[发明专利]用于对调制电磁波场进行解调的器件和方法

说明书

发明领域

根据独立权利要求的前序部分，本发明涉及对调制电磁波，尤其是频率在光学频谱内的波进行检测和解调的像素器件。

像素器件可在需要与像素上快速采样相耦合的高度光敏像素的所有应用中使用。这些像素特征特别寻求对暂时强度调制的电磁光波进行解调。对于基于飞行时间原理或干涉测量法的非接触距离测量传感器，以及在诸如荧光应用的相位测量生物(化学)应用中，这些像素尤其受人关注。

发明背景

在德国专利DE4440613C1(Spirig，“Vorrichtung und Verfahren zurDetektion eines Strahlungsfeldes”，1996)中，示出了对入射光学正弦调制光信号进行n次采样的解调器件。电荷耦合器件用于检测光信号，以及随后传输光生电荷。速度限制主要由电荷载流子传输期间的慢扩散过程给定。当为了增加灵敏度而将像素设计成具有较大光检测区时，该问题变得尤为重要。

德国专利申请DE19821974A1(Schwarte，“Vorrichtung und verfahren zurErfassung von Phase und Apmlitude elektromagnetischer Wellen”，1999)公开一种光子混合元件。为了获得具有高灵敏度和高速解调设施的像素，提出了条状元件的组合结构，每个元件都具有较短的传输路径。然而，条状结构仍然导致较差的填充因子，因为条间区域并不是光敏的。

在英国专利申请GB2389960A(Seitz，“Four-tap demodulation pixel(四抽头解调像素)”，2003)中，给出了用于具有高灵敏度和高解调速度的大面积解调像素的另一种方法。矩形和大尺寸的高电阻光栅极在半导体衬底中生成漂移场，迫使光生电荷向特定采样节点漂移。在此，由于较大的RC次数而在光栅极上产生的任何采样信号延迟都会降低这种解调像素的性能。特别地，当同时控制许多像素时，很难实现高频率。于是外部电子设备及其对大容量的受限驱动能力就呈现约束因素。

上述所有像素结构的共同之处在于，光生电荷向特定方向的横向传导总是与栅极结构上的推拉信号相关。为了得到更高的灵敏度，光检测区需要扩大。结果是寄生电容增大(必须被切换)或者传输路径更长。两个方面都是不期望的，因为它们将这些器件限制为以高频率使用。如果切换栅极电容增大，则驱动电子部件会给定速度限制。另一方面，较长的传输路径减小器件中光生电荷的速度，从而使高解调频率变为不可能。

新的解调器件克服了在灵敏度与解调速度之间进行折衷的问题。两方面可同时由该像素实现，而不会引入采样信号或填充因子的任何质量损失。相反，该像素带来以下解释的更多优点。

发明概述

本发明的目的是提供一种可用像素结构，就解调入射信号而言，该结构呈现高灵敏度和高速能力，并且诸如在低功耗下操作的能力之类的其它目的可由如第一权利要求所限定的器件解决。较佳地，在从属权利要求中阐述了本发明的优点或替换特征。

半导体衬底中的本发明像素器件适于检测和/或解调入射调制电磁波场。它包括

-检测装置，用于将入射电磁波场转换成流动电荷的电信号

-采样装置，用于在调制周期中以至少两个不同时间间隔对流动电荷的电信号进行采样，以及

-由采样装置采样的电信号的至少两个输出节点

像素器件还有利地包括：包含至少两个输出节点和具有第二传递装置的采样装置的解调装置，安排在检测装置与解调装置之间的接触节点，以及包含第一传递装置的检测装置。第一传递装置适于将流动电荷信号传递到接触节点，第二传递装置适于在至少两个时间间隔的每一个期间，将流动电荷信号从接触节点传递到分配给相应时间间隔的至少两个输出节点。