[發明專利]一種高解調效率的像素結構

有效

• 申請號: 201910246974.0
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN109935606B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 汪一飛
• 申請（專利權）人: 汪一飛
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種高解調效率的像素結構，包括P型襯底，P型襯底上表面中部沉積有N型光生電荷收集區，N型光生電荷收集區上沉積有P+鉗位層，所述P+鉗位層的上表面與P型襯底的上表面平齊，所述P+鉗位層上表面左右兩側對稱設有兩個側向電荷引導柵，所述P+鉗位層上表面前端對稱設有兩個電荷轉移柵，所述P型襯底上緊靠電荷轉移柵前端位置處沉積有光生電荷存儲區，所述N型光生電荷收集區的形狀為從前往后寬度和深度逐漸減小。本發明采用N型光生電荷收集區的寬度和深度從前往后逐漸減小的結構，可以最大幅度增大垂直方向上的電勢差，增大電荷轉移速度。

技術領域

本發明涉及一種高解調效率的像素結構。

背景技術

通常PPD鉗位光電二極管被用作于二維圖像傳感器中。在三維圖像傳感器中，當采用間接飛行時間測距法進行距離測量時，普通鉗位光電二極管則面臨著光生電荷轉移速度慢和轉移不完全的問題。在飛行時間法中，光電二極管不僅要實現光電轉換的功能，還需要實現光生電荷解調的功能。此時，普通鉗位光電二極管電荷轉移速度慢的缺陷將會被放大，其典型表現在于光生電荷無法被調制柵及時轉移完全，該時間段內產生的光生電荷未被轉移，則會保留而被另一個調制柵轉移計入下一時間段內產生的光生電荷。該缺陷導致由普通鉗位光電二極管制作的解調像素調制解調頻率一旦工作在高于20MHz的情況下，難以實現50％以上的解調頻率。與之相對應的則會導致距離測量誤差增大。

目前有兩種方法可以提高鉗位光電二極管的電荷轉移效率，第一種：改變光電管的形狀，利用耗盡區寬度的不同造成的豎直方向電勢差的增大來提高電荷轉移速度以及效率。第二種：改變光電管不同區域的摻雜濃度，摻雜濃度的差異也會導致電勢差增大，同樣可以提高電荷轉移速度以及效率。第二種方法需要特殊的工藝進行制造，第一種方法所形成的電勢差也有限。即使采用了以上兩種方法，所制造的解調像素在頻率超過20MHz后，解調效率也會急速下降。其最主要的原因在《The Effect of Pinned Photodiode Shape onTime-of-Flight Demodulation Contrast，IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.64,NO.5,MAY 2017》中進行了分析和解釋。即像素兩邊進行解調的兩個柵無法提供足夠的水平方向的電場，導致光生電荷在水平方向轉移速度慢，即使使用了改進PPD結構，可以快速將電荷轉移至兩個轉移柵之前，但是兩個轉移柵在轉移水平對向電荷的時候速度仍然較慢。

CMOS圖像傳感器工藝中的柵不僅可以用于電荷轉移，也可用于輔助引導電荷流動的目的。在《Seo,Min Woong,et al.4.3A programmable sub-nanosecond time-gated 4-tap lock-in pixel CMOS image sensor for real-time fluorescence lifetimeimaging microscopy.Solid-State Circuits Conference IEEE,2017.》中，基于標準CMOS圖像傳感器工藝將多個柵極施加不同偏壓，以快速引導光生電荷的流動方向，用于熒光生命檢測。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種結構簡單的高解調效率的像素結構。

本發明解決上述問題的技術方案是：一種高解調效率的像素結構，包括P型襯底，P型襯底上表面中部沉積有N型光生電荷收集區，N型光生電荷收集區上沉積有P+鉗位層，所述P+鉗位層的上表面與P型襯底的上表面平齊，所述P+鉗位層上表面左右兩側對稱設有兩個側向電荷引導柵，所述P+鉗位層上表面前端對稱設有兩個電荷轉移柵，所述P型襯底上緊靠電荷轉移柵前端位置處沉積有光生電荷存儲區，所述N型光生電荷收集區的形狀為從前往后寬度和深度逐漸減小。

上述高解調效率的像素結構，所述側向電荷引導柵跨接在N型光生電荷收集區與P型襯底的交界處，側向電荷引導柵與N型光生電荷收集區、P型襯底之間設有二氧化硅層Ⅰ。