具备多重置机制的光电侦测装置的制作方法

本发明关于一种光电侦测装置，尤其关于一种具备多重置机制的光电侦测装置。

背景技术：

光电侦测装置可用于侦测入射光并且将入射光转换为电信号，使其可进一步被其他电路处理。光电侦测器可用于消费电子产品、图像传感器、数据通信、飞时测距(time-of-flight，tof)，光学雷达(lightdetectionandranging，lidar)、医疗设备以及许多其他适当的应用中。然而，当光电侦测器以单个或数组配置来应用于这些用途时，漏电流(leakagecurrent)和暗电流(darkcurrent)可能会降低性能，例如增加功耗并降低信噪比。

技术实现要素：

本发明的第一实施方式公开了一种光电侦测装置，包含一光电转换器(optical-to-electricconverter)、一迭接(cascode)晶体管、一重置晶体管。该光电转换器具有一第一输出端，该光电转换器配置以将一入射光转换为一电信号。该迭接晶体管，具有一控制端、一第一通道端以及一第二通道端，其中该迭接晶体管的该第二通道端耦接于该光电转换器的该第一输出端。该重置晶体管具有一控制端、一第一通道端以及一第二通道端，其中该重置晶体管的该第一通道端耦接于一电源电压且该重置晶体管的该第二通道端耦接于该迭接晶体管的该第一通道端。

根据本发明的另一实施方式，该光电转换器包含形成于一半导体基板(substrate)之上的一吸光材质(light-absorptionmaterial)，其中该吸光材质为不同于该半导体基板的一种材质。

根据本发明的另一实施方式，该光电转换器另包含一光电二极管(photodiode)、一第一开关以及一第二开关。该光电二极管配置以将该入射光转换为该电信号；该第一开关配置以根据一第一开关信号将该电信号输出至该第一输出端；该第二开关配置以根据一第二开关信号将该电信号输出至该光电转换器的一第二输出端。

根据本发明的另一实施方式，该光电转换器包含：一光电二极管，配置以将该入射光转换为该电信号；以及一开关，配置以根据一开关信号来于该第一输出端输出该电信号。

根据本发明的另一实施方式，该光电转换器的该第一输出端实质上操作于一恒定电压(constantvoltage)。

根据本发明的另一实施方式，其中该重置晶体管的该控制端配置以接收一重置信号，其中在一子讯框(subframe)的形成期间该重置信号的重置次数等于或大于2。

根据本发明的另一实施方式，该光电侦测装置配置以形成一最终3d讯框(frame)，其中该最终3d讯框根据多个子讯框来取得。

在本文公开的实施例的诸多优点和好处中，至少提供了一种能够有效吸收至少一近场红外光(near-infrared，nir)或一种短波红外光(short-waveinfrared，swir)的光侦测装置。在一些实施例中，光电侦测装置可具有较小的芯片尺寸，较低的暗电流及/或较高的3d图像深度信息的精度，以及较低的漏电流及/或较低的3d图像传感器功率的消耗。

附图说明

通过参考以下详细描述以及附图，本申请的前述实施方式以及许多附带优点将变得更加容易理解，其中：

图1a～图1j-4为根据本发明不同实施例的光电侦测装置以及相关的采用单分路(one-tap)设计的光电侦测方法。

图2a～图2d-4为根据本发明不同实施例的光电侦测装置以及相关的采用二分路(two-tap)设计的光电侦测方法。

图3a～图3b为根据本发明不同实施例的不具有迭接晶体管的光电侦测装置。

图4a～图4b为根据本发明不同实施例的应用多重置机制的时序图。

图4c为用于2d感测应用的光电侦测装置的时序图。附图标记说明：170-光电转换器；100a、100b、100c、100d、100e、100f、100h、100i、200a、200b、200c、200d、300a、300b-光电侦测装置；130a、130b-迭接晶体管；141a、141b-重置晶体管；142a、142b-源极随耦器晶体管；143a、143b-列选择晶体管；150a、150b-电容器；bl-a、bl-b-位线；110a、110b-输出端；il-入射光；ia1、ia2-电信号；120a、120b-通道端点；sela、selb-选取信号；vc1、vc2-控制电压；vdd、vddr、vout1、vout2、va1、va2-电压；t1～t13-时间点；tsf11～tsf22-时段；rst-重置信号；tg1、tg2-开关信号；171a、171b-开关；172-光电二极管；vop1-偏压；180-电压产生器；144a、145a-晶体管；190-增益提升电路；vc1-控制电压；vref-参考电压；1721b-区块；n+-n型掺杂区；p+-p型掺杂区；1701-光开关；1703-光学路由器；1702、1704、1705-光电二极管；cs1-控制信号；17011-吸电材质；17012-光学透明绝缘材质；17013-透明导电材质；17015-第一掺杂区；17016-第二掺杂区；170a1-吸光材质；s11、s12、s13、s14-步骤。

具体实施方式

单分路配置的架构

根据一些实施例，图1a示出了具有单分路(one-tap)配置的一光电侦测装置100a。光电侦测装置100a包括光电转换器170、迭接晶体管130a、重置(resetting)晶体管141a、源极随耦器晶体管142a、列选择(row-select)晶体管143a、电容器150a以及一位线bl-a。

光电转换器170配置以在一输出端110a处将一入射光il转换成一电信号ia1，其中电信号ia1是一光电流(photo-current)。有多种实现光电转换器170的方式，细节将于下文描述。迭接晶体管130a耦合于光电转换器170与重置晶体管141a之间。具体地，迭接晶体管130a的一个通道端(例如源端)耦接于光电转换器170的输出端110a，且迭接晶体管130a的另一个通道端(例如漏极端)耦接于重置晶体管141a的一通道端(例如源极端)。在一些实施方式中，迭接晶体管130a、重置晶体管141a、源跟随器晶体管142a以及列选择晶体管143a可用nmos晶体管或pmos晶体管来实现。

在光电侦测装置100a的操作期间，电容150a上的通道端120a通过重置晶体管141a被充电到一个重置电压vddr。例如，通过施加一个使重置晶体管141a工作在饱和区或三极管区的重置信号rst，电流将通过重置晶体管141a流到电容器150a上，并将电容器150a充电至重置电压vddr。值得注意的是，重置电压vddr可与电源电压vdd相同或不同。

一旦充电完成，就可以开始对光电转换器170所产生的电信号ia1进行积分。控制迭接晶体管130a可受控以通过产生于迭接晶体管130a的栅极端上的控制电压vc1来起始和终止积分操作。例如，控制电压vc1可被设置以在次临界区(sub-thresholdregion)或饱和区(saturation)中操作迭接晶体管130a，使得产生于端点110a的电压va1可被维持在近乎恒定的偏压。由于在端部110a处产生的电压va1为稳定且相对较低，因此可抑制由光电转换器170产生的暗电流。

飞时测距(tof)的应用

图1b标出了具有单分路配置的光电侦测装置100b，其使用于单分路的相关应用。具体地，本实施例示出了光电转换器170的一种配置，包括光电二极管172、开关171a以及171b。

根据该实施例，若同时采用大于开关171a的临界电压的开关信号tg1以及小于开关171b的临界电压的开关信号tg2，光电二极管172所产生的光产生载子(photo-generatedcarriers)将被引导流过开关171a以及迭接晶体管130a。相反地，若同时采用大于开关171b的临界电压的开关信号tg2以及小于开关171a的临界电压的开关信号tg1，则光电二极管172所产生的光生载流子将被引导流过开关171b。

更详细来说，开关信号tg1和开关信号tg2为解调信号。在一种实现方式中，开关信号tg1和开关信号tg2彼此不同。在另一种实现方式中，开关信号tg1和开关信号tg2使用责任周期(dutycycle)为50％的时钟信号。在其他可能的实现方式中，责任周期可以不同(例如30％责任周期)。在某些实现方式中，方波被使用作为调变信号和解调信号。在一些实施方式中，正弦波代替方波被使用作为调变信号和解调信号。

在积分操作期间，当开关信号tg1使开关171a导通且入射光il进入时，电容150a将会放电。经过预定的积分时间后，输出电压vout1将下降到一个稳定值(settledvalue)。根据一选择信号sela，该稳定值将通过随耦器晶体管142a以及列选择晶体管143a被读出到位线bl-a上。通过使用不同的调变及/或解调相位来重复上述程序，系统可据以决定出目标物体与光电侦测装置100b之间的距离。

单分路飞时测距(one-taptof)的应用以及电压产生器

为了将电压va1、va2维持在近乎恒定的偏压，需采用电压产生器。请参考图1c，其介绍了具备电压产生器180的光电侦测装置100c的实施例。电压产生器180配置以对光电侦测装置100c进行偏压。在本实施例中，电压产生器180可为一运算放大器，其具有一输出端耦接于增益提升电路190并且产生一偏压vop1，以及另一输出端耦接于开关171b并且产生一电压va2。由于开关171b的汲极为提供给运算放大器的一负回授(negativefeedback)，电压va2会实质上等于参考电压vref。

增益提升电路190包含晶体管144a以及145a，其中晶体管145a以及迭接晶体管130a共同形成一回授电路并且据此提升迭接晶体管130a的增益。电压产生器180在增益提升电路190的晶体管144a上产生偏压vop1以调整控制电压vc1并且使得电压va1实质上等于电压va2。如此一来，电压va1以及va2会实质上等于参考电压vref。

本实施例中，单分路光电侦测装置100c具有示范性的电压产生器180，用户可操作电压产生器180来控制电压va1以及va2，以使由光电转换器170产生暗电流(dark-current)。

图1d介绍了光电侦测装置100d以及其光电转换器170的部分剖面图。在本实施例中，光电二极管172为一垂直类型的光电二极管，其中n型掺杂区(n型掺杂区)n+以及p型掺杂区(p掺杂区-dopedregion)p+以垂直方向来配置，此外，吸光材质(例如锗(ge)或锗化硅(gesi)形成于所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+之间。在一些实施方式中在一些实施方式中，所述形成于所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+之间的吸光材质由半导体基板(例如硅(si)或是硅化锗(sige)来提供。另一方面，于一实施方式中，开关171a以及171b以及光电二极管172可被制造在同一芯片，而其他元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，光电二极管172可被制造在一芯片，而其他元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，图1d中的所有元件可被制造在同一芯片。另外，光电转换器170可通过后入射式(back-sideincident，bsi)或是前入射式(front-sideincident，fsi)的方式来实作，亦即可从芯片的底部或是芯片的上方接收光线il。

图1e举出了光电侦测装置100e以及其光电转换器170的部分剖面图。在本实施例中，光电二极管172为一水平类型光电二极管，其中n型掺杂区n+以及p型掺杂区p+以水平方像来配置，以及吸光材质(例如锗或锗化硅)覆盖了所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+。在一些实施方式中，所述吸光材质覆盖在所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+的表面，并且由半导体基板(例如硅或硅化锗)。另一方面，于一实施方式中，所述开关171a、171b以及光电二极管172可被制造在同一芯片，其他的元件则可被制造在另一芯片。于一实施方式中，光电二极管172可被制造在一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，图1e中所有的元件可被制造在同一芯片。另外，光电转换器170可通过后入射式(back-sideincident，bsi)或是前入射式(front-sideincident，fsi)的方式来实作，亦即可从芯片的底部或是芯片的上方接收光线il。

图1f-1介绍了光电侦测装置100f以及其光电转换器170的部分剖面图。光电二极管172以及开关171b可被积分并且被布局如图1f-1所述的区块1721b，其中吸光材质(例如锗或锗化硅覆盖所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+。在一些实施方式中，所述吸光材质覆盖在所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+的表面上，并且被半导体基板(例如硅或是硅化锗)提供。另一方面，于一实施方式中，开关171a以及171b以及光电二极管172可被制造在同一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，光电二极管172可被制造在一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，图1f-1中所有的元件可被制造在同一芯片。另外，光电转换器170可通过后入射式(back-sideincident，bsi)或是前入射式(front-sideincident，fsi)的方式来实作，亦即可从芯片的底部或是芯片的上方接收光线il。

图1f-2介绍了实作于光电侦测装置100f中的光电二极管172以及开关171b的电路布局的俯视图，其中电路布局1721b包含光电二极管172以及开关171b。如图1f-2所示，掺杂区的截面呈现环状，且其侧面景观(参考线段aa’)对应于图1f-1的电路布局1721b。

图1g介绍了光电侦测装置100g以及其光电转换器170的部分剖面图。如图1g所示，光电转换器170包含开关171a以及171b，以及一吸光材质(例如锗或锗化硅)由半导体基板(例如硅或硅化锗)所提供，其中所述吸光材质可采用不同于所述半导体基板的材质。每一开关包含一端点用以接收一解调信号，以及另一端点用以输出一电信号。举例来说，开关171a包含一端点用以接收解调信号tg1以及另一端点用以输出电信号ia1；以及开关171b包含一端点用以接收解调信号tg2以及另一端点用以输出电信号ia2。在一些实施方式中，上述用以接收解调信号的端点以p型掺杂物作高掺杂(highly-doped)；而用于输出电信号的端点则以n型掺杂物作高掺杂。

图1h介绍了光电侦测装置100h以及其光电转换器170的部分剖面图。如图1h所示，光电转换器170包含开关171a以及171b，以及由半导体基板(例如硅或硅化锗)提供的吸光材质(例如锗或锗化硅)，其中所述吸光材质可采用不同于所述半导体基板的材质。每一开关包含一端点用以接收一解调信号以及另一端点用以输出一电信号。举例来说，开关171a包含一端点用以接收解调信号tg1以及另一端点用以输出电信号ia1；以及开关171b包含一端点用以接收解调信号tg2以及另一端点用以输出电信号ia2。相较于图1g，开关171a的用以接收解调信号tg1的端点并没有受到额外的掺杂，或是仅以p型或n型掺杂物作轻微的掺杂；且开关171b的用以接收解调信号tg2的端点并没有受到额外的掺杂，或是仅以p型或n型掺杂物作轻微的掺杂。

单分路光开关的应用

光开关可被使用于单分路光电侦测装置，图1i-1介绍了具有光开关的光电侦测装置100i。如图1i-1所示，光电转换器170包含一光开关1701以及一光电二极管1702。光开关1701配置以阻断入射光il或使入射光il通过，且光电二极管1702配置以将通过光开关1701的光转换为电信号ia1，详细的实作方式如下：

图1i-2介绍了光开关1701的一实施例。光开关1701包含吸电材质17011、选择性的透明绝缘材质(optionaltransparentinsulatingmaterial)17012以及一透明导电材质17013。吸电材质17011位于两层透明导电材质17013以及光学透明绝缘材质17012之间。光学透明绝缘材质17012为一光元件，用户可根据实际需求来使用或移除此材质。在一些实施方式中，吸电材质17011可为有机/无机半导体或量子阱/点(organic/inorganicsemiconductor或quantumwell/dot)；所述光学透明绝缘材质17012可为氧化物(oxide)或聚合物(polymer)；以及透明导电材质17013可为氟/铟掺杂的氧化锡(fluorine/indiumdopedtinoxide)。另外，藉由适当地对透明导电材质17013进行图案化(patterning)，可避免过大的电容值并且可降低解调能量。在操作的期间中，透明导电材质17013会被控制信号cs1所偏压以控制入射光il是否通过光开关1701。举例来说，当控制信号cs1操作于一第一偏压时，入射光il会通过光开关1701。相反地，当控制信号cs1操作于一第二偏压时，入射光il可被吸电材质17011所吸收，或是被反射以使入射光il无法通过光开关1701。

图1i-3介绍了光电二极管1702的一实施例。在本实施例中，光电二极管172为一垂直类型光电二极管，其中第一掺杂区17015以及第二掺杂区17016沿垂直方向配置，以及吸光材质170a1(例如锗或硅化锗)硅形成于第一掺杂区17015以及第二掺杂区17016之间。在一些实施方式中，吸光材质170a1形成于第一掺杂区17015以及第二掺杂区17016之间，并且由半导体基板(例如硅或硅化锗)所提供。第一掺杂区17015以及第二掺杂区17016的极性彼此不同。于一实施方式中，第一掺杂区17015为n型掺杂区以及第二掺杂区17016为p型掺杂区。于另一种实施方式中，第一掺杂区17015为p型掺杂区且第二掺杂区17016为n型掺杂区。

图1i-4介绍了光电二极管1702的一实施例。在本实施例中，光电二极管172为一水平类型光电二极管，其中第一掺杂区17015以及第二掺杂区17016配置为一水平方向，以及吸光材质170a1(例如锗或锗化硅)覆盖第一掺杂区17015以及第二掺杂区17016。在一些实施方式中，吸光材质170a1由半导体基板(例如硅或硅化锗)所提供。第一掺杂区17015以及第二掺杂区17016的极性彼此不同。于一实施方式中，第一掺杂区17015为n型掺杂区以及第二掺杂区17016为p型掺杂区。于另一种实施方式中，第一掺杂区17015为p型掺杂区且第二掺杂区17016为n型掺杂区。

图1i-5介绍了根据本发明一实施图1i-1中光电转换器170的操作。此操作包含以下步骤：以第一光学元件(optics)接收一入射光il(步骤s11)；在第一偏压下使得入射光il通过，并且在光开关1701所控制的第二偏压下吸收或反射入射光(步骤s12)；以第二光学元件来输出通过光开关1701的入射光il(步骤s13)；以及，以光电二极管1702将通过的入射光il转换为电信号ia1(步骤s14)。所述第一光学元件以及第二光学元件可包含微透镜(micro-lens)、带通滤波器(bandpassfilter)、局部镜(partialmirror)、光栅(grating)、扩散器(diffusor)等。值得注意的是，所述第一光学元件以及第二光学元件为光感应元件，用户可根据实际设计需求来决定使否使用这些光学元件。

单分路cmos影像传感器的应用

单分路配置可被用于cmos影像传感器(cmos影像传感器，cis)，其关于二维(two-dimensional，2d)感测技术。如图1j-1所示，相同于上述tof架构，使用于cmos影像传感器的光电侦测装置100j包含一光电转换器170、一迭接晶体管130a、一重置晶体管141a、一电容150a、一源极随耦器晶体管142a、列选取晶体管143a以及一位线bl-a。在本实施例中，光电转换器170包含一光电二极管172以及一开关171a。光电二极管172配置以将入射光il转换为电信号ia，电信号ia为光电流(photo-current)。开关171a配置以根据开关信号tg1来将电信号ia1输出至迭接晶体管130a，其中电信号ia会于开关信号tg1导通开关171a时产生。

于一开始，重置信号rst将输出电压vout1重置为重置电压vddr。当开关信号tg1导通开关171a时会产生电信号ia1，电容150a上的输出电压vout1将会降低，直到开关信号tg1关闭晶体管171a。相较于tof应用，用于2d感测应用的开关信号tg1将开关171a导通一较长的时间区间，(例如100μs、500μs、1ms、5ms或或其他时间间隔)以吸收入射光il而非使用一高速解调信号(例如3ns、10ns、30ns、100ns或其他时间间隔)。

迭接晶体管130a被使用作为一缓存器，并且耦接于光电转换器170与重置晶体管141a之间。尤其是，迭接晶体管130a的一通道端点(例如汲极端)耦接于重置晶体管141a的另一通道端点(例如源极端)；以及迭接晶体管130a一端点(例如源极端)耦接于晶体管(171a)的通道端点(例如汲极端)。控制端点迭接晶体管130a的一端(例如闸极端)耦接于一控制电压vc1。在一些实施方式中，开关171a、迭接晶体管130a、重置晶体管141a、源极随耦器晶体管142a以及列选取晶体管143a可用nmos晶体管或pmos晶体管来实作。

由于迭接晶体管130a耦接于光电转换器170的输出端110a与重置晶体管141a的通道端点(例如源极端)之间，当所述迭接130a晶体管操作于饱和区或子临界区。

光电转换器170的输出端110a以及重置晶体管141a的通道端点(例如源极端)彼此断开。此外，产生于光电转换器170的输出端110a上的电压va1可被控制或偏压于一恒定电压va1以降低光电转换器170所产生的暗电流。

于一实施方式中，迭接晶体管130a的控制端点(例如闸极端)以及晶体管171a的控制端点(例如闸极端)可彼此耦接，这意谓控制电压vc1与开关信号tg1将会相同，并且为用以开启/关闭迭接晶体管130a以及晶体管171a的信号。

于一实施方式中，迭接晶体管130a的控制端点(例如闸极端)以及晶体管171a的控制端点(例如闸极端)可互为断开，这意谓控制电压vc1会不同于开关信号tg1，其中控制电压vc1为一恒定电压以及开关信号tg1为用于开启/关闭晶体管171a的信号。

源极随耦器晶体管142a以及列选取晶体管143a可配置以根据选取信号sela来将输出电压vout1读出至位线bl-a。

图1j-2介绍了具有光电侦测装置100j亦即其光电二极管172的结构。在本实施例中，光电二极管172为一垂直类型光电二极管，其中n型掺杂区n+以及p型掺杂区p+配置为一垂直方向，此外，吸光材质(例如锗或锗化硅)形成于n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+之间。在一些实施方式中，形成于所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+之间的吸光材质由半导体基板(例如硅或硅化锗)所提供。另一方面，于一实施方式中，开关171a以及光电二极管172可被制造在同一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，光电二极管172可被制造在一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，图1j-2中的所有元件可被制造在同一芯片。另外，光电转换器170可通过后入射式(back-sideincident，bsi)或是前入射式(front-sideincident，fsi)的方式来实作，亦即可从芯片的底部或是芯片的上方接收光线il。

图1j-3介绍了光电侦测装置100j以及其光电二极管172的结构。在本实施例中，光电二极管172为一水平类型光电二极管，其中n型掺杂区n+以及p型掺杂区p+配置为一水平方向，以及一吸光材质(例如锗或锗化硅)覆盖于所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+。在一些实施方式中，所述吸光材质覆盖于所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+的表面，并且由半导体基板(例如硅或硅化锗)所提供。另一方面，于一实施方式中，开关171a以及光电二极管172可被制造在同一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，光电二极管172可被制造在一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，图1j-3中所有元件可被制造在同一芯片。另外，光电转换器170可通过后入射式(back-sideincident，bsi)或是前入射式(front-sideincident，fsi)的方式来实作，亦即可从芯片的底部或是芯片的上方接收光线il。

图1j-4介绍了光电侦测装置100j以及其光电二极管172的结构。在本实施例中，光电二极管172为一水平类型光电二极管，其中n型掺杂区n+以及p型掺杂区p+配置为一水平方向。相较于图1j-3，本实施例使用了硅半导体基板作为光吸收(light-absorption)材质。另一方面，于一实施方式中，开关171a以及光电二极管172可被制造在同一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，光电二极管172可被制造在一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，图1j-4中所有元件可被制造在同一芯片。另外，光电转换器170可通过后入射式(back-sideincident，bsi)或是前入射式(front-sideincident，fsi)的方式来实作，亦即可从芯片的底部或是芯片的上方接收光线il。

图1a至图1j-4介绍了具有单分路设计的各种光电侦测装置其可用于3d感测应用(例如tof应用)或是2d感测应用(例如cis应用)。3d感测应用使用解调信号来得到影像深度(depth)信息，然而2d感测应用使用非解调信号来到影像强度(intensity)信息。另外，二分路(two-tap)的设计也是一种用于进行光电侦测功能的替代实施例，相关细节介绍如下。

二分路配置的架构

图2a介绍了根据本发明一些实施例的具有二分路配置的光电侦测装置200a。光电侦测装置200a包含一光电转换器170、迭接晶体管130a和130b、重置晶体管141a和141b、源极随耦器晶体管142a和142b、列选取晶体管143a和143b、电容器150a和150b，以及位线bl-a和bl-b。相较于图1a，具有单分路配置的光电侦测装置100a为一非对称结构，而具有二分路配置的光电侦测装置200a为一二分路配置结构。

光电转换器170配置以将入射光il于输出端110a转换为电信号ia1，以及将入射光il于输出端110b转换为电信号ia2，其中，电信号ia1以及电信号ia2为光电流。光电转换器170具有多种实施方式，细节将描述如后。迭接晶体管130a耦接于光电转换器170与重置晶体管141a之间，尤其，迭接晶体管130a的通道端点(例如源极端)耦接于光电转换器170的输出端110a，且迭接晶体管130a的另一通道端点(例如汲极端)耦接于重置晶体管141a的一通道端点(例如源极端)。同样地，迭接晶体管130b耦接于光电转换器170与重置晶体管141b之间，尤其是，迭接晶体管130b的一通道端点(例如源极端)耦接于光电转换器170的输出端110b，且迭接晶体管130b的另一通道端点(例如汲极端)耦接于重置晶体管141b的一通道端点(例如源极端)。在一些实施方式中，迭接晶体管130a和130b、重置晶体管141a和141b、源极随耦器晶体管142a和142b，以及列选取晶体管143a和143b皆可用nmos晶体管或pmos晶体管来实作。

在操作光电侦测装置100b的期间，电容150a上的通道端点120a可通过重置晶体管141a充电至重置电压vddr。举例来说，藉由一重置信号rst令重置晶体管141a操作在饱和区或三极管区(trioderegion)，会使得电流流过电容150a上的重置晶体管141a，并且将电容150a充电至重置电压vddr。同样地，电容150b上的通道端点120b会通过重置晶体管141b充电至重置电压vddr。举例来说，藉由使用重置信号rst令重置晶体管141b操作于饱和区或三极管区，会使得电流流过电容150b上的重置晶体管141b，并且将电容150b充电至重置电压vddr。值得注意的是，重置电压vddr可相同于或不同于电源电压vdd。

一旦上述充电已完成，光电转换器170产生的电信号ia1以及ia2的积分可开始进行。迭接晶体管130a可通过产生于迭接晶体管130的闸极端的控制电压vc1，以控制起始或结束所述积分步骤。举例来说，控制电压vc1可被设定来将迭接晶体管130操作在子临界区或饱和区，使得产生于端点110a的电压va1可被为值在一近乎恒定的偏压。同样地，通过产生于迭接晶体管130b的闸极端的控制电压vc2，可控制迭接晶体管130b起始或中止所述积分操作。举例来说，控制电压vc2可被设定来将迭接晶体管130b操作在子临界区或饱和区，使得产生于端点110b的电压va2可维持在一近乎恒定的偏压。由于分别产生于端点110a以及端点110b的电压va1以及va2稳定且相对较低，光电转换器170所产生的暗电流可被抑制。

二分路tof的应用

图2b介绍了具有二分路设计的光电侦测装置200b，其应用于tof，尤其是，本实施例介绍了光电转换器170的配置，包含一光电二极管172、开关171a以及171b.

根据本实施例，若同时采用大于开关171a的临界电压的开关信号tg1以及低于开关171b的临界电压的开关信号tg2，由光电二极管172产生的光产生载子(photo-generatedcarrier)将会被导向至流过迭接晶体管130a。反之，若同时采用大于开关171b的临界电压的开关信号tg2以及小于开关171a的临界电压的开关信号tg1，由光电二极管110产生的光产生载子将会被导向流过迭接晶体管130b。

详细来说，开关信号tg1以及所述开关信号tg2为解调信号。于一实施方式中，开关信号tg1以及所述开关信号tg2彼此不同。于另一种实施方式中，开关信号tg1以及所述开关信号tg2所使用的频率信号的责任周期为(dutycycle)50％。于其他可能的实施方式中，责任周期可能不同，例如30％。在一些实施方式中，方波(squarewave)被使用作为调变及解调信号。在一些实施方式中，弦波(sinusoidalwave)被使用作为调变及解调信号，而非方波。

在积分操作期间，当开关信号tg1导通开关171a且入射光il进入时，电容150a会进行放电。同样地，当开关信号tg2导通开关171b且入射光进入时，电容150b会进行放电。如此一来，光电流ia1以及光电流ia2会于积分操作期间轮流产生。经过一预定时间的积分，输出电压vout1会降至一稳定值(settledvalue)且输出电压vout2会降至另一稳定值。根据选取信号sela、selb，输出电压vout1的稳定值会通过源极随耦器晶体管142a以及列选取晶体管143a被读出至位线bl-a，而输出电压vout2的稳定值会通过源极随耦器晶体管142b以及列选取晶体管143b被读出至位线bl-b。通过使用不同的调变及/或解调相位来重复执行上述流程，所述系统可决定出一目标对象与光电侦测装置200b之间的距离。

光电侦测装置200b的光电转换器170有多种实施方式。举例来说，光电侦测装置200b的光电转换器170可套用图1d～图1h所示的光电转换器170的该些实施例，但使用者也可用其他的实施例来实现光电转换器170。

二分路光学路由器应用

图2c介绍了具有光学路由器(opticalrouter)的光电侦测装置200c。如图2c所示，光电转换器170包含一光学路由器1703以及光电二极管1704、1705。光学路由器1703配置以将入射光il导向至光电二极管1704或光电二极管1705，以使光电二极管1704以及光电二极管1705分别将入射光il转换成电信号ia1以及ia2。

光电侦测装置200c的光学路由器1703可用以下方式来实现：液晶、pn接角接面(pn/pinjunctions)、微机电系统(micro-electro-mechanical-system，mems)、电容、导热垫(thermalheatingpads)、具有2阶或3阶非线性的非线性晶体(nonlinearcrystals)或其他有效的手段，以通过一可用空间(free-space)或一介电空间(dielectric-space)或一光子集成电路(photonicintegratedcircuit，pic)将入射光il导向至光电二极管1704或光电二极管1705。

二分路cis应用

二分路设计可用于cmos影像传感器(cmosimagesensor，cis)，并且可用以进行二维感测。如图2d-1所示，用于cmos影像传感器的光电侦测装置200d包含：光电转换器170、迭接晶体管130a和130b、重置晶体管141a和141b、源极随耦器晶体管142a和142b、列选取晶体管143a和143b、电容150a和150b，以及位线bl-a和bl-b。

相较于图2b的光电侦测装置200b，光电侦测装置200d的结构相同于光电侦测装置200b的结构，但两者的操作彼此不同。

于一开始，重置信号rst将输出电压vout1重置到重置电压vddr，并且将输出电压vout2重置到重置电压vddr。当开关信号tg1导通开关171a时会换产生电信号ia1，且电容150a上的输出电压vout1将会降低直到开关信号tg1关闭所述晶体管(171a)。同样地，当所述开关信号tg2导通开关171b，会产生电信号ia2，且电容1502上的输出电压vout2将会降低直到开关信号tg2关闭所述晶体管(171b)。

相较于tof的应用，用于2d感测应用的开关信号tg1、tg2可同时导通开关171a、171b并且将其导通较长的时间周期(例如100μs、500μs、1ms、5ms，或类似的时间间隔)以吸收入射光il，而不使用解调信号。换言之，右侧电路rs以及左侧电路ls可被对称地操作。在其他实施方式中，右侧电路rs以及左侧电路ls可各自被独立地操作。光电侦测装置200d可将开关171a或开关171b导通一段较长的时间区间(例如100μs、500μs、1ms、5ms，或其他类似的时间间隔)而非使用解调信号，来吸收入射光il以进行2d感测。也就是说，右侧电路rs以及左侧电路ls其中一者关闭。

迭接晶体管130a被配置为缓存器，耦接于光电转换器170以及重置晶体管141a之间。尤其是，迭接晶体管130a的一通道端点(例如汲极端)耦接于重置晶体管141a的一通道端点(例如源极端)；以及，迭接晶体管130a的一通道端点(例如源极端)耦接于晶体管171a的一通道端点(例如汲极端)。迭接晶体管130a的控制端点(例如闸极端)耦接于一控制电压vc1。在一些实施方式中，开关171a、迭接晶体管130a、重置晶体管141a、源极随耦器晶体管142a以及列选取晶体管143a可用nmos晶体管或pmos晶体管来实作。

同样地，迭接晶体管130b配置为一缓存器，耦接于光电转换器170以及重置晶体管141b之间。尤其是，迭接晶体管130b的一通道端点(例如汲极端)耦接于重置晶体管141b的一通道端点(例如源极端)；以及，迭接晶体管130b的一通道端点(例如源极端)耦接于晶体管171b的一通道端点(例如汲极端)。迭接晶体管130a的控制端点(例如闸极端)耦接于一控制电压vc2。在一些实施方式中，开关171b、迭接晶体管130b、重置晶体管141b、源极随耦器晶体管142b以及列选取晶体管143b可用nmos晶体管或pmos晶体管来实作。

由于迭接晶体管130a耦接于光电转换器170的输出端110a与重置晶体管141a的通道端点(例如源极端)之间，当所述迭接130a晶体管操作于饱和区或子临界区时，光电转换器170的输出端110a以及重置晶体管141a的通道端点(例如源极端)会被断开。此外，产生于光电转换器170的输出端110a的电压va1可被控制或偏压在恒定电压va1以降低光电转换器170所产生的暗电流。

同样地，由于迭接晶体管130b耦接于光电转换器170的输出端110b与重置晶体管141b的通道端点(例如源极端)之间，当迭接130b晶体管操作于饱和区或所述子临界区时，光电转换器170的输出端110b与重置晶体管141a的通道端点(例如源极端)的连接会被断开。产生于光电转换器170的输出端110b的电压va2可被控制或偏压在恒定电压va2以降低光电转换器170所产生的暗电流。

于一实施方式中，迭接晶体管130a的控制端点(例如闸极端)以及晶体管171a的所述控制端点(例如闸极端)可互相耦接，这意谓控制电压vc1以及开关信号tg1为相同，并且用于导通/关闭迭接晶体管130a以及晶体管171a。

同样地，于一实施方式中，迭接晶体管130b的控制端点(例如闸极端)以及晶体管171b的控制端点(例如闸极端)可互相耦接，这意谓控制电压vc2与所述开关信号tg2为相同，并且用以导通/关闭迭接晶体管130a以及晶体管171a。

于一实施方式中，迭接晶体管130a的控制端点(例如闸极端)与晶体管171a的控制端点(例如闸极端)可被断开，这意谓控制电压vc1以及开关信号tg1彼此不同，其中所述控制电压vc1为一恒定电压且开关信号tg1为用以导通/关闭晶体管171a的一信号。

同样地，于一实施方式中，迭接晶体管130b的控制端点(例如闸极端)与晶体管171b的控制端点(例如闸极端)可被断开，这意谓控制电压vc2与开关信号tg2彼此不同，其中控制电压vc2为一恒定电压且所述开关信号tg2为用以导通/关闭晶体管171a的信号。

源极随耦器晶体管142a以及列选取晶体管143a配置以根据选取信号sela将输出电压vout1读出至位线bl-a。

同样地，源极随耦器晶体管142b以及列选取晶体管143b配置以根据选取信号selb将输出电压vout2读出至位线bl-b。

图2d-2介绍了光电侦测装置200d以及其光电二极管172的结构。在本实施例中，光电二极管172为一垂直类型光电二极管，其中n型掺杂区n+以及p型掺杂区p+配置为一垂直方向，以及一吸光材质(例如锗或锗化硅)形成于所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+之间。在一些实施方式中，形成于所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+之间的所述吸光材质由半导体基板(例如硅或硅化锗)所提供。另一方面，于一实施方式中，开关171a、开关171b以及光电二极管172可被制造在同一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，光电二极管172可被制造在一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，图2d-2中所有元件可被制造在同一芯片。另外，光电转换器170可通过后入射式(back-sideincident，bsi)或是前入射式(front-sideincident，fsi)的方式来实作，亦即可从芯片的底部或是芯片的上方接收光线il。

图2d-3介绍了光电侦测装置200d以及其光电二极管172的结构。在本实施例中，光电二极管172为一水平类型光电二极管，其中n型掺杂区n+以及p型掺杂区p+配置为一水平方向，且一吸光材质(例如锗)覆盖了所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+。在一些实施方式中，所述吸光材质覆盖于所述n型掺杂区n+以及所述p型掺杂区p+的表面，并且由半导体基板(例如硅或硅化锗)。另一方面，于一实施方式中，开关171a、开关171b以及光电二极管172可被制造在同一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，光电二极管172可被制造在一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，图2d-3中所有元件可被制造在同一芯片。另外，光电转换器170可通过后入射式(back-sideincident，bsi)或是前入射式(front-sideincident，fsi)的方式来实作，亦即可从芯片的底部或是芯片的上方接收光线il。

图2d-4介绍了光电侦测装置200d以及其光电二极管172的结构图。在本实施例中，光电二极管172为一水平类型光电二极管，其中n型掺杂区n+以及p型掺杂区p+配置为一水平方向。相较于图1d-3，本实施例使用硅半导体基板作为一光吸收材质(light-absorptionmaterial)。另一方面，于一实施方式中，开关171a、171b以及光电二极管172可被制造在同一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，光电二极管172可被制造在一芯片，其他的元件可被制造在另一芯片。于一实施方式中，图2d-4中所有元件可被制造在同一芯片。另外，光电转换器170可通过后入射式(back-sideincident，bsi)或是前入射式(front-sideincident，fsi)的方式来实作，亦即可从芯片的底部或是芯片的上方接收光线il。

图2a至图2d-4介绍了具有二分路设计的光电侦测装置，其可用于3d感测应用(例如tof应用)或2d感测应用(例如cis应用)，其中3d感测应用使用解调信号来取得影像深度信息。然而，2d感测应用使用非解调(non-modulating)信号来取得影像强度信息。

其他实施方式

上述光电侦测装置可包含耦接于光电转换器170以及重置晶体管(例如重置晶体管141a或141b)之间的迭接晶体管(例如迭接晶体管130a或130b)。在一些实施方式中，所述迭接晶体管可被移除，如图3a以及图3b所示。图3a为具有单分路设计的光电侦测装置300a，且图3b为具有二分路设计的光电侦测装置300b。同样地，光电侦测装置300a以及300b可被配置以基于开关信号tg1以及tg2的信号特性来进行2d或3d感测。

以上实施例介绍了具有单分路设计或二分路设计的光电侦测装置。在一些实施方式中，分路的数量可大于2。举例来说，使用者可根据不同设计需求来用四分路(4-tap)或更多分路来实现光电侦测装置。

多重置机制

由于所述光电侦测装置可用于不同环境，诸如强环境光(strongambientlight)或弱环境光(weakambientlight)的环境，暗电流可为影响稳定性的因子(factor)。以下实施例提供一些运用多重置(multi-reset)的解决方案，其中重置储存于所述电容的电荷的动作于所述储存电荷耗尽的前执行，以进一步稳定所述光电侦测装置。

图4a为光电侦测装置的操作的时序图，值得注意的是，此时序图可被应用至任一实施例的光电侦测装置，包括2d或3d感测应用。如图4a所示，所述光电侦测装置包含睡眠模式、积分模式以及数据转换模式。于一开始，所述光电侦测装置硅操作于睡眠模式，在此期间没有任何操作。多重置机制可被应用来取得每一子讯框(subframe)的深度或强度信息，换言之，于一子讯框的构成时间内，重置信号rst的重置次数等于或大于2。若于重置信号rst正插入(光电侦测装置200a)的时间点，电容150a、150b可被充至电压vddr。如此一来，当入射光il进入且产生电信号ia1、ia2时，电容150a、150b将会放电。经过一积分时间(例如tsf11)，所述电压vout1以及vout2会分别降低至稳定电压，之后，这两个稳定电压可于数据转换期间被分别读出至位线bl-a以及bl-b。在本实施例中，于完成一子讯框(例如子讯框1)之前，重置信号rst共进行了4次(例如时间点t1，t3，t5以及t7)。换言之，每个子讯框的每个画素的深度或强度信息基于四个稳定电压(例如所分别位于时间点t2、t4、t6以及t8的稳定电压)。在取得多个子讯框后，一最终3d讯框可根据该些子讯框(例如20个子讯框、40个子讯框、60个子讯框或其他数量的子讯框)来得出。举例来说，所述最终3d讯框可根据这些子讯框的平均值来得出，或通过对每个子讯框提供不同权重来得出。类似的计算和方法可套用至2d感测。通过对于所述子讯框的这些计算，所述最终2d/3d讯框的准确度可得到提升。虽然本实施例采用四个重置信号rst来做举例，使用者当可使用2个或以上的重置信号rst来取得子讯框。另一方面，上述多重置机制可被使用于单分路、二分路或更多分路的设计。另外，所述重置频率可根据实际设计需求来配置为固定(fixed)或动态(dynamic)。

图4b介绍了用于进行3d感测的光电侦测装置的时序图，其用以感测影像深度。如图4b所示，开关信号tg1、tg2为解调信号。在本实施例中，于一积分操作期间，解调信号(例如开关信号tg1或tg2)为一连续方波信号，尤其是，所述解调信号具有相位偏移。在本实施例中，每个开关信号tg1或tg2包含四个相位的相位偏移(0度，180度，90度以及270度)。所述四个相位的相位偏移依序被应用。以开关信号tg1作举例，开关信号tg1于tsf11期间套用0度相位、于tsf12期间套用180度相位、于tsf13期间套用90度相位、于tsf14期间套用270度相位，以此类推。开关信号tg2为开关信号tg1的反相信号。在所述光电侦测装置为单分路设计的情况下，使用者可仅使用开关信号tg1。通过应用所述相位偏移开关信号，可取得更精确的影像深度信息。

图4c介绍了用于2d感测应用的光电侦测装置的时序图，其用于感测影像强度。如图4c所示，开关信号tg1、tg2为相同并且皆为非解调信号。在本实施例中，开关信号tg1、tg2为导通信号，以于一积分期间同时将开关171a、171b导通，使得图2d-1至图2d-4所示的光电侦测装置可取得影像强度。于一实施方式中，若光电侦测装置为单分路设计，如图1j-1～图1j-4所示，使用者可仅使用开关信号tg1。于另一种实施方式中，若所述光电侦测装置如同图2d-1～图2d-4所示的二分路设计，用户可使用开关信号tg1并且禁用开关信号tg2。

根据上述诸实施例，本发明整合了耦接于重置晶体管以及光电转换器之间的迭接晶体管，其中所述迭接晶体管能够于所述光电转换器的输出端提供一低准位恒定电压，并且可被配置为一电流缓存器。通过此配置，所述光电转换器所产生的暗电流可被降低且讯杂比(signal-to-noiseratio)也可因此提高。

在一些实施方式中，所述光电转换器使用形成于半导体基板上的吸光材质，其中所述吸光材质不同于所述半导体基板。举例来说，锗硅技术(ge-on-sitechnology)采用吸光材质ge(1-x)six，其中0≤x<1，其形成于硅半导体基板上以修收入射光。此技术可吸收具有较长的近场红外光(near-infrared，nir)波长(例如所述波长可大于940nm，或甚至大于1100nm)，以保护人眼。

另外，在光电侦测装置使用多重置机制可防止所述电荷耗尽的问题并且增加所述光电侦测装置的稳定性。此外，亦可采用所述相位偏移开关信号来取得改善精确度的影像深度信息。

虽然本发明以示例的方式以及优选的实施例的来作描述，但本领域通常知识者应当理解本发明不限于此。反之，本发明旨在涵盖各种修改以及类似的布置和程序，因此所附权利要求的范围应被赋予所述最广泛的解释，以涵盖所有此类修改以及类似的布置和程序。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。