专利名称：图像传感器及其操作方法
技术领域：
一个或多个实施例涉及一种图像传感器、图像传感器的像素的结构及其操作方法。
背景技术：
当前，具有图像传感器的便携式装置(例如，数字相机、移动通信终端等)正在发展并在市场上买卖。这些图像传感器由被称为像素或像点(photosite)的小型光电二极管阵列形成。通常，像素不直接从光提取颜色，而是将宽光谱带的光子转换为电子。因此，图像传感器的像素可需要仅接收用于从宽光谱带的光获取颜色所必须的带之内的光。图像传感器的每个像素可通过结合滤色器等来将与特定颜色对应的光子转换为电子。为了使用图像传感器获取三维(3D)图像，需要获取颜色以及关于对象和图像传感器之间的距离的信息。通常，关于对象和图像传感器之间的距离的重构图像被表示为现有技术中的深度图像。虽然其他波长是可用的，但是可通过使用可见光区域之外的红外光来获取深度图像。获取关于从传感器到对象的距离的信息的方法可以被大致分为主动方案和被动方案。主动方案通常可包括三角测量方案，三角测量方案使用用于测量照射到对象并从对象被反射并返回的光的传播时间的飞行时间(Time-of-Flight，T0F)并使用检测与传感器隔开预定距离的激光器发射并反射的光的位置的三角测量来计算距离。被动方案通常可包括在不照射光的情况下仅基于图像信息来计算到对象的距离的方案，并且被动方案可在立体相机中被采用。基于TOF的深度捕捉技术可检测当照射的具有调制脉冲的光从对象被反射并返回时相位的改变。这里，可基于电荷的量来计算相位的改变。照射的光可以是对人体无害的不可见的红外线(IR)。此外，为了检测照射的光和反射的光之间的时间差，可使用与一般的颜色传感器不同的深度像素阵列。
发明内容
根据一个或多个实施例，提供一种图像传感器，所述图像传感器的至少一个像素包括检测部分，用于转移在接收到光之后检测部分产生的电子，检测部分包括具有不同锁定电压的多个掺杂区以在检测部分中施加电场，从而向所述像素的解调部分转移电子；解调部分，用于向至少一个节点转移电子，以累积一个或多个电子。所述像素可被配置为施加另一电场，所述另一电场使得电子通过解调部分向所述至少一个节点转移，以累积一个或多个电子。此外，所述多个掺杂区可分别包括多个η-层，其中，随着所述多个η-层中的每个 η-层被配置为越靠近解调部分，所述多个η-层中的每个η-层的各自的锁定电压越高。所述多个η-层中的每个η-层的各自的锁定电压还可基于各自的掺杂浓度。所述多个掺杂区可分别包括多个P-层，其中，随着所述多个P-层中的每个P-层被配置为越靠近解调部分，所述多个P-层中的每个P-层的各自的锁定电压越高。所述多个P-层中的每个P-层的各自的锁定电压还可基于各自的掺杂浓度。可以以钉扎光电二极管来配置检测部分，钉扎光电二极管包括多个掺杂区。所述图像传感器还可包括光电栅极，用于接收被检测部分向解调部分转移的电子。光电栅极可包括在解调部分中。此外，光电栅极可被屏蔽对光的接收。所述像素可被配置以使得光电栅极的电势的改变控制解调部分的另一电场的施加，所述另一电场使得接收的电子从光电栅极向所述至少一个节点转移以累积一个或多个电子。所述像素还可被配置以使得在第一时间段，光电栅极的电势低于检测部分的电势和第一转移节点的电势；在紧随第一时间段之后的第二时间段，光电栅极的电势高于检测部分的电势和第一转移节点的电势。这里，所述像素还可被配置以使得在紧随第二时间段之后的第三时间段，光电栅极的电势低于检测部分的电势和第二转移节点的电势，使得在第三时间段，光电栅极和第一转移节点的电势不会导致光电栅极存储的电子被转移到第一转移节点，并且使得在第三时间段，光电栅极和第二转移节点的电势导致光电栅极存储的电子被转移到第二转移节
点ο所述像素还可被配置以使得在第二时间段，光电栅极的电势和检测部分的电势导致电子从检测部分转移到光电栅极，同时光电栅极的电势和第一转移节点的电势导致电子不会被转移到第一转移节点。所述像素还可被配置以使得在第一时间段，光电栅极的电势和检测部分的电势导致电子在检测部分之内向检测部分的靠近光电栅极的边缘转移并且不会被光电栅极存储，并且在第一时间段，光电栅极的电势和第一转移节点的电势导致光电栅极存储的电子被转移到第一转移节点。所述像素还可被配置以使得当在第二时间段光电栅极的电势大于第一转移节点和第二转移节点时，在第二时间段，光电栅极存储接收的电子并且不会将存储的电子转移到第一转移节点和第二转移节点中的任何一个，其中，第二转移节点被配置为从光电栅极转移电子。所述像素还可被配置以使得在第一时间段之前存储在光电栅极中的电子在第一时间段向第一转移节点移动，并且被检测部分向解调部分转移的电子在第二时间段移动到光电栅极。根据一个或多个实施例，提供一种图像传感器，该图像传感器具有至少一个像素， 所述像素包括解调部分，通过至少一个转移节点对存储的电子进行解调，解调部分在第一时间段之前存储所述存储的电子；检测部分，用于在第一时间段将产生的电子转移到解调部分的前侧，当在第一时间段接收到光时检测部分产生所述产生的电子，其中，所述像素被配置为在第二时间段将转移的电子移动到解调部分。所述像素可被配置以使得在第一时间段，检测部分的电势施加漂移力以将产生的电子转移到至少解调单元的前侧，在第二时间段，至少检测部分的电势施加用于将转移的电子移动到解调部分的存储器的漂移力，并且在第二时间段期间，在第二时间段的解调部分的至少一个电势阻止施加漂移力来将存储的电子转移到解调部分内的至少一个转移节点。所述像素可被配置为在第一时间段期间将存储的电子移动到所述至少一个转移节点。检测部分可包括多个掺杂区，所述多个掺杂区中的每个掺杂区的锁定电压基于各自的掺杂浓度或结深度。还可以以钉扎光电二极管来配置检测部分，钉扎光电二极管包括多个掺杂区。钉扎光电二极管可具有朝向解调部分变窄的几何结构。钉扎光电二极管可具有朝向解调部分变宽的几何结构。此外，解调部分可包括光电栅极。根据一个或多个实施例，提供一种操作图像传感器的方法，所述图像传感器包括至少一个像素，所述像素包括检测部分，用于当接收到光时产生电子；解调部分，用于对产生的电子进行解调并且包括第一转移节点和第二转移节点，所述方法包括控制检测部分的电势以向解调部分转移产生的电子；控制像素内的电势，以使得产生的电子被存储预定时间段；控制解调部分的电势，以使得存储的电子在所述预定时间段之后被转移到第一转移节点。所述方法还可包括控制像素内的电势，以使得产生的另外的电子被存储所述预定时间段；控制解调部分的至少一个电势，以使得存储的另外的电子在所述预定时间段之后被转移到第二转移节点，并且使得存储的另外的电子在所述预定时间段之后不被转移到第一转移节点。所述方法还可包括累积转移到第一转移节点的第一电子，并累积转移到第二转移节点的第二电子；对累积的第一电子和累积的第二电子进行比较，并确定所述光的飞行时间。根据一个或多个实施例，提供至少一种包括用于控制至少一个处理装置以实现这里公开的一个或多个方法的计算机可读代码的非暂时介质。根据一个或多个实施例，提供一种操作图像传感器的方法，所述图像传感器包括至少一个像素，所述像素包括检测部分，用于当接收到光时产生电子；解调部分，用于对产生的电子进行解调，解调部分包括光电栅极、第一转移节点和第二转移节点，所述方法包括在第一时间段，将检测部分产生的电子存储在光电栅极中；在紧随第一时间段之后的第二时间段，通过第一转移节点和第二转移节点之一对存储在光电栅极中的电子进行解调。在第一时间段进行存储的步骤可包括设置光电栅极的电势以及第一转移节点的电势和第二转移节点的电势，以使得光电栅极的电势高于第一转移节点的电势和第二转移节点的电势。在第二时间段进行解调的步骤可包括设置光电栅极的电势以及第一转移节点和第二转移节点之一的电势，以使得所述第一转移节点和第二转移节点之一的电势高于光电栅极的电势。所述方法还可包括控制光电栅极的电势低于检测部分的电势和第二转移节点的电势，同时控制第一转移节点的电势使得光电栅极和第一转移节点的电势不会导致存储的电子被转移到第一转移节点，并控制光电栅极和第二转移节点的电势以使得所存储的存储的电子被转移到第二转移节点。所述方法还可包括控制光电栅极的电势和检测部分的电势，以使得检测部分产
7生的电子从检测部分被转移到光电栅极，同时控制第一转移节点和第二转移节点的电势以使得存储的电子不会被转移到第一转移节点和第二转移节点中的任何一个。所述方法还可包括控制光电栅极的电势和检测部分的电势以使得检测部分产生的电子在检测部分之内向检测部分的靠近光电栅极的边缘转移并且不会移动到光电栅极， 同时控制光电栅极的电势和第一转移节点的电势以使得存储的电子被转移到第一转移节点ο所述方法还可包括控制光电栅极的电势高于第一转移节点的电势和第二转移节点的电势，以阻止光电栅极的存储的电子被转移到第一转移节点和第二转移节点中的任何一个。将在接下来的描述中部分阐述实施例的另外的方面，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过该公开的实施而得知。
通过下面结合附图对实施例进行的描述，这些和/或其他方面将会变得清楚并且更易于理解，其中图1示出传统图像传感器的像素的结构；图2和图3示出用于解释在测量深度时解调速度的影响的时序图；图4示出根据一个或多个实施例的图像传感器的示图；图5示出根据一个或多个实施例的图像传感器的像素的平面图；图6示出根据一个或多个实施例的沿图5截取的线A-A’的截面图；图7示出根据一个或多个实施例的检测部分(例如，图6的检测部分)的不同结深度的示图；图8示出根据一个或多个实施例的沿图5截取的线B-B’的截面图；图9示出根据一个或多个实施例的在检测部分(例如，图5示出的检测部分)上形成的电势的示图；图10示出根据一个或多个实施例的在解调部分(例如，图5示出的解调部分)上形成的电势的示图；图11和图12示出根据一个或多个实施例的操作图像传感器的方法的示图；图13示出根据一个或多个实施例的在图11和图12中示出的像素的操作的时序图；图14和图15示出根据一个或多个实施例的图像传感器的像素的电势的示图；图16至图19示出根据一个或多个实施例的图像传感器的像素的各种变型的示图。
具体实施例方式现在，将详细描述在附图中示出的一个或多个实施例，其中，相同的标号始终表示相同的部件。为此，本发明的实施例可以以许多不同的形式被实现，而不应被解释为限于在此阐述的实施例。因此，以下仅是通过参照附图来描述实施例以解释本发明的各个方面。在图1中，光电栅极(photogate)元件被用于检测和解调反射的光。当电压被施加到光电栅极(PG)时，可在PG之下形成耗尽区。在此情况下，当反射的顶入射到PG时， 可在PG之下产生电子。通过栅极G-A或G-B的操作，产生的用于解调的电子直接被分别转移到第一累积节点和第二累积节点。然而，由于光在非常短的时间(例如，几十纳秒(ns)) 内从对象被反射，因此不会产生大量的电子。在周期性地产生电子之后，电子可累积在示出在栅极G-A附近的第一累积节点和累积在示出在栅极G-B附近的第二累积节点。最终，在预定的时间段之后，可通过从每个累积节点读取电子来获取T0F，并因此可获取距离信息。 如图1所示，与t。n-tTOF成比例的电子可累积在第一累积节点，与tTOF成比例的电子可累积在第二累积节点，从而可获取距离。尽管理论上可通过这样的像素结构和操作获取距离，然而由于光速的原因，从位于IOm内的对象反射的光将会在几十纳秒内返回。图2和图3示出在深度测量时解调速度的影响。在各个波形G-A和G-B中示出的阴影线指示随着波形G-A和G-B在发射光时或者在靠近发射光时的时间初始发生的波形改变而产生的电荷的量。例如，当调制频率为20MHz时，可通过向每个转移栅极施加电压25ns 来转移电子。如图2所示，当转移时间较短(例如，小于Ins)时，在累积节点的电荷的量可与TOF成比例，从而可准确地测量深度。相反，如图3所示，当电子转移花费较长时间时，电荷的量不会与TOF成比例，结果，可发生与Tdelay相应的误差，这会导致测量深度时的误差。 图2是高解调速度的示例，而图3是低解调速度的示例。转移电子存在两个前提，例如，漂移(drift)处理和扩散处理。简要地说，漂移处理使得电子被电场(e-field)移动，扩散处理使得电子通过扩散而移动。通常，漂移处理比扩散处理至少快10倍。鉴于以上，图4示出根据一个或多个实施例的图像传感器400。参照图4，图像传感器400的至少一个像素可包括例如检测部分410和解调部分 420。检测部分410可接收可见光光子，基于接收的可见光光子产生电子，并将产生的电子转移到解调部分420。这里，检测部分410可包括多个掺杂区，并且可基于多个掺杂区之间的锁定(pinning)电压之差来将电子转移到解调部分420。可以以包括多个掺杂区的钉扎(pinned)光电二极管来配置检测部分410。这里，在一个或多个实施例中，钉扎光电二极管可具有P+/N/P-基底结构。钉扎光电二极管可保持锁定电压并降低操作时的暗电流。解调部分420可通过至少一个转移节点对从检测部分410转移的电子进行解调。 解调部分420可包括累积节点和浮动扩散(FD)节点中的至少一个。这里，由解调部分420 执行的解调是指通过至少一个转移节点将从检测部分410接收的电子转移到累积节点或 FD节点。可以以光电栅极来配置解调部分420。操作图像传感器400的至少一个像素的方法可包括这样的方案向检测部分410 施加电场(e-field)，从而电子可被移动到解调部分420。换句话说，解调部分410可在第一时间段接收可见光光子，产生电子，并将电子转移到解调部分420的前侧。解调部分420 可使用至少一个转移节点对在第一时间段之前存储的电子进行解调。这里，转移到解调部分420的前侧的电子可在第二时间段被移动到解调部分420。这里，对于电子，电子的移动或转移将被认为等同于使得电子漂移到标识的位置/从标识的位置漂移。图5示出根据一个或多个实施例的图像传感器的像素500的平面图。图6示出沿图5的线A-A’截取的截面图，图8示出根据一个或多个实施例的沿图5的线B-B’截取的截面图。图像传感器的像素500可包括检测部分510、光电栅极520、第一转移节点TXl 530、第二转移节点TX2 M0、第一 FD节点FDl 550、以及第二 FD节点FD2 560。这里，光电栅极520、第一转移节点TXl 530、第二转移节点TX2 M0、第一 FD节点FDl 550、以及第二 FD节点FD2 560可被共同认为是与图4的解调部分420对应的解调部分。图5的检测部分510可对应于图4的检测部分410。因此，检测部分510可接收可见光光子，产生电子，并将产生的电子转移到解调部分。此外，可以以钉扎光电二极管来配置检测部分510。这里，检测部分510可包括多个掺杂区620、630、640和650，以转移电子。 所述多个掺杂区620、630、640和650可包括P+层620以及布置在P+层620之下的η-层 630,640和650。随着η-层630、640和650的每个被配置得越靠近解调部分，η-层630、 640和650的每个的各自的锁定电压可越高。此外，η-层630、640和650的每个的锁定电压可基于各个η-层630、640和650的每个的掺杂浓度或结深度(junction depth)被配置。 例如，可以按照η-层附630、N2 630和N3 630的次序来增加掺杂浓度。具体地，η-层附 630的锁定电压可低于η-层Ν2 640的锁定电压，η-层Ν3 650的锁定电压可在η-层630、 640和650中具有最高的锁定电压。随着η-层630、640和650变得越靠近解调部分，η-层 630,640和650被配置为具有更高的锁定电压时，由检测部分510产生的电子可被通过增加锁定电压产生的电场移动到解调部分。图7示出被配置为具有不同增加的结深度的检测部分510(例如，图6的检测部分)的结深度。在图7中，η-层Ν3730的结深度比η_层附710的结深度和η_层Ν2 720 的结深度深，η-层Ν2720的结深度比η-层附710的结深度深。这里，n_层N3 730可被布置在最靠近解调部分的位置。参照图6，根据上述的相同原理，P+层620可被划分为多个区，所述多个区中的每个区的锁定电压可基于所述多个区中的每个区的掺杂浓度或结深度。这里，η-层630、640 和650可以被单个η-层代替。此外，例如，多个P掺杂区可以形成在N-基底(N-sub)上， N+掺杂区可形成在多个P掺杂区上，从而可实现图像传感器的像素。换句话说，基于实施例，P-基底510、η-层630、640和650、P+层620可分别被N-基底、多个ρ-层和N+层代替。在这样的实施例中，检测部分510可具有Ν+/Ρ/Ν-基底结构。当检测部分510具有N+/ Ρ/Ν-基底结构时，N+层可被划分为多个区，所述多个区中的每个区的掺杂浓度或结深度被选择性地配置，并且多个P-层可被单个P-层代替。对上述实施例没有限制，因此，应该理解，检测部分510可具有使得锁定电压随着光电栅极520变得靠近而增加的任何结构。如图6所示，形成三个η-层630、640和650，然而，例如，也可形成两个η-层或至少四个η-层。像素500的解调部分可包括光电栅极520。这里，像素500的解调部分的上侧可被屏蔽，因此，在像素500的解调部分中，接收的可见光光子不会产生电子。在图6的示例实施例中，可使用金属610屏蔽光电栅极520的上侧，应注意到可替换的屏蔽材料也是可行的。参照图5至图8，光电栅极520、第一转移节点TXl 530和第二转移节点ΤΧ2 540可串联地布置在P-基底上。可基于施加到光电栅极520、第一转移节点TXl 530和第二转移节点 ΤΧ2 540中的每个的电压来确定由解调部分产生的电场的方向。电子可基于确定的电场的方向而相应地移动。这里，在一个实施例中，光电栅极520可以由多晶硅形成，第一转移节点TXl 530和第二转移节点TX2 540也可由多晶硅或其他材料形成。与图8的方式不同， 当第一转移节点TXl 530和第二转移节点TX2 540由除了多晶硅以外的材料形成时，在光电栅极520与转移节点TXl 530和TX2 540之间不会形成间隙。当在如图8所示的光电栅极520与转移节点TXl 530和TX2 540之间没有间隙时，电子可被更有效地解调。在屏蔽光电栅极520而非检测部分510时，图8的屏蔽金属610可具有与图5的配置相同的配置， 然而不同的屏蔽技术是可行的。第一 FD节点FDl 550和第二 FD节点FD2 560可对应于累积节点，其中，由转移节点530和540转移的电子累积在累积节点。图5至图8示出的像素500可通过将电场施加到检测部分510来将电子移动到解调部分。像素500可被配置为在钉扎光电二极管的几何结构(geometry)与普通配置没有显著不同的情况下使得钉扎光电二极管的锁定电压被显著改变。具体地说，可基于η-层 630,640和650中的每个的不同掺杂浓度或结深度来将像素500设计为具有不同大小的锁定电压。基于实施例，可使用不同掺杂浓度和/或结深度。此外，应该注意，像素500可通过使用光电栅极520来提高电子转移速度。当增加施加到光电栅极520的电压时，通过锁定电压的差移动的电子可被聚集在光电栅极520。换句话说，光电栅极520可将检测部分510产生的电子存储预定时间段。在电子被聚集在光电栅极520之后，当在降低施加到光电栅极520的电压的同时，通过增加施加到第一转移节点TXl 530或第二转移节点ΤΧ2 540的电压产生强电场时，电子可被快速转移到第一 FD节点 FDl 550 或第二 FD 节点 FD2 560。图9示出根据一个或多个实施例的在图5的检测部分510和光电栅极520上形成的电势。图10示出根据一个或多个实施例的在图5的解调部分上形成的电势。具体地，图 9和图10示出的电势可分别形成在图6的检测部分510上和图8的解调部分上。图8、图 9和图10示意性地示出通过每个区域的电势差可容易地移动电子。图9和图10的电势的值从参考值“0”向下增加。在图9中，VP1、Vp2和Vra分别表示η-层Nl 630的电势、η-层Ν2 640的电势和 η-层Ν3 650的电势。此外，Vre表示光电栅极520的电势，并且可基于施加到光电栅极520 的电压调整Vre。在图10中，Vtxi表示第一转移节点TXl 530的电势，并且可基于施加到第一转移节点TXl 530的电压调整Vtxi。Vre和Vtx2分别表示光电栅极520的电势和第二转移节点TX2 540的电势，并且可基于施加到光电栅极520的电压和施加到第二转移节点TX2 540的电压分别调整Vpg和Vtx20此外，Vfdi和Vfd2分别表示第一 FD节点FDl 550的电势和第二 FD节点FD2 560的电势。图11和图12示出根据一个或多个实施例的操作图像传感器的方法的示例。以下， 将参照图5至图8、图11和图12来描述操作图像传感器的像素的方法，应注意到实施例不限于此。在一个或多个实施例中，可通过四个时间段、、t2、t3和t4来实现所述方法。参照图11，在第一时间段、，由检测部分510产生的电子1101可被转移到解调部分的前侧。具体地，在第一时间段t1;当光电栅极520的电势降低时，电子1101可聚集在光电栅极520之前。这里，光电栅极520的电势低于检测部分510的电势，从而电子被检测部分510产生的相应电场仅向上移动到光电栅极520之前。
此外，在第一时间段t1;在前一时间段(例如，tQ)存储在(例如，如图8所示的) 解调部分中的电子1103可通过第二转移节点TX2 540被解调。具体地，在第一时间段t1; 当在光电栅极520的电势低于TX2 540并潜在地低于FD2 560的同时，第二转移节点TX2 540的电势增加时，电子1103可通过至少第二转移节点TX2 540被解调。电子1103在图 11中以虚线被示出，以表示在图11示出的时间段、期间电子1103 (例如，从时间段O潜在的连续存在。类似地，电子1101在图12中以虚线被示出，以表示在图12的示出的时间段、期间该电子1101(例如，从时间段、)潜在的连续存在。在第一时间段、，光电栅极520的电势可等于第一转移节点TXl 530的电势，并且可低于检测部分510的电势和第二转移节点TX2 540的电势。因此，由检测部分510产生的电子1101可被电场转移到光电栅极520的前侧，并且可通过第二转移节点TX2 540将存储在光电栅极中的电子1103累积在第二 FD节点FD2。在第二时间段t2，电压可被施加到解调部分，从而已经在、移动解调部分的前侧的电子1101可被存储在解调部分中。具体地，在第二时间段t2，当光电栅极520的电势增加时，并且当第一转移节点TXl 530的电势和第二转移节点TX2 540的电势降低时，电子 1101可被强电场移动到光电栅极520。这里，光电栅极520的电势可高于第一转移节点TXl 530和第二转移节点TX2 540的电势。因此，电子1101可在光电栅极520中保持不变。此外，即使在第二时间段t2，也可在检测部分中通过反射的光产生新的电子1102，并且产生的电子1102也可被移动到光电栅极520。参照图12，在第三时间段t3，当光电栅极520的电势降低时，在第三时间段、产生的电子1201可被移动到光电栅极520的前侧。在第三时间段t3，当第一转移节点TXl 530的电势增加时，在第二时间段、存储在光电栅极520中的电子1101和1102可通过第一转移节点TXl 530被累积在第一 FD节点 FDl 550。换句话说，在第三时间段t3，光电栅极520的电势可等于第二转移节点TX2 540 的电势，并且可低于检测部分510的电势和第一转移节点TXl 530的电势。在第四时间段t4，检测部分510和解调部分可具有与在第二时间段t2的电势相同的电势。因此，在第三时间段、移动到光电栅极520的前侧的电子1201可在第四时间段 、聚集在光电栅极520。此外，即使在第四时间段t4，也可在检测部分中通过反射的光产生电子1202，并且产生的电子1202也可被移动到光电栅极520。可基于在每个时间段中检测部分510的电势来确定光电栅极520、第一转移节点 TXl 530和第二转移节点TX2 540的电势，并且不限于此。例如，光电栅极520的电势可降低到除了如图11和图12所示的“0”之外的值。这里，考虑第一时间段、之前的时间段、，当电子1103被产生并且移动到光电栅极520时，在四个时间段tQ-t3，电子1103已被产生并且通过第二转移节点TX2 540累积在 FD2 560，电子1101和1102已被产生并且通过第一转移节点TXl 530累积在FD 1550。在图像传感器的像素接收到反射的光时可产生电子。具体地，例如，在图11和图 12的时间段、、t2、t3和t4中与接收到反射的光的时间段重叠的时间段，可在检测部分510 中产生电子。尽管可在如上参照图11和图12描述的时间段、、t2、、和、中的每个时间段通过反射的光在检测部分510中产生电子，但是这仅是示例。可基于将光(例如，IR)照射到目标对象的时长、针对光电栅极520、第一转移节点TXl 530和第二转移节点TX2 540的电压施加时序、目标对象与图像传感器之间的距离等，来确定接收到反射光的时间段是否与时间段、、t2、t3和t4中的每个重叠。图13示出在图11和图12中示出的像素的操作的时序图。如上参照图11和图12 所述，所有时间段、、t2、、和、都与接收到反射的光的时间段重叠。然而，在图13中，第一时间段、的部分、第三时间段t3的部分以及第二时间段、与接收到反射的光的时间段重叠。在图13中，假设顶为发射的光。其他可检测的光也可用作发射的光。此外，在解调方案中可使用正弦波、三角波和脉冲波，然而，图13示出了最简单的方波。换句话说，发射的光或解调方案可以不限于图13示出的发射的光或解调方案。参照图13，电子在图像传感器的像素接收到反射的顶的时间段1301和1303被产生。这里，在时间段1301产生的电子可在第三时间段t3通过第一转移节点TXl 530被转移到第一 FD节点FDl 550。此外，在时间段1303产生的电子可在第四时间段t4之后的 TX2为高的时间段1305(例如，在时间段、)被转移到第二 FD节点FD2 560。换句话说，图 13中由阴影线指示的区域可分别与在第一 FD节点FDl 550或第二 FD节点FD2 560中累积的电子的量成比例。因此，可基于在反射的顶中由阴影线指示的区域来测量深度。可通过调整施加到光电栅极520和转移节点TXl 530和TX2 540的电压来改变时间段、、t2、t3和 t4。如上所述，图像传感器400可包括诸如执行这样的TOF分析的附加电路配置的配置，并针对一个或多个像素分别产生确定的深度。图14和图15示出根据一个或多个实施例的图像传感器的像素的电势。参照图 14和图15，图像传感器的像素可被划分为检测部分(如图6所示)和解调部分(如图8所示)，并且电压可被施加到检测部分和解调部分中的每个，从而即使在低电压也可产生高电场。例如，首先，在检测部分形成大约3V的电场(图14)，然后，在解调部分降低PG电压，从而再次在解调部分中形成大约3V的电场(图15)。因此，当使用钉扎光电二极管时仍可获得高电场，因此，可增加解调速度。图16至图19示出根据一个或多个实施例的图像传感器的像素的各种变型。在图 16至图19中，可使用钉扎光电二极管作为像素的检测部分。例如，可通过修改图5的第一转移节点TXl 530、第二转移节点TX2 MO、第一 FD 节点FDl 550和第二 FD节点FD2 560的尺寸和位置来形成图16的像素。在图5中，光电栅极520可形成在检测部分510的一侧，第一转移节点TXl 530和第二转移节点TX2 540可分别形成在光电栅极520与第一 FD节点FDl 550之间和光电栅极530与第二 FD节点FD2 560之间。此外，第一转移节点TXl 530可面对光电栅极520的一侧，第二转移节点TX2 540 可面对光电栅极520的相反侧。参照图16，转移节点TXl 1630和TX2 1640可与光电栅极1620串联地布置。具体地，转移节点TXl 1630和TX2 1640可形成在面对形成有检测部分(例如，钉扎光电二极管 1610)的表面的表面上，光电栅极1620可介于钉扎光电二极管与转移节点TXl 1630和TX2 1640之间。参照图17和图19，转移节点TXl 1730、1790和TX2 1740、1940布置在光电栅极1720、1920的两个末端或侧面。当转移节点TXl 1630和TX2 1640与光电栅极1620串联地布置时(如图16所示)，可增加光电栅极1620与转移节点TXl 1630和TX2 1640之间的接触面积。随着光电栅极1620与转移节点TXl 1630和TX2 1640之间的接触面积增加，可更有效地转移电子。这里，例如，可基于转移节点TXl 1630和TX2 1640的尺寸来调整将电子转移到FD节点FDl 1650和FD2 1660的速度。在图16中，FD节点FDl 1650和FD2 1660与光电栅极1620以及转移节点TXl 1630和TX2 1640串联地布置。当FD节点FDl 1650和FD2 1660与转移节点TXl 1630和 TX2 1640串联地布置时(如图16所示)，可增加转移节点TXl 1630和TX2 1640与FD节点FDl 1650和FD2 1660之间的接触面积。在图19中，FD节点FDl 1950和FD2 1960分别布置在转移节点TXl 1930和TX2 1940的末端或侧面。可通过修改检测部分510 (例如，钉扎光电二极管)的形状或几何结构和通过修改图5的像素500的第一 FD节点FDl 550和第二 FD节点FD2 560的尺寸和位置来形成图17 的像素。图16中的钉扎光电二极管1610的几何结构或形状将被认为是普通的，而这里，图 17至图19包括具有不同的几何结构或形状的钉扎光电二极管1710、1810和1910。这里， 尽管几何结构也许是不同的，然而在一个或多个实施例中，结合图6描述的不同锁定电压的各个方面仍将在图16至图19中被采用。参照图17，随着光电栅极1720变得靠近，可减小钉扎光电二极管1710的宽度。在随着光电栅极1720变得靠近而减小钉扎光电二极管1710的宽度时，可减小光电栅极1720 的尺寸，从而可降低像素操作时的功耗。在图17中，FD节点FDl 1750和FD2 1760与光电栅极1720串联地布置。例如，可通过修改图16的像素的检测部分(例如，钉扎光电二极管1610)的形状来形成图18的像素。具体地，随着光电栅极1820变得靠近，可增加图18的钉扎光电二极管1810的宽度。在该示例中，随着光电栅极1820变得靠近，可水平地增加钉扎光电二极管 1810的η-层，从而可增加锁定电压，由此提高转移速度。在一个实施例中，在图18中，转移节点TXl 1830和ΤΧ2 1840以及FD节点FDl 1850和FD2 1860可与图16的转移节点和 FD节点具有相同或相似的结构。例如，可通过修改图5的像素500的检测部分510(例如，钉扎光电二极管)的形状来形成图19的像素。在一个实施例中，图19的钉扎光电二极管1910可与图17的钉扎光电二极管1710具有相同或相似的结构。在一个实施例中，在图19中，转移节点TXl 1930 和TX2 1940可与图17的转移节点具有相同或相似的结构，FD节点FDl 1950和FD2 1960 可被布置为沿转移节点TXl 1930和TX2 1940的末端或侧面具有更大的表面积。如图16至图19所示，可改变光电栅极、转移节点和FD节点的位置，也可对检测部分的形状进行各种改变。因此，可基于图像传感器和/或图像传感器的像素的各种规格，针对例如期望的解调速度、量子效率、充填系数等来修改光电栅极、转移节点和FD节点的位置和形状。在一个或多个实施例中，图4的图像传感器400是单个像素的代表、具有相关双采样部分的一个或多个像素的代表、图像传感器内的多个像素中的每个像素的代表、或者具有用于解释由图像传感器或单个像素提供的信息的深度测量单元的深度测量装置的代表。 在一个或多个实施例中，单个像素和图像传感器也可被配置为以普通方式来检测用于单色或彩色图像的光。类似地，图像传感器400可以是相机监控系统、运动识别系统、机器人视觉系统、具有距离识别的车辆、或者基于深度信息分离观测的前景和背景的相机系统的代表。例如，可通过图像传感器来计算上述参照图4描述的TOF分析，或者由(例如，相机装
14置中的)处理器输出和分析上述参照图4描述的TOF分析。一个或多个实施例包括这样的具有这样的处理器和图像传感器的相机装置及其操作方法。如上所述，描述的图像传感器 400由基底(例如，具有特定的N和P部分的基底)形成。在一个或多个实施例中，图像传感器400及其像素是CMOS图像传感器(CIS)。在一个或多个实施例中，这里描述的设备、系统和单元可包括一个或多个硬件处理元件。例如，每个描述的单元可包括执行描述的操作的一个或多个处理元件、期望的存储器、以及任何期望的硬件输入/输出传输装置。除了上面描述的实施例，也可通过非暂时介质(例如，计算机可读记录介质)中/ 上的计算机可读代码/指令来实现实施例，以控制至少一个处理装置(例如，处理器或计算机)，来实现上面描述的任何实施例。所述介质可对应于允许存储和/传输计算机可读代码的任何限定的、可测量的和真实的结构。所述介质还可包括例如与计算机可读代码、数据文件、数据结构等的组合。计算机可读介质的一个或多个实施例包括磁介质(例如，硬盘、软盘和磁带)、光介质(例如，CD ROM盘和DVD)、磁光介质(例如，光盘)、被特别配置为存储和执行程序指令的硬件装置(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存等)。计算机可读代码可包括例如诸如由编译器产生的机器码和包含可由计算机使用解释器执行的高级代码的文件。所述介质还可以是分布式网络，从而以分布式方式来存储和执行计算机可读代码。此外，仅作为示例， 处理元件可以包括处理器或计算机处理器，处理元件可以分布和/或包括在单个装置中。还可以在至少一个执行(像处理器那样处理)程序指令的专用集成电路(ASIC) 或现场可编程门阵列(FPGA)中实现计算机可读介质。尽管已经参照本发明的不同实施例具体显示和描述了本发明的各个方面，但是应该理解，这些实施例应被仅认为是描述意义的而非限制目的。每个实施例内的特征或方面的描述通常应被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。如果以不同的次序执行描述的技术和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式被组合和/或被其他组件或它们的等同物替换或补充，则可同样实现适当的结果。因此，尽管已经连同同样可用的另外的实施例显示和描述了几个实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行改变，本发明的范围由权利要求及其等同物所限定。
权利要求
1.一种图像传感器，所述图像传感器的至少一个像素包括检测部分，用于转移在接收到光之后检测部分产生的电子，检测部分包括具有不同锁定电压的多个掺杂区以在检测部分中施加电场，从而向所述像素的解调部分转移电子；解调部分，用于向至少一个节点转移电子，以累积一个或多个电子。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述像素被配置为施加另一电场，所述另一电场使得电子通过解调部分向所述至少一个节点转移，以累积一个或多个电子。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个掺杂区分别包括多个η-层，其中， 随着所述多个η-层中的每个η-层被配置为越靠近解调部分，所述多个η-层中的每个η_层的各自的锁定电压越高。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其中，所述多个η-层中的每个η-层的各自的锁定电压还基于各自的掺杂浓度。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个掺杂区分别包括多个η-层，其中， 所述多个η-层中的每个η-层的各自的锁定电压基于各自的掺杂浓度或结深度。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个掺杂区分别包括多个P-层，其中， 随着所述多个P-层中的每个P-层被配置为越靠近解调部分，所述多个P-层中的每个P-层的各自的锁定电压越高。
7.如权利要求6所述的图像传感器，其中，所述多个P-层中的每个P-层的各自的锁定电压还基于各自的掺杂浓度。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个掺杂区分别包括多个P-层，其中， 所述多个P-层中的每个P-层的各自的锁定电压基于各自的掺杂浓度或结深度。
9.如权利要求1所述的图像传感器，其中，以钉扎光电二极管来配置检测部分，钉扎光电二极管包括多个掺杂区。
10.如权利要求1所述的图像传感器，还包括光电栅极，用于接收被检测部分向解调部分转移的电子。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其中，光电栅极包括在解调部分中。
12.如权利要求10所述的图像传感器，其中，光电栅极被屏蔽对光的接收。
13.如权利要求10所述的图像传感器，其中，所述像素被配置以使得光电栅极的电势的改变控制解调部分的另一电场的施加，所述另一电场使得接收的电子从光电栅极向所述至少一个节点转移以累积一个或多个电子。
14.如权利要求10所述的图像传感器，其中，所述像素被配置以使得在第一时间段， 光电栅极的电势低于检测部分的电势和第一转移节点的电势；在紧随第一时间段之后的第二时间段，光电栅极的电势高于检测部分的电势和第一转移节点的电势。
15.如权利要求14所述的图像传感器，其中，所述像素还被配置以使得在紧随第二时间段之后的第三时间段，光电栅极的电势低于检测部分的电势和第二转移节点的电势，使得在第三时间段，光电栅极和第一转移节点的电势不会导致光电栅极存储的电子被转移到第一转移节点，并且使得在第三时间段，光电栅极和第二转移节点的电势导致光电栅极存储的电子被转移到第二转移节点。
16.如权利要求14所述的图像传感器，其中，所述像素还被配置以使得在第二时间段，光电栅极的电势和检测部分的电势导致电子从检测部分转移到光电栅极，同时光电栅极的电势和第一转移节点的电势导致电子不会被转移到第一转移节点。
17.如权利要求14所述的图像传感器，其中，所述像素还被配置以使得在第一时间段，光电栅极的电势和检测部分的电势导致电子在检测部分之内向检测部分的靠近光电栅极的边缘转移并且不会被光电栅极存储，并且在第一时间段，光电栅极的电势和第一转移节点的电势导致光电栅极存储的电子被转移到第一转移节点。
18.如权利要求14所述的图像传感器，其中，所述像素还被配置以使得当在第二时间段，光电栅极的电势高于第一转移节点和第二转移节点时，在第二时间段，光电栅极存储接收的电子并且不会将存储的电子转移到第一转移节点和第二转移节点中的任何一个，其中，第二转移节点被配置为从光电栅极转移电子。
19.如权利要求14所述的图像传感器，其中，所述像素还被配置以使得在第一时间段之前存储在光电栅极中的电子在第一时间段向第一转移节点移动，并且被检测部分向解调部分转移的电子在第二时间段移动到光电栅极。
20.一种图像传感器，该图像传感器具有至少一个像素，所述像素包括解调部分，通过至少一个转移节点对存储的电子进行解调，解调部分在第一时间段之前存储所述存储的电子；检测部分，用于在第一时间段将产生的电子转移到解调部分的前侧，当在第一时间段接收到光时检测部分产生所述产生的电子，其中，所述像素被配置为在第二时间段将转移的电子移动到解调部分。
21.如权利要求20所述的图像传感器，所述像素被配置以使得在第一时间段，检测部分的电势施加漂移力以将产生的电子转移到至少解调单元的前侧，在第二时间段，至少检测部分的电势施加用于将转移的电子移动到解调部分的存储器的漂移力，并且在第二时间段期间，在第二时间段的解调部分的至少一个电势阻止施加漂移力来将存储的电子转移到解调部分内的至少一个转移节点。
22.如权利要求20所述的图像传感器，其中，所述像素被配置为在第一时间段期间将存储的电子移动到所述至少一个转移节点。
23.如权利要求20所述的图像传感器，其中，检测部分包括多个掺杂区，所述多个掺杂区中的每个掺杂区的锁定电压基于各自的掺杂浓度或结深度。
24.如权利要求20所述的图像传感器，其中，以钉扎光电二极管来配置检测部分，钉扎光电二极管包括多个掺杂区。
25.如权利要求M所述的图像传感器，其中，钉扎光电二极管具有朝向解调部分变窄的几何结构。
26.如权利要求M所述的图像传感器，其中，钉扎光电二极管具有朝向解调部分变宽的几何结构。
27.如权利要求20所述的图像传感器，其中，解调部分包括光电栅极。
28.一种操作图像传感器的方法，所述图像传感器包括至少一个像素，所述像素包括 检测部分，用于当接收到光时产生电子；解调部分，用于对产生的电子进行解调并且包括第一转移节点和第二转移节点，所述方法包括控制检测部分的电势以向解调部分转移产生的电子；控制像素内的电势，以使得产生的电子被存储预定时间段；控制解调部分的电势，以使得存储的电子在所述预定时间段之后被转移到第一转移节点。
29.如权利要求28所述的方法，还包括控制像素内的电势，以使得产生的另外的电子被存储所述预定时间段；控制解调部分的至少一个电势，以使得存储的另外的电子在所述预定时间段之后被转移到第二转移节点，并且使得存储的另外的电子在所述预定时间段之后不被转移到第一转移节点。
30.如权利要求四所述的方法，还包括累积转移到第一转移节点的第一电子，并累积转移到第二转移节点的第二电子；对累积的第一电子和累积的第二电子进行比较，并确定所述光的飞行时间。
31.至少一种包括用于控制至少一个处理装置以实现权利要求四所述的方法的计算机可读代码的非暂时介质。
32.—种操作图像传感器的方法，所述图像传感器包括至少一个像素，所述像素包括 检测部分，用于当接收到光时产生电子；解调部分，用于对产生的电子进行解调，解调部分包括光电栅极、第一转移节点和第二转移节点，所述方法包括在第一时间段，将检测部分产生的电子存储在光电栅极中；在紧随第一时间段之后的第二时间段，通过第一转移节点和第二转移节点之一对存储在光电栅极中的电子进行解调。
33.如权利要求32所述的方法，其中，在第一时间段进行存储的步骤包括设置光电栅极的电势以及第一转移节点的电势和第二转移节点的电势，以使得光电栅极的电势高于第一转移节点的电势和第二转移节点的电势。
34.如权利要求32所述的方法，其中，在第二时间段进行解调的步骤包括设置光电栅极的电势以及第一转移节点和第二转移节点之一的电势，以使得所述第一转移节点和第二转移节点之一的电势高于光电栅极的电势。
35.如权利要求32所述的方法，还包括控制光电栅极的电势低于检测部分的电势和第二转移节点的电势，同时控制第一转移节点的电势使得光电栅极和第一转移节点的电势不会导致存储的电子被转移到第一转移节点，并控制光电栅极和第二转移节点的电势以使得所存储的存储的电子被转移到第二转移节点。
36.如权利要求32所述的方法，还包括控制光电栅极的电势和检测部分的电势，以使得检测部分产生的电子从检测部分被转移到光电栅极，同时控制第一转移节点和第二转移节点的电势以使得存储的电子不会被转移到第一转移节点和第二转移节点中的任何一个。
37.如权利要求32所述的方法，还包括控制光电栅极的电势和检测部分的电势以使得检测部分产生的电子在检测部分之内向检测部分的靠近光电栅极的边缘转移并且不会移动到光电栅极，同时控制光电栅极的电势和第一转移节点的电势以使得存储的电子被转移到第一转移节点。
38.如权利要求32所述的方法，还包括控制光电栅极的电势高于第一转移节点的电势和第二转移节点的电势，以阻止光电栅极的存储的电子被转移到第一转移节点和第二转移节点中的任何一个。
39.至少一种包括用于控制至少一个处理装置以实现权利要求32所述的方法的计算机可读代码的非暂时介质。
全文摘要
提供一种图像传感器以及操作图像传感器的方法。图像传感器的至少一个像素包括检测部分，包括具有不同锁定电压的多个掺杂区；解调部分，用于从检测部分接收电子并对接收的电子进行解调。
文档编号H01L27/146GK102449766SQ201180002316
公开日2012年5月9日 申请日期2011年2月9日 优先权日2010年2月12日
发明者金成珍, 韩相旭 申请人:三星电子株式会社