用于飞行时间测量的带有升压光电二极管的图像传感器的制作方法

本发明大体来说涉及半导体装置，且特定来说但非排他地涉及飞行时图像传感器。

背景技术：

对三维(3d)相机的兴趣正随着3d应用的流行不断在例如成像、电影、游戏、计算机、用户接口、面部辨识、对象辨识、增强现实及类似物的领域中增长而增加。用以创建3d图像的典型被动方式为使用多个相机来捕获立体或多个图像。使用立体图像，可对图像中的对象进行三角测量以创建3d图像。此三角测量技术的一个缺点为使用小装置难以创建3d图像，此是因为每一相机之间必须存在最小分离距离以便创建三维图像。另外，此技术是复杂的，且因此需要显着计算机处理能力以便即时地创建3d图像。

对于需要实时获取3d图像的应用，有时利用基于飞行时间测量的主动深度成像系统。飞行时间相机通常采用：将光引导于对象处的光源，检测从对象反射的光的传感器，及基于光来往于对象行进所花费的往返时间而计算到所述对象的距离的处理单元。

采集3d图像的持续挑战是平衡飞行时间相机的期望性能参数与系统的物理大小及功率限制。例如，用于对近处及远处对象成像的飞行时间系统的功率要求可能是相当不同的。这些挑战是由外部参数进一步复杂化(例如，相机的所期望帧速率、深度分辨率，及横向分辨率)以及固有参数(例如，传感器的量子效率、填充因数、抖动及噪声)。

技术实现要素：

在一个方面中，本申请案提供一种图像传感器，其包括：光电二极管，其安置在半导体材料中以响应于图像传感器被图像光照射而将图像光转换成电信号；第一掺杂区及第二掺杂区，其安置在半导体材料中在半导体材料的第一侧与光电二极管之间；第一存储节点及第二存储节点，其安置在半导体材料中，其中第一掺杂区位于第一存储节点与第二掺杂区之间，且其中第二掺杂区位于第二存储节点与第一掺杂区之间；第一垂直传送栅极，其耦合在光电二极管与第一存储节点之间以响应于第一传送信号将电信号从光电二极管传送到第一存储节点；及第二垂直传送栅极，其耦合在光电二极管与第二存储节点之间以响应第二传送信号将电信号从光电二极管传送到第二存储节点。

在另一方面中，本申请案提供一种飞行时间成像系统，所述系统包含：光电二极管，其安置在半导体材料中，以响应于系统被图像光照射而将图像光转换成电信号；第一结电容器及第二结电容器，每一者耦合到光电二极管的相应部分；第一传送栅极，其耦合在第一结电容器与第一存储节点之间以响应于第一传送信号将电信号从光电二极管的相应部分传送到第一存储节点；第二传送栅极，其耦合在第二结电容器与第二存储节点之间以响应于第二传送信号将电信号从光电二极管的相应部分传送到第二存储节点。

在又一方面中，本申请案提供一种用于图像传感器的操作的方法，所述方法包括：将偏压选择性地施加到第一结电容器的第一掺杂区、第二结电容器的第二掺杂区、第三结电容器的第三掺杂区及第四结电容器的第四掺杂区以将第一结电容器、第二结电容器、第三结电容器及第四结电容器中的每一者的结电容耦合到光电二极管；且选择性地启用第一垂直传送栅极、第二垂直传送栅极、第三垂直传送栅极及第四垂直传送栅极以将由光电二极管响应于入射图像光生成的电信号传送到第一存储节点、第二存储节点、第三存储节点及第四存储节点中的相应者，其中，结电容提供电场以将来自光电二极管的电信号驱动到第一存储节点、第二存储节点、第三存储节点及第四存储节点中的相应者。

附图说明

以下参考下图描述本发明非限制性及非穷尽实例，其中除非另有规定贯穿各种视图相同参考编号指代相同零件。

图1为展示根据本发明的教示的飞行时间相机的一个实例的框图。

图2a为根据本发明的教示的实例图像传感器的自上而下说明，其可包含在图1的飞行时间相机中。

图2b为根据本发明的教示的沿着线a-a'切割的图2a的图像传感器的横截面说明。

图3a展示根据本发明的教示的包含一个源极跟随器电路的像素电路图，其可包含图2a的图像传感器。

图3b为根据本发明的教示的包含在图3a中的像素电路的读出周期的时序图。

图3c为根据本发明的教示的包含在图3a中的像素电路的信号读出的时序图。

图4a展示根据本发明的教示的包含两个源极跟随器电路的像素电路图，其可包含图2a的图像传感器。

图4b为根据本发明的教示的包含在图4a中的像素电路的信号读出的时序图。

图5a展示根据本发明的教示的包含四个源极跟随器电路的像素电路图，其可包含图2a的图像传感器。

图5b为根据本发明的教示的包含在图5a中的像素电路的信号读出的时序图。

图6a展示根据本发明的教示的包含具有样本保持电路的四个源极跟随器电路的像素电路图，其可包含图2a的图像传感器。

图6b为根据本发明的教示的包含在图6a中的像素电路的信号读出的时序图。

图7a根据本发明的教示展示一个可能的像素电路，其可包含图2a的图像传感器。

图7b为根据本发明的教示的包含在图7a中的像素电路的信号读出的时序图。

图8为根据本发明的教示展示具有对应读出电路、控制电路及功能逻辑的实例飞行时间成像系统的部分的框图。

对应参考字符贯穿图式的数个视图指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为了简单及清楚而说明，且不一定按比例绘制。例如，图中的元件中的一些元件的尺寸可相对于其它元件经放大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，为了便于更少地阻碍对本发明的这些各种实施例的观察，通常没有描绘在商业上可行的实施例中有用或必要的共同但充分理解的元件。

具体实施方式

本文描述用于具有用于飞行时间测量的增强光电二极管的图像传感器的设备、系统及方法的实例。在以下描述中，阐述众多具体细节以提供对实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在没有一或多个具体细节的情况下实践，或与其它方法、组件、材料等一起实践。在其它情况下，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。

贯穿本说明书对“实例”或“实施例”的引用意味着结合实例所描述的特定的特征、结构或特性是包含在本发明的至少一个实例中。因此，在贯穿本说明书中的各种地方出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”不一定全部是指相同的实例。此外，在一或多个实例中，可将特定特征、结构或特性以任何合适方式组合。

在此说明书中，使用数个术语。除非在本文中具体定义或其使用的上下文将另外明确建议，否则这些术语将具有其来自所属领域的普通含义。应注意，元件名称及符号可通过本文献互换使用(例如，si与硅相比)；但是，两者都有相同的含义。

在本发明的各种实施例中，飞行时间相机或图像传感器具有增加的速度，其中信号电子从光电二极管传送到存储节点。为了增加信号电子的传送速度，在光电二极管的垂直及水平方向上提供电场。此电场经定向以增加信号电子从光电二极管朝向存储节点的漂移速度。在一些实施例中，电场由组件(例如，光电二极管与存储节点)之间的内置势形成。在相同或其它实施例中，使用升压技术。升压技术使用pn结的结电容(例如，反向偏压二极管)以形成水平电场以增加信号电子的漂移速度。利用结电容优于来自mos电容器的电容的一个优点为pn结可相对于mos电容器可具有更小的物理尺寸要求。

在一些实施例中，飞行时间图像传感器包含对应于多个较小光电二极管的光电二极管，每一者电耦合在一起。多个较小的光电二极管中的每一者通过由pn结产生的耦合电容来升压。耦合电容归因于响应于经反向偏压的p-n结的结电容。至少部分地由于结电容，光电二极管在水平(例如，横向)方向上具有电场，所述电场经由传送栅极通过类似于电荷耦合装置(ccd)的操作的操作将信号电极加速到存储节点。耦合电容或结电容通过浅沟槽隔离结构隔离，以减少来自光电二极管的泄漏电流。在一些实施例中，传送栅极为垂直传送栅极。在一个实施例中，每单位面积的结电容可显着小于每单位面积的mos电容。

在相同或其它实施例中，图像传感器的飞行时间具有低驱动电压及低功率消耗的特征。例如，在一些实施例中，传送栅极电压可小于2伏特，这至少部分地归因于垂直传送栅极。由于传送栅极电压小于2伏特且耦合电容电压摆动也小于2伏特的低电压操作，可获得低功率消耗。低功率消耗可进一步归因于小的升压电容器(例如，p-n结的结电容)。低功率消耗可进一步归因于小的传送栅极大小，由于图像传感器的类似ccd的操作，可利用所述传送栅极大小。

图1为展示根据本发明的教示的飞行时间相机100的一个实例的框图。飞行时间相机100包含光源102、透镜116、图像传感器120(包含多个像素，例如第一像素122)、电路124及控制器126。控制器126耦合到光源102、电路124，及图像传感器120。图像传感器120经定位距透镜116的焦距flens处。如实例中所展示，光源102及透镜116位于距对象130距离l处。应了解，图1未按比例说明且在一个实例中焦距flens基本上比透镜116与对象130之间的距离小。因此，应了解，出于本发明的目的，距离l及距离l+的焦距flens基本上等于根据本发明的教示的飞行时间测量的目的。如所说明，图像传感器120、电路124及控制器126表示为单独的组件。然而，应了解，图像传感器120、电路124及控制器126可全部集成到同一堆叠芯片传感器上。在其它实施例中，图像传感器120、电路124及控制器126可集成到非堆叠的标准平面传感器上。此外，应理解，电路124可包含一或多个时间-数字转换器。在一些实施例中，每一像素可包含一或多个雪崩光电二极管(例如，单光子雪崩二极管)，其可与一或多个时间-数字转换器中的对应者相关联。还应了解，在一些实施例中，个别时间-数字转换器可与任何预定数目个像素相关联。此外，应了解，每一像素可具有对应存储器，用于存储用于对来自雪崩光电二极管的所检测到的光子进行计数的数字位或信号。

飞行时间相机100为3d相机，其基于图象传感器120进行的飞行时间测量计算要被成像的场景(例如，对象130)的图像深度信息。图像传感器120中的所述多个像素中的每一像素确定对象130的对应部分的深度信息，使得可生成对象130的3d图像。通过测量光从光源102传播到对象130并返回到飞行时间相机100的往返时间来确定深度信息。深度信息可基于由图像传感器120(例如，第一像素122)生成的电信号，所述电信号随后被传送到存储节点。如所说明，光源102(例如，发光二极管、垂直腔表面发光激光器等)经配置以将光104(例如，第一脉冲106)发射到距离l内的对象130。所发射光104然后从对象130作为反射光110反射，其中的一些传播朝向距离l内的飞行时间相机100，且入射于图像传感器120上作为图像光。包含在图像传感器120中的多个像素的每一像素(例如，第一像素122)包含光电检测器(例如，一或多个光电二极管，雪崩光电二极管，或单光子雪崩二极管)来检测图像光并将图像光转换成电信号(例如，信号电子，图像电荷等)。

如在所描绘的实例中所展示，可使用发射光104的脉冲(例如，第一脉冲106)从光源102传播到对象130并返回到图像传感器120的往返时间来使用以下方程式(1)及(2)中的以下关系来确定距离l：

其中c为光的速度，其大约等于3×10⁸m/s，而ttof对应于所述往返时间，其为光的脉冲行进往返如图1中所展示的对象所花费的时间量。因此，一旦知道往返时间，就可计算距离l并随后用于确定对象130的深度信息。

控制器126耦合到图像传感器120(包含第一像素122)、电路124及光源102，且包含在执行时致使飞行时间相机100执行用于确定往返时间的操作的逻辑。确定往返时间可至少部分地基于由电路124所生成的定时信号。定时信号表示光源102何时发光以及何时光电检测器检测到图像光。

在一些实例中，飞行时间相机100被包含在手持装置(例如，移动电话、平板、相机等)中，其至少部分地基于装置的大小确定尺寸及功率限制。替代地或另外地，飞行时间相机100可具有特定期望装置参数，例如帧速率、深度分辨率、横向分辨率等。

图2a到2b为根据本发明的教示的用于飞行时间测量的具有升压光电二极管的实例图像传感器200的自上而下及横截面说明。图像传感器200为包含在图1的飞行时间相机100中的图像传感器120的一个可能的实施方案。如图2a到2b中将展示，图像传感器200包含半导体材料201、光电二极管203、介电层208、金属触点210、第一掺杂区211、第二掺杂区213、第三掺杂区215、第四掺杂区217、第一结电容220、第二结电容器222、浅沟槽隔离(sti)结构219、第一垂直传送栅极221、第二垂直传送栅极223、第三垂直传送栅极225、第四垂直传送栅极227、第一存储节点231、第二存储节点233、第三存储节点235、第四存储节点237、第一输出栅极241、第二输出栅极243、第三输出栅极235、第四输出栅极247、第一浮动扩散251、第二浮动扩散253、第三浮动扩散255及第五浮动扩散257。

在各种实施例中，可利用各种材料及制造技术来形成图像传感器200。半导体材料201可具有si的合成物(例如，单晶或多晶si)。光电二极管203、第一掺杂区211、第二掺杂区213、第三掺杂区215、第四掺杂区217、第一存储节点231、第二存储节点233、第三存储节点235、第四存储器节点237、第一浮动扩散251、第二浮动扩散253、第三浮动扩散255，及第四浮动扩散257可通过将各种掺杂剂或成分(例如，b、al、n、ga、in、p、as、sb、ge等)掺杂或植入在半导体材料201的特定区内来来形成。介电层208及浅沟槽隔离结构219可由sio2、hfo2、si3n4及满足图像传感器200的特定绝缘要求的任何其它合适的电介质或绝缘材料形成。金属触点210可由ti、tini合金或不与si形成硅化物的任何其它金属形成。第一垂直传送栅极221、第二垂直传送栅极223、第三垂直传送栅极225、第四垂直传送栅极227、第一输出栅极241、第二输出栅极243、第三输出栅极235及第四输出栅极247可由以下形成：各种金属(例如，au、cu、ni、ti)、金属合金、多晶硅，以及所属领域的技术人员中一者已知的任何其它合适的材料。如所属领域的技术已知，其它金属、半导体及绝缘材料也可用于图像传感器200。可通过扩散、注入等形成半导体材料201的掺杂区。如所属领域的技术人员已知，例如光刻、化学蚀刻、离子注入、热蒸发、化学气相沉积、溅射等的制造技术可用于制造图像传感器200。

图2a为根据本发明的教示的实例图像传感器200的自上而下说明，其可包含在图1的飞行时间相机100中。所说明实施例呈现半导体材料201的第一侧202的自上而下的说明。半导体材料201的第一掺杂区211、第二掺杂区213、第三掺杂区215及第四掺杂区217经定位接近于半导体材料201的第一侧202且以2×2矩阵布置在第一垂直传送栅极221、第二垂直传送栅极223、第三垂直传送栅极225及第四垂直传送栅极227之间。掺杂区(211、213、215及217)直接布置在光电二极管203(未说明)的顶部上以将掺杂区(211、213、215及217)中的特定者的结电容耦合到光电二极管203的对应部分。sti结构219安置在掺杂区(211、213、215及217)之间且至少部分地围绕所述掺杂区。第一掺杂区211及第三掺杂区215之间的第一距离277基本上等于第一垂直传送栅极221及第三垂直传送栅极225之间的第二距离279。

在所说明实施例中，第一掺杂区211及第二掺杂区213位于第一垂直传送栅极221与第二垂直传送栅极223之间。更具体地，第一掺杂区211位于第一存储节点231与第二掺杂区213之间。第二掺杂区213位于在第二存储节点233与第一掺杂区211之间。类似地，第三掺杂区215及第二掺杂区217位于在第三垂直传送栅极225与第四垂直传送栅极217之间。更具体地，第三掺杂区215位于第四掺杂区217与第三存储节点235之间。第四掺杂区217位于第四存储节点237与第三掺杂区215之间。

如图2a中所说明，第一垂直传送栅极221、第二垂直传送栅极223、第一掺杂区211、第二掺杂区213、第一存储节点231及第二存储节点233沿着图像传感器200的第一方向a-a'横向地定向接近于半导体材料201的第一侧202。另外，第一输出栅极241、第二输出栅极243、第一浮动扩散区251及第二浮动扩散区253也可随后沿第一方向a-a'横向地定向接近于半导体材料201的第一侧202。类似地，第三垂直传送栅极225、第四垂直传送栅极227、第三掺杂区215、第四掺杂区217、第三存储节点235及第四存储节点237沿着第二方向b-b'横向地定向接近于半导体材料201的第一侧202。第三输出栅极245、第四输出栅极247、第三浮动扩散255，及第四浮动扩散257也可沿着第二方向b-b'横向定向接近于半导体材料201的的第一侧202。在一些实施例中，第一方向a-a'基本上平行于第二方向b-b'。在相同或其它实施例中，图像传感器200可沿着基本上平行于第一方向a-a'及第二方向b-b'的方向在第一掺杂区211与第三掺杂区215之间的中点上基本上相同。

图2b为根据本发明的教示的沿着线a-a'切割的图2a的图像传感器200的横截面说明。图像传感器200包含安置在半导体材料201中的光电二极管203。第一掺杂区211及第二掺杂区213安置在半导体材料201中在半导体材料201的第一侧202与光电二极管203之间。第一存储节点231及第二存储节点233安置在半导体材料201中，其中第一掺杂区211位于第一存储节点231与第二掺杂区213之间。第二掺杂区213位于第二存储节点233与第一掺杂区211之间。第一垂直传送栅极221耦合在光电二极管203与第一存储节点231之间。第二垂直传送栅极223耦合在光电二极管203与第二存储节点233之间。在一些实施例中，垂直传送栅极(例如，221、223、225及227)经涂覆电介质或绝缘材料以提供光电二极管203与对应垂直传送栅极(例如，221、223、225及227)之间的栅极氧化物。

如图2b中所说明，第一掺杂区211及第二掺杂区213定位在第一垂直传送栅极221与第二垂直传送栅极223之间。光电二极管203从第一垂直传送栅极221延伸到第二垂直传送栅极223使得光电二极管经定位垂直相邻于第一掺杂区211及第二掺杂区213。sti结构219安置在第一掺杂区211、第二掺杂区213与光电二极管203之间。在一个实施例中，sti结构219可进一步安置在垂直传送栅极(例如，221及223)与半导体的材料201的对应掺杂区(例如，211及213)之间。第一掺杂区211被包含在第一结电容器220中，其耦合到光电二极管203的第一部分。类似地，第二掺杂区213包含在第二结电容器222中，其耦合到光电二极管203的第二部分。第一结电容器220及第二结电容器222为在经由金属触点210反向加偏压(例如，偏压212及偏压214)时具有相应第一结电容及第二结电容的p-n结。如所说明，掺杂区(例如，211及213)具有p+掺杂分布。在一个实施例中，结电容器的n组件可安置在光电二极管203与掺杂区之间。在其它实施例中，结电容器的n组件可为光电二极管203的部分。例如，光电二极管203可为具有半导体材料201的n掺杂及p掺杂层的部分钉扎光电二极管。在其它实施例中，掺杂区(例如，211、213、215及217)可具有n+掺杂分布。应了解，可利用其它的掺杂分布，本文中明确描述的掺杂分布形成结电容器的p-n结。

图像传感器200利用垂直及水平电场增加电荷载子(例如，信号电子)从光电二极管203扩散到存储节点(例如，231、233、235及237)以促进改进飞行时间测量。响应于图像传感器203被图像光照射，光电二极管203将图像光转换成电信号(例如，电荷载流子、信号电子等)。信号电子然后被迅速从光电二极管203传送到存储节点(例如，231、233、235及237)。例如，第一垂直传送栅极221耦合在光电二极管203与第一存储节点231之间，以响应于第一传送信号将电信号从光电二极管203传送到第一存储节点231。例如，第二垂直传送栅极223耦合在光电二极管203与第二存储节点233之间，以响应于第二传送信号将电信号从光电二极管203传送到第二存储节点233。第一及第二传送信号创建对应的电场以促进信号电子(例如，电信号)从光电二极管203垂直地朝向对应存储节点(例如，分别231及233)传送。

为了进一步提高信号电子从光电二极管203传送到相应存储节点(例如，231、233、235及237)的速度，结电容器(例如，220及222)由反向加偏压掺杂区(例如，211、213、215及217)用来分别生成第一、第二、第三及第四结电容。掺杂区的偏压可在不同时间施加以跨越光电二极管生成水平电场以进一步沿水平方向(例如，平行于半导体材料201的第一侧202的方向)增加信号电子(例如，电信号)的漂移速度。例如，反向加偏压第一掺杂区211及第二掺杂区213将有助于将信号电子从光电二极管203内传送更靠近光电二极管203与对应掺杂区211及213之间的界面。然后，水平电场可通过去除第一掺杂区211(第二掺杂区213)上的偏压212(214)同时仍然将偏压214(212)施加到第二掺杂区213(第一掺杂区211)以增加信号电子朝向第二存储节点233(第一存储节点231)的漂移速度来形成。加偏压一个掺杂区而不是另一掺杂区在偏掺杂区之间产生电势差，这又形成增加信号电子漂移速度的水平电场。虽然此技术用于形成水平电场经描述为与两个掺杂区s211及213相关，但应了解，其它实施例可利用多于两个的掺杂区(例如，第一掺杂区211、第二掺杂区213、第三掺杂区215及第四掺杂区216都可用于形成水平电场)。类似地，所使用的掺杂区及/或结电容器的数目不应被视为限制性，且取决于图像传感器200的特定配置，可使用任何数目。

在图2b的所说明实施例中，一旦信号电子被传送到所述存储节点(例如，第一存储节点231及第二存储节点233)中的相应者，所述信号电子然后可响应于相应的第一输出信号或第二输出信号经由相应输出传送栅极(例如，第一输出传送栅极241及第二输出传送栅极243)再次被传送到对应浮动扩散(例如，第一浮动扩散251及第二浮动扩散253)。浮动扩散251及253可对应于图像传感器200的读出节点。根据本发明的教示，信号电子然后可被传送到其它读出电路或逻辑以供进一步处理。

图3a展示根据本发明的教示的包含一个源极跟随器电路的像素电路图300，其可包含图2a的图像传感器200。像素电路图300为飞行时间成像系统的一种可能实施方案，其包含图2a的图像传感器200。返回参考图3a，像素电路图300包含光电二极管203，其不同部分对应于pd1203-a、pd2203-b、pd3203-c及pd4203-d。光电二极管203的这些部分对应于接近于掺杂区(例如，图2a的211、213、215及217)的光电二极管203的区。如所说明，可对掺杂区加偏压，且具有耦合到光电二极管203(例如，203-a、203-b、203-c及203-d)的相应部分的结电容器(例如，第一结电容器220、第二结电容器222、第三结电容器324及第四结电容器326)。第一传送栅极221耦合在第一结电容器220与第一存储节点231之间。第二传送栅极223耦合在第二结电容器222与第二存储节点233之间。第一输出栅极241耦合第一存储节点231与读出节点361之间以响应于第一输出信号将电信号传送到读出节点361。类似地，第二输出栅极243耦合在第二存储节点233与读出节点361之间以响应于第二输出信号将电信号传送到读出节点361。

在所说明的实施例中，像素电路图300还包含用于从光电二极管203的读出信号电子的源极跟随器电路。源极跟随器电路包含复位栅极371、源极跟随器栅极373，以及行选择栅极375。像素电路图300的优点包含较少数目的装置及简单的读出时序。像素电路图300的第一部分可用于响应全局快门301信号，所述信号将像素电路300初始化或预设为初始化状态。像素电路图300的第二部分可用于在针对飞行时间测量发射光脉冲之前获取对应于图像传感器的背景噪声的背景信号302。

图3b为根据本发明的教示的包含在图3a中的像素电路300的读出周期的时序图350。更具体地，时序图350为从光电二极管(例如，图3a的光电二极管203)到存储节点(例如，图3a的第一存储节点231、第二存储节点233、第三存储节点235及第四存储节点237)的读出时序。时序图350的每一行对应于逻辑高或低(例如，开或关，1或0等)。led行对应于光源被激活(例如，如图1中所说明的光源102的所发射光104的脉冲106)。txb1、txb2、txb3及txb4的行各自对应于施加到掺杂区(例如，图2a的第一掺杂区211，第二掺杂区213，第三掺杂区215及第四掺杂区216)的偏压。用于tx1、tx2、tx3及tx4的行各自分别对应于传送信号(例如，施加到第一垂直传送栅极221、施加到第二垂直传送栅极的第二传送信号，施加到第三垂直传送栅极225的第三传送信号，及施加到图2a的第四垂直传送栅极227的第四传送信号)。

如图3b中说明，在第一时间段372期间，光电二极管复位到初始化状态且在第二时间段374期间读出背景信号。在第三时间段376期间，读出光电二极管的第一信号，且在第四时间段期间，读出光电二极管的第二信号。针对单个读出周期将信号电子从光电二极管传送到存储节点消耗数个步骤。此涉及将偏压选择性地施加到第一结电容器(例如，图3a的结电容器220)的第一掺杂区txb1(例如，图3a的txb1211)、第二结电容器(例如，图3a的结电容器222)的第二掺杂区txb2(例如，图3a的txb2213)、第三结电容器(例如，图3a的结电容器324)的第三掺杂区txb3(例如，图3a的txb3215)，及第四结电容器(例如，图3a的结电容器326)的第四掺杂区txb4(例如，图3a的txb4217)以将第一结电容器、第二结电容器、第三结电容器及第四结电容器中的每一者的结电容耦合到光电二极管(例如，图3a的pd1203-a、pd2203-b、pd3203-c及pd4203-d)。此过程还包含选择性地启用第一垂直传送栅极tx1(例如，图3a的tx1221)、第二垂直传送栅极tx2(例如，图3a的tx2223)、第三垂直传送栅极tx3(例如，图3a的tx3225)，以及第四垂直传送栅极tx4(例如，图3a的tx4227)以响应于入射图像光将由光电二极管生成的电信号传送到第一存储节点(例如，图3a的存储节点231)、第二存储节点(例如，图3a的存储节点233)、第三存储节点(例如，图3a的存储节点235)及第四存储节点(例如，图3a的存储节点237)中的相应者。结电容提供电场以将来自光电二极管的电信号驱动到第一存储节点、第二存储节点、第三存储节点及第四存储节点中的相应者。

更具体地，在第一时间段372期间，启用第四垂直传送栅极tx4，而第一垂直传送栅极tx1、第二垂直传送栅极tx2及第三垂直传送栅极tx3被禁用以将光电二极管预设为初始化状态(例如，执行电路的复位)。然后在第一时间段期间将偏压施加到第一掺杂区txb1、第二掺杂区txb2、第三掺杂区txb3及第四掺杂区txb4。然后以第一掺杂区txb1的顺序去除偏压，后续接着同时从第二掺杂区txb2及第三掺杂区txb3去除偏压，然后从第四掺杂区txb4去除偏压以经由第四垂直传送栅极tx4引导信号电子到第四存储节点(例如，图3a的存储节点237)。

在第二时间段374期间，启用第一垂直传送栅极tx1，而第二垂直传送栅极tx2、第三垂直传送栅极tx3及第四垂直传送栅极tx4被禁用以采集背景信号(例如，读出)。同时，将偏压施加到第一掺杂区txb1、第二掺杂区txb2、第三掺杂区txb3及第四掺杂区txb4。然后在第二时间段374期间以第四掺杂区txb4的顺序去除偏压，后续接着同时从第二掺杂区txb2及第三掺杂区txb3去除偏压，然后从第一掺杂区txb1去除偏压以经由第一垂直传送栅极tx1引导信号电子(例如，表示背景信号)到第一存储节点(例如，图3a的存储节点231)。

在第三时间段376期间，发射用于飞行时间测量的光led的脉冲，且采集/读出第一信号。在初始发射led的脉冲时，启用第二垂直传送栅极tx2，而第一垂直传送栅极tx1、第三垂直传送栅极tx3及第四垂直传送栅极tx4被禁用以读出图像传感器的第一信号。同时，将偏压施加到第一掺杂区txb1、第二掺杂区txb2、第三掺杂区txb3及第四掺杂区txb4。然后在第三时间段376期间以第三掺杂区txb3的顺序去除偏压，后续接着同时从第一掺杂区txb1及第四掺杂区txb4去除偏压，后续接着从第二掺杂区txb2去除偏压以经由第二垂直传送栅极tx2引导信号电子(例如，表示第一信号)到第二存储节点(例如，图3a的存储节点233)。

在第四时间段378期间，启用第三垂直传送栅极tx3，而第一垂直传送栅极tx1、第二垂直传送栅极tx2及第四垂直传送栅极tx4被禁用以采集图像传感器的第二信号(例如，读出)。同时，将偏压施加到第一掺杂区txb1、第二掺杂区txb2、第三掺杂区txb3及第四掺杂区txb4。然后以第二掺杂区txb2的顺序去除偏压，后续接着同时从第一掺杂区txb1及第四掺杂区txb4去除偏压，且然后后续接着从第三掺杂区txb3去除偏压以经由第三垂直传送栅极tx3引导信号电子(例如，表示第二信号)到第三存储节点(例如，图3a的存储节点235)。

图3c为根据本发明的教示的包含在图3a中的像素电路300的信号读出的时序图。图3c为针对像素电路300的逐行读出的一种可能实施方案。在所说明实施例中，使用相关双采样来实施逐行读出，其中获得每光电二极管部分的两个读出。如所说明，当最初启用输出传送栅极时，从选择行的存储节点(例如，图3a的存储节点241、243、245及247)读出信号(例如，作为sgn1到4)。然后施加复位信号并执行暗电流读出。注意，顺序地完成og1到4、sgn1到4及drk1到4的读出。换句话说，在不同时间读出光电二极管部分中的每一者。

图4a展示根据本发明的教示的包含两个源极跟随器电路sf1373及sf2473的像素电路图400，其可包含图2a的图像传感器200。在许多方面中，像素电路图400类似于像素电路图300。如图4a中所说明，一个区别在于像素电路图400包含两个源极跟随器电路sf1373及sf2473，而不是图2a中所说明的单个源极跟随器电路sf1373。添加图4a的第二源极跟随器电路sf2473可提供更快的信号读出且由于更快的读出而经改进的暗电流。如图4a中所说明，像素电路400包含耦合到og1241及og3245的第一读出节点361以及耦合到og2243及og4247的第二读出节点463。更具体地，第一输出传送栅极241(例如，晶体管)耦合到第一存储节点231以将电信号(例如，信号电子)传送到第一读出节点361。第二输出栅极243(例如，晶体管)耦合到第二存储节点233以将电信号传送到第二读出节点463。注意，第一读出节点361及第二读出节点463为像素电路400的不同且且分离的读出节点。这至少部分地通过使第一读出节点361耦合在第一输出栅极241与第一个源跟随器电路之间来完成。类似地，第二读出节点463耦合在第二输出栅极243与第二源极跟随器电路之间。

图4b为根据本发明的教示的包含在图4a中的像素电路400的信号读出的时序图480。图4b为针对像素电路400的逐行读出的一种可能实施方案。时序图480在许多方面类似于图3c的时序图380。一个区别是对于同时读出某些元件可能由于在图4a中添加像素电路400的源极跟随器电路而发生。因此，可同时发生og1(og3)、og2(og4)、sng1(sng3)、sng2(sng4)的读出。类似地，在启用og1(og3)及og2(og4)时也可同时发生drk1(drk3)及drk2(drk4)的读出。通过同时启用rst1(rst3)及rst2(rst4)，也可更快地完成复位操作。

图5a展示根据本发明的教示的像素电路图500，其包含四个源极跟随器电路sf1373、sf2473、sf3573及sf4583，且其还可包含图2a的图像传感器200。像素电路图500类似于图3a的像素电路图300及图4a的像素电路图400。如图5a中所说明，一个区别在于像素电路图500包含四个源极跟随器电路sf1373、sf2473、sf3573及sf4583，每者分别耦合到光电二极管的对应部分(例如，pd1203-a、pd2203-b、pd3203-c及pd4203-d)。包含四个源极跟随器电路sf1373、sf2473、sf3573及sf4583允许更快的读出及由于更快的读出而经改进的暗电流。如所说明，第一输出栅极241耦合在第一存储节点231与读出节点361之间以响应于第一输出信号将电信号传送到第一读出节点361。类似地，第二输出栅极243耦合在第二存储节点233与读出节点463之间以响应于第二输出信号将电信号传送到第二读出节点463。第三输出栅极245耦合在第三存储节点235与第三读出节点561之间以响应于第三输出信号将电信号传送到第三读出节点561。第四输出栅极247耦合在第四存储节点237与第四读出节点563之间以响应于第四输出信号将电信号传送到第四读出节点563。对于读出节点(例如，361、463、561及563)中的每一者，电信号对应于从所述光电二极管的相应部分传送的信号电子。

图5b为根据本发明的教示的包含在图5a中的像素电路500的信号读出的时序图580。图5b为针对像素电路500的逐行读出的一种可能实施方案。时序图580在许多方面类似于图4b的时序图480及图3c的时序图380。一个区别为同时发生对rst1到4、og1到4、sgn1到4及drk1到4中的每一者的同时读出。例如，通过同时启用rst1到4，可更快地完成复位操作。类似地，可同时发生启用输出晶体管og1到og4及读出sgn1到sgn4。也同时执行节点中的每一者的暗电流读出(drk1到4)。

图6a根据本发明的教示展示像素电路600，包含四个源极跟随器电路sf1373、sf2473、sf3573及sf4583，每一者耦合到样本保持电路sh1643、sh2653、sh3663及sh4673，其可与图2a的图像传感器200一起包含。像素电路图600在许多方面类似于图5a的像素电路图500。如图6a中所说明，一个区别在于像素电路图600包含耦合在复位栅极(例如，371、471、571及581)与对应读出节点(例如，361、463、561、563)之间的四个样本保持电路。例如，样本保持电路包含耦合到样本保持电容器(例如，csh1641、csh2651、csh3661及csh4671)的样本保持传送栅极(sh1643、sh2653、sh3663及sh4673)。像素电路图600可有利地导致更快的信号读出，由于更快读出而减小的暗电流，而且很少与ktc噪声(例如，电容器的热噪声)相关联的信号噪声。

图6b为根据本发明的教示的包含在图6a中的像素电路600的信号读出的时序图680。图6b为针对像素电路600的逐行读出的一种可能实施方案。时序图680在许多方面类似于图5b的时序图580。一个区别为样品保持传送栅极sh1到4(例如，643、653、663、673)经启用以将信号传送到对应电容器csh1到4(例如，641、651、661、671)同时读取暗电流drk1到4。类似地，全局复位现在包含复位样本保持电容csh1到4。

图7a展示根据本发明的教示的一个可能的像素电路700，其可包含图2a的图像传感器200。像素电路图700在许多方面类似于图3a的像素电路图300。一个区别在于像素电路图700包含四个存储栅极sg1到4(例如，741、743、745及747)。存储晶体管中的每一者耦合在光电二极管的部分(例如，pd1203-a、pd2203-b、pd3203-c及pd4203-d)与输出传送栅极og1到4(例如，241、243、245及247)中的对应者之间。使用存储晶体管暂时保持信号电子可减少暗电流及ktc噪声。

图7b为根据本发明的教示的包含在图7a中的像素电路700的信号读出的时序图780。图7b为针对像素电路700的逐行读出的一种可能实施植入。时序图780在许多方面类似于时序图380。一个区别是在读出输出传送栅极及传送信号sgn1到4之前读出暗电流drk1到4。类似地，全局复位现在包含复位存储传送栅极sg1到4。

图8为根据本发明的教示展示具有对应读出电路814、控制电路818及功能逻辑126的实例飞行时间成像系统800的部分的框图。成像系统800包含图像传感器120，其包含具有光电检测器831的像素阵列821的第一像素122。如所说明，根据本发明的教示，成像系统800进一步包含读出电路814、时间-数字转换器824、控制电路818，以及控制器(例如，功能逻辑)126。注意，成像系统800可以堆叠芯片方案实施。例如，根据本发明的教示，如实例中所展示，像素阵列821可包含在像素芯片中，而读出电路814、时间-数字转换器828及控制电路818可包含在单独的专用集成电路(asic)裸片中。在实例中，根据本发明的教示，像素裸片及asic裸片在制作期间堆叠及耦合在一起以实施飞行时间成像系统。在其它实施例中，可使用成像系统800的非堆叠实施方案。例如，像素芯片(包含像素阵列821)、读出电路814、时间-数字转换器824、控制器126及控制电路818可制造在相同的si衬底上。通常，应了解，飞行时间成像系统800可以堆叠及非堆叠解决方案实施。

就计算机软件及硬件来描述上文所阐释的过程。所描述的技术可构成体现于有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储媒体内的机器可执行指令，所述机器可执行指令在由机器(例如，图1的控制器126)执行时将致使所述机器执行所描述的操作。另外，所述过程可体现在硬件内，例如专用集成电路(“asic”)、场可编程栅极阵列(fpga)或其它。

有形机器可读存储媒体包含以可由机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一组一或多个处理器的任何装置等)存取的非暂时形式提供(即，存储)信息的任何机制。举例来说，机器可读存储媒体包含可记录/非可记录媒体(例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁碟存储媒体、光学存储媒体、快闪存储器装置等)。

本发明的所说明实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)并非旨在穷举或将本发明限制于所揭示的精确形式。虽然本文中出于说明的目的描述本发明的具体实例，但如所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。

根据以上详细描述，可对本发明进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中所揭示的具体实例。相反，本发明的范围完全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。