[发明专利]用于图像传感器像素的均匀桥接梯度飞行时间光电二极管

说明书

描述了一种均匀桥接梯度(UBG)飞行时间(ToF)光电二极管块，例如用于与图像传感器像素集成。UBG ToF光电二极管块可以是UBG ToF像素的一部分，并且图像传感器可以包括此类像素的阵列。每个UGB ToF光电传感器块具有用于选择性激活的多个抽头，以及光电二极管区域，用于在产生光载流子时通过该多个抽头完成和快速传输光载流子。光电二极管区域的实施例包括光电二极管限定注入、相对浅的第一桥接注入和相对深的第二桥接注入。桥接注入在多个抽头附近和跨多个抽头提供具有均匀掺杂梯度的横向桥接。

本申请要求于2021年11月16日提交美国专利商标局、申请号为17/527,170、发明名称为“UNIFORM-BRIDGE-GRADIENT TIME-OF-FLIGHT PHOTODIODE FOR IMAGE SENSORPIXEL”的US申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明总体上涉及互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxidesemiconductor， CMOS)图像传感器。更具体地，实施例涉及用于与CMOS图像传感器(CMOSimage sensor， CIS)像素集成的均匀桥接梯度飞行时间(time-of-flight，ToF)光电二极管。

背景技术

许多现代电子应用包括集成数字相机和/或其他数字成像系统，这些均基于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)技术。数字成像系统通常由一个或多个像素阵列实现，每个像素阵列包括一个或多个光电传感器(例如，光电二极管)，或一组多个光电传感器。每个像素或像素组还可以包括支持硬件，例如源极跟随器、选择晶体管和复位晶体管，用于将光电传感器的光学响应转换为相应的电信号以供其他组件使用。

一些数字成像应用包括深度感测特征，例如用于辅助自动对焦和/或三维成像。深度感测可以以各种方式执行，包括利用飞行时间(ToF)技术。通常，诸如红外照明、垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)等的照明器输出光脉冲。照明从场景对象反弹并反射回ToF光电传感器，因此在输出照明和检测反射之间会经过一些往返时间。往返时间是图像传感器组件和场景对象之间的距离和几何关系的函数。因此，输出照明和检测其反射之间的相对时间偏移可以指示照明行进的往返距离，这可以用于计算成像系统和场景对象之间的距离(深度)测量值。

一些现代ToF方法使用所谓的ToF光电二极管。这种ToF光电二极管通常在激活多个输出抽头中的每一个之间快速且周期性地切换。接收到的光子被转换成光载流子(即电子或空穴)，这些光载流子被引导到当时处于激活状态的任何输出抽头。不是在光电二极管本身中收集电荷，而是在每个输出抽头处收集电荷，因为光载流子被选择性地引导到输出抽头。在不同输出抽头处收集的电荷的相对差异可以基于场景对象与成像系统的距离而改变。在理想的ToF光电二极管中，进入器件的光载流子立即在当前激活的输出抽头处以零延迟被收集，从而可以计算在每个输出抽头处收集的相对电荷与场景对象的检测距离之间的准确相关性。然而，在传统ToF光载流子中，这种相关性的准确性往往受到设备非理想性和次优设计的限制。

发明内容

实施例提供了用于实现与数字成像系统集成的均匀桥接梯度(UBG)飞行时间(ToF) 光电二极管的电路、设备和方法。UBG ToF光电二极管块可以是UBG ToF像素的一部分，并且图像传感器可以包括此类像素的阵列。每个UGB ToF光电传感器块具有用于选择性激活的多个抽头，以及设计用于在产生光载流子时通过多个抽头完成和快速传输的一个光电二极管区域。光电二极管区域的实施例包括光电二极管限定注入、相对浅的第一桥接注入和相对深的第二桥接注入。桥接注入在多个抽头附近和跨多个抽头提供具有均匀掺杂梯度的横向桥接。较深的桥接注入可以在抽头附近产生增强的边缘场带，以改善横向和垂直光电荷传输时间。较浅的桥接注入可以具有均匀的桥接临界尺寸，其产生横向场以改善光载流子传输时间，而不会产生可能阻碍光载流子传输的局部势阱。

附图说明