CN115911064A

CN115911064A - 一种探测器像素单元、图像传感器

Info

Publication number: CN115911064A
Application number: CN202111167472.2A
Authority: CN
Inventors: 雷述宇
Original assignee: Ningbo Abax Sensing Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo Abax Sensing Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-04-04
Also published as: WO2023051162A1

Abstract

本申请提供了一种探测器像素单元，包括：光电二极管，用于接收探测光并生成电子；调制栅，用于以不同相位时延接收所述电子；浮动扩散节点，用于保存所述调制栅接收到的电子；背景光消除栅，用于消除所述调制栅非工作期间的所述像素单元内的背景光电子，所述背景光消除栅存储所述背景光电子。通过如此设计在消除背景光的同时提高像素单元的填充因子，利于探测器件的小型化。

Description

一种探测器像素单元、图像传感器

技术领域

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种探测器像素单元、图像传感器。

背景技术

在探测技术领域越来越多的技术不断被推出，为了保证图像或者测距等应用领域的高效快速探测的目标信息，探测信息的获得效率也越来越受到关注，探测器的像素单元对于光的吸收率将直接影响探测器获得的图像质量或者测距过程中数据的准确性，通常这类型的探测器包含光电转化元件，其可将入射光转化成电信号，可以大致分为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)两种类型，其中CMOS是将电荷转化为每个单位像素的电压，并通过切换操作从信号线输出信号，通过上述两种光电转化器件的至少一种转化形成的光生电荷需要通过器件内部传输到浮动扩散节点上输出，近年来，随着半导体技术的进步，用于测量到物体的距离的测距模块的小型化已经取得了进展。因此，例如，已经实现了在诸如所谓的智能电话等移动终端中安装测距模块，所述智能电话是具有通信功能的小型信息处理装置随着科技的进步，在距离或者深度信息探测过程中，经常使用的方法为飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离，在TOF技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为DTOF(direct-TOF)；对发射光信号进行周期性调制，通过对反射光信号相对于发射光信号的相位延迟进行测量，再由相位延迟对飞行时间进行计算的测量技术被成为ITOF(Indirect-TOF)技术。按照调制解调类型方式的不同可以分为连续波(Continuous Wave，CW)调制解调方式和脉冲调制(PulseModulated，PM)调制解调方式，更进一步采用ITOF的方案也能够获得高精度和高灵敏度的距离检测方案，所以ITOF方案应用也获得了更为广泛的应用。

为了获得高效的测量结果和芯片更高的集成化，比较多采用两抽头或者以上的方式来实现测距，可以按照相位测距算法获得目标物的距离信息，例如最简单的采用两相位方法、或者还可以采用三相位四相位方法甚至是5相位方案进行距离信息的获得，此处以一种四相位的算法为例，但是并不局限于四相位的算法。

在调制栅不工作的时候，会有背景光产生电荷，所以在工作之前需要对调制栅的背景光电荷进行消除，这就需要在半导体器件中引入专门的器件结构用来消除调制栅的背景光电荷。通常是在半导体器件的一侧顶端设计有专门的栅，在调制栅不工作的时候给该栅施加较大的电压使得背景光电荷可以通过该传输栅传出到电荷保存部。为了消除调制栅的背景光电荷需要专门的传输栅已经电荷保存部使得器件的可用面积变小，填充因子变小也不利用器件的小型化，因此，设计出一种能够消除调制栅不工作时候的背景光并且能够提高器件的填充因子是亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测器像素单元，以解决现有探测单元为了消除调制栅不工作时候的背景光导致的填充因子降低的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种探测器像素单元，包括：光电二极管，用于接收探测光并生成电子；调制栅，用于以不同相位时延接收所述电子；浮动扩散节点，用于保存所述调制栅接收到的电子；背景光消除栅，用于消除所述调制栅非工作期间的所述像素单元内的背景光电子，所述背景光消除栅存储所述背景光电子。

可选的，在所述调制栅不工作时，所述背景光消除栅将所述探测器像素单元内的背景光电子吸至所述背景光消除栅并存储。

可选的，在对所述探测器像素单元进行复位时，所述背景光消除栅将所述存储的探测器像素单元的背景光电子释放至所述探测器像素单元内部。

可选的，对所述探测器像素单元复位包括对所述背景光电子的复位。

可选的，所述背景光消除栅处于2.8V以上的高电平。

可选的，所述背景光消除栅处于0V以下的低电平。

可选的，所述背景光消除栅位于所述探测器像素单元中部。

可选的，所述背景光消除栅位于所述探测器像素单元一侧的顶部。

第二方面，本申请实施例提供了一种包含由第一方面探测器像素单元组成的接收阵列的图像传感器，包含由多个如权利要求1所述的探测器像素单元组成的接收阵列。

本申请的有益效果是：

一种探测器像素单元，包括：光光电二极管，用于接收探测光并生成电子；调制栅，用于以不同相位时延接收电子；浮动扩散节点，用于保存所述调制栅接收到的电子；背景光消除栅，用于消除调制栅非工作期间的所述像素单元内的背景光，所述背景光消除栅存储所述背景光电子；如此，可以消除像素单元背景光的同时提高像素单元的填充因子，利于像素单元的小型化，在实际使用中都是使M*N个像素单元组成的探测器阵列来进行探测的，每个像素单元的小型化就有利于探测器阵列的小型化，就有利于图像传感器的小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种像素单元结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种像素单元的时序图；

图3为本申请实施例提供的一种像素单元的俯视图；

图4为本申请实施例提供的又一种像素单元的工作时序图；

图5为本申请实施例提供的一种像素单元的切面图；

图6为本申请实施例提供的一种像素单元的等效电路图；

图7为本申请实施例提供的一种像素单元的布局图；

图8为本申请实施例提供的又一像素单元的布局图；

图9a-图9d为本申请实施例提供像素单元的电荷移动示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

图1为本申请实施例提供的一种像素单元结构示意图，其中像素单元10包括：背景光消除栅(TD)101用于消除调制栅非工作期间的像素单元内背景光的，1011为TD收集的背景光电子的存储区域，PGA103，PGB102为调制栅，MN 104用于收集被调制栅调制的光生电子的，TX 105为传输栅，FD 106为浮动扩散节点。

图2为本申请实施例提供的一种像素单元的时序图，图2所示的像素单元的工作时序图，适用于图1所示的像素单元。图1与图2所示的像素单元为两tap像素单元，在这里两tap像素单元只是为了示意说明，并不具限于两tap。如图2所示在像素单元工作前首选RST信号对像素单元进行复位，在RST复位阶段，TD，TX，PGA，PGB都进行复位。RST复位结束后，进入积分时段，在积分时段，PGA，PGB进行工作，TD处于低电平。在两tap像素单元结构中，以其中0°和90°共用一个tap，180°和270°共用一个tap为例，光源发射探测光，其经过被探测物反射之后，PGA与PGB分别以两个相位延时进行接收，例如上述四相位中的0°和180°两个相位延时进行接收，如图2所示的积分时段(integration)工作时序，将像像素单元中的0°以及180°相位在光电转化模块转化的光生电子转移，并经由传输栅TX将电子输出到浮动扩散节点FD 106。PGA与PGB以0°以及180°相位的工作过程与上述0°以及180°的工作过程类似，这里就不再赘述。

电子到达浮动扩散节点FD 106后，在如图2所示的读出时段(readout)由读出电路读出进行后续处理，在读出时段，PGA与PGB不工作，传输栅TX处于低电平，TD处于高电平，在读出时段收集到的背景光电子通过TD传输并保存在1011。这样在像素单元下次工作的时候背景光已经被TD消除，避免了背景光的残留电荷对测距精度的影响，能够提高测距精度。但是图1与图2所示的像素单元为了消除背景光的影响在像素单元设置有专门的存储区域1011，TD就是一个传输栅，然后背景光电荷从1011读出。因为1011的存在使得像素单元的填充因子较低，不利于像素单元的小型化。

图3为本申请实施例提供的一种像素单元的俯视图，如图3所示TD处于像素单元的中部位置，图3所示的像素单元的TD并没有对应的电荷存贮区域与其相连接。图3中的TGA，TGB对像素单元的电子按照四相位进行延时接收，并将接收到的电子传输到FDA，FDB。

图4为本申请实施例提供的又一种像素单元的工作时序图。图4为图3所示的像素单元的工作时序图，如图4所示在RST时段，Pixle_RST信号处于高电平对像素单元进行复位，TD处于低电平，TGA，TGB处于高电平，在积分时段Pixle_RST，TD都处于低电平，TGA，TGB对像素单元的电子按照四相位进行延时接收，并将接收到的电子传输到FDA，FDB，在读出(readout)时段Pixle_RST处于低电平，TD处于高电平(一般高电平使用2.8V，但是为了是的TD的栅下存储能力提高也可以使用大于2.8V的电平)，TGA，TGB都处于低电平不工作。读出时段因为TD处于高电平，所以像素单元的背景光电子被吸引到TD的栅下。然后到下一帧的RST时段，TD处于低电平(一般使用0V)，TD栅下的背景光电荷被释放到像素单元中，通过TGA，TGB和像素单元的残留电荷一起被复位，通过这种设计，即便没有与TD连接的存储区域也同样可以达到消除背景光的效果，而且由于不用设置与TD连接的专门的存储区域，就可以提高像素单元的填充因子，利于像素单元的小型化。

图5为本申请实施例提供的一种像素单元的切面图，其切面是沿图3所示的A-A’方向的切面图。如图5所示在P型外延501上包含有P阱502，在P阱里面设置有FDA 504，以及FDB503，在像素单元的顶部设置有栅TGA 505，TD 506，以及栅TGB507。图5所示的像素单元的工作原理与上述实施例相似，这里就不再赘述。

图6为本申请实施例提供的一种像素单元的等效电路图，图6所示电路图为图3所示的像素单元的等效电路图。在图6中RST信号对FDA，FDB进行复位，SEL打开的时进行读出，TD，TGA，TGB对PD进行复位。图6所示的像素单元的等效电路图工作原理与上述实施例相似，这里就不再赘述。

图7为本申请实施例提供的一种像素单元的布局图，图7为图3所示的像素单元的布局图，如图7所示，701可以作为TD，703，705，707，709可以作为FD，其中703，705，707，709可以任意两两组合为FDA与FDB。702，704，706，708可以作为FD，其中702，704，706，708可以任意两两组合为TGA与TGB。图7所示像素单元的布局图与图3所示像素单元工作原理相似，这里就不再赘述。

图8为本申请实施例提供的又一像素单元的布局图，如图8所示801可以作为TD，802与804可以分别作为FDA与FDB，803与805可以分别作为TGA，TGB。图8所示像素单元的布局图与图3所示像素单元工作原理相似，这里就不再赘述。

图9a-图9d为本申请实施例提供像素单元的电荷移动示意图，在图9a中TGA处于高电平，TGA打开，TGB处于低电平，TD处于低电平，这个时候PD的电荷通过TGA调制接收后传输到FDA，在图9b中TGB处于高电平，TGB打开，TGA处于低电平，TD处于低电平，这个时候PD的电荷通过TGB调制接收后传输到FDB。图9c为TGA，TGB均处于低电平，TD处于高电平，这时TGA，TGB都不工作，TD高电平将PD中的背景光电荷吸引至TD的栅下，也就是上述实施例中的积分时段。在图9d中就是上述实施例中复位时段的电荷移动示意图，这个时候TD处于低电平，TGA，TGB都处于高电平，保存在TD栅下的背景光释放到了PD中，然后通过TGA与TGB被传输出，完成了对PD中背景光电荷的消除。

通过上述的实施例可以看出，本申请的设计可以消除PD背景光的同时提高像素单元的填充因子，利于像素单元的小型化。在实际使用中都是使M*N个像素单元组成的探测器阵列来进行探测的，每个像素单元的小型化就有利于探测器阵列的小型化，就有利于图像传感器的小型化。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种探测器像素单元，包括：光电二极管，用于接收探测光并生成电子；调制栅，用于以不同相位时延接收所述电子；浮动扩散节点，用于保存所述调制栅接收到的电子；背景光消除栅，用于消除所述调制栅非工作期间的所述像素单元内的背景光电子，所述背景光消除栅存储所述背景光电子。

2.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，在所述调制栅不工作时，所述背景光消除栅将所述探测器像素单元内的背景光电子吸至所述背景光消除栅并存储。

3.如权利要求2所述的探测器像素单元，其特征在于，在对所述探测器像素单元进行复位时，所述背景光消除栅将所述存储的探测器像素单元的背景光电子释放至所述探测器像素单元内部。

4.如权利要求3所述的探测器像素单元，其特征在于，对所述探测器像素单元复位包括对所述背景光电子的复位。

5.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述背景光消除栅处于2.8V以上的高电平。

6.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述背景光消除栅处于0V以下的低电平。

7.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述背景光消除栅位于所述探测器像素单元中部。

8.如权利要求1所述的探测器像素单元，其特征在于，所述背景光消除栅位于所述探测器像素单元一侧的顶部。

9.一种图像传感器，包含由多个如权利要求1所述的探测器像素单元组成的接收阵列。

10.如权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，在所述调制栅不工作时，所述背景光消除栅将所述探测器像素单元内的背景光电子吸至所述背景光消除栅并存储。