TOF图像传感器像素结构及测距系统的制作方法

tof图像传感器像素结构及测距系统
技术领域
1.本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种tof图像传感器像素结构及测距系统。


背景技术：

2.图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，根据元件的不同，图像传感器可以分为ccd(charge coupled device，电荷耦合元件)图像传感器和cmos(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器两大类。而由于cmos图像传感器具有功耗、成本低、易于标准化生产等优点，在各个领域得到了广泛应用。
3.随着三维成像信息技术的迅速发展，特别是建筑测量、室内定位和导航、立体影像和辅助生活环境应用对飞行时间(time-of-flight，tof)成像提出了迫切需求，应用于飞行时间成像系统的cmos图像传感器像素结构也得了快速的发展。tof图像传感器可以分为dtof图像传感器和itof图像传感器。其中，dtof图像传感器，直接测量飞行时间，即测量发射光脉冲与接收光脉冲的时间间隔。其中，itof图像传感器，间接测量飞行时间，通常采用一种测相位偏移的方法，即测量发射正弦波/方波与接收正弦波/方波之间的相位差。对于所有类型的tof图像传感器而言，测距精度是其一项重要参数，测距精度越高，目标的三维图像探测就越准确。
4.而在tof图像传感器像素中，光电二极管产生的电荷的传输效率，会直接影响测距精度，因此，如何提高光电二极管产生的电荷的传输效率是我们需要考虑的。
5.针对以上问题，本领域技术人员一直在寻求解决方法。
6.前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的缺陷，提供了tof图像传感器像素结构及测距系统，以实现提高光电二极管产生的电荷的传输效率的目的，进而能够提高测距精度。
8.本发明是这样实现的：
9.本发明提供了一种tof图像传感器像素结构，包括光传感器及传输电路。光传感器包括电位逐级递减的第一感光区域、第二感光区域及第三感光区域，用于产生电位差，协助自身产生的电荷流向与第三感光区域连接的传输电路。
10.可选地，光传感器的下端的形状包括一倒梯形，且光传感器的整体形状呈u形。
11.可选地，光传感器为中轴对称结构。第一感光区域位于光传感器的上端，包括至少两个感光部，至少两个感光部以中轴对称设置，且相邻的两个感光部之间设有开口区。第二感光区域和第三感光区域均位于光传感器的下端，且第三感光区域位于下端的底部，其中，第三感光区域的掺杂浓度高于第二感光区域的掺杂浓度。第三感光区域为中轴对称结构。
12.可选地，至少两个感光部的数量为3个，开口区的数量为2个。
13.可选地，开口区为矩形，其宽度范围为0.2-0.8um。
14.可选地，开口区的宽度为0.4um。
15.可选地，光传感器是通过对完整的u形光传感器上端进行图案化处理以形成第一感光区域，以及对完整的u形光传感器下端的底部进行掺杂材料增加处理以形成第三感光区域而得到。
16.可选地，图案化处理包括对完整的u形光传感器上端进行打洞处理以形成填充区，并在填充区内填充p型材料以形开口区。掺杂材料增加处理包括对完整的u形光传感器下端的底部增加n型材料浓度。
17.可选地，开口区的形状包括以下至少一种：矩形或上下一样的形状。倒梯形、倒三角形、倒半圆形或从上到下变小的形状。
18.可选地，光传感器与传输电路构成完整的tof像素电路。完整的tof像素电路包括2t像素电路、3t像素电路、4t像素电路及5t像素电路中的一种。
19.可选地，传输电路中包括第一读取控制模块和第二读取控制模块。第一读取控制模块和第二读取控制模块均与光传感器相连，均用于根据电荷进行读取控制。
20.可选地，第一读取控制模块还包括第一复位晶体管、第一双转换增益控制单元、第一传输晶体管、第一存储电容、第一浮动扩散节点及第一输出单元。其中，第一复位晶体管的第一端连接至电压源，第一复位晶体管的第二端通过第一双转换增益控制单元耦接于第一浮动扩散节点。第一传输晶体管的第一端连接至光传感器的负极，第一传输晶体管的第二端连接第一存储电容和第一浮动扩散节点。第一输出单元连接第一浮动扩散节点。第二读取控制模块还包括第二复位晶体管、第二双转换增益控制单元、第二传输晶体管、第二存储电容、第二浮动扩散节点及第二输出单元。其中，第二复位晶体管的第一端连接至电压源，第二复位晶体管的第二端通过第二双转换增益控制单元耦接于第二浮动扩散节点。第二传输晶体管的第一端连接至光传感器的负极，第二传输晶体管的第二端连接第二存储电容和第二浮动扩散节点。第二输出单元连接第二浮动扩散节点。
21.可选地，第一输出单元包括第一源极跟随晶体管和第一行选择晶体管，第二输出单元包括第二源极跟随晶体管和第二行选择晶体管。第一源极跟随晶体管的第一控制端连接第一浮动扩散节点，第一源极跟随晶体管的第一端连接电压源，第一源极跟随晶体管的第二端通过第一行选择晶体管连接第一数据输出线。第二源极跟随晶体管的第二控制端连接第二浮动扩散节点，第二源极跟随晶体管的第一端连接电压源，第二源极跟随晶体管的第二端通过第二行选择晶体管连接第二数据输出线。
22.可选地，还包括电荷平衡单元。电荷平衡单元与第一读取控制模块的第一浮动扩散节点和第二读取控制模块的第二浮动扩散节点相连，用于在重置后平衡第一浮动扩散节点和第二浮动扩散节点的电荷。
23.可选地，还包括抗溢出晶体管。抗溢出晶体管的第一端耦接至电压源，抗溢出晶体管的第二端连接至光传感器，以用于在调制光未打开时移除光传感器因背景光所产生的电荷。
24.本发明还提供一种测距系统，包括：图像传感器，图像传感器包括多个排成行和列的像素阵列，每个像素包括如上所描述的tof图像传感器像素结构。控制信号处理单元，用于控制系统工作过程并处理像素阵列获取的图像数据。可调制光源，用于接收调制信号后
产生调制光信号，并将接收到的调制信号反馈至像素阵列。
25.本发明提供的tof图像传感器像素结构及测距系统，其中，tof图像传感器像素结构，包括光传感器及传输电路。光传感器包括电位逐级递减的第一感光区域、第二感光区域及第三感光区域，用于产生电位差，协助自身产生的电荷流向与第三感光区域连接的传输电路。因此，本发明通过电位从高到低的第一感光区域、第二感光区域及第三感光区域能够将光传感器产生电荷快速的传输至传输电路，从而能够使得该电荷快速的传输到存储单元(例如存储节点或存储电容)，故而提高了光电二极管产生的电荷的传输效率，进而能够提高测距精度。
26.为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
27.图1是本发明第一实施例提供的tof图像传感器像素结构的第一示意图；
28.图2是本发明第一实施例提供的tof图像传感器像素结构的第二示意图；
29.图3是本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构的示意图；
30.图4是本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构的第一电路示意图；
31.图5是本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构的第二电路示意图；
32.图6是本发明第三实施例提供的测距系统的结构示意图。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.尽管本发明使用第一、第二、第三等术语来描述不同的感光区域、读取控制模块、复位晶体管、输出单元等，但是这些感光区域、读取控制模块、复位晶体管、输出单元等并不受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个感光区域、读取控制模块、复位晶体管、输出单元等与另一个感光区域、读取控制模块、复位晶体管、输出单元等区分开来。除非另有定义，否则本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的意思。
35.下面结合附图对本发明实施例做进一步详述。
36.第一实施例：
37.图1是本发明第一实施例提供的tof图像传感器像素结构的第一示意图。图2是本发明第一实施例提供的tof图像传感器像素结构的第二示意图。为了清楚的描述本发明第一实施例提供的tof图像传感器像素结构，请参见图1和图2。
38.本发明第一实施例提供的tof图像传感器像素结构，包括光传感器及传输电路。
39.在一实施方式中，光传感器可以是用于将可见光转换为电子(或称电荷、光生电荷)的任何感光性结构，例如光电二极管pd、光栅或光导体中的任一者。优选地，本实施例中光传感器可以为光电二极管pd(下文使用光电二极管pd进行描述)。
40.其中，参见图1或图2，光电二极管pd包括电位逐级递减的第一感光区域a1、第二感光区域a2及第三感光区域a3，用于产生电位差，协助自身产生的电荷流向与第三感光区域a3连接的传输电路。
41.在一实施方式中，光电二极管pd包括的电位逐级递减的第一感光区域a1、第二感光区域a2及第三感光区域a3可以通过产生的电位差，形成一个恒定的电场，使光电二极管pd的光生电荷快速的传输到传输电路，从而快速的传输到存储单元(例如存储节点或存储电容)，进而提升测距精度。
42.在一实施方式中，光电二极管pd的下端的形状包括一倒梯形(参见图1或图2，虚线框以下的光电二极管pd的区域为下端)，且光电二极管pd的整体形状呈u形。具体地，上述u形的光电二极管pd相较于传统的矩形光电二极管电荷的流动速度更快，因此也能够提升电荷的传输效率。
43.在一实施方式中，光电二极管pd为中轴z-z’对称结构。第一感光区域a1位于光电二极管pd的上端(参见图1或图2，虚线框内的光电二极管pd的区域为上端)，包括至少两个感光部a101(例如图1中的三个感光部a101，或图2中的两个感光部a101)，至少两个感光部a101以中轴z-z’对称设置，且相邻的两个感光部a101之间设有开口区a102。
44.在一实施方式中，开口区a102的形状可以包括以下至少一种：矩形(例如，参见图1中的a102)或上下一样的形状；倒梯形(例如，参见图2中的a102’)、倒三角形、倒半圆形或从上到下变小的形状。
45.在一实施方式中，所述至少两个感光部a101的数量为3个，所述开口区a102的数量为2个。在一实施方式中，所述开口区a102为矩形，其宽度范围为0.2-0.8um，优选地，所述开口区a102的宽度为0.4um。
46.在一实施方式中，第二感光区域a2(例如，图1或图2虚线框以下除开第三感光区域a3的区域为第二感光区域a2)和第三感光区域a3均位于光电二极管pd的下端，且第三感光区域a3位于下端的底部，其中，第三感光区域a3的掺杂浓度高于第二感光区域a2的掺杂浓度，所述第三感光区域为中轴对称结构。。
47.在一实施方式中，光电二极管pd是通过对完整的u形光传感器上端进行图案化处理以形成第一感光区域a1，以及对完整的u形光传感器下端的底部进行掺杂材料增加处理以形成第三感光区域a3而得到。其中，完整的u形光传感器可以是通过光电二极管pd形成工艺直接形成，也可以是先形成其他形状的光传感器(例如矩形光传感器)后进行图案化处理得到。
48.在一实施方式中，图案化处理可以包括对完整的u形光传感器上端进行打洞处理以形成填充区，并在填充区内填充p型材料以形开口区a102。掺杂材料增加处理包括对完整的u形光传感器下端的底部增加一层n型材料。
49.在一实施方式中，光电二极管pd与传输电路构成完整的tof像素电路。完整的tof像素电路包括2t像素电路、3t像素电路、4t像素电路及5t像素电路中的一种。
50.在一实施方式中，传输电路可以是在衬底上关于光电二极管pd的中轴z-z’对称设置。
51.本发明第一实施例提供的tof图像传感器像素结构，包括光电二极管pd及传输电路。其中，光电二极管pd包括电位逐级递减的第一感光区域a1、第二感光区域a2及第三感光
区域a3，用于产生电位差，协助自身产生的电荷流向与第三感光区域a3连接的传输电路。因此，本发明第一实施例提供的tof图像传感器像素结构通过电位从高到低的第一感光区域a1、第二感光区域a2及第三感光区域a3能够将光电二极管pd产生电荷快速的传输至传输电路，从而能够使得该电荷快速的传输到存储单元(例如存储节点或存储电容)，故而提高了光电二极管pd产生的电荷的传输效率，进而能够提高测距精度。
52.第二实施例：
53.图3是本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构的示意图。图4是本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构的第一电路示意图。图5是本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构的第二电路示意图。为了清楚的描述本发明第一实施例提供的tof图像传感器像素结构，请参见图1、图2、图3、图4及图5。
54.本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构是对第一实施例提供的tof图像传感器像素结构中的传输电路进行举例说明。
55.其中，参见图3、图4或图5，传输电路中包括第一读取控制模块m1和第二读取控制模块m2。第一读取控制模块m1和第二读取控制模块m2均与光电二极管pd相连，均用于根据电荷进行读取控制。
56.参见图3和图4，在一实施方式中，第一读取控制模块m1还包括第一复位晶体管rst1、第一双转换增益控制单元(例如为第一双转换增益控制晶体管dcg1)、第一传输晶体管mix1、第一存储电容c1、第一浮动扩散节点fd1及第一输出单元(例如包括第一源极跟随晶体管sf1和第一行选择晶体管rs1)。其中，第一复位晶体管rst1的第一端连接至电压源vdd，第一复位晶体管rst1的第二端通过第一双转换增益控制单元耦接于第一浮动扩散节点fd1。第一传输晶体管mix1的第一端连接至光电二极管pd的负极，第一传输晶体管mix1的第二端连接第一存储电容c1和第一浮动扩散节点fd1。第一输出单元连接第一浮动扩散节点fd1。
57.在一实施方式中，第一读取控制模块m1中的第一复位晶体管rst1可以用于根据复位控制信号重置第一浮动扩散节点fd1的电压。
58.在一实施方式中，第一读取控制模块m1中的第一双转换增益控制单元可以用于实现增益控制和电荷存储。
59.在一实施方式中，第一读取控制模块m1中的第一双转换增益控制单元可以包括第一双转换增益控制晶体管dcg1和第一双转换增益电容cdcg1，第一双转换增益控制晶体管dcg1耦接于第一复位晶体管rst1的第二端和对应的第一浮动扩散节点fd1之间，第一双转换增益电容cdcg1的第一端耦接于第一双转换增益控制晶体管和第一复位晶体管rst1之间，第一双转换增益电容cdcg1的第二端连接至电压源vdd。
60.在其他实施方式中，第一双转换增益电容cdcg1为第一复位晶体管rst1与第一双转换增益控制晶体管dcg1的连接点对地的寄生电容。
61.在一实施方式中，第一读取控制模块m1中的第一传输晶体管mix1用于将光电二极管pd累计的电荷转移至第一浮动扩散节点fd1。
62.在一实施方式中，第一读取控制模块m1中的第一输出单元用于对第一浮动扩散节点fd1的电压信号进行放大输出。
63.在一实施方式中，第一读取控制模块m1中的第一输出单元可以包括第一源极跟随
晶体管sf1和第一行选择晶体管rs1。第一源极跟随晶体管sf1的第一控制端连接第一浮动扩散节点fd1，第一源极跟随晶体管sf1的第一端连接电压源vdd，第一源极跟随晶体管sf1的第二端通过第一行选择晶体管rs1连接第一数据输出线bl1。
64.参见图3和图4，在一实施方式中，第二读取控制模块m2还包括第二复位晶体管rst2、第二双转换增益控制单元(例如为第二双转换增益控制晶体管dcg2)、第二传输晶体管mix2、第二存储电容c2、第二浮动扩散节点fd2及第二输出单元(例如包括第二源极跟随晶体管sf2和第二行选择晶体管rs2)。其中，第二复位晶体管rst2的第一端连接至电压源vdd，第二复位晶体管rst2的第二端通过第二双转换增益控制单元耦接于第二浮动扩散节点fd2。第二传输晶体管mix2的第一端连接至光电二极管pd的负极，第二传输晶体管mix2的第二端连接第二存储电容c2和第二浮动扩散节点fd2。第二输出单元连接第二浮动扩散节点fd2。
65.在一实施方式中，第二读取控制模块m2中的第二复位晶体管rst2可以用于根据复位控制信号重置第二浮动扩散节点fd2的电压。
66.在一实施方式中，第二读取控制模块m2中的第二双转换增益控制单元可以用于实现增益控制和电荷存储。
67.在一实施方式中，第二读取控制模块m2中的第二双转换增益控制单元可以包括第二双转换增益控制晶体管dcg2和第二双转换增益电容cdcg2，第二双转换增益控制晶体管dcg2耦接于第二复位晶体管rst2的第二端和对应的第二浮动扩散节点fd2之间，第二双转换增益电容cdcg2的第二端耦接于第二双转换增益控制晶体管和第二复位晶体管rst2之间，第二双转换增益电容cdcg2的第二端连接至电压源vdd。
68.在其他实施方式中，第二双转换增益电容cdcg2为第二复位晶体管rst2与第二双转换增益控制晶体管dcg2的连接点对地的寄生电容。
69.在一实施方式中，第二读取控制模块m2中的第二传输晶体管mix2用于将光电二极管pd累计的电荷转移至第二浮动扩散节点fd2。
70.在一实施方式中，第二读取控制单元m2的第二传输晶体管mix2与第一读取控制单元m1的第一传输晶体管mix1在光电二极管pd的曝光过程中交替导通以交替地将光电二极管pd累积的电荷分别转移至第二浮动扩散节点fd2或第一浮动扩散节点fd1。具体地，本实施方式中，通过设置第一读取控制模块m1、第二读取控制模块m2分别与光电二极管pd耦接，并在光电二极管pd的曝光过程中控制第一传输晶体管mix1与第二传输晶体管mix2交替导通以交替地将光电二极管pd累积的电荷转移至对应的浮动扩散节点，通过计算第一读取控制模块m1与第二读取控制模块m2对应的浮动扩散节点积累的有效光信号，可确定光脉冲的飞行时间，从而使得该像素结构可以适用于tof技术的图像传感器。并且由于第一读取控制模块m1和第二读取控制模块m2采用传输晶体管耦接光电二极管pd与对应的浮动扩散节点，通过传输晶体管将光电二极管pd累积的电荷转移至浮动扩散节点，使得该像素结构可以支持滚动曝光模式。
71.在一实施方式中，第二读取控制模块m2的第二传输晶体管mix2与第一读取控制模块m1的第一传输晶体管mix1在光电二极管pd的曝光过程中交替导通的相位相差π。
72.在一实施方式中，第二读取控制模块m2中的第二输出单元用于对第二浮动扩散节点fd2的电压信号进行放大输出。
73.在一实施方式中，第二读取控制模块m2中的第二输出单元包括第二源极跟随晶体管sf2和第二行选择晶体管rs2。第二源极跟随晶体管sf2的第二控制端连接第二浮动扩散节点fd2，第二源极跟随晶体管sf2的第一端连接电压源vdd，第二源极跟随晶体管sf2的第二端通过第二行选择晶体管rs2连接第二数据输出线bl2。
74.在一实施方式中，第二读取控制模块m2和第一读取控制模块m1可以在本实施例提供的tof图像传感器像素结构的衬底中对称设置。
75.参见图3和图4，在一实施方式中，本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构还可以包括电荷平衡单元eq。电荷平衡单元eq与第一读取控制模块的第一浮动扩散节点fd1和第二读取控制模块的第二浮动扩散节点fd2相连，用于在重置后平衡第一浮动扩散节点fd1和第二浮动扩散节点fd2的电荷。
76.在一实施方式中，电荷平衡单元eq可以包括平衡控制晶体管。
77.参见图5，在一实施方式中，本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构还可以包括抗溢出晶体管ab。抗溢出晶体管ab的第一端耦接至电压源vdd，抗溢出晶体管ab的第二端连接至光电二极管pd，以用于在调制光未打开时移除光电二极管pd因背景光所产生的电荷。具体地，在调制光没打的时候，抗溢出晶体管ab打开以将不要的背景光信号消除，避免背景光电荷传输到浮动扩散节点，从而抑制背景光，从而能够提高测距精度。
78.本发明第二实施例提供的tof图像传感器像素结构能够使得该光电二极管pd产生的电荷快速的传输到第一存储电容c1和/或第二存储电容c2，故而提高了光电二极管pd产生的电荷的传输效率，进而能够提高测距精度，此外，还可以设置电荷平衡单元在重置后平衡第一浮动扩散节点fd1和第二浮动扩散节点fd2的电荷，进一步提升测距精度，另外，还可以设置抗溢出晶体管ab抑制背景光，更进一步提高测距精度。
79.第三实施例：
80.图6是本发明第三实施例提供的测距系统的结构示意图。为了清楚的描述本发明第三实施例提供的测距系统，请参见图6。
81.本发明第三实施例提供的测距系统，包括：图像传感器10、控制信号处理单元11和可调制光源12。
82.其中，图像传感器10包括多个排成行和列的像素阵列，每个像素包括如第一实施例和/或第二实施例所描述的tof图像传感器像素结构。
83.其中，控制信号处理单元11用于控制系统工作过程并处理所述像素阵列获取的图像数据。
84.其中，可调制光源12用于接收调制信号后产生调制光信号，并将接收到的调制信号反馈至所述像素阵列。
85.本发明第三实施例提供的测距系统，其中的tof图像传感器像素结构至少包括光电二极管pd中电位逐级递减的第一感光区域a1、第二感光区域a2及第三感光区域a3，用于产生电位差，协助自身产生的电荷流向与第三感光区域a3连接的传输电路。因此，本发明第三实施例提供的测距系统能够使得该光电二极管pd产生的电荷快速的传输到存储单元，提高光电二极管产生的电荷的传输效率，进而能够实现提高测距精度的目的。
86.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
87.需要说明的是，在本文中，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、元件或者装置不仅包括那些要素，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、元件或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品、元件或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本技术不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。
88.应当理解，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。取决于语境，如在此所使用的词语"如果"可以被解释成为"在
……
时"或"当
……
时"或"响应于确定"。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
89.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。