具有相位敏感像素的图像传感器制造技术

成像装置(100，200)包括被配置为将入射光子转换为电荷载流子的感光介质(302)。偏压电极(304)覆盖该感光介质并向该感光介质施加偏压电势。一个或多个像素电路(306)形成在半导体基板上。每个像素电路限定相应像素(300)并包括第一像素电极和第二像素电极(316，318)，该第一像素电极和第二像素电极(316，318)被耦接以在相应的第一位置和第二位置处从该感光介质收集该电荷载流子，并且第一传输栅极和第二传输栅极(326，328)分别靠近第一像素电极和第二像素电极。电路(700)被耦接以将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到该第一传输栅极和第二传输栅极并改变该第一电势和第二电势，以便控制由该第一电极和第二电极收集的该电荷载流子的相对比例。

Image Sensor with Phase Sensitive Pixels

The imaging device (100, 200) includes a photosensitive medium (302) configured to convert incident photons into electric current carriers. The bias electrode (304) covers the photosensitive medium and applies a bias potential to the photosensitive medium. One or more pixel circuits (306) are formed on a semiconductor substrate. Each pixel circuit defines the corresponding pixel (300) and includes a first pixel electrode and a second pixel electrode (316, 318), which are coupled to collect the charge carrier from the photosensitive medium at the corresponding first and second positions, and the first transmission gate and the second transmission gate (326, 328) are close to the first pixel electrode and the second transmission gate, respectively. Two-pixel electrode. The circuit (700) is coupled to apply different and corresponding first and second potentials to the first and second transmission gates and to change the first and second potentials in order to control the relative proportion of the charge carriers collected by the first and second electrodes.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有相位敏感像素的图像传感器相关申请的交叉引用本申请要求2016年10月24日提交的美国临时专利申请62/411,910的权益，该申请以引用方式并入本文。
本专利技术整体涉及图像感测设备，并且具体地讲，涉及基于膜的图像传感器和使用此类图像传感器进行感测的方法。
技术介绍
在基于膜的图像传感器中，基于硅的开关阵列覆盖有感光膜，诸如含有量子点分散体的膜。这种膜被称为“量子膜”。该开关阵列可与本领域已知的互补金属氧化物夹层(CMOS)图像传感器中所用的那些类似，通过合适的电极耦合至膜，以便读出由于入射光而累积在膜的每个像素中的光电荷。美国专利7,923,801描述了基于此类量子膜的光电设备的材料、系统和方法，其公开内容以引用方式并入本文。
技术实现思路
下文描述的本专利技术的实施方案提供了用于操作具有增强性能的图像传感器的增强图像传感器设计和方法。因此，根据本专利技术的实施方案，提供了成像装置，该成像装置包括感光介质，该感光介质被配置为将入射光子转换成电荷载流子。至少部分地透明的偏压电极覆盖在感光介质上面，并被配置为将偏压电势施加到感光介质。在半导体基板上形成一个或多个像素电路。每个像素电路限定相应像素，并包括第一像素电极和第二像素电极，该第一像素电极和该第二像素电极被耦接以在相应的第一位置和第二位置处从感光介质收集电荷载流子，该第一位置和该第二位置跨像素间隔开，并且第一传输栅极和第二传输栅极分别邻近该第一像素电极和该第二像素电极。电路被耦接以将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到该第一传输栅极和该第二传输栅极并改变该第一电势和该第二电势，以便控制由第一电极和第二电极收集的电荷载流子的相对比例。在一些实施方案中，感光介质包括量子膜。在一个实施方案中，量子膜具有第一电荷迁移率，并且感光介质包括位于该量子膜与第一电极和第二电极之间具有高于第一电荷迁移率的第二电荷迁移率的非导电层。除此之外或另选地，该像素电路包括邻近感光介质位于第一传输栅极和第二传输栅极之间的光栅极(photogate)，并且电路被配置为偏压该光栅极，以便有利于电荷载流子传输至第一像素电极和第二像素电极。在一些实施方案中，像素电路包括读出电路，该读出电路被配置为响应于由第一像素电极和第二像素电极分别收集的电荷载流子来输出第一信号和第二信号。在所公开的实施方案中，该装置还包括照明源和控制电路，该照明源被配置为输出具有指定的脉冲持续时间的辐射的脉冲；该控制电路被配置为与该辐射的脉冲同步地驱动一个或多个像素电路，以将具有指定脉冲持续时间的第一控制脉冲和第二控制脉冲分别顺序地施加到该第一传输栅极和该第二传输栅极，并将响应于第一控制脉冲和第二控制脉冲而输出的所述第一信号和第二信号进行比较，以便估计所述辐射的飞行时间。在典型应用中，一个或多个像素电路限定以阵列中的行和列布置的多个像素，并且控制电路被配置为在阵列上施加所估计的飞行时间，以便构造由照明源照射的对象的深度图。根据本专利技术的实施方案，还提供了成像装置，该成像装置包括照明源，该照明源被配置为输出调制辐射，以及图像传感器，该图像传感器包括被配置为将入射光子转换为电荷载流子的感光介质以及至少一个偏压电极，该至少一个偏压电极是至少部分地透明的并覆盖该感光介质。在半导体基板上形成像素电路阵列。每个像素电路限定相应像素，并包括像素电极和读出电路，该像素电极被耦接以从感光介质收集电荷载流子，该读出电路被配置为响应于由像素电极收集的电荷载流子而输出信号。控制电路被耦接以向至少一个偏压电极施加电势，该电势与调制辐射同步调制，并使该至少一个偏压电极和该至少一个像素电极之间的电压在正值和负值之间周期性地变化。在一些实施方案中，读出电路被配置为响应于由至少一个像素电极在调制电势的一个或多个完整周期上累积的电荷载流子来在每个图像帧序列中生成信号。在所公开的实施方案中，控制电路被配置为以相同的调制图案来驱动照明源和至少一个偏压电极两者。在一个实施方案中，至少一个偏压电极包括第一偏压电极和第二偏压电极，该第一偏压电极和该第二偏压电极覆盖感光介质的不同的、相应的第一区域和第二区域，其中该控制电路被配置为将具有不同的、相应的第一相位和第二相位(例如相隔180°)的调制图案施加到第一偏压电极和第二偏压电极，并且其中像素电路至少包括第一像素电路和第二像素电路，该第一像素电路和第二像素电路被配置为从感光介质的第一区域和第二区域收集电荷载流子。在所公开的实施方案中，该控制电路被配置为将由第一像素电路和第二像素电路输出的信号进行比较，以便估计辐射的飞行时间。根据本专利技术的实施方案，还提供了一种用于成像的方法，该方法包括在感光介质上覆盖至少部分地透明的偏压电极，该感光介质被配置为将入射光子转换成电荷载流子。将一个或多个像素电路耦接到感光介质。每个像素电路限定相应像素，并包括第一像素电极和第二像素电极，该第一像素电极和该第二像素电极被配置为在相应的第一位置和第二位置处从感光介质收集电荷载流子，该第一位置和该第二位置跨像素间隔开，并且第一传输栅极和第二传输栅极分别邻近第一像素电极和第二像素电极。将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到第一传输栅极和第二传输栅极并改变第一电势和第二电势，以便控制由第一电极和第二电极收集的电荷载流子的相对比例。根据本专利技术的实施方案，还提供了一种成像方法，该方法包括驱动照明源来输出调制辐射并使用图像传感器来感测辐射，该图像传感器包括被配置为将入射光子转换成电荷载流子的感光介质、覆盖在该感光介质上的至少部分地透明的至少一个偏压电极、以及像素电路阵列，每个像素电路限定相应像素，该像素电路被耦接以从感光介质收集电荷载流子并响应于收集的电荷载流子来输出信号。将与调制辐射同步调制的电势施加到至少一个偏压电极，并且使该至少一个偏压电极和该至少一个像素电极之间的电压在正值和负值之间周期性地变化。结合附图，从下文中对本专利技术的实施方案的详细描述将更全面地理解本专利技术，在附图中：附图说明图1是根据本专利技术的实施方案的能够操作性的相机模块的示意性侧视图；图2是根据本专利技术的实施方案的使用有源照明的成像系统的示意性俯视图；图3是根据本专利技术的实施方案的具有双感测节点的像素的示意性截面视图；图4是根据本专利技术的实施方案的电带图，其示意性地示出了沿图3中的线A-A的电势分布；图5是根据本专利技术的实施方案的示意性地示出了在两个操作阶段期间沿着图3中的线B-B的电势分布的图；图6是根据本专利技术的实施方案的时序图，其示意性地示出了在飞行时间成像系统中施加和在飞行时间成像系统中接收的信号；图7是根据本专利技术的实施方案的示出像素控制和读出电路的电路示意图；图8是根据本专利技术的实施方案的时序图，其示意性示出了施加到图7的电路中并在图7的电路中接收的信号；图9是根据本专利技术的另一实施方案的电路示意图，其示出了使用有源照明的成像系统的元件；图10是根据本专利技术的实施方案的示意图，其示意性示出了在图9的系统中施加和生成的波形；图11是根据本专利技术的又一实施方案的电路示意图，其示出了使用有源照明的成像系统的元件；并且图12是根据本专利技术的实施方案的示意图，其示意性示出了在图11的系统中施加和生成的波形。具体实施方式系统概述本文所述的图像传感器可用于任何合适的成像设备中，诸如照相机、光谱仪、光传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种成像装置，包括：感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电荷载流子；偏压电极，所述偏压电极是至少部分地透明的并覆在所述感光介质上面，并被配置为将偏压电势施加到所述感光介质；和一个或多个像素电路，所述一个或多个像素电路形成在半导体基板上，每个像素电路限定相应像素并包括：第一像素电极和第二像素电极，所述第一像素电极和所述第二像素电极被耦接以在相应的第一位置和第二位置处从所述感光介质收集所述电荷载流子，所述第一位置和第二位置跨所述像素间隔开；第一传输栅极和第二传输栅极，所述第一传输栅极和所述第二传输栅极分别邻近所述第一像素电极和所述第二像素电极；和电路，所述电路被耦接以将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到所述第一传输栅极和所述第二传输栅极并改变所述第一电势和所述第二电势，以便控制由所述第一电极和所述第二电极收集的所述电荷载流子的相对比例。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.24 US 62/411,9101.一种成像装置，包括：感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电荷载流子；偏压电极，所述偏压电极是至少部分地透明的并覆在所述感光介质上面，并被配置为将偏压电势施加到所述感光介质；和一个或多个像素电路，所述一个或多个像素电路形成在半导体基板上，每个像素电路限定相应像素并包括：第一像素电极和第二像素电极，所述第一像素电极和所述第二像素电极被耦接以在相应的第一位置和第二位置处从所述感光介质收集所述电荷载流子，所述第一位置和第二位置跨所述像素间隔开；第一传输栅极和第二传输栅极，所述第一传输栅极和所述第二传输栅极分别邻近所述第一像素电极和所述第二像素电极；和电路，所述电路被耦接以将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到所述第一传输栅极和所述第二传输栅极并改变所述第一电势和所述第二电势，以便控制由所述第一电极和所述第二电极收集的所述电荷载流子的相对比例。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述感光介质包括量子膜。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述量子膜具有第一电荷迁移率，并且其中所述感光介质在所述量子膜与所述第一电极和所述第二电极之间包括非导电层，所述非导电层具有高于所述第一电荷迁移率的第二电荷迁移率。4.根据权利要求1所述的装置，其中所述像素电路在所述第一传输栅极和所述第二传输栅极之间包括光栅极，所述光栅极邻近所述感光介质，并且其中所述电路被配置为对所述光栅极施加偏压，以便有利于将所述电荷载流子传输至所述第一像素电极和所述第二像素电极。5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中所述像素电路包括读出电路，所述读出电路被配置为响应于由所述第一像素电极和所述第二像素电极分别收集的电荷载流子来输出第一信号和第二信号。6.根据权利要求5所述的装置，还包括：照明源，所述照明源被配置为输出具有指定脉冲持续时间的辐射的脉冲；和控制电路，所述控制电路被配置为与所述辐射的所述脉冲同步地驱动所述一个或多个像素电路，以将具有所述指定脉冲持续时间的第一控制脉冲和第二控制脉冲分别顺序地施加到所述第一传输栅极和所述第二传输栅极，并将响应于所述第一控制脉冲和所述第二控制脉冲而输出的所述第一信号和所述第二信号进行比较，以便估计所述辐射的飞行时间。7.根据权利要求6所述的装置，其中所述一个或多个像素电路限定以阵列的行和列布置的多个像素，并且其中所述控制电路被配置为在所述阵列上施加所估计的飞行时间以便构造由所述照明源照射的对象的深度图。8.一种成像装置，包括：照明源，所述照明源被配置为输出调制辐射；和图像传感器，所述图像传感器包括：感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电荷载流子；至少一个偏压电极，所述至少一个偏压电极是至少部分地透明的并覆在所述感光介质上；和像素电路的阵列，所述像素电路的阵列形成在半导体基板上，每个像素电路限定相应像素并包括像素电极和读出电路，所述像素电极被耦接以从所述感光介质收集所述电荷载流子，所述读出电路被配置为响应于由所述像素电极收集的所述电荷载流子而输出信号；和控制电路，所述控制电路被耦接以向所述至少一个偏压电极施加电势，所述电势与所述调制辐射同步调制并使所述至少一个偏压电极和所述至少一个像素电极之间的电压在正值和负值之间周期性地变化。9.根据权利要求8所述的装置，其中所述读出电路被配置为在图像帧序列中的每个图像帧中响应于由至少一个像素电极在所述调...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·派坦特亚斯亚伯拉罕，N·E·伯克，E·曼德利，
申请(专利权)人：因维萨热技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US