專利名稱：光電檢測器和使用光電檢測器的空間信息檢測設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電檢測器和一種通過使用該光電檢測器來檢測空間信息(諸如到目標(biāo)空間中的物體的距離)的空間信息檢測設(shè)備。
背景技術(shù)：
光電檢測器是用于從目標(biāo)空間接收光、產(chǎn)生與所接收到的光量相對應(yīng)的電荷、并取出所述電荷作為接收光輸出的器件。為了在這種器件中獲得寬的動態(tài)范圍，提出了去掉 CCD器件的電荷傳輸溝道中的恒定量的電荷作為不期望的電荷，并使用該不期望的電荷之外的剩余電荷作為用于接收光輸出的有效電荷。例如，日本專利早期公報7-22436號或7_22437號公開了一種電荷轉(zhuǎn)移器件，該器件能夠拓寬動態(tài)范圍，同時保持電壓-電荷轉(zhuǎn)換特性的線性。這種器件被提供有用于在周期性脈沖信號的每個周期將輸入電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電荷量的電壓_電荷轉(zhuǎn)換裝置、用于積聚所轉(zhuǎn)換電荷的多個積聚區(qū)域、用于使所述電荷從所述積聚區(qū)域之一轉(zhuǎn)移到鄰近的積聚區(qū)域的電荷轉(zhuǎn)移裝置。這種器件還具有用于積聚恒定數(shù)量電荷的第一存儲區(qū)域和用于積聚從所述第一存儲區(qū)域中溢出的電荷并將所述電荷轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)移裝置的第二存儲區(qū)域。第一存儲區(qū)域具有與所述積聚區(qū)域之一鄰近形成的勢阱、以及在第二存儲區(qū)域和勢阱之間設(shè)置的勢壘。根據(jù)這種器件，通過使用勢阱和勢壘將由電壓_電荷轉(zhuǎn)換裝置在周期性脈沖信號的每個周期所轉(zhuǎn)換的電荷之中的恒定量的電荷分離出來，然后將其返回到電壓-電荷轉(zhuǎn)換裝置。同時，由電壓-電荷轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換的電荷中的剩余電荷則由電荷轉(zhuǎn)移裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)移。 然而，由于這種器件使用將恒定量的電荷作為不期望的電荷返回到所述電壓_電荷轉(zhuǎn)換裝置的機(jī)制，考慮到接收到的光量的變化，不能對所述不期望的電荷的量進(jìn)行控制。另外，過去已經(jīng)知道，光電檢測器被用于空間信息檢測設(shè)備。在空間信息檢測設(shè)備中，從發(fā)光源將光投射到目標(biāo)空間中，并由光電檢測器接收從目標(biāo)空間中反射的光。根據(jù)光電檢測器的接收光輸出，能夠檢測出空間信息，諸如距目標(biāo)空間中的物體的距離、物體的反射率、以及目標(biāo)空間中的光傳輸。當(dāng)使用這種檢測設(shè)備從環(huán)境光隨時間發(fā)生漲落的目標(biāo)空間檢測空間信息時，在光電檢測器的接收光輸出中包含了所述環(huán)境光的漲落成分。由于這意味著不期望的電荷的量取決于環(huán)境光條件，所以，不可能準(zhǔn)確地取出所需有效電荷，以通過只分離恒定數(shù)量的電荷作為不期望的電荷來根據(jù)光電檢測器的接收光輸出確定空間信息，如上述現(xiàn)有技術(shù)的情形中那樣。因此，從穩(wěn)定地獲得寬動態(tài)范圍以及提高檢測準(zhǔn)確度(甚至是在有隨時間發(fā)生漲落的環(huán)境光的情況下)的角度看，傳統(tǒng)光電檢測器仍然有很大的改進(jìn)余地。

發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明的主要目的在于，提供一種光電檢測器，該光電檢測器能夠調(diào)節(jié)考慮了周圍環(huán)境光后要去除的不期望的電荷的量，由此改進(jìn)輸入信號的動態(tài)范圍。就是說，本發(fā)明的光電檢測器包括半導(dǎo)體襯底；光電轉(zhuǎn)換部分，其形成在半導(dǎo)體襯底中，以產(chǎn)生與接收的光量相對應(yīng)的電荷；電荷分離部分，其具有形成在半導(dǎo)體襯底的總體表面上的分離電極；電荷積聚部分，其具有形成在半導(dǎo)體襯底的總體表面上的積聚電極； 勢壘電極，其形成在分離電極和積聚電極之間半導(dǎo)體襯底的總體表面上；勢壘高度調(diào)節(jié)部分，其電氣連接到勢壘電極；以及電荷去除部分。電荷分離部分用來通過使用勢壘將不期望的電荷與由光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電荷相分離，通過對勢壘電極施加電壓，所述勢壘形成在勢壘電極之下的半導(dǎo)體襯底中。勢壘高度調(diào)節(jié)部分根據(jù)從光電轉(zhuǎn)換部分提供的電荷量來確定施加到勢壘電極的電壓，以調(diào)節(jié)勢壘的高度。電荷積聚部分用來積聚有效電荷，有效電荷是從電荷分離部分越過勢壘流入電荷積聚部分的電荷。電荷去除部分用來排除由電荷分離部分分離的不期望的電荷，以及積聚在電荷積聚部分中的有效電荷被提供為光電檢測器的輸出(接收光輸出)。從獲得光電轉(zhuǎn)換部分、電荷分離部分、勢壘高度調(diào)節(jié)部分和電荷去除部分的高效布置，從而使光電檢測器的尺寸縮小的角度看，特別地優(yōu)選勢壘高度調(diào)節(jié)部分根據(jù)從光電轉(zhuǎn)換部分經(jīng)由電荷分離部分提供的電荷量來確定施加到勢壘電極的電壓，如在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中所描述的那樣。根據(jù)本發(fā)明，由于根據(jù)從光電轉(zhuǎn)換部分優(yōu)選經(jīng)由電荷分離部分進(jìn)入勢壘高度調(diào)節(jié)部分的電荷量來確定在勢壘電極之下形成的勢壘的高度，所以，可以對要分離出來作為不期望的電荷的電荷量進(jìn)行控制。例如，當(dāng)只有環(huán)境光入射到光電檢測器上時，由光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生一定量的與所接收的環(huán)境光相對應(yīng)的電荷。電荷的產(chǎn)生量依據(jù)環(huán)境光條件變化。勢壘高度調(diào)節(jié)部分從光電轉(zhuǎn)換部分優(yōu)選經(jīng)由電荷分離部分接收由環(huán)境光產(chǎn)生的電荷，并確定施加到勢壘電極的電壓，使得勢壘對環(huán)境光條件具有合適的高度。因此，通過依據(jù)環(huán)境光條件來控制不期望的電荷量，光電檢測器能夠防止飽和。另外，由于光電檢測器具有電荷去除部分，所以，總是可以通過電荷分離部分準(zhǔn)確地分離不期望的電荷。于是，本發(fā)明的光電檢測器具有保證輸入信號的寬動態(tài)范圍，并可靠地提供接收光輸出的能力。優(yōu)選光電轉(zhuǎn)換部分包括形成在半導(dǎo)體襯底的總體表面上的多個靈敏度控制電極， 并且通過控制對靈敏度控制電極中的每一個施加的電壓，具有期望孔面積的勢阱形成在半導(dǎo)體襯底中。在這種情形中，有可能根據(jù)勢阱的孔面積來控制光電轉(zhuǎn)換部分的靈敏度。就是說，當(dāng)控制對各個靈敏度控制電極施加電壓的定時以及所施加的電壓值時，可以控制所述光電檢測器，使得在預(yù)定周期中獲得的與接收到的光量相對應(yīng)的電荷被容易地收集在光電轉(zhuǎn)換部分的勢阱中，而在其它周期中獲得的與接收到的光量相對應(yīng)的電荷幾乎不被收集到勢阱中。另外，當(dāng)控制所述勢阱使其在所述其它周期中具有較小的孔面積時，在所述預(yù)定周期中收集到的電荷能夠在所述其它周期中被保持在勢阱中。所以，通過交替地重復(fù)電荷積聚周期和電荷保持周期，能夠以累積的方式由光電轉(zhuǎn)換部分收集與所述預(yù)定周期中的接收到的光量相對應(yīng)的電荷。具體說，當(dāng)入射到光電轉(zhuǎn)換部分上的光的強(qiáng)度周期性地變化時， 通過積聚在每個周期中的特定相位區(qū)中產(chǎn)生的電荷，可以累計(jì)所述特定相位區(qū)中的與所述接收到的光量相對應(yīng)的電荷。作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，勢壘電極經(jīng)由絕緣層形成在半導(dǎo)體襯底上。光電轉(zhuǎn)換部分、電荷分離部分、勢壘電極和電荷積聚部分被對齊成一行。勢壘高度調(diào)節(jié)部分和電荷去除部分位于行的一側(cè)，使得勢壘高度調(diào)節(jié)部分的位置鄰近電荷分離部分，而電荷去除部分的位置鄰近光電轉(zhuǎn)換部分。在這種情形中，根據(jù)電荷分離部分、勢壘高度調(diào)節(jié)部分和電荷去除部分之間的電勢關(guān)系，能夠在所述電荷從電荷分離部分流向勢壘高度調(diào)節(jié)部分的方向上形成電勢梯度。于是，可以可靠地從電荷分離部分向勢壘高度調(diào)節(jié)部分提供電荷，并可以根據(jù)勢壘高度調(diào)節(jié)部分中的電荷量準(zhǔn)確地確定勢壘的高度。作為本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例，所述光電檢測器具有狹長區(qū)對，其形成在半導(dǎo)體襯底中，以橫跨在分離電極和勢壘電極之間，并且在與行正交的方向上彼此隔開。狹長區(qū)具有與橫跨在分離電極和勢壘電極之間的狹長區(qū)之外的另一個區(qū)域相同的導(dǎo)電類型。另外，狹長區(qū)并比另一個區(qū)域具有更高的摻雜濃度。在這種情形中，由于在與所述行正交的方向上所述勢壘的兩端(即，所述勢壘的上升沿)均由所述狹長區(qū)陡峭地形成，所以，可以防止從電荷分離部分到電荷積聚部分出現(xiàn)不期望的電荷泄漏，于是可以由電荷分離部分準(zhǔn)確地分離出不期望的電荷。此外，另一個優(yōu)點(diǎn)是通過狹長區(qū)的形成，能夠緩和相對于施加電壓的體積變化的非線性性，使得勢壘高度調(diào)節(jié)部分中的電荷量實(shí)質(zhì)上與不期望的電荷的量成比例。另外，最好地，所述光電檢測器具有在勢壘電極和積聚電極之間半導(dǎo)體襯底的總體表面上形成的緩沖電極，對施加到緩沖電極的電壓進(jìn)行控制，使得在緩沖電極之下的半導(dǎo)體襯底中形成的電勢介于在勢壘電極之下的半導(dǎo)體襯底中形成的電勢和在積聚電極之下的半導(dǎo)體襯底中形成的電勢之間。在這種情形中，可以防止所述勢壘的高度受到電荷積聚部分中所積聚的電荷量的影響。就是說，所述電勢能夠由緩沖電極穩(wěn)定地維持在所述勢壘的附近。所以，即使當(dāng)所述電荷積聚部分中的電荷量發(fā)生漲落時，也可以防止對所述勢壘產(chǎn)生影響。本發(fā)明所述的光電檢測器優(yōu)選具有在勢壘高度調(diào)節(jié)部分之下的半導(dǎo)體襯底中形成的勢壘層，以阻擋電荷從半導(dǎo)體襯底的深處到勢壘高度調(diào)節(jié)部分中的移動。在這種情形中，可以防止在勢壘高度調(diào)節(jié)部分中混有噪聲電荷，諸如由光的照射在所述半導(dǎo)體襯底的深處所產(chǎn)生的電荷。作為本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例，所述光電檢測器還包括在電荷分離部分和勢壘高度調(diào)節(jié)部分之間半導(dǎo)體襯底的總體表面上形成的轉(zhuǎn)移柵極、以及鄰近勢壘高度調(diào)節(jié)部分形成的電勢調(diào)節(jié)部分。通過控制對轉(zhuǎn)移柵極施加的電壓，在轉(zhuǎn)移柵極之下的半導(dǎo)體襯底中、 電荷分離部分和勢壘高度調(diào)節(jié)部分之間形成電荷轉(zhuǎn)移溝道?？刂齐妱菡{(diào)節(jié)部分的摻雜濃度，使得電荷在電荷轉(zhuǎn)移溝道中從電荷分離部分朝勢壘高度調(diào)節(jié)部分移動。在這種情形中， 由于通過改變施加在轉(zhuǎn)移柵極上的電壓來控制電荷從電荷分離部分向勢壘高度調(diào)節(jié)部分的移動，所以，可以防止在電荷分離部分分離出所述不期望的電荷的時出現(xiàn)不期望的從電荷分離部分到勢壘高度調(diào)節(jié)部分的電荷泄漏。另外，電勢調(diào)節(jié)部分防止在電荷轉(zhuǎn)移溝道中出現(xiàn)電勢變化，以便禁止電荷從電荷分離部分移動到勢壘高度調(diào)節(jié)部分。于是，可以穩(wěn)定地獲得電勢梯度，用于使電荷從電荷分離部分經(jīng)由電荷轉(zhuǎn)移溝道平穩(wěn)地朝勢壘高度調(diào)節(jié)部分移動。另外，最好地，電荷去除部分位于光電轉(zhuǎn)換區(qū)域和電荷分離區(qū)域的附近，以去除來自光電轉(zhuǎn)換部分的過度電荷以及來自電荷分離區(qū)域的不期望的電荷。通過去除過度電荷，可以更準(zhǔn)確地獲得與接收到的光量的變化相對應(yīng)的接收光輸出。優(yōu)選地，電荷去除部分包括用來去除過度電荷的第一電荷去除部分和用來去除不期望的電荷的第二電荷去除部分。 在這種情形中，更優(yōu)選地，對電荷去除部分進(jìn)行控制，使得經(jīng)由第一電荷去除部分去除來自光電轉(zhuǎn)換部分的過度電荷的定時與經(jīng)由第二電荷去除部分去除來自電荷分離部分的不期望的電荷的定時不同。優(yōu)點(diǎn)是，光電轉(zhuǎn)換部分中的過度電荷的去除操作能夠獨(dú)立于電荷分離部分的不期望的電荷的去除操作來進(jìn)行。在本發(fā)明的光電檢測器中，優(yōu)選在半導(dǎo)體襯底上形成多個像素，每一個像素包括光電轉(zhuǎn)換部分、電荷分離部分、電荷積聚部分、勢壘高度調(diào)節(jié)部分和勢壘電極。在這種情形中，對于每個像素，可以控制所述不期望的電荷的量，并由此防止每個像素發(fā)生飽和。本發(fā)明的另一個目的是提供一種使用上述光電檢測器的空間信息檢測設(shè)備。就是說，這種檢測設(shè)備包括發(fā)光源，用來將光間歇地投射到目標(biāo)空間中；根據(jù)權(quán)利要求1的光電檢測器，其被設(shè)置來從目標(biāo)空間接收光；控制部分，用來對發(fā)光源的光發(fā)射以及施加到光電檢測器的分離電極、積聚電極和電荷去除部分的電壓進(jìn)行控制；以及信號處理部分，用來從光電檢測器的輸出中抽取目標(biāo)空間的空間信息。控制部分將在光不從發(fā)光源投射到目標(biāo)空間的休息周期中由光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電荷移動到勢壘高度調(diào)節(jié)部分中，以形成具有根據(jù)勢壘高度調(diào)節(jié)部分中的電荷量來確定的高度的勢壘。電荷分離部分從在光被發(fā)光源投射到目標(biāo)空間中的發(fā)光周期內(nèi)由光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電荷中去掉不期望的電荷。從電荷分離部分越過勢壘流入電荷積聚部分中的電荷被積聚起來，作為在電荷積聚部分中的有效電荷。在休息周期之前，經(jīng)由電荷去除部分將由電荷分離部分分離出的不期望的電荷去除。電荷積聚部分中積聚的有效電荷被提供為光電檢測器的輸出。根據(jù)本發(fā)明的使用光電檢測器的空間信息檢測設(shè)備，能夠根據(jù)環(huán)境光條件來自動設(shè)置要由電荷分離部分分離的不期望的電荷的量。就是說，在發(fā)光周期中獲得的接收到的光量等價于環(huán)境光所導(dǎo)致的接收到的光量和發(fā)光源的光(即，信號光)所導(dǎo)致的接收到的光量的總和。另一方面，在休息周期中獲得的接收到的光量等于環(huán)境光所導(dǎo)致的接收到的光量。所以，通過從與發(fā)光周期中獲得的接收到的光量相對應(yīng)的電荷中去除掉作為不期望的電荷的與休息周期中獲得的接收到的光量相對應(yīng)的電荷，可以消除環(huán)境光的影響，并能有效地獲得與信號光的接收到的光量相對應(yīng)的有效電荷。因此，能夠增加信號光的動態(tài)范圍。另外，由于在所述休息周期之前由電荷去除部分從電荷分離部分去除掉了不期望的電荷，所以，可以防止在勢壘高度調(diào)節(jié)部分中偶然混有與環(huán)境光相對應(yīng)的電荷之外的電荷。作為上述空間信息檢測設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例，光電轉(zhuǎn)換部分在半導(dǎo)體襯底的總體表面上具有多個靈敏度控制電極。控制部分向發(fā)光源發(fā)送調(diào)制信號，使得以調(diào)制信號調(diào)制強(qiáng)度的光在發(fā)光周期中被投射到目標(biāo)空間中，并且控制施加到靈敏度控制電極的電壓，使得在靈敏度控制電極的每一個之下的半導(dǎo)體襯底中形成的勢阱的孔面積以與調(diào)制信號同步的定時進(jìn)行變化，由此，由光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生與調(diào)制信號的相位區(qū)相對應(yīng)的電荷。信號處理部分根據(jù)在調(diào)制信號的多個相位區(qū)獲得的光電檢測器的輸出來檢測距目標(biāo)空間中的物體的距離，作為空間信息。在這種情形中，就可以通過使用從多個相位區(qū)中取出的接收光輸出來確定到目標(biāo)空間中的物體的距離，作為空間信息。根據(jù)下面說明的用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式，可以清楚地理解本發(fā)明的其它特征以及由其帶來的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光電檢測器的相關(guān)部分的平面圖；圖2是沿圖1中的線A-A所取的光電檢測器的截面圖；圖3是沿圖1中的線B-B所取的光電檢測器的截面圖；圖4A到圖4F是光電檢測器的操作說明圖；圖5A到圖5C是示出光電檢測器中的電勢變化的圖；圖6A是示出第一實(shí)施例的光電檢測器中的電勢變化的圖，且圖6B是示出在另一個光電檢測器中的電勢變化的圖；圖7是使用本發(fā)明的光電檢測器的空間信息檢測設(shè)備的框圖；圖8A和圖8B是空間信息檢測設(shè)備的操作說明圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光電檢測器的相關(guān)部分的平面圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光電檢測器的相關(guān)部分的平面圖；圖IlA是示出第三實(shí)施例的光電檢測器中的電勢變化的圖，且圖IlB是示出另一個光電檢測器中的電勢變化的圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的光電檢測器的相關(guān)部分的截面圖；圖13A是示出第四實(shí)施例的光電檢測器中的電勢變化的圖，且圖13B是示出另一個光電檢測器中的電勢變化的圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的光電檢測器的相關(guān)部分的截面圖；以及圖15A是示出第五實(shí)施例的光電檢測器中的電勢變化的圖，且圖15B是示出另一個光電檢測器中的電勢變化的圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的光電檢測器以及使用該光電檢測器的空間信息檢測設(shè)備。S卩，作為本發(fā)明的光電檢測器，在下面的實(shí)施例中說明一種二維圖像傳感器。在這種圖像傳感器中，沿著垂直方向Dv布置有多個像素，形成像素行，且沿著水平方向Dh排列有多個所述像素行，以形成像素的矩陣排列。在下面的實(shí)施例中，為了便于理解本發(fā)明，對等價于一個像素的范圍進(jìn)行說明。本發(fā)明中的技術(shù)構(gòu)思也可用于需要與二維圖像傳感器的一個像素等價的結(jié)構(gòu)的器件、或者具有排列成單行的多個像素的一維(線性)圖像傳感器。另外，在下面的實(shí)施例中，對作為本發(fā)明的空間信息檢測設(shè)備的距離測量設(shè)備進(jìn)行說明，該設(shè)備用于確定到目標(biāo)空間中的物體的距離。這種距離測量設(shè)備主要由發(fā)光源、本發(fā)明的光電檢測器、以及用于光電檢測器的接收光輸出的信號處理部分構(gòu)成。本發(fā)明的空間信息檢測設(shè)備的技術(shù)構(gòu)思也可以用來確定其它空間信息，諸如物體的反射率或目標(biāo)空間中的光傳輸。第一實(shí)施例圖1示出與光電檢測器的一個像素相對應(yīng)的區(qū)域。如圖2和圖3中所示，像素 I3X設(shè)置有襯底10、在襯底10上由第一導(dǎo)電類型(例如，P型)的半導(dǎo)體材料(例如，硅)所形成的器件形成層11、從器件形成層11的總體表面(即，上表面)以要求的深度由具有第二導(dǎo)電類型(例如，η型)的半導(dǎo)體材料所形成的阱12、在阱12的總體表面和器件形成層 11的總體表面上形成的絕緣層13 (諸如，硅的氧化物或硅的氮化物)，以及在絕緣層13上設(shè)置的電極。如圖3中所示，所述電極包括靈敏度控制電極21、分離電極22、積聚電極23 和勢壘電極Μ。在本實(shí)施例中，襯底10由具有第二導(dǎo)電類型(例如，η型)的半導(dǎo)體材料形成。在阱12中，形成有電荷保持阱14，該阱是比阱12具有更高摻雜濃度的第二導(dǎo)電類型 (即，η++型)的阱。在電荷保持阱14和連接線沈的末端部分25之間形成歐姆連接，而連接線26的另一端被連接到勢壘電極24?？蛇x擇地，可以在連接線沈的一端形成電極，使其經(jīng)由絕緣層13位于電荷保持阱14的上方。在平面圖中，靈敏度控制電極21、分離電極22、積聚電極23和勢壘電極M中的每一個都構(gòu)造為基本為矩形的形狀。另外，這些電極具有基本相同的尺寸，并沿著各個電極的寬度方向排成一行。就是說，這些電極在與寬度方向正交的長度方向上基本彼此平行地排列。在本實(shí)施例中，將寬度方向定義為像素排列的垂直方向Dv，并將長度方向定義為像素排列的水平方向Dh。另外，本實(shí)施例的光電檢測器中的一個像素I3X由6個靈敏度電極21、3 個分離電極22、1個勢壘電極M和3個積聚電極23組成。這些電極可以以彼此不同的形狀或大小形成。例如，勢壘電極對在長度方向(即，水平方向Dh)上的尺寸可以形成得比分離電極22和積聚電極23的尺寸更大。如圖1所示，具有靈敏度控制電極21的區(qū)域被定義為光電轉(zhuǎn)換部分D1，該部分用于接收光以產(chǎn)生與所接收到的光量相對應(yīng)的電荷。具有分離電極22的區(qū)域被定義為電荷分離部分D2，該部分用于通過使用通過在勢壘電極M施加電壓而在勢壘電極M之下形成的勢壘將不期望的電荷與由光電轉(zhuǎn)換部分Dl產(chǎn)生的電荷分離。具有積聚電極23的區(qū)域被定義為電荷積聚部分D3，該部分用于積聚作為從電荷分離部分D2越過所述勢壘流入電荷積聚部分D3的電荷的有效電荷。另外，包括在連接線沈的末端部分25之下的電荷保持阱 14的區(qū)域被定義為勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4，該部分用于根據(jù)從電荷分離部分D2提供的電荷量來確定施加在勢壘電極M上的電壓以調(diào)節(jié)所述勢壘的高度，如后面所述。靈敏度控制電極21是半透明的。期望分離電極22、積聚電極23以及勢壘電極M 不是半透明的。在同時形成這些電極的情形中，所有這些電極都可能是半透明的。在圖1 中，對于每個像素I3X來說，用來曝露光電轉(zhuǎn)換部分Dl的窗口部分之外的區(qū)域用遮光薄膜 (未示出)覆蓋。在下面的說明中，電子被用作由光電轉(zhuǎn)換部分Dl產(chǎn)生的電荷。在利用空穴作為電荷的情形中，需要使上面所述的每種導(dǎo)電類型以及后面所述的每個電壓極性都發(fā)生反轉(zhuǎn)。在本實(shí)施例中，電荷保持阱14與三個分離電極22中的中間那個分離電極鄰近。就是說，電荷保持阱14與中間的分離電極22的長度方向的末端之一鄰近。另外，將溢出漏區(qū)15形成為與靈敏度控制電極21鄰近的電荷去除部分。例如，溢出漏區(qū)15可以被定義為具有第二導(dǎo)電類型且摻雜濃度比阱12高的長條區(qū)域。溢出漏區(qū) 15在不經(jīng)由絕緣層13的情況下被直接連接到漏極50 (諸如接觸墊)。在本實(shí)施例中，漏極 50位于溢出漏區(qū)50的各相對端部，所述相對端部被以流排接線方式電氣連接到鄰近像素的溢出漏區(qū)上的漏極(未示出)。例如，在圖1的情形中，位于溢出漏區(qū)15上端部的漏極 50被電氣連接到位于上方鄰近像素的溢出漏區(qū)的下端的漏極，而位于溢出漏區(qū)15下端部的漏極50被電氣連接到位于下方鄰近像素的溢出漏區(qū)的上端的漏極。
另外，溢出漏區(qū)15和電荷保持阱14均沿垂直方向Dv形成在電極排列的一側(cè) (即，圖1中的右側(cè))。另外，形成在中間分離電極22之下的阱12沿水平方向Dh伸出 (overhang)，如圖2所示，使得電荷保持區(qū)域14位于阱12中。另一方面，不在與溢出漏區(qū) 15相對應(yīng)的區(qū)域中形成阱12。因此，上述由除遮光薄膜之外的光電轉(zhuǎn)換部分Dl、電荷分離部分D2和電荷積聚部分D3構(gòu)成的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的FT (frame transfer，幀轉(zhuǎn)移)類型的CXD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)基本相同。所以，通過合適地控制施加在靈敏度控制電極21、分離電極22、積聚電極23和勢壘電極M上的電壓，可以使電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移。簡言之，在取出電荷的情形中，靈敏度控制電極 21、分離電極22、積聚電極23和勢壘電極M構(gòu)成了垂直轉(zhuǎn)移線。另外，如在FT型CCD圖像傳感器的情形中那樣，形成不同于電荷積聚部分D3的積聚區(qū)，以積聚由具有像素I3X的排列的攝像區(qū)所產(chǎn)生的電荷。此外，形成水平電阻器以從所述積聚區(qū)讀出電荷，并沿水平方向Dh傳輸這些電荷。因此，所述積聚區(qū)和所述水平電阻器用作電荷取出部分。水平電阻器的輸出被提供為接收光輸出。如上所述，勢壘電極M經(jīng)由連接線沈電氣連接到電荷保持阱14。連接線沈由金屬接線形成。勢壘電極14與電荷保持阱14具有相同的電勢。所以，當(dāng)電荷被保持在電荷保持阱14中時，依據(jù)電荷保持阱14的電荷量在勢壘電極M上施加電壓。換言之，依據(jù)電荷保持阱14的電荷量對勢壘電極M進(jìn)行充電。在本實(shí)施例中，當(dāng)電子被保持在電荷保持阱14中時，在勢壘電極M上施加負(fù)電壓，使得在勢壘電極之下形成的勢壘對電子來說變高。就是說，對于電子來說，與勢壘電極 24相對應(yīng)的區(qū)域比與分離電極22相對應(yīng)的電荷分離部分D2和與積聚電極23相對應(yīng)的電荷積聚部分D3具有更高的勢壘高度。因此，在電荷分離部分D2和電荷積聚部分D3之間就形成了勢壘。在勢壘電極M之下所形成的勢壘的高度依據(jù)電荷保持阱14(即勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4)中所保持的電荷量而變化。勢壘電極M和電荷保持阱14的電勢由勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4中所保持的電荷量決定。另一方面，在靈敏度控制電極21、分離電極22和積聚電極23上所施加的電壓被單獨(dú)地控制。例如，按合適的定時施加正負(fù)電壓(+10V，-5V)。當(dāng)兩條電源接線(27a、27b)之一歐姆連接到靈敏度控制電極21、分離電極22和積聚電極23時，優(yōu)選使用金屬接線作為電源接線07a、27b)。另外，當(dāng)電源接線(27a、27b)不連接到靈敏度控制電極21、分離電極22和積聚電極23時，這些電極被絕緣層16 (諸如硅的氧化物或硅的氮化物)從電源接線(27a、 27b)絕緣。另外，重置柵極28與勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4在垂直方向Dv上相鄰，且重置電極17 與重置柵極觀相鄰。在平面圖中，重置柵極觀位于在與重置電極17相對應(yīng)的區(qū)域處形成的重置漏區(qū)(reset drain)與勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4的電荷保持阱14之間。另外，重置柵極28和重置電極17在垂直方向Dv上均位于勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4的一側(cè)。在圖1中，它們位于勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4的上方。另外，如圖1所示，重置電極17在水平方向Dh上與六個靈敏度控制電極21中沿水平方向Dh的最下面的一個靈敏度控制電極(即，與三個分離電極22中最上面的一個分離電極相鄰的靈敏度控制電極)相隔。另一方面，重置柵極觀在水平方向Dh上與三個分離電極22中最上面的分離電極(即，與六個靈敏度控制電極21 中最下面的那個靈敏度控制電極相鄰的分離電極2 相隔。所述重置漏區(qū)被定義為具有高摻雜濃度的第二導(dǎo)電類型(η++)的區(qū)域，它在不經(jīng)由絕緣層13的情況下被直接連接到重置電極17。將恒定的重置電壓施加到重置電極17。另外，在平面圖中，轉(zhuǎn)移柵極四位于三個分離電極22的中間那個分離電極和在電荷保持阱14上方的連接線沈的末端部分25之間。通過對轉(zhuǎn)移柵極四施加合適的電壓， 在轉(zhuǎn)移柵極四之下形成溝道，使得電荷能夠從電荷分離部分D2移動到勢壘高度調(diào)節(jié)部分 D4。下面將說明本實(shí)施例的光電檢測器的操作。首先，根據(jù)使用所述光電檢測器的環(huán)境中光的情況來確定在勢壘電極M下方形成的勢壘的合適的高度。就是說，在阱12中的電子被耗盡之后，只有環(huán)境光照射到光電檢測器。此時，獲得光電檢測器的接收光輸出所需的信號光沒有照射。為了獲得阱12的電子耗盡狀態(tài)，經(jīng)由電荷去除部分(即，具有漏極50 的溢出漏區(qū)1 將光電轉(zhuǎn)換部分Dl和電荷分離部分D2中剩余的電子去除。另外，通過對重置柵極觀施加重置電壓以在電荷保持阱14和重置漏區(qū)之間形成溝道，將勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4中剩余的電子經(jīng)由所述重置漏區(qū)進(jìn)行去除。另外，像素I^x的電荷積聚部分D3的電荷可以經(jīng)由鄰近于垂直方向Dv上的鄰近像素I3X的光電轉(zhuǎn)換部分Dl形成的溢出漏區(qū)15被去除。在圖1中，由于電荷從光電轉(zhuǎn)換部分 Dl轉(zhuǎn)移到電荷積聚部分D3，即在垂直方向Dv上從上端轉(zhuǎn)移到下端，所以，像素的上端被定義為電荷轉(zhuǎn)移方向中的上游端，而像素I3X的下端被定義為電荷轉(zhuǎn)移方向中的下游端。當(dāng)阱12中的電子被耗盡之后，在合適的電壓被施加到光電轉(zhuǎn)換部分Dl的靈敏度控制電極21的情況下用光(例如，環(huán)境光)進(jìn)行照射，使得在包括阱12的器件形成層11 中產(chǎn)生與接收到的光量相對應(yīng)的電子和空穴的量。在本實(shí)施例中，在勢阱中收集電子，并經(jīng)由襯底10去除空穴。就是說，在勢阱中收集具有與接收到的光量相對應(yīng)的量的電子。后面說明對施加到靈敏度控制電極的電壓進(jìn)行控制的方法。在光電轉(zhuǎn)換部分Dl中收集了(產(chǎn)生了)量與接收到的光量相對應(yīng)的電子之后，在時段Ta中對分離電極22施加合適的電壓，如圖4A所示，以在電荷分離部分D2中形成勢阱，且電子從光電轉(zhuǎn)換部分Dl移動到電荷分離部分D2。另外，如圖4B所示，將合適的電壓施加到轉(zhuǎn)移柵極四，以在電荷分離部分D2與勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4的電荷保持阱14之間形成溝道，使得電子從電荷分離部分D2移動到電荷保持阱14中。由η型阱12所包圍的η++型電荷保持阱14的電勢比阱12的電勢要高。就是說， 對于電子來說，電荷保持阱14具有較低的電勢(potential)。因此，勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4 處的電勢比電荷分離部分D2處的電勢高。所以，通過對轉(zhuǎn)移柵極四施加合適的電壓以形成溝道，電子從電荷分離部分D2流到勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4的電荷保持阱14中。當(dāng)電子流入電荷保持阱14時，電荷保持阱14的電勢降低。就是說，電氣連接到電荷保持阱14的勢壘電極M的電勢降低，如圖4D所示。于是，在勢壘電極對之下形成勢壘。 由于電荷保持阱14的電子移動到勢壘電極M，所以，勢壘具有依據(jù)移動到勢壘電極對的電子的量來決定的高度。如果在經(jīng)由絕緣層13與電荷保持阱14相對應(yīng)的位置處形成保持電極，則在保持電極處出現(xiàn)依據(jù)電荷保持阱14中的電子量而確定的電壓。此時，對勢壘電極 24施加同樣的電壓以在勢壘電極M下形成勢壘。在時段Ta中，不對積聚電極23施加電壓。所以，在電荷積聚部分D3中沒有積聚電子。對于對轉(zhuǎn)移柵極四施加電壓的時序來說，可以適當(dāng)?shù)剡x擇第一時序控制模式和第二時序控制模式中的一個，其中，在第一時序控制模式中，對轉(zhuǎn)移柵極四和分離電極22同時施加電壓，如圖4A和圖4B所示，而在第二時序控制模式中，首先對分離電極22施加電壓， 然后再在轉(zhuǎn)移柵極四施加電壓。當(dāng)電子被移動到勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4之后，停止對轉(zhuǎn)移柵極四施加電壓，以在時段Tb中將電子保持在電荷保持阱14中，如圖4B所示。另外，對漏極50施加電壓，如圖4C 所示，使得電荷分離部分D2中的電子經(jīng)由溢出漏區(qū)15被去除。在將電子作為電荷進(jìn)行去除的情況下，通過停止對分離電極22施加電壓可以平穩(wěn)地將電子去除。如上所述，通過接收光(即，環(huán)境光)在光電轉(zhuǎn)換部分Dl產(chǎn)生的電荷被用來確定在勢壘電極M之下形成的勢壘的高度。簡言之，考慮環(huán)境光作為擾動成分來適當(dāng)?shù)卮_定勢壘的高度。所以，上面的步驟可以被認(rèn)為是光電檢測器的勢壘高度調(diào)節(jié)步驟或事先調(diào)節(jié)步馬聚ο接下來，可以通過下面說明的實(shí)際測量獲得光電檢測器的接收光輸出。就是說，光電檢測器接收包括預(yù)期光(即，信號光)和環(huán)境光在內(nèi)的光，并從與接收到的光量相對應(yīng)的電荷中去掉與環(huán)境光量相對應(yīng)的電荷，以提供信號光的真實(shí)的接收光輸出。在實(shí)際測量之前，通過使用溢出漏區(qū)15，在時段Tc中耗盡除了勢壘高度調(diào)節(jié)部分 D4之外的阱12中的電子，如圖4C所示。因此，預(yù)先從光電轉(zhuǎn)換部分Dl和電荷分離部分D2 中去掉了電子。另外，已經(jīng)在勢壘電極M下形成了勢壘Bi，如圖5A所示。該勢壘Bl具有在上述勢壘高度調(diào)節(jié)步驟中根據(jù)環(huán)境光條件確定的合適高度。當(dāng)光電檢測器從目標(biāo)空間接收到包括信號光在內(nèi)的光之后，在光電轉(zhuǎn)換部分Dl處收集與接收光量相對應(yīng)的電子。然后，如圖 4A所示，在時段Td中對分離電極22施加合適的電壓，以形成用于在電荷分離部分D2中收集電子的勢阱。通過控制靈敏度控制電極21上所施加的電壓，將電子從光電轉(zhuǎn)換部分Dl 移動到電荷分離部分22，如圖5B所示。隨后，如圖4E所示，在時段Te中，對積聚電極23施加合適的電壓，以在電荷積聚部分D3中形成勢阱。在這種狀態(tài)中，當(dāng)停止對分離電極22施加電壓時，量由勢壘高度確定的電子從電荷分離部分D2越過勢壘移動到電荷積聚部分D3中，如圖5C所示。另一方面， 由于勢壘高度的原因而不能流入電荷積聚部分D3中的剩余量的電子則作為不期望的電荷被保留在電荷分離部分D2中，如圖5C所示。不期望的電荷的量根據(jù)勢壘M的高度和電荷分離部分D2的尺寸來確定。在停止對分離電極22施加電壓之前，控制對靈敏度控制電極 21施加的電壓，使得在電荷分離部分D2和光電轉(zhuǎn)換部分Dl之間形成這樣的勢壘該勢壘的高度比在勢壘電極M下形成的勢壘Bl的高度高。根據(jù)上面的操作，通過電荷分離部分D2從與接收到的光量相對應(yīng)的電子中分離出適當(dāng)量的不期望的電荷，且將不期望的電子以外的電子作為有效電荷積聚在電荷積聚部分D3中。當(dāng)有效電荷被積聚在電荷積聚部分D3中之后，如圖4C所示，在時段Tf中對漏極 50施加合適的電壓，從而經(jīng)由溢出漏區(qū)15將電荷分離部分D2中的不期望的電荷去除。另外，為了去除勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4中的電荷(即，電子)，對重置柵極觀施加合適的電壓， 以在電荷保持阱14和重置漏區(qū)之間形成溝道，如圖4F所示。當(dāng)從電荷保持阱14中去除掉電子之后，停止對重置柵極28施加電壓。然后，經(jīng)由上述電荷取出部分將電荷積聚部分D3中積聚的有效電荷取出，作為光電檢測器的接收光輸出。通過上述一系列操作，獲得了與1幀圖像相對應(yīng)的接收光輸出。所以，每一幀就將電荷保持阱14中的電子去除掉?？蛇x擇地，可以每多幀將電荷保持阱14中的電子去除掉。 在這種情形中，由于在勢壘電極M下連續(xù)地形成勢壘，所以就需要控制對分離電極22和積聚電極23施加的電壓，使得電子可以在勢壘的附近移動。另外，如上所述，需要在勢壘高度調(diào)節(jié)步驟中將電子從電荷分離部分D2移動到勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4。由于溢出漏區(qū)15具有將不期望的電荷從電荷分離部分D2中去除的功能，所以，將溢出漏區(qū)15的電勢設(shè)置得比電荷分離部分D2的電勢高。換言之，對于電子來說，溢出漏區(qū)15具有較低的電勢。所以，如果溢出漏區(qū)15被形成在光電轉(zhuǎn)換部分Dl的一側(cè)(例如，圖1中的左側(cè))， 且勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4被形成在光電轉(zhuǎn)換部分Dl的另一側(cè)(例如，圖1中的右側(cè))，則在電荷分離部分D2中就形成如圖6B中的箭頭β所示的電勢梯度。該電勢梯度β防止電子從電荷分離部分D2向勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4的平穩(wěn)移動。在圖6Β中，虛線示出當(dāng)通過對轉(zhuǎn)移柵極四施加電壓而將電子移動到勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4中時形成的電勢梯度。相反，根據(jù)本實(shí)施例，由于溢出漏區(qū)15和勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4均處于光電轉(zhuǎn)換部分Dl的一側(cè)(例如，圖1中的右側(cè))，所以，在電荷分離部分D2中形成了如圖6Α中的箭頭 α所示的電勢梯度。該電勢梯度α便于電子從電荷分離部分D2朝勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4 的平穩(wěn)移動。這樣，由于電子被有效地從電荷分離部分D2移動到勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4，故可以準(zhǔn)確地確定在電荷分離部分D2和電荷積聚部分D3之間形成的勢壘的高度?？臻g信息檢測設(shè)備如上所述，本實(shí)施例的光電檢測器被用在用于確定到目標(biāo)空間中的物體的距離作為所述空間信息的距離測量設(shè)備中。即，如圖7所示，該距離測量設(shè)備是有源型距離測量設(shè)備，它主要由用于向目標(biāo)空間投射光的發(fā)光源2、用于從目標(biāo)空間接收光的上述光電檢測器 1、用于根據(jù)光電檢測器的接收光輸出確定到目標(biāo)空間中的物體5的距離的信號處理部分 3，以及用于對光電檢測器1和發(fā)光源2的操作進(jìn)行控制的控制部分4構(gòu)成?？刂撇糠?也控制在信號處理部分3中進(jìn)行計(jì)算的時序。發(fā)光源2可以通過布置多個紅外發(fā)光二極管來形成。從目標(biāo)空間提供的光(即， 來自物體5的反射光)被經(jīng)由紅外通過濾波器(pass filter)入射到光電檢測器1上。如果使用紅外光作為用于測量距離的光，則可以通過紅外通過濾波器來抑制可見光入射到光電檢測器1上。可以利用用于執(zhí)行合適程序的微型計(jì)算機(jī)來形成信號處理部分3和控制部分4。為了測量距離，強(qiáng)度調(diào)制光被從發(fā)光源2投射到目標(biāo)空間中，然后由目標(biāo)空間中的物體5對其進(jìn)行反射，使得反射光被入射到光電檢測器1上。確定入射到光電檢測器1上的反射光的相位和從發(fā)光源2發(fā)射的光的相位之間的相位差，然后將其轉(zhuǎn)換成到物體5的距離。例如，當(dāng)圖8A所示的強(qiáng)度調(diào)制光被從發(fā)光源2投射到目標(biāo)空間中，并且入射到光電檢測器1的一個像素I3X上的光的強(qiáng)度發(fā)生變化時，如圖8B所示，到目標(biāo)空間中的物體5 的距離L由投射光和接收到的光之間的時間差A(yù)t(S)來反映。所以，到物體5的距離L用下面的方程來表示
L = c· At/2其中，c為光速(m/s)。另外，當(dāng)用來產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制光的調(diào)制信號的頻率為f(Hz) 并且相位差為Φ (rad)時，時間差A(yù)t用下面的方程來表示At= φ/2 π · f因此，距離L可以通過利用所述相位差Φ來確定。該相位差Φ可以被認(rèn)為是用于驅(qū)動發(fā)光源2的調(diào)制信號與光電檢測器1的每個像素I3X上的入射光之間的相位差。所以，當(dāng)對于調(diào)制信號的不同相位確定了光電檢測器1 上的入射光的接收光強(qiáng)度時，考慮根據(jù)所得到的相位和接收光強(qiáng)度之間的關(guān)系來確定入射光和調(diào)制信號之間的相位差Φ。事實(shí)上，由光電檢測器1在具有預(yù)定相位寬度(時間寬度)的每個相位區(qū)檢測接收到的光量，并且使用與該接收到的光量相對應(yīng)的接收光輸出來計(jì)算相位差Φ。具體來說， 當(dāng)每個相位區(qū)具有90°的相位寬度時，在調(diào)制信號的每一個周期獲得4個相位區(qū)。例如，在 4個相位區(qū)(即，0到90度、90到180度、180到270度以及270到360度)獲得的接收的光量分別被定義為Α0、Α1、Α2和A3，如圖8Β中的陰影部分所示。在這種情形中，相位差Φ 由下面的方程來表達(dá)Φ = tan_1{(A0-A2)/(Al-A3)}調(diào)制信號的相位區(qū)與接收到的光量之間的對應(yīng)關(guān)系不限于上述情形?？梢赃m當(dāng)?shù)卦O(shè)置相位區(qū)的相位寬度。例如，相位區(qū)可以具有180度的相位寬度。依據(jù)它們之間的對應(yīng)關(guān)系，相位差Φ的符號發(fā)生變化。為了進(jìn)行上面的計(jì)算，需要由光電檢測器1的光電轉(zhuǎn)換部分Dl在調(diào)制信號的相位區(qū)的每一個中產(chǎn)生與接收到的光量相對應(yīng)的電子。為了獲得在相位區(qū)的每一個中的接收到的光量，與所述調(diào)制信號同步來控制對光靈敏度控制電極21施加的電壓?？刂撇糠?具有控制對每個靈敏度控制電極21進(jìn)行電壓施加的能力。在施加了電壓的靈敏度控制電極21之下形成了勢阱。就是說，通過控制施加了電壓的靈敏度控制電極21的數(shù)目，可以在光電轉(zhuǎn)換部分Dl中獲得具有期望孔面積(aperture area)的勢阱。因此，光電轉(zhuǎn)換部分Dl具有靈敏度控制功能。由光電轉(zhuǎn)換部分Dl產(chǎn)生的電子被收集在勢阱中。所以，當(dāng)勢阱具有較大的孔面積 (即，較大的體積)時，收集電子的效率提高。相反，當(dāng)電壓施被加到單個靈敏度控制電極 21時，收集電子的效率降低。換言之，當(dāng)電壓被施加到單個靈敏度控制電極21時，收集在勢阱21中的電子大量減少。所以，在電壓被施加到多個靈敏度控制電極21的電荷收集周期中，在具有大的孔面積的勢阱中可以高效地收集電子。隨后，在電荷保持周期中(在該周期中，電壓被施加到數(shù)目減少了的靈敏度控制電極21上，例如，施加在單個靈敏度控制電極 21上)，可以保持在電荷收集周期中收集的電子。在根據(jù)上述過程來收集和保持電子的情形中，由于在電荷保持周期中收集的電子的量非常少，所以，在電荷保持周期中保持的電子實(shí)質(zhì)上反映了在電荷收集周期中獲得的接收到的光量。另外，當(dāng)用來形成勢阱以便在電荷保持周期中保持電子的靈敏度控制電極21被遮住光時，可以進(jìn)一步抑制在電荷保持周期中的電子的收集。從上述操作中可以清楚地理解，當(dāng)需要由光電轉(zhuǎn)換部分Dl在調(diào)制信號的特定相位區(qū)內(nèi)收集與接收到的光量相對應(yīng)的電子時，在電荷收集周期中被施加電壓的靈敏度控制電極21的數(shù)目增加，另一方面，在電荷保持周期中被施加電壓的靈敏度控制電極21的數(shù)目減少。在電荷保持周期中，特別優(yōu)選是將電壓施加到單個光靈敏度控制電極21?？刂撇糠?4在調(diào)制信號的每個周期中都改變對靈敏度控制電極21的電壓施加模式。就是說，控制部分4在調(diào)制信號的每個特定相位區(qū)對多個靈敏度控制電極21施加電壓，以在調(diào)制信號的多個周期上收集在該特定相位區(qū)中產(chǎn)生的電子。在這種情形中，即使在調(diào)制信號的一個周期的特定相位區(qū)中獲得的接收到的光量較小，也可以通過在調(diào)制信號的多個周期上收集在特定相位區(qū)中產(chǎn)生的電子來獲得足夠的接收的光量。另一方面，當(dāng)接收的光量足夠大時，在調(diào)制信號的多個周期上收集電子可能會導(dǎo)致飽和。在這種情形中，根據(jù)使用環(huán)境適當(dāng)?shù)乜刂茖忪`敏度控制電極21的電壓施加。在信號處理部分3中，使用每個像素I3X的與每個相位區(qū)相對應(yīng)的接收光輸出來確定上述相位差。就是說，可以獲得這樣的距離圖像在該圖像中，每個像素I^x的像素值給出了距離。順便提及，根據(jù)上述原理來測量距離，理想的情況是光電檢測器1只檢測從發(fā)光源2投射到目標(biāo)空間的信號光。在這種情形中，由于信號光的接收光量增加，所以距離的測量準(zhǔn)確度變得更高。然而，在大多數(shù)情形中，環(huán)境光也入射到光電檢測器1上。當(dāng)環(huán)境光和信號光的總光量超過了光電檢測器1的光電轉(zhuǎn)換能力的上限時，電荷的產(chǎn)生量飽和，使得測量準(zhǔn)確度劣化。所以，為了在無論怎樣的使用環(huán)境中都能提高光電檢測器的操作可靠性， 期望防止光電檢測器1的飽和，并增加與信號光相對應(yīng)的電荷量。如上所述，本發(fā)明的光電檢測器1具有去除與環(huán)境光相對應(yīng)的不期望的電荷的能力，其中，所述不期望的電荷的量根據(jù)勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4中的電荷量來確定。就是說，當(dāng)只根據(jù)環(huán)境光的接收光量來確定勢壘電極M之下形成的勢壘的高度時，能夠由電荷分離部分D2來分離出與環(huán)境光相對應(yīng)的不期望的電荷。于是，只與信號光的接收光量相對應(yīng)的有效電子(這些電子積聚在電荷積聚部分D3中)和與信號光和環(huán)境光兩者的接收光量相對應(yīng)的電子(這些電子由光電轉(zhuǎn)換部分Dl產(chǎn)生)的比率就可以增加。另外，由于經(jīng)由作為電荷去除部分的溢出漏區(qū)15去除了不期望的電荷，所以，可以防止在電荷積聚部分D3中積聚的電子飽和。由于上述原因，在本實(shí)施例中，從發(fā)光源2間歇地在目標(biāo)空間中投射強(qiáng)度調(diào)制光， 使得向目標(biāo)空間投射強(qiáng)度調(diào)制光的發(fā)光周期和發(fā)光源不投射光的休息周期交替重復(fù)。通過將由光電轉(zhuǎn)換部分Dl在休息周期中產(chǎn)生的電子提供給勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4，勢壘的高度被與對應(yīng)于環(huán)境光的不期望的電荷(即，電子)的量相關(guān)聯(lián)。另一方面，在發(fā)光周期中，由于在勢壘電極M之下形成了具有根據(jù)在休息周期中獲得的接收光量而確定的高度的勢壘，所以通過電荷分離部分D2從發(fā)光周期中所產(chǎn)生的電子中分離出與環(huán)境光相對應(yīng)的不期望的電子，且剩余的電子(即，有效電子)越過勢壘流入電荷積聚部分D3中，然后積聚在其中。所以，即使當(dāng)環(huán)境光發(fā)生漲落并且所述不期望的電荷的量實(shí)質(zhì)上隨著環(huán)境光的接收光量變化時，可以在電荷積聚部分D3中穩(wěn)定地積聚與信號光相對應(yīng)的足夠量的有效電荷。簡言之，通過從由光電轉(zhuǎn)換部分Dl在發(fā)光周期中產(chǎn)生的電荷中分離不期望的電荷，可以提高信噪比。如上所述，當(dāng)由光電轉(zhuǎn)換部分Dl在調(diào)制信號的一個周期內(nèi)所產(chǎn)生的電子的量小時，可以由光電轉(zhuǎn)換部分Dl在調(diào)制信號的多個周期上收集電子。然而，在光電轉(zhuǎn)換部分Dl中電子可能飽和。在這種情形中，優(yōu)選由電荷分離部分D2多次進(jìn)行分離(量取(weigh)) 不期望的電荷的操作，以在電荷積聚部分D3中積聚足夠量的有效電荷。然后，取出在電荷積聚部分D3中經(jīng)所述多次積聚到的有效電子，作為接收光輸出。在電荷積聚部分D3中積聚的電子與通過從由光電轉(zhuǎn)換部分Dl產(chǎn)生的電子中去掉不期望的電子而獲得的電子相對應(yīng)。所以，與直接在電荷積聚部分D3中積聚由光電轉(zhuǎn)換部分Dl產(chǎn)生的電子的情形相比，可以大大地減少飽和的發(fā)生。另外，由于S/N比(信噪比) 被提高了，所以，能夠提高距離的測量準(zhǔn)確度。在控制部分4中，當(dāng)電子流入電荷積聚部分D3之后，從電荷分離部分D2中經(jīng)由溢出漏區(qū)15去除不期望的電荷。每次將電子移動到電荷積聚部分D3時就進(jìn)行該操作。另外，當(dāng)需要刷新勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4中的電荷量時，對重置柵極觀施加合適的電壓，以從電荷保持阱14中經(jīng)由重置漏區(qū)去除電荷。從電荷保持阱14中去除電荷的定時可以根據(jù)使用環(huán)境(諸如環(huán)境光的漲落定時)來適當(dāng)?shù)卮_定?？蛇x擇地，可以在每次取出接收光輸出時進(jìn)行從電荷保持阱14中去除電荷的操作。就是說，對距離圖像的每一幀可以調(diào)節(jié)勢壘的尚度。如上所述，每次將電荷移動到電荷積聚部分D3中時就去除不期望的電荷。另外， 當(dāng)將由光電轉(zhuǎn)換部分Dl在休息周期中產(chǎn)生的電子從電荷分離部分D2提供到勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4中時，有可能有一部分電子留在電荷分離部分D2中。所以，優(yōu)選在發(fā)光周期之前經(jīng)由溢出漏區(qū)15去除掉電荷分離部分D2中的電子。第二實(shí)施例第二實(shí)施例的光電檢測器的特征在于溢出漏區(qū)15( 即，電荷去除部分)具有在接收的光量過度增加時去除由光電轉(zhuǎn)換部分Dl產(chǎn)生的過度電荷的功能，以及去除由電荷分離部分D2分離出的不期望的電荷的功能。當(dāng)不去除過度電荷時，可能發(fā)生過度電荷向另一個像素I3X的泄漏，即所謂的圖像浮散現(xiàn)象(blooming phenomenon) 。順便提及，當(dāng)形成溢出漏區(qū)15時，如在第一實(shí)施例的情形中那樣，有可能在從電荷分離部分D2中去除不期望的電荷時從光電轉(zhuǎn)換部分Dl中丟失過度電荷之外的電荷。例如，當(dāng)在通過控制施加到靈敏度控制電極21的電壓收集光電轉(zhuǎn)換部分Dl中的電荷的周期中去除不期望的電荷時，有可能在光電轉(zhuǎn)換部分Dl中收集的電荷量與接收的光量之間存在不匹配，從而不能準(zhǔn)確地獲得接收光輸出。在本實(shí)施例中，如圖9所示，在與電荷分離部分D2隔開的位置處形成用于去除光電轉(zhuǎn)換部分Dl中的過度電荷的第一溢出漏區(qū)15a，作為與靈敏度控制電極21鄰近的第一電荷去除部分，且在靠近電荷分離部分D2的位置處形成用于去除電荷分離部分D2中的不期望的電荷的第二溢出漏區(qū)15b，作為與靈敏度控制電極21鄰近的第二電荷去除部分。另外，第一漏極50a(諸如接觸墊)位于第一溢出漏區(qū)15a的各相對端部，且第二漏極50b (諸如接觸墊)位于第二溢出漏區(qū)15b的各相對端部。如在第一實(shí)施例的情形中那樣，第一漏極50a以流排連線方式電氣連接到鄰近像素的第一溢出漏區(qū)的第一漏極(未示出)。相似地，第二漏極50b以流排連線方式電氣連接到鄰近像素的第二溢出漏區(qū)的第二漏極(未示出)。在這種情形中，可以獨(dú)立于去除不期望的電荷的定時來確定去除過度電荷的定時，并且控制每個溢出漏區(qū)(15a、15b)的電勢。其它的結(jié)構(gòu)和操作與第一實(shí)施例中的相同，所以省略了重復(fù)的說明。第三實(shí)施例第三實(shí)施例的光電檢測器的特征在于形成狹長區(qū)(slit region)對32，以便橫跨在阱12中的勢壘電極M和相鄰的分離電極22之間，如圖10所示。另外，各狹長區(qū)32在水平方向Dh上彼此隔開。就是說，狹長區(qū)32中的一個狹長區(qū)形成在勢壘電極M和相鄰的分離電極22的一端附近，而另一個狹長區(qū)32形成在勢壘電極M和相鄰的分離電極22的相對端的附近。例如，通過離子注入使每個狹長區(qū)32形成摻雜濃度比η型阱12的摻雜濃度要高的η+導(dǎo)電類型。當(dāng)沒有形成狹長區(qū)32時，在阱12的邊界部分電勢逐漸變化。換言之，阱12的邊界部分具有電勢的逐漸上升沿，如圖IlB所示。另一方面，當(dāng)如上所述形成狹長區(qū)32時， 在阱12的邊界部分電勢快速變化。換言之，阱12的邊界部分具有電視的快速上升沿，如圖IlA所示。所以，在勢壘電極M之下形成的勢壘的邊界部分也變得具有電勢的快速上升沿。于是，可以減少從電荷分離部分D2到電荷積聚部分D3的不期望的電荷泄漏。簡言之， 通過緩解施加到勢壘電極M的電壓和由電荷分離部分D2分離出的不期望的電荷的量之間的非線性關(guān)系(即，勢壘的體積相對于施加到勢壘電極M的電壓具有三次特性(tertiary characteristic))，可以在勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4的電荷量和不期望的電荷量之間獲得實(shí)質(zhì)上成比例的關(guān)系。本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)在第一實(shí)施例中也是可用的。其它的結(jié)構(gòu)和操作與第二實(shí)施例中的相同，所以就省略了重復(fù)的說明。第四實(shí)施例第四實(shí)施例的光電檢測器的特征在于在電荷保持阱14之下的位置處在阱12中形成P型勢壘層33，如圖12所示。通過形成勢壘層33，可以防止由光的照射而在襯底10 或器件形成層11的深處部分產(chǎn)生的電荷移動到電荷保持阱14中。就是說，由于從電荷分離部分D2之外的區(qū)域提供的噪聲電荷沒有混入勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4的電荷保持阱14中， 所以，能夠根據(jù)從電荷分離部分D2提供的電荷量在勢壘電極M之下準(zhǔn)確地形成勢壘。另外，在本實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)移柵極四之下靠近電荷保持阱14的位置處的阱12中形成比阱12具有更高的摻雜濃度的η+型電勢調(diào)節(jié)部分34?？梢酝ㄟ^離子注入等來形成該電勢調(diào)節(jié)部分34。對于電子來說，電勢調(diào)節(jié)部分34比阱12具有更低的電勢。所以，當(dāng)通過對轉(zhuǎn)移柵極四施加合適的電壓而在電荷分離部分D2和勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4之間形成溝道時，在便于電子從電荷分離部分D2朝勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4移動的方向上形成電勢梯度。借助于電勢梯度，電子能夠被高效地從電荷分離部分D2提供到勢壘高度調(diào)節(jié)部分D4中。當(dāng)沒有形成電勢調(diào)節(jié)部分34時，在轉(zhuǎn)移柵極四和電荷保持阱14之間的區(qū)域處會出現(xiàn)示出電勢的升高的凸起Μ1，如圖1 所示。相反，通過適當(dāng)?shù)匦纬呻妱菡{(diào)節(jié)部分；34，能夠防止凸起Ml的出現(xiàn)，如圖13A所示。本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)在第一實(shí)施例中也是可用的。其它的結(jié)構(gòu)和操作與第二實(shí)施例中的相同，所以省略重復(fù)的說明。第五實(shí)施例第五實(shí)施例的光電檢測器的特征在于在阱12的總體表面上、在勢壘電極M和積聚電極23之間形成緩沖電極35，如圖14所示。對緩沖電極35施加恒定的電壓，使得對于電子來說，緩沖電極35之下的區(qū)域比勢壘電極M之下的區(qū)域具有較低的電勢，并且對于電子來說，比積聚電極23之下的區(qū)域具有較高的電勢。在沒有形成緩沖電極35的情形中，當(dāng)電子被積聚在電荷積聚部分D3 ( S卩，積聚電極23之下的區(qū)域)中時，在勢壘電極M之下形成的勢壘Bl的高度可以依據(jù)電子的積聚量變化。例如，當(dāng)電子的積聚量增加時，勢壘Bl的高度會變得更高，如圖15B中的點(diǎn)線所示。 在這種情形中，有可能由電荷分離部分D2分離出的不期望的電荷的量會依據(jù)電荷積聚部分D3中所積聚的電荷量而漲落。另一方面，在本實(shí)施例中，如上所述，當(dāng)形成緩沖電極、并控制施加到緩沖電極35 的電壓時，可以減小因電荷積聚部分D3中電子積聚量的漲落而導(dǎo)致的勢壘Bl的高度的變化，如圖15A所示。于是，利用勢壘Bl能夠穩(wěn)定地量取(weigh)并分離出不期望的電荷，并能夠在電荷積聚部分D3中準(zhǔn)確地積聚有效電荷。本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)在第一實(shí)施例中也是可用的。其它的結(jié)構(gòu)和操作與第二實(shí)施例中的相同，所以省略重復(fù)的說明。在上述這些實(shí)施例中，說明了這樣的情形其中，考慮到光電轉(zhuǎn)換部分與電荷去除部分之間的位置關(guān)系，由光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生以調(diào)節(jié)勢壘高度的電荷被經(jīng)由電荷分離部分間接地提供到勢壘高度調(diào)節(jié)部分中?？蛇x擇地，也可以使用將電荷直接從光電轉(zhuǎn)換部分提供到勢壘高度調(diào)節(jié)部分的另一種布置。在上述實(shí)施例中，通過調(diào)節(jié)勢壘電極M之下形成的勢壘的高度來確定不期望的電荷的量?？蛇x擇地，通過改變分離電極22之下形成的電荷分離部分D2的電勢能夠控制不期望的電荷的量。工業(yè)實(shí)用性根據(jù)上面的實(shí)施例可以理解，根據(jù)本發(fā)明，由于根據(jù)從光電轉(zhuǎn)換部分優(yōu)選經(jīng)由電荷分離部分提供到勢壘高度調(diào)節(jié)部分中的電荷量來確定勢壘的高度，所以，可以適當(dāng)?shù)乜刂埔罁?jù)環(huán)境光提交而分離的不期望的電荷的量。另外，由于能夠由電荷去除部分在合適的定時從電荷分離部分去除不期望的電荷，所以，可以可靠地執(zhí)行由電荷分離部分從在光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電荷中去除不期望的電荷的操作。因此，本發(fā)明的光電檢測器具有穩(wěn)定地獲得輸入信號的寬動態(tài)范圍的能力。此外，當(dāng)本發(fā)明的光電檢測器被用在空間信息檢測設(shè)備中時，即使是在環(huán)境光隨時間發(fā)生漲落的情形中，也能從目標(biāo)空間準(zhǔn)確地檢測空間信息。所以，本發(fā)明的光電檢測器以及使用該光電檢測器的空間信息檢測設(shè)備有望被用于諸如犯罪防止系統(tǒng)和工業(yè)自動化系統(tǒng)的各種應(yīng)用領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種光電檢測器，包括 半導(dǎo)體襯底；光電轉(zhuǎn)換部分，其形成在所述半導(dǎo)體襯底中，以產(chǎn)生與接收的光量相對應(yīng)的電荷； 電荷分離部分，其具有形成在所述半導(dǎo)體襯底的總體表面上的分離電極； 電荷積聚部分，其具有形成在所述半導(dǎo)體襯底的總體表面上的積聚電極； 勢壘電極，其形成在所述分離電極和所述積聚電極之間所述半導(dǎo)體襯底的總體表面上；勢壘高度調(diào)節(jié)部分，其電氣連接到所述勢壘電極；以及電荷去除部分；其中，所述電荷分離部分被配置為通過使用勢壘從由所述光電轉(zhuǎn)換部分產(chǎn)生的電荷中分離不期望的電荷，通過對所述勢壘電極施加電壓，所述勢壘形成在所述勢壘電極之下的所述半導(dǎo)體襯底中；所述勢壘高度調(diào)節(jié)部分根據(jù)從所述光電轉(zhuǎn)換部分提供的電荷量來確定施加到所述勢壘電極的電壓，以調(diào)節(jié)所述勢壘的高度；所述電荷積聚部分被配置為積聚有效電荷，所述有效電荷是從所述電荷分離部分越過所述勢壘流入所述電荷積聚部分的電荷；所述電荷去除部分被配置為去除由所述電荷分離部分分離的所述不期望的電荷，以及積聚在所述電荷積聚部分中的有效電荷被提供為所述光電檢測器的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電檢測器，其中，所述勢壘高度調(diào)節(jié)部分根據(jù)從所述光電轉(zhuǎn)換部分經(jīng)由所述電荷分離部分提供的電荷量來確定施加到所述勢壘電極的電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電檢測器，其中，所述光電轉(zhuǎn)換部分包括形成在所述半導(dǎo)體襯底的總體表面上的多個靈敏度控制電極，并且通過控制對所述靈敏度控制電極中的每一個施加的電壓，具有期望孔面積的勢阱形成在所述半導(dǎo)體襯底中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電檢測器，其中，所述電荷去除部分的位置鄰近于所述光電轉(zhuǎn)換部分和所述電荷分離部分，以去除來自所述光電轉(zhuǎn)換部分的過度電荷以及來自所述電荷分離部分的不期望的電荷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光電檢測器，其中，所述電荷去除部分包括被配置為去除過度電荷的第一電荷去除部分和被配置為去除不期望的電荷的第二電荷去除部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光電檢測器，其中，對所述電荷去除部分進(jìn)行控制，使得經(jīng)由所述第一電荷去除部分去除來自所述光電轉(zhuǎn)換部分的所述過度電荷的定時與經(jīng)由所述第二電荷去除部分去除來自所述電荷分離部分的所述不期望的電荷的定時不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電檢測器，其中，在所述半導(dǎo)體襯底上形成多個像素，每一個像素包括所述光電轉(zhuǎn)換部分、所述電荷分離部分、所述電荷積聚部分、所述勢壘高度調(diào)節(jié)部分和所述勢壘電極。
全文摘要
提供了一種能夠改進(jìn)輸入信號動態(tài)范圍的光電檢測器。這種光電檢測器包括光電轉(zhuǎn)換部分(D1)、電荷分離部分(D2)、電荷積聚部分(D3)、形成在電荷分離部分(D2)和電荷積聚部分(D3)之間的勢壘電極(24)、以及電氣連接到勢壘電極(24)的勢壘高度調(diào)節(jié)部分(D4)。諸如當(dāng)環(huán)境光入射在光電轉(zhuǎn)換部分(D1)上時產(chǎn)生的不期望的電荷被電荷分離部分(D2)去除。通過根據(jù)從電荷分離部分(D2)提供到勢壘高度調(diào)節(jié)部分(D4)的電荷量對勢壘電極(24)施加電壓，在勢壘電極(24)之下形成具有合適高度的勢壘。從電荷分離部分(D2)越過勢壘流入電荷積聚部分(D3)的電荷被提供為光電檢測器的輸出。
文檔編號H01L27/148GK102157539SQ20111003827
公開日2011年8月17日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者今井憲次, 常定扶美, 橋本裕介, 高田裕司 申請人:松下電工株式會社