一种感测设备(100)，包括：用于发射光的光源(101)；用于检测所发射的光的反射的光传感器(105)；以及对光传感器内的反射光检测进行响应的距离确定电路装置。光传感器包括：光电检测器(115)，具有超过一个电子的光电荷存储容量；以及输出电路(117)，响应于光电检测器内的光检测而以小于一百纳秒的延时生成输出信号。距离确定电路装置(119)响应于光电检测器内的光子检测，基于输出信号的转换来测量经过时间，并且基于经过时间来确定感测设备与产生所发射的光的反射的表面之间的距离。所发射的光的反射的表面之间的距离。所发射的光的反射的表面之间的距离。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有非雪崩光电检测器的高灵敏度深度传感器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2018年07月16日提交的美国临时申请号62/698,805的优先权并且通过引用并入于此。本申请还通过引用并入了美国申请号15/301,267(具有2016年09月30日的35USC 371(c)日期
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现在为美国专利号10,319,776)、15/555,911(具有2017年09月05日的35USC 371(c)日期
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现在为美国专利10,283,539)和62/676,266(2018年05月24日提交)和国际申请号PCT/US17/22607(具有2018年09月15日的国际提交日期)和PCT/US19/34036(具有2019年05月24日的国际提交日期)。
技术介绍
[0003]三维成像器或深度传感器通常通过测量光脉冲(从传感器附近的光源释放)从物体表面反射并且返回以由传感器检测所需的时间，或通过测量用于调制连续光源的载波的反射中的包络衰减(该衰减指示经调制载波的相移)，来确定物体的深度或传感器与物体之间的距离。在基于脉冲的感测系统和基于相位的感测系统中，光传感器必须能够以足够的分辨率感测反射光并且记录其幅度和/或到达时间，以满足应用精确度的要求。例如，旨在以5mm精确度测量距离/深度的基于脉冲的系统中的光传感器，将需要将光脉冲的往返飞行时间解析为在～33皮秒(ps)以内，并且需要具有足够的低光灵敏度来检测弱反射脉冲。
[0004]常规的3D成像器和深度传感器通常采用具有电子雪崩增益的固态光传感器(光电检测器)，诸如单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光子倍增器(SiPM)。尽管雪崩增益光电检测器对单光子快速并且灵敏，但它们具有许多缺点，包括高暗电流(即噪声)、单电子阱容量、低量子效率(QE)、低空间分辨率、低制造产量等。其他更稳健的光电检测器(即，具有更深的光电阱和/或更高的QE、空间分辨率和制造产量)由于不切实际的长读出延时通常被避免。例如，在具有通过光电荷传输到浮动扩散节点而读出(例如，如在常规的四晶体管成像像素中)的钉扎光电二极管(PPD)的传感器中，电荷传输时间独自通常大约为数百纳秒(相当于数百米的距离测量分辨率)，并且因此对于许多深度感测应用而言，是不切实际的延时。
[0005]本文的公开内容涉及可以被部署在三维成像器或深度传感器中的固态光传感器。
附图说明
[0006]在附图的图中，以示例而非限制的方式图示了本文公开的各个实施例，并且其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
[0007]图1图示了具有光源并且具有低延时多光电阱光传感器的深度传感器(或3D传感器)的实施例；
[0008]图2图示了图1中所示的低延时多光电阱光电检测器的实施例；
[0009]图3图示了图2的低延时多阱光电检测器内的示例性检测周期；
[0010]图4图示了可以在图2的低延时多阱光电检测器内的每个检测周期或每几个检测
周期之后执行的光电二极管复位序列；
[0011]图5图示了低延时多光电阱光电检测器的实施例，其具有基于JFET的器件，该器件兼作多阱光电二极管和输出晶体管；
[0012]图6图示了图5的基于JFET的光电检测器内的示例性操作序列；
[0013]图7图示了垂直堆叠在如图5的检测器中的光电二极管之上的p型JFET晶体管的示例性俯视图和截面图；
[0014]图8和图9图示了备选的基于JFET的光电检测器电路；
[0015]图10图示了具有并联放大路径的模拟前端/时间
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数字转换器(AFE/TDC)的实施例，该并联放大路径具有逐步下降的增益，以在相应光子检测计数处触发相应寄存器内的计数锁存操作；以及
[0016]图11图示了备选的AFE/TDC实施例，其中单个放大器级将经放大的光电检测器输出信号输出到具有相应逐步提高的锁存阈值的寄存器的锁存输入。
具体实施方式
[0017]在本文的各个实施例中公开了具有多载流子光电阱深度和亚纳秒读出延时(或不超过几纳秒的延时)的光传感器，以及提供快速和/或确定的信号数字化的模拟前端(AFE)和时间
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数字转换器(TDC)的对应实施例。当被部署在深度传感器或3D传感器中时，多光子灵敏度(即多电子或多空穴阱深度)与低延时读出和改进的AFE/TDC相结合，使得相对于常规的雪崩增益传感器能够显著改善深度感测(更高的灵敏度、更精细的分辨率)。
[0018]图1图示了具有光源101和低延时多光电阱光传感器105的深度传感器(或3D传感器)100的实施例，低延时多光电阱光传感器105即这样一种光传感器，其具有能够存储多个光电载流子的光电阱(与单光电载流子雪崩增益传感器相反)，并且在入射光子撞击出现时立即或在读出脉冲的几纳秒(或小于一纳秒)内，生成指示光电载流子累积(并且因此指示入射光子撞击)的传感器输出。参考详细视图110，例如，光传感器105包括可选的接收光学器件，以将入站(反射)光聚焦到低延时读出(LLR)多阱光电检测器115上，光电检测器115又经由模拟前端(AFE)117将检测信号输出到时间
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数字转换器(TDC)119。TDC输出被提供给深度传感器100内的后端处理逻辑(未具体显示)，该后端处理逻辑最终确定并且输出测量数据。
[0019]图2图示了图1的低延时多光电阱光电检测器的实施例，在该情况中，其具有通过门控沟道(即，通过传输栅极125门控)互连的钉扎光电二极管(PPD)121和钉扎浮动扩散节点(PFD)123。读出控制器140在传输栅极125处断言传输栅极(TG)脉冲，以在PPD和PFD之间形成电荷传输沟道，并且因此将光电二极管中累积的光电荷传输到钉扎浮动扩散节点，以经由源极跟随器晶体管127读出。浮动扩散内的钉扎区域抵消了馈通到浮动扩散节点的TG脉冲，避免了困扰非钉扎浮动扩散结构的相对较长的浮动扩散建立(settle)时间(读出之前的延迟)，并且因此显著减小了TG脉冲断言与建立的输出信号之间的时间。在许多实施例中，例如，TG脉冲断言与输出信号建立(在晶体管127的源极端子处)之间的延迟从几百纳秒减少到小于100纳秒，并且更通常地减少到小于10纳秒或5纳秒或更少(例如3纳秒、2纳秒或1纳秒或甚至亚纳秒的间隔)，从而将光电检测器读出延时减少了两个以上数量级。钉扎光电二极管可以被设计为具有任何可行尺寸的光电阱(多光电载流子存储阱，SW)，并且浮动
扩散节点同样可以被缩放以产生足够高的转换增益(根据PPD和PFD电容的比率)和低输入参考读出噪声以实现光子计数灵敏度。源极跟随器晶体管127因其在源极跟随器电路内的配置而被如此命名，该源极跟随器电路通过在该晶体管的栅极端子(钉扎浮动扩散节点123与其耦合)和源极端子之间的电压跟随动作来实现。更具体地，电流源131建立通过晶体管127的恒定偏置电流，以实现稳态的栅极
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源极电压，该稳态的栅极...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种感测设备，包括：光源，用于发射光；光传感器，用于检测由所述光源发射的所述光的反射，所述光传感器具有光电检测器和输出电路，所述光电检测器具有超过一个电子的光电荷存储容量，所述输出电路用于生成输出信号，所述输出信号响应于在所述光电检测器内对由所述光源发射的所述光的所述反射的光子检测，并且在所述光子检测的100纳秒内在电压水平之间转换；以及电路装置，用于基于响应于所述光子检测的所述输出信号的转换来测量经过时间，并且用于基于所述经过时间，来确定所述感测设备与产生由所述光源发射的所述光的所述反射的表面之间的距离。2.根据权利要求1所述的感测设备，其中用于测量所述经过时间的所述电路装置包括：用于测量所述光从所述光源的发射与响应于所述光子检测的所述输出信号的转换之间的经过时间的电路装置。3.根据权利要求2所述的感测设备，其中用于发射光的所述光源包括发射光脉冲的光源，并且其中用于测量所述经过时间的所述电路装置包括：用于测量所述光脉冲从所述光源的发射与响应于所述光子检测的所述输出信号的转换之间的经过时间的电路装置。4.根据权利要求2所述的感测设备，其中用于测量所述经过时间的所述测量电路装置包括计数器和锁存电路装置，所述计数器响应于时钟信号的转换而随着时间递增或递减计数输出，所述锁存电路装置用于响应于所述输出信号中的电压水平之间的所述转换而锁存所述计数器输出。5.根据权利要求1所述的感测设备，其中用于生成响应于光子检测并且在所述光子检测的100纳秒内在电压水平之间转换的所述输出信号的所述输出电路包括：用于在所述光电检测器的光电二极管内的光子检测的10纳秒内，在电压水平之间转换所述输出信号的电路装置。6.根据权利要求1所述的感测设备，其中所述光电检测器包括：钉扎光电二极管；浮动扩散节点，在其中具有钉扎区域；以及传输栅极，用于使导电沟道能够形成在所述钉扎光电二极管与所述浮动扩散节点之间。7.根据权利要求6所述的感测设备，其中所述输出电路包括金属氧化物半导体(MOS)晶体管和信号输出端子，所述金属氧化物半导体(MOS)晶体管具有耦合到浮动扩散节点的栅极端子，所述信号输出端子用于生成响应于所述浮动扩散节点的电位中的改变而转换的电压，作为在光子检测的100纳秒内在电压水平之间转换的所述输出信号。8.根据权利要求1所述的感测设备，其中所述光电检测器包括具有光电阱的光电二极管，并且其中所述输出电路包括结型场效应晶体管(JFET)，所述结型场效应晶体管具有与所述光电二极管的所述光电阱相邻布置的沟道。9.根据权利要求8所述的感测设备，其中所述JFET包括在半导体衬底的表面处电暴露并且通过导电沟道互连的掺杂的源极区域和漏极区域，并且其中所述光电二极管在导电沟道之下、所述半导体衬底的所述表面下方更深地延伸。10.根据权利要求9所述的感测设备，其中随着光电荷在所述光电二极管的所述光电阱内累积，所述JFET的所述导电沟道的电导率变化。11.根据权利要求8所述的感测设备，其中所述JFET包括在半导体衬底的表面处电暴露
并且通过导电沟道互连的掺杂的源极区域和漏极区域，并且其中所述光电检测器还包括氧化物沟槽，以将所述JFET与所述半导体衬底电隔离。12.根据权利要求1所述的感测设备，其中用于生成所述输出信号的所述输出电路包括：用于生成在由所述光源发射的所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：吉加焦特技术公司，
类型：发明
国别省市：
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