用于调制的图像捕获的系统和方法与流程

本公开大体涉及像素元件和图像传感器；更具体地说，涉及用于捕获图像的系统。此外，本公开还涉及用于测量与像素元件接收的光子通量相关联的第一导电类型移动电荷量的方法。

背景技术：

将图像传感器中产生的电荷快速引导到多个收集节点的能力是例如飞行时间(tof)成像中的关键操作。收集节点之间的切换可以用传统的cmos晶体管完成，或者通过引导传感器本身内的电荷来完成。例如，可以使用钉扎光电二极管(pinnedphotodiode)，并使用cmos开关晶体管来选择存储给定时间的电荷的电容器。在桥式电路中，来自光电二极管的电流被采样到电容器，使得电容器的极性在每个周期之间交替。在调制的tof电路中，电荷通过多个测量周期聚集到电容器，其中每个周期的持续时间非常短。在桥式电路中，由于短的周期时间，寄生电容限制了累积电压以及调制速度。

为了避免由寄生电容引起的限制，存在避免cmos开关的方法，并且电荷被引导到传感器自身内的不同收集节点。这种传感器的示例在davidstoppa等人于2011年在ieeejssc中已发表的题为“arangeimagesensorbasedon10umlock-inpixelsin0.18umcmosimagingtechnology(基于0.18μmcmos成像技术中的10um锁定像素的范围图像传感器)”的论文中进行了描述。该传感器是具有两个浮动扩散区(floatingdiffusion)的钉扎光电二极管。电荷被引导到具有栅极g1和g2的浮动扩散区中的任一个。该结构称为钉扎解调器。为了使传感器反应更快，栅极g1和g2在钉扎光电二极管上方进一步延伸。这有助于将光生电荷从钉扎光电二极管快速转移到浮动扩散区。这种掩埋沟道解调器需要透明栅极材料。

使用电荷耦合器件(ccd)将电荷引导到不同的传感器节点也是可能的，如在bernhardbuttgen等人于2008年在ieeetcas-i中已发表的题为“robustopticaltime-of-flightrangeimagingbasedonsmartpixelstructures(基于智能像素结构的鲁棒光学飞行时间范围成像)”的论文中强调的那样。

在andreasspickermann等人于2009年在esscirc中已发表的题为“pulsedtime-of-flight3d-cmosimagingusingphotogate-basedactivepixelsensors(使用基于光栅的有源像素传感器的脉冲飞行时间3d-cmos成像)”的论文中描述的基于光栅的电路使用光栅传感器。可以使用四个传输栅极将来自光栅的电荷转移到四个浮动扩散区。由激光器发射的脉冲被反射回传感器，并且通过四次量测来测量反射的脉冲，将每个反射的脉冲引导到不同的浮动扩散区。

题为“systemsforcmos-compatiblethree-dimensionalimagesensingusingquantumefficiencymodulation(使用量子效率调制的cmos兼容三维图像感测系统)”的授权美国专利us6580496b2，2003，描述了光电探测器中的量子效率调制原理。量子效率调制起作用，使得使用电压源交替地对彼此相邻的两个光电二极管的阴极施加高和低脉冲。在电压源和阴极之间，存在电容器，使得收集的电荷保留在阴极中。当电荷被收集到右侧阴极时，左侧阴极(n+)电压被设置得更低，右侧阴极电压被设置得更高。因此，右侧耗尽区具有更大的体积，因此具有更高的量子效率。在两个阴极之间还有一个栅极，可用于减少阴极之间的泄漏。us6580496b2的方法具有一些缺点。首先，由于脉冲电压源通过电容器连接到阴极，因此与阴极电容相比，电容器的电容需要很大。而且，因为阴极电容相对较大，所以调制效果不是很强，因为由调制引起的耗尽区体积的变化是适度的。调制效果的强度可以由调制对比度来限定，调制对比度是调制产生的最大和最小量子效率之间的比率。

通过到收集节点的电容性连接改变耗尽区体积来调制量子效率不是非常有效。为了提高调制对比度，cyruss.bamji等人于在ieeejssc2015中已发表的题为“a0.13μmcmossystem-on-chipfora512×424time-of-flightimagesensorwithmulti-frequencyphoto-demodulationupto130mhzand2gs/sadc(用于具有高达130mhz和2gs/sadc的多频光解调的512×424飞行时间图像传感器的0.13μmcmos系统芯片)”的论文描述了在由p型势垒隔开的两个n-扩散区之上使用多晶硅栅极(pg)。这样，pga下的n掺杂区域或pgb下的n掺杂区域吸引电荷。这导致良好的调制对比度。n掺杂区域之间的p掺杂势垒防止电荷在a和b扩散区之间流动。

bamji15中描述的实现方式可用于调制的飞行时间应用。调制的飞行时间(mtof)应用或脉冲飞行时间(ptof)应用中的想法在例如期刊sensors的2015年第15期的4624-4642中、doi：10.3390/s150304624中进行了解释。在mtof和ptof这两者中，需要根据产生电荷的时间将光生电荷收集到不同的存储节点中，并且需要在存储节点之间快速切换。

图0a表示现有技术，示出了半导体衬底192的侧视图，该半导体衬底192是第一导电类型半导体材料。还示出了背面导电层198，其是第二导电类型半导体材料。注意，第一导电类型半导体材料和第二导电类型半导体材料可以是受主掺杂的(p型半导体)或施主掺杂的(n型半导体)。例如，如果第一导电类型半导体材料是n型半导体，则第二导电类型半导体材料是p型半导体。在图0a中，节点194是第二导电类型半导体材料，深阱195由第一导电类型半导体材料制成。背面导电层198的电压可以通过将例如导线连接到其上来设置。然而，存在可能是更优选的其他方式来设置背面导电层198的电压。例如，不需要将电压源连接到背面导电层198的物理导线。下面，我们描述这样的装置来设置背面导电层198的电压。

假设第一导电类型半导体材料是n型半导体材料的示例。因此，在图0a中，节点194是p型半导体材料，深阱195是n型半导体材料，背面导电层198是p型半导体材料，衬底192是n型半导体材料。而且，衬底192是高电阻率半导体材料(例如，在室温下，硅的电阻率为千欧姆-厘米数量级)。

当节点194被设置为例如-30v的大负电压时，衬底192发生穿通，从而大的负电压，例如-15v(特别是，精确值取决于衬底掺杂水平、几何形状和尺寸)被传送到背面导电层198。这种穿通偏置电压在以下文献中进行了解释，在此作为参考提供：发明人j.kemmer和g.lutz的题为“large-area，lowcapacitancesemiconductorarrangement(大面积、低电容半导体布置)”的授权美国专利us4837607，1989；以及a.aurola等人于2014年在int.c.positionsensitivedetectors中发表的题为“aradiationdetectordesignmitigatingproblemsrelatedtosawededges(与锯边相关的辐射探测器设计减轻问题)”的论文。注意，cmos晶体管可以构建在深阱195中。另外，注意不使用深阱195，可以使用简单的n阱196(即，第一导电类型)和p阱197(即，第二导电类型)以在其中构建晶体管。此外，为了使穿通偏置起作用，在阱(195和196)与节点194之间需要足够大的距离。例如，阱195和节点194之间的距离以及n阱196和节点194之间的距离需要足够大。在上面的示例中，阱195和196可以偏置到5v，阱197可以偏置到0v。

背面偏置的另一种变型是图0b中所示的通常已知的方法。节点194是第二导电类型半导体材料，衬底193是高电阻率的第二导电类型半导体材料，背面导电层198是第二导电类型半导体材料，深阱195是第一导电类型半导体材料，阱196是第一导电类型半导体材料，阱197是第二导电类型半导体材料。在这种情况下，节点194、衬底193和背面导电层198由第二导电类型的半导体材料制成。

当在该示例中假设第一导电类型半导体材料是n型半导体材料时，目的是将背面导电层198的电压设置为大的负电位，例如-15v。在这种情况下，节点194、衬底193和背面导电层198是p型半导体材料。如果背面导电层198不需要驱动大电流(在本公开的上下文中是这种情况，背面导电层198处的电压也约为-15v)。而且，在该示例中，阱195和196可以被偏置到5v，阱197被偏置到0v。

需要注意的是，阱197必须是窄的并且被第一导电类型的阱例如阱196围绕。利用所述围绕和高电阻率衬底，围绕的阱196阻挡阱197和背面导电层198之间的电阻性连接，防止阱197偏置背面导电层198。再次，将阱196和节点194以及将阱195和节点194分开的距离必须足够大，以使这种背面导电层偏置方案起作用。可以将cmos晶体管放置在阱195和/或阱196和197中。通常，图0a和0b的结构可以放置在图像传感器芯片的外围中。图0a和0b的右侧示出了像素阵列可以开始的示例说明。

此外，具有相关双采样的全局快门成像的问题在于信号获取和读出不会同时发生。由此，光信号的一部分丢失，因此，获取的信号较低。例如，在发明人r.danielmcgrath和r.michaelguidash的题为“pinned-photodiodepixelwithglobalshutter(具有全局快门的钉扎光电二极管像素)”的授权美国专利us7361877b2，2008中，使用感测节点、屏蔽的感测节点和浮动扩散区。首先，存在复位阶段，其复位感测节点和浮动扩散区，然后进行积分(integration)。然后，将图像捕获到感测节点，并且在积分之后，将图像传送到屏蔽的感测节点。然后读出复位和信号值，并且在该读出期间落在传感器节点上的信号丢失。

存在一类应用，在这类应用中，想法是发射光场(通常具有特定波长)并利用图像传感器测量反射的光场(源自发射的光)。在光场成像的背景下，由图像传感器接收的源自背景光(例如环境光)的光是不希望的。改善信号背景比(sbr)的一种方法是在特定波长的光下发射，并在图像传感器之前光学滤除其他波长。然而，滤光器的通带上的背景光仍然存在。这种滤光器还防止将图像传感器用作也可以捕获正常强度图像的多模式传感器。改善sbr的另一种方法是向光场发射更多的功率。这增加了功耗，并且眼睛安全规定限制了连续地发射足以显著改善sbr的光量的可能性。值得注意的是，眼睛安全规定为发射的光场设置最大可接受的平均功率和单个脉冲功率。

光场可以是均匀的或图案化的。依赖于图案化光场的示例应用是范围检测器，其基于已知光图案的反射的变形来对距离做出推断，如在发明人alexandershpunt和zeevzalevsky的题为“depth-varyinglightfieldsforthreedimensionalsensing(用于三维感测的深度变化光场)”的已公开的美国专利申请us2008/0106746，2011中所解释的。

技术实现要素：

本公开试图提供改进的像素元件。

本公开还试图提供一种用于测量与像素元件接收的光子通量相关联的第一导电类型移动电荷量的方法。

本公开还试图提供一种用于捕获图像的系统。

本公开的另一个目的是提供一种方案，其至少部分地克服了现有技术中遇到的问题。

第一方面，本公开的实施例提供一种像素元件，包括：

-第一导电类型或第二导电类型的半导体衬底，该半导体衬底具有正面和背面，其中，该半导体衬底被配置为暴露于光子通量，并且将光子通量转换为第一导电类型移动电荷和第二导电类型移动电荷；

-第一导电类型半导体材料的第一主要电荷收集节点，布置在半导体衬底的正面上；

-第二导电类型半导体材料的至少一个外围节点，布置在半导体衬底的正面上，其中，该至少一个外围节点至少部分地围绕第一主要电荷收集节点；

-电路，直接连接到第一主要电荷收集节点和至少一个外围节点，其中，该电路包括：

-第一开关，用于将第一复位电压连接到第一主要电荷收集节点和将第一复位电压从第一主要电荷收集节点断开；

-装置，用于向至少一个外围节点提供外围节点电压；以及

-第一测量装置，用于测量由第一主要电荷收集节点收集的第一导电类型移动电荷量；

-背面导电层，布置在半导体衬底的背面上，被配置为收集和传导第二导电类型的移动电荷，并且被配置为电连接到偏置电压；以及

-第二导电类型半导体材料的第一调制节点，其中，该第一调制节点是：

-布置在半导体衬底的正面上；

-至少部分地被第一主要电荷收集节点围绕，该第一主要电荷收集节点被布置为在第一调制节点和至少一个外围节点之间提供电隔离；以及

-电连接到第一调制电压源，该第一调制电压源独立于外围节点电压。

第二方面，本公开的实施例提供了一种用于测量与像素元件接收的光子通量相关联的第一导电类型移动电荷量的方法，该像素元件包括半导体衬底、第一主要电荷收集节点、第二主要电荷收集节点、第一调制节点、第二调制节点以及电路，该电路包括第一开关和第二开关，该方法包括：

(i)通过将偏置电压(vbs)设置为使半导体衬底的体积耗尽至少50％的值来耗尽半导体衬底内部的体积；

(ii)提供第一复位电压(vr_a)；

(iii)提供第二复位电压(vr_b)；

(iv)通过以下方式复位第一主要电荷收集节点：

-通过接通第一开关将第一主要电荷收集节点连接到第一复位电压(vr_a)；以及

-通过断开第一开关将第一主要电荷收集节点与第一复位电压(vr_a)断开；

(v)通过以下方式复位第二主要电荷收集节点：

-通过接通第二开关将第二主要电荷收集节点连接到第二复位电压(vr_b)；和

-通过断开第二开关将第二主要电荷收集节点与第二复位电压(vr_b)断开；

(vi)在以下周期内将第一导电类型移动电荷累积到第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点：

-通过将第一调制电压(vm_a)设置为增加第一主要电荷收集节点和第一调制节点之间的第一反向偏置电压的值来减小第一电荷收集体积，并且通过将第二调制电压(vm_b)设置为减小第二主要电荷收集节点和第二调制节点之间的第二反向偏置电压的值来增加第二电荷收集体积；

-等待第一段时间；

-在第一段时间之后，通过将第一调制电压(vm_a)设置为减小第一主要电荷收集节点和第一调制节点之间的第一反向偏置电压来增加第一电荷收集体积，并且通过将第二调制电压(vm_b)设置为增加第二主要电荷收集节点和第二调制节点之间的第二反向偏置电压的值来降低第二电荷收集体积；以及

-等待第二段时间；以及

(vii)通过确定第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点的电压电平(vc_a、vc_b)来测量在步骤(vi)的周期期间累积的第一导电类型移动电荷量。

第三方面，本公开的实施例提供了一种用于测量与像素元件接收的光子通量相关联的第一导电类型移动电荷量的方法，该像素元件包括半导体衬底、第一主要电荷收集节点、次要电荷收集节点、第一调制节点、外围节点和包括第一开关的电路，该方法包括：

(a)通过将偏置电压(vbs)设置为使半导体衬底的体积耗尽至少50％的值来耗尽半导体衬底内部的体积；

(b)提供第一复位电压(vr)；

(c)提供第三电压(vx)；

(d)通过以下方式复位第一主要电荷收集节点：

-通过接通第一开关将第一主要电荷收集节点连接到第一复位电压(vr)；以及

-通过断开第一开关将第一主要电荷收集节点与第一复位电压(vr)断开；

(e)在以下周期内将第一导电类型移动电荷累积到第一主要电荷收集节点和次要电荷收集节点：

-通过将第一调制电压(vm)设置为增加第一主要电荷收集节点和第一调制节点之间的第一反向偏置电压的值来降低第一电荷收集体积，并且通过将第三电压(vx)设置为增加次要电荷收集节点和外围节点之间的第三反向偏置电压的值来增加第二电荷收集体积；

-等待第三段时间；

-在第三段时间之后，通过将第一调制电压(vm、vm)设置为减小第一主要电荷收集节点和第一调制节点之间的第一反向偏置电压的值来增加第一电荷收集体积，并且通过将第三电压(vx)设置为减小次要电荷收集节点和外围节点之间的第三反向偏置电压的值来降低第二电荷收集体积；以及

-等待第四段时间；以及

(f)通过确定第一主要电荷收集节点的电压电平(vc)来测量在步骤(e)的周期期间累积的第一导电类型移动电荷量。

第四方面，本公开的实施例提供一种捕获图像的系统，该系统包括图像传感器，其中，该图像传感器包括根据上述第一方面的像素元件的矩阵和控制器，该像素元件连接到控制器。

本公开的实施例基本上消除或至少部分地解决了现有技术中的上述问题，并且能够调制用于各种应用(例如，飞行时间(tof)成像、光场成像、高动态范围(hdr)成像、信号背景比(sbr)改进和像素并行信号处理)的像素元件内的电荷收集节点的量子效率。

从附图和结合所附权利要求书解释的说明性实施例的详细描述中，本公开的其他方面、优点、特征和目的将变得显而易见。

应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，本公开的特征易于以各种组合进行结合。

附图说明

当结合附图阅读时，可以更好地理解以上发明内容以及说明性实施例的以下详细描述。出于说明本公开的目的，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文公开的具体方法和手段。此外，本领域技术人员将理解附图不是按比例绘制的。在任何可能的地方，类似的元素都用相同的数字表示。

现在将参考以下附图仅通过示例的方式描述本公开的实施例，其中：

图0a-b(现有技术)示出了偏置背面导电层的示例；

图1a-b示出了像素元件，同时图1c示出了根据本公开第一实施例的由这种像素元件制成的图像传感器；

图2a-b示出了像素元件，同时图3示出了根据本公开第二实施例的由这种像素元件制成的图像传感器；

图4a示出了根据本公开第三实施例的像素元件；

图4b示出了像素元件，同时图4c示出了根据本公开第四实施例的由这种像素元件制成的图像传感器；

图5a-d示出了像素元件，同时图6示出了根据本公开第五实施例的由这种像素元件制成的图像传感器；

图7a-h、7j-n和7p-r示出了根据本公开的各种实施例的像素元件；

图8a-f是根据本公开的实施例的可以如何调制像素元件的量子效率以改变其电荷收集体积的示例说明；

图9a-b是根据本公开的实施例的可以如何调制像素元件的量子效率以改变其电荷收集体积的其他示例说明；

图10a-e是根据本公开的实施例的可以如何调制像素元件的量子效率以改变其电荷收集体积的其他示例说明；

图11a-c是根据本公开的实施例的可以如何调制像素元件的量子效率以改变其电荷收集体积的其他示例说明；

图12a-d是根据本公开的各种实施例的像素元件的电路的示意图；

图13是根据本公开的实施例的像素元件的电路的示意图；

图14a-b是根据本公开的实施例的可以如何调制电荷收集的示意图；

图15是根据本公开的实施例的像素元件的电路的示意图；

图16是用于捕获图像的系统的示例性脉冲飞行时间(ptof)实现方式的示意图，同时图17是描绘根据本公开的实施例的示例性ptof实现方式的流程图；

图18是根据本公开的实施例的用于捕获图像的系统的示例性全局快门(gs)成像实现方式的示意图；

图19是根据本公开的实施例的在前述系统中具有脉冲光场的光发射器的示例性实现方式的示意图；

图20a是根据本公开的各种实施例的像素电路的多模式成像能力的示意图；

图20b是根据本公开的实施例的具有两个主要电荷收集节点和一个次要电荷收集节点的像素元件的示意图；

图21a-c是根据本公开的实施例的使用调整注入(tuningimplantation)的示意图；以及

图22是根据本公开的实施例的像素元件的电场分布的说明。

在附图中，使用数字来表示数字所在的项目或数字相邻的项目。数字与由将数字链接到项目的线所标识的项目相关。附图中的部件和节点通过编号来标识，其中，类似的编号适用于所有附图中的类似部件。例如，在所有附图中外围节点被标识为102。

具体实施方式

以下详细描述示出了本公开的实施例以及可以实现它们的方式。尽管已经公开了执行本公开的一些模式，但是本领域技术人员将认识到用于执行或实践本公开的其他实施例也是可能的。

第一方面，本公开实施例提供一种像素元件，包括：

-第一导电类型或第二导电类型的半导体衬底，该半导体衬底具有正面和背面，其中，该半导体衬底被配置为暴露于光子通量，并且将光子通量转换为第一导电类型移动电荷和第二导电类型移动电荷；

-第一导电类型半导体材料的第一主要电荷收集节点，布置在半导体衬底的正面上；

-第二导电类型半导体材料的至少一个外围节点，布置在半导体衬底的正面上，其中，该至少一个外围节点至少部分地围绕第一主要电荷收集节点；

-电路，直接连接到第一主要电荷收集节点和至少一个外围节点，其中，该电路包括：

-第一开关，用于将第一复位电压连接到第一主要电荷收集节点和将第一复位电压从第一主要电荷收集节点断开；

-装置，用于向至少一个外围节点提供外围节点电压；以及

-第一测量装置，用于测量由第一主要电荷收集节点收集的第一导电类型移动电荷量；

-背面导电层，布置在半导体衬底的背面上，被配置为收集和传导第二导电类型的移动电荷，并且被配置为电连接到偏置电压；以及

-第二导电类型半导体材料的第一调制节点，其中，该第一调制节点是：

-布置在半导体衬底的正面上；

-至少部分地被第一主要电荷收集节点围绕，该第一主要电荷收集节点被布置为在第一调制节点和至少一个外围节点之间提供电隔离；以及

-电连接到第一调制电压源，该第一调制电压源独立于外围节点电压。

已经结合后面的图12a和图1b示出了这种像素元件的示例。

整个本公开中，当使用短语“直接连接”时，这意味着在实践中直流连接的彼此直接连接(即，连接可以承载直流电流(dc))的部件之间没有电容性连接。

应当理解，第一导电类型半导体材料和第二导电类型半导体材料可以是受主掺杂的(即，p型半导体)或施主掺杂(即，n型半导体)。换句话说，如果第一导电类型半导体材料是n型半导体，则第二导电类型半导体材料是p型半导体；反之亦然。作为示例，可以通过掺杂第二导电类型半导体材料来形成至少一个外围节点和/或第一调制节点。可选地，至少一个外围节点以阱的形式实现，可以在阱中构建晶体管。

整个本公开中，术语“半导体衬底”是指具有半导体晶圆的原始掺杂的体积，即，在半导体处理期间保持不变的体积。值得注意的是，例如用于制造电荷收集节点、调制节点和外围节点的已经掺杂的体积不被认为是“半导体衬底”。

第一调制节点上的第一调制电压‘vm’改变第一主要电荷收集节点附近的电场分布(即，第一主要电荷收集节点、第一调制节点和至少一个外围节点下方的衬底体积)，从而调制第一主要电荷收集节点的量子效率。整个本公开中，短语“调制量子效率”是指改变与给定电荷收集节点相关联的电荷收集体积的尺寸。换句话说，与给定电荷收集节点相关联的电荷收集体积是具有电场的体积，该电场以使得第一导电类型移动电荷朝向相关联的电荷收集节点漂移的方式定向。在使用期间，光子的入射通量落在(到达/撞击)图像传感器的表面上(入射通量通常由每单位面积的表面接收的辐射通量(辐照度)量化)。随着电荷收集节点的体积改变，它还影响投射到暴露于光子通量的表面的电荷收集体积的区域。因此，在恒定的辐照度下，较小的电荷收集体积倾向于收集较少的光生第一导电类型的移动电荷载流子，而较大的电荷收集体积倾向于收集更多的光生第一导电类型的移动电荷载流子。应当注意，投射到暴露于光子通量的表面的电荷收集体积的区域是简化的：投射到表面的区域取决于电荷收集体积投射到表面的深度。而且，小波长的光子比大波长的光子更容易被吸收到更接近表面的位置。实际上，值得注意的是，术语电荷收集体积的区域指的是简化，术语电荷收集区域的使用在概念上描述操作是有用的。

整个本公开中，术语“电荷收集节点”指的是在其附近收集光生电荷的节点，而术语“调制节点”指的是用于促进上述相应的电荷收集节点的量子效率中的调制的节点。

可选地，可以通过至少两个电压提供第一调制电压‘vm’，其中，第一电压vm＝vhq使得第一主要电荷收集节点处于高量子效率状态，第二电压vm＝vlq使得第一主要电荷收集节点处于低量子效率状态。整个本公开中，‘vhq’表示用于实现高量子效率状态的调制电压，而‘vlq’表示用于实现低量子效率状态的调制电压。

应当理解，也可以使用中间调制电压电平。整个本公开中，‘vint_h’表示用于实现中等高量子效率状态的调制电压，而‘vint_l’表示用于实现中等低量子效率状态的调制电压。

更可选地，第一调制电压‘vm’被设置为连续型的值，用于精确控制第一主要电荷收集节点的量子效率。

应当理解，电荷收集节点、调制节点和外围节点的宽度、深度和掺杂浓度/分布影响量子效率调制的效率。

在一个实施例中，像素元件还包括布置在半导体衬底的正面上的，第一导电类型半导体材料的次要电荷收集节点。

整个本公开中，术语“主要电荷收集节点”指的是至少部分地围绕调制节点的电荷收集节点，而术语“次要电荷收集节点”指的是没有调制节点的电荷收集节点(即，它不围绕任何调制节点)。在本公开中，当提到电荷收集节点而不指定它是主要电荷收集节点还是次要电荷收集节点时，它可以是主要电荷收集节点或次要电荷收集节点。

在另一实施例中，像素元件还包括布置在半导体衬底的正面上的，第一导电类型半导体材料的第二主要电荷收集节点。可选地，在这种情况下，像素元件还包括第二导电类型半导体材料的第二调制节点，其中，第二调制节点为：

-布置在半导体衬底的正面上；

-至少部分地被第二主要电荷收集节点围绕，该第二主要电荷收集节点被布置为在第二调制节点和至少一个外围节点之间提供电隔离；以及

-电连接到第二调制电压源，该第二调制电压源独立于外围节点电压，以及其中，电路还包括：

-第二开关，用于将第二复位电压连接第二主要电荷收集节点和将第二复位电压从第二主要电荷收集节点断开；以及

-第二测量装置，用于测量由第二主要电荷收集节点收集的第一导电类型移动电荷量。

可选地，给定的主要电荷收集节点是连续环的形式。或者，可选地，给定的主要电荷收集节点在环中具有间隙。连续环可以制成任何合适的形状，例如矩形、具有圆角的矩形、椭圆形、圆形等。

如果在给定的主要电荷收集节点的环中存在间隙，则可选地在半导体-绝缘体界面处的半导体材料内部的间隙中引入移动的第一导电类型的电荷载流子层。移动的第一导电类型电荷载流子层将与主要电荷收集节点处于相同的电压。

应当理解，可以自由地选择调制节点及其相应的电荷收集节点的相对布置和形状，只要给定的主要电荷收集节点的量子效率可以通过其相应调制节点处的调制电压vm来调制即可。在外围节点和调制节点之间存在足够高的势垒，基本上防止外围节点和调制节点之间的电流流动。

应当理解，像素元件可以包括第一导电类型半导体材料的多个电荷收集节点，不仅限于两个电荷收集节点，无论两个电荷收集节点均是主要的还是其中一个电荷收集节点是次要的。作为示例，给定的像素元件可以包括三个主要电荷收集节点，例如，如结合后面图4a所示。作为另一示例，给定的像素元件可包括四个主要电荷收集节点，例如，如结合后面图4b所示。

在一个实现方式中，像素元件包括第一导电类型半导体材料的多个主要电荷收集节点，其中，每个主要电荷收集节点布置在半导体衬底的正面上。可选地，在这种情况下，对于每个主要电荷收集节点，像素元件还包括其对应的第二导电类型半导体材料的调制节点，其中，该调制节点为：

-布置在半导体衬底的正面上；

-至少部分地被其对应的主要电荷收集节点围绕，该主要电荷收集节点被布置成在调制节点和至少一个外围节点之间提供电隔离；以及

-电连接到相应的调制电压源，该调制电压源独立于外围节点电压。

此外，在这种情况下，对于每个主要电荷收集节点，该电路还包括：

-开关，用于将相对应的复位电压连接到主要电荷收集节点和将相对应的复位电压从主要电荷收集节点断开；以及

-测量装置，用于测量由该主要电荷收集节点收集的第一导电类型移动电荷量。

另外，可选地，在这种情况下(当像素元件包括多个电荷收集节点时)，电荷收集节点和/或调制节点被连接以形成不同的组。可选地，就此而言，同一组的主要电荷收集节点连接在一起。在这种情况下，可以一起控制这种连接的主要电荷收集节点的调制节点。可选地，可以将类似分组应用于电荷收集节点和/或调制节点的所有组合。

另外，可选地，当通过这种像素元件的矩阵实现图像传感器时，在这些像素元件之间连接(即，分组)电荷收集节点和/或调制节点。这种连接可以称为像素间连接。

应当理解，对于所有主要和/或次要电荷收集节点，复位电压vr不需要相同。在极端情况下，对于给定像素元件中和/或这种像素元件的矩阵中的所有主要和/或次要电荷收集节点，复位电压vr或电压vx可以是不同的。而且，可以改变复位电压以调制主要和次要电荷收集节点的量子效率。除了使用相应的调制节点来调制主要电荷收集节点的量子效率之外，这是调制主要电荷收集节点的量子效率的另一种方式。

此外，可选地，电路扩充有计算电路，该计算电路能够独立地或与全局控制信号一起控制调制节点。局部确定哪个主要电荷收集节点处于高量子效率状态的能力在利用传感器级处理的新型图像捕获方案中起作用。

此外，可选地，像素元件被布置成从半导体衬底的背面接收光子通量。

应当理解，即使当电荷收集节点、外围节点、调制节点和电路被制造在半导体衬底的正面上时，也可以从其背面照射像素元件。这种背面照射在提高填充因子和量子效率方面是有益的。实际上，从背面薄化半导体衬底是有益的，以便获得更有效的背面照射。

根据本公开的实施例的进一步改进量子效率调制的一种方式是通过降低半导体衬底的掺杂浓度来增加半导体衬底的电阻率。优选的电阻率水平取决于例如器件几何形状和根据具体情况决定的其他要求。什么被认为是高电阻率衬底取决于材料和温度。对于室温下的硅，大约在100ohm-cm到本征范围内的电阻率可以被认为是高电阻率。优选地，可以使用在50ohm-cm到本征的甚至更高的电阻率。量子效率调制在高电阻率衬底中更有效，因为与低电阻率衬底相比，在高电阻率衬底中调制电压‘vm’的影响被距离衰减的较小。换句话说，调制电压vm在高电阻率衬底中影响较大的衬底体积。因此，由于负责电荷漂移的耗尽区而产生的电场在给定的反向偏置下延伸到更大的体积。通常，电阻率是掺杂浓度的函数。例如，在300k温度下具有5e13/cm^3的受体(硼)掺杂的硅提供约270ohm-cm的电阻率。此外，在300k温度下具有1e14/cm^3的硼掺杂硅提供约130ohm-cm的电阻率(符号1e14相当于10的14次幂，即10¹⁴)。

可选地，就此而言，半导体衬底是具有至多1e14原子/cm³的掺杂浓度的高电阻率衬底。更可选地，半导体衬底是具有至多5e13原子/cm³的掺杂浓度的高电阻率衬底。

应当理解，典型的背照式像素元件使用小于10微米厚的半导体衬底。根据本公开的实施例的像素元件适用于甚至数百微米的较大衬底厚度。这种半导体衬底可以称为厚减薄衬底。值得注意的是，较厚的衬底(例如，具有50微米或更大的量级的厚度)具有许多益处，例如，诸如改善近红外光的量子效率和可以没有支撑管芯(supportdie)。在衬底厚度为约50微米或更小的情况下，支撑管芯(例如，读出芯片)附接到像素元件的cmos侧；否则，需要物理加强芯片的其他装置。这在传统的图像传感器中产生了更复杂和更昂贵的制造。

即使减薄的衬底具有高电阻率，量子效率调制也允许在延长耗尽体积方面的改进。当半导体衬底基本上完全耗尽时，从像素元件下方的基本上整个衬底收集电荷。这潜在地改善了调制对比度，因为收集电荷的电荷收集体积(即，像素下方的衬底)很大，并且处于低量子效率状态的电荷收集节点仅从电荷收集节点的紧邻区域收集电荷。

如前所述，背面导电层被配置为电连接到偏置电压(vbs)。这有助于完全耗尽像素元件内的半导体衬底，并有助于实现更好的量子效率和调制对比度。基本上，通过在主(和/或次要)电荷收集节点与像素元件的背面之间布置足够大的电位差，可以耗尽像素元件下方的整个半导体衬底。

与cyruss.bamji等人于2015年在ieeejssc中已发表的题为“a0.13μmcmossystem-on-chipfora512×424time-of-flightimagesensorwithmulti-frequencyphoto-demodulationupto130mhzand2gs/sadc(用于具有高达130mhz和2gs/sadc的多频光解调的512×424飞行时间图像传感器的0.13μmcmos系统芯片)”的论文中描述的实现方式相比，本公开的实施例提供了更好的调制对比度，尤其是在从背面照射像素元件并且衬底基本上完全耗尽的情况下。本公开的实施例还提供更好的量子效率，尤其是在检测近红外光时。与根据本公开的实施例的电路相比，bamji15中描述的电路在将收集的电荷从给定的电荷收集节点移动到集成节点方面也更慢，因为在电荷收集节点和集成节点之间存在高电阻区域。在本公开的实施例中，收集节点吸引光生电荷并且直接连接到读出电路，不需要单独的集成节点。此外，与bamji15相比，根据本公开的实施例的像素元件是cmos兼容的。

可以处理半导体衬底的背面以使其导电(参见下面的示例)，得到背面导电层。作为示例，可以例如通过将第二导电类型掺杂剂原子层注入或扩散到半导体衬底的背侧来获得背面导电层。作为另一示例，可以通过在半导体衬底的背面上沉积第二导电类型半导体材料层来形成背面导电层。

可选地，在形成背面导电层之前，将半导体衬底从背面减薄到合适的厚度。可选地，例如并且如果适用的话，通过退火(有利地，激光退火)处理背面导电层。

可选地，像素元件是完全cmos兼容的。另外，可选地，在cmos工艺流程之后执行减薄和制造背面导电层的步骤。

可选地，还将抗反射处理应用于背面导电层。当硅微结构被带电氧化物涂覆时，可以获得非常有效的抗反射，例如，如mikkoa.juntunen等人的题为“near-unityquantumefficiencyofbroadbandblacksiliconphotodiodeswithaninducedjunction(具有感应结的宽带黑硅光电二极管的近似1量子效率)”，doi：10.1038/nphoton.2016.226的已发表论文中所述，在此作为参考提供。这种背面处理步骤可以应用于本公开的各种实施例。

应当理解，存在获得背面导电层的替代方法。作为示例，可以布置基本上二维的第二导电类型移动电荷载流子层以用作背面导电层。获得这种第二导电类型移动载流子层的示例性方法(means)是在半导体衬底的背面上沉积适当带电的绝缘层。背面上的这种沉积可以例如使用原子层沉积来完成。例如，在juntunen等人的doi：10.1038/nphoton.2016.226的已发表论文中公开的实现方式，在此作为参考提供，在该发表的论文中，在n型高电阻率衬底上使用涂覆氧化铝的硅纳米结构；氧化铝带负电，这在硅铝界面处的硅内部产生空穴反型层。

应当理解，当使用背面导电层时，半导体衬底可以是第一导电类型或第二导电类型，优选地，为高电阻率半导体材料。如果不使用背面导电层，则半导体衬底优选为高电阻率第二导电类型材料。这在整个本公开中是适用的。

在第二导电类型是指p型的情况下，则第二导电类型移动电荷载流子层可以是空穴累积层或空穴反型层(两者都可以称为二维空穴气层(holegaslayer)。在第二导电类型是指n型的情况下，则第二导电类型移动电荷载流子层可以是电子累积层或电子反型层(两者都可以称为二维电子气层(electrongaslayers)。

此外，一些氧化物，例如氧化铝和氧化铪，当沉积在硅衬底上时带负电，因此会吸引空穴，解释如下：

-在n型高电阻率硅衬底上，氧化铝或氧化铪在氧化物-衬底界面处的硅内部引起空穴反型层；空穴反型层可以用作背面导电层并且可以从半导体衬底的正面偏置；

-在p型高电阻率硅衬底上，氧化铝或氧化铪在氧化物-衬底界面处的硅内部引起空穴累积层；空穴累积层可以用作背面导电层并且可以从半导体衬底的正面偏置。

当第二导电类型半导体材料对应于p型半导体材料时，所得到的基本上二维的空穴气层可以用作背面导电层。

此外，一些氧化物，例如二氧化硅，在生长或沉积在硅衬底上时带正电，因此吸引电子，解释如下：

-在n型高电阻率硅衬底上，二氧化硅在氧化物-衬底界面处的硅内部感应出电子累积层；电子累积层可以用作背面导电层并且可以从半导体衬底的正面偏置；

-在p型高电阻率硅衬底上，二氧化硅在氧化物-衬底界面处的硅内部感应出电子反型层；电子反型层可以用作背面导电层并且可以从半导体衬底的正面偏置。

当第二导电类型半导体材料对应于n型半导体材料时，所得到的基本上二维的电子气层可以用作背面导电层。

例如，如果主要(和/或次要)电荷收集节点由n型半导体材料制成，则可以通过在半导体衬底的背面上注入或扩散p型掺杂剂原子，或者，通过在半导体衬底的背面上沉积p型半导体材料，或者通过在半导体衬底的背面上沉积或生长带负电的绝缘体材料来产生背面导电层，以产生基本上二维的空穴气层。在这种情况下，电荷收集节点和背面导电层之间的反向偏置电压确定了半导体衬底内的耗尽体积的大小。此外，应在背面导电层和电荷收集节点之间施加足够大的反向偏压，以便基本上完全耗尽半导体衬底。

作为另一示例，如果主要(和/或次要)电荷收集节点是p型半导体材料，则可以通过在半导体衬底的背面上注入或扩散n型掺杂剂原子，或者通过在半导体衬底的背面上沉积n型半导体材料，或者通过在半导体衬底的背面上沉积或生长带正电的绝缘材料来产生背面导电层，以产生基本上二维的电子气层。在这种情况下，电荷收集节点和背面导电层之间的反向偏置电压确定了半导体衬底内的耗尽体积的大小。此外，应在电荷收集节点和背面导电层之间施加足够大的反向偏置电压，以便基本上完全耗尽半导体衬底。

如果(主要和/或次要)电荷收集节点和背面导电层之间的反向偏压足够高，则半导体衬底基本上完全耗尽。“基本上完全耗尽”意味着衬底体积至少50％耗尽，更有利地，以优选的顺序至少60％、70％、80％、90％或100％耗尽，其中，100％是最优选的值。

可选地，背面导电层通过半导体衬底间接地从正面偏置，例如，如本公开的背景技术部分中所解释的。

在电荷收集节点和背面导电层之间布置所需的反向偏压的装置可以例如通过位于外围电路中的电路的方式来实现，该外围电路通过类似于图0a和0b的节点194的节点的电压来控制偏置电压vbs。

适当控制背面导电层上的偏置电压有利于使厚的(例如，大于十微米)、完全耗尽的背面照射像素元件具有许多益处，例如，低传感器电容、高量子效率，尤其是对于近红外光、良好的调制对比度、快速的电荷收集速度和100％的填充因子。

本公开的实施例的重要方面是获得小的主要电荷收集节点尺寸，同时具有高调制对比度和来自整个像素元件的电荷收集。电荷收集节点和外围节点之间的较高反向偏置电压允许相对于像素元件的整个面积的较小尺寸的电荷收集节点和调制节点。所述较高的反向偏置电压使得可以从外围节点下方的更远处收集光生电荷。如果电荷收集节点和调制节点的尺寸较小，则可以将更多的电荷收集节点放入单个像素元件中和/或可以使像素元件的总面积更小。而且，如果电荷收集节点和调制节点的尺寸相对于像素元件的整个面积较小，则可以将更多的晶体管放入特定面积的像素元件的电路中。已经结合图15更详细地阐明了这一点。

第二方面，本公开的实施例提供了一种用于测量与像素元件接收的光子通量相关联的第一导电类型移动电荷量的方法，该像素元件包括半导体衬底、第一主要电荷收集节点、第二主要电荷收集节点、第一调制节点、第二调制节点以及电路，该电路包括第一开关和第二开关，该方法包括：

(i)通过将偏置电压(vbs)设置为使半导体衬底的体积耗尽至少50％的值来耗尽半导体衬底内部的体积；

(ii)提供第一复位电压(vr_a)；

(iii)提供第二复位电压(vr_b)；

(iv)通过以下方式复位第一主要电荷收集节点：

-通过接通第一开关将第一主要电荷收集节点连接到第一复位电压(vr_a)；以及

-通过断开第一开关将第一主要电荷收集节点与第一复位电压(vr_a)断开；

(v)通过以下方式复位第二主要电荷收集节点：

-通过接通第二开关将第二主要电荷收集节点连接到第二复位电压(vr_b)；以及

-通过断开第二开关将第二主要电荷收集节点与第二复位电压(vr_b)断开；

(vi)在以下周期内将第一导电类型移动电荷累积到第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点：

-通过将第一调制电压(vm_a)设置为增加第一主要电荷收集节点和第一调制节点之间的第一反向偏置电压的值来减小第一电荷收集体积，并且通过将第二调制电压(vm_b)设置为减小第二主要电荷收集节点和第二调制节点之间的第二反向偏置电压的值来增加第二电荷收集体积；

-等待第一段时间；

-在第一段时间之后，通过将第一调制电压(vm_a)设置为减小第一主要电荷收集节点和第一调制节点之间的第一反向偏置电压来增加第一电荷收集体积，并且通过将第二调制电压(vm_b)设置为增加第二主要电荷收集节点和第二调制节点之间的第二反向偏置电压的值来降低第二电荷收集体积；以及

-等待第二段时间；以及

(vii)通过确定第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点的电压电平(vc_a、vc_b)来测量在步骤(vi)的周期期间累积的第一导电类型移动电荷量。

可选地，像素元件还包括外围节点，其中，该方法还包括将外围节点布置成具有这样的电位，当第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点处于第一复位电压和第二复位电压时，该电位足以向第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点之间的第一导电类型电荷载流子提供至少0.6伏的势垒。在这方面，在外围节点处施加外围节点电压。作为用于实现势垒的外围节点电压值的示例，参见图14a和图14b。在示例中，假设第一导电类型半导体是施主掺杂的(n型)，复位电压是5v，信号范围，即电荷收集节点的电压范围是5v到3v，外围节点是在0v，背面导电层在-15v。

应当理解，对于第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点，复位电压vr_a和vr_b不需要相同。换句话说，第一复位电压vr_a可以与第二复位电压vr_b不同。

此外，可选地，改变第一复位电压和第二复位电压以调制第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点两者的量子效率。值得注意的是，除了使用第一调制节点和第二调制节点来调制量子效率之外，这是调制第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点的量子效率的另一种方式。

第三方面，本公开的实施例提供了一种用于测量与像素元件接收的光子通量相关联的第一导电类型移动电荷量的方法，该像素元件包括半导体衬底、第一主要电荷收集节点、次要电荷收集节点、第一调制节点、外围节点和包括第一开关的电路，该方法包括：

(a)通过将偏置电压(vbs)设置为使半导体衬底的体积耗尽至少50％的值来耗尽半导体衬底内部的体积；

(b)提供第一复位电压(vr)；

(c)提供第三电压(vx)；

(d)通过以下方式复位第一主要电荷收集节点：

-通过接通第一开关将第一主要电荷收集节点连接到第一复位电压(vr)；以及

-通过断开第一开关将第一主要电荷收集节点与第一复位电压(vr)断开；

(e)在以下周期内将第一导电类型移动电荷累积到第一主要电荷收集节点和次要电荷收集节点：

-通过将第一调制电压(vm)设置为增加第一主要电荷收集节点和第一调制节点之间的第一反向偏置电压的值来降低第一电荷收集体积，并且通过将第三电压(vx)设置为增加次要电荷收集节点和外围节点之间的第三反向偏置电压的值来增加第二电荷收集体积；

-等待第三段时间；

-在第三段时间之后，通过将第一调制电压(vm、vm)设置为减小第一主要电荷收集节点和第一调制节点之间的第一反向偏置电压的值来增加第一电荷收集体积，并且通过将第三电压(vx)设置为减小次要电荷收集节点和外围节点之间的第三反向偏置电压的值来降低第二电荷收集体积；以及

-等待第四段时间；以及

(f)通过确定第一主要电荷收集节点的电压电平(vc)来测量在步骤(e)的周期期间累积的第一导电类型移动电荷量。

可选地，该方法还包括将外围节点布置成具有这样的电位，当第一主要电荷收集节点和次要电荷收集节点处于第一复位电压(vr)和第三电压(vx时，该电位足以向第一主要电荷收集节点和次要电荷收集节点之间的第一导电类型电荷载流子提供至少0.6伏的势垒。

第四方面，本公开的实施例提供一种捕获图像的系统，该系统包括图像传感器，其中，该图像传感器包括根据上述第一方面的像素元件的矩阵和控制器，该像素元件连接到控制器。

应当理解，各个像素元件的电荷收集节点彼此隔离，并且在矩阵中的相邻像素元件的电荷收集节点之间存在足够大的势垒。

可选地，像素元件的矩阵在像素元件之间具有局部连接，以用于各种目的，例如，对所选像素元件信号进行操作的像素级计算。作为示例，各个像素元件可以在基本方向(cardinaldirection)上具有到最近的相邻像素元件的连接。仅出于简化的目的，这种连接未在本公开的附图中示出。

此外，如果像素元件的邻域中的所有主要电荷收集节点和所有次要电荷收集节点(以及像素元件的整个矩阵，在极端情况下)都处于低量子效率状态，则在外围节点和半导体衬底之间存在不期望的泄漏电流。可选地，为了使泄漏最小化，可以最小化所有(主要和次要)电荷收集节点处于低量子效率状态的持续时间。可选地，在调制节点处使用略微重叠的电压脉冲。

可选地，量子效率调制以以下这种方式进行布置：在给定时间，在像素邻域中存在足够的高量子效率状态的主要或次要电荷收集节点。

可选地，该系统还包括光发射器，布置成指向目标。可选地，在这方面，控制器被配置为：

-为光发射器提供控制信号，以在第一时刻发射光子脉冲；

-开始测量以在第二时刻利用像素元件的矩阵的第一像素元件检测来自目标的光子的反射脉冲；

-在第三时刻停止利用第一个像素元件测量；

-开始测量以在第四时刻利用像素元件的矩阵的第二像素元件检测来自目标的光子的反射脉冲；

-在第五时刻停止利用第二像素元件测量；以及

-通过将与第一像素元件中的光子的反射脉冲相关联的累积的第一导电类型移动电荷量和与第二像素元件中的光子反射脉冲相关联的累积的第一导电类型移动电荷量进行比较，来计算光子脉冲的飞行时间。

附加地或替代地，可选地，该系统还包括光发射器，该光发射器被配置为发射多于一个波长的光脉冲。可选地，在这方面，控制器还被配置为基于在给定时刻由光发射器发射的给定波长来调整像素元件的矩阵的各个像素元件的调制节点的调制电压(vm)。

此外，可选地，控制器被配置为基于发射的光脉冲的脉冲持续时间来控制调制电压(vm)：

-布置第一尺寸的第一电荷收集体积持续第一脉冲持续时间；以及

-布置第二尺寸的第二电荷收集体积持续第二脉冲持续时间，

其中，第一尺寸大于第二尺寸，第一脉冲持续时间小于第二脉冲持续时间。

应当理解，通过调制量子效率，可以改变给定像素元件从其收集光生电荷的电荷收集体积。实际上，在收集光生电荷方面的像素边界(即电荷收集体积)不是固定的-它们是灵活的，即通过调制量子效率是可编程的。这将结合图8a-f、9a-b、10a-e和11a-c进行更详细的说明。

应当理解，矩阵内的像素元件的柔性(即，可编程的)电荷收集体积可用于增加图像传感器的分辨率，例如，通过利用调制电压vm(或电压vx)的不同模式捕获多个图像。这里要注意的是，可以在收集完光生电荷之后读出电压vx；因此，次要电荷收集节点可以有助于类似于主要电荷收集节点的图像传感器的分辨率。

在一个实施例中，图像传感器的像素元件仅具有次要电荷收集节点。这种图像传感器在光生电荷的积分期间具有有限的调制电荷收集节点的量子效率的能力，但是在图像帧之间，可以使用复位后的电压vx有效地调制量子效率。已经结合图12c说明了一个这样的示例像素元件。

本公开的实施例的关键方面是调制p型调制节点处的电压具有与授权的美国专利us6580496b2中所描述的效果类似的效果，在该授权专利中，通过电容性地控制电荷收集节点达到效果。这里应注意，在us6580496b2中，与本公开的实施例相比，电容性分压减少了量子效率调制的量。换句话说，本公开的实施例具有更好的调制对比度，其是可以在电荷收集节点之间控制光生电荷的收集的程度的度量。

在本公开的实施例中，通过调节调制节点的电压来促进调制；调制节点是低电容节点，更容易用开关电压源驱动。在本公开的实施例中，量子效率调制效应的强度可以例如利用电荷收集节点和调制节点的相对宽度来调制。需要利用物理模拟来模拟量子效率调制效应，以验证给定技术的最佳可能操作。另外，复位电压可用于调制量子效率。

根据本公开的实施例，前述系统可以以各种方式实现。在一种实现方式中，前述系统是相机。在另一种实现方式中，前述系统是激光雷达。术语“激光雷达”代表光检测和测距系统。

在又一种实现方式中，该系统是飞行时间(tof)系统；在这种情况下，除了图像传感器之外，该系统还包括上述光发射器。图像传感器可操作以根据光生成电荷的时间将光生电荷收集到不同的主要电荷收集节点中，并在主要电荷收集节点之间快速切换，以便改变在给定时间收集光生电荷的主要电荷收集节点。可选地，图像传感器是完全cmos兼容的。

通过使用所需量的主要电荷收集节点和电路(例如，如图15所示)，调制图像传感器(例如，如图1a所示)可以用于tof应用。根据本公开的实施例的系统可以用于调制的飞行时间(mtof)和脉冲飞行时间(ptof)应用。

应注意，主要和次要电荷收集节点之间的能力的主要差异是调制速度。在信号积分的一个周期(即，一帧)期间，主要电荷收集节点的量子效率可以借助于调制节点在不同的量子效率状态之间快速且重复地切换。例如，这在tof应用中是有用的，其中，每个帧是在高量子效率状态和低量子效率状态之间多次改变的结果。

主要电荷收集节点的量子效率也可以用复位电压改变；复位后，如果复位后的反向偏置电压较低，则量子效率也较低。每帧仅执行一次复位，因此不适合在单帧期间重复调制量子效率。复位后，复位电压仍然通过相应的电容器连接到主要电荷收集节点(例如，如图12a-d所示)。这将允许在单帧期间重复调制量子效率。然而，这种电容性调制效应往往需要复位节点处的高电压幅度，使得这种调制不太实用。

次要电荷收集节点的量子效率可以通过复位电压改变；因此，不适合在单帧期间重复调制量子效率。一些提出的像素元件的实现方式(稍后描述)对于这样的调制是很好的，其中，量子效率在一帧期间保持恒定。例如，分辨率改进方法将适用于仅具有次要电荷收集节点的图像传感器。与主要电荷收集节点相比，这样的优点是次要电荷收集节点的尺寸更紧凑。

附图的详细描述

参考图1a-b、2a-b、4a、4b、5a-d、7a-b、7c、7d、7e、7f、7g-j、7k-m、7n-p和7q-r，示出根据本公开的各种实施例的像素元件100的示例性实现方式。图1c、3、4c和6是根据本公开的各种实施例采用多个像素元件100的图像传感器200的示意图。本领域技术人员应该理解，仅为了清楚起见，这些附图包括像素元件100和图像传感器200的示例性实现方式的简化布置，这不应该不当地限制本文权利要求的范围。值得注意的是，像素元件100不限于这些图中所示的电荷收集节点、调制节点和围绕的阱的形状和布置。本领域技术人员将认识到本公开的实施例的许多变型、替代和修改。

图1a示出了根据本公开第一实施例的像素元件100的截面图，同时图1b示出了根据本公开第一实施例的像素元件100的俯视图。在图1b中，切割平面(a-a)已经用a标记的箭头示出。

参考图1a和图1b，像素元件100包括第一导电类型或第二导电类型的半导体衬底101、第一主要电荷收集节点104、外围节点102、电路107和第一调制节点105。在图1b中，仅为了简单起见，未示出电路107。

半导体衬底101具有正面和背面。半导体衬底101被配置为暴露于光子通量，并将光子通量转换为第一导电类型移动电荷和第二导电类型移动电荷。

第一主要电荷收集节点104由第一导电类型半导体材料构成，而外围节点102和第一调制节点105由第二导电类型半导体材料构成。

第一主要电荷收集节点104、外围节点102和第一调制节点105布置在半导体衬底101的正面。换句话说，第一主要电荷收集节点104、第一调制节点105和外围节点102制作在半导体衬底101上。

外围节点102至少部分地围绕第一主要电荷收集节点104。第一调制节点105至少部分地被第一主要电荷收集节点104围绕。可选地，第一主要电荷收集节点104是环形的，例如，如图1b所示。

第一主要电荷收集节点104被布置为在第一调制节点105和外围节点102之间提供电隔离。

电路107直接连接到第一主要电荷收集节点104、调制节点105和外围节点102。电路107包括用于向外围节点102提供外围节点电压的装置(未示出)。调制节点105电连接到第一调制电压(vm)源，该第一调制电压源独立于外围节点电压。

在图1a中，‘vc’表示第一主要电荷收集节点104处的电压，而‘vm’表示第一调制节点105处的调制电压。第一调制节点105上的调制电压‘vm’改变第一主要电荷收集节点附近(即，第一主要电荷收集节点104、第一调制节点105和外围节点102下方的衬底体积)的电场分布，从而调制第一主要电荷收集节点104的量子效率。

电路107还包括第一开关(未示出)和第一测量装置(未示出)，该第一开关用于将第一复位电压(vr)连接到第一主要电荷收集节点104和将第一复位电压(vr)从第一主要电荷收集节点104断开；该第一测量装置用于测量由第一主要电荷收集节点104收集的第一导电类型移动电荷量。

参考图1c，图像传感器200包括像素元件100的矩阵和控制器202(在整个本公开中也称为外围电路)。出于输入/输出操作和偏置的目的，矩阵的各个像素元件经由电连接201连接到控制器202。

在图1c中，矩阵内的各个像素元件由表示它们在矩阵中的位置的索引表示。作为示例，第一行和第一列中的像素元件由索引100(1，1)表示；第一行和第二列中的像素元件由索引100(1，2)表示；等等。在后面的图中也使用了类似的命名约定。

如图1c所示，环形第一主要电荷收集节点将对应的调制节点与外围节点电隔离。第一主要电荷收集节点也彼此隔离。在矩阵中的相邻像素元件的第一主要电荷收集节点之间存在足够大的势垒。

上述第一调制电压(vm)源可以通过电路107和/或控制器202的方式设置。如前所述，改变给定调制节点105的调制电压‘vm’改变其围绕的第一主要电荷收集节点104的量子效率。

这里应注意，在附图中，在给定像素元件中存在多个主要电荷收集节点的地方，已经附加有字母的附图标记用于区分不同节点。例如，在图1a中，第一主要电荷收集节点已由104表示，同时其电压已由vc表示。在图2a中，第一主要电荷收集节点和第二主要电荷收集节点已由104a和104b表示，其电压分别由vc_a和vc_b表示。类似的命名约定已应用于其他组件。例如，在图1a中，调制节点已用105表示，其调制电压已用vm表示。在图2a中，第一调制节点和第二调制节点已由105a和105b表示，其调制电压分别已由vm_a和vm_b表示。

图2a示出了根据本公开第二实施例的像素元件100的截面图，同时图2b示出了根据本公开第二实施例的像素元件100的俯视图。在图2b中，切割平面(a-a)已用a标记的箭头示出。

参考图2a和2b，像素元件100包括第一导电类型或第二导电类型的半导体衬底101、第一主要电荷收集节点104a、第二主要电荷收集节点104b、外围节点、电路107、第一调制节点105a和第二调制节点105b。

参考图2b，第一主要电荷收集节点104a和第二主要电荷收集节点104b是环形的。第一主要电荷收集节点104a和第二主要电荷收集节点104b分别至少部分地围绕第一调制节点105a和第二调制节点105b。

外围节点可选地以第二导电类型半导体材料的阱102的形式制成，如图2a所示。在第一主要电荷收集节点104a和第二主要电荷收集节点104b之间，存在另一种第二导电类型半导体材料的区域106，该材料在例如掺杂浓度、厚度等等方面可以与阱102的第二导电类型半导体材料相同或不同。阱102和区域106连接在一起以形成外围节点(为了方便起见，下文中称为“外围节点102”)。

第一主要电荷收集节点104a和第二主要电荷收集节点104b分别将第一调制节点105a和第二调制节点105b与外围节点102电隔离。第一主要电荷收集节点104a和第二主要电荷收集节点104b也彼此电隔离。当在第一主要电荷收集节点104a和第二主要电荷收集节点104b之间存在基本上防止其间的电流流动的足够大的势垒时，实现了这种隔离。例如，这可以利用区域106的第二导电类型半导体材料来实现。

可选地，电路107放置在阱102中。作为示例，可以在第二导电类型半导体材料的阱102上构建至少一个第一导电类型金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

或者，可选地，例如，通过阱102的第二导电类型半导体材料与区域1020的又一种第二导电类型半导体材料的组合形成深阱。可选地，在这种情况下，第一导电类型半导体材料的阱103构建在深阱上，并且至少一个第二导电类型mosfet构建在阱103中。

同样地，已经在电路107中采用(基于用于制造的半导体制造技术)的其他电路部件(例如，诸如电容器、电阻器等)可以被构建到阱102中、深阱102/1020中和/或阱103中。

参考图3，图像传感器200包括图2a-b的像素元件100的矩阵和控制器(未示出)。矩阵的各个像素元件通过电连接连接到控制器。

在该实施例中，同一像素元件100内的第一主要电荷收集节点104a和第二主要电荷收集节点104b比相邻像素元件100的相邻主要电荷收集节点彼此更靠近。

图4a示出了根据本公开第三实施例的像素元件100的俯视图。在图4a中，像素元件100包括以并排方式布置的三个主要电荷收集节点104a、104b和104c。

图4b示出了根据本公开第四实施例的像素元件100的俯视图。在图4a中，像素元件100包括以二乘二阵列布置的四个主要电荷收集节点104a、104b、104c和104d。

参考图4c，图像传感器200包括图4b的像素元件100的矩阵和控制器(未示出)。矩阵的各个像素元件通过电连接连接到控制器。

可选地，主要电荷收集节点和/或调制节点连接以形成不同的组。作为示例，在图4b中，主要电荷收集节点104a和104c可以连接在一起，同时主要电荷收集节点104b和104d可以连接在一起。在这种情况下，可以一起控制这种连接的主要电荷收集节点的调制节点以形成组。

图5a示出了根据本公开第五实施例的像素元件100的俯视图，图5b、5c及5d示出了像素元件100分别用于切割平面a-a、c-c及b-b的截面图。

参考图5a-d，像素元件100包括第一导电类型或第二导电类型的半导体衬底101、第一主要电荷收集节点104、第一调制节点105、次要电荷收集节点180、外围节点102和电路107。次要电荷收集节点180不具有相应的调制节点(即，它不围绕任何调制节点)。次要电荷收集节点180由第一导电类型的半导体材料制成。

在图5b-d中，‘vc’表示第一主要电荷收集节点104处的电压，‘vm’表示第一调制节点105处的调制电压，‘vx’表示次要电荷收集节点180处的电压。第一调制节点105上的调制电压‘vm’改变第一主要电荷收集节点附近的电场分布，从而调制第一主要电荷收集节点104的量子效率。同样，次要电荷收集节点180的量子效率可以利用电压‘vx’改变。次要电荷收集节点180可用于实现例如全局快门功能和捕获的图像的分辨率的提高，如稍后将在本公开中描述的。

参考图6，图像传感器200包括图5a-d的像素元件100的矩阵和控制器(未示出)。矩阵的各个像素元件通过电连接连接到控制器。

图6是在一个实施例中主要电荷收集节点104和次要电荷收集节点180如何相对于彼此定位的示例说明。应当理解，可以在像素元件中以各种可能的方式布置和放置多个主要电荷收集节点和/或次要电荷收集节点。

图7a示出了根据本公开第六实施例的像素元件100的截面图。像素元件100包括第一导电类型或第二导电类型的半导体衬底101、第一主要电荷收集节点104、第一调制节点105、外围节点102、电路107和调制注入125。调制注入125被注入到半导体衬底101中。可以理解，可以存在多层这样的调制注入，并且它们可以由第一导电类型半导体材料或第二导电类型半导体材料制成。

调制注入的目的是有助于收集更大体积的电荷，并且例如有助于从半导体衬底中的特定深度收集电荷。在使主要或次要电荷收集节点对特定波长敏感，而对其他波长敏感性较低方面这可能是有用的。

图7b示出了具有结构化调整注入126的像素元件100。

图7a和7b还突出显示在外围节点102、主要电荷收集节点104和调制节点105之间可能存在间隙；例如，由于半导体制造或电隔离的原因，可能需要所述间隙。

图7c示出了根据本公开第七实施例的像素元件100的截面图。在图7c中，像素元件100包括在植入之间使用的浅沟槽隔离(sti)124。例如，由于半导体制造或电隔离的原因，以及为了最小化像素元件的不同节点之间的寄生电容，可能需要使用这种sti。

图7d示出了根据本公开第八实施例的像素元件100的截面图。在该实现方式中，在主要电荷收集节点104和调制节点105之间使用栅极123(例如，诸如多晶硅栅极)以减小它们之间的泄漏电流。栅极123引起场效应，其降低电荷收集节点104和调制节点105之间的电导。

栅极123连接到调制节点105(其处于调制电压vm)。然而，栅极123也可以由电路107中的专用电压源或其他电压节点或外围电路(例如，诸如控制器202)控制。

图7d中还示出了可选的sti124，其可以用在半导体材料的边界处，以改善电隔离并减少例如最小化寄生电容。应当理解，可以使用具有受控电压的栅极代替任何注入物或节点之间的sti。

可选地，图像传感器200被制造为单个芯片，其中，电荷收集节点104和/或180、电路107和控制器202都位于同一半导体衬底101上。

或者，可选地，图像传感器200的不同部分被分成彼此电连接的不同半导体衬底(芯片)，其中，所述半导体衬底可以由硅或其他半导体材料制成。应当理解，虽然图像传感器200可以容易地应用于基于硅的实现，但是也可以使用任何其他半导体材料，例如诸如gaas、inp和锗基半导体等化合物半导体。

电路107和/或控制器202的一部分或全部可以驻留在单独的衬底上，其中，可能需要电路107内的芯片到芯片连接到电荷收集节点104和/或180、调制节点105和外围节点102。在这种情况下，电荷收集节点104和/或180、调制节点105、外围节点102、电路107的可能的一部分以及控制器202位于表示为“收集芯片”的芯片中，同时电路107的一些或所有位于表示为“读出芯片”或多个其他芯片的另一个芯片中。所述读出芯片也可以称为读出集成电路。使用单独的收集芯片和读出芯片的好处是可以将最佳技术用于收集芯片和读出芯片。

此外，虽然电路107可以包括与特定电荷收集节点相关联的资源(resource)(例如，诸如晶体管、电容器等)，但是应当理解，电路107的一些资源可以与给定像素元件内的其他电荷收集节点共享。另外，给定像素元件的电路107的一些资源可以与其他像素元件共享。仅为简单起见，图中未示出这种资源共享。

图7e示出了根据本公开第九实施例的像素元件100的截面图。像素元件100还包括背面导电层108。

背面导电层108布置在半导体衬底101的背面上。背面导电层108被配置为收集并传导第二导电类型的移动电荷。

背面导电层108被配置为电连接到偏置电压(vbs)。这有助于完全耗尽像素元件100内的半导体衬底101，并有助于实现更好的量子效率和调制对比度。

图7f示出了根据本公开第十实施例的像素元件100的截面图。在图7f中，调制节点105更深地延伸到半导体衬底101中。原则上，如果调制节点105的体积足够大，则可以将组件(例如，诸如晶体管)制造到调制节点105中。

值得注意的是，电荷收集节点104和108、调制节点105和外围节点102的宽度、深度和掺杂浓度/分布影响量子效率调制的效率。

图7g示出了根据本公开第十一实施例的像素元件100的俯视图，图7h及7j示出了根据本公开第十一实施例的像素元件100分别用于切割平面a-a及b-b的截面图。在该实施例中，主要电荷收集节点104在其环形中具有间隙。

代替具有仅由第一导电类型半导体材料制成的主要电荷收集节点104，主要电荷收集节点104包括第一导电类型半导体材料的区域1040和带有第二导电类型电荷的绝缘体材料的区域1041。

图7h和7j突出显示了在半导体-绝缘体界面处的半导体材料内部形成移动的第一导电类型的电荷载流子层190。

图7k示出了根据本公开第十二实施例的像素元件100的俯视图，图7l和7m示出了根据本公开第十二实施例的像素元件100分别用于切割平面a-a及b-b的截面图。主要电荷收集节点104包括第一导电类型半导体材料的区域1040、绝缘体材料的区域1042和导体材料的区域1043，其中，区域1043形成在区域1042上方。区域1043可以连接到区域1040，或者可以独立控制。

图7l和7m突出显示了导体-绝缘体-半导体堆叠形成栅极结构，其中，导体1043处的电压可以被布置为导致在栅极结构下方形成移动的第一导电类型的电荷载流子层190。

图7n示出了根据本公开第十三实施例的像素元件100的俯视图，图7p示出了根据本公开第十三实施例的用于切割平面a-a的像素元件100的截面图。调制节点包括导体材料的区域1050和绝缘体材料的区域1051，其中，区域1050形成在区域1051上方。

图7p突出显示，当适当的电压施加到区域1050的导体时，导体-绝缘体-半导体堆叠形成栅极，该栅极可以在区域1051的绝缘体下方的半导体中感应出移动的电荷载流子层。控制区域1050的电压具有与控制由第二导电类型半导体形成的调制节点类似的效果。

图7p还示出了背面导电层的替代实施例，其示出为在半导体衬底101和绝缘体层1080之间的半导体-绝缘体界面处在半导体材料内部形成移动的第二导电类型电荷载流子层191。绝缘体层1080由包括第一导电类型电荷的绝缘体材料制成。

图7q示出了根据本公开第十四实施例的像素元件100的俯视图，图7r示出了根据本公开第十四实施例的用于切割平面a-a的像素元件100的截面图。外围节点由1020表示，并且由与下面的半导体材料形成肖特基二极管的导体制成，其中，肖特基二极管包括用于移动的第一导电类型电荷载流子的肖特基势垒。主要电荷收集节点由1044表示，并且由与下面的半导体材料形成欧姆接触的导体制成，用于移动的第一导电类型电荷载流子。调制节点由1052表示，并且由与下面的半导体材料形成肖特基二极管的导体材料制成，其中，肖特基二极管包括用于第一导电类型电荷载流子的肖特基势垒。

图7r还示出了背面导电层的替代实施例，其示出为与半导体衬底101形成肖特基二极管的导体材料的层1081，其中，肖特基二极管包括用于移动的第一导电类型电荷载流子的肖特基势垒。

应当理解，结合图7a至7r说明的各种实现技术是可选的并且仅仅是示例；所述技术的任何组合可以或可以不用于本公开的各种实施例中。

图8a-f是根据本公开的实施例如何调制像素元件的量子效率以改变其电荷收集体积的一些示例性示意图。图-8a-f示出了根据本公开的实施例的像素元件矩阵的一部分的截面图。

假设像素元件的矩阵具有i＝[1，m]行和j＝[1，n]列，其中，m和n分别是正整数3和6。矩阵内的特定像素元件用100(i，j)标识。

图8a示出了矩阵的第二行的一部分的截面图，其中，所述部分包括矩阵的像素元件100(2，2)、100(2，3)、100(2，4)和100(2，5)。因此，图8a中所示的所有像素元件被矩阵内其相邻像素元件围绕，并且因此具有明确限定的邻域。此外，假设在背面导电层108和像素元件的主要电荷收集节点104之间存在足够高的反向偏压，以在整个像素元件体积内基本上完全耗尽半导体衬底101。应当理解，基本上完全耗尽半导体衬底101不一定是图像传感器起作用所必需的，但是图8a-f中的说明假设所述条件。

接下来，仅出于说明目的，现在将考虑电压的相对大小的说明性示例。在说明性示例中，第一导电类型半导体材料被设置为n型半导体(即，添加到半导体中的施主杂质)；为了说明的目的，所述第一导电类型半导体材料的设置允许使用电位差的幅值和电位差的符号两者。外围节点102的电压表示为相对于其他电压参考的地电位(即，零伏)。示例性电压可以使得背面导电层108处于-15v，外围节点102处于0v，电荷收集节点104上的电压允许处于5v和3v之间的范围内。

在图8a-f中，vc＝vr；vr是复位电压，在该示例中为5v；电荷收集节点104在积分开始时处于电压vc。在这种情况下，vc和vbs之间的电位差在18v和20v之间；电荷收集节点104和背面导电层108之间的这种电位差通常足以基本上完全耗尽相对厚度减薄的高电阻率衬底。足够大以基本上完全耗尽半导体衬底101的电荷收集节点104(vbs)之间的实际反向偏置电压取决于半导体衬底101的衬底材料、衬底掺杂水平和厚度。所述反向偏置电压例如，可以通过物理模拟找到。调制节点105的调制电压vm应低于主要电荷收集节点104的电压，以避免正向偏置主要电荷收集节点104和调制节点105之间的pn结。在该说明性示例中，对应于高量子效率状态和低量子效率状态的调制电压vm可以分别为vhq＝2.5v和vlq＝0v的量级。

该示例实现方式还使用中间调制电压，其在说明性示例中可以是分别产生中等高量子效率状态的电压vint_h＝1.25v和产生中等低量子效率状态的电压vint_l＝0.75v。

图8b示出了第一示例情况，其中，矩阵中的所有像素元件在其调制节点105中具有vhq；换句话说，像素元件处于高量子效率状态。箭头145示出半导体衬底101中的电场线。像素元件100(2，2)的主要电荷收集节点104从由粗虚线140和141描绘的区域收集电荷；像素元件100(2，3)的主要电荷收集节点104从由粗虚线141和142描绘的区域收集电荷；像素元件100(2，4)的主要电荷收集节点104从由粗虚线142和143描绘的区域收集电荷；像素元件100(2，5)的主要电荷收集节点104从由粗虚线143和144描绘的区域收集电荷。图8b中的粗虚线140、141、142和143表示相邻像素之间的电荷收集体积的边界。应当注意，在图8b中，当接近电荷收集体积的边界时，垂直于电荷收集体积边界的电场分量朝向边界平滑地减小并且在边界处达到零。在电荷收集体积边界中存在到102或108的垂直电场。应当注意，在更详细的图中，还将示出在外围节点102和电荷收集节点之间运行的电场线，与调制节点105和电荷收集节点之间存在电场线的方式类似。为清楚起见，这些未在图中绘出。

图8c示出了第二示例情况，其中，像素元件的奇数列在其调制节点105中具有vhq(即，处于高量子效率状态)，像素元件的偶数列在其调制节点105中具有vint_h(即，处于中等高量子效率状态)。电场线(由箭头145表示)根据调制电压的变化而改变；粗虚线140和141以及142和143已经彼此靠近并弯曲。这里应注意，粗虚线144已朝向相邻的像素元件100(2，6)移动，并且未在图8c中示出。由于调制电压变化的结果，与图8b相比，偶数列中的主要电荷收集节点104从较窄的电荷收集体积收集光生电荷。另一方面，与图8b相比，奇数列中的主要电荷收集节点104从较宽的电荷收集体积收集电荷。

图8d示出了第三示例情况，其中，像素元件的奇数列在其调制节点105中具有vhq(即，处于高量子效率状态)，像素元件的偶数列在其调制节点105中具有vint_l(即，处于中等低量子效率状态)。与图8c相比，粗虚线140和141以及142和143彼此更靠近。所述线在半导体衬底101的背面附近彼此叠置。由此，偶数列中的主要电荷收集节点104不收集在背面附近光产生的电荷。这实际上意味着在背面附近吸收的短波长不被偶数列的像素元件捕获。因此，可以进行光谱选择性成像；在图8d的示例中，偶数列中的主要电荷收集节点104吸收实际上被奇数列中的像素元件长通(long-pass)滤波的光。

图8e示出了第四示例情况，其中，像素元件的奇数列在其调制节点105中具有vhq(即，处于高量子效率状态)，像素元件的偶数列在其调制节点105中具有vlq(即，处于低量子效率状态)。在这种情况下，偶数列中的像素元件仅从其主要电荷收集节点104的紧邻区域收集电荷，如粗虚线140、141、142和143所示。

图8f示出了第五示例情况，其中：

像素元件100(i，1)具有vm＝vhq，

像素元件100(i，2)具有vm＝vlq，

像素元件100(i，3)具有vm＝vhq，

像素元件100(i，4)具有vm＝vhq，

像素元件100(i，5)具有vm＝vint_h，以及

像素元件100(i，6)具有vm＝vhq。

该示例情况说明在像素元件矩阵内可能有不同的调制电压组合。应当理解，通过调制量子效率，可以改变像素元件从其收集光生电荷的电荷收集体积。实际上，在收集光生电荷方面的像素边界不是固定的-而是灵活的，即通过调制量子效率可编程的。

图8a-f中的示例说明针对示例实施例绘制的，其中，每个像素元件包括单主要电荷收集节点。应当理解，可以在本公开的各种其他实施例中以类似的方式调制量子效率。图8a-f中描述的原理可以扩展到具有多个主要和/或次要电荷收集节点的像素元件，并且扩展到包括更高维度的矩阵的图像传感器。此外，在除了主要电荷收集节点之外每个像素元件包括次要电荷收集节点的示例实施例中，次要电荷收集节点的电压vx可以用于改变次要电荷收集节点的量子效率。

图21a是使用调整注入的另一示例说明。注入物1251是第二导电类型半导体材料，注入物1250是第一导电类型半导体材料。可以轻微掺杂注入物1251和1250，使得当传感器被操作时所述注入物完全耗尽。注入物1251旨在改善调制，而注入物1250有助于将移动的第一导电类型电荷引导到电荷收集节点。虽然注入物的组合可以改善量子效率的调制，但是这些注入物也可以单独使用，例如仅1250或仅1251。

图21b是将调制注入用于具有一个主要和一个次要电荷收集节点的像素元件的示例说明。存在第二导电类型半导体材料1251的注入，以及第一导电类型半导体材料1253的注入。此外，在次要电荷收集节点180下方注入第二导电类型半导体材料1254。调制注入有助于将电荷引导到主要104和次要180电荷收集节点并促进所述电荷收集节点的量子效率调制。可以轻微掺杂注入物1251、1253和1254，使得当传感器被操作时，所述注入物被完全耗尽。

图21c是将调制注入用于具有两个主要电荷收集节点的像素元件的示例说明。该情况类似于图21a的使用两个像素元件的情况。

还可以示出将调制注入用于具有两个主要电荷收集节点的像素元件的示例。该情况类似于图21c的使用两个像素元件的情况，除了现在调制注入1252被构造成使得它不会一直延伸到像素元件的边缘。这有助于将一个像素元件的电荷收集体积与相邻像素元件的电荷收集节点分开。可以轻微掺杂注入物1251和1252，使得当传感器被操作时，所述注入物被完全耗尽。

所描述的调整注入是说明性示例，并且可以以不同的组合使用。

图22提供了图8b的像素元件的电场分布和偏置条件的更详细的说明。图22的粗虚线140、141和142表示相邻像素之间的电荷收集体积的边界。应当注意，类似于图8b，当接近电荷收集体积的边界时，垂直于电荷收集体积边界的电场分量朝向边界平滑地减小并且在边界处达到零。在图22中，绘制电场线以说明在电荷边界处产生的第二导电类型移动电荷在外围节点102处或在背面导电层108处结束。这是因为在电荷收集体积边界中存在到102或108的垂直电场。图22中还示出了以与在调制节点105和电荷收集节点之间存在电场线类似的方式，在外围节点102和电荷收集节点之间运行的电场线(出于清楚的原因，这些在图8b、8c、8d、8e以及8f中未示出)。

作为对图8b的注释，图8c、8d、8e和8f仅粗略地示出了电场线，但是电荷收集体积之间的边界在性质上表现如图8b、8c、8d、8e和8f所示。

图9a-b是根据本公开的实施例的如何调制像素元件的量子效率以改变其电荷收集体积的其他示例说明。图9a-b示出了根据本公开的实施例的像素元件矩阵的一部分的俯视图。

仅出于说明目的，现在将考虑具有i＝[1，m]行和j＝[1，n]列的像素元素矩阵，其中，m和n分别是正整数3和10。所述部分包括矩阵的像素元件100(2，2)、100(2，3)、100(2，4)、100(2，5)、100(2，6)、100(2，7)、100(2，8)和100(2，9)。

像素元件100(2，2)、100(2，3)、100(2，4)、100(2，5)、100(2，6)、100(2，7)、100(2，8)和100(2，9)的主要电荷收集节点分别从区域150、151、152、153、154、155、156和157下方的电荷收集体积收集光生电荷。应当理解，区域150、151、152、153、154、155、156和157仅仅是指示性的。如在图8a-f中可观察到的那样，给定的主要电荷收集节点从其收集光生电荷的电荷收集体积取决于光生成发生的深度。

为清楚起见，图9a-b中所示的像素元件100(2，2)、100(2，3)、100(2，4)、100(2，5)、100(2，6)、100(2，7)、100(2，8)和100(2，9)的主要电荷收集节点、调制节点和外围节点未标记。

图9a示出了示例情况，其中：

像素元件100(i，1)具有vm＝vhq，

像素元件100(i，2)具有vm＝vhq，

像素元件100(i，3)具有vm＝vint_h，

像素元件100(i，4)具有vm＝vhq，

像素元件100(i，5)具有vm＝vhq，

像素元件100(i，6)具有vm＝vlq，

像素元件100(i，7)具有vm＝vhq，

像素元件100(i，8)具有vm＝vhq，

像素元件100(i，9)具有vm＝vhq，以及

像素元件100(i，10)具有vm＝vhq。

应当理解，在收集光生电荷方面，体积(即，电荷收集体积)的边界可以用调制电压电改变。

图9b示出了另一示例情况，其中：

j满足mod(j，3)＝1的像素元件100(i，j)具有vm＝vint_h(中等高量子效率状态)，而其j满足mod(j，3)＝0并且mod(j，3)＝2的其他像素元件100(i，j)具有vm＝vhq(高量子效率状态)。

应注意，模运算mod(j，3)的符号等同于jmod3。从图9b可以看出，在该示例情况下，mod(j，3)＝1的像素元件100(2，j)从像素元件的实际宽度的大约三分之一收集光生电荷，而mod(j，3)＝0或mod(j，0)＝2的相邻像素元件100(2，j)收集来自像素元件的剩余的三分之二的光生电荷。

此外，在各种情况下光生电荷的测量，例如，其中：

情况a：所有像素元件具有vm＝vhq，

情况b：满足mod(j，3)＝1的像素元件具有vm＝vint_h，

情况c：满足mod(j，3)＝2的像素元件具有vm＝vint_h，以及

情况d：满足mod(j，3)＝0的像素元件具有vm＝vint_h，

可用于将每个像素元件垂直划分为三个部分。因此，利用这四个测量，矩阵的垂直分辨率可以是行中像素元件数量的三倍。应当理解，上述情况仅仅是用于说明调制电压及其模式背后的原理的示例。调制电压及其模式的不同组合可以用于将像素元件分成多个部分，从而提高分辨率。

图10a-b是根据本公开的实施例的可以如何调制像素元件的量子效率以改变其电荷收集体积的其他示例说明。图10a-b示出了根据本公开的实施例的像素元件矩阵的一部分的俯视图。仅出于说明目的，现在将考虑具有i＝[1，m]行和j＝[1，n]列的像素元件的矩阵，其中，m和n分别是正整数5和5。

参考图10a，像素元件100(3，3)、100(1，2)、100(2，5)、100(5，4)和100(4，1)具有vm＝vint_h，而其他像素元件具有vm＝vhq。像素元件100(3，2)、100(2，3)、100(3，4)、100(4，3)和100(3，3)的主要电荷收集节点收集来自区域171、172、173、174和175(用粗线围绕)下方的电荷收集体积的光生电荷。

参考图10b，所有像素元件都具有vm＝vhq。由此，电荷收集体积变得对称。

在图10c中，像素元件100(3，3)已被分成五个区域1710、1720、1730、1740、175。

图10d示出了如何针对区域1710、1720、1730、1740和175下方的电荷收集体积计算每单位面积和时间的光生电荷数。

参考图10d，图10a的区域171和图10b的区域171分别由a1和a2表示。区域1710(即，由a1和a2表示的区域之间的差)由a3表示。

同样地，对于区域a1、a2和a3，每单位面积和时间的光生电荷(即，由光信号产生的电子)的数量由s1、s2和s3表示，并且在数学上相关如下：

s3＝(a1*s1-a2*s2)/a3

以这种方式，像素元件的柔性(即，可编程的)电荷收集体积可用于增加图像传感器的分辨率，例如，通过利用调制电压vm的不同模式捕获多个图像。

接下来，图10e是根据本公开的实施例的如何借助于更大的像素元件的矩阵改善分辨率的示意图。图10e示出了m和n等于8的矩阵。

参考图10e，满足mod(2*(i-1)+j+1，5)＝0的像素元件具有vm＝vint_h，而其他像素元件具有vm＝vhq。使用该调制电压模式捕获第一张图片‘pic1’。

仅出于说明目的，现在将考虑使用以下调制电压模式捕获六个图片：

-pic1：如果mod(2*(i-1)+j+1，5)＝0，则vm＝vint_h，否则vm＝vhq

-pic2：如果mod(2*(i-1)+j+1，5)＝1则vm＝vint_h，否则vm＝vhq

-pic3：如果mod(2*(i-1)+j+1，5)＝2，则vm＝vint_h，否则vm＝vhq

-pic4：如果mod(2*(i-1)+j+1，5)＝3，则vm＝vint_h，否则vm＝vhq

-pic5：如果mod(2*(i-1)+j+1，5)＝4则vm＝vint_h，否则vm＝vhq

-pic6：vm＝vhq

由此，第一张图片‘pic1’具有vm的模式，如图10e所示；第二张图片‘pic2’具有相同的模式向右移动一个位置；第三张图片‘pic3’具有相同的模式向下移动一个位置；第四张图片‘pic1’具有相同的模式向上移动一个位置；第五张图片‘pic5’具有相同的模式向右移动一个位置；对于所有像素元件，以vm＝vhq拍摄第六张图片‘pic6’。这六张图片具有足够的信息，以便以类似于结合图10c和10d所示的方式将所有像素元件事实上分成五个部分。这将产生比矩阵中电荷收集节点多5倍的像素值。实际上，用成像速度来换取分辨率，这是值得的，尤其是在良好的光照条件下更是如此。

应当理解，图10e中使用的调制电压的模式仅是示例。由于可以电改变给定的主要电荷收集节点收集光生电荷的电荷收集体积，所以可以引入各种调制电压模式和方案以提高分辨率。作为示例，代替在捕获画面‘pic1’、‘pic2’、‘pic3’、‘pic4’和‘pic5’时使用vm＝vint_h用于所选像素元件，vm＝vlq可以用于所述所选像素元件。在这种情况下，像素元件可以事实上分成四个部分。

图11a-c是根据本公开的实施例的可以如何调制像素元件的量子效率以改变其电荷收集体积的其他示例图式。图11a-c示出了根据本公开另一实施例的像素元件的矩阵的一部分的俯视图。仅出于说明目的，现在将考虑具有i＝[1，m]行和j＝[1，n]列的像素元件的矩阵，其中，m和n分别是正整数4和5。参考图11a-c，除了主要电荷收集节点之外，像素元件还包括次要电荷收集节点，例如，如图5a所示。

应注意，这里使用的电压极性基于第一导电类型半导体是n型半导体的假设。

参考图11a所示，所有像素元件使其次要电荷收集节点处于高量子效率状态，并且使其主要电荷收集节点处于低量子效率状态。换句话说，所有像素元件具有vx＝vhq且vm＝vlq。像素元件100(2，3)和100(2，4)的次要电荷收集节点从区域181和182(由粗线围绕)下方的电荷收集体积收集光生电荷。

参考图11b，所有像素元件的主要电荷收集节点的量子效率提高和/或所有像素元件的次要电荷收集节点的量子效率降低。换句话说，与图11a中其先前的值相比，vm增加，而vx减小。像素元件100(3，2)和100(3，3)的主要电荷收集节点从区域183和184(由粗线围绕)下方的电荷收集体积收集光生电荷。可以理解，与图11a相比，区域181和182的尺寸缩小。

参考图11c，与图11b相比，所有像素元件的主要电荷收集节点的量子效率进一步提高和/或所有像素元件的次要电荷收集节点的量子效率进一步降低。这里应注意，在收集光生电荷之后可以读出电压vx；因此，次要电荷收集节点可以有助于图像传感器的分辨率，类似于主要电荷收集节点。

图12a-d是根据本公开的各种实施例的像素元件100的电路107的示意图。出于说明的目的，假设第一导电类型半导体材料是n掺杂半导体材料；关于p掺杂的第一导电类型半导体材料的操作可以以类似的方式解释。优选地，半导体衬底101是高电阻率或本征半导体材料。

参考图12a，像素元件100包括单主要电荷收集节点104，而没有任何次要电荷收集节点。‘vm’是调制节点105的调制电压，并用于调制电压为‘vc’的主要电荷收集节点104的量子效率。

图12a仅示出了电路107的示例性部分，其中，电路107包括开关110。在示例实施例中，开关110可以实现为nmos晶体管，其用于将vc拉向节点112处可用的复位电压vr。开关110具有栅极111。电路107还包括用于存储光生收集电荷的电容器109。电容器109可以是专用电容器、寄生电容器或不同电容性元件的组合。

主要电荷收集节点104和背面导电层108之间的电位差由标记113表示。如果要使高电阻率衬底基本上完全耗尽，则该电位差应该足够高(通常，大约15伏的量级)。

这些像素元件100的矩阵可用于捕获图片，如下所示：

-首先，通过断言(assert)晶体管栅极111处的电压，通过开关110将vc拉向复位电压vr来初始化所有像素元件的主要电荷收集节点的电压vc。在该示例中，vr可以是5v。

-接下来，晶体管栅极111处的电压被解除断言(de-assert)，因此，主要电荷收集节点保持浮动。光生电荷开始从大约为vr的初始值降低主要电荷收集节点处的电压vc。调制电压vm可用于改变相应的主要电荷收集节点的量子效率。

-最后，在一定的积分时间之后，电容器109保持可用于读出的信号vr-vc。信号范围可以是例如2v，使得主要电荷收集节点104将处于比外围节点102高至少3v的电位。

应当理解，这是拍摄图片的简化程序。在现实生活中，可以使用各种技术，例如在信号之前读取复位电压值的相关双采样(cds)。而且，不同的像素元件可以具有不同的积分时间。

这里应注意，主要电荷收集节点104处的电压应保持在特定值(certainvalue)以上，以防止电流在外围节点102(或调制节点105)与主要电荷收集节点之间流动，并且如果适用的话，保持半导体衬底101基本上完全耗尽。如果主要电荷收集节点104处于足够高的电压，则主要电荷收集节点104基本上将调制节点105与外围节点102隔离。以下说明中的电压极性假定第一导电类型半导体材料为n型半导体。

图12a是当第一导电类型半导体材料是n型半导体时，限制主要电荷收集节点104的电压范围的一种可能方式的示例说明。防止主要电荷收集节点104处的电压vc变得太低的一种方法是使用开关110将复位电压vr连接到主要电荷收集节点104和将复位电压vr从主要电荷收集节点104断开。在复位期间，开关110的晶体管栅极111被拉至高电压，使得开关110完全导通，即接通。然后，栅极电压可以设置为大约vtarg+vth，其中，‘vtarg’是主要电荷收集节点104的电压的目标下限，并且‘vth’是开关110(即，复位晶体管)的阈值电压。这样，当主要电荷收集节点104处的电压达到vtarg时，开关110的栅极-源极电压为vth。如果主要电荷收集节点104处的电压进一步降低，则通过开关110的电流增加，从而基本上防止主要电荷收集节点104处的电压降低。在实践中，这种限制逐渐发生。应当理解，已经在上面的例子中使用的vth仅用于说明目的。

参考图12b，像素元件100包括主要电荷收集节点104和次要电荷收集节点180。次要电荷收集节点180具有电压‘vx’，并且连接到电路107(所述连接未在图12b中示出)。电压vx可用于控制次要电荷收集节点180的量子效率。

参考图12c，像素元件100包括单个次要电荷收集节点180，没有任何主要电荷收集节点。次要电荷收集节点180可以用开关110_x复位，开关110_x可以实现为其栅极由节点111_x处的电压控制的晶体管。在节点112_x处提供复位电压vr_x。电路107还包括用于存储电荷的电容器109_x。图12c的像素元件100像图12a的像素元件100一样工作，除了没有调制节点之外。本文，利用vr_x可以调制量子效率。如果在复位期间vr_x处于高电压，则量子效率高；类似地，如果在复位期间vr_x处于低电压，则量子效率低。

假设电容器109_x被复位，则节点111_x被解除断言。如果此时调制节点112_x处的电压，则该调制中的一些通过电容器109_x电容性地连接到次要电荷收集节点180，从而导致次要电荷收集节点180的量子效率的调制。这允许在积分期间调制量子效率。电容器109_x的电容相对于次要电荷收集节点180的总电容越大，上述电容性调制效应越高。类似地，如在图12a的示例中对于主要电荷收集节点104所描述的那样，可以借助于开关110_x限制次要电荷收集节点180的电压范围。

参考图12d，像素元件100包括主要电荷收集节点104和次要电荷收集节点180。电路107包括开关122_x，其可以通过由栅极121_x控制的晶体管的方式来实现。当断言节点121_x处的电压时，开关122_x将次要电荷收集节点180连接到节点120。类似地，电路107还包括开关122，其可以通过由栅极121控制的晶体管的方式来实现。开关122可以将主要电荷收集节点104连接到节点120。这意味着图片可以利用次要电荷收集节点180和主要电荷收集节点104获取，并且这两者均将电荷存储进电容器109。

应当理解，图12a-d中所示的像素元件100仅是电路107的示例说明。本文描述的原理可以扩展到具有不同数量的主要电荷收集节点和/或次要电荷收集节点的其他类型的像素元件。值得注意的是，在给定的像素元件中可以存在多于一个的存储电容器。例如，在图12d中，可能存在一组电容器，其可以存储例如捕获的信号、复位值(用于cds)和导出的信号。

图13是根据本公开的实施例的像素元件100的电路107的示意图。参考图13，像素元件100包括第一主要电荷收集节点104a和第二主要电荷收集节点104b，例如，如图2a所示。

像素元件100包括被制造为半导体衬底101的背面的背面导电层108。背面导电层108被偏置到偏置电压vbs。电路107包括分别与第一主要电荷收集节点104a和第二主要电荷收集节点104b相关联的第一开关110a和第二开关110b(可以通过晶体管的方式实现)。类似地，开关110a和110b的晶体管栅极111a和111b可以分别用于控制开关110a和110b的电导。电路107还包括存储电容器109a和109b。标记113a表示电荷收集节点104a和背面导电层108之间的电位差，同时标记113b表示电荷收集节点104b和背面导电层108之间的电位差。vr_a和vr_b分别是节点112a和112b处的第一复位电压和第二复位电压。

仅为了清楚起见，可以使用的电路107的其他部分(例如，诸如可能的源极跟随器)未在图13中示出。

图14a-b是在图13的像素元件100中可以如何调制电荷的收集。可选地，半导体衬底101是减薄的高电阻率衬底。假设第一导电类型半导体是n型半导体材料。还假设开关110a和110b是n型晶体管。此外，在主要电荷收集节点和背面导电层108之间布置足够大的电位差113a和113b，从而基本上完全耗尽半导体衬底101。开关110a和110b用于在图像捕获开始之前将主要电荷收集节点104a和104b拉近其复位电压vr_a和vr_b。存储电容器109a和109b不需要是专用电容器，而是可以例如通过电荷收集节点104a和104b的寄生电容和/或其他附接的部件(例如晶体管栅极)形成。这里要注意的是，电容器109a和109b可以具有不同的值，例如，一个可以具有低电容(即，高转换增益)，另一个可以具有高电容(即，高全阱容量)。

参考图14，假设复位电压vr_a和vr_b是5v。像素信号范围(即vc_a、vc_b的电压范围)可以是5v至3v；在这种情况下，电荷收集节点104a和104b总是至少比外围节点102(处于地电平)高3v的电势。偏置电压vbs为-15v，vhq为2.5v，vlq为0v。0v的调制电压产生低量子效率状态，而2.5v的调制电压产生至其相应的主要电荷收集节点的高量子效率状态。

参考图14a-b，主要电荷收集节点104a和104b已经分别使用开关110a和110b(通过控制相应的栅极电压111a和111b)被拉向第一复位电压vr_a和第二复位电压vr_b。在复位操作之后，开关110a和110b已经分别被布置成用栅极电压111a和111b切断操作区域，以防止漏极节点112a和112b与主要电荷收集节点104a和104b之间的进一步电流流动。在复位期间，调制电压vm_a和vm_b可以是2.5v(＝vhq)。主要电荷收集节点104a和104b竞争衬底101内的光生电荷；由主要电荷收集节点104a和104b收集的电荷分别存储到电容器109a和109b。

接下来，将解释量子效率调制原理。图14a示出了在m＝3行和n＝4列的矩阵内的像素元件100(2，2)和100(2，3)。调制电压vm_a＝vlq，调制电压vm_b＝vhq。近似电场线145示于图14a和14b中。处于低量子效率状态的像素元件100(2，2)的主要电荷收集节点104a从由粗虚线125限定的小体积收集光生电荷，而处于高量子效率状态的像素元件100(2，2)的主要电荷收集节点104b从粗虚线124和126之间的衬底101的大体积(不包括由粗虚线125限定的体积)收集光生电荷。在粗虚线124的左侧光生的电荷由像素元件100(2，1)的主要电荷收集节点104b收集。

类似地，像素元件100(2，3)的主要电荷收集节点104a从由粗虚线127限定的小体积收集光生电荷，而像素元件100(2，3)的主要电荷收集节点104b从像素元件100(2，4)的粗虚线126和线124(未示出)之间的衬底101的大体积(不包括由粗虚线127限定的体积)收集光生电荷。因此，在给定像素元件内在衬底101中光生成的一部分电荷可以由相邻像素元件收集。

在图13的像素元件100中，主要电荷收集节点104a和104b彼此靠近(即，所述主要电荷收集节点104a和104b之间的区域106相对较薄)，以便最小化由相邻像素元件的所述电荷收集。这里要注意的是，填充因子基本上是100％，因为在像素元件下面产生的基本上所有电荷都是由其中一个主要电荷收集节点收集的。应当理解，如果像素元件100的衬底101基本上完全耗尽，如图14a和14b所假设的那样，则光生电荷快速漂移到主要电荷收集节点104a和104b。

参考图14b，像素元件具有vm_a＝vhq和vm_b＝vlq。像素元件100(2，2)的主要电荷收集节点104b和像素元件100(2，3)的主要电荷收集节点104b收集光生电荷的电荷收集体积分别由粗虚线128和130限定。与图14a类似，像素元件100(2，3)的主要电荷收集节点104a从粗虚线129和131之间的大体积(不包括由粗虚线130限定的体积)衬底101收集光生电荷。

有趣的是，如果入射光在达到相对厚(即，几十微米量级)的减薄芯片之前通过红外(ir)截止滤波器，则调制对比度接近100％。这是因为实际上所有短波长光在背面附近被吸收，非常少的光在处于低量子效率状态的主要电荷收集节点附近(即，由粗虚线125、127、128和130限定的体积)被吸收，因为主要电荷收集节点位于像素元件的正面上。

图15是根据本公开的实施例的可以如何获得小的主要电荷收集节点尺寸，同时具有来自像素元件100的整个区域的高调制对比度和电荷收集的示意图。图15示出了可以采用的可能的像素读出电路的示意图。主要电荷收集节点(104a和104b)与外围节点102之间的较高电位差允许相对于像素元件100的整个区域的较小的主要电荷收集节点区域。

在示例情况下，分别设置开关110a、110b、115a、115b、117a和117b的节点112a、112b、114a、114b、119a和119b处的漏极和源极电压，使得在将晶体管端子电压保持在安全电压范围(即，不损害晶体管的电压范围)的同时，最大化主要电荷收集节点(104a和104b)与外围节点102之间的反向偏压。

这里要注意的是，开关可以通过第一导电类型的晶体管(例如，可以构建在外围节点(p阱)102中的nmos晶体管)的方式来实现，以便快门晶体管122a和122b、复位晶体管109a和109b、源极跟随器晶体管115a和115b以及负载晶体管117a和117b的衬底连接到外围节点102。快门晶体管122a、122b是可选的，并且用于分别将主要电荷收集节点104a和104b与存储节点120a和120b分开。这提供了获得全局快门成像的一种方式。

由晶体管115a和115b以及晶体管117a和117b形成的源极跟随器分别缓冲存储在电容器109a和109b上的信号。这些源极跟随器具有输出节点116a和116b。快门晶体管122a和122b具有栅极节点121a和121b，分别具有相应的栅极控制电压vsh_a和vsh_b。栅极控制电压vsh_a和vsh_b分别用于将快门晶体管122a和122b转换为导通或截止操作区域。负载晶体管117a和117b具有栅极节点118a和118b，其用于设置源极跟随器的偏置电流。晶体管115a和115b分别具有漏极端子114a和114b。晶体管117a和117b具有源极端子119a和119b。

在读出期间，调制电压vm_a和vm_b优选地被设置为预定值，以便最小化由于调制节点105a和主要电荷收集节点104a之间以及调制节点105b和主要电荷收集节点104b之间的电容性连接引起的波动。在读出之后，可以利用使电容器109a和109b的节点短路的开关110a和110b来复位像素元件。此时，可以在像素元件内读出或使用节点120a和120b处的复位电压，以用于双采样或相关双采样。

应理解，图15未描绘完整的像素电路，并且图像传感器中像素元件的使用不限于上述的特定读出配置。实际上，将这样的像素元件实现到图像传感器中还需要连接到栅极116a和116b的单独的选择装置，以便选择读出像素元件的矩阵中的哪个像素元件。而且，例如，负载晶体管117a和117b可以放置在外围电路(即，图像传感器的控制器)中。诸如节点104a、104b、120a和120b处的那些像素元件电压可用于像素级信号处理和/或读出。

可以将节点112a和112b处的复位电压vr_a和vr_b增加到例如8v。这增加了主要电荷收集节点(104a和104b)与外围节点102(包括区域106)之间的电位差。然而，需要采取措施以确保像素电路的晶体管能够处理这样的高电压，因为晶体管可以名义上例如设计成以1.8v或2.5v电源工作。在一个实施例中，在图15的像素电路的节点114a、114b、119a和119b处的适用的高和低电源电压可以独立于节点112a和112b处的复位电压以及外围节点102处的外围节点电压来设置。例如，如果复位电压vr_a和vr_b是8v，并且假设使用2.5v晶体管，则节点114a和114b处的电压可以是7.5v，节点119a和119b处的电压可以是5v。以这种方式，晶体管端子电压将在允许的范围内。晶体管的非零体偏置将改变阈值电压，这在电路107的设计方面必须考虑。

如图15示出了设计像素电路背后的原理的说明性示例，实际实现可以具有不同数量的独立电源电压的不同晶体管电路。应当理解，像素电路不限于该特定配置。如果半导体材料的导电类型互换，则电压供应的极性也需要互换。作为示例，在第一半导体材料是p型半导体并且第二半导体材料是n型半导体的情况下，电路107收集空穴。而且，在这种情况下，n型调制节点将被p型主要电荷收集节点围绕。此外，如果半导体材料互换，则需要改变电压极性，并且需要重新设计读出电子器件(例如，诸如晶体管等)以考虑改变的电压极性和电压范围。此外，如果第一导电类型半导体材料是p型半导体，则电荷收集节点104a和104b处的电压应保持低于特定值，以分别防止电流在外围节点102与电荷收集节点104a和104b之间流动。

接下来，图16是根据本公开的实施例的用于捕获图像的系统的示例性ptof实现方式的示意图。在图16中，示出了发射的信号，该发射的信号是在第一时刻由系统的光发射器发射的光脉冲300。发射的光脉冲300撞击目标，并在第二时刻从目标反射回来。反射的光脉冲作为接收信号被接收，其在系统处被检测为光脉冲301。发射的光脉冲300与接收的光脉冲301的边界之间的时间差302表示飞行时间。

在单独的测量周期中观察接收信号的测量。图16示出了三个测量周期305、306和307(即，x1、x2、x3)。第一测量周期305在发射光脉冲300的同时开始。测量周期305之后是测量周期306和307。由于反射的光脉冲301，在测量周期305和306中的反射信号持续时间303和304期间分别观察到接收信号。这里应注意，测量周期307在时间上晚得多，使得任何测量的信号超出图像传感器的目标距离范围。因此，测量周期307可能仅具有由发射的/反射的信号引起的少量信号；由背景照明控制，背景照明代表给定场景的正常强度图像。

众所周知[参见参考文献“sensors2015，15，4624-4642；doi：10.3390/s150304624”]可以通过分数x2-x3/((x1-x3)+(x2-x3))获得归一化的距离。这里应注意，分母表示接收的总反射信号。

可选地，可以通过具有彼此相邻布置的三个调制的电荷收集节点的传感器电路来执行上述三个测量，例如，如图4a所示。在这种情况下，在用多个发射脉冲和重复周期305、306和307重复测量之后，电荷收集节点聚集足够量的电荷。图4a的电荷收集节点104a和104b产生值x1和x2，而图4a的电荷收集节点104c以类似的方式产生值x3(背景)。

这种能够检测多种模态(例如，诸如tof和强度图像)的多模式图像传感器在实现新颖的图像捕获/处理方案中非常有用。这里应注意，在电荷收集节点104c处的x3期间捕获的信号是传统强度图像，而没有发射的信号的贡献。在一个实施例中，应用像素并行信号处理以如下计算tof结果：x2-x3/((x1-x3)+(x2-x3))，其用于焦平面处理，以及正常强度图片。

在一个实施例中，当图像传感器获取信号时，像素电路对像素元件的信号执行计算(例如，主要和/或次要电荷收集节点的电压、存储元件的电压、调制节点的电压等)，从而产生导出值。当特定像素元件或像素邻域中的局部像素电压(或电流)信号或导出值，或像素信号或导出值满足特定标准时，像素电路可以检测到满足这样的标准，并且可以发信号通知矩阵的外部，该矩阵具有准备好读出的信息。优选地，从像素元件矩阵中读出像素元件或者满足特定标准的像素元件附近的像素元件的选定信号值，而其他像素元件可以继续捕获信号。还可以在像素邻域满足特定标准时存储所选信号。这里要注意的是，监测像素信号和/或相邻像素的信号或这些信号的函数、局部地确定何时满足特定条件以及请求/服务读出像素信号和/或相邻像素的信号、和/或基于特定标准在本地存储所选信号的原理是计算的一般方式，并且在本公开的实施例的调制的图像传感器之外应用。

图17是描述上述原理的流程图。在该流程图中，阶段400、401、402和403指示给定像素元件内的电路的不同操作阶段。

在阶段400(即，图像捕获阶段)中，使用两个运算跨导放大器(ota)404和405计算源自发射的信号的总接收反射信号，并且利用电流模式比较器407将结果与阈值进行比较。可选地，所述阈值是可调的；用于产生阈值的装置在电流模式比较器407的内部，并且未在图17中示出。

这里要注意的是，在阶段400中，在404、405和407之间存在电压comp控制开关晶体管，使得ota404和405的输出以及电流模式比较器407的输入连接在一起。当ota404和405的输出连接在一起时，得到的总和电流表示为((x1-x3)+(x2-x3))，即源自光源(例如，光发射器)的总反射信号。

一旦所述总和电流高于阈值(该阈值被选择以确保距离测量质量)，就有足够的信号来可靠地确定距离，并且发生到阶段401的转变。在阶段401中，发出读取请求(rd_req)的信号。这里应注意，作为读出请求的替代或补充，阶段401还可以激活其他功能，例如，诸如图17中未示出的本地存储过程。

在阶段401中，电路等待来自外围电路的读取确认信号rda；一旦接收到rda，电路就移动到读出状态，即，阶段402。

在阶段402中，x1-x3(rda有效)和x2-x3(rdb有效，由外围电路驱动)可以通过由信号rda和rdb控制的开关晶体管从节点pix_out409(或本地存储)读出。在读出之后，电路移动到阶段403。

在阶段403中，可以复位电路。在这方面，如果需要，可以执行对取消ota偏移的自动调零操作。然后，电路返回到阶段400以等待新条件，其中具有足够的信号用于可靠的距离测量。或者，代替如阶段402中所示的读出，可以在像素级别计算分数x2-x3/((x1-x3)+(x2-x3))，使得距离信息容易获得，例如，用于像素级别处理。

图18是根据本公开的实施例的用于捕获图像的系统的示例性全局快门(gs)成像实现方式的示意图。在gs成像中，在读出期间也收集入射光。换句话说，在读出期间基本上没有输入信号丢失。可以执行gs成像，以便可以同时执行读出和图像捕获。

这里应注意，如果调制对比度足够高，则在gs成像中不需要快门晶体管(例如，图15中所示的121a和121b)。因此，本文为了说明目的，假设可以省略快门晶体管。借助于图18和13可以理解gs成像实现的原理。

图18分别示出了在施加到图13的像素元件100的调制节点105a和105b的电压脉冲vm_a和vm_b的不同相位期间的操作。在调制脉冲相位502(vm_ahi)期间，主要电荷收集节点104a将帧‘1’的电荷收集到电容器109a。同时，在调制脉冲相位500(vm_blo)处，主要电荷收集节点104b首先等待读出，然后从主要电荷收集节点104b读出帧‘0’，复位电容器109b，并读出电容器109b的复位值。此后，在调制脉冲相位503(vm_bhi)期间，捕获帧‘2’，同时，在调制脉冲相位501(vm_alo)期间，电路等待读出，然后从电容器109a读出帧‘1’，复位电容器109a，并读出电容器109a的复位值。这些相位不断重复。这里应注意，读出复位值以用于使用复位和信号值的(相关)双采样。

如果使用快门晶体管，则它们将在调制脉冲相位502和503期间处于导通模式，并且它们将在调制脉冲相位500和501开始时变为截止区域(即，到电容器109a和109b的采样信号)。采样电容器将电容器热噪声固定为平均kt/c。如果没有使用快门晶体管，则这种采样不会在像素级别发生。由于存在各种方式来降低列级别的读出路径中的热噪声(即，读取噪声)，因此本公开的实施例具有非常低噪声的全局快门成像的潜力，基本上不会浪费任何入射光。

在一个实施例中，图像传感器用于高动态范围(hdr)成像。连接到调制节点105a和105b(例如，在图13中示出)的调制电压vm_a和vm_b可以在一帧期间被重复调制，使得两个调制源的占空比不同。作为示例，与主要电荷收集节点104b相比，主要电荷收集节点104a可以在高量子效率状态下保持更长的时间。这意味着主要电荷收集节点104a可以捕获比主要电荷收集节点104b更多的信号。然后，可以从图像传感器读出对应于相同图像帧的两个信号。

可以用于hdr成像的相同电路也可以与gs成像一起工作而无需任何修改。通过在上述gs成像实现方式中使用两个主要电荷收集节点104a和104b的不同积分时间，还可以将gs成像和hdr成像组合为gshdr成像。作为示例，图18的调制脉冲相位502和503可以具有不同的长度。以这种方式，将以不同的积分时间捕获每个其他帧，并且可以组合这些gs图像以生成hdr图像。

应当理解，上面解释的gs成像和gshdr成像方案不需要量子效率的快速调制。在相同的积分周期内不需要改变调制。因此，也可以使用二次电荷收集节点来代替主要电荷收集节点104a和/或104b。例如，可以通过复位电压vr_x来调制次要电荷收集节点的量子效率。

在一个实施例中，根据本公开的实施例的图像传感器可以应用于信号背景比(sbr)改进。在该实施例中，前述系统包括具有光发射器，该光发射器具有低占空比的脉冲光场。在此上下文中，术语“背景”通常是指不源自由光发射器发射的信号的任何捕获的信号分量。与始终开启的光源相比，光发射器采用有助于提高sbr的脉冲低占空比，同时应对平均发射功率和发射脉冲功率调节。图19是根据本公开的实施例的在前述系统中具有脉冲光场的前述光发射器的示例性实现方式的示意图。sbr相对于平均发射功率得到改善；通过脉冲发射的光并将由于反射的发射光而产生的光生电荷收集到一组主要电荷收集节点，同时由于环境/背景照射引起的输入信号被收集到另一组主要电荷收集节点，这种改进是可能的。这里要注意，在多模式图像传感器中，由于环境/背景照明引起的信号可以用作传统的强度图像。

在图19中，发射的信号600是具有低占空比的脉冲光场。接收的信号601从给定场景中的目标反射回来。假设初始时复位电荷收集节点104a和104b，并且如果适用的话，读出cds的复位值。以使得调制电压vm_a随发射的信号600变高，并且在持续时间‘t1’(如标号602所示)保持高电平的方式调制图像传感器；持续时间‘t1’是信号从最大感兴趣距离反射所花费的时间。此后，调制电压vm_b变高(即，主要电荷收集节点104b进入高量子效率状态)持续时间‘t2’，如标记603所示。这种脉冲光源和捕获由于发射脉冲引起的反射能量的周期重复n个周期，其中，n足够大以保证足够的信号累积在电容器109a上。定时需要满足t1<t2，并且优选地t1<<t2。这是因为在给定脉冲期间发射的光可以比连续光源发射的光高大约t2/t1倍。在n个周期之后，电容器109a两端的电压表示由于反射光场引起的信号。这里应注意，电容器109b两端的电压对应于给定场景的正常强度图像(即，没有反射光场)，其也可以被读出和使用，从而产生多模式图像传感器。

应当理解，诸如范围成像等各种光场应用(例如，参见本公开的背景技术)可以受益于上述sbr改进实现方式。

在一个实施例中，前述系统用于光谱成像目的。在这种情况下，发射不同波长的光场并执行光谱成像。可选地，通过发射三原色的占空比脉冲并且通过将由于不同颜色的光场引起的反射光收集到不同的主要电荷收集节点，获得彩色图像，而不使用滤色器。同样，这种占空比将有助于减少源自背景照明的接收信号。作为示例，三色成像将需要四个主要电荷收集节点，一个用于每种颜色，一个用于在脉冲之间收集光且持续时间‘t2’。除了颜色信息之外，这样的布置将给出正常强度图像。光谱成像可以应用于例如生物测定应用和主动视觉。

这里要注意的是，利用根据本公开的实施例的图像传感器，还可以在捕获信号的同时识别脉冲信号的量，如图16中的tof信号所做的那样。监测捕获的信号使得可以为已捕获足够信号的像素实现基于事件的读出(或本地存储)。可选地，像素以自触发方式从捕获状态切换到读出状态。换句话说，可选地，状态转换在像素电路中进行硬编码，从而产生多指令多数据(mimd)操作。此外，可以在其基于事件的读出(即，无帧操作)之后复位每个像素。应当理解，类似的方法通常可以应用于像素级别处理。

图20a是根据本公开的各种实施例的像素电路的多模式成像能力的示意图。在图20a中，示出了根据本公开的第一实施例的可用于测量mtof成像中的一个相位的传感器操作的时序图700。时序图700示出了在增加瞬时发射的光功率，以增加信号到背景的水平的同时如何避免使用快门开关，如何将图像传感器用作除了调制的tof数据之外还捕获正常强度图像的多模式图像传感器，以及如何可以保持平均发射光功率。

像素元件，例如类似于图15的像素元件，可以在第一实施例中使用。发射的信号是重复的正弦信号；然而，它也可以采用其他形状，例如矩形脉冲形状。在时序图700中，将电荷收集到主要电荷收集节点104a和104b。一旦已经发射了足够量的脉冲并且相应的光生电荷已经累积到电容器109a和109b中，则快门晶体管122a和122b转为截止，并且执行从节点120a和120b读出电压。使用快门晶体管的问题在于，一旦开关110a和110b关断，kt/c噪声就被采样到电容器109a和109b中。增加电容器109a和109b的电容值会降低kt/c噪声，但会降低灵敏度，即转换增益(v/电子)。

在图20a中，示出了根据本公开第二实施例的另一时序图701，其中，除了主要电荷收集节点104a和104b之外，像素元件还包括第三主要电荷收集节点104c，例如如图4a所示。在这种情况下，完全不需要快门晶体管；它们可以一直保持开启(假设调制对比度足够高)，或者被排除在像素电路之外。信号被累积到电荷收集节点104a和104b。在累积之后，通过将调制电压vm_c施加到调制节点105c，第三主要电荷收集节点104c的量子效率被调制到高电平，并且主要电荷收集节点104a和104b被读出。这里要注意的是，消除了由于使用快门晶体管采样而导致的kt/c噪声的瞬时值的捕获，从而允许在信号路径中进一步连续的时间噪声带宽抑制，从而减小了与特定电容相关的噪声的均方根(rms)值。还应注意，在上述第二实施例中，第三主要电荷收集节点104c已用于消除对快门晶体管的需要；然而，可以使用次要电荷收集节点180代替第三主要电荷收集节点104c，其中，次要电荷收集节点180的电压vx用于控制次要电荷收集节点180的量子效率。电荷收集节点的这种布置的示例实施例在图20b中示出，其中，像素元件100包括两个主要电荷收集节点104a和104b以及布置在主要电荷收集节点104a和104b之间的次要电荷收集节点180。此外，vx的定时在时序图701中示出。

在图20a中，示出了根据本公开第三实施例的又一时序图702，其中，像素元件包括三个主要电荷收集节点104a、104b和104c，例如如图4a所示，其中，第三主要电荷收集节点104c具有相关的快门晶体管122c(其漏极用120c表示)和存储电容器109c。这里应注意，快门晶体管122c和电容器109c未在图4a中示出；然而，它们以与图15所示的快门晶体管122a、漏极120a和电容器109a的布置类似的方式布置。

时序图702类似于时序图701，除了在将电荷首先累积到主要电荷收集节点104a和104b之后，然后通过利用施加到调制节点105c的调制电压vm_c将第三电荷收集节点104c的量子效率调制到高电平，将电荷累积到主要电荷收集节点104c，随后使快门晶体管122c截止。现在，主要电荷收集节点104a和104b包含要用于tof测量的相位信号，而存储电容器109c两端的电压包含正常强度图像(即，全局快门图像)。当主要电荷收集节点104c处于高量子效率状态时，读出来自主要电荷收集节点104a和104b的信号。此后，快门晶体管122c转到截止区域，并且可以读出存储电容器109c两端的电压。类似于时序图701，第三主要电荷收集节点104c可以用次要电荷收集节点180和相应的快门晶体管代替，例如如图20b所示。

上述示例性实现方式可以扩展到像素元件的各种不同配置。作为示例，可以存在将收集tof信息的两个主要电荷收集节点，将捕获传统图像的第一次要电荷收集节点(没有快门晶体管)和在第一次要电荷收集节点被读出时将捕获该信号的第二次要电荷收集节点。

在图20a中，示出了根据本公开的第四实施例的用于tof相位捕获过程的变型的又一时序图703，其中，目的是改善调制的tof成像中的sbr。在第四实施例中，在单独的发射脉冲组之间关闭发射的信号。当发射的信号无效时，电荷由图4a的像素元件100的主要电荷收集节点104c收集。这样，平均发射的信号可以保持足够低以满足眼睛安全规定，同时在脉冲期间具有更高的传输功率。应当理解，其他变体也是可能的。例如，在一个变型中，主要电荷收集节点104c伴随有快门晶体管122c和电容器109c。通过在累积到电容器109c之后关闭快门晶体管122c，可以读出漏极120c处的电压作为强度图像。

应当理解，本公开中提出的各种示例性实现方式，例如，包括tof成像、光场成像和分辨率增强，不一定需要根据本公开的实施例的调制的图像传感器。值得注意的是，图像传感器可以以各种不同的方式实现，以将收集的电荷引导到不同的电荷收集节点。

虽然已经利用多个示例性实现方式描述了本公开的实施例，但是应当理解，落入可能的权利要求的范围内的各种修改和等同布置是可能的。

在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以对前面描述的本公开的实施例进行修改。描述和要求保护本公开的诸如“包括”、“包含”、“结合”、“具有”、“用于”等表达旨在以非排他的方式解释，，即允许存在未明确描述的项目、组件或元件。对单数的引用也应被解释为涉及复数。