[发明专利]一种高解调效率的像素结构

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种高解调效率的像素结构。

背景技术

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《The Effect of Pinned Photodiode Shape onTime-of-Flight Demodulation Contrast，IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.64,NO.5,MAY 2017》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,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。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的高解调效率的像素结构。

本发明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。