專利名稱：用于對調(diào)制電磁波場進行解調(diào)的器件和方法
用于對調(diào)制電磁波場進行解調(diào)的器件和方法發(fā)明領(lǐng)域根據(jù)獨立權(quán)利要求的前序部分，本發(fā)明涉及對調(diào)制電磁波，尤其是頻率在 光學(xué)頻譜內(nèi)的波進行檢測和解調(diào)的像素器件。像素器件可在需要與像素上快速采樣相耦合的高度光敏像素的所有應(yīng)用 中使用。這些像素特征特別尋求對暫時強度調(diào)制的電磁光波進行解調(diào)。對于基 于飛行時間原理或干涉測量法的非接觸距離測量傳感器，以及在諸如熒光應(yīng)用 的相位測量生物(化學(xué))應(yīng)用中，這些像素尤其受人關(guān)注。發(fā)明背景在德國專利DE4440613C1 (Spirig， "Vorrichtung und Verfahren zur Detektion eines intensitatsmodulierten Strahlungsfeldes" ， 1996)中，示出了對 入射光學(xué)正弦調(diào)制光信號進行n次采樣的解調(diào)器件。電荷耦合器件用于檢測光 信號，以及隨后傳輸光生電荷。速度限制主要由電荷載流子傳輸期間的慢擴散 過程給定。當為了增加靈敏度而將像素設(shè)計成具有較大光檢測區(qū)時，該問題變 得尤為重要。德國專利申請DE19821974A1 (Schwarte， "Vorrichtung und verfahren zur Erfassung von Phase und Apmlitude elektromagnetischer Wellen" ， 1999)公開一種光子混合元件。為了獲得具有高靈敏度和高速解調(diào)設(shè)施的像素，提出了條狀 元件的組合結(jié)構(gòu)，每個元件都具有較短的傳輸路徑。然而，條狀結(jié)構(gòu)仍然導(dǎo)致 較差的填充因子，因為條間區(qū)域并不是光敏的。在英國專利申請GB2389960A (Seitz， "Four-tap demodulation pixel (四 抽頭解調(diào)像素)"，2003)中，給出了用于具有高靈敏度和高解調(diào)速度的大面 積解調(diào)像素的另一種方法。矩形和大尺寸的高電阻光柵極在半導(dǎo)體襯底中生成 漂移場，迫使光生電荷向特定采樣節(jié)點漂移。在此，由于較大的RC次數(shù)而在 光柵極上產(chǎn)生的任何采樣信號延遲都會降低這種解調(diào)像素的性能。特別地，當同時控制許多像素時，很難實現(xiàn)高頻率。于是外部電子設(shè)備及其對大容量的受 限驅(qū)動能力就呈現(xiàn)約束因素。上述所有像素結(jié)構(gòu)的共同之處在于，光生電荷向特定方向的橫向傳導(dǎo)總是 與柵極結(jié)構(gòu)上的推拉信號相關(guān)。為了得到更高的靈敏度，光檢測區(qū)需要擴大。 結(jié)果是寄生電容增大(必須被切換)或者傳輸路徑更長。兩個方面都是不期望 的，因為它們將這些器件限制為以高頻率使用。如果切換柵極電容增大，則驅(qū) 動電子部件會給定速度限制。另一方面，較長的傳輸路徑減小器件中光生電荷 的速度，從而使高解調(diào)頻率變?yōu)椴豢赡?。新的解調(diào)器件克服了在靈敏度與解調(diào)速度之間進行折衷的問題。兩方面可 同時由該像素實現(xiàn)，而不會引入采樣信號或填充因子的任何質(zhì)量損失。相反， 該像素帶來以下解釋的更多優(yōu)點。發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種可用像素結(jié)構(gòu)，就解調(diào)入射信號而言，該結(jié)構(gòu)呈 現(xiàn)高靈敏度和高速能力，并且諸如在低功耗下操作的能力之類的其它目的可由 如第一權(quán)利要求所限定的器件解決。較佳地，在從屬權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明 的優(yōu)點或替換特征。半導(dǎo)體襯底中的本發(fā)明像素器件適于檢測和/或解調(diào)入射調(diào)制電磁波場。 它包括一檢測裝置，用于將入射電磁波場轉(zhuǎn)換成流動電荷的電信號 一采樣裝置，用于在調(diào)制周期中以至少兩個不同時間間隔對流動電荷的電 信號進行采樣，以及一由采樣裝置釆樣的電信號的至少兩個輸出節(jié)點像素器件還有利地包括包含至少兩個輸出節(jié)點和具有第二傳遞裝置的采 樣裝置的解調(diào)裝置，安排在檢測裝置與解調(diào)裝置之間的接觸節(jié)點，以及包含第 一傳遞裝置的檢測裝置。第一傳遞裝置適于將流動電荷信號傳遞到接觸節(jié)點， 第二傳遞裝置適于在至少兩個時間間隔的每一個期間，將流動電荷信號從接觸 節(jié)點傳遞到分配給相應(yīng)時間間隔的至少兩個輸出節(jié)點。因此，根據(jù)本發(fā)明的像素器件能夠同時以極高速度和高靈敏度解調(diào)光波。在檢測區(qū)的有可能較大的光敏區(qū)上傳遞光生電子，主要由橫向的靜態(tài)漂移場實 現(xiàn)，該漂移場是恒定電場。這導(dǎo)致電荷域中極快的傳輸過程，并且可以在不損 失任何靈敏度的情況下達到高達千兆赫茲范圍的高解調(diào)頻率。像素中解調(diào)過程 在幾乎無噪聲的電荷域中進行。對驅(qū)動電子設(shè)備的要求也得以降低，因為像素 中的任何動態(tài)受控結(jié)構(gòu)具有盡可能小的尺寸。對光生電荷流信號(也稱為流動 電荷信號或電荷流的信號)的解調(diào)由傳導(dǎo)通道的快速激活來進行。這些傳導(dǎo)通 道具有最短的電荷傳輸路徑長度?？焖賯鬏斶^程和傳導(dǎo)通道(作為傳遞手段) 的快速激活允許對高信號頻率解調(diào)。此外，解調(diào)區(qū)的較小尺寸意味著控制柵極 的較小寄生電容，該控制柵極必須被快速充電或再次充電以同時用高頻率驅(qū)動 大量像素。對驅(qū)動器電子設(shè)備的總體要求因較小電容而大大降低，因此解調(diào)效 率進一步增大。因為可以在半導(dǎo)體襯底中最大電荷傳遞速度以及相關(guān)聯(lián)的最高解調(diào)頻率 的限制下很大地設(shè)計檢測區(qū)的尺寸，所以像素的高光學(xué)靈敏度是有可能的。基于該像素架構(gòu)，可以實現(xiàn)用于許多不同應(yīng)用的傳感器。具體而言，它們 是需要解調(diào)光波的應(yīng)用，例如三維成像、熒光測量、光學(xué)數(shù)據(jù)傳遞等。根據(jù)本發(fā)明的像素器件能夠在低頻率以及例如高達幾百MHz的高頻率上對光信號進行解調(diào)。與所支持的高頻率解調(diào)并發(fā)地，該像素還同時提供高光學(xué) 靈敏度。根據(jù)本發(fā)明的像素器件在無需使像素的操作點落在低噪聲電荷域中的情 況下，在光檢測區(qū)與有可能非光敏解調(diào)區(qū)之間限定一差別。光檢測區(qū)由允許在 襯底上創(chuàng)建恒定橫向漂移場的架構(gòu)構(gòu)成。恒定漂移場使光生電荷漂移到更高電勢的方向。對于恒定橫向漂移場的產(chǎn)生，存在各種可能性。列舉某些示例高 電阻柵極結(jié)構(gòu)、連續(xù)偏置柵極、浮動?xùn)呕蛞r底中的浮動擴散?；驗楣饷艋驗榉?光敏的解調(diào)區(qū)被設(shè)計得盡可能小，這只受特定處理規(guī)則的約束。將光生電荷載 流子注入到解調(diào)區(qū)中，并通過傳導(dǎo)通道之一漏到所謂的存儲點。特定傳導(dǎo)通道 是由觸點之一上的電壓信號激活的。對傳導(dǎo)通道激活的具體控制對應(yīng)于解調(diào)過 程。根據(jù)本發(fā)明的像素器件受不對稱解調(diào)(即解調(diào)區(qū)中的不平衡采樣過程)的 影響較少。受影響較少的原因是解調(diào)過程不再受光入射到像素上的方向的影響。這在解調(diào)區(qū)被設(shè)計成非光敏的情況下會更加有利。
該像素器件的解調(diào)裝置的另一優(yōu)點是設(shè)計非條狀結(jié)構(gòu)而是正方形像素形
狀的可能性。這導(dǎo)致對場景進行空間(橫向)采樣的顯著改進，這實現(xiàn)了對微 透鏡陣列的有效利用。該像素器件的又一優(yōu)點是采樣信號由于解調(diào)區(qū)中的延遲
和衰減而引起的畸變更少，因為像素的動態(tài)受控部分被保持得盡可能小。較大 的光敏檢測區(qū)被靜態(tài)控制。
根據(jù)本發(fā)明的像素器件可用于任何類型的應(yīng)用，其中對電磁波的檢測是必 要的。此外，該像素器件最適于其中需要解調(diào)電磁波(尤其是在該波是強度調(diào) 制光信號的情況下)的應(yīng)用。同時具有高頻率和高光學(xué)靈敏度的像素解調(diào)能力 使得該像素十分適于高準確度的三維距離測量。完全的一維或二維陣列的設(shè)置 允許實時的三維采集，而在整個系統(tǒng)中無需任何運動部分。可應(yīng)用任何調(diào)制方 案，即正弦波調(diào)制、矩形調(diào)制、諸如偽噪聲調(diào)制的編碼調(diào)制方案、以及頻率調(diào) 制信號和啁啾信號。然而，除了上述的連續(xù)波調(diào)制方法之外，脈沖調(diào)制方案也 可用于本發(fā)明的像素器件。
根據(jù)本發(fā)明的光敏像素器件允許以最高準確度對尤其在光學(xué)范圍內(nèi)的調(diào) 制電磁波進行采樣。它具有緊湊型尺寸，并因此能與附加電子電路很好地集成 在單個芯片上。特定架構(gòu)允許用硅作襯底材料以任何標準互補金屬氧化物半導(dǎo)
體(CMOS)或電荷耦合器件(CCD)工藝制作該像素，從而使該制作非常成 本有效。諸如硅鍺等的替換襯底材料支持更高的頻率。
附圖簡述
在下文中，比所附示意圖更詳細地描述本發(fā)明的實施方式以及用于對照的 現(xiàn)有技術(shù)器件。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的解調(diào)像素的結(jié)構(gòu)的總體框圖。 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的解調(diào)區(qū)的示意圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的包括解調(diào)像素二維陣列的圖像傳感器的示意圖。 圖4示出使用包括解調(diào)像素的傳感器的三維測量設(shè)置的原理方案。 圖5示出分別表示使用圖4原理的所發(fā)射信號和所接收信號的光強和電荷 流與時間的關(guān)系的曲線。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的檢測區(qū)的結(jié)構(gòu)的五個不同實施方式。 圖7示出根據(jù)本發(fā)明的解調(diào)區(qū)的結(jié)構(gòu)的第一實施方式。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的解調(diào)區(qū)的結(jié)構(gòu)的第二實施方式。 圖9示出用于實現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明的解調(diào)像素之內(nèi)或之外使用的放大器的 兩個公知實施方式。圖IO示出根據(jù)本發(fā)明的解調(diào)像素的四個實施方式。圖11示出樹枝狀柵極結(jié)構(gòu)的所需二維電場分布。圖12示出實現(xiàn)電場分布的組合低-高電阻柵極結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖13示出具有浮動?xùn)诺臋z測或解調(diào)區(qū)的橫截面部分。圖14示出具有浮動植入的檢測或解調(diào)區(qū)的橫截面部分。較佳實施方式的描述圖l示出根據(jù)本發(fā)明的光敏像素。該光敏像素DP包括光敏檢測區(qū)1、解 調(diào)區(qū)2、用于任何類型的數(shù)據(jù)處理的任選級4以及任選放大電路6。在接收例 如光輻射的電磁輻射時，在檢測區(qū)1和可能解調(diào)區(qū)2的光敏區(qū)域上生成光電荷 載流子。檢測區(qū)1 (尤其在很大設(shè)計時)需要盡可能快地將光生電荷載流子傳輸?shù)?解調(diào)區(qū)，以便使光電轉(zhuǎn)換信號(同樣稱為流動電荷電信號或光電流信號)上的 任何低通濾波效應(yīng)最小化。向解調(diào)區(qū)2的快速電荷載流子傳輸是由特定方向上 的橫向漂移場來實現(xiàn)的。該漂移場可通過各種方法生成。以下對某些可能方法 的列舉并非要將像素僅限制于這些方法。靜態(tài)漂移場的一個可能實現(xiàn)是通過半導(dǎo)體襯底和絕緣體層上的高電阻材料透光柵極而作出的。Hoffmann對存儲器 器件描述了這種架構(gòu) ("Surface Charge Transport with an MOS-Transmission-Line (通過MOS傳輸線的表面電荷傳輸)"，Solid-State Electronics (固態(tài)電子學(xué))，20巻，177-181頁，1977年)。電勢差的施加生 成穿過該柵極的電流，因此產(chǎn)生恒定的橫向電場。由于柵極與半導(dǎo)體之間的電 容耦合，該電勢分布在半導(dǎo)體襯底中形成鏡象，使得光生電荷受電漂移場的引 導(dǎo)。如本發(fā)明較佳實施方式中所示出的，用于在像素的光敏檢測區(qū)內(nèi)生成橫向 電漂移場的其它示例應(yīng)用分段柵極結(jié)構(gòu)、浮動?xùn)呕蚋訑U散。此外，在半導(dǎo)體表面上建立橫向階梯狀摻雜梯度，造成無需任何進一步電壓施加的具有內(nèi)建漂
移場的檢測區(qū)。Lattes描述了這種內(nèi)建漂移場的基本理念("Ultrafast Shallow-Buried-Channel CCD's with Built-in Drift Fields (具有內(nèi)建漂移場的 CCD超快淺埋入式通道)"正EE Electron Device Letters, 12巻，No.3， 1991
年3月)。在任一情形中，漂移場主導(dǎo)電荷載流子擴散過程是較佳的，從而解 調(diào)區(qū)方向上的電荷速度v可如下估算 v = j^E漂移
其中p表示半導(dǎo)體襯底中電荷載流子的遷移率，而E,是電場。在電荷遷移率 由于極高電壓而發(fā)生飽和效應(yīng)之前，電荷載流子的速度與漂移場之間的這種正 比關(guān)系有效。在該情形中，必須考慮半導(dǎo)體研究領(lǐng)域中公知的非線性模型。例 如，Jacoboni描述了某些不同的模型("A Review of Some Charge Transport Properties of Silicon(對硅的某些電荷傳輸特性的回顧)"，Solid-State Electronics (固態(tài)電子學(xué))，20巻，77-89頁，1977年)?？蓪崿F(xiàn)的最高速度被稱為飽和 速度vsat。它是金屬專用參數(shù)，并且限定了施加于像素檢測區(qū)的最大合理漂移 場E灘^x。在第一種近似中，基于速度與漂移場之間的線性關(guān)系，如下計算 最大合理漂移場
E漂移max = VSat/|I
將光生電荷直接注入到用參考信號對光電流信號執(zhí)行相關(guān)處理的解調(diào)區(qū)
2中。由此，解調(diào)區(qū)可部分地、甚至全部是光敏的，但是它也可以是非光敏的， 因為解調(diào)區(qū)2的尺寸比實際檢測區(qū)1之一小得多。解調(diào)區(qū)2的輸出是解調(diào)信號 的一組k個樣本值A(chǔ)l-Ak， k是值至少為2的正整數(shù)。對樣本的直接、像素固 有處理可以使用任何類型的處理電路4，例如模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。最后，每個像素傳 送j個輸出值outl-outj，這些值可能已在像素自身中得到放大，j是正整數(shù)。這 些放大器可與標準APS (活動像素傳感器)中的放大器級進行對照。如果在像 素中不包含任何處理電路4，則該像素具有與樣本數(shù)k相對應(yīng)的j個輸出值， 其中j=k。
解調(diào)區(qū)2執(zhí)行依據(jù)信號理論表達的"相關(guān)處理"。在圖2中以一般形式示 出用于該相關(guān)處理的器件。在注入到該器件中之后，光生電荷載流子通過所謂 的傳導(dǎo)通道CC1.....CCk漏到位于傳導(dǎo)通道旁邊的存儲點Sl、 ...、 Sk。在存儲點中，電荷載流子在特定時間周期中累積。解調(diào)區(qū)域中存在共k個傳導(dǎo)通道和k個存儲點。每個傳導(dǎo)通道CC1、 ...、 CCk可由k個觸點GC1、 ...、 GCk之一分別激活。對通道激活的靈活控制允許對所注入的電荷流信號進行采樣。 解調(diào)區(qū)2的實現(xiàn)，即下文中所謂的解調(diào)單元由具有k個觸點GC1、 ...、 GCk 的緊湊型柵極結(jié)構(gòu)制成。該結(jié)構(gòu)可由按照CCD工藝所提供的一樣其邊緣可能 重疊的若干相鄰柵極來內(nèi)部構(gòu)建。柵極的幾何寬度無需超過由特定處理技術(shù)規(guī) 定的最小特征尺寸，從而可以實現(xiàn)最小可能解調(diào)單元。該柵極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的另一 種可能是高電阻柵極，與GB2389960A (Seitz， "Four-tap demodulation pixel (四抽頭解調(diào)像素)")和EP044005489 (B加gen等人，"Large-areapixel for use in an image sensor (用于圖像傳感器的大面積像素)")中描述的光感測器 件所使用的類似。同樣，在設(shè)計規(guī)則所允許的情況下，尺寸應(yīng)被保持得盡可能 小，以便同時獲得高填充因子以及對高調(diào)制頻率的支持。所有柵極結(jié)構(gòu)，無論用于檢測區(qū)1還是解調(diào)區(qū)2，都被構(gòu)建在將柵極結(jié)構(gòu) 與底層半導(dǎo)體隔離的絕緣體層頂部。絕緣體具有足以在半導(dǎo)體與柵極結(jié)構(gòu)之間 實現(xiàn)電容耦合的厚度，使得柵極結(jié)構(gòu)上的電勢分布總是鏡像到半導(dǎo)體表面上。 在本發(fā)明像素對任何特定工藝沒有約束的情況下，在CMOS或CCD技術(shù)中， 這些絕緣體的厚度通常分別從幾納米到幾十納米變動。由此，半導(dǎo)體可以是基 于硅的材料，絕緣體主要是半導(dǎo)體氧化物，并且柵極結(jié)構(gòu)由透光、導(dǎo)電材料構(gòu) 成，諸如多晶硅。在解調(diào)區(qū)2中被隔離的光生電荷載流子基本上是少數(shù)載流子。 取決于半導(dǎo)體襯底的摻雜類型、水平和分布，電子或空穴在檢測區(qū)和解調(diào)區(qū)1 和2中傳輸，并在存儲在存儲點Sk中之后被轉(zhuǎn)化成電壓信號以供讀出，還有 可能在隨后由處理電路4進一步處理。本發(fā)明的較佳實施方式包括通過電子的 信息傳輸，因為電子的遷移率比空穴高得多，從而得到更好的解調(diào)性能。在任 何柵極結(jié)構(gòu)之下的所有電荷傳輸都能在埋入式通道中實現(xiàn)，以便進一步增大電 荷傳輸效率。解調(diào)像素的較小尺寸允許在單個芯片上集成若干像素，即幾百或幾千個像 素。每個解調(diào)像素都配備有用于復(fù)位存儲點的復(fù)位線和用于讀出目的的選擇 線。此外，k條線連接于每個像素，用于控制解調(diào)區(qū)2的k個傳導(dǎo)通道CC1 、...、 CCk。這k條線用于動態(tài)信號。兩條附加線與每個像素相連，為像素中漂移場提供電壓信號。其它線用于存儲節(jié)點以及任何潛在的可用邏輯電路。
圖3特別地示出使用具有m行和n列的像素矩陣的圖像傳感器中像素的 示例。對每個像素DP指定其空間坐標(x，y)，其中x是具有從l到n的值的整 數(shù)，y是具有從l到m的值的整數(shù)。各個源被示出行選擇地址發(fā)生器RAG、 列選擇地址發(fā)生器CAG、用于復(fù)位像素采樣值的復(fù)位發(fā)生器RG、用于控制解 調(diào)區(qū)中傳導(dǎo)通道的電極接觸電壓模式發(fā)生器CPG、用于在檢測模塊和偏置線 VB中生成恒定漂移場的電壓發(fā)生器DFG。
每個像素DP(x, y)經(jīng)由電壓電平VR和復(fù)位信號發(fā)生器RSG相連，并與光 檢測區(qū)中的靜態(tài)漂移場用的電壓發(fā)生器DFG相連。兩個電壓電平VL1和VL2
負責(zé)生成靜態(tài)漂移場。解調(diào)區(qū)需要k條連接線Ll.....Lk以及分別與每個像
素中樣本或存儲點數(shù)目相對應(yīng)的k個觸點GCl、 ...、 GCk。根據(jù)k個樣本的像
素內(nèi)處理，會得到每個像素的j個輸出值outl.....outj，并對其進行像素固
有放大。由線VB偏置的負載晶體管LT1.....LTj為像素內(nèi)放大器提供校正電流。
為了獲得更高的填充因子，將輸出放大器級的這些負載晶體管LT1.....
LTj表示在像素之外。然而，這一像素外放大器還可以存在于像素中。行選擇 地址發(fā)生器RAG可以對一整行進行尋址，使得該行上所有像素的輸出值在j
條線MX1.....MXj上復(fù)用。列選擇地址發(fā)生器CAG只啟用一個像素值的輸
出。作為示例，x行、y列上的像素DP(x, y)被選中。j個輸出值通過例如運算
放大器0A1.....OAj或其它放大器技術(shù)而再次在像素矩陣外被放大，以便驅(qū)
動外部電子設(shè)備并補償?shù)谝幌袼貎?nèi)放大級的非線性。特定列由列選擇地址發(fā)生 器CAG進行選擇。所有列輸出在j條復(fù)用線MX1至MXj上復(fù)用。
許多應(yīng)用要求測量光信號與參考電信號之間的相位延遲。某些示例是三維 (3D)范圍測量、熒光成像或光通信。
圖4選取并示出基于新像素架構(gòu)的使用的三維成像的第一示例。
將來自光源TM的調(diào)制光ML1發(fā)送到對象0B。所發(fā)出的總光功率的一 部分被反射到相機，并由圖像傳感器檢測到。傳感器SN由像素矩陣構(gòu)成，每 個像素都能夠解調(diào)入射光信號。像素DP包括具有與解調(diào)區(qū)分離的檢測區(qū)的本 發(fā)明像素的架構(gòu)。分離控制板CB調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的時序。所有像素的相位值對應(yīng)于場景中一個點的特定距離信息。它們可由例如個人計算機PC讀出并顯示。 因此，距離信息的采集可通過飛行時間的測量而實現(xiàn)。它是光從測量系統(tǒng) 到達對象OB并再次返回到該系統(tǒng)的一個往返所需的時間。距離R可如下計算
R = (c*TOF) / 2
其中c是光速，TOF對應(yīng)于飛行時間。或為脈沖強度調(diào)制或為連續(xù)強度調(diào)制的 光由照射模塊TM發(fā)送、由對象OB反射并由傳感器SN進行檢測。如果傳感 器的每個像素能夠同時解調(diào)光信號，則該傳感器SN能夠?qū)崟r傳送3D圖像， 即高達30Hz或以上的幀速率成為可能。在該應(yīng)用中，該應(yīng)用的像素解調(diào)能力 可以分別得到往返時間或飛行時間。在脈沖操作中，解調(diào)可以直接給出飛行時 間。然而，連續(xù)調(diào)制給出所發(fā)射信號與所接收信號之間的相位延遲P，該延遲 還直接對應(yīng)于距離R: R = (P*c) / (4*pi*fmod)
其中fmod是光信號的調(diào)制頻率。圖5(a)和5(b)示出連續(xù)正弦調(diào)制情形中的信 號關(guān)系。雖然在下文中描述了該特定調(diào)制方案，但是在3D成像中使用該像素 完全不局限于該特定方案?？梢允褂萌魏纹渌{(diào)制方案例如脈沖、矩形、偽 噪聲或啁啾調(diào)制。只有距離信息的最終提取有所不同。圖5(a)分別示出所發(fā)射 和所接收的調(diào)制信號ES和RS。所接收信號的振幅A、所接收信號的偏移B 以及兩種信號之間的相位P是未知的，但是它們可以通過至少三個所接收信號 樣本來明確地重建。在圖5(b)中，示出每個調(diào)制周期四個樣本的采樣。每個樣 本都是電信號在持續(xù)時間dt上的積分，該持續(xù)時間dt是調(diào)制周期的預(yù)定部分。 為了增大每個樣本的信噪比，光生電荷在若干調(diào)制周期上得到累積。
通過交替激活解調(diào)區(qū)的傳導(dǎo)通道CC1.....CCk，注入到解調(diào)區(qū)2并在完
整柵極結(jié)構(gòu)下傳播開的光生電荷被強制漂移或擴散到特定存儲點。通道激活的 交替可與采樣頻率同步進行。
采用例如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的電子時序電路生成用于解調(diào)級中 同步通道激活的信號。在一個傳導(dǎo)通道的激活過程中，所注入的電荷載流子運 動到對應(yīng)存儲點Sl、 ...、 Sk，以便累積。作為示例，在解調(diào)區(qū)2中只實現(xiàn)兩
條傳導(dǎo)通道CC1.....CC2。于是，以相差半個調(diào)制周期的時間采樣的兩個調(diào)
制信號樣本AO和Al允許計算注入到采樣級的正弦強度調(diào)制的無偏移電流的相位P和振幅A。方程式如下<formula>formula see original document page 15</formula>將該示例擴展到四個傳導(dǎo)通道CC1-CC4，且樣本值實際上需要帶有四個 觸點Cl-C4和四個存儲點Sl-S4的解調(diào)區(qū)的不同柵極結(jié)構(gòu)，以及電極電壓的適 當時鐘方案，以便獲得注入電流的四個樣本值A(chǔ)O、 Al、 A2和A3。通常，樣 本是所注入電荷載流子在多個四分之一調(diào)制周期上的積分結(jié)果，由此最終，每 個樣本對應(yīng)于多個四分之一調(diào)制周期。兩個后續(xù)樣本之間的相移為90度。使用這四個樣本，三個決定性調(diào)制參數(shù)，即調(diào)制信號的振幅A、偏移B 和相移P由下式提取<formula>formula see original document page 15</formula>圖6示出檢測區(qū)1的五種不同結(jié)構(gòu)DT1-DT5。參照圖6，參數(shù)i與解調(diào)區(qū) 的特定結(jié)構(gòu)相關(guān)。取決于該結(jié)構(gòu)，它是值從l到n (n>=2)的整數(shù)。圖6(a)和 6(b)所示的第一結(jié)構(gòu)DTl是基于半導(dǎo)體一絕緣體柵極架構(gòu)的，由此使用透光高 電阻材料，其上施加兩個觸點kl和k2。在圖6(b)中，尤其可以看到CMOS或 CCD的典型設(shè)置，其中高電阻柵極材料GM1位于頂部，之下是絕緣體層IL1 和由于光子入射而生成電荷的半導(dǎo)體襯底SUB1。當對觸點kl和k2施加電壓 差時，柵極GM1負責(zé)創(chuàng)建橫向漂移電場。檢測結(jié)構(gòu)中存在的所得電勢分布在 圖(b)中示意性示出。由光檢測生成的少數(shù)載流子MIC將漂移到更高電勢，如 箭頭A所指示，其中它們會被注入到后續(xù)解調(diào)區(qū)2中。在圖6(c)至圖6(j)所示的檢測區(qū)的其它三個結(jié)構(gòu)示例中，圖6(a)和(b)的共 同結(jié)構(gòu)元素具有相同的附圖標記。在所有三個示例中，襯底可采用具有兩個相 對平行邊的大體梯形形狀，第一觸點Kl位于兩個平行邊的較大邊處，而第二 觸點K2位于兩個平行邊的較小邊處。第二觸點適于排列在檢測區(qū)與解調(diào)區(qū)之 間，如圖IO所示。該特定梯形形狀，或者具有相同特性的其它形狀具有以下 優(yōu)點可將一個以上的梯形元素連接到公共解調(diào)區(qū)，梯形元素的整體限定了檢 測區(qū)。如圖10(a)所示，該配置增大了檢測區(qū)/尺寸與解調(diào)區(qū)/尺寸之間的比值。圖6(c)和6(d)所示的檢測區(qū)的第二結(jié)構(gòu)DT2是基于CMOS或CCD器件的 典型設(shè)置的，具有由連續(xù)片段GMl.i構(gòu)成的高電阻材料分段柵極結(jié)構(gòu)，例如在 其末端彼此相連的連續(xù)分離長條。該結(jié)構(gòu)的剩余部分包括與圖6(a)和6(b)的第 一示例中相同的元素，并且漂移場同樣由電流生成。分段柵極結(jié)構(gòu)的目的是減 小柵極自身的功耗。如圖6(d)所示，橫向漂移電場大致恒定。
圖6(e)和6(f)示出檢測區(qū)結(jié)構(gòu)的第三示例DT3。檢測區(qū)包括透光浮動?xùn)?Fgi，即彼此之間耦合的連續(xù)相鄰長條。該結(jié)構(gòu)的剩余部分包括與圖6(a)和6(b) 的第一示例中相同的元素。對各自位于柵極結(jié)構(gòu)的外側(cè)柵極FG1、 FGn之一上 的觸點kl和k2施加兩個電壓。內(nèi)側(cè)柵極由于它們之間的電容耦合而獲得中間 電壓。因此，每個柵極之間的電容耦合允許創(chuàng)建恒定漂移場，該漂移場被鏡像 到半導(dǎo)體襯底SUB1的表面上。該檢測區(qū)在無需任何功耗的情況下工作。
圖6(g)和6(h)示出檢測區(qū)結(jié)構(gòu)的第四示例DT4。檢測區(qū)不包含任何柵極結(jié) 構(gòu)，卻包括具有摻雜阱內(nèi)的連續(xù)平行漂浮擴散區(qū)FDi或者與漂移擴散自身相反 的摻雜濃度的通道。兩個觸點kl和k2直接連接于外側(cè)擴散區(qū)FDl、 FDn。因 此，將兩個電壓施加到這兩個觸點，由此也施加到對應(yīng)外側(cè)擴散區(qū)，使得內(nèi)側(cè) 擴散區(qū)獲得中間電壓。這是由于穿通機制而實現(xiàn)的，從而創(chuàng)建用于快速電荷傳 輸?shù)钠茍?。本示例通過使用漂浮擴散而避免了檢測區(qū)的任何功耗。
圖6(i)和6(j)示出檢測區(qū)結(jié)構(gòu)的第五示例DT5。檢測區(qū)包括其中每個平行 柵極VGi連接到特定電壓的柵極結(jié)構(gòu)。可從例如集成到像素之內(nèi)或之外的線性 晶體管RLl-RLn-l線分接電壓。柵極電壓的特定施加限定了襯底SUB1中的電
勢特征。在本示例中，示出具有n偏置電壓Vl.....Vn的n個柵極，得到如
圖6(j)所示的襯底中線性電勢梯度。
圖7和8示出根據(jù)本發(fā)明的解調(diào)區(qū)的兩個示例。
圖7示出基于電荷耦合器件架構(gòu)的一個解調(diào)區(qū)示例，呈現(xiàn)所注入的光生電 荷調(diào)制電流的兩個樣本。該解調(diào)區(qū)包括具有三個連續(xù)柵極(即左柵極LG、中 柵極MG、右柵極RG)的柵極結(jié)構(gòu)，與柵極LG相鄰的連續(xù)為匯集柵極 (integration gate)IGl、退耦柵極DG1 ，與柵極RG相鄰的連續(xù)為匯集柵極IG2、 退耦柵極DG2。此外，在圖7的示例中，兩個柵極觸點GC1、 GCm位于每個 柵極上。來自檢測區(qū)的光生電荷饋送到中柵極MG之下的解調(diào)級中。分別位于中柵極MG的左側(cè)和右側(cè)的兩個相鄰柵極LG和RG分別用于為解調(diào)目的而激 活左或右傳導(dǎo)通道。這一激活意味著將左柵極或右柵極的電勢設(shè)為高于中柵極 MG的電勢，以及將右柵極或左柵極的另一個的電勢設(shè)為低于中柵極MG的電 勢。圖7(a)示出在給定時間施加到不同柵極的電勢示圖。在該特定示例中，左 柵極具有比中柵極更高的電勢時，左傳導(dǎo)通道被使用。因此"傳導(dǎo)通道"可以 由第一和第二柵極之間的柵極序列來限定，第一與第二柵極之間的電勢增大將 把電荷載流子從第一柵極向第二柵極引導(dǎo)。當使用p摻雜半導(dǎo)體襯底時，傳導(dǎo) 通道由高壓信號來激活。在兩側(cè)，特定電荷載流子存儲在匯集柵極IG1或IG2 之下。稱為退耦柵極DG1禾卩DG2的外側(cè)柵極阻止電荷不受控制地擴散到也稱 為感測節(jié)點的輸出節(jié)點D1、 D2。當累積在匯集柵極IG1或IG2之一中的電荷 載流子要被傳遞到解調(diào)區(qū)的擴散區(qū)Dl或D2時，匯集柵極IG1或IG2以及左 柵極LG和右柵極RG的電勢電平被設(shè)定為退耦柵極DG1或DG2的電勢電平， 使電荷載流子擴散到擴散區(qū)Dl或D2。
圖8示出解調(diào)級的第二示例。該架構(gòu)是基于具有一個閉合柵極GS和四個 柵極觸點GC10-GC40的柵極結(jié)構(gòu)的?？拷總€柵極觸點GC10-GC40的是匯集 柵極IG10-IG40，之后是退耦柵極DG10-DG40?？拷總€退耦柵極DG10-DG40 的是襯底中對應(yīng)的擴散區(qū)D10-D40。在圖8(a)中，作為示例示出了不同柵極和 擴散區(qū)的電勢梯度。由于流過柵極自身的電流而引起的閉合高電阻柵極GS下 的電勢梯度允許將所注入的電荷快速分離到包含匯集柵極的唯一一個存儲節(jié) 點。該電流被注入到閉合柵極之下、兩個相鄰觸點之間。當在例如GC10的柵 極觸點之一上施加高于解調(diào)區(qū)其它柵極觸點的電勢時，傳導(dǎo)通道形成。因此電 荷載流子被傳導(dǎo)到對應(yīng)匯集柵極IGIO。匯集柵極IG10對應(yīng)于電荷載流子的存 儲點，與圖7類似。同樣在本示例中，包含退耦柵極的輸出柵極結(jié)構(gòu)阻止電荷 向感測節(jié)點的非受控擴散。樣本的讀出可能需要附加放大級，以便能夠足夠快 地驅(qū)動后續(xù)電子設(shè)備的容量。
圖9示出兩個可能的放大級。第一個是Miller積分器，其中它的能力可以 代替圖7和9中示出的感測擴散。第二個放大器是在成像傳感器中廣泛用于讀 取像素的源跟隨器電路。
在高電阻、可能樹枝狀的透光柵極結(jié)構(gòu)提供的示例中，圖10的像素具有一個漂移場區(qū)域。高電阻透光柵極結(jié)構(gòu)允許在襯底中生成光電流，其中可以預(yù) 見，該電流由于漂移場而流向解調(diào)區(qū)。在圖10中，解調(diào)級被示例性地示為四 個樣本CCD結(jié)構(gòu)，其中閉合柵極結(jié)構(gòu)被設(shè)定在與高電阻柵極的低電壓節(jié)點相 同的中間電壓上?？梢园ㄋ膫€存儲節(jié)點。有利的是，解調(diào)區(qū)比具有其恒定漂 移場的實際光敏區(qū)(即檢測區(qū))小幾倍。圖10中的像素包括如圖6(a)所示的解調(diào)區(qū)四個樣本節(jié)點、四個柵極觸 點GC10-GC40以及一個閉合柵極結(jié)構(gòu)GS。在圖10(a)中，檢測級由四個如圖 6(a)所示的幾何對稱柵極結(jié)構(gòu)DTl以及四個對應(yīng)注入節(jié)點(也標識為觸點K2) 形成。觸點Kl被設(shè)定成低電壓，觸點K2被設(shè)定成中間電壓，使得在檢測區(qū) 中生成線性電勢梯度。因此，靜態(tài)漂移場的四個檢測區(qū)是光敏的，并使光生電 荷漂移到解調(diào)區(qū)。解調(diào)區(qū)的四個觸點GC10-GC40控制傳導(dǎo)通道的激活。它們 在低電壓和高電壓電平之間反復(fù)。對應(yīng)于四個匯集柵極IG10-IG40的觸點的四 個觸點IGC10-IGC40被設(shè)定成更高的電壓，以便實現(xiàn)對光生電荷的存儲。四個觸點DGCIO.....DGC40控制也稱為輸出門的退耦柵極，因此它們需要低電壓。在圖10(b)中，像素與圖10(a)所示的類似，但是只有一個靜態(tài)漂移場的檢 測區(qū)負責(zé)向解調(diào)級注入電荷。檢測區(qū)包括檢測結(jié)構(gòu)DT1，即閉合高電阻柵極， 如圖6(a)所示。圖10(c)示出一帶有檢測區(qū)的像素示例，該檢測區(qū)具有功耗更低 的組合高電阻和/或低電阻材料的樹枝狀柵極結(jié)構(gòu)，該檢測結(jié)構(gòu)對應(yīng)于圖6(c) 所示的結(jié)構(gòu)。圖10(d)示出與圖10(c)相同的檢測區(qū)。然而，光生電荷的注入有 所不同。在圖10(b)和10(c)中，電荷需要不同的時間延遲以到達不同存儲節(jié)點。 為了避免"拖尾"效應(yīng)，可將電荷注入到解調(diào)區(qū)中部。觸點K2包括位于檢測 區(qū)末端的第一接觸元件KIO、兩個附加擴散區(qū)D8、 D9、以及閉合柵極結(jié)構(gòu)GS 上的接觸元件K20，兩個附加擴散區(qū)中一個位于第一接觸元件K10的末端而另 一個在解調(diào)區(qū)中部(即閉合柵極結(jié)構(gòu)GS的中部)并將它們相連接，可以預(yù)見 接觸元件K20靠近擴散區(qū)D8。因此，同時需要所注入的光生電荷傳播到每個 存儲節(jié)點。該示例示出電荷注入不必從解調(diào)區(qū)的一側(cè)實現(xiàn)，如圖10(a)、 10(b) 和10(c)所示。此外，到解調(diào)區(qū)中部的注入能夠避免拖尾效應(yīng)。特定實現(xiàn)不局 限于圖10(d)中的示例。參照圖6、 7或8，為了進一步減小功耗，檢測區(qū)或解調(diào)區(qū)的柵極結(jié)構(gòu)也可以是分段、樹枝狀或喬木狀的。使其電極層為喬木狀的這種柵極結(jié)構(gòu)在歐洲
專利申請No. 04'405'489中有描述。實現(xiàn)特定電場分布的一極簡示例在圖11 和12中示出。圖11和12涉及僅作為示例的檢測區(qū)，解調(diào)區(qū)也可以是分段、 樹枝狀或喬木狀的。
圖11示出所需二維電場分布，并且圖12示出實現(xiàn)圖11的電場分布的組 合的低和高電阻柵極結(jié)構(gòu)3。樹枝狀柵極3的架構(gòu)允許在柵極3和半導(dǎo)體材料 中創(chuàng)建任何任意選擇的二維電場分布。高和低電阻柵極材料31、 32的二維排 列生成振幅和方向變化的二維電場分布。
在這種情形中，柵極3中高和低電阻材料31、 32的組合是由于流過柵極 3自身的電流而生成所需電場分布的基本工具。通常，當需要特定的二維電場 分布時，對應(yīng)柵極結(jié)構(gòu)3的拓撲也具有二維特性。
樹枝狀柵極3自身在其外圍與至少兩個(或更多)觸點K1、 K2接觸，這 些觸點取決于操作模式連接于靜態(tài)或可切換電壓源。在觸點K1、 K2之間，存 在至少一個高電阻柵極材料31的連接。流過樹枝狀柵極結(jié)構(gòu)3的電流產(chǎn)生如 圖ll所示的二維電勢分布，這實質(zhì)上在半導(dǎo)體塊的頂部區(qū)域中再現(xiàn)。
電極層3的形狀或其互補形狀可以是豎琴狀、梳狀、樹狀、蛇形、冰晶狀， 或者是打孔的平面。如果用作解調(diào)區(qū)的柵極結(jié)構(gòu)GS，則該樹枝狀具有在解調(diào) 頻率、由樹枝狀柵極的RC時間常數(shù)引起的響應(yīng)速度、以及柵極及其關(guān)聯(lián)電子 驅(qū)動電路的總功耗之間實現(xiàn)最佳折衷。
柵極結(jié)構(gòu)的另一實現(xiàn)可以具有浮動?xùn)呕蚋訑U散，如歐洲專利申請No. 04'007'760所述。該實現(xiàn)的示例在圖13和14中示出。圖13和14涉及僅作為 示例的檢測區(qū)，解調(diào)區(qū)也可被實現(xiàn)成具有包含浮動?xùn)呕蚋訑U散的柵極結(jié)構(gòu)。
圖13示出貫穿提供了高響應(yīng)速度的柵極結(jié)構(gòu)的橫截面。在半導(dǎo)體襯底A 上，排列了多個浮動?xùn)臚G1-FG7。襯底A可以例如由p摻雜類型的塊硅制成。 然而，可以對襯底使用諸如鍺的其它材料和/或諸如n摻雜類型的其它摻雜類 型；對于這些替換方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠作出對本文所述實施方式的適應(yīng)。 柵極FG1-FG7通常由未掾雜或摻雜多晶硅制成。它們彼此例如通過氧化物層 (未示出)電絕緣，它們較佳地埋入該氧化物層中。例如二氧化硅層的薄(較 佳地l-500nm厚)絕緣體層0將襯底A與柵極FG1-FG7隔開。兩個最遠的柵極FG1、 FG7各自與電觸點K1和K2相接觸。當兩個不同 電壓V10和V20分別施加于觸點Kl和K2時，中間浮動?xùn)臚G2-FG6因電容耦 合而獲得中間電勢。結(jié)果，生成離散、階梯狀電勢分布0)(x),它依賴于水平坐 標x。電勢分布O(x)在半導(dǎo)體襯底A與絕緣體O之間的界面處在絕緣體O中 起作用。由電荷注入節(jié)點注入襯底A中的例如電子e-的電荷載流子沿橫向電場 線運動到最高電勢能量點，例如在V20高于V10的情形中的K2。因此，根據(jù) 本發(fā)明，電荷分離和傳輸任務(wù)由襯底A的表面處的橫向電場完成。電荷累積和檢測任務(wù)在提供最高電勢的觸點K2附近實現(xiàn)。出于這種目的， 將n+摻雜的浮動擴散容積D設(shè)置在注入電荷載流子累積的襯底A表面上。擴 散容積D與電觸點相接觸，以施加電壓和讀取電荷。累積擴散D的電勢必須 高于電極觸點電壓V20，使得少數(shù)載流子電子存儲在擴散D中。或者，電荷可 以首先匯集到匯集柵極之下，隨后通過擴散容積D讀取。圖14示出使用浮動植入來代替柵極結(jié)構(gòu)的檢測或解調(diào)區(qū)的橫截面。在本 實施方式中，浮動植入FI1-FI7的陣列排列在半導(dǎo)體襯底A的表面上。襯底A 可以由例如p摻雜類型的塊硅制成。浮動植入FI1-FI7可以是n+埋入式通道 BC中的p+植入。圖14的實施方式的功能與圖13中第一實施方式類似。兩個最遠浮動植入 FIl、 FI7各自與觸點K1、 K2接觸，并且兩個不同電壓V10和V20被分別施 加到觸點Kl和K2。中間浮動植入FI2-FI6因穿通機制而獲得中間電勢。因此， 生成大致離散、階梯狀電勢分布O(x)。例如電子e-的注入電荷載流子在其累積 的n+摻雜浮動擴散容積D中被檢測。如果要收集電子，襯底A應(yīng)該是p摻雜的。累積擴散D是n+型的，并且 電極觸點K1、 K2處的電壓V10、 V20使大部分正電壓施加到最靠近累積擴散 D的觸點K2。電壓必須足夠高，以使耗盡帶從半導(dǎo)體氧化界面延伸進入半導(dǎo) 體襯底A中。累積擴散D的電勢必須高于電極觸點電壓V2，使得少數(shù)載流子 電子存儲在擴散D中。如果要收集所注入的空穴，則襯底A應(yīng)該是n摻雜的。累積擴散0是？+ 型的，并且在電極觸點K1、 K2處的電壓V10、 V20使大部分負電壓施加到最 靠近累積擴散D的觸點K2。該電壓必須足夠低，以使耗盡帶從半導(dǎo)體氧化物界面延伸進入半導(dǎo)體襯底A中。累積擴散D的電勢必須低于電極觸點電壓V20，使得少數(shù)載流子空穴存儲在擴散D中。因此，一種解調(diào)區(qū)的實現(xiàn)示例可以是設(shè)置一個浮動區(qū)以及設(shè)有電觸點的接 觸區(qū)域，其中電觸點各自定位在解調(diào)區(qū)輸出節(jié)點的每一個附近。因此，為了解調(diào)，可以在檢測區(qū)的接觸節(jié)點K2與解調(diào)區(qū)的觸點之一之間施加電勢差。本發(fā)明不限于上述較佳實施方式，可以對其進行變化和改進而不背離本專 利的保護范圍。參考標號列表1光敏檢測區(qū)2解調(diào)區(qū)4處理電路6放大電路DP, DP (x， y)像素器件Sl,…，Sk存儲點CC1,... ,CCK傳導(dǎo)通道GC1,... ，GCk觸點CPG電極觸點電壓模式發(fā)生器DFG電壓發(fā)生器CAG列選擇地址發(fā)生器RAG行選擇地址發(fā)生器0A1"." OAj運算放大器MXl，…，MXj復(fù)用線Outl,…outj像素器件的輸出LT1,…LTj負載晶體管Ll,…，Lk連接線VL1, VL2 , VR電壓電平VB偏置線OB對象IMML1CBSNPCESRSDT1,…,DT5 Kl, K2 IL1SUB1， SUBIOMICGM1GM1.1 ，GMl.i，GMl.nFG1, FGi, FGnFD1, FDi, FDnVG1, VGi， VGnRLl，…,RLnVl,…,Vn, V10, V20D1,D2,D10陽D40GSIG1, IG2, IG1O-IG40 DGl， DG2，DG10-DG40 GC1 ， GCm, GC10-GC40 DGC10-DGC40 , IGC10-IGC40 BC光源調(diào)制光控制板圖像傳感器個人計算機所發(fā)射的信號所接收的信號檢測區(qū)結(jié)構(gòu)電觸點絕緣體層半導(dǎo)體襯底少數(shù)載流子高電阻柵極材料高電阻柵極材料的連續(xù)片段透光浮動?xùn)鸥訑U散區(qū)平行柵極線性電阻偏置電壓擴散區(qū)柵極結(jié)構(gòu)匯集柵極退耦柵極柵極觸點 埋入式通道
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體襯底(SUB1、SUB10)中適于檢測和/或解調(diào)入射調(diào)制電磁波場的像素器件，包括-檢測裝置(2)，用于將所述入射電磁波場轉(zhuǎn)換成流動電荷的電信號，-采樣裝置(LG、MG、RG、IG1、DG1、IG2、DG2；GS、DG10、IG10、DG20、IG20)，用于在調(diào)制周期中以至少兩個不同時間間隔對所述流動電荷的電信號進行采樣，以及-由所述采樣裝置采樣的電信號的至少兩個輸出節(jié)點(D1、D2；S1、S2)，其特征在于，所述像素器件還包括-解調(diào)裝置(4)，包括所述至少兩個輸出節(jié)點和所述采樣裝置，所述采樣裝置具有第二傳遞裝置(LG、MG、RG；GS)，以及-接觸節(jié)點(K2)，排列在所述檢測裝置與所述解調(diào)裝置之間，所述檢測裝置(2)包括第一傳遞裝置(GM1；GM1.i；FGi；FDi；VGi)，所述第一傳遞裝置適于將所述流動電荷的電信號傳遞到所述接觸節(jié)點，而所述第二傳遞裝置適于在所述至少兩個時間間隔的每一個期間，將所述流動電荷的電信號從所述接觸節(jié)點傳遞到分配給相應(yīng)時間間隔的所述至少兩個輸出節(jié)點。
2. 如權(quán)利要求1所述的像素器件，其特征在于，所述解調(diào)裝置的尺寸小 于所述檢測裝置的尺寸。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的像素器件，其特征在于，所述檢測裝置是光 敏的。
4. 如以上權(quán)利要求中任一項所述的像素器件，其特征在于，所述第一傳 遞裝置包括適于定義能夠?qū)⑺隽鲃与姾傻碾娦盘杺鬟f到所述接觸節(jié)點(K2) 的靜態(tài)漂移場的柵極結(jié)構(gòu)(GM1; GMl.i)。
5. 如權(quán)利要求4所述的像素器件，其特征在于，所述柵極結(jié)構(gòu)(GM1; GMl.i)包括與所述半導(dǎo)體襯底(SUB1)隔離的電阻性電極層以及用于沿所述 電極層施加電勢差的至少兩個連接(Kl、 K2)。
6. 如權(quán)利要求5所述的像素器件，其特征在于，所述電極層具有樹枝狀 或喬木狀的形狀，并且其形狀或互補形狀較佳地為豎琴狀、梳狀、樹狀、蛇形、 冰晶狀，或者是打孔的平面。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的像素器件，其特征在于，所述電極層包括一 個或多個具有不同薄層電阻的材料的材料(31)。
8. 如權(quán)利要求1-3中任一項所述的像素器件，其特征在于，所述第一傳 遞裝置包括至少一個浮動區(qū)域(FG2、 ...、 FGn-h FD2、 ...、 FDn-l)和至少 兩個接觸區(qū)域(FG1、 FGn; FD1、 FDn)，所述接觸區(qū)域設(shè)有用于向所述至少 兩個接觸區(qū)域施加電勢差的電觸點(Kl、 K2)，所述接觸區(qū)域(FG1、 FGn; FD1、 FDn)與所述至少一個浮動區(qū)域(FG2、 ...、 FGn-l; FD2、…、FDn-l) 電絕緣，但卻電耦合到所述至少一個浮動區(qū)域中的至少一個。
9. 如權(quán)利要求8所述的像素器件，其特征在于，所述第一傳遞裝置包括 多個浮動區(qū)域(FG2、 ...、 FGn-l; FD2、 ...、 FDn-l)的安排，所述安排使得 相鄰浮動區(qū)域彼此電絕緣，卻彼此電耦合。
10. 如以上權(quán)利要求中任一項所述的像素器件，其特征在于，所述第二傳 遞裝置包括適于在所述至少兩個時間間隔的每一個期間，定義從所述接觸節(jié)點 到分配給所述相應(yīng)時間間隔的所述至少兩個輸出節(jié)點的傳導(dǎo)通道。
11. 如權(quán)利要求10所述的像素器f^其特征在于，所述柵極電極是CCD 柵極電極。
12. 如權(quán)利要求1-9中任一項的像素器件，其特征在于，所述第二傳遞裝 置包括具有至少兩個觸點的柵極電阻層(GS)，以便在所述至少兩個時間間隔 的每一個期間定義從所述觸點節(jié)點到分配給所述相應(yīng)時間間隔的所述至少兩 個輸出節(jié)點的漂移場，每個所述觸點定位在所述至少兩個輸出節(jié)點的每一個附近。
13. 如權(quán)利要求12所述的像素器f^，其特征在于，所述柵極電阻層具有 樹枝狀或喬木狀的形狀，并且其形狀或互補形狀較佳地為豎琴狀、梳狀、樹狀、 蛇形、冰晶狀，或者是打孔的平面。
14. 如權(quán)利要求l-9所述的像素器件，其特征在于，所述第二傳遞裝置包 括至少一個浮動區(qū)域和設(shè)置有各自定位在所述至少兩個輸出節(jié)點的每一個附近的電觸點的至少兩個接觸區(qū)域，以便在所述至少兩個時間間隔的每一個期間 在所述接觸節(jié)點與分配給所述相應(yīng)時間間隔的所述至少兩個輸出節(jié)點之一間 定義電勢差。
15. 如以上權(quán)利要求中任一項所述的像素，其特征在于，累積區(qū)域(IG1、 IG2; IGIO、 IG20)被分配給所述至少兩個輸出節(jié)點的每一個，以便累積傳遞 到所述相應(yīng)輸出節(jié)點(Dl、 D2)的所述流動電荷電信號的電荷載流子。
16. 如以上權(quán)利要求中任一項所述的像素，其特征在于，所述接觸節(jié)點 (K2)是電觸點。
17. 如權(quán)利要求1-15中任一項所述的像素，其特征在于，所述接觸節(jié)點 (K2)包括位于所述檢測裝置末端的第一擴散節(jié)點(D9)和處于所述解調(diào)裝置的柵極結(jié)構(gòu)中部的第二擴散節(jié)點(D8)，所述第一擴散節(jié)點與所述第二擴散 節(jié)點相關(guān)。
18. 如以上權(quán)利要求中任一項所述的像素，其特征在于，所述入射調(diào)制電 磁波場是強度調(diào)制的。
19. 一種三維成像系統(tǒng)，包括光源(IM)，用調(diào)制電磁波場(ML1)照射遠程場景(OB)， 多個像素(SN)，用于對調(diào)制電磁波信號進行感測和解調(diào)，以及 控制裝置(CB)，用于向所述多個像素提供時序調(diào)節(jié)， 其特征在于，如權(quán)利要求1-18中任一項所述的像素器件用于對所述調(diào)制電磁信號進行 檢測和解調(diào)。
20. 如權(quán)利要求19所述的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，所述像素器件((DPx: y) ， (DP(x+l，y)…)排列在二維陣列的行和列中。
21. 如權(quán)利要求19和20中任一項所述的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，每 個像素器件((DPx，y) ， (DP(x+l，y)...)具有列地址和行地址，并可由列選 擇地址發(fā)生器和行選擇地址發(fā)生器進行選擇。
22. 如權(quán)利要求19至21中任一項所述的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，每 個像素器件鏈接到一電壓發(fā)生器(CPG)，以同時在所述像素器件的所述解調(diào) 裝置中生成漂移場，且每個像素器件鏈接到復(fù)位發(fā)生器以同時對其采樣值進行復(fù)位。
23. 如權(quán)利要求19至22中任一項所述的三維成像系統(tǒng)，其特征在于，在 像素器件的每一列上，對該列的所述像素器件的每個輸出節(jié)點設(shè)置一放大器(OAi)。
24. 如權(quán)利要求19-23中任一項所述的三維成像系統(tǒng)用于測量調(diào)制電磁波 場與電參考信號之間的相位延遲的一種用途，尤其是用于三維范圍測量、熒光 成像或光通信的一種用途。
全文摘要
一種半導(dǎo)體技術(shù)中的新像素包括光敏檢測區(qū)(1)，用于將電磁波場轉(zhuǎn)換成流動電荷的電信號；分離解調(diào)區(qū)(2)，具有至少兩個輸出節(jié)點(D10、D20)；以及用于在調(diào)制周期內(nèi)以至少兩個不同時間間隔對電荷流信號進行采樣的裝置(IG10、DG10、IG20、DG20)。接觸節(jié)點(K2)將檢測區(qū)(1)鏈接到解調(diào)區(qū)域(2)。漂移場實現(xiàn)流動電荷的電信號從檢測區(qū)到接觸節(jié)點的傳遞。隨后，在兩個時間間隔的每一個期間，流動電荷的電信號從接觸節(jié)點(K2)被傳遞到分配給相應(yīng)時間間隔的兩個輸出節(jié)點。解調(diào)和檢測區(qū)的分離提供了能夠以高速和高靈敏度對電磁波場進行解調(diào)的像素。
文檔編號H01L27/146GK101310387SQ200680038672
公開日2008年11月19日 申請日期2006年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月19日
發(fā)明者B·布特根 申請人:美薩影像股份公司