TW202243462A - 具有永耗盡光二極體的深度影像感測器 - Google Patents

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Abstract

揭示了關於在ToF深度影像感測器中使用永耗盡光二極體的實例。一個實例提供了一種操作深度影像感測器的像素的方法，方法包含在像素的光電荷產生區域中接收光子，像素的光電荷產生區域包含藉由包含p摻雜或n摻雜中的一者的摻雜的第一區域及包含p摻雜或n摻雜中的另一者的更輕微摻雜的第二區域形成的永耗盡光二極體。方法進一步包含，在整合階段期間，激勵像素分接頭的時鐘閘極，藉此將在光電荷產生區域中產生的光電荷引導至包含電容器的像素內儲存器，並且在讀出階段中，從像素內儲存器讀出電荷。

Description

具有永耗盡光二極體的深度影像感測器
本揭示係關於具有永耗盡光二極體的深度影像感測器。
飛行時間(time-of-flight; ToF)照相機藉由量測光在照相機與物體之間的往返行進時間來決定深度。在一些ToF照相機中，時間調變的照明光信號照明一場景，並且影像感測器像素擷取反射的照明光的資訊，由此為每個像素計算距離值。
揭示了關於在ToF深度影像感測器中使用永耗盡光二極體的實例。一個實例提供了一種操作深度影像感測器的像素的方法，方法包含在像素的光電荷產生區域中接收光子，像素的光電荷產生區域包含藉由包含p摻雜或n摻雜中的一者的摻雜的第一區域及包含p摻雜或n摻雜中的另一者的更輕微摻雜的第二區域形成的永耗盡光二極體。方法進一步包含，在整合階段期間，激勵像素分接頭的時鐘閘極，藉此將在光電荷產生區域中產生的光電荷引導至包含電容器的像素內儲存器，並且在讀出階段中，從像素內儲存器讀出電荷。
提供此概述來以簡化形式引入將在下文實施方式中進一步描述的概念選擇。此概述不意欲識別要求保護的標的的關鍵特徵或必要特徵，亦不意欲用於限制要求保護的標的的範疇。此外，要求保護的標的不限於解決在本揭示的任何部分中提及的任何或所有缺點的實施方式。
飛行時間(ToF)照相機基於藉由飛行時間照明器時間調變的所接收光信號的相位來針對照相機的影像感測器的每個可定址像素來決定對象的深度（從對象到像素的距離）。所接收光信號在像素區域中產生光電荷，藉此產生電荷信號。ToF感測器與調變的照明源同步地調變像素回應以在整合週期期間將電荷引導至像素的不同分接頭。全域擋門機制可用於同時調變整個像素陣列。在時間調變的光信號的複數個不同相位處取樣資料，並且使用針對在取樣的每個照明階段處的每個像素分接頭獲取的信號來決定每個像素的深度值。
調變像素回應包含調變像素中的一或多個時鐘閘極的電壓偏壓，以將光電荷交替地引導至相應像素分接頭的像素內儲存器。產生光電荷，作為半導體材料中的電子-電洞對。在一些深度影像感測器中，在像素的光電荷產生區域中的半導體材料可以經配置為高電阻率材料以抑制光電子-電洞重組。在此種像素中，時鐘閘極在足以將光電荷運輸到對應調變週期中的像素內儲存器的偏壓下操作。使用過低偏壓可導致較慢傳輸，歸因於當切換像素分接頭極性時光電荷遷移至錯誤像素分接頭，該較慢傳輸可以危害調變對比度。
深度影像感測器可以整合到電池供電的可穿戴裝置中。由於此種裝置經常使用電池作為電源供應器，深度影像感測器的較低功率操作可以有助於延長在電池充電之間的時間。然而，可能難以實現ToF照相機功率節省且沒有不當折衷。例如，如上文提及，使用相對較高的偏壓擺動以實現高電阻率半導體材料中的較快電子傳輸以功率效率為代價來增加調變對比度及距離準確性。相反地，以較小偏壓擺動操作像素可以以調變對比度減小為代價來實現功率成本節省。歸因於熱耗散考慮，功率效率在較小的像素大小（較小的像素節距）下可能是更大的問題。
降低功耗的一個選項係在光電荷產生區域中採用低電阻率半導體。然而，使用較低電阻率材料可導致迅速的光電子-電洞重組，從而導致不當的信號強度損失。增加照明裝置功率輸出以進行補償可抵消像素中的任何此種功率節省。另外，即使在不存在可增加暗電流的光的情況下，在較高電壓下進行操作在光二極體或光閘極接面處產生電子-電洞對，該暗電流可能影響訊雜比。
降低功率消耗的另一策略係選擇性操作ToF像素的子集而非在深度影像感測器上的像素的整個陣列，並且將照明光選擇性引導至成像的場景中的對應區域，而非廣泛地跨場景引導。然而，光電荷可以在ROI外部的像素中累積並且擴散或「模糊」到ROI內部的像素中，因此添加信號雜訊並且降低調變對比度。
由此，揭示了關於包含永耗盡光二極體的深度影像感測器像素的實例。永耗盡光二極體包含p摻雜或n摻雜中的一者的摻雜的第一區域、及位於第一區域內的p摻雜及n摻雜中的另一者的更輕微摻雜的第二區域。歸因於熱誘發的電荷擴散及在正常操作溫度（例如，0℃至80℃）下發生的漂移，在更重度摻雜的第一區域與更輕微摻雜的第二區域之間的所得p-n接面在更輕微摻雜的第二區域內產生永耗盡區域。因此，產生實質上或完全穿過像素的深度延伸的永久電場。電場有助於在不使用較高電阻率的半導體材料的情況下分離光產生的電子-電洞對，並且藉此在不犧牲調變對比度的情況下允許較低功率操作。另外，在一些實例中，包含永耗盡光二極體的ToF像素可在較低功率模式下選擇性操作用於功率節省，或在較高功率模式下選擇性操作以提供較高的像素內儲存容量（或較高「全阱容量」）及較高的調變頻率。
如上文提及，可以操作ToF影像感測器以僅對關注區域成像，照明光被朝向該關注區域選擇性引導。在此種實例中，從關注區域外部的像素到關注區域內的像素中的光電荷的模糊可以影響調變對比度。因此，亦揭示了利用水平抗模糊閘極及垂直抗模糊閘極來從關注區域外部的像素排出光電荷的實例。
在詳細論述此等實例之前，第1圖圖示了包含ToF照相機的示例深度影像感測器100的態樣。術語「照相機」在本文中代表具有至少一個光學孔徑及經配置為成像場景102或對象的感測器陣列的任何成像部件。深度影像感測器100包括整合到半導體晶粒（諸如矽晶粒）中的獨立可定址像素106的感測器陣列104。如下文更詳細描述，像素106包含永耗盡光二極體(always-depleted   photodiode; ADP)。在一些實施方式中，像素可係互補金屬氧化物半導體(complementary  metal-oxide  semiconductor; CMOS)元件，但亦設想其他適宜架構。每個像素可回應於寬波段上的光，儘管此舉並非必需。為了簡便，示意性示出了具有二十五個獨立可定址像素106的感測器陣列104，但可使用任何適宜數量的像素106。
在一些實施方式中，感測器陣列104的像素106可係差分像素。每個差分像素可包括根據不同時鐘信號激勵的不同收集終端（「分接頭」）。在一個實例中，為了使用兩個分接頭量測調變的照明光，實質上互補的兩個時鐘信號（例如，兩個時鐘信號具有相位相差180度的50%的工作循環）可以用於控制分接頭。在其他實例中，兩個不同的時鐘信號可具有不同關係，諸如用於量測周圍照明或非調變的主動照明。在不包括不同像素的感測器陣列的其他照相機實施方式中，額外時鐘循環可用於執行差分量測。儘管差分像素可以提供優點，但可使用包括非差分感測器陣列的其他類型的感測器陣列。
微透鏡陣列108視情況可在感測器陣列104上方佈置。微透鏡陣列108包括複數個微透鏡元件110。微透鏡陣列108的每個微透鏡元件110可配準到感測器陣列104的像素106。當包括在內時，微透鏡陣列108可在像素的每一者處提供較大的有效填充因數，用於增加的收集效率及降低的像素之間的串擾。
ToF照明器112經配置為選擇性發射主動光以照明場景102。在一個實例中，ToF照明器112包括經配置為發射IR光的IR雷射。在一些實例中，ToF照明器112視情況可包括覆蓋ToF照明器112的照明場的擴散器。深度量測可使用IR光進行，包括近紅外(NIR)光、遠紅外(FIR)光、或任何其他適宜波長。儘管未在第1圖中圖示，但深度影像感測器視情況可包括帶通濾波器，用於將到達像素106的電磁頻譜的部分限制為藉由ToF照明器112發射的電磁頻譜的部分。
在其他實例中，ToF照明器112可經配置為發射在可見譜帶中的主動照明光。在一些實例中，ToF照明器112可包括寬頻照明源，諸如白光源。另外，在一些實例中，ToF照明器112可包括複數個光譜照明器（例如，LED）。在一些此種實例中，複數個光譜照明器可經配置為發射相同譜帶中的主動照明，儘管此舉並非必需。
在一些實例中，ToF照明器112包含經配置為選擇性發射具有窄場的主動照明光的可轉向照明源，該窄場的大小經調節為照明場景102中的一或多個照明區域。另外，可轉向照明源包含經配置為轉向主動照明光122的轉向元件113，該主動照明光從可轉向照明源發射以獨立地主動照明在藉由感測器陣列104觀察的場景102中的複數個目標照明區域124的不同照明區域（例如，區域124a）。此種區域化佈置產生具有與感測器陣列104的視野相比更小的角度範圍的照明光，並且藉此相對於全場成像，對於相同的照明峰功率可提供更大的功率密度。照明區域可經配置為任何適宜大小，該大小小於藉由感測器陣列104觀察的場景的整個視野。任何適宜數量的照明區域可用於共同覆蓋感測器陣列104的視野。另外，感測器陣列的任何適宜數量的像素可映射到每個照明區域。
轉向元件113可包括任何適宜機械、電光、微機電系統(micro-electro-mechanical-system; MEMS)、電潤濕稜鏡部件、及/或經配置為適宜地轉向從可轉向照明源發射的主動照明以照明指定的照明區域的其他轉向部件。在一些實例中，轉向元件113可包含為機械轉向部件提供以轉向主動照明光來照明場景102中的照明區域的可移動反射鏡。在其他實例中，轉向元件113可包含折射透鏡（例如，菲涅耳透鏡、稜鏡透鏡等），該折射透鏡基於輸入光的橫向位置來在不同方向上引導或轉向光。在另外的實例中，轉向元件113可包含為光電轉向部件提供的可切換極化光柵。在又一些實例中，轉向元件113可包含為藉由電潤濕轉向溶液（電潤濕部件）轉向提供的液晶透鏡系統（例如，一對液晶透鏡）。在一些此種實例中，液晶透鏡可係在液晶中懸浮的微透鏡的陣列，該陣列可以經電氣調節以轉向光。
在一些實施方式中，ToF照明器112視情況可包括一或多個光學元件114。例如，光學元件114可包括準直元件、擴散元件、及聚焦元件中的一或多者。準直元件可操作為將從ToF照明器112發射的光準直為經準直光。擴散元件可操作為擴散從ToF照明器112發射的光，藉此將經準直光轉換為具有期望分佈（例如，均勻或高斯功率分佈）的經擴散光。聚焦元件可操作為在指定的焦距下聚焦經擴散光。此種指定的焦距可基於應用或任何其他適宜因素來選擇。在一些實施方式中，可從ToF照明器112中省去任何或全部此等光學元件。
電子控制器116可包括邏輯機器118及儲存機器120。儲存機器可保存導致邏輯機器執行本文揭示的任何操作、演算法、計算、或變換的指令。在一些實施方式中，邏輯機器可採取特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit; ASIC)或晶片上系統(system-on-a-chip; SoC)的形式，其中一些或全部指令係硬體或韌體編碼的。電子控制器116可操作地連接到感測器陣列104、ToF照明器112、及/或轉向元件113。在一些實例中，電子控制器116包括ToF控制器機器及/或輸出機器，該機器可實施為分離的實體硬體及/或韌體部件或整合到單個硬體及/或韌體部件中。
電子控制器116經配置為重複地啟動ToF照明器112並且同步地定址感測器陣列104的像素106以獲取IR影像。從ToF照明器112發射的主動光信號可以不同的調變頻率進行時間調變以用於不同的影像擷取。在所示出的實例中，電子控制器116啟動ToF照明器112以用調變的IR光122照明場景102並且同步地定址感測器陣列104的像素。IR光122’從場景102反射回到照相機100。反射的IR光122’經過接收光學器件並且入射在感測器陣列104的像素上以提供量測。例如，量測可係從對象反射回到像素的主動IR光的強度量測。在所示出的實例中，IR光122’藉由感測器陣列104的像素106量測，因此提供可與照相機的配置的知識一起使用的相位資訊來決定場景102的軌跡的世界空間位置。
在一些實例中，電子控制器116控制轉向元件113以朝向照明區域124轉向主動光122。因此，從照明區域124中的對象反射的光122’經過在130處示意性指出的接收光學器件，並且入射在關注區域(ROI) 126內的像素上。如下文關於第9圖論述，電子控制器116可選擇性操作ROI 126內的像素以決定像素的深度值，同時操作ROI 126外部的像素以排出光電荷來防止模糊。在一些實例中，ROI深度成像可以跨複數個照明區域執行（例如，藉由穿過ROI掃描）以產生全陣列深度影像。在其他實例中，ROI深度成像可以依需求執行，其中ROI經由單色或RGB照相機影像的強度改變來識別。作為實例，此種影像可經由分離的照相機或經由在被動模式下操作的深度影像感測器100獲取。
電子控制器116經配置為基於複數個擷取的IR影像來產生深度影像128。術語「深度影像」代表配準到成像場景的對應區域（X i，Y i）的獨立可定址影像像素的陣列，其中針對每個影像像素，深度值Z i指示對應區域的深度。「深度」定義為與照相機的光軸平行的坐標，該坐標隨著距照相機的距離增加而增加。術語「深度視訊」可以用於代表深度影像的時間解析序列。電子控制器116經配置為輸出深度影像128。
基於感測的向後反射光的相位偏移來計算像素的深度或距離值。深度決定的品質可取決於影像感測器的量子效率(quantum efficiency; QE)（定義為每個入射光子產生的電子的數量），並且取決於在分接頭之間的信號對比度，亦已知為解調對比度。如上文提及，當前ToF像素可在光電荷產生區域中利用高電阻率材料來阻止電子-電洞重組，並結合使用相對較大的電壓偏壓擺動地以實現足夠的解調對比度。然而，與相對較小的偏壓擺動相比，相對較大的偏壓擺動可增加功率消耗。
因此，如上文提及，永耗盡光二極體可以用於提供分離電子-電洞對的電場，藉此允許與較低電阻率的半導體材料結合地使用較小偏壓擺動。
第2圖圖示了包含永耗盡光二極體(ADP) 202的示例ToF像素200的電氣示意圖。ToF像素200包括兩個像素分接頭，本文指示為分接頭201A及分接頭201B。在其他實例中，ToF像素可包括任何其他適宜數量的分接頭，包括單個分接頭或多於兩個分接頭。ToF像素200進一步包括水平抗模糊閘極(AB_hor) 230及垂直抗模糊閘極(AB_ver) 232。
每個像素分接頭包括經配置為在整合週期期間將電荷從ADP 202引導至相應像素分接頭的時鐘閘極CLK_A 204a、CLK_B 204b。在整合週期期間，時鐘閘極204a及204b彼此異相調變。每個像素分接頭進一步包括偏壓閘極BIAS_A 206a、BIAS_B 206b及像素內儲存電容器CAP_A 208a、CAP_B 208b。電容器208a、208b經配置為接收及儲存在整合週期期間經由對應時鐘閘極204a、204b收集的電荷，並且因此在整合期間用作像素內儲存器。偏壓閘極206a及206b可操作為在整合期間將電荷引導至電容器208a及208b，並且在不同於整合的其他操作階段期間防止電荷從電容器208a、208b回流。在整合之後並且在讀出期間，經由轉移閘極212a、212b的操作將在電容器208a、208b上儲存的電荷轉移到相應的浮動擴散(floating diffusion; FD)電容器210a、210b。讀取每個FD電容器210a、210b上的電荷作為跨對應源跟隨器閘極214a、214b的電壓，藉此為彼像素分接頭提供類比電壓信號。控制器隨後經由重置閘極216a、216b （RG_A、RG_B）排出電荷。ToF像素200進一步包括可操作以選擇用於讀出的分接頭的選擇閘極218a、218b（READ_A、READ_B）。
在一些實例中，兩個或多個像素可以共享讀出電路。第3圖圖示了ToF影像感測器的電氣示意圖，其中兩個像素300、350的分接頭共享公共讀出電路系統。更特定地，ToF像素300、350各自包含ADP 302、352，及「A」像素分接頭301A、351A，其中每個「A」像素分接頭包含時鐘閘極、偏壓閘極、像素內儲存器、及轉移閘極。ToF像素300、350進一步各自包含「B」像素分接頭301B、351B，每個「B」像素分接頭具有與「A」像素分接頭相同的部件。兩個「A」像素分接頭301B、351B共享讀出電路系統304b，而兩個「B」像素分接頭301B、351B共享讀出電路系統304b。因此，來自分接頭301B或351B的光電荷可在收集節點306b (BITLINE_A)處讀出。同樣，來自分接頭301B或分接頭351B的光電荷可在收集節點306b (BITLINE_B)處讀出。
第4A圖圖示了包含ADP的示例ToF像素400的剖面圖，該ADP包括P-N接面402。像素400係第2圖的像素200的示例實施方式。可以控制像素400以在整合週期期間在像素分接頭處調變電壓來獲取深度影像。在整合週期期間，交替激勵時鐘閘極404a、404b以經由偏壓閘極將電荷引導至對應的像素內儲存電容器。
像素400包含半導體晶粒的摻雜的第一區域410、及在摻雜的第一區域410內形成的更輕微摻雜的第二區域412。摻雜的第一區域410包含與更輕微摻雜的第二區域412不同的摻雜。在一些實例中，摻雜的第一區域410可包含p摻雜（例如，B摻雜的Si），而更輕微摻雜的第二區域412包含n摻雜（例如，As或P摻雜的Si）。或者，ToF像素可包含具有更輕微p摻雜的第二區域的n摻雜的第一區域。更輕微摻雜的第二區域412可包含在小於摻雜的第一區域410的數量級上的摻雜劑濃度。例如，在更輕微摻雜的第二區域412中的摻雜劑濃度可係小於10 16摻雜劑原子/cm 3、或甚至小於10 14摻雜劑原子/cm 3，而在摻雜的第一區域410中的摻雜劑濃度可係兩倍高或更大（例如，10x、100x、或1000x更大）。在一些實例中，在摻雜的第一區域410中的摻雜濃度大於10 17摻雜劑原子/cm 3。
入射在像素400上的光在區域410及412中產生光電荷（電子/電洞對）。在產生之後，電子-電洞對可重組，或可分離並且變成整合的光電荷。如上文提及，ToF像素400包含跨ADP的P-N接面402的電場。引力場的體積及量值隨著藉由P-N接面402產生的永耗盡區域的體積變化。在一些實例中，像素可經配置為使得P-N接面穿過像素的厚度（例如，在第4A圖中從頂部到底部）延伸以藉此驅動從光電荷產生區域內的所有區域的光電荷傳輸。參見第4B圖，圖形442圖示了沿著第4A圖的線440的像素400的示例模型化靜電位。此模型係基於其中包含p阱及輕微n摻雜的區域的像素400，並且對於其中具有輕微p摻雜的區域的n阱將具有相反極性。靜電位從主體（後）側到電晶體（前）側增加。因此，歸因於此電場，在ADP中產生的光電子朝向時鐘閘極遷移。在電晶體側處的靜電位的降低表示分隔區416。沿著線440的垂直電場由圖形444表示。在第4C圖中，圖形444描繪了在大部分摻雜的第一區域及更輕微摻雜的第二區域中的相對強的電場。再者，電晶體側附近的場強度的更突然改變表示分隔區416的邊緣。
返回到第4A圖，在一些實例中，像素400進一步包含在像素400的電晶體側處設置的淺溝槽隔離(shallow trench isolation;  STI)區域414a、414b，及/或在更輕微摻雜的第二區域412內並且在時鐘閘極404a與時鐘閘極404b之間設置的分隔區416。由於調變了相對偏壓，分隔區416可有助於減少從一個時鐘閘極到另一個時鐘閘極傳遞未擷取的光電荷。分隔區416包含與更輕微摻雜的第二區域412不同的摻雜。
在一些實例中，深度影像感測器亦包括深溝槽隔離(deep trench isolation; DTI)區域420，該等深溝槽隔離區域包含在像素之間設置的介電材料。DTI區域420可以有助於防止光學串擾（歸因於全內反射）並且亦防止在相鄰像素之間的電氣串擾（歸因於光電荷擴散）。DTI區域420各自包含蝕刻到像素陣列中的溝槽。在一些實例中，氧化物鈍化層可以在蝕刻的溝槽的壁上沉積以鈍化蝕刻損壞。此舉可有助於避免當退火用於修復蝕刻損壞時可以出現的摻雜劑的不當的擴散。DTI區域420進一步包含高介電常數介電材料（例如，含Ta及/或含Hf材料）。在具有p阱及更輕微n摻雜的區域的像素形成永耗盡電荷收集區域的情況下，高介電常數介電質可經選擇以在蝕刻壁附近形成固定的負電荷，該負電荷吸引在Si半導體晶粒中的電洞，並且因此有助於減少暗電流。
第5A圖至第5B圖示出了在相對較低功率的「電荷傳遞」模式下的ToF像素（諸如像素200或像素400）的示例操作。第5A圖圖示了示例時序圖500，並且第5B圖示意性示出了像素中的電位並且亦示出時序圖500中的各個階段處的電荷流動。為了簡便，第5B圖中的電位圖僅表示一個分接頭通道並且僅包括一個抗模糊閘極。另外，y軸表示電壓。第5A圖及第5B圖的描述係在輕微n摻雜的區域的上下文中。然而，將理解，描述可以適用於n阱中的輕微p摻雜的區域，其中具有對信號極性的適當調節。
時序圖500示出了非整合階段502、整合階段504、抗模糊階段506、及讀出階段508。在非整合階段中，時鐘閘極A及時鐘閘極B未經調變，而是保持在相對較低的電壓下，藉此將對光電子施放電位障並且防止光電子到達任一像素分接頭。另外，抗模糊閘極(AB)保持為高的以排出在非整合週期期間藉由ADP產生的光電子，並且偏壓閘極(BIAS)及儲存電容器(CAP)保持為低的。此階段在第5B圖的電位圖510處示出，該電位圖圖示了經由抗模糊閘極及重置閘極排出到V dd的電荷。
整合階段504藉由電位圖520示出。在整合階段中，交替地激勵時鐘閘極以將光電子引導至相應儲存電容器(CAP)（例如，第2圖的CAP_A及CAP_B），該等儲存電容器切換為高的以儲存光電子。同樣，抗模糊閘極切換為低的以避免經由抗模糊閘極排出光電子。如第5B圖所示，於520，時鐘閘極(CLK)的調變交替地防止並且允許光電子跨偏壓閘極(BIAS)轉移到儲存電容器(CAP)。在兩個分接頭的像素中，當一個時鐘閘極係高時，另一時鐘閘極係低的。在整合階段504結束時，來自所有調變循環的整合的電荷保持在儲存電容器(CAP)處用於相應像素分接頭。可在整合階段期間使用任何適宜數量的循環。如上文論述，與在沒有ADP的情況下使用較高的電阻率的半導體材料的像素中相比，歸因於藉由P-N接面產生的內置電場，在整合階段504期間的相對CLK偏壓改變可係相對小的。相對較小的偏壓改變可導致較低的功率消耗。
在藉由第5B圖的電位圖530表示的抗模糊階段506期間，激勵抗模糊閘極以從ADP排出光電子。此外，減小轉移閘極(TX)的偏壓以提供FD電容器上的電壓餘量。然而，偏壓閘極電位保持輕微高於轉移閘極電位。此外，時鐘閘極及偏壓閘極在抗模糊階段期間關閉，從而減小其電位以在此階段期間防止從ADP收集光電子。
在藉由電位圖540表示的讀出階段508期間，減小重置閘極的偏壓，並且整合的光電荷藉由降低施加到儲存電容器的偏壓來轉移，藉此將電荷轉移到FD電容器。可激勵抗模糊閘極以在此階段期間從ADP排出光電子。
第6A圖至第6B圖示出了在相對較高功率的「電荷泵送」模式下的ToF像素（諸如像素200或像素400）的示例操作。與第5A圖至第5B圖的「電荷轉移」模式相反，第6A圖及第6B圖的電荷泵送模式可提供較快的調變頻率及較高的調變對比度，但亦可消耗更多功率。為了簡便，第6B圖中的電位圖僅表示一個分接頭通道並且僅包括一個抗模糊閘極。
時序圖600示出了非整合階段602、整合階段604、抗模糊階段606、及讀出階段608。非整合階段604藉由電位圖610示出。在非整合階段中，時鐘閘極A及時鐘閘極B未經調變，而是保持在相對較低的電壓下，藉此將對光電子施放電位障並且防止光電子到達任一像素分接頭。與之前一樣，抗模糊閘極(AB)保持為高的以排出在非整合週期期間藉由ADP產生的光電子，而偏壓閘極(BIAS)及儲存電容器(CAP)保持為低的。經由AB及重置閘極(RESET)將電荷排出到V dd。
整合階段604藉由電位圖620示出。在整合階段中，交替地激勵時鐘閘極以將光電子引導至相應儲存電容器(CAP)。將電容器偏置為高的以儲存光電子，並且將抗模糊閘極偏置為低的以避免排出光電子。如第6B圖所示，於620，時鐘閘極的調變交替地從ADP引出光電子以在時鐘閘極處俘獲光電子並且隨後跨偏壓閘極將累積的光電子「泵送」到電容器中。在整合階段604結束時，來自所有調變循環的整合的電荷保持在相應像素分接頭的儲存電容器處。當保持為高時，與電位圖520中示出的「電荷轉移」模式的整合階段相比，在CLK與ADP之間的相對大的電位差產生較強電場。如上文論述，較高的電場可較佳地吸引電荷並且實現較大的調變對比度。
在藉由第6B圖的電位圖630表示的抗模糊階段606期間，激勵抗模糊閘極以從ADP排出光電子。時鐘閘極及偏壓閘極的電位在抗模糊階段期間減小以防止在此階段期間從ADP收集電子。
在藉由電位圖640表示的讀出階段608期間，減小重置閘極的偏壓，並且整合的光電子藉由降低施加到儲存電容器的偏壓來轉移，藉此將電荷轉移到FD電容器。可激勵抗模糊閘極以在此階段期間從ADP排出光電子。
在一些ToF成像應用中，較高動態範圍可係照相機的像素所期望的。ToF像素的動態範圍隨著像素的全阱容量變化。因此，第7圖示意性圖示了包含對應於每個像素分接頭的電位障730a、730b的示例ToF像素的剖面圖。電位障730a、730b允許像素700具有與像素200及400相比較高的全阱容量。像素700係第2圖的像素200的另一示例實施方式。
類似於像素200及400，像素700包含p摻雜及n摻雜中的一者的摻雜的第一區域710、及在摻雜的第一區域內形成的p摻雜及n摻雜中的另一者的更輕微摻雜的第二區域712，從而在其間形成P-N接面702及在更輕微摻雜的第二區域712內形成永耗盡區域。如上文論述，所得電場促進分離電子-電洞對及在像素內傳輸光電荷。在時鐘閘極704a、704b處收集的光電荷經由偏壓閘極轉移到像素內儲存器。在一些實例中，如上文論述，像素700進一步包含在像素700的電晶體側處設置的STI區域714a、714b，DTI區域720，及/或分隔區716。在其他實例中，可省去一或多個此等特徵。
如在第7圖中看到，阻障730a、730b在鄰近其相應時鐘閘極704a、704b並且與該時鐘閘極隔開的更輕微摻雜的第二區域內定位。阻障可包含與摻雜的第一區域710相同的摻雜。包括阻障730a、730b可藉由使得能夠產生電位障（亦即，下文關於第8B圖論述的電位障812）而實現較高動態範圍。在整合階段期間，類似於上文描述的「電荷泵送」模式，當去激勵時鐘閘極時發生電荷轉移到儲存電容器(CAP)。然而，與第6A圖至第6B圖相比，由於阻障730a、730b含有靠近時鐘閘極的電荷，像素700使得能夠使用相對較低的時鐘電壓。另外，防止藉由阻障730a、730b處的電位將在電荷轉移之後時鐘閘極處的剩餘電荷排放回到ADP。如下文論述，由於電容器的儲存容量不受ADP電位限制，與像素400相比，此舉可以提供較大全阱容量。
第8A圖至第8B圖示出了ToF像素700的示例操作。第8A圖圖示了示例時序圖800，並且第8B圖示意性示出像素中的電位並且亦示出在時序圖800的各個階段處的電荷流動。第8A圖及第8B圖的描述係在更重度摻雜的p區域內的更輕微摻雜的n區域的上下文中，但可藉由根據時序圖適當地改變施加到各種部件的偏壓來在更重度摻雜的n區域內施加輕微摻雜的p區域。
時序圖800示出了非整合階段802、整合階段804、抗模糊階段806、及讀出階段808。在非整合階段中，時鐘閘極A及時鐘閘極B未經調變，而是保持在相對較低的電壓下，藉此防止在像素內儲存器處儲存光電子。另外，抗模糊閘極(AB)保持為高的以排出在非整合週期期間藉由ADP產生的光電子，並且偏壓閘極(BIAS)及儲存電容器(CAP)保持為低的。此階段在第8B圖的電位圖810處示出，該電位圖圖示了在此階段期間經由抗模糊閘極及重置閘極排出到V dd的電荷。電位障812亦經由其相應時鐘閘極保持在相對低的偏壓下。
整合階段804藉由電位圖820示出。在整合階段中，交替地激勵時鐘閘極(CLK)以將光電子引導至相應儲存電容器(CAP)，該等儲存電容器切換為高的以儲存光電子。藉由用其相應時鐘閘極（例如，第7圖的時鐘閘極704a、704b）激勵阻障（例如，第7圖的阻障730a、730b）來為每個分接頭形成電位障812，藉此降低阻障，使得ADP中的光電子藉由時鐘閘極轉移到相應分接頭中。抗模糊閘極切換為低的以避免經由抗模糊閘極排出光電子。如第8B圖所示，於820，時鐘閘極(CLK)的調變交替地從ADP引出光電子以在時鐘閘極中累積並且跨偏壓閘極將累積的光電子「泵送」到電容器中。當將時鐘閘極調變為低時，電勢障812防止光電子回流到ADP，並且替代地將流引導至CAP。在整合階段804結束時，來自所有調變循環的整合的電荷保持在儲存電容器處用於相應像素分接頭。與第5B圖及第6B圖相比，轉移閘極(TX_A&B)的電位可在所有階段中保持為低的。
與第6B圖的電位圖620相比，偏壓閘極的電位保持低於電位圖820中的ADP電位。在此方案中，經由電位障（例如，第7圖的阻障730a、730b）防止光電子回流。在時鐘閘極調變期間的光電子流動藉由電位圖820中的箭頭表示。當時鐘閘極為高時，電位障藉由時鐘閘極降低以允許光電子從ADP流動來在時鐘閘極處累積。當時鐘閘極為低時，在時鐘閘極處累積的光電子經由偏壓閘極轉移到電容器，而電位障防止光電子回流到ADP。由於偏壓閘極的電位可以保持低於在整合階段804期間的ADP電位，電容器的儲存容量增加。此儲存容量增加822藉由虛線之間的差表示。
在藉由第8B圖的電位圖830表示的抗模糊階段806期間，激勵抗模糊閘極以從ADP排出光電子。此外，時鐘閘極及偏壓閘極在抗模糊階段期間關閉，從而減小其電位以在此階段期間防止從ADP收集光電子。
在藉由電位圖840表示的讀出階段808期間，減小施加到重置閘極的偏壓，並且整合的光電荷藉由降低施加到儲存電容器的偏壓來轉移，藉此將電荷轉移到FD電容器。可激勵抗模糊閘極以在此階段期間從ADP排出光電子。
如上文提及，一些ToF照相機可經配置為成像關注區域(regions of interest; ROI)。在此種照相機中，將照明光引導至關注區域而非照相機的整個視野，並且影像感測器使用映射到關注區域的像素的子集而非利用所有像素進行感測。第9圖示意性示出映射到ROI的像素902。例如，像素902可表示在第1圖的深度影像感測器100中的ROI 126中的像素。在所示的實例中，出於說明目的，像素陣列900包含六十四個像素並且ROI像素902包含九個像素，並且將理解，像素陣列及陣列內的ROI可各自包含任何數量的像素。
可如上文描述控制映射到ROI的像素902，例如，作為實例，藉由時序圖500、時序圖600、及時序圖800的任一者來控制。因此，深度影像感測器的控制器獲得ROI像素902的每個像素的深度值。然而，在ROI外部，激勵水平抗模糊(AB)閘極及垂直AB閘極以在整合期間排出光電荷。在此實例中，水平AB閘極沿著列連接，而垂直AB閘極沿著行連接。例如，控制行控制彼行中的每個像素的AB閘極。因此，不控制對應於ROI的行中的垂直AB閘極以排出光電荷。同樣，不控制對應於ROI的列中的水平AB閘極以排出光電荷。使用行及列AB閘極兩者允許針對ROI外部的所有像素操作AB閘極。
在一些實例中，深度影像感測器可經配置為在ROI深度影像擷取模式下全時間操作。在其他實例中，深度影像感測器可在ROI擷取模式下依須求操作。在任一情況下，由於像素分接頭調變僅在像素的子陣列內發生，使用ROI成像模式可有助於節省裝置功率。另外，在照明源經配置為照明對應於ROI的子視野的情況下，可在子視野中使用較高強度的照明。此舉可增加反射光122’的強度，藉此有助於較強的訊雜比。
第10圖圖示了操作深度影像感測器的像素（諸如像素200、像素400、或像素700）的示例方法1000。方法1000包含：於1002，在像素的光電荷產生區域中接收光子，像素的光電荷產生區域包含藉由包含p摻雜或n摻雜中的一者的摻雜的第一區域及位於摻雜的第一區域內的更輕微摻雜的第二區域形成的永耗盡光二極體，該更輕微摻雜的第二區域包含p摻雜或n摻雜中的另一者。方法1000進一步包含：於1004，在整合階段期間，激勵像素分接頭的時鐘閘極，藉此將在光電荷產生區域中產生的光電荷引導至包含電容器的像素內儲存器。
在一些實例中，方法1000可包含：於1006，在電荷轉移模式下操作像素，其中激勵時鐘閘極包含將施加到時鐘閘極的偏壓從對光電荷施放阻障而不移動到像素內儲存器的電位改變至允許光電荷移動到像素內儲存器的電位。
另外，在一些實例中，於1010，方法可包含在電荷泵送模式下操作像素，其中激勵時鐘閘極包含在時鐘閘極處俘獲光電荷的電位與將光電荷引導至像素內儲存器的電位之間改變施加到時鐘閘極的偏壓。在一些實例中，於1012，方法包含從在電荷泵送模式下操作像素切換到在電荷轉移模式下操作像素。在一些此種實例中，像素包含在鄰近時鐘閘極並且與時鐘閘極隔開的更輕微摻雜的第二區域內定位的p摻雜或n摻雜中的一者的阻障區域。在此種實例中，如1014處指出，操作時鐘閘極降低藉由阻障區域對光電荷形成的電位障。
在一些實例中，如1016處指出，將光電荷引導至像素內儲存器包含穿過偏壓閘極引導光電荷。如上文論述，偏壓閘極的電位可設置為防止光電荷從儲存電容器回流到ADP。另外，在一些實例中，當像素位於關注區域外部時，方法1000包含：於1018，操作水平抗模糊閘極及垂直抗模糊閘極中的一或多者以排出光電荷。
在每個像素利用兩個或多個像素分接頭的實例中，像素分接頭的時鐘閘極係第一像素分接頭的第一時鐘閘極並且像素內儲存器係包含第一電容器的第一像素內儲存器。在此種實例中，方法1000進一步包含：於1020，在整合階段期間，與第一時鐘閘極交替地激勵第二像素分接頭的第二時鐘閘極，藉此將光電荷交替地引導至包含第二電容器的第二像素內儲存器，並且在讀出階段期間，從第二像素內儲存器讀出電荷。方法1000進一步包含：於1022，在讀出階段中，從像素內儲存器讀出電荷，並且於1024，決定像素的距離值。
在一些實例中，本文描述的方法及製程可有關於一或多個計算裝置的計算系統。特定而言，此種方法及製程可實施為電腦應用程式或服務、應用程式化介面(application-programming interface; API)、程式庫、及/或其他電腦程式產品。
第11圖示意性圖示可以執行本文描述的方法及製程中的一或多者的計算系統1100的非限制性實施例。計算系統1100以簡化形式圖示。計算系統1100可採取一或多個個人電腦、伺服器電腦、平板電腦、家庭娛樂電腦、網路計算裝置、遊戲裝置、行動計算裝置、行動通訊裝置（例如，智慧型電話）、及/或其他計算裝置的形式。
計算系統1100包括邏輯機器1102及儲存機器1104。計算系統1100可視情況包括顯示子系統1106、輸入子系統1108、通訊子系統1110、及/或在第11圖中未圖示的其他部件。
邏輯機器1102包括經配置為執行指令的一或多個實體裝置。例如，邏輯機器可經配置為執行指令，該等指令係一或多個應用、服務、程式、常式、程式庫、物件、部件、資料結構、或其他邏輯構造的部分。此種指令可實施為執行任務、實施資料類型、轉換一或多個部件的狀態、實現技術效應、或以其他方式達成期望結果。
邏輯機器可包括經配置為執行軟體指令的一或多個處理器。此外或替代地，邏輯機器可包括經配置為執行硬體或韌體指令的一或多個硬體或韌體邏輯機器。邏輯機器的處理器可係單核或多核的，並且其上執行的指令可經配置為用於連續、並行、及/或分散式處理。邏輯機器的獨立部件視情況可在兩個或多個分離裝置之中分佈，該等裝置可遠端地定位及/或經配置為用於協調處理。邏輯機器的態樣可經虛擬化並且藉由遠端可存取的聯網計算裝置執行，該等計算裝置以雲端計算配置來配置。
儲存機器1104包括經配置為保存可藉由邏輯機器執行的指令以實施本文描述的方法及製程的一或多個實體裝置。當實施此種方法及製程時，可轉換儲存機器1104的狀態——例如，用於保存不同資料。
儲存機器1104可包括可移除及/或內置裝置。儲存機器1104可包括光學記憶體（例如，CD、DVD、HD-DVD、藍光光碟等等）、半導體記憶體（例如，RAM、EPROM、EEPROM等等）、及/或磁性記憶體（例如，硬碟驅動、軟碟驅動、磁帶驅動、MRAM等等）等。儲存機器1104可包括揮發性、非揮發性、動態、靜態、讀取/寫入、唯讀、隨機存取、順序存取、位置可定址、檔案可定址、及/或內容可定址裝置。
將瞭解，儲存機器1104包括一或多個實體裝置。然而，本文描述的指令的態樣交替地可藉由通訊媒體（例如，電磁信號、光學信號等等）傳播，該通訊媒體不藉由實體裝置保存達有限持續時間。
邏輯機器1102及儲存機器1104的態樣可一起整合到一或多個硬體邏輯部件中。例如，此種硬體邏輯部件可包括現場可程式化閘陣列(field-programmable gate array; FPGA)、程式及特殊應用積體電路(program- and application-specific integrated circuit; PASIC/ASIC)、程式及特殊應用標準產品(program- and application- specific  standard  product; PSSP/ASSP)、晶片上系統(system-on-a-chip; SOC)、及複雜可程式化邏輯裝置(complex programmable logic device; CPLD)。
當包括在內時，顯示子系統1106可用於表示藉由儲存機器1104保存的資料的視覺表示。此視覺表示可採取圖形使用者介面(graphical user interface; GUI)的形式。由於本文描述的方法及製程改變藉由儲存機器保存的資料，並且因此轉換儲存機器的狀態，顯示子系統1106的狀態可同樣轉換以視覺表示基礎資料的改變。顯示子系統1106可包括虛擬地利用任何類型技術的一或多個顯示裝置。此種顯示裝置可與共享外殼中的邏輯機器1102及/或儲存機器1104結合，或此種顯示裝置可係周邊顯示裝置。
當包括在內時，輸入子系統1108可包含一或多個使用者輸入裝置或與一或多個使用者輸入裝置介接，該等使用者輸入裝置諸如鍵盤、滑鼠、觸控式螢幕、或遊戲控制器。在一些實施例中，輸入子系統可包含所選的自然使用者輸入(natural user input; NUI)部件或與所選的自然使用者輸入(NUI)部件介接。此種部件可係整合或周邊的，並且輸入動作的轉換及/或處理可在板上或板外處理。示例NUI部件可包括：用於語音及/或音訊識別的麥克風；用於機器視覺及/或姿勢識別的紅外、彩色、立體、及/或深度照相機；用於運動偵測及/或意圖識別的頭部跟蹤器、眼部跟蹤器、加速度計、及/或陀螺儀；以及用於評估大腦活動的電場感測部件。
當包括在內時，通訊子系統1110可經配置為將計算系統1100與一或多個其他計算裝置通訊地耦接。通訊子系統1110可包括與一或多個不同通訊協定相容的有線及/或無線通訊裝置。作為非限制性實例，通訊子系統可經配置為用於經由無線電話網路、或有線或無線區域或廣域網路的通訊。在一些實施例中，通訊子系統可允許計算系統1100經由網路（諸如網際網路）將訊息發送至其他裝置及/或從其他裝置接收訊息。
另一實例提供了一種操作深度影像感測器的像素的方法，該方法包含：在像素的光電荷產生區域中接收光子，像素的光電荷產生區域包含藉由包含p摻雜或n摻雜中的一者的摻雜的第一區域及位於摻雜的第一區域內的更輕微摻雜的第二區域形成的永耗盡光二極體，更輕微摻雜的第二區域包含p摻雜或n摻雜中的另一者；在整合階段期間，激勵像素分接頭的時鐘閘極，藉此將在光電荷產生區域中產生的光電荷引導至包含電容器的像素內儲存器；以及在讀出階段中，從像素內儲存器讀出電荷。在一些此種實例中，方法可包含在電荷轉移模式下操作像素，其中激勵時鐘閘極包含將施加到時鐘閘極的偏壓從對光電荷施放阻障而不移動到像素內儲存器的電位改變至允許光電荷移動到像素內儲存器的電位。在一些此種實例中，方法包含在電荷泵送模式下操作像素，其中激勵時鐘閘極包含在時鐘閘極處俘獲光電荷的電位與將光電荷引導至像素內儲存器的電位之間改變施加到時鐘閘極的偏壓。此外或替代地，方法進一步包含從在電荷泵送模式下操作像素切換到在電荷轉移模式下操作像素。此外或替代地，像素進一步包含在鄰近時鐘閘極並且與時鐘閘極隔開的更輕微摻雜的第二區域內定位的p摻雜或n摻雜中的一者的阻障區域，並且激勵時鐘閘極降低藉由阻障區域對光電荷施放的電位障。此外或替代地，將光電荷引導至像素內儲存器包含跨偏壓閘極引導光電荷。此外或替代地，像素分接頭的時鐘閘極係第一像素分接頭的第一時鐘閘極，像素內儲存器係包含第一電容器的第一像素內儲存器，並且方法進一步包含，在整合階段期間，與第一時鐘閘極交替地激勵第二像素分接頭的第二時鐘閘極，藉此將光電荷交替地引導至包含第二電容器的第二像素內儲存器，並且在讀出階段期間，從第二像素內儲存器讀出電荷。此外或替代地，方法進一步包含，當像素位於關注區域外部時，操作水平抗模糊閘極及垂直抗模糊閘極中的一或多者以排出光電荷。在一些此種實例中，方法可額外或替代地包含基於讀出電荷來決定像素的距離值。
另一實例提供了一種深度影像感測器，包含：複數個像素，每個像素經配置為感測入射在像素上的光，並且複數個像素的每個像素包含包含p摻雜或n摻雜中的一者的摻雜的第一區域、及在摻雜的第一區域內設置的更輕微摻雜的第二區域，更輕微摻雜的第二區域包含p摻雜或n摻雜中的另一者，藉此形成永耗盡光二極體(ADP)；第一像素分接頭，包含鄰近ADP的更輕微摻雜的第二區域設置的第一時鐘閘極，並且亦包含第一像素內儲存電容器；以及第二像素分接頭，包含鄰近ADP的更輕微摻雜的第二區域設置的第二時鐘閘極，並且亦包含第二像素內儲存電容器；以及控制器，經配置為控制複數個像素的每個像素以在整合階段期間交替地將第一相對偏壓施加到第一時鐘閘極及第二時鐘閘極來將在ADP中產生的光電荷引導至第一像素內儲存電容器，且將第二相對偏壓施加到第一時鐘閘極及第二時鐘閘極來將在ADP中產生的光電荷引導至第二像素內儲存電容器，並且在讀出階段中，從第一像素內儲存電容器及第二像素內儲存電容器讀出電荷。在一些此種實例中，針對複數個像素的每個像素，第一像素分接頭包含在第一時鐘閘極與第一像素內儲存器之間的第一偏壓閘極，並且第二像素分接頭包含在第二時鐘閘極與第二像素內儲存器之間的第二偏壓閘極。此外或替代地，控制器經配置為控制第一偏壓閘極以在整合階段期間在第一偏壓閘極處設置第一相對偏壓來允許光電荷流動到第一像素內儲存器，並且在第一偏壓閘極處設置第二相對偏壓來防止電荷回流。此外或替代地，第一相對偏壓包含在第一時鐘閘極處俘獲光電荷的電壓、及將跨第二偏壓閘極在第二時鐘閘極處俘獲的光電荷引導至第二像素內儲存器的第二時鐘閘極上的電壓，並且第二相對偏壓包含將跨第一偏壓閘極在第一時鐘閘極處俘獲的光電荷引導至第一像素內儲存器的第一時鐘閘極上的偏壓、及在第二時鐘閘極處俘獲光電荷的第二時鐘閘極上的偏壓。此外或替代地，針對複數個像素的每個像素，第一像素分接頭進一步包含在鄰近第一時鐘閘極且與第一時鐘閘極隔開的更輕微摻雜的第二區域內定位的第一電位障，並且第二像素分接頭進一步包含在鄰近第二時鐘閘極且與第二時鐘閘極隔開的更輕微摻雜的第二區域內定位的第二電位障。此外或替代地，深度影像感測器進一步包含在複數個像素的相鄰像素之間設置的深溝槽隔離區域。此外或替代地，針對複數個像素的每個像素，深度影像感測器進一步包含在更輕微摻雜的第二區域內並且在第一時鐘閘極與第二時鐘閘極之間設置的分隔區，該分隔區包含p摻雜或n摻雜中的一者。此外或替代地，更輕微摻雜的第二區域以摻雜的第一區域的摻雜濃度的1.0%至10%之間的摻雜濃度摻雜。此外或替代地，複數個像素的每個像素進一步包含水平抗模糊閘極及垂直抗模糊閘極。此外或替代地，控制器經配置為在整合階段與讀出階段之間操作水平抗模糊閘極及垂直抗模糊閘極以在整合階段與讀出階段之間排出光電荷。此外或替代地，控制器經配置為控制關注區域外部的像素以在整合階段期間藉由操作水平抗模糊閘極及垂直抗模糊閘極中的一或多者來排出ADP中的光電荷。
另一實例提供了一種深度影像感測器，包含經配置為選擇性照明3D場景中的空間的可轉向照明裝置，影像感測器包含：複數個像素，每個像素經配置為感測入射在像素上的光，並且複數個像素的每個像素包含半導體晶粒的摻雜的第一區域，摻雜的第一區域包含p摻雜或n摻雜中的一者，以及在摻雜的第一區域內設置的半導體晶粒的更輕微摻雜的第二區域，更輕微摻雜的第二區域包含p摻雜或n摻雜中的另一者，藉此形成永耗盡光二極體(ADP)；像素分接頭，包含鄰近ADP的更輕微摻雜的第二區域設置的時鐘閘極；以及像素內儲存器、水平抗模糊閘極、及垂直抗模糊閘極；以及控制器。控制器經配置為：轉向照明光以選擇性照明3D場景中的關注區域，3D場景中的關注區域對應於影像感測器上的關注區域；針對影像感測器上的關注區域內的每個像素，控制像素以在整合階段期間將偏壓施加到時鐘閘極來將在ADP中產生的光電荷引導至像素內儲存電容器，並且在讀出階段中，從像素內儲存電容器讀出電荷；以及針對關注區域外部的每個像素，控制像素以激勵水平抗模糊閘極及垂直抗模糊閘極中的一或多者以排出光電荷。此外或替代地，針對複數個像素的每個像素，像素分接頭進一步包含在鄰近時鐘閘極並且與時鐘閘極隔開的更輕微摻雜的第二區域內定位的電位障。此外或替代地，針對關注區域內的每個像素，控制器經配置為控制像素以在整合階段與讀出階段之間激勵水平抗模糊閘極及垂直抗模糊閘極來在整合階段與後續整合階段之間排出光電荷。
將理解，本文描述的配置及/或途徑本質上係示例性的，並且此等具體實施例或實例不認為係限制意義，因為多個變化係可能的。本文描述的具體常式或方法可表示任何數量的處理策略中的一或多者。因此，示出及/或描述的各種動作可以示出及/或描述的序列執行、以其他序列執行、並行執行、或省去。同樣，可改變上文描述的製程的次序。
本揭示的標的包括本文揭示的各種製程、系統及配置、以及其他特徵、功能、動作、及/或性質的所有新穎及非顯而易見的組合及子組合，以及其任何及全部等效物。
100:深度影像感測器 102:場景 104:感測器陣列 106:像素 108:微透鏡陣列 110:微透鏡元件 112:ToF照明器 113:轉向元件 114:光學元件 116:電子控制器 118:邏輯機器 120:儲存機器 122:IR光 122':IR光 124:目標照明區域 124a:區域 126:關注區域(ROI) 128:深度影像 130:接收光學器件 200:ToF像素 201A:分接頭 201B:分接頭 202:ADP 204a:時鐘閘極 204b:時鐘閘極 206a:偏壓閘極 206b:偏壓閘極 208a:像素內儲存電容器 208b:像素內儲存電容器 210a:浮動擴散(FD)電容器 210b:浮動擴散(FD)電容器 212a:轉移閘極 212b:轉移閘極 214a:源跟隨器閘極 214b:源跟隨器閘極 216a:重置閘極 216b:重置閘極 218a:選擇閘極 218b:選擇閘極 230:水平抗模糊閘極 232:垂直抗模糊閘極 300:像素 301A:「A」像素分接頭 301B:「B」像素分接頭 302:ADP 304b:讀出電路 306b:收集節點 350:像素 351A:「A」像素分接頭 351B:「B」像素分接頭 352:ADP 400:ToF像素 402:P-N接面 404a:時鐘閘極 404b:時鐘閘極 410:摻雜的第一區域 412:更輕微摻雜的第二區域 414a:淺溝槽隔離(STI)區域 414b:淺溝槽隔離(STI)區域 416:分隔區 420:深溝槽隔離(DTI)區域 440:線 442:圖形 444:圖形 500:時序圖 502:非整合階段 504:整合階段 506:抗模糊階段 508:讀出階段 510:電位圖 520:電位圖 530:電位圖 540:電位圖 600:時序圖 602:非整合階段 604:整合階段 606:抗模糊階段 608:讀出階段 610:電位圖 620:電位圖 630:電位圖 640:電位圖 700:像素 702:P-N接面 704a:時鐘閘極 704b:時鐘閘極 710:摻雜的第一區域 712:更輕微摻雜的第二區域 714a:STI區域 714b:STI區域 716:分隔區 720:DTI區域 730a:阻障 730b:阻障 800:時序圖 802:非整合階段 804:整合階段 806:抗模糊階段 808:讀出階段 810:電位圖 812:電位障 820:電位圖 830:電位圖 840:電位圖 900:像素陣列 902:像素 1000:方法 1002,1004,1006,1010,1012,1014:步驟 1016,1018,1020,1022,1024:步驟 1100:計算系統 1102:邏輯機器 1104:儲存機器 1106:顯示子系統 1108:輸入子系統 1110:通訊子系統 AB:抗模糊閘極 ADP:永耗盡光二極體 BIAS:偏壓閘極 CAP:儲存電容器 CLK:時鐘閘極 RESET:重置閘極 TX:轉移閘極
第1圖係圖示示例飛行時間(ToF)照相機的態樣的分解示意圖。
第2圖至第3圖圖示了各自包含永耗盡光二極體的示例ToF像素的電氣示意圖。
第4A圖至第4C圖示意性圖示了包含永耗盡光二極體的示例ToF像素的放大剖面圖，並且圖示了ToF像素中的模型化的靜電位及模型化的電場的圖形。
第5A圖至第5B圖圖示了用於在電荷轉移模式下操作第4圖的ToF像素的示例時序及電位圖。
第6A圖至第6B圖圖示了用於在電荷泵送模式下操作第4圖的ToF像素的示例時序及電位圖。
第7圖示意性圖示了包含永耗盡光二極體的示例ToF像素及針對每個像素分接頭的電位障的放大剖面圖。
第8A圖至第8B圖圖示了針對第7圖的像素的示例時序及電位圖。
第9圖圖示了用於選擇性操作關注區域內部的像素同時操作關注區域外部的像素的抗模糊閘的示例方案。
第10圖係描繪用於操作包含永耗盡光二極體的飛行時間像素的示例方法的流程圖。
第11圖係示例計算系統的方塊圖。
100:深度影像感測器
102:場景
104:感測器陣列
106:像素
108:微透鏡陣列
110:微透鏡元件
112:ToF照明器
113:轉向元件
114:光學元件
116:電子控制器
118:邏輯機器
120:儲存機器
122:IR光
122':IR光
124:目標照明區域
124a:區域
126:關注區域(ROI)
128:深度影像
130:接收光學器件

Claims (23)

  1. 一種操作一深度影像感測器的一像素的方法，該方法包含以下步驟： 在該像素的一光電荷產生區域中接收光子，該像素的該光電荷產生區域包含藉由包含p摻雜或n摻雜中的一者的一摻雜的第一區域及位於該摻雜的第一區域內的一更輕微摻雜的第二區域形成的一永耗盡光二極體，該更輕微摻雜的第二區域包含p摻雜或n摻雜中的該另一者； 在一整合階段期間，激勵一像素分接頭的一時鐘閘極，藉此將在該光電荷產生區域中產生的光電荷引導至包含一電容器的一像素內儲存器；以及 在一讀出階段中，從該像素內儲存器讀出電荷。
  2. 如請求項1所述的方法，進一步包含以下步驟：在一電荷轉移模式下操作該像素，其中激勵該時鐘閘極之步驟包含以下步驟：將施加到該時鐘閘極的一偏壓從對該光電荷施放一阻障而不移動到該像素內儲存器的一電位改變至允許該光電荷移動到該像素內儲存器的一電位。
  3. 如請求項1所述的方法，進一步包含以下步驟：在一電荷泵送模式下操作該像素，其中激勵該時鐘閘極之步驟包含以下步驟：在該時鐘閘極處俘獲光電荷的一電位與將光電荷引導至該像素內儲存器的一電位之間改變施加到該時鐘閘極的一偏壓。
  4. 如請求項3所述的方法，進一步包含以下步驟：從在該電荷泵送模式下操作該像素切換到在一電荷轉移模式下操作該像素； 其中在該電荷轉移模式下操作該像素之步驟包含以下步驟：將施加到該時鐘閘極的一偏壓從對該光電荷施放一阻障的一電位改變至允許該光電荷移動到該像素內儲存器的一電位。
  5. 如請求項2所述的方法，其中該像素進一步包含在鄰近該時鐘閘極且與該時鐘閘極隔開的該更輕微摻雜的第二區域內定位的p摻雜或n摻雜中的該一者的一阻障區域，並且其中激勵該時鐘閘極之步驟降低藉由該阻障區域對光電荷施放的一電位障。
  6. 如請求項5所述的方法，其中將光電荷引導至該像素內儲存器之步驟包含以下步驟：跨一偏壓閘極引導光電荷。
  7. 如請求項1所述的方法， 其中該像素分接頭的該時鐘閘極係一第一像素分接頭的一第一時鐘閘極， 其中該像素內儲存器係包含一第一電容器的一第一像素內儲存器，並且 其中該方法進一步包含以下步驟， 在該整合階段期間，與該第一時鐘閘極交替地激勵一第二像素分接頭的一第二時鐘閘極，藉此將光電荷交替地引導至包含一第二電容器的一第二像素內儲存器，並且 在該讀出階段期間，從該第二像素內儲存器讀出電荷。
  8. 如請求項1所述的方法，進一步包含以下步驟，當該像素位於一關注區域外部時，操作一水平抗模糊閘極及一垂直抗模糊閘極中的一或多者以排出光電荷。
  9. 如請求項1所述的方法，進一步包含以下步驟：基於該讀出電荷來決定該像素的一距離值。
  10. 一種深度影像感測器，包含： 複數個像素，每個像素經配置為感測入射在該像素上的光，並且該複數個像素的每個像素包含： 包含p摻雜或n摻雜中的一者的一摻雜的第一區域、及在該摻雜的第一區域內設置的一更輕微摻雜的第二區域，該更輕微摻雜的第二區域包含p摻雜或n摻雜中的該另一者，藉此形成一永耗盡光二極體(ADP)， 一第一像素分接頭，包含鄰近該ADP的該更輕微摻雜的第二區域設置的一第一時鐘閘極，並且亦包含一第一像素內儲存電容器，及 一第二像素分接頭，包含鄰近該ADP的該更輕微摻雜的第二區域設置的一第二時鐘閘極，並且亦包含一第二像素內儲存電容器；以及 一控制器，經配置為控制該複數個像素的每個像素以 在一整合階段期間交替地將一第一相對偏壓施加到該第一時鐘閘極及該第二時鐘閘極來將在該ADP中產生的光電荷引導至該第一像素內儲存電容器，並且將一第二相對偏壓施加到該第一時鐘閘極及該第二時鐘閘極來將在該ADP中產生的光電荷引導至該第二像素內儲存電容器，並且 在一讀出階段中，從該第一像素內儲存電容器及該第二像素內儲存電容器讀出電荷。
  11. 如請求項10所述的深度影像感測器，其中針對該複數個像素的每個像素，該第一像素分接頭進一步包含在該第一時鐘閘極與該第一像素內儲存器之間的一第一偏壓閘極，並且該第二像素分接頭進一步包含在該第二時鐘閘極與該第二像素內儲存器之間的一第二偏壓閘極。
  12. 如請求項11所述的深度影像感測器，其中該控制器經配置為控制該第一偏壓閘極以在該整合階段期間在該第一偏壓閘極處設置一第一相對偏壓來允許光電荷流動到該第一像素內儲存器，並且在該第一偏壓閘極處設置一第二相對偏壓以防止電荷回流。
  13. 如請求項11所述的深度影像感測器，其中該第一相對偏壓包含在該第一時鐘閘極處俘獲光電荷的一電壓、及將跨該第二偏壓閘極在該第二時鐘閘極處俘獲的光電荷引導至該第二像素內儲存器的該第二時鐘閘極上的一電壓；以及 其中該第二相對偏壓包含將跨該第一偏壓閘極在該第一時鐘閘極處俘獲的光電荷引導至該第一像素內儲存器的該第一時鐘閘極上的一偏壓、及在該第二時鐘閘極處俘獲光電荷的該第二時鐘閘極上的一偏壓。
  14. 如請求項10所述的深度影像感測器，其中針對該複數個像素的每個像素，該第一像素分接頭進一步包含在鄰近該第一時鐘閘極且與該第一時鐘閘極隔開的該更輕微摻雜的第二區域內定位的一第一電位障，並且該第二像素分接頭進一步包含在鄰近該第二時鐘閘極且與該第二時鐘閘極隔開的該更輕微摻雜的第二區域內定位的一第二電位障。
  15. 如請求項10所述的深度影像感測器，進一步包含在該複數個像素的相鄰像素之間設置的一深溝槽隔離區域。
  16. 如請求項10所述的深度影像感測器，針對該複數個像素的每個像素，進一步包含在該更輕微摻雜的第二區域內並且在該第一時鐘閘極與該第二時鐘閘極之間設置的一分隔區，該分隔區包含p摻雜或n摻雜中的該一者。
  17. 如請求項10所述的深度影像感測器，其中該更輕微摻雜的第二區域以小於10 14摻雜劑原子/cm 3的一摻雜濃度摻雜，並且該摻雜的第一區域以大於10 17摻雜劑原子/cm 3的一摻雜濃度摻雜。
  18. 如請求項10所述的深度影像感測器，其中該複數個像素的每個像素進一步包含一水平抗模糊閘極及一垂直抗模糊閘極。
  19. 如請求項18所述的深度影像感測器，其中該控制器經配置為在該整合階段與該讀出階段之間操作該水平抗模糊閘極及該垂直抗模糊閘極以在該整合階段與該讀出階段之間排出光電荷。
  20. 如請求項19所述的深度影像感測器，其中該控制器經配置為控制該關注區域外部的該等像素以在該整合階段期間藉由操作該水平抗模糊閘極及該垂直抗模糊閘極中的一或多者來排出該ADP中的光電荷。
  21. 一種深度影像感測器，包含： 一可轉向照明裝置，經配置為選擇性照明一3D場景中的一空間； 一影像感測器，包含複數個像素，每個像素經配置為感測入射在該像素上的光，並且該複數個像素的每個像素包含： 該半導體晶粒的一摻雜的第一區域，該摻雜的第一區域包含p摻雜或n摻雜中的一者，及在該摻雜的第一區域內設置的該半導體晶粒的一更輕微摻雜的第二區域，該更輕微摻雜的第二區域包含p摻雜或n摻雜中的該另一者，藉此形成一永耗盡光二極體(ADP)， 一像素分接頭，包含鄰近該ADP的該更輕微摻雜的第二區域設置的一時鐘閘極、及像素內儲存器， 一水平抗模糊閘極，及 一垂直抗模糊閘極；以及 一控制器，經配置為： 轉向照明光以選擇性照明該3D場景中的一關注區域，該3D場景中的該關注區域對應於該影像感測器上的一關注區域； 針對該影像感測器上的該關注區域內的每個像素，控制該像素以： 在一整合階段期間，將一偏壓施加到該時鐘閘極以將在該ADP中產生的光電荷引導至該像素內儲存電容器，並且 在一讀出階段中，從該像素內儲存電容器讀出電荷，並且 針對該關注區域外部的每個像素，控制該像素以： 激勵該水平抗模糊閘極及該垂直抗模糊閘極中的一或多者以排出光電荷。
  22. 如請求項21所述的深度影像感測器，其中針對該複數個像素的每個像素，該像素分接頭進一步包含在鄰近該時鐘閘極並且與該時鐘閘極隔開的該更輕微摻雜的第二區域內定位的一電位障。
  23. 如請求項21所述的深度影像感測器，其中該控制器經配置為針對該關注區域內的每個像素，控制該像素以在該整合階段與該讀出階段之間激勵該水平抗模糊閘極及該垂直抗模糊閘極來在該整合階段與一後續整合階段之間排出光電荷。
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