一种高解调效率的像素结构制造技术

本发明专利技术公开了一种高解调效率的像素结构，包括P型衬底，P型衬底上表面中部沉积有N型光生电荷收集区，N型光生电荷收集区上沉积有P+钳位层，所述P+钳位层的上表面与P型衬底的上表面平齐，所述P+钳位层上表面左右两侧对称设有两个侧向电荷引导栅，所述P+钳位层上表面前端对称设有两个电荷转移栅，所述P型衬底上紧靠电荷转移栅前端位置处沉积有光生电荷存储区，所述N型光生电荷收集区的形状为从前往后宽度和深度逐渐减小。本发明专利技术采用N型光生电荷收集区的宽度和深度从前往后逐渐减小的结构，可以最大幅度增大垂直方向上的电势差，增大电荷转移速度。

【技术实现步骤摘要】
一种高解调效率的像素结构
本专利技术涉及一种高解调效率的像素结构。
技术介绍
通常PPD钳位光电二极管被用作于二维图像传感器中。在三维图像传感器中，当采用间接飞行时间测距法进行距离测量时，普通钳位光电二极管则面临着光生电荷转移速度慢和转移不完全的问题。在飞行时间法中，光电二极管不仅要实现光电转换的功能，还需要实现光生电荷解调的功能。此时，普通钳位光电二极管电荷转移速度慢的缺陷将会被放大，其典型表现在于光生电荷无法被调制栅及时转移完全，该时间段内产生的光生电荷未被转移，则会保留而被另一个调制栅转移计入下一时间段内产生的光生电荷。该缺陷导致由普通钳位光电二极管制作的解调像素调制解调频率一旦工作在高于20MHz的情况下，难以实现50%以上的解调频率。与之相对应的则会导致距离测量误差增大。目前有两种方法可以提高钳位光电二极管的电荷转移效率，第一种：改变光电管的形状，利用耗尽区宽度的不同造成的竖直方向电势差的增大来提高电荷转移速度以及效率。第二种：改变光电管不同区域的掺杂浓度，掺杂浓度的差异也会导致电势差增大，同样可以提高电荷转移速度以及效率。第二种方法需要特殊的工艺进行制造，第一种方法所形成的电势差也有限。即使采用了以上两种方法，所制造的解调像素在频率超过20MHz后，解调效率也会急速下降。其最主要的原因在《TheEffectofPinnedPhotodiodeShapeonTime-of-FlightDemodulationContrast，IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,VOL.64,NO.5,MAY2017》中进行了分析和解释。即像素两边进行解调的两个栅无法提供足够的水平方向的电场，导致光生电荷在水平方向转移速度慢，即使使用了改进PPD结构，可以快速将电荷转移至两个转移栅之前，但是两个转移栅在转移水平对向电荷的时候速度仍然较慢。CMOS图像传感器工艺中的栅不仅可以用于电荷转移，也可用于辅助引导电荷流动的目的。在《Seo,MinWoong,etal."4.3Aprogrammablesub-nanosecondtime-gated4-taplock-inpixelCMOSimagesensorforreal-timefluorescencelifetimeimagingmicroscopy."Solid-StateCircuitsConferenceIEEE,2017.》中，基于标准CMOS图像传感器工艺将多个栅极施加不同偏压，以快速引导光生电荷的流动方向，用于荧光生命检测。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种结构简单的高解调效率的像素结构。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种高解调效率的像素结构，包括P型衬底，P型衬底上表面中部沉积有N型光生电荷收集区，N型光生电荷收集区上沉积有P+钳位层，所述P+钳位层的上表面与P型衬底的上表面平齐，所述P+钳位层上表面左右两侧对称设有两个侧向电荷引导栅，所述P+钳位层上表面前端对称设有两个电荷转移栅，所述P型衬底上紧靠电荷转移栅前端位置处沉积有光生电荷存储区，所述N型光生电荷收集区的形状为从前往后宽度和深度逐渐减小。上述高解调效率的像素结构，所述侧向电荷引导栅跨接在N型光生电荷收集区与P型衬底的交界处，侧向电荷引导栅与N型光生电荷收集区、P型衬底之间设有二氧化硅层Ⅰ。上述高解调效率的像素结构，所述电荷转移栅跨接在N型光生电荷收集区与P型衬底的交界处，电荷转移栅与N型光生电荷收集区、P型衬底之间设有二氧化硅层Ⅱ。上述高解调效率的像素结构，所述二氧化硅层Ⅱ前部下方与P型衬底接触处设有P型沟道Ⅰ，P型沟道Ⅰ为低掺杂的P区；所述二氧化硅层Ⅱ后部下方与N型光生电荷收集区、P型衬底接触处设有P型沟道Ⅱ，P型沟道Ⅱ为高掺杂的P区。上述高解调效率的像素结构，对称的两个电荷转移栅中，其中一个电荷转移栅施加有与主动光源相同相位的方波，另一侧电荷转移栅施加有与主动光源相反相位的方波，且两个侧向电荷引导栅分别施加有与其同侧电荷转移栅同频、同相位、占空比小于主动光源的方波。本专利技术的有益效果在于：1）本专利技术采用N型光生电荷收集区的宽度和深度从前往后逐渐减小的结构，可以最大幅度增大垂直方向上的电势差，增大电荷转移速度。2）本专利技术在P+钳位层左右两侧配合电荷转移栅添加了侧向电荷引导栅，侧向电荷引导栅使得电荷水平转移方向电场强度增大，以致电荷转移速度加快，最后大幅提高高频下解调对比度。3）本专利技术对称的两个电荷转移栅中，其中一个电荷转移栅施加有与主动光源相同相位的方波，另一侧电荷转移栅施加有与主动光源相反相位的方波，且两个侧向电荷引导栅分别施加有与其同侧电荷转移栅同频、同相位、占空比小于主动光源的方波，左右两侧侧向电荷引导栅所施加的栅压时长为对应一侧电荷转移栅所施加栅压的一部分，这可以使得水平方向上的电荷转移至解调过程中对应的那一侧后，电荷不会累积于此，而是迅速被转移栅收集至电荷存储区。附图说明图1为现有钳位光电二极管的结构图。图2为本专利技术的俯视图。图3为本专利技术的左视图。图4为本专利技术的主视图。图5为本专利技术所施加的电压时序图。图6为现有解调像素栅极所施加电压时序图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图2-图4所示，一种高解调效率的像素结构，包括P型衬底101，P型衬底101上表面中部沉积有N型光生电荷收集区102，N型光生电荷收集区102上沉积有P+钳位层103，所述P+钳位层103的上表面与P型衬底101的上表面平齐，所述P+钳位层103上表面左右两侧对称设有两个侧向电荷引导栅104，所述P+钳位层103上表面前端对称设有两个电荷转移栅105，所述P型衬底101上紧靠电荷转移栅前端位置处沉积有N型光生电荷存储区106，一般地，可以通过N型光生电荷收集区电荷转移前后的电位变化来判断两个光生电荷存储区从N型光生电荷收集区所转移来的电荷总量。所述N型光生电荷收集区102的形状为从前往后宽度和深度逐渐减小。图2和图3中显示宽度、深度变化为典型值4个，在具体实施过程中其宽度变化数量可以根据像素大小进行调整，其值可以是2,3,4,5,6......整数个。同样的为了配合N型光生电荷收集区宽度变化的数量，其两侧的侧向电荷引导栅的数量可以根据宽度变化数量进行增加。所述侧向电荷引导栅跨接在N型光生电荷收集区102与P型衬底101的交界处，侧向电荷引导栅104与N型光生电荷收集区102、P型衬底101之间设有二氧化硅层Ⅰ109。N型光生电荷收集区在侧向电荷引导栅方向需要向外延伸和侧向电荷引导栅有部分重叠，以便侧向电荷引导栅上的电势可以传递至N型光生电荷收集区106。所述电荷转移栅105跨接在N型光生电荷收集区与P型衬底的交界处，电荷转移栅与N型光生电荷收集区、P型衬底之间设有二氧化硅层Ⅱ110。所述二氧化硅层Ⅱ前部下方与P型衬底接触处设有P型沟道Ⅰ108，所述二氧化硅层Ⅱ后部下方与N型光生电荷收集区、P型衬底接触处设有P型沟道Ⅱ107，为了消除早期钳位光电二极管沟道的电荷转移势垒，P型沟道Ⅰ108为低掺杂的P区，P型沟道Ⅱ107为高掺杂的P区。对称的两个电荷转移栅中，其中一个电荷转移栅施加有与主动光源相同相位的方波，另一侧电荷转移栅施加有与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高解调效率的像素结构，其特征在于：包括P型衬底，P型衬底上表面中部沉积有N型光生电荷收集区，N型光生电荷收集区上沉积有P+钳位层，所述P+钳位层的上表面与P型衬底的上表面平齐，所述P+钳位层上表面左右两侧对称设有两个侧向电荷引导栅，所述P+钳位层上表面前端对称设有两个电荷转移栅，所述P型衬底上紧靠电荷转移栅前端位置处沉积有光生电荷存储区，所述N型光生电荷收集区的形状为从前往后宽度和深度逐渐减小。

【技术特征摘要】
1.一种高解调效率的像素结构，其特征在于：包括P型衬底，P型衬底上表面中部沉积有N型光生电荷收集区，N型光生电荷收集区上沉积有P+钳位层，所述P+钳位层的上表面与P型衬底的上表面平齐，所述P+钳位层上表面左右两侧对称设有两个侧向电荷引导栅，所述P+钳位层上表面前端对称设有两个电荷转移栅，所述P型衬底上紧靠电荷转移栅前端位置处沉积有光生电荷存储区，所述N型光生电荷收集区的形状为从前往后宽度和深度逐渐减小。2.根据权利要求1所述的高解调效率的像素结构，其特征在于：所述侧向电荷引导栅跨接在N型光生电荷收集区与P型衬底的交界处，侧向电荷引导栅与N型光生电荷收集区、P型衬底之间设有二氧化硅层Ⅰ。3.根据权利要求1所述的高解调效率的像素结构，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪一飞，
申请(专利权)人：汪一飞，
类型：发明
国别省市：湖北,42