需要将消光期间和发光期间在时间内对调，以便在两个期间都不发生环境光强度的波动。因为这样的时间为相对短的时间，产生的电子和空穴的数量极少。因此，如果通过一个消光期间和一个发光期间来收集电子，那么与对应于发光期间环境光的电子的数量相比，传输到区36的电子的数量极少。而且，当环境光具有高强度时，必须缩短光接收时间(消光和发光期间)以便在区32、33不发生饱和。在这种情形，担心信噪比由于散粒噪声的影响而减小，因为复合后剩余的电子的数量变得极小。
为了增加信号电荷，希望在区36通过多个消光期间和发光期间的循环来积累(累积)电子，而不是立即检出传输到区36的电荷。即希望通过重复一系列用于在消光期间和发光期间之后激励复合的操作在区36保持电子，并且用于保持和传输电子到区36。结果，可以基本消除环境光的分量以仅累积对应于输入信号光的电子。简而言之，当存在由于长时间暴露在高强度输入光下在区32、33发生饱和的可能性时，可以通过缩短一个消光期间和一个发光期间的时间并且增加累积(重复)的数量来检出相对大的信号电荷。结果，可以避免由散粒噪声的影响产生的信噪比减小。
在这个操作中，有可能在重复消光期间和发光期间并且在区36累积各个电子时，环境光的强度波动。但是，如果在各个消光期间和各个发光期间将环境光基本固定，那么就消除了环境光的波动分量。因此，尽管消光期间和发光期间交替重复多次，输出不受环境光的强度波动的影响。
在所述光探测元件的一个替代实施例中，如图6中所示的控制电极26通过绝缘膜24位于电子保持区32上。在图6中，电极26形成以便在区32的表面侧环绕区33。在该结构中，在分别在区32和33收集电子和空穴时，电极26被施加正电势，而在电子和空穴复合时，电极26被施加负电势。
在所述光探测元件的另一个替代实施例中，时控单元11控制施加到衬底21的电势，以便降低在区32、33之间(对于电子)的势垒，而不是控制施加到控制电极26上的电势。在该结构中，可以通过控制施加到衬底21的电势来控制势垒高度以激励复合。在这种情形，电子保持区32还可以用作复合单元15。而且，因为可以仅通过控制施加到衬底21上的电势来选择保持电子和空穴的状态或复合状态，所以控制简单。
在光探测元件的其它替代实施例中，电子保持区32形成于空穴保持区33内，既便在这种情形目标载流子是电子。
在光探测元件的其它替代实施例中，复合在保持空穴(非目标载流子)的空穴保持区33被激励。
在光探测元件的其它替代实施例中，表面电极25和控制电极26被用作载流子分离单元12。在该结构中，当在发光期间内施加到电极25的电势足够高时，区32起对于空穴的势垒的作用，空穴产生衬底21的深度。因此，可以避免在深度产生的空穴在区33中积累。还可以防止通过在发光期间产生的部分的电子和发光期间产生的空穴之间的复合而消失。
在光探测元件的其它替代实施例中，在光敏单元11产生的“空穴”∶“电子”是1∶1。由于消光期间内产生的电子被分配到区34a，区32仅保持发光期间内产生的电子。由于在发光期间产生的空穴不提供到与在区32的电子的复合，仅有消光期间产生的空穴被用于复合。复合基本上由消光期间内环境光产生的空穴H(t1)和发光期间内由环境光和输入信号光产生的电子(E(t21)+E(t22))引起。因此，当H(t1)等于H(t21)时，通过设置“空穴”∶“电子”为1∶1，在复合之后仅剩余对应于输入信号光的电子(E(t22))。
解释距离传感器。为了测量距离传感器和物理目标3之间的距离，利用了信号光的强度波动。传感器探测用于调制输出信号光的调制信号和在输入信号光中包含的调制分量之间的相差。调制信号由例如正弦波形成。
如图7所示解释了为了得到相差ψ的两种方法。在第一种方法中，利用了由元件1接收的光量，所述光量通过对应于与调制信号同步的多个相的时限来获得。在第二种方法中，也利用了由元件1接收的光量，但所述光量通过不与调制信号同步的多个时限来获得。
解释第一种方法。包含180°相角的部分的顶部(左端)(探测窗)被设置为调制信号的初始相角，然后每当调制信号的相角改变90°时，所述部分沿时间轴被移动90°。探测各个移动的部分期间由元件1接收的光量。例如，在分别对应于调制信号的相角范围0到180°(A0)、90到270°(A1)、180到360°(A2)和270到90°(A3)的4个部分的每个期间，探测如图7C、7D所示的光量。在图7B中，“Ab”是由元件1接收的光的最大强度，并且“Ad”是最小强度。“Ad”等效于由元件1接收的环境光强度。而且，“ψ”(单位是弧度)是输出信号光和输入信号光之间的相差(L＝ψ·c/2ω，其中“L”[m]是距离传感器和物理目标3之间的距离，并且“c”是光速[m/s])。
由元件1接收的光强作为相角θ的函数由g(θ)＝(Ab-Ad)sinθ+(Ab+Ad)/2给出。在这种情形，对应于0-180°部分的光量和对应于180-360°部分的光量分别等效于图7C中“A0”和“A2”的面积。而且，对应于90-270°部分的光量和对应于270-90°部分的光量分别等效于图7C中“A1”和“A3”的面积。因此，“A0”、“A1”、“A2”、“A3”由下式给出：
A0＝∫g(θ)dθ  [-ψ，180°-ψ]
A1＝∫g(θ)dθ  [90°-ψ，270°-ψ]
A2＝∫g(θ)dθ  [180°-ψ，360°-ψ]
A3＝∫g(θ)dθ  [270°-ψ，90°-ψ]
其中相“θ”是时间“t”的函数，并且由θ＝ωt给出(ω＝2πf，“f”是调制频率)，并且在方括弧中的内容表示所述部分。
使“Aa”为Ab-Ad并且“Ac”为(Ab+Ad)/2。然后，“A0”、“A1”、“A2”和“A3”被变为：
A0＝-2Aa·cosψ+Ac·π
A1＝-2Aa·sinψ+Ac·π
A2＝2Aa·cosψ+Ac·π
A3＝2Aa·sinψ+Ac·π
因此，由于在计算(A1-A3)/(A0-A2)时得到tanψ，相差ψ由公式(2)给出：
ψ＝tan-1(A1-A3)/(A0-A2)       (2)
当调制信号的波形为正弦波时，可以通过公式(2)计算相差ψ，因此可以计算距离“L”。
为了从元件1获得对应于部分“A0”-“A3”的各个光量，必须重复发光期间和消光期间的组合期间。并且任何对应于部分“A0”-“A3”的光量在各个不同的组合期间被检出。因此，为了得到相差ψ，至少重复四次组合期间。
为了从各个不同的组合期间检出对应于部分“A0”-“A3”的任何光量，必须控制元件1的灵敏度。例如，当从某个组合期间探测对应于部分“A0”的光量时，对于部分“A0”的灵敏度被设置为比对于在组合期间中部分“A1”-“A3”的灵敏度高。为了控制灵敏度，需要沿图1平面法线排列多个电极并且控制用于由多个(例如大于3)电极25构成的电极组的电势(电压)的模式。通过控制施加到各个电极25的电势，可以控制在面对电极25的区31形成的势阱的深度。因此，将施加到电极组部分的电势模式和施加到全部电极组的电势模式对调。为了在对应部分形成深的势阱，施加了每个电势模式。结果，由于调整(改变)了接收输入光的面积，可以调整灵敏度。
解释第二种方法。在这种情形，利用了拍频信号(beat signal)。当用具有与调制频率不同频率的信号和由元件1接收的光量的波动信号混和时，获得了拍频信号，其振幅响应于两个信号之间的频率差而振荡。由于拍频信号的包络线涉及相差ψ，所以可以基于包络线的相差通过检出对应于包络线的输入光量从而获得相差ψ。例如，通过分别在包络线内相角范围0-180°、90-270°、180-360°、270-90°部分的积分量，从而获得输入光的量A0’、A1’、A2’和A3’。然后，可以通过用A0’、A1’、A2’和A3’替代公式(2)的A0、A1、A2、A3来获得相差ψ。
通过由具有与调制信号不同频率的本机振荡器信号来控制施加到电极25的电势，从而获得拍频信号，且混和电路由单元13-14构成。当本机振荡器信号被用作保持和复合电子和空穴时，复合之后剩余的电子的数量等效于拍频信号的振幅。因此，可以响应于拍频信号振幅获得对应于接收光的输出。
图8显示了根据本发明第二实施例的配备有光探测元件1的距离探测器。在第二实施例中，对应于输入信号光的目标载流子通过消光期间内输入光和发光期间内输入光之间的差被检出。即，在消光期间仅保持非目标载流子，而在发光期间仅保持目标载流子。因此，不必调整在单元13、14保持的载流子的数量的比率。
第二实施例的元件1包括具有用于检出空穴的合适的结构的第一光敏单元11a，和具有用于检出电子的合适的结构的第二光敏单元11b。当单元11a、11b是PN结型或PIN型光敏二极管时，可以通过反转半导体的导电类型来实现。而且，在MIS结构的情形，可以通过反转半导体的类型和设置施加到栅的电势为不同极性来实现。
在单元11a产生的空穴通过栅极单元38a被保持在单元13，而在单元11b产生的电子通过栅极单元38b被保持在单元14。通过单元38a在单元13保持空穴的时机与通过单元38b在单元14保持电子的时机不同。第二实施例的单元10控制以便选择性地打开单元38a、38b之一。可以通过MOS结构以及第一实施例的栅极27来实现单元38a、38b。第二实施例的单元10可以通过控制施加的电势来选择性地打开单元38a、38b之一。在第二个实施例中，在单元13保持的空穴和在单元14保持的电子在单元15复合，然后，与第一实施例一样，复合之后剩余的载流子通过单元16被检出为目标载流子。
在第二实施例中，与第一实施例相比，省略了开关单元17和除去单元18，并且元件1还包括单元11a、11b和分别对应于单元11a、11b的单元38a、38b。在单元13收集的空穴的数量和在单元14收集的电子的数量由单元13、14、38a、38b调整。因此，单元38a、38b起用于调整在单元13收集的空穴的数量和在单元14收集的电子的数量同时分离电子和空穴的载流子分离单元的作用。
在替代实例中，包括一个光敏单元以产生电子和空穴，并且单元38a、38b被控制以便单元13仅收集来自光敏单元的空穴，而单元14仅收集来自光敏单元的电子。在该结构中，光敏单元由单元13、14共享。
现在解释第二实施例的操作。首先，电子被用作目标载流子。在消光期间，在单元11a、11b仅有环境光被接收。由于不必保持目标载流子，通过分别打开和关闭单元38a和38b从而在单元11a产生的空穴被保持在单元13。在发光期间，通过分别关闭和打开单元38a和38b从而在单元11b产生的电子被保持在单元14。即，单元10打开和关闭单元38a、38b以便与光源2的输出信号光同步。然后，在单元14保持的电子对应于包含环境光和输入信号光的光量。当将“消光期间”∶“发光期间”设置为1∶1，并且将消光期间和发光期间设置为不引起环境光量波动的时间时，在复合之后在单元15仅剩余电子，并且电子的数量代表输入信号光量。
在第一实施例中，由于具有区32、33的区31被单元11和单元13、14共享，单元13、14不能保持在各个由消光期间和发光期间构成的组合期间产生的电子和空穴。因此，当保持在组合期间产生的载流子时，需要在一个消光期间和一个发光期间之后激励载流子的复合以在单元16复合之后积累(累积)目标载流子。另一方面，在第二实施例中，可以通过单元11a、38a、13和单元11b、38b、14的独立的结构，在载流子复合之前单独地累积空穴和电子。可以在多次重复组合期间并且随后分别在单元13和14保持空穴和电子之后来激励在单元15的复合。
而且，在第一实施例中，由于在发光期间产生的非目标载流子涉及输入信号光，目标载流子中部分的分量通过所述分量和目标载流子的复合而消失。因此，目标载流子的数量减小，从而响应输入信号光的灵敏度稍微下降。另一方面，在第二实施例中，激励了在发光期间内产生的目标载流子和在消光期间内产生的非目标载流子之间的复合。因此，当将“消光期间”∶“发光期间”设置为1∶1时，响应于输入信号光产生的目标载流子不通过复合消失。结果，与第一实施例的结构相比，提高了输入信号光的灵敏度。
在光探测元件的替代实施例中，空穴和电子被分别用作目标载流子和非目标载流子。
图9显示了根据本发明第三实施例的光探测元件1。在第三实施例中，与第一实施例相比，省略了单元17、18和区32，并且由将电子从区31吸引到区33来激励空穴和电子的复合。
在第三实施例的元件1中，P型(第一导电类型)元件形成层22形成于P型半导体(例如硅)衬底21的主表面上。表面电极25通过绝缘层24形成于层22的主表面侧，绝缘层是氧化层(例如氧化硅层)。在层24内，控制电极26和栅电极27被埋藏，以便与层22的主表面隔开，而电极26、27沿层22的表面被相互隔开。电极25、26具有半透明性。与第一实施例一样，提供了电荷传输区36。
N性阱区31形成于层22内。在层22内的主表面侧内，形成用作单元13的P型空穴保持区33，以便由区31环绕。区33作为保持区来保持和收集空穴(非目标载流子)。在平面图上，控制电极26的面积小于区33的面积，且电极26的全部底部面对部分的区33。在区33内，面对电极26的区是收集和复合区33a，其起单元14、15的作用，并且区33之外剩余的区是用于暂时分流空穴的分流区。光可以被照射到区31、33，并且通过在光照射时的光激励来产生电子和空穴。如图10所示的电极25总是通过正电压(例如5V)被施加以正电势。在发光期间，电极26通过负电压(例如-3V)被施加负电势，以便在区33中保持空穴。然后，区33保持通过光照射在区31、33之间表面附近产生的空穴，同时区31保持在所述表面附近产生的电子。
通过控制区33的厚度和面积、区31的面积、以及施加到电极26的电势(电压)的关系，在复合时电子的数量可以比空穴的数量大。元件结构由其设计决定，但通过根据施加到电极26的电势调整来在区31保持的电子的数量和在区33保持的空穴的数量，电极26起单元12的作用。由于大多数在区31保持的电子和在区33保持的电子在区31、33产生，所以区31、33作为单元11。
在第三实施例中，适当地调整消光期间、发光期间和施加到电极26的电势，从而与在区33保持的空穴相比，可以在复合之前增加在区31保持的电子的数量。在消光期间产生的电子未被除去，但是可以激励在发光期间内产生的电子和空穴之间的复合，空穴的数量等于或大于在消光期间产生的空穴的数量，而复合时的电子的数量可以比空穴的数量大。简而言之，可以消除环境光的分量同时使得在复合之后剩余电子。图10显示了如上所述的在消光期间和发光期间之后电子和空穴被分别保持在区31和33的状态。
在第三实施例中，对于电子和空穴的复合多次重复了组合控制。组合控制包括如图10所示的用于对电极26施加负电势(例如，-3V电压)的控制和如图11所示的用于对电极26施加正电势(例如，+3V电压)的控制。
复合期间比消光期间和发光期间小得多，其中电势(电压)的极性通过大约2×10-8秒的循环被反转了几次。当将正电势施加到电极26时，空穴从区33a迁移到区33b，而且电子从区31迁移到区33a。在该情形，由于部分的空穴通过界面电势而俘获在区33和层24之间的界面，所以通过与电子复合，俘获的空穴消失。而且，部分的空穴迁移到区33内，以留下以在区33b分流。
由于复合的目的是使空穴消失，需要使在区33b分流的空穴消失。当再次将负电势施加到电极26时，在区33b分流的空穴被吸引到区33a，同时电子主要迁移到区31。通过重复这样的操作多次，区33的空穴可以通过复合而消失。而且，由于在空穴消失的时间点上剩余了部分的电子，可以通过对电极26施加正电势以将剩余的电子吸引到区33a，同时电子可以通过对电极27施加正电势而从区33a迁移到区36。其它的结构和操作与第一实施例基本相同。
在光探测元件的替代实施例中，如图12所示省略了区33a、36之间的区33b，以解决第三实施例的问题。即，在第三实施例中，由于在区33a、36之间的区33b，需要相对高的对于电极27的电势，用来从区33a向区36迁移电子。在图12中，在平面图上，区33b形成为C型或类似“C”的方形。
在光探测元件的另一实施例中，区33b是高浓度区，以便增加区33a、33b之间的空穴迁移率。例如，当区33a为P型区时，区33b被形成为P+型区。
在光探测元件的其它实施例中，如图13A、13B所示的分流控制电极28围绕电极26设置以面对区33b。提供电极28而不是上述的高浓度区。当空穴在区33a、33b之间迁移时，通过控制对区33b的空穴的电势，从而增加了空穴迁移率。由于区33b完全环绕区33a，可以防止空穴流出区31。当电子从区33a迁移到区36时，通过降低对区33b电子的电势可以增加电子迁移率。
图14显示了根据本发明第四实施例的光探测元件1。在第四实施例的元件1中，与第三实施例一样，N型阱区包含作为空穴保持单元13的P型空穴保持区33。提供N型衬底21以取代第三实施例的P型衬底，同时形成N型元件形成层22以取代第三实施例的P型元件形成层22。在衬底21和所述层22之间还形成了P型中间层29，并且被设置为地电势。在空穴保持区33内，与第三实施例一样，面对电极26的区33a是P型区，但是区33包含P+型分流区33b，其掺杂浓度被提高了。
在第四实施例中，没有对应于第三实施例的栅电极27，并且在区31和电荷传输区36之间的距离比第三实施例窄。第四实施例的元件1还包括通过绝缘层24面对区36的传输电极39。区31的电子通过改变施加到电极39的电势(电压)而被传输到区36。电极39与表面电极25电隔离。区26被遮蔽膜37覆盖。
元件1包括如图14所示的多个块，并且各个块沿垂直于图14的平面排列，从而在各个块中两个电极39、39对应一个阱区31。在各个块中，电极39、39之一形成势阱，用于从区31接收电子，同时另一个电极形成势阱，用于从由它们之一形成的势阱接收电子。即，元件1的结构与IT(线间传输)系统的CCD图像传感器的垂直传输寄存器一样。
通过控制施加到衬底21的电势(电压)以及区33的厚度和面积、区31的面积和施加到电极26的电势，从而调整复合时的电子的数量和空穴的数量。
现在解释第四实施例的操作。衬底21和电极25、26被施加正电势或负电势。电极39被施加高正电势、低正电势或负电势。施加到电极39的负电势被用作传输电子，但是与下列操作无关。
首先，解释初始状态。在初始状态中，区31的空穴通过与电子复合而消失，区31的电子被传输到区36，并且其它区的电子通过衬底21被除去或通过复合而消失。即，初始状态是在衬底21、层22(包括层31)和层29中仅存在热平衡状态的电子和空穴的状态。这样的初始状态可以通过利用在第一实施例中所示的区34a、34b和衬底21来实现，以便除去电子和空穴。
接下来，解释初始状态之后的操作。单元10控制光源2等，以便在初始状态之后设置消光期间。在消光期间，电极39被施加低正电势，使得电子和空穴不从区31迁移到区36。
而且，电极25、26和衬底21分别被施加负电势和正电势，以便转变到第一状态。在第一状态，元件1仅接收环境光。因此，在衬底21和层22、29产生的电子和空穴中，电子通过衬底21被除去，而空穴可以向电极25迁移。在这种情形，由于区33包含P型区和P+区，空穴主要在区33收集。结果，区33保持空穴，其数量对应于在消光期间产生的空穴。
当随后消光期间转换为发光期间时，电极25、26和衬底21被分别施加正电势和负电势以便转变到第二状态。在第二状态，大多数区33的空穴在区33b被分流，同时部分的空穴通过界面电势而被俘获在区33和层24之间的界面以在区33a保留。而且，在衬底21和层22、29产生的电子和空穴中，电子向电极25迁移，而空穴通过衬底21被除去。由于区33、除了区33的区31和除了区31的区22中导电类型的差别，在除了区33的区31电子的电势变得最低。因此，区31主要收集对应于环境光和输入信号光的电子，并且部分的电子被提供到与在区33a保留的空穴复合。由于电子的迁移率大于空穴的迁移率，复合在相当短的时间内完成。
在预定时间(即基本完成复合所需的时间)之后，仅施加到电极26的电势的极性被反转为负电势，而维持施加到电极25和衬底21的各个电势以便转变到第三状态。在第三状态，区33不再收集新(其它)空穴，而且区31收集对应于环境光和输入信号光的电子。而且，在区33a收集区33的空穴，而且在除区33外的区31收集电子。因为区33包含P型区和P+型区，并且它们之间的距离短，所以在区33a在相对短的时间内收集空穴。
在预定时间(即基本完成在区33a收集电子所需的时间)之后，仅施加到电极26的电势的极性被反转为正电势，以便转变回第二状态。在第二状态，部分的电子被提供以与由界面电势俘获在区33a和层24之间界面的空穴复合。
在该操作之后，第二状态和第三状态交替重复预定次数(例如2-3次)。预定的次数等效于使在区33剩余的空穴基本消失所需的时间。
在等效于预定次数的时间之后，电极25和39被分别施加负电势和高正电势以便从第三状态转变到第四状态。即，在第四状态，仅施加到电极39的电势于第三状态的电势不同。设置高正电势，使得区31的电子被传输到区36。在区31剩余的电子包括由减小环境光分量和输入信号光的分量中至少减去部分的环境光分量而获得的分量。电子作为信号电荷被检出到区36。
在第四状态之后，光源2熄灭。而电极25、26和衬底21被分别施加负电势和正电势，以便转变回第一状态。其它结构和操作与第三实施例基本相同。
表1显示了在第一到第四状态中施加到各个电极的电势的关系。在表1中，“高-P”是高正电势，并且“低-P”是低正电势。
表1
  状态   期间   表面电极   控制电极   衬底   迁移电极
  第一状态   消光   负   负   正   低-P
  第二状态   发光   正   正   负   低-P
  第三状态   发光   正   负   负   低-P
  第四状态   发光   负   负   负   高-P
在消光期间，仅有第一状态。在发光期间，有第二到第四状态，并且第二和第三状态在第四状态之前重复n次(n＞1)。因此，通过调整消光期间和发光期间的时间或调整施加到各个电极的电势，可以谐调消光期间内在区33收集的空穴的数量和发光期间内在区31收集的电子中等效于环境光的电子的数量。而且，如果需要，可以在发光期间和消光期间之间插入转变回初始状态的操作。
在第四实施例中，通过控制施加到衬底21的电势以及施加到电极25、26的各个电势，可以调整提供到复合的电子的数量和空穴的数量，并且因而易于调整各个电子和空穴的数量。
解释配备有第四实施例的光探测元件1的距离传感器。在该情形，需要控制灵敏度以便获得对应与“A0”到“A3”的光量。表面电极沿垂直于图14的平面排列，并且电极组的各个电极25被施加电势模式。电极组由多个(例如大于3)电极25构成。当电子在第二状态被收集时进行这样的灵敏度控制。例如，在收集等效于“A0”的电子时，施加到电极25的电势被控制在与调制信号同步的定时，使得等效于“A0”的时期内灵敏度变高，而在等效于“A1”至“A3”的时期内灵敏度变低。在第二状态，高灵敏度状态和低灵敏度状态被重复多次。在第二状态之后，在第三状态激励电子和空穴的复合。为了优选地激励复合，第二状态和第三状态被重复多次，但是在第二状态不进行灵敏度控制。在该操作之后，状态转变到第四状态。
在一个实例中，等效于任何“A0”至“A3”的电子通过第二状态的灵敏度控制被收集，并且随后在光源2熄灭之后用于施加用来复合的电势的第二和第三状态被重复。
在另一实施例中，等效于任何“A0”至“A3”的电子通过第二状态的灵敏度控制被收集，并且随后顺序进行第一操作和第二操作。在第一操作中，第二状态和第三状态被重复，同时光源2运行。在第二操作中，第二状态和第三状态被重复而光源2熄灭。
虽然参考特定的优选实施例已经描述了本发明，但是本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可作许多的修改与变化。例如，在第三和第四实施例中，埋层23可以与第一实施例一样形成于区31的底部。

Claims (21)

1.一种在半导体器件内形成的光探测元件，所述光探测元件包括：
用于接收从光源照射的光的光敏单元，所述光敏单元产生电子和空穴，其每种的数量随在所述光敏单元接收的光量而变化；
具有分离控制电极的载流子分离单元，所述载流子分离单元根据施加到所述分离控制电极上的电势的控制来将在所述光敏单元产生的电子和空穴分离为目标载流子和非目标载流子，所述目标载流子是电子和空穴之一，所述非目标载流子是电子和空穴的另一个；
具有复合控制电极的复合单元，所述复合单元根据控制施加到复合控制电极的电势，激励在所述光敏单元发光期间产生的目标载流子和在所述光敏单元消光期间产生的非目标载流子之间的复合，所述发光期间是所述光源的运行期间，所述消光期间是所述光源的熄灭期间；和
输出单元，用于检出在所述复合单元复合之后剩余的目标载流子。
2.根据权力要求1的光探测元件，其中所述载流子分离单元如此调整，使得所述目标载流子数大于所述非目标载流子数，所述目标载流子在发光期间产生，以提供于在所述复合单元的复合；所述非目标载流子在消光期间产生，以提供于在所述复合单元的复合。
3.根据权力要求1的光探测元件，还包括：
目标载流子保持单元，用于收集在所述光敏单元产生的目标载流子，以保持所述目标载流子直至复合；和
非目标载流子保持单元，用于收集在所述光敏单元产生的非目标载流子，以保持所述非目标载流子直至复合；
其中所述复合单元激励在所述目标载流子保持单元保持的目标载流子和在所述非目标载流子保持单元保持的非目标载流子之间的复合。
4.根据权力要求3的光探测元件，其中所述载流子分离单元还包括开关单元，用于除去在所述目标载流子保持单元保持的目标载流子。
5.根据权力要求1的光探测元件，其中所述输出单元具有累积功能，用于累积在所述复合单元复合之后剩余的目标载流子。
6.根据权力要求3的光探测元件，包括：
第一导电类型的元件形成层，所述元件形成层形成于半导体衬底的主表面上；
第二导电类型的阱区，所述阱区形成于主表面侧的所述元件形成层内；
表面电极，所述表面电极形成于所述元件形成层的主表面上，以通过绝缘层至少面对所述阱区，所述表面电极具有半透光性；
第二导电类型的第一保持区，所述第一保持区形成于所述阱区内并且位于所述元件形成层的主表面侧，作为所述目标载流子保持单元；
第一导电类型的第二保持区，所述第二保持区形成于所述第一保持区内并且位于所述元件形成层的主表面侧，作为所述非目标载流子保持单元；
作为所述分离控制电极和复合控制电极的公共控制电极，所述公共控制电极设置以通过所述绝缘层来面对所述第二保持区，所述公共控制电极具有半透明性；
其中：所述光敏单元包括产生电子和空穴的所述元件形成层；并且
所述复合单元包括所述第一保持区和第二保持区的至少一个。
7.根据权力要求6的光探测元件，还包括：
第二导电类型的漏区，所述漏区被提供用来除去来自所述目标载流子保持单元的目标载流子，所述漏区形成于主表面侧在所述元件形成层内，并且接近所述阱区；和
漏电极，所述漏电极通过欧姆耦合以耦合到所述漏区，所述漏电极被施加了电势，以便将来自所述第一保持区的目标载流子分配到所述漏区。
8.根据权力要求3的光探测元件，包括：
第一导电类型的元件形成层，所述元件形成层形成于半导体衬底的主表面上；
第二导电类型的阱区，所述阱区形成于主表面侧在所述元件形成层内，作为目标载流子保持单元；
表面电极，所述表面电极形成于所述元件形成层的主表面上，以通过绝缘层至少面对所述阱区，所述表面电极具有半透明性；
第一导电类型的保持区，所述保持区形成于所述阱区内并且位于所述元件形成层的主表面侧，作为所述非目标载流子保持单元；
作为所述分离控制电极和复合控制电极的公共控制电极，所述公共控制电极设置以通过所述绝缘膜来面对部分所述保持区，所述公共控制电极具有半透明性；
其中：所述光敏单元包括产生电子和空穴的所述元件形成层；并且
所述复合单元包括所述阱区内保持区的内部和外部的至少一个。
9.根据权力要求3的光探测元件，包括：
第二导电类型的元件形成层，所述元件形成层通过第一导电类型的中间层形成于第二导电类型的半导体衬底的主表面；
第二导电类型的阱区，所述阱区形成于主表面侧在所述元件形成层内的，作为所述目标载流子保持单元；
表面电极，所述表面电极形成于所述元件形成层的主表面上，以通过绝缘层至少面对所述阱区，所述表面电极具有半透明性；
第一导电类型的保持区，所述保持区形成于所述阱区内并且位于所述元件形成层的主表面侧，作为所述非目标载流子保持单元；和
作为所述分离控制电极和复合控制电极的公共控制电极，所述公共控制电极设置以通过所述绝缘膜面对部分所述保持区，所述公共控制电极具有半透明性；
其中：所述光敏单元包括产生电子和空穴的所述元件形成层；并且
所述复合单元包括所述阱区内保持区的内部和外部的至少一个。
10.根据权力要求6的光探测元件，还包括：
埋层，所述埋层用于增加所述阱区和所述元件形成层之间的势垒，所述埋层形成于所述阱区的底部；
其中形成所述元件形成层内的阱区，以便从所述衬底分开。
11.根据权力要求8的光探测元件，还包括：
埋层，所述埋层用于增加所述阱区和所述元件形成层之间的势垒，所述埋层形成于所述阱区的底部；
其中形成所述元件形成层内的阱区，以便从所述衬底分开。
12.根据权力要求9的光探测元件，还包括：
埋层，所述埋层用于增加所述阱区和所述元件形成层之间的势垒，所述埋层形成于所述阱区的底部；
其中形成所述元件形成层内的阱区，以便从所述衬底分开。
13.一种权力要求3的光探测元件的控制方法，所述控制方法包括：控制施加到所述分离控制电极的电势以便：
在所述目标载流子保持单元收集所述目标载流子，同时除去所述发光期间的所述非目标载流子；并且
在所述非目标载流子保持单元收集所述非目标载流子，同时除去所述消光期间的所述目标载流子。
14.一种权力要求6的光探测元件的控制方法，所述控制方法包括：
对所述公共控制电极施加电势，用于分别在所述目标载流子保持单元和所述非目标载流子保持单元保持所述目标载流子和非目标载流子；并且随后
改变施加到所述公共控制电极的电势，以便使所述目标载流子单元保持的目标载流子和非目标载流子保持单元保持的非目标载流子中的至少之一迁移，以提供于所述目标载流子和非目标载流子之间的复合。
15.一种权力要求8的光探测元件的控制方法，所述控制方法包括：
对所述公共控制电极施加电势，用于分别在所述目标载流子保持单元和所述非目标载流子保持单元保持所述目标载流子和非目标载流子；并且随后
改变施加到所述公共控制电极的电势，以便使所述目标载流子单元保持的目标载流子和非目标载流子保持单元保持的非目标载流子中的至少之一迁移，以提供于所述目标载流子和非目标载流子之间的复合。
16.一种权力要求9的光探测元件的控制方法，所述控制方法包括：
对所述公共控制电极施加电势，用于分别在所述目标载流子保持单元和所述非目标载流子保持单元保持所述目标载流子和非目标载流子；并且随后
改变施加到所述公共控制电极的电势，以便使所述目标载流子单元保持的目标载流子和非目标载流子保持单元保持的非目标载流子中的至少之一迁移，以提供于所述目标载流子和非目标载流子之间的复合。
17.一种权力要求8的光探测元件的控制方法，所述控制方法包括：
对所述公共控制电极施加电势，用于分别在所述目标载流子保持单元和所述非目标载流子保持单元保持所述目标载流子和非目标载流子；并且随后
多次改变施加到所述公共控制电极的电势，以便激励所述目标载流子和非目标载流子之间的复合，其通过以下方式进行：
使所述目标载流子在所述阱区内的保持区的内部和外部之间来回迁移；并且还
使所述非目标载流子在所述保持区内面对和不面对公共控制电极的部分之间来回迁移。
18.一种权力要求9的光探测元件的控制方法，所述控制方法包括：
对所述公共控制电极施加电势，用于分别在所述目标载流子保持单元和所述非目标载流子保持单元保持所述目标载流子和非目标载流子；并且随后
多次改变施加到所述公共控制电极的电势，以便激励所述目标载流子和非目标载流子之间的复合，其通过以下方式进行：
使所述目标载流子在所述阱区内的保持区的内部和外部之间来回迁移；并且还
使所述非目标载流子在所述保持区内面对和不面对公共控制电极的部分之间来回迁移。
19.一种权力要求8的光探测元件的控制方法，所述控制方法包括：
控制施加到所述表面电极、公共控制电极和衬底的每个的电势，以便：
在所述消光期间内在所述保持区收集所述非目标载流子，同时除去所述目标载流子；并且还
在所述发光期间内在所述保持区收集目标载流子，同时除去所述非目标载流子。
20.一种权力要求9的光探测元件的控制方法，所述控制方法包括：
控制施加到所述表面电极、公共控制电极和衬底的每个的电势，以便：
在所述消光期间内在所述保持区收集非目标载流子，同时除去所述目标载流子；并且还
在所述发光期间内在所述保持区收集目标载流子，同时除去非目标载流子。
21.一种权力要求14的光探测元件的控制方法，所述控制方法包括：
在所述发光期间用于收集所述目标载流子的状态和在所述消光期间收集所述非目标载流子的状态，反转施加到所述表面电极和所述公共控制电极的电势与施加到所述衬底的每个电势之间的极性；
在所述发光期间和消光期间至少之一中在用来激励所述目标载流子和非目标载流子之间的复合的状态，多次反转施加到所述公共控制电极的极性；并且
检出在所述复合之后在所述阱区剩余的所述目标载流子。
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