(57)【要約】  １つの例では、装置は、前側表面、第１の電荷を生成するための第１のフォトダイオード、第２の電荷を生成するための第２のフォトダイオード、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとの間にあり、第２のフォトダイオードから第１のフォトダイオードへの第２の電荷の流れを制御するように構成された障壁層、ならびに第１の電荷、および第２の電荷の少なくとも第１の部分を蓄えるためのドレイン領域を含む半導体基板を備える。装置は、第１の電荷、および第２の電荷の少なくとも第１の部分の、ドレイン領域への流れを制御するための、第１のフォトダイオードとドレイン領域との間の第１のチャネル領域上の前側表面上のゲートと、第２のフォトダイオードが飽和したとき、障壁層から第２の電荷の少なくとも第２の部分を伝導させて消すための第２のチャネル領域とをさらに含む。【選択図】図１４Ａ
2021528838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前側表面、
第１の電荷を生成するための第１のフォトダイオード、
第２の電荷を生成するための第２のフォトダイオード、
前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードとの間にあり、前記第２のフォトダイオードから前記第１のフォトダイオードへの前記第２の電荷の流れを制御するように構成された障壁層、ならびに
前記第１の電荷、および前記第２の電荷の少なくとも第１の部分を蓄えるためのドレイン領域
を含む、半導体基板と、
前記第１の電荷、および前記第２の電荷の前記少なくとも第１の部分の、前記ドレイン領域への前記流れを制御するための、前記第１のフォトダイオードと前記ドレイン領域との間の第１のチャネル領域上の前記前側表面上のゲートと、
前記第２のフォトダイオードが飽和したとき、前記第２のフォトダイオードおよび前記障壁層から前記第２の電荷の少なくとも第２の部分を伝導させて消すための第２のチャネル領域と
を備える、装置。
【請求項２】
前記第２のチャネル領域が、前記半導体基板の一部であり、前記障壁層と交差する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２のチャネル領域が、前記第２のフォトダイオードと前記ドレイン領域との間を接続する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ドレイン領域および前記第２のチャネル領域のそれぞれが、Ｎ型半導体材料を含み、
前記第２のチャネル領域が、前記第２のフォトダイオードのＮ型領域に接続される、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記半導体基板が、前記第２のフォトダイオードの前記Ｎ型領域を取り囲むＰウェルをさらに備え、
前記Ｎ型の第２のチャネル領域が、前記Ｐウェル内に形成される、
請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第２のチャネル領域の第１のドーパント濃度が、前記第２のフォトダイオードの前記Ｎ型領域の第２のドーパント濃度より低い、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記ドレイン領域が、第１のドレイン領域であり、
前記半導体基板が、第２のドレイン領域をさらに備え、
前記第２のチャネル領域が、前記第２のフォトダイオードと前記第２のドレイン領域との間を接続する、
請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記第２のチャネル領域が、イオン注入プロセスによって形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第２のフォトダイオードが、前記障壁層と前記第２のチャネル領域との間に挟まれる、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ドレイン領域が、第１のドレイン領域であり、
前記半導体基板が、第２のドレイン領域をさらに備え、
前記第２のチャネル領域が、前記第２のフォトダイオードと前記第２のドレイン領域との間に挟まれる、
請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２のチャネル領域が、前記半導体基板の裏側表面に形成されたエピタクシ層を備え、前記裏側表面が、前記半導体基板の前記前側表面の逆にある、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記半導体基板が、第１の電圧および第２の電圧をそれぞれ受け取るように構成された前記前側表面から延在する第１の伝導性領域および第２の伝導性領域をさらに備え、
前記第１の伝導性領域が、前記前側表面から前記第２のチャネル領域に延在し、前記第１の電圧で前記第２のチャネル領域をバイアスするように構成され、
前記第２の伝導性領域が、前記前側表面から前記第２のドレイン領域に延在し、前記第２の電圧で前記第２のドレイン領域をバイアスするように構成される、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２のチャネル領域が、Ｐ型半導体材料を含み、
前記第２のドレイン領域が、Ｎ型半導体材料を含む、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記半導体基板が、受光面として構成された前記前側表面の逆の裏側表面を含み、
前記第１のフォトダイオードが、赤外光波長範囲内の光の第１の成分を前記第１の電荷に変換するように構成され、
前記第２のフォトダイオードが、可視光波長範囲内の光の第２の成分を前記第２の電荷に変換するように構成される、
請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記前側表面が、受光面として構成され、
前記第１のフォトダイオードが、可視光波長範囲内の光の第１の成分を前記第１の電荷に変換するように構成され、
前記第２のフォトダイオードが、赤外光波長範囲内の光の第２の成分を前記第２の電荷に変換するように構成される、
請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１のチャネル領域が、埋設層を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記前側表面から伸び、前記第１のフォトダイオードのＮ型領域、および前記障壁層を横切る伝導性ディープトレンチアイソレーション（Ｃ−ＤＴＩ）構造をさらに備え、
前記Ｃ−ＤＴＩ構造が、電圧を受け取り、前記電圧に基づいて前記障壁層をバイアスするように構成される、
請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記Ｃ−ＤＴＩ構造が、前記第２のフォトダイオードの前記Ｎ型領域を横切って延在する、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記前側表面の逆の裏側表面と、
前記裏側表面から延在し、前記第２のフォトダイオードのＮ型領域、および前記障壁層を横切るＣＤＴ構造と
をさらに備え、
前記Ｃ−ＤＴＩ構造が、電圧信号を受け取り、前記電圧信号に基づいて前記障壁層をバイアスするように構成される、
請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記ゲートが、第１のゲートであり、
前記装置が、前記前側表面から延在して前記障壁層に達する第２のゲートをさらに備え、
前記第２のゲートが、電圧信号を受け取り、前記電圧信号に基づいて前記障壁層をバイアスするように構成される、
請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本特許出願は、２０１８年６月１１日に出願の「ＰＩＸＥＬ  ＷＩＴＨ  ＳＴＡＣＫＥＤ  ＤＵＡＬ  ＰＨＯＴＯＤＩＯＤＥＳ  ＡＮＤ  ＡＮＴＩ−ＢＬＯＯＭＩＮＧ  ＣＨＡＮＮＥＬ」という名称の米国仮特許出願第６２／６８３，５９９号、および、２０１９年６月７日に出願の「ＭＵＬＴＩ−ＰＨＯＴＯＤＩＯＤＥ  ＰＩＸＥＬ  ＣＥＬＬ」という名称の米国特許出願第１６／４３５，４４９号の優先権を主張し、これらは、全ての目的のために全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、一般に、イメージセンサに関し、より詳細には、複数のフォトダイオードを含むピクセルセルに関する。
【背景技術】
【０００３】
イメージセンサの典型的なピクセルセルは、光子を電荷（例えば、電子または正孔）に変換することによって入射光を検知するためのフォトダイオードを含む。電荷は、露光期間中にフォトダイオードに一時的に蓄えることができる。ノイズおよび暗電流性能を改善するため、光子を電荷に変換するためのピクセルにピン型フォトダイオードを含めることができる。ピクセルは、フォトダイオードから電荷を集め、電荷を電圧に変換するためのキャパシタ（例えば、浮遊拡散（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ））をさらに含めることができる。
【０００４】
画像センサは、典型的には、ピクセルセルのアレイを含む。ピクセルセルは、異なる強度の光を受け取ることができ、異なる量の電荷を生成することができる。ブルーミングは、ピクセルセルで受け取った光の強度が高すぎてピクセルセルが飽和状態になり、さらなる電荷を蓄えることができず、さらなる電荷が隣のピクセルセルまで漏れ、隣のピクセルセルに蓄えられた電荷を破損したときに発生する可能性がある。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、イメージセンサに関する。より詳細には、また、限定することなく、本開示は、ピクセルセルのアレイを有するイメージセンサに関する。
【０００６】
１つの例では、装置を提供する。装置は、前側表面、第１の電荷を生成するための第１のフォトダイオード、第２の電荷を生成するための第２のフォトダイオード、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとの間にあり、第２のフォトダイオードから第１のフォトダイオードへの第２の電荷の流れを制御するように構成された障壁層、ならびに第１の電荷、および第２の電荷の少なくとも第１の部分を蓄えるためのドレイン領域を含む半導体基板を備える。装置は、第１の電荷、および第２の電荷の少なくとも第１の部分の、ドレイン領域への流れを制御するための、第１のフォトダイオードとドレイン領域との間の第１のチャネル領域上の前側表面上のゲートと、第２のフォトダイオードが飽和したとき、第２のフォトダイオードおよび障壁層から第２の電荷の少なくとも第２の部分を伝導させて消すための第２のチャネル領域とをさらに含む。
【０００７】
いくつかの態様では、第２のチャネル領域は、半導体基板の一部であり、障壁層と交差する。
【０００８】
いくつかの態様では、第２のチャネル領域は、第２のフォトダイオードとドレイン領域との間を接続する。
【０００９】
いくつかの態様では、ドレイン領域および第２のチャネル領域のそれぞれは、Ｎ型半導体材料を含む。第２のチャネル領域は、第２のフォトダイオードのＮ型領域に接続される。
【００１０】
いくつかの態様では、半導体基板は、第２のフォトダイオードのＮ型領域を取り囲むＰウェルをさらに備える。Ｎ型の第２のチャネル領域は、Ｐウェル内に形成される。
【００１１】
いくつかの態様では、第２のチャネル領域の第１のドーパント濃度は、第２のフォトダイオードのＮ型領域の第２のドーパント濃度より低い。
【００１２】
いくつかの態様では、ドレイン領域は、第１のドレイン領域である。半導体基板は、第２のドレイン領域をさらに備える。第２のチャネル領域は、第２のフォトダイオードと第２のドレイン領域との間を接続する。
【００１３】
いくつかの態様では、第２のチャネル領域は、イオン注入プロセスによって形成される。
【００１４】
いくつかの態様では、第２のフォトダイオードは、障壁層と第２のチャネル領域との間に挟まれる。
【００１５】
いくつかの態様では、ドレイン領域は、第１のドレイン領域である。半導体基板は、第２のドレイン領域をさらに備える。第２のチャネル領域は、第２のフォトダイオードと第２のドレイン領域との間に挟まれる。
【００１６】
いくつかの態様では、第２のチャネル領域は、半導体基板の裏側表面に形成されたエピタクシ層を備え、裏側表面は、半導体基板の前側表面の逆にある。
【００１７】
いくつかの態様では、半導体基板は、第１の電圧および第２の電圧をそれぞれ受け取るように構成された前側表面から延在する第１の伝導性領域および第２の伝導性領域をさらに備える。第１の伝導性領域は、前側表面から第２のチャネル領域に延在し、第１の電圧で第２のチャネル領域をバイアスするように構成される。第２の伝導性領域は、前側表面から第２のドレイン領域に延在し、第２の電圧で第２のドレイン領域をバイアスするように構成される。
【００１８】
いくつかの態様では、第２のチャネル領域は、Ｐ型半導体材料を含む。第２のドレイン領域は、Ｎ型半導体材料を含む。
【００１９】
いくつかの態様では、半導体基板は、受光面として構成された前側表面の逆の裏側表面を含む。第１のフォトダイオードは、赤外光波長範囲内の光の第１の成分を第１の電荷に変換するように構成される。第２のフォトダイオードは、可視光波長範囲内の光の第２の成分を第２の電荷に変換するように構成される。
【００２０】
いくつかの態様では、前側表面は、受光面として構成される。第１のフォトダイオードは、可視光波長範囲内の光の第１の成分を第１の電荷に変換するように構成される。第２のフォトダイオードは、赤外光波長範囲内の光の第２の成分を第２の電荷に変換するように構成される。
【００２１】
いくつかの態様では、第１のチャネル領域は、埋設層を備える。
【００２２】
いくつかの態様では、装置は、前側表面から延在し、第１のフォトダイオードのＮ型領域、および障壁層を横切る伝導性ディープトレンチアイソレーション（Ｃ−ＤＴＩ：ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｄｅｅｐ  ｔｒｅｎｃｈ  ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造をさらに備える。Ｃ−ＤＴＩ構造は、電圧を受け取り、電圧に基づいて障壁層をバイアスするように構成される。
【００２３】
いくつかの態様では、Ｃ−ＤＴＩ構造は、第２のフォトダイオードのＮ型領域を横切って延在する。
【００２４】
いくつかの態様では、装置は、前側表面の逆の裏側表面と、裏側表面から延在し、第２のフォトダイオードのＮ型領域、および障壁層を横切るＣＤＴ構造とをさらに備える。Ｃ−ＤＴＩ構造は、電圧信号を受け取り、電圧信号に基づいて障壁層をバイアスするように構成される。
【００２５】
いくつかの態様では、ゲートは、第１のゲートである。装置は、前側表面から延在して障壁層に達する第２のゲートをさらに備える。第２のゲートは、電圧信号を受け取り、電圧信号に基づいて障壁層をバイアスするように構成される。
【００２６】
例証的な実施形態を、以下の図を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】ニアアイディスプレイの実施形態の図である。
【図１Ｂ】ニアアイディスプレイの実施形態の図である。
【図２】ニアアイディスプレイの横断面の実施形態の図である。
【図３】導波路ディスプレイの実施形態の等角図である。
【図４】導波路ディスプレイの実施形態の横断面を示す図である。
【図５】ニアアイディスプレイを含むシステムの実施形態のブロック図である。
【図６】マルチフォトダイオードピクセルセルを含むイメージセンサの例を示す図である。
【図７Ａ】図６のイメージセンサの動作の例を示す図である。
【図７Ｂ】図６のイメージセンサの動作の例を示す図である。
【図８】図６のイメージセンサの一部であることが可能なピクセルセルのアレイの例を示す図である。
【図９Ａ】図８のピクセルセルの内部構成要素の例を示す図である。
【図９Ｂ】図８のピクセルセルの内部構成要素の例を示す図である。
【図１０Ａ】図８のピクセルセルのアレイからの電荷の読出しのための電位分布の例を示す図である。
【図１０Ｂ】図８のピクセルセルのアレイからの電荷の読出しのための電位分布の例を示す図である。
【図１１】図８のピクセルセルにおけるブルーミングの例を示す図である。
【図１２Ａ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素の例を示す図である。
【図１２Ｂ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素の例を示す図である。
【図１２Ｃ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素の例を示す図である。
【図１３】図８のピクセルセルにおけるブルーミングの別の例を示す図である。
【図１４Ａ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素の例を示す図である。
【図１４Ｂ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素の例を示す図である。
【図１４Ｃ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素の例を示す図である。
【図１４Ｄ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素の例を示す図である。
【図１５Ａ】図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃ、および図１４Ｄの実例のピクセルセルのさらなる構成要素を示す図である。
【図１５Ｂ】図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃ、および図１４Ｄの実例のピクセルセルのさらなる構成要素を示す図である。
【図１６Ａ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素のさらなる例を示す図である。
【図１６Ｂ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素のさらなる例を示す図である。
【図１６Ｃ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素のさらなる例を示す図である。
【図１６Ｄ】ブルーミングおよびその動作を軽減するための図８のピクセルセルの構成要素のさらなる例を示す図である。
【図１７Ａ】図１６Ａ、図１６Ｂ、図１６Ｃ、および図１６Ｃの実例のピクセルセルのさらなる構成要素を示す図である。
【図１７Ｂ】図１６Ａ、図１６Ｂ、図１６Ｃ、および図１６Ｃの実例のピクセルセルのさらなる構成要素を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図は、例証のためだけに本開示の実施形態を描写する。本開示の原理、または勧められた利益から逸脱することなく、示した構造および方法の代替実施形態が採用されてもよいということを、当業者は以下の説明から容易に認識するであろう。
【００２９】
添付の図では、類似の構成要素および／または特徴は、同じ参照ラベルを有することがある。さらに、同じタイプの様々な構成要素は、類似の構成要素の間で区別するダッシュおよび第２のラベルが参照ラベルに続くことによって区別することがある。第１の参照ラベルだけが本明細書で使用される場合、説明は、第２の参照ラベルに関係なく、同じ第１の参照ラベルを有する類似の構成要素のうちの任意の１つに適用することができる。
【００３０】
以下の説明では、説明のために、一定の発明の実施形態を完全に理解するために、具体的詳細が示される。しかし、これらの具体的詳細がなくても、様々な実施形態を実践できるということが明らかであろう。図および説明は、限定的であることを意図するものではない。
【００３１】
典型的なイメージセンサは、典型的には、ピクセルセルのアレイを含む。各ピクセルセルは、光子を電荷（例えば、電子または正孔）に変換することによって入射光を検知するためのフォトダイオードを有することができる。ノイズおよび暗電流性能を改善するために、光子を電荷に変換するためのピクセルにピン型フォトダイオードを含めることができる。電荷は、露光期間中にフォトダイオードに一時的に蓄えることができる。各ピクセルセルは、電荷を電圧に変換するための浮遊拡散ノードも含むことができる。ピクセル値は、電圧に基づいて生成することができる。ピクセル値は、ピクセルセルが受け取った光の強度を表すことができる。ピクセルのアレイを含む画像は、ピクセルセルのアレイによって出力された電圧のデジタル出力から得ることができる。
【００３２】
２Ｄ検知および３Ｄ検知など、画像化の異なるモードを実行するために、イメージセンサを使用することができる。２Ｄ検知および３Ｄ検知は、異なる波長範囲の光に基づいて行うことができる。例えば、２Ｄ検知のために可視光を使用することができ、その一方で、３Ｄ検知のために不可視光（例えば、赤外光）を使用することができる。イメージセンサは、光学フィルタアレイを含み、異なる光学波長範囲および色の可視光（例えば、赤色、緑色、および青色）を、２Ｄ検知のために割り当てられたピクセルセルの第１のセットに配分し、不可視光を、３Ｄ検知のために割り当てられたピクセルセルの第２のセットに配分する。
【００３３】
２Ｄ検知を実行するために、ピクセルセルのフォトダイオードは、ピクセルセルに入射した可視光の強度に比例した割合で電荷を生成することができ、露光期間に蓄積された電荷の量は、可視光（または、可視光の一定の色成分）の強度を表すために使用することができる。電荷は、フォトダイオードに一時的に蓄え、次に、キャパシタ（例えば、浮遊拡散）に移動させて、電圧を生じることができる。電圧は、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ：ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）でサンプリングして量子化し、可視光の強度に相当する出力を生成することができる。可視光の異なる色成分（例えば、赤色、緑色、および青色）を検知するように構成された複数のピクセルセルからの出力に基づいて、画像のピクセル値を生成することができる。
【００３４】
さらに、３Ｄ検知を実行するために、異なる波長範囲の光（例えば、赤外光）をオブジェクトに投射することができ、反射した光は、ピクセルセルによって検出することができる。光は、構造光、光パルス、等を含むことができる。ピクセルセルの出力は、例えば、反射した構造光のパターンの検出、光パルスの飛行時間の測定、等に基づいて、深度検知動作を実行するために使用することができる。反射した構造光のパターンを検出するために、露光時間中にピクセルセルによって生成された電荷の量の分布を判定することができ、電荷の量に相当する電圧に基づいてピクセル値を生成することができる。飛行時間測定のために、ピクセルセルのフォトダイオードでの電荷の生成のタイミングは、反射した光パルスをピクセルセルで受光した時間を表すように決定することができる。光パルスをオブジェクトに投射した時間と、反射した光パルスをピクセルセルで受光した時間との間の時間差を、飛行時間測定を行うために使用することができる。
【００３５】
ピクセルセルアレイは、シーンの情報を生成するために使用することができる。いくつかの例では、アレイ内のピクセルセルのサブセット（例えば、第１のセット）を、シーンの２Ｄ検知を実行するために使用することができ、アレイ内のピクセルセルの別のサブセット（例えば、第２のセット）を、シーンの３Ｄ検知を実行するために使用することができる。２Ｄ画像化データと３Ｄ画像化データの融合は、仮想現実（ＶＲ：ｖｉｒｔｕａｌ−ｒｅａｌｉｔｙ）体験、拡張現実（ＡＲ：ａｕｇｍｅｎｔｅｄ−ｒｅａｌｉｔｙ）体験、および／または複合現実（ＭＲ：ｍｉｘｅｄ  ｒｅａｌｉｔｙ）体験をもたらす多くの用途に有用である。例えば、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、システムのユーザがいる環境のシーンを再現することができる。再現したシーンに基づいて、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲは、双方向体験をもたらすための表示効果を生成することができる。シーンを再現するために、ピクセルセルアレイ内のピクセルセルのサブセットは、３Ｄ検知を実行して、例えば、環境内の物理オブジェクトのセットを識別し、物理オブジェクトとユーザとの間の距離を判定することができる。ピクセルセルアレイ内のピクセルセルの別のサブセットは、２Ｄ検知を実行して、例えば、これらの物理オブジェクトのテクスチャ、色、および反射率を含む視覚属性をキャプチャすることができる。シーンの２Ｄ画像データおよび３Ｄ画像データは、次に、例えば、オブジェクトの視覚属性を含むシーンの３Ｄモデルを作成するためにマージすることができる。別の例として、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、２Ｄ画像データと３Ｄ画像データの融合に基づいて、頭部追跡動作も実行することができる。例えば、２Ｄ画像データに基づいて、ＶＲ／ＡＲ／ＡＲシステムは、一定の画像特徴を抽出して、オブジェクトを識別することができる。３Ｄ画像データに基づいて、ＶＲ／ＡＲ／ＡＲシステムは、ユーザが身につけているウェアラブルデバイスに対する識別したオブジェクトの位置を追跡することができる。ＶＲ／ＡＲ／ＡＲシステムは、例えば、ユーザの頭が動くときの、識別したオブジェクトのウェアラブルデバイスに対する位置の変化を追跡することに基づいて、頭の動きを追跡することができる。
【００３６】
しかし、２Ｄ画像化および３Ｄ画像化のためにピクセルの異なるセットを使用すると、いくつかの難題を引き起こす恐れがある。第１に、２Ｄ画像化または３Ｄ画像化を実行するために、アレイのピクセルセルのサブセットだけが使用されるので、２Ｄ画像と３Ｄ画像の両方の空間分解能は、ピクセルセルアレイで利用できる最大空間分解能より小さくなる。分解能は、より多くのピクセルセルを含めることによって改善することができるが、このようなアプローチは、イメージセンサのフォームファクタ、および、電力消費量を大きくする恐れがあり、これらは両方、ウェアラブルデバイスにとって特に望ましくない。
【００３７】
さらに、（２Ｄ画像化および３Ｄ画像化のために）異なる波長範囲の光を測定するために割り当てられたピクセルセルを一所に置かないので、シーンの異なるスポットの情報を異なるピクセルセルがキャプチャする可能性があり、２Ｄ画像と３Ｄ画像の間のマッピングを複雑にする恐れがある。例えば、（２Ｄ画像化のために）可視光の一定の色成分を受光するピクセルセル、および、（３Ｄ画像化のために）不可視光を受光するピクセルセルは、シーンの異なるスポットの情報もキャプチャする可能性がある。これらのピクセルセルの出力は、２Ｄ画像および３Ｄ画像を生成するために単純にマージすることができない。ピクセルセルの異なる位置によるピクセルセルの出力の間の対応関係の欠如は、動いているオブジェクトの２Ｄ画像および３Ｄ画像をピクセルセルアレイが取り込んでいるときに悪化する恐れがある。２Ｄ画像のためのピクセルを生成するために異なるピクセルセルの出力を相関させるため、および、２Ｄ画像と３Ｄ画像の間で相関させるために利用できる処理技法（例えば、補間）があるが、これらの技法は、典型的には、計算負荷が大きく、電力消費量も増加させる恐れがある。
【００３８】
本開示は、２Ｄおよび３Ｄ画像化を並べて提供することができる画像センサに関する。画像センサは、ピクセルセルのアレイを含む。各ピクセルセルは、受光面、ならびに、受光面に対してスタックを形成する第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードを含む。第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードの両方が、受光面を介して入射光を受け取るが、入射光は、異なる距離を通って伝搬し、第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードに達し、これにより、フォトダイオードは、入射光の異なる波長成分を吸収して電荷に変換することができる。例えば、第１のフォトダイオードが、第２のフォトダイオードより受光面からさらに離れている場合、入射光の可視光成分は、２Ｄ画像化のために、第１のフォトダイオードで吸収し、第１の電荷に変換することができ、その一方で、赤外光成分は、より長い距離を通って伝搬することができ、３Ｄ画像化のために、第２のフォトダイオードで吸収し、第２の電荷に変換することができる。このような配置により、ピクセルアレイ上の同じ位置で受け取った光の異なる成分の測定を実行することができ、これにより、並べられた２Ｄおよび３Ｄ画像化を可能にする。
【００３９】
ピクセルセルは、第１のフォトダイオードから、および第２のフォトダイオードから電荷を読み出すために、移動ゲートおよび読出しドレイン領域をさらに含む。移動ゲートは、受光面であること、または受光面の逆であることが可能な前側表面に形成することができる。読出しドレイン領域は、前側表面の下に形成することができる。移動ゲートは、読出しのために、第１のフォトダイオードから読出しドレイン領域に第１の電荷を移動させるように制御することができる。第２の電荷は、第１のフォトダイオードから第１の電荷を除去した後、読出しのために、第２のフォトダイオードから読出しドレイン領域に第１のフォトダイオードを通じて流すこともできる。ピクセルセルは、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとの間に挟まれた障壁層を含む。障壁層は、第１の電荷の読出しの前に、第１のフォトダイオードに第２の電荷が流れるのを防ぐように制御することができ、第１の電荷の読出しが完了した後、読出しのために、第１のフォトダイオードに第２の電荷を流すことができるように制御することができる。
【００４０】
スタック型フォトダイオード構造が、並べられた２Ｄおよび３Ｄ検知を可能にしているが、このような構造は、ブルーミングの影響を受けやすい可能性がある。ブルーミングは、ピクセルセルで受け取った光の強度が高すぎてピクセルセルが飽和状態になり、さらなる電荷を蓄えることができず、さらなる電荷が隣のピクセルセルまで漏れ、隣のピクセルセルに蓄えられた電荷を破損したときに発生する可能性がある。スタック型フォトダイオード構造の場合、ブルーミングは、第１のフォトダイオードまたは第２のフォトダイオードのうちの１つが、さらなる電荷をもはや蓄えることができず、さらなる電荷が、スタック内の他のフォトダイオードに、または他のピクセルセルに漏れるときにも発生する可能性がある。第１のフォトダイオードは、第１のフォトダイオードが、読出しドレイン領域にただ１つの経路を提供するので、第２のフォトダイオードからの漏出電荷を特に受け取りやすい。結果として、強い可視光と中間の／弱い赤外線とを混ぜてピクセルセルを照らすと、第１のフォトダイオードは飽和しないが、第２のフォトダイオードは飽和する可能性があり、過剰な第２の電荷が、バリア領域を越えて第１のフォトダイオードに漏れ、第１の電荷を破損させる可能性がある。
【００４１】
第２のフォトダイオードから第１のフォトダイオードへの過剰な第２の電荷の流れを軽減するために、ピクセルセルは、第２のフォトダイオードから、および障壁層から過剰な第２の電荷を伝導させて消すために提供することができるアンチブルーミングチャネル領域を含むことができる。アンチブルーミングチャネル領域は、過剰な電荷がピクセルセルから漏れるのを防ぐために、ピクセルセル内の第２のドレイン領域に、および／または読出しドレイン領域に接続することができる。
【００４２】
アンチブルーミングチャネル領域は、様々な構造を有することができる。いくつかの例では、アンチブルーミングチャネル領域は、第１のフォトダイオードおよび第２のフォトダイオードを含む半導体基板内に形成することができ、障壁層と交差することができる。アンチブルーミングチャネル領域は、第２のフォトダイオードと、前側表面の下に形成された読出しドレイン領域および／または第２のドレイン領域との間を接続することができる。読出しドレイン領域（読出しのために使用されないとき）と第２のドレイン領域は、電荷シンクに接続して、ブルーミングチャネル領域から受け取った過剰な第２の電荷を排出させることができる。アンチブルーミングチャネル領域は、複数のイオン注入プロセスで形成することができる。
【００４３】
いくつかの例では、アンチブルーミングチャネル領域および第２のドレイン領域は、第２のフォトダイオードが障壁層とアンチブルーミングチャネル領域との間に挟まれるように、半導体基板の裏側表面に形成することもできる。アンチブルーミングチャネル領域と第２のドレイン領域のそれぞれは、電圧源に接続して、これらのそれぞれの電位を設定し、第２のフォトダイオードからの過剰な第２の電荷を排出させることができる。アンチブルーミングチャネル領域は、エピタクシ層として形成することができる。
【００４４】
本開示の例は、人工現実システムを含むことができ、または、人工現実システムと共に実現することができる。人工現実は、ユーザに提示する前に何らかの方法で調節された現実の形であり、例えば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッドリアリティ、または、これらのいくつかの組合せおよび／もしくは派生物を含むことができる。人工現実のコンテンツは、完全に生成したコンテンツ、または、キャプチャした（例えば、現実世界の）コンテンツと組み合わせて生成したコンテンツを含むことができる。人工現実のコンテンツは、動画、音声、触感フィードバック、または、これらのいくつかの組合せを含むことができ、これらのいずれかは、単一のチャネルで、または、（視聴者に対して３次元効果を生み出すステレオ動画などの）複数のチャネルで提示することができる。さらに、いくつかの実施形態では、アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、または、これらのいくつかの組合せに人工現実をさらに関連付けることができ、これらは、例えば、人工現実においてコンテンツを作成するために使用され、および／または、そうでなければ、人工現実において使用される（例えば、人工現実において活動を行う）。人工現実のコンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、スタンドアロンのＨＭＤ、モバイルデバイスもしくはコンピューティングシステム、または、他の任意のハードウェアプラットフォームを含む様々なプラットフォームで実現することができ、１人または複数の視聴者に人工現実のコンテンツを提供することができる。
【００４５】
図１Ａは、ニアアイディスプレイ１００の例の図である。ニアアイディスプレイ１００は、ユーザに媒体を提示する。ニアアイディスプレイ１００によって提示される媒体の例は、１つまたは複数の画像、動画、および／または音声を含む。いくつかの実施形態では、音声は、ニアアイディスプレイ１００、コンソール、または両方から音声情報を受け取り、音声情報に基づいて音声データを提示する外部デバイス（例えば、スピーカおよび／またはヘッドホン）を介して提示される。ニアアイディスプレイ１００は、一般に、仮想現実（ＶＲ）ディスプレイとして動作するように構成される。いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、拡張現実（ＡＲ）ディスプレイおよび／または複合現実（ＭＲ）ディスプレイとして動作するように変更される。
【００４６】
ニアアイディスプレイ１００は、フレーム１０５およびディスプレイ１１０を含む。フレーム１０５は、１つまたは複数の光学素子に連結される。ディスプレイ１１０は、ニアアイディスプレイ１００によって提示されたコンテンツをユーザが見えるように構成される。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１１０は、１つまたは複数の画像からの光をユーザの目に向けるための導波路ディスプレイアセンブリを備える。
【００４７】
ニアアイディスプレイ１００は、イメージセンサ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄをさらに含む。イメージセンサ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄのそれぞれは、ピクセルセルのアレイを備え、異なる方向に沿った異なる視界に相当する画像データを生成するように構成されたピクセルセルアレイを含むことができる。例えば、センサ１２０ａおよび１２０ｂは、Ｚ軸に沿って方向Ａに向いた２つの視界に相当する画像データを提供するように構成することができ、その一方で、センサ１２０ｃは、Ｘ軸に沿って方向Ｂに向いた視界に相当する画像データを提供するように構成することができ、センサ１２０ｄは、Ｘ軸に沿って方向Ｃに向いた視界に相当する画像データを提供するように構成することができる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、センサ１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００を着用したユーザに対話式ＶＲ／ＡＲ／ＭＲ体験を提供するために、ニアアイディスプレイ１００の表示コンテンツを制御する、または影響を与えるための入力デバイスとして構成することができる。例えば、センサ１２０ａ〜１２０ｄは、ユーザがいる実際の環境の実際の画像データを生成することができる。実際の画像データは、実際の環境におけるユーザの動きの位置および／または経路を追跡するための位置追跡システムに提供することができる。システムは、次に、双方向体験を提供するために、例えば、ユーザの位置および方向に基づいて、ディスプレイ１１０に提供された画像データを更新することができる。いくつかの実施形態では、位置追跡システムは、ＳＬＡＭアルゴリズムを動作させて、実際の環境の中をユーザが動くときの、実際の環境における、また、ユーザの視界において、オブジェクトのセットを追跡することができる。位置追跡システムは、オブジェクトのセットに基づいて、実際の環境のマップを構築して更新し、マップ内のユーザの位置を追跡することができる。複数の視界に対応する画像データを提供することによって、センサ１２０ａ〜１２０ｄは、実際の環境のより全体的な景色を位置追跡システムに提供することができ、マップの構築および更新時に、より多くのオブジェクトが含まれるようにすることができる。このような配置により、実際の環境内のユーザの位置の追跡の正確さおよび堅牢性を改善することができる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、実際の環境に光を投射するための１つまたは複数のアクティブ照射器１３０をさらに含むことができる。投射した光は、異なる周波数スペクトル（例えば、可視光、赤外光、紫外光、等）に関連付けることができ、様々な目的を満たすことができる。例えば、照射器１３０は、暗い環境内の異なるオブジェクトの３Ｄ画像をセンサ１２０ａ〜１２０ｄがキャプチャするのを支援するために、暗い環境に（または、赤外光、紫外光、等の低強度の環境に）光および／または光のパターンを投射することができる。３Ｄ画像は、例えば、オブジェクトとニアアイディスプレイ１００との間の距離を表すピクセルデータを含むことができる。距離情報は、例えば、シーンの３Ｄモデルを構築するため、ユーザの頭の動きを追跡するため、ユーザの位置を追跡するため、等に使用することができる。下記でより詳細に論じるように、センサ１２０ａ〜１２０ｄは、その時々において、２Ｄ検知のために第１のモードで、また、３Ｄ検知のために第２のモードで動作することができる。２Ｄ画像データおよび３Ｄ画像データは、例えば、ユーザの位置、ユーザの頭の動き、等のより堅牢な追跡を行うために、システムにマージして提供することができる。
【００５０】
図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００の別の実施形態の図である。図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００を着用したユーザの眼球１３５に面したニアアイディスプレイ１００の側面を示す。図１Ｂに示したように、ニアアイディスプレイ１００は、複数の照射器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆをさらに含むことができる。ニアアイディスプレイ１００は、複数のイメージセンサ１５０ａおよび１５０ｂをさらに含む。照射器１４０ａ、１４０ｂ、および１４０ｃは、（図１Ａの方向Ａとは逆の）方向Ｄに向けて一定の光周波数範囲の光（例えば、ＮＩＲ）を放つことができる。放った光は、一定のパターンに関連付けたものであってもよく、ユーザの左の眼球で反射させることができる。センサ１５０ａは、反射した光を受光し、反射パターンの画像を生成するためのピクセルセルアレイを含むことができる。同様に、照射器１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆは、パターンを運ぶＮＩＲ光を放つことができる。ＮＩＲ光は、ユーザの右の眼球で反射させることができ、センサ１５０ｂで受光することができる。センサ１５０ｂは、反射パターンの画像を生成するためのピクセルセルアレイをさらに含むことができる。センサ１５０ａおよび１５０ｂからの反射パターンの画像に基づいて、システムは、ユーザの注視点を判定し、判定した注視点に基づいて、ディスプレイ１００に提供された画像データを更新して、ユーザに双方向体験を提供することができる。いくつかの例では、イメージセンサ１５０ａおよび１５０ｂは、センサ１２０ａ〜１２０ｄと同じピクセルセルを含むことができる。
【００５１】
図２は、図１に示したニアアイディスプレイ１００の横断面２００の実施形態である。ディスプレイ１１０は、少なくとも１つの導波路ディスプレイアセンブリ２１０を含む。射出瞳２３０は、ニアアイディスプレイ１００をユーザが着用したとき、アイボックス領域にユーザの片方の眼球２２０がある位置である。例証のために、図２は、眼球２２０および単一の導波路ディスプレイアセンブリ２１０に関連付けられた横断面２００を示すが、ユーザの第２の目のために、第２の導波路ディスプレイを使用する。
【００５２】
導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、射出瞳２３０にあるアイボックスに、また、眼球２２０に、画像光を向けるように構成される。導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、１つまたは複数の屈折率を有する１つまたは複数の材料（例えば、プラスチック、ガラス、等）から成ることができる。いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、導波路ディスプレイアセンブリ２１０と眼球２２０との間に１つまたは複数の光学素子を含む。
【００５３】
いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、１つまたは複数の導波路ディスプレイのスタックを含み、スタック型導波路ディスプレイ、可変焦点導波路ディスプレイ、等を含むがこれらに限定されない。スタック型導波路ディスプレイは、それぞれの単色源が異なる色のものである導波路ディスプレイをスタックすることによって作り出された多色ディスプレイ（例えば、赤−緑−青（ＲＧＢ）ディスプレイ）である。また、スタック型導波路ディスプレイは、複数の平面に投射できる多色ディスプレイ（例えば、マルチプラナー着色ディスプレイ（ｍｕｌｔｉ−ｐｌａｎａｒ  ｃｏｌｏｒｅｄ  ｄｉｓｐｌａｙ））である。いくつかの構成では、スタック型導波路ディスプレイは、複数の平面に投射できる単色ディスプレイ（例えば、マルチプラナー単色ディスプレイ（ｍｕｌｔｉ−ｐｌａｎａｒ  ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｄｉｓｐｌａｙ））である。可変焦点導波路ディスプレイは、導波路ディスプレイから放たれた画像光の焦点位置を調節できるディスプレイである。代替実施形態では、導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、スタック型導波路ディスプレイおよび可変焦点導波路ディスプレイを含むことができる。
【００５４】
図３は、導波路ディスプレイ３００の実施形態の等角図を示す。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ３００は、ニアアイディスプレイ１００の構成要素（例えば、導波路ディスプレイアセンブリ２１０）である。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ３００は、他のいくつかのニアアイディスプレイ、または、画像光を特定の位置に向ける他のシステムの一部である。
【００５５】
導波路ディスプレイ３００は、ソースアセンブリ３１０、出力導波路３２０、照射器３２５、およびコントローラ３３０を含む。照射器３２５は、図１Ａの照射器１３０を含むことができる。例証のために、図３は、片方の眼球２２０に関連付けられた導波路ディスプレイ３００を示すが、いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ３００とは別個の、または部分的に別個の、別の導波路ディスプレイが、ユーザのもう一方の目に画像光を提供する。
【００５６】
ソースアセンブリ３１０は、画像光３５５を生成する。ソースアセンブリ３１０は、画像光３５５を生成し、出力導波路３２０の第１の側面３７０−１にある連結要素３５０に出力する。出力導波路３２０は、ユーザの眼球２２０に拡大した画像光３４０を出力する光導波路である。出力導波路３２０は、第１の側面３７０−１にある１つまたは複数の連結要素３５０で画像光３５５を受光し、受光した入力画像光３５５を配向要素（ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）３６０に誘導する。いくつかの実施形態では、連結要素３５０は、ソースアセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に連結する。連結要素３５０は、例えば、回折格子、ホログラフィック格子、１つもしくは複数のカスケード型反射器、１つもしくは複数の角柱面要素、および／または、ホログラフィ反射器のアレイであってもよい。
【００５７】
配向要素３６０は、受光した入力画像光３５５の向きを分離要素３６５の方に変え、その結果、受光した入力画像光３５５は、分離要素３６５を介して出力導波路３２０から分離される。配向要素３６０は、出力導波路３２０の第１の側面３７０−１の一部である、または、第１の側面３７０−１に貼られる。分離要素３６５は、出力導波路３２０の第２の側面３７０−２の一部である、または、第２の側面３７０−２に貼られ、その結果、配向要素３６０は、分離要素３６５と向かい合う。配向要素３６０および／または分離要素３６５は、例えば、回折格子、ホログラフィック格子、１つもしくは複数のカスケード型反射器、１つもしくは複数の角柱面要素、および／または、ホログラフィ反射器のアレイであってもよい。
【００５８】
第２の側面３７０−２は、ｘ次元およびｙ次元に沿った平面に相当する。出力導波路３２０は、画像光３５５の全内部反射を助長する１つまたは複数の材料から成ることができる。出力導波路３２０は、例えば、シリコン、プラスチック、ガラス、および／またはポリマーから成ることができる。出力導波路３２０は、比較的小さいフォームファクタを有する。例えば、出力導波路３２０は、およそ、ｘ次元に沿って５０ｍｍ広く、ｙ次元に沿って３０ｍｍ長く、また、ｚ次元に沿って０．５ｍｍ〜１ｍｍ厚くてもよい。
【００５９】
コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０のスキャン動作を制御する。コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０に対するスキャン命令を決定する。いくつかの実施形態では、出力導波路３２０は、視界（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ）が広いユーザの眼球２２０に、拡大した画像光３４０を出力する。例えば、拡大した画像光３４０は、（ｘおよびｙにおける）対角線ＦＯＶが６０度以上、および／または、１５０度以下のユーザの眼球２２０に提供される。出力導波路３２０は、長さ２０ｍｍ以上および／もしくは５０ｍｍ以下、ならびに／または、幅１０ｍｍ以上および／または５０ｍｍ以下のアイボックスを提供するように構成される。
【００６０】
さらに、コントローラ３３０は、イメージセンサ３７０によって提供された画像データに基づいて、ソースアセンブリ３１０によって生成された画像光３５５も制御する。イメージセンサ３７０は、第１の側面３７０−１にあってもよく、例えば、図１Ａのイメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄを含んでもよい。イメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄは、例えば、ユーザの前にある（例えば、第１の側面３７０−１に面した）オブジェクト３７２の、２Ｄ検知および３Ｄ検知を実行するように動作することができる。２Ｄ検知のために、イメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄの各ピクセルセルは、光源３７６によって生成され、オブジェクト３７２から反射した光３７４の強度を表すピクセルデータを生成するように動作することができる。３Ｄ検知のために、イメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄの各ピクセルセルは、照射器３２５によって生成された光３７８の飛行時間測定値を表すピクセルデータを生成するように動作することができる。例えば、イメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄの各ピクセルセルは、照射器３２５が光３７８を投射できるようになった第１の時間、および、オブジェクト３７２から反射した光３７８をピクセルセルが検出した第２の時間を判定することができる。第１の時間と第２の時間との間の差は、イメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄとオブジェクト３７２との間の光３７８の飛行時間を示すことができ、飛行時間情報は、イメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄとオブジェクト３７２との間の距離を判定するために使用することができる。イメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄは、２Ｄ検知および３Ｄ検知をその時々において実行し、２Ｄ画像データおよび３Ｄ画像データをリモートコンソール３９０に提供するように動作することができ、リモートコンソール３９０は導波路ディスプレイ３００内にあってもよい（または、なくてもよい）。リモートコンソールは、２Ｄ画像と３Ｄ画像を組み合わせて、例えば、ユーザがいる環境の３Ｄモデルを生成すること、ユーザの位置および／または方向を追跡すること、等を行うことができる。リモートコンソールは、２Ｄ画像および３Ｄ画像から得られた情報に基づいて、ユーザに表示することになる画像のコンテンツを決定することができる。リモートコンソールは、決定したコンテンツに関する命令をコントローラ３３０に伝送することができる。命令に基づいて、コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０による画像光３５５の生成および出力を制御して、ユーザに双方向体験を提供することができる。
【００６１】
図４は、導波路ディスプレイ３００の横断面４００の実施形態を示す。横断面４００は、ソースアセンブリ３１０、出力導波路３２０、およびイメージセンサ３７０を含む。図４の例では、イメージセンサ３７０は、ユーザの前にある実際の環境の画像を生成するための、第１の側面３７０−１にあるピクセルセル４０２のセットを含むことができる。いくつかの実施形態では、ピクセルセル４０２のセットと実際の環境との間に介在する機械シャッター４０４および光学フィルタアレイ４０６が存在することができる。機械シャッター４０４は、ピクセルセル４０２のセットの露光を制御することができる。いくつかの実施形態では、機械シャッター４０４は、下記で論じるように、電子シャッターゲートで置き替えることができる。光学フィルタアレイ４０６は、下記で論じるように、ピクセルセル４０２のセットを露光する光の光学波長範囲を制御することができる。ピクセルセル４０２のそれぞれは、画像の１つのピクセルに対応させることができる。図４に示されていないが、ピクセルセル４０２のそれぞれは、ピクセルセルによって検知されることになる光の光学波長範囲を制御するためにフィルタをさらに被せてもよいということがわかる。
【００６２】
リモートコンソールから命令を受け取った後、機械シャッター４０４が開き、露光期間内にピクセルセル４０２のセットを露光させることができる。露光期間中、イメージセンサ３７０は、ピクセルセル４０２のセットに入射した光のサンプルを取得し、ピクセルセル４０２のセットによって検出された入射光サンプルの強度分布に基づいて画像データを生成することができる。イメージセンサ３７０は、次に、リモートコンソールに画像データを送り、リモートコンソールは、表示コンテンツを決定し、表示コンテンツ情報をコントローラ３３０に送ることができる。コントローラ３３０は、次に、表示コンテンツ情報に基づいて画像光３５５を決定することができる。
【００６３】
ソースアセンブリ３１０は、コントローラ３３０からの命令に従って画像光３５５を生成する。ソースアセンブリ３１０は、発光源４１０および光学システム４１５を含む。発光源４１０は、干渉性の、または部分的に干渉性の、光を生成する光源である。発光源４１０は、例えば、レーザダイオード、垂直キャビティ面発光レーザ、および／または発光ダイオードであってもよい。
【００６４】
光学システム４１５は、発光源４１０からの光を調整する１つまたは複数の光学部品を含む。発光源４１０からの光を調整することは、例えば、コントローラ３３０からの命令に従って方向を拡大すること、コリメートすること、および／または調節することを含むことができる。１つまたは複数の光学部品は、１つまたは複数のレンズ、液体レンズ、ミラー、開口部、および／または回折格子を含むことができる。いくつかの実施形態では、光学システム４１５は、スキャン角度の閾値で光のビームをスキャンして、液体レンズの外側の領域に光のビームをシフトさせることができる複数の電極を有する液体レンズを含む。光学システム４１５（および、さらにソースアセンブリ３１０）から放たれた光は、画像光３５５と呼ばれる。
【００６５】
出力導波路３２０は、画像光３５５を受光する。連結要素３５０は、ソースアセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に連結する。連結要素３５０が回折格子である実施形態では、出力導波路３２０内で全内部反射が発生し、（例えば、全内部反射によって）出力導波路３２０の内部で画像光３５５が分離要素３６５に向けて伝搬するように、回折格子のピッチを選ぶ。
【００６６】
配向要素３６０は、出力導波路３２０から分離させるために画像光３５５の向きを分離要素３６５の方に変える。配向要素３６０が回折格子である実施形態では、分離要素３６５の表面に対する傾斜角で、入射した画像光３５５が出力導波路３２０を出るように、回折格子のピッチを選ぶ。
【００６７】
いくつかの実施形態では、配向要素３６０および／または分離要素３６５は構造的に似ている。出力導波路３２０を出た拡大した画像光３４０は、１つまたは複数の次元に沿って拡大される（例えば、ｘ次元に沿って延びてもよい）。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ３００は、複数のソースアセンブリ３１０、および、複数の出力導波路３２０を含む。ソースアセンブリ３１０のそれぞれは、原色（例えば、赤、緑、または青）に対応する特定の波長帯域の単色画像光を放つ。出力導波路３２０のそれぞれは、多色の拡大した画像光３４０を出力するための分離距離で一緒にスタックすることができる。
【００６８】
図５は、ニアアイディスプレイ１００を含むシステム５００の実施形態のブロック図である。システム５００は、ニアアイディスプレイ１００、撮像装置５３５、入出力インターフェース５４０、ならびにイメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄおよび１５０ａ〜１５０ｂを備え、これらは、制御回路５１０にそれぞれ接続される。システム５００は、ヘッドマウントデバイス、ウェアラブルデバイス、等として構成することができる。
【００６９】
ニアアイディスプレイ１００は、ユーザに媒体を提示するディスプレイである。ニアアイディスプレイ１００によって提示される媒体の例は、１つまたは複数の画像、動画、および／または音声を含む。いくつかの実施形態では、音声は、ニアアイディスプレイ１００および／または制御回路５１０から音声情報を受け取り、音声情報に基づく音声データをユーザに提示する外部デバイス（例えば、スピーカおよび／またはヘッドホン）を介して提示される。いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、ＡＲ眼鏡（ＡＲ  ｅｙｅｗｅａｒ  ｇｌａｓｓ）としてさらに機能させることができる。いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、コンピュータ生成要素（例えば、画像、動画、音、等）で実際の現実世界環境の景色を拡大する。
【００７０】
ニアアイディスプレイ１００は、導波路ディスプレイアセンブリ２１０、１つまたは複数のポジションセンサ５２５、および／または慣性計測ユニット（ＩＭＵ：ｉｎｅｒｔｉａｌ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｕｎｉｔ）５３０を含む。導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、ソースアセンブリ３１０、出力導波路３２０、およびコントローラ３３０を含む。
【００７１】
ＩＭＵ５３０は、ポジションセンサ５２５の１つまたは複数から受け取った測定信号に基づいて、ニアアイディスプレイ１００の最初の位置に対するニアアイディスプレイ１００の推定位置を示す高速較正データを生成する電子デバイスである。
【００７２】
撮像装置５３５は、様々な用途のための画像データを生成することができる。例えば、撮像装置５３５は、制御回路５１０から受け取った較正パラメータに従って低速較正データを提供するための画像データを生成することができる。撮像装置５３５は、ユーザの位置および頭の動きを追跡するために、ユーザがいる実際の環境の２Ｄ画像データおよび３Ｄ画像データを生成するための、例えば、図１Ａのイメージセンサ１２０ａ〜１２０ｄを含むことができる。撮像装置５３５は、ユーザの関心のあるオブジェクトを識別するために、ユーザの注視点を決定するための画像データ（例えば、２Ｄ画像データ）を生成するための、例えば、図１Ｂのイメージセンサ１５０ａ〜１５０ｂをさらに含むことができる。
【００７３】
入出力インターフェース５４０は、制御回路５１０にアクション要求をユーザが送ることができるデバイスである。アクション要求は、特定のアクションを実行するための要求である。例えば、アクション要求は、アプリケーションを開始もしくは終了させること、または、アプリケーション内の特定のアクションを実行することであってもよい。
【００７４】
制御回路５１０は、撮像装置５３５、ニアアイディスプレイ１００、および入出力インターフェース５４０の１つまたは複数から受け取った情報に従ってユーザに提示するために、ニアアイディスプレイ１００に媒体を提供する。いくつかの例では、制御回路５１０は、ヘッドマウントデバイスとして構成されたシステム５００内に収納することができる。いくつかの例では、制御回路５１０は、システム５００の他の構成要素と通信連結されたスタンドアロンのコンソールデバイスであることが可能である。図５に示した例では、制御回路５１０は、アプリケーション記憶装置５４５、追跡モジュール５５０、およびエンジン５５５を含む。
【００７５】
アプリケーション記憶装置５４５は、制御回路５１０による実行のための１つまたは複数のアプリケーションを記憶する。アプリケーションは命令のグループであり、プロセッサによって実行されると、ユーザへの提示のためのコンテンツを生成する。アプリケーションの例は、ゲームアプリケーション、会議アプリケーション、動画再生アプリケーション、または他の適切なアプリケーションを含む。
【００７６】
追跡モジュール５５０は、１つまたは複数の較正パラメータを使用してシステム５００を較正し、１つまたは複数の較正パラメータを調節して、ニアアイディスプレイ１００の位置を決定する際の誤差を減らすことができる。
【００７７】
追跡モジュール５５０は、撮像装置５３５からの低速較正情報を使用して、ニアアイディスプレイ１００の動きを追跡する。追跡モジュール５５０は、高速較正情報からの位置情報を使用して、ニアアイディスプレイ１００の基準点の位置をさらに決定する。
【００７８】
エンジン５５５は、システム５００内のアプリケーションを実行し、ニアアイディスプレイ１００の位置情報、加速度情報、速度情報、および／または、将来の予測位置を、追跡モジュール５５０から受け取る。いくつかの実施形態では、エンジン５５５によって受け取った情報は、導波路ディスプレイアセンブリ２１０への信号（例えば、表示命令）を生み出すために使用することができ、ユーザに提示されるコンテンツの種類を決定する。例えば、双方向体験を提供するために、エンジン５５５は、（例えば、追跡モジュール５５０によって提供された）ユーザの位置、（例えば、撮像装置５３５によって提供された画像データに基づく）ユーザの注視点、（例えば、撮像装置５３５によって提供された画像データに基づく）オブジェクトとユーザとの間の距離に基づいて、ユーザに提示されることになるコンテンツを決定することができる。
【００７９】
図６は、イメージセンサ６００の例を示す。イメージセンサ６００は、２Ｄ検知と３Ｄ検知の両方のために同じピクセルセルを使用することができる。例えば、同じピクセルセルは、２Ｄ検知のために可視光の色成分（例えば、赤色、緑色、または青色）を検出すること、および、３Ｄ検知のために赤外光を検出することを行うように構成することができる。イメージセンサ６００は、ニアアイディスプレイ１００の一部であることが可能であり、ニアアイディスプレイ１００の表示コンテンツを制御するために、図５の制御回路５１０に２Ｄ画像データおよび３Ｄ画像データを提供することができる。図６の例では、イメージセンサ６００は、照射器６０２、光学フィルタアレイ６０４、ピクセルセル６０６ａを含むピクセルセルアレイ６０６、およびデジタイザモジュール６０８を含むことができる。
【００８０】
照射器６０２は、３Ｄ検知のために赤外光を投射できるレーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、等などの赤外線照射器であってもよい。投射光は、例えば、構造光、光パルス、等を含むことができる。光学フィルタアレイ６０４は、フィルタエレメントのアレイを含むことができ、各フィルタエレメントは、ピクセルセルアレイ６０６のピクセルセル（例えば、ピクセルセル６０６ａ）に相当する。各フィルタエレメントは、入射光の一定の波長範囲を吸収し、対応するピクセルセルに光の残りを伝送するように構成することができる。入射光は、周囲の可視光、および、照射器６０２によって投射され、オブジェクトによって反射された赤外光を含むことができる。例えば、１つのフィルタエレメントは、可視光の緑成分、および、赤外光をピクセルセルに伝送することができ、その一方で、もう１つのフィルタエレメントは、可視光の青成分、および、赤外光を別のピクセルセルに伝送することができる。いくつかの例では、光学フィルタアレイ６０４は、赤外光と共に伝送されることになる可視光の色成分を選択するように構成可能であってもよく、その結果、ピクセルセル６０６ａは、可視光の種々の色成分、および、赤外光を検出するために使用することができる。
【００８１】
さらに、ピクセルセル６０６ａは、入射光の可視光の種々の色成分、および、赤外光を検出するための複数のフォトダイオードを含むことができる。例えば、図６に示したように、ピクセルセル６０６ａは、フォトダイオード６１２およびフォトダイオード６１４を含むことができる。フォトダイオード６１２およびフォトダイオード６１４は、ピン型フォトダイオードであってもよい。フォトダイオード６１２は、露光期間内に、第１の波長範囲の入射光の第１の成分（例えば、可視光の赤色、青色、または緑色のうちの１つ）を検出し、検出した光子を電荷に変換し、この電荷を蓄えることができる。さらに、フォトダイオード６１４は、同じまたは別の露光期間内に、第２の波長範囲の入射光の第２の成分（例えば、赤外光）を検出し、検出した光子を電荷に変換し、この電荷を蓄えることができる。ピクセルセル６０６ａは、電荷貯蔵デバイス６１６をさらに含むことができ、電荷貯蔵デバイス６１６は、浮遊ドレインノード、金属キャパシタ、または、両方の組合せを含むことができる。露光期間の終わりに、フォトダイオード６１２および６１４に蓄えられた電荷は、電荷貯蔵デバイス６１６に移動させて、２Ｄ検知および３Ｄ検知のための電圧を生じることができる。
【００８２】
イメージセンサ６００は、測定モジュール６０８をさらに含む。測定モジュール６０８は、フォトダイオード６１２によって生成された電荷に基づいて２Ｄ画像化動作を実行するための２Ｄ測定モジュール６２２をさらに含むことができる。２Ｄ画像化動作は、例えば、電荷貯蔵デバイス６１６で生じた電圧の大きさに基づいてピクセル値を生成することを含むことができ、ピクセル値は、露光期間中にフォトダイオード６１２に蓄えられた電荷の総量を反映する。測定モジュール６０８は、フォトダイオード６１４によって生成された電荷に基づいて３Ｄ画像化動作を実行するための３Ｄ測定モジュール６２４を含むことができる。３Ｄ画像化動作は、例えば、オブジェクトの表面で反射した構造光のパターンを検出し、照射器６０２によって投射された構造光のパターンと、検出したパターンを比較して、ピクセルセルアレイに対する、表面の種々のポイントの深度を決定することを含むことができる。反射した光のパターンの検出のために、３Ｄ測定モジュール６２４は、電荷貯蔵デバイス６１６で生じた電圧の大きさに基づいてピクセル値を生成することができ、ピクセル値は、露光期間中にフォトダイオード６１４に蓄えられた電荷の総量を反映する。別の例として、３Ｄ測定モジュール６２４は、照射器６０２が伝送し、オブジェクトが反射した光パルスの飛行時間測定値を表すピクセル値を生成することができる。
【００８３】
イメージセンサ６００は、イメージセンサ６００の種々の構成要素を制御して、オブジェクトの２Ｄ画像化および３Ｄ画像化を実行するための検知コントローラ６１０をさらに含む。ここで、図７Ａおよび図７Ｂを参照し、２Ｄ画像化および３Ｄ画像化のためのイメージセンサ６００の動作の例を示す。図７Ａは、２Ｄ画像化のための動作の例を示す。２Ｄ画像化のために、ピクセルセルアレイ６０６は、オブジェクトで反射した可視光を含む、環境内の可視光を検出することができる。例えば、図７Ａを参照すると、可視光源７００（例えば、電球、太陽、または、周囲の可視光の他の発生源）は、可視光７０２をオブジェクト７０４に投射することができる。可視光７０６は、オブジェクト７０４のスポット７０８で反射させることができる。可視光７０６は、光学フィルタアレイ６０４でフィルタにかけて、反射した可視光７０６の所定の波長範囲ｗ０を通し、フィルタを通った光７１０ａを生み出すことができる。波長範囲ｗ０は、スポット７０８で反射した可視光７０６の第１の色成分（例えば、６２０〜７５０ナノメートル（ｎｍ）の波長範囲を有する赤色成分）に相当することができる。フィルタを通った光７１０ａは、露光期間内に、ピクセルセル６０６ａの第１のフォトダイオード６１２でキャプチャし、第１の電荷を生成して蓄積することができる。露光期間の終わりに、検知コントローラ６１０は、第１の電荷を電荷貯蔵デバイス６１６に向かわせて、第１の色成分の強度に相当する電圧を生じ、２Ｄ測定モジュール６２２に第１の電圧を提供することができる。２Ｄ測定モジュール６２２は、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）を含むことができ、第１の電圧をサンプリングして量子化し、可視光７０６の第１の色成分の強度に相当するデジタル値を生成するように、検知コントローラ６１０で制御することができる。
【００８４】
さらに、イメージセンサ６００は、オブジェクト７０４の３Ｄ画像化をさらに実行することができる。図７Ｂを参照すると、検知コントローラ６１０は、オブジェクト７０４に赤外光７２８を投射するように照射器６０２を制御することができ、赤外光７２８は、光パルス、構造光、等を含むことができる。赤外光７２８は、７００ナノメートル（ｎｍ）から１ミリメートル（ｍｍ）の波長範囲を有することができる。赤外光子７３０は、オブジェクト７０４で反射し、ピクセルセルアレイ６０６に向けて伝搬し、光学フィルタ６０４を通過することができる。いくつかの例では、ピクセルセル６０６ａの第２のフォトダイオード６１４は、赤外光子７３０を第２の電荷に変換することができる。第２のフォトダイオード６１４による赤外光子７３０の検出および変換は、第１のフォトダイオード６１２による可視光７０６の検出および変換と同じ露光期間内に行うことができる。このように配置すると、各ピクセルセルは、オブジェクトの同じスポットの２Ｄ画像化および３Ｄ画像化を実行することができ、２Ｄ画像と３Ｄ画像の間の対応関係を改善させることができる。検知コントローラ６１０は、第２の電荷を電荷貯蔵デバイス６１６に向かわせて、ピクセルセルで受光した赤外光の強度に相当する電圧を生じることができる。
【００８５】
３Ｄ測定モジュール６２４は、オブジェクト７０４に投射した光７２８のタイプに基づいて、種々のタイプの深度検知動作を実行することができる。構造光７２８がオブジェクト７０４に投射されるケースでは、３Ｄ測定モジュール６２４は、ＡＤＣを含むことができ、第２の電圧をサンプリングして量子化し、スポット７０８で反射した赤外光の強度に相当するデジタル値を生成するように、検知コントローラ６１０で制御することができる。オブジェクト７０４で反射した赤外光強度のパターンは、デジタル値から取得することができる。パターンは、照射器６０２によって投射された構造光のパターンと比較して、ピクセルセルアレイ６０６に対する、スポット７０８を含んだオブジェクト７０４の表面の種々のスポットの深度を決定することができる。赤外光７２８が光パルスを含むケースでは、３Ｄ測定モジュール６２４は、第２のフォトダイオード６１４に蓄えられた電荷の変化を検出することができる。赤外光パルスの飛行時間は、光パルスが照射器６０２を出たときと、第２のフォトダイオード６１４に蓄えられた電荷の変化を検出したときとの間の時間差に基づいて決定することができる。各ピクセルセルによって提供された情報に基づいて、オブジェクト７０４の３Ｄ画像を生成することができる。
【００８６】
図８は、ピクセルセル８００のアレイの例（例えば、ピクセルセル８００ａ、８００ｂ、８００ｃ、および８００ｄ）を示し、ピクセルセル８００のアレイは、２Ｄ画像および３Ｄ画像検知を並べて実行することができ、イメージセンサ６００の一部であってもよい。図８に示したように、ピクセルセル８００のそれぞれは、第１の半導体基板８０２、第２の半導体基板８０４、および、これらの基板に挟まれた金属層８０５を含むことができる。第１の半導体基板８０２は、受光面８０６、第１のフォトダイオード８０８、第２のフォトダイオード８１０、および電荷貯蔵デバイス６１６を含むことができ、その一方で、第２の半導体基板８０４は、インターフェース回路８５０を含むことができる。第１のフォトダイオード８０８および第２のフォトダイオード８１０は、受光面８０６に垂直な軸に沿って（例えば、ｚ軸に沿って）スタックを形成することができる。第２のフォトダイオード８１０は、可視光検知フォトダイオード（「ＶＩＳ  ＰＤ」）として構成することができ、その一方で、第１のフォトダイオード８０８は、赤外光検知フォトダイオード（「ＩＲ  ＰＤ」）として構成することができる。特に、第２のフォトダイオード８１０は、第１のフォトダイオード８０８より受光面８０６の近くにあってもよい。光８１６が受光面８０６を介して入り、第１の半導体基板８０２内を伝搬するとき、比較的長い赤外光の波長範囲を有する光８１６の第１の光成分８２２は、第２のフォトダイオード８１０を通って伝搬することができ、第１のフォトダイオード８０８に吸収させることができる。さらに、比較的短い可視光波長範囲を有する光８１６の第２の光成分８２４は、第２のフォトダイオード８１０で止まり、第２のフォトダイオード８１０に吸収させることができる。
【００８７】
ピクセルセル８００のそれぞれは、光８１６の第１の光成分８２２および第２の光成分８２４の性質を制御するための光学部品をさらに含む。例えば、ピクセルセル８００のそれぞれは、光８１６の焦点を合わせるためのマイクロレンズ８３２、および、例えば、第２のフォトダイオード８１０によって吸収される／測定されることになる第２の光成分８２４の波長範囲（例えば、赤色、緑色、または青色のうちの１つ）を選択するための光学フィルタ８３４を含む。図８に示したように、ピクセルセル８００ａ、８００ｂ、８００ｃ、および８００ｄのそれぞれは、第１の光成分８２２として赤外光を受光するが、色フィルタ８３４の構成に基づいて、第２の光成分８２４として別の波長範囲の可視光を受光することができる。図８の例では、ピクセルセル８００ａは、第２の光成分８２４として赤色光を受光することができ、ピクセルセル８００ｂおよび８００ｄは、第２の光成分８２４として緑色光を受光することができ、その一方で、ピクセルセル８００ｃは、第２の光成分８２４として青色光を受光することができる。
【００８８】
第１のフォトダイオード８０８および第２のフォトダイオード８１０のそれぞれは、第１の光成分８２２および第２の光成分８２４に応答して、それぞれ電荷を生成することができる。各フォトダイオードによる電荷生成の割合は、第１の光成分８２２および第２の光成分８２４の強度に相当することができる。第１のフォトダイオード８０８および第２のフォトダイオード８１０によって生成された電荷は、電荷貯蔵デバイス６１６に蓄えることができ、電荷貯蔵デバイス６１６は、図８の例では、第１の半導体基板８０２における浮遊ドレインノード８１８、および、金属層８０５における補助金属キャパシタ８２０を含むことができる。電荷貯蔵デバイス６１６に蓄積した電荷の量、および、電荷貯蔵デバイス６１６における電荷累積の割合は、インターフェース回路８５０で測定することができる。インターフェース回路８５０は、例えば、第１の光成分８２２および第２の光成分８２４の強度を決定するための、図６の測定モジュール６０８を含むことができる。金属層１０５は、浮遊ドレインノード８１８および補助金属キャパシタ８２０を、第２の半導体基板８０４の測定モジュール６０８と連結できる金属相互接続８３０をさらに含む。金属相互接続８３０は、上述のような２Ｄ画像および３Ｄ画像の検知動作のための測定を実行するために、第１のフォトダイオード８０８および第２のフォトダイオード８１０によって生成された電荷に相当する電荷貯蔵デバイス６１６で生じた電圧を、測定モジュール６０８に伝送することができる。
【００８９】
図８は、ピクセルセル８００の第１のフォトダイオード８０８および第２のフォトダイオード８１０が、２つのフォトダイオードが異なる光成分を検知できるスタック構造を形成することを示すが、ピクセルセル８００は、光成分を分離するための他の構成を採用することができる。例えば、２つのフォトダイオードは、受光面８０６と平行な軸に沿って（例えば、ｘ軸またはｙ軸に沿って）互いに隣に配置することができ、光成分を分け、異なる光成分をフォトダイオードに投射する／向けるための光学構造を受光面８０６に用意することができる。
【００９０】
ここで、図９Ａおよび図９Ｂを参照し、図８に示していない半導体基板８０２の他の構成要素の例を示す。図９Ａおよび図９Ｂは、Ｐ型の半導体基板８０２に形成したピクセルセル８００を示す。図９Ａおよび図９Ｂでは、半導体基板８０２は、前側表面９０２および裏側表面９０４を有することができる。前側表面９０２は、ポリシリコンゲート９１８の形成、ならびに第１のフォトダイオード８０８、第２のフォトダイオード８１０、浮遊ドレインノード８１８、ピン層９１５、等を形成するためのドーピングおよび／またはイオン注入などの、さらなる半導体処理が行われる場所である。図９Ａでは、ピクセルセル８００は、裏面照射型（ＢＳＩ）デバイスとして構成することができ、裏側表面９０４を受光面８０６として構成し、マイクロレンズ８３２および光学フィルタ８３４は、光８１６の第１の光成分８２２および第２の光成分８２４の性質を制御するために裏面９０４の表面に置くことができる。図９Ｂでは、ピクセルセル８００は、前面照射型（ＦＳＩ）デバイスとして構成することができ、前側表面９０２を受光面８０６として構成する。絶縁層９５２は、前側表面９０２のポリシリコンゲート９１８および酸化被膜９１６の上に置くことができ、マイクロレンズ８３２および光学フィルタ８３４は、光８１６の第１の光成分８２２および第２の光成分８２４の性質を制御するために絶縁層９５２に置くことができる。
【００９１】
図９Ａおよび図９Ｂの例では、第１のフォトダイオード８０８および第２のフォトダイオード８１０は、ピン型フォトダイオードとして構成することができる。図９Ａおよび図９Ｂでは、ピクセルセル８００は、第１のピン型フォトダイオード８０８を形成するために、Ｐウェル９０８、およびＰウェル９０８内に埋め込まれたＮ型領域９１２を含む。さらに、第２のピン型フォトダイオード８１０は、Ｐ型半導体基板８０２内に埋め込まれたＮ型領域９０６を含めることによって形成することができる。図９Ａでは、Ｎ型領域９１２は、Ｎ型領域９０６より（受光面８０６として構成された）裏側表面９０４からさらに離れており、これにより、第１のピン型フォトダイオード８０８は、光８１６の赤外線成分（例えば、第１の光成分８２２）を主に検出することができ、第２のピン型フォトダイオード８１０は、光８２４の可視光成分（例えば、第２の光成分８２４）を主に検出することができる。図９Ｂでは、Ｎ型領域９１２は、Ｎ型領域９０６より（受光面８０６として構成された）前側表面９０２に近く、第１のピン型フォトダイオード８０８と第２のピン型フォトダイオード８１０の役割は、反転させることができる。図９Ｂでは、第１のピン型フォトダイオード８０８は、可視光成分（例えば、第２の光成分８２４）を検出することができ、その一方で、第２のピン型フォトダイオード８１０は、赤外線成分（例えば、第１の光成分８２２）を検出することができる。第１のピン型フォトダイオード８０８および第２のピン型フォトダイオード８１０は、同じまたは別のピン電圧（例えば、フォトダイオードの両端間の最大電圧差）を有することができる。第１のピン型フォトダイオード８０８と第２のピン型フォトダイオード８１０の両方において、Ｐ型基板９０１およびＰウェル９０８内のＮ型領域９０６とＮ型領域９１２を完全に絶縁すると、暗電流およびノイズ性能をより良くすることができる。
【００９２】
図９Ａと図９Ｂの両方において、第１のピン型フォトダイオード８０８と第２のピン型フォトダイオード８１０との間に障壁層９１４がさらに形成され、第１のピン型フォトダイオード８０８、障壁層９１４、および第２のピン型フォトダイオード８１０は、Ｐ型半導体基板８０２内の光の伝搬方向に沿って（例えば、ｚ軸に沿って）スタックを形成することができる。下記でより詳細に説明するように、障壁層９１４は、第１のピン型フォトダイオード８０８に蓄えられた電荷が、第２のピン型フォトダイオード８１０に入るのを防ぐことができる。また、障壁層９１４は、読出しおよび量子化のために、第２のピン型フォトダイオード８１０から第１のピン型フォトダイオード８０８への電荷の流れを調節することができる。いくつかの例では、障壁層９１４は、Ｐ型層であること、および、Ｐウェル９０８（またはＰ型半導体基板８０２）の一部であることが可能であり、または、より高いＰ型ドーピング濃度のＰ＋領域の一部であることが可能である。いくつかの例では、障壁層９１４は、（例えば、Ｎ型領域９０６とＮ型領域９１２の両方より低いＮ型ドーピング濃度を有する）Ｎ型層であることも可能である。
【００９３】
上述のように、ピクセルセル８００は、ピン層９１５、酸化被膜９１６、ポリシリコンゲート９１８、および浮遊ドレイン８１８を前側表面９０２にさらに含む。ピン層９１５は、酸化被膜９１６と基板との間の接触において表面正孔の結合によって生じる暗電流を減らすために、酸化被膜９１６との直接的な接触からＮ型領域９１２を隔てるように構成することができ、第１のピン型フォトダイオードの暗電流性能をさらに改善させることができる。いくつかの例では、ピン層９１５は、Ｎ型領域９１２を有する第２のピン型フォトダイオードを形成することができ、Ｐウェル９０８は、デバイス９００から除去することができる。ポリシリコンゲート９１８は、Ｎ型領域９１２と浮遊ドレイン８１８との間のチャネル領域９２２にチャネルを作り出すために、酸化被膜９１６を介して電圧を受け取り、電界を及ぼすことができる。チャネルは、第１のフォトダイオード８０８または第２のフォトダイオード８１０のうちの１つによって生成された電荷を読み出すために作り出すことができる。
【００９４】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、第１または第２のフォトダイオード８０８および８１０からの電荷の読出しのための第１の半導体基板８０２内の電位分布の例を示す。図１０Ａは、読出しを実行するために、障壁層９１４の電位が時間に対して変調される例を示す。図１０Ａを参照すると、時間１０００において、Ｎ型領域９１２およびＮ型領域９０６は、第１および第２の光成分８２２および８２４に応答して生成された、帯電した陰電気を含み、それぞれが、電位Ｐｃｈａｒｇｅを有することができる。電位Ｐｃｈａｒｇｅは、電荷の量、Ｎ型領域９１２およびＮ型領域９０６の量子井戸の容量、ならびに、これらの量子井戸が空であるＰｅｍｐｔｙのときの量子井戸の電位に基づいて定義することができる。一方で、チャネル領域９２２は、オフ状態であることが可能であり、チャネルは、チャネル領域９２２にまだ作り出されていない。チャネル領域９２２における電位は、Ｐｃｈａｒｇｅより低い電位におけるものであることが可能である。さらに、障壁層９１４は、オフ状態であることが可能であり、Ｎ型領域９１２とＮ型領域９０６との間を電荷が流れるのを防ぐように電位を設定することができ、Ｎ型領域９１２における電位は、Ｐｃｈａｒｇｅより低い電位におけるものであることも可能である。図１０Ａでは、チャネル領域９２２および障壁層９１４における電位は、Ｐｓｕｂに似ていることが可能である。
【００９５】
時間１０００において、Ｎ型領域９１２とＮ型領域９０６の両方の貯蔵容量は、最大値におけるものであることが可能である。Ｎ型領域９１２に蓄えることができる電荷の最大量は、Ｎ型領域９１２の量子井戸容量、ならびに、チャネル領域９１２およびバリア基板９１４の、両方がオフ状態のときの電位に基づいて定義することができる。このような配置により、電荷の最大量がＮ型領域９１２に蓄えられると、Ｐｃｈａｒｇｅは、Ｎ型領域９１２における電荷をトラップするために、バリア基板９１４とチャネル領域９１２の両方の電位より高くとどめることができる。下記で詳細に説明されるように、チャネル領域９２２における電位は、Ｎ型領域９１２の貯蔵容量をセットするように構成することができる。さらに、Ｎ型領域９０６に蓄えることができる電荷の最大量は、電荷の最大量がＮ型領域９０６に蓄えられたとき、Ｎ型領域９０６における電荷をトラップするために、Ｐｃｈａｒｇｅが、第１の半導体基板８０２と障壁層９１４の両方の電位より高くとどまるように、Ｎ型領域９０６の量子井戸容量、第１の半導体基板８０２の電位Ｐｓｕｂ、および、オフ状態のバリア基板９１４の電位、ならびに、Ｐｅｍｐｔｙに基づいて定義することができる。
【００９６】
時間１００２において、Ｎ型領域９１２に蓄えられた電荷を読み出すことができる。電荷を読み出すために、チャネル領域９２２における電位は、チャネル領域９２２にチャネルを形成するために、ポリシリコンゲート９１８に電圧を印加することによってＰｃｈａｎｎｅｌ−ｏｎに増加させることができる。Ｎ型領域９１２に蓄えられた負電荷は、チャネル領域９２２に、次いで、浮遊ドレイン８１８に流れることができる。一方で、障壁９１４の電位は、Ｎ型領域９０６に蓄えられた電荷の電位Ｐｃｈａｒｇｅより低いＰｓｕｂのままである。結果として、Ｎ型領域９０６に蓄えられた電荷は、この領域にトラップされたままである。
【００９７】
時間１００４において、障壁層９１４の電位は、Ｐｃｈａｒｇｅ以上になるように増加させることができる。ピクセルセル８００は、障壁層９１４の電位を調節するために、様々な構造を含むことができる。例として、ピクセルセル８００は、障壁層９１４の両側に伝導性ディープトレンチアイソレーション（Ｃ−ＤＴＩ）のペアを含むことができる。Ｃ−ＤＴＩのペアは、前側表面９０２から、または裏側表面９０４から延在することができる。各Ｃ−ＤＴＩは、電圧を伝導させて障壁層９１４を横切る電界を作り出し、負電荷を遠ざけることができ、これにより、障壁層９１４の電位を上げることができる。別の例として、ピクセルセル８００は、前側表面９０２から延在して障壁層９１４に達する第２のポリシリコンゲートを含むことができる。酸化被膜９１６も、第２のポリシリコンゲートを障壁層９１４から絶縁するように、前側表面９０２から第２のポリシリコンゲートに沿って延在することができる。第２のポリシリコンゲートは、障壁層９１４から負電荷を押しのけることができる電圧を伝導させて、障壁層９１４の電位を上げることができる。
【００９８】
障壁層９１４の電位が増大すると、Ｎ型領域９０６に蓄えられた負電荷は、Ｎ型領域９１２に流すことができる。図１０Ａの例では、チャネル領域９２２における電位は、Ｐｃｈａｎｎｅｌ−ｏｎに維持することができ、Ｎ型領域９０６からの電荷の全てを浮遊ドレイン８１８に移動させることができる。いくつかの例では、下記で説明されるように、Ｎ型領域９０６に蓄えられた電荷は、異なる光強度の測定動作に対する複数の工程で浮遊ドレイン８１８に移動させることができる。
【００９９】
図１０Ｂは、障壁層９１４の電位が一定に保たれるが、Ｎ型領域９０６における電荷の読出しを実行するために、第１の半導体基板８０２の電位が変調される別の例を示す。図１０Ｂに示したように、負の電位は、時間１０１２において第１の半導体基板８０２に印加することができ、これにより、障壁層９１４の電位は、第１の半導体基板８０２の電位より高くなる。Ｎ型領域９０６に蓄えられた負の電荷は、次に、障壁層９１４、ならびにその後、チャネル領域９２２および浮遊ドレイン８１８を横切って流れることができ、これらの全ては、第１の半導体基板８０２に負の電位が印加されたときに、Ｎ型領域９０６より高い電位を有することができる。
【０１００】
図９Ａおよび図９Ｂのスタック型フォトダイオード構造は、前側表面９０２または裏側表面９０４で受け取った光８１６の異なる成分を測定することによって、並べられた２Ｄおよび３Ｄ検知を可能にしているが、このような構造は、ブルーミングの影響を受けやすい可能性がある。ブルーミングは、第１の光成分８２２および／または第２の光成分８２４の強度が高すぎて第１のピン型フォトダイオード８０８および／または第２のピン型フォトダイオード８１０が飽和状態になり、さらなる電荷を蓄えることができず、蓄えられた電荷が飽和も破損もしていない他のフォトダイオードおよび／または他のピクセルセルにさらなる電荷が漏れるときに発生する可能性がある。
【０１０１】
図１１は、第１のフォトダイオード８０８の飽和によって引き起こされるブルーミングの例を示す。図１１に示されるように、例えば、第１の光成分８２２または第２の光成分８２４が非常に高い強度を有することにより、大量の負電荷が（第１のフォトダイオード８０８の）Ｎ型領域９１２に蓄積する可能性がある。さらに、ポリシリコンゲート９１８は、チャネル領域９２２をオフ状態にセットするためのオフ状態信号（例えば、チャネル形成閾値電圧より低い電圧）を受け取ることができ、チャネルは、チャネル領域９２２にまだ作り出されない。チャネル領域９２２および障壁層９１４における電位は、Ｐｓｕｂであることが可能である。電荷１１０２を含むより多くの負電荷がＮ型領域９１２に蓄積されると、Ｎ型領域９１２の電位は下がり続け、Ｐｓｕｂ未満に等しくなる可能性がある。この時点で、電荷１１０２は、Ｎ型領域９１２から障壁層９１４を横切って漏れ、（第２のフォトダイオード８１０の）Ｎ型領域９０６まで動き、Ｎ型領域９０６に蓄積された、異なる光成分の測定値を表す電荷を汚染する可能性がある。
【０１０２】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、第１のフォトダイオード８０８の飽和によって引き起こされるブルーミングを減らす、または防ぐことができるピクセルセル８００の構成要素の例を示す。図１２Ａは、ピクセルセル８００をＢＳＩデバイスとして示し、その一方で、図１２Ｂは、ピクセルセル８００をＦＳＩデバイスとして示す。図１２Ａおよび図１２Ｂに示されるように、チャネル領域９２２は、Ｐウェル９０８に形成されたドーパント層１２０２を含むことができる。ドーパント層１２０２は、（例えば、ｘ／ｙ軸と、および／または前側表面９０２と平行な）水平／横方向に沿って形成することができる。ドーパント層１２０２は、ポリシリコンゲート９１８がオフ状態信号を受け取ると、Ｐウェル９０８のバイアス電圧に対するチャネル領域９２２の電位を調節することができる。結果として、チャネル領域９２２は、障壁層９１４より低い、空の量子井戸の電位Ｐｅｍｐｔｙに対する電位差を有することができ、これにより、チャネル領域９２２は、障壁層９１４より低い、負電荷に対するバリアを提供することができる。結果として、Ｎ型アンチブルーミングチャネルを、Ｎ型領域９１２と浮遊ドレイン８１８との間のチャネル領域９２２に形成して、第１のフォトダイオード８０８から、および障壁層９１４から過剰な電荷を伝導させて消すことができる。アンチブルーミングチャネルは、（例えば、ｘ／ｙ軸と、および／または前側表面９０２と平行な）水平／横方向に沿って形成することができる。ドーパント層１２０２は、Ｎ型ドーパントを含むことができ、例えば、Ｎ型領域９１２および浮遊ドレイン８１８より低いドーパント濃度を有し、Ｎ型領域９１２の全井戸容量を減らす可能性があるバリアの過剰な低下を避けることができる。いくつかの例では、ドーパント層１２０２は、前側表面９０２から離れた埋設チャネルとしてアンチブルーミングチャネルを形成できるように、前側表面９０２から離れて位置することができる。前側表面９０２および酸化被膜９１６の直下に形成された表面チャネルと比較すると、埋設チャネルは、前側表面９０２と酸化被膜９１６との間の接触における結晶の欠陥から離して形成することができる。このような配置により、埋設チャネルは、結晶の欠陥における電荷の再結合によって引き起こされる暗電流の影響をあまり受けなくすることが可能であり、改善した暗電流性能をもたらすことができる。
【０１０３】
図１２Ｃは、ドーパント層１２０２によって行われる実例のアンチブルーミング動作を示す。図１２Ｃに示されるように、ドーパント層１２０２によって、チャネル領域９２２の電位は、Ｐｅｍｐｔｙに対してＰｓｕｂより高いＰ９２２に設定することができる。結果として、チャネル領域９２２には、障壁層９１４より低いバリアを生じさせることができる。一定量の負電荷を蓄積してＮ型領域９１２の電位がＰ９２２に達した後、Ｎ型領域９１２で生成されたさらなる負電荷は、チャネル領域９２２を介して浮遊ドレイン８１８に流すことができ、これにより、Ｎ型領域９１２の電位は、Ｐ９２２にとどまる。障壁層９１４の電位（Ｐｓｕｂ）は、Ｐ９２２より低いままなので、さらなる負電荷は、障壁層９１４を横切ってＮ型領域９０６に流れない。浮遊ドレイン８１８は、電荷シンクに接続して、さらなる負電荷を排出させることができる。
【０１０４】
ドーパント層１２０２は、第１のフォトダイオード８０８によって引き起こされるブルーミングを減らす、または防ぐことができるが、（第２のフォトダイオード８１０の）Ｎ型領域９０６の飽和によって引き起こされるブルーミングには対処できない。図１３に示されるように、例えば、第１の光成分８２２または第２の光成分８２４が非常に高い強度を有することにより、大量の負電荷がＮ型領域９０６に蓄積する可能性がある。電荷１３０２を含むより多くの負電荷がＮ型領域９０６に蓄積されると、Ｎ型領域９０６の電位は下がり続け、Ｐｓｕｂ未満に等しくなる可能性がある。この時点では、電荷１３０２を伝導させて消すための他の伝導経路がないので、電荷１３０２は、Ｎ型領域９０６から障壁層９１４を横切って漏れ、（第１のフォトダイオード８０８の）Ｎ型領域９１２まで動き、Ｎ型領域９１２に蓄積された、異なる光成分の測定値を表す電荷を汚染する可能性がある。電荷１３０２は、隣のピクセルセルまで漏れ、隣のピクセルセルに蓄えられた電荷を汚染する可能性もある。
【０１０５】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、第２のフォトダイオード８１０の飽和によって引き起こされるブルーミングを減らす、または防ぐことができるピクセルセル８００の構成要素の例を示す。図１４Ａは、ピクセルセル８００をＢＳＩデバイスとして示し、その一方で、図１４Ｂは、ピクセルセル８００をＦＳＩデバイスとして示す。図１４Ａおよび図１４Ｂに示されるように、ピクセルセル８００は、（第２のフォトダイオード８１０の）Ｎ型領域９０６から延在し、障壁層９１４を横切り、浮遊ドレイン８１８に達するチャネル領域１４０２を含むことができる。チャネル領域１４０２は、（例えば、ｚ軸と平行な）垂直方向に沿って、Ｐウェル９０８のＮ型ドーパント、Ｐ型障壁層９１４、およびＰ型半導体基板８０２内と交差するストリップを形成するように、例えば、１つまたは複数のイオン注入プロセスで形成することができる。Ｎ型ドーパントは、Ｐウェル９０８、Ｐ型障壁層９１４、およびＰ型半導体基板８０２のバイアス電圧に対するチャネル領域１４０２の電位を設定することができる。結果として、チャネル領域１４０２は、障壁層９１４より低い、空の量子井戸の電位Ｐｅｍｐｔｙに対する電位差を有することができ、これにより、チャネル領域１４０２は、障壁層９１４より低い、負電荷に対するバリアを提供することができる。結果として、チャネル領域１４０２は、Ｎ型領域９０６から、および障壁層９１４から過剰な電荷を伝導させて消すことができる。（例えば、ｚ軸と平行な）垂直アンチブルーミングチャネルは、浮遊ドレイン８１８とＮ型領域９０６との間に形成することができる。チャネル領域１４０２のドーパント濃度は、例えば、Ｎ型領域９０６および浮遊ドレイン８１８より低くして、Ｎ型領域９０６の全井戸容量を減らす可能性があるバリアの過剰な低下を避けることができる。Ｎ型ドーパントが、Ｎ型領域９１２から離れた距離を保ちながら、半導体基板８０２に深く貫通するように、異なる注入エネルギーおよび分量による複数のイオン注入ステップを前側表面９０２から実行することができる。
【０１０６】
図１４Ｃは、チャネル領域９２２および１４０２によって行われる実例のアンチブルーミング動作を示す。図１４Ｃに示されるように、チャネル領域１４０２の電位は、Ｐｅｍｐｔｙに対するＰｓｕｂより高いＰ１４０２に設定することができる。結果として、チャネル領域１４０２には、障壁層９１４より低いバリアを生じさせることができる。一定量の負電荷を蓄積して、Ｎ型領域９０６の電位がＰ１４０２に達した後、Ｎ型領域９０６で生成されたさらなる負電荷は、チャネル領域１４０２を介して浮遊ドレイン８１８に流すことができ、これにより、Ｎ型領域９０６の電位は、Ｐ１４０２にとどまる。障壁層９１４の電位（Ｐｓｕｂ）はＰ１４０２より低いままなので、さらなる負電荷は、障壁層９１４を横切ってＮ型領域９１２に流れない。さらに、上述のように、Ｎ型領域９１２から、および障壁層９１４からさらなる負電荷を伝導させて消すために、別のアンチブルーミングチャネルをチャネル領域９２２に形成することができる。Ｎ型領域９０６と９１２の両方からのさらなる負電荷は、浮遊ドレイン８１８に流すことができ、浮遊ドレイン８１８は、電荷シンクに接続して、さらなる負電荷を排出させることができる。
【０１０７】
いくつかの例では、図１４Ｄに示されるように、ピクセルセル８００は、チャネル領域１４０２と接続して、Ｎ型領域９０６から過剰な負電荷を排出させるために第２のドレイン１４２０を含むことができる。このような配置は、チャネル領域１４０２によるアンチブルーミング動作と、第１のフォトダイオード８０８からの電荷の読出しとの干渉を減らすことができる。特に、図１４Ａおよび図１４Ｂの配置では、チャネル領域１４０２は、読出しのために、ポリシリコンゲート９１８が、Ｎ型領域９１２から浮遊ドレイン８１８に電荷を移動させると同時に、Ｎ型領域９０６から浮遊ドレイン８１８に過剰な電荷を移動させることができる。結果として、Ｎ型領域９１２のためのアンチブルーミング動作からの過剰な電荷は、浮遊ドレイン８１８における読出し電荷を汚染する可能性がある。その一方で、第２のドレイン１４２０に過剰な電荷を動かすと、浮遊ドレイン８１８における読出し動作との干渉を避けることができる。代替として、シャッターデバイス（例えば、シャッター４０４）を使用して、読出し動作中のＮ型領域９０６および９１２の、光８１６への露光を停止することができ、これにより、Ｎ型領域９１２のためのアンチブルーミング動作と、浮遊ドレイン８１８における読出し動作との干渉を減らすこともできる。
【０１０８】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、チャネル領域１４０２、および障壁層９１４の電位を制御するための構成要素を有するピクセルセル８００の例を示す。図１５Ａおよび図１５Ｂにおけるピクセルセル８００は、ＦＳＩデバイスとして、またはＢＳＩデバイスとして構成することができる。図１５Ａに示されるように、ピクセルセル８００は、（例えば、ｚ軸と平行な）垂直方向に沿って前側表面９０２から第１の半導体基板８０２に延在する伝導性ディープトレンチアイソレーション（Ｃ−ＤＴＩ）１５０２ａおよび１５０２ｂを含むことができる。Ｃ−ＤＴＩは、絶縁層１５０４（例えば、酸化被膜）および伝導性材料１５０６（例えば、ポリシリコン）を含む。Ｃ−ＤＴＩ１５０２ａおよび１５０２ｂは、障壁層９１４の側面に達することができる。Ｃ−ＤＴＩ１５０２ａと１５０２ｂのそれぞれは、前側表面９０２から受け取った信号を伝導させて、障壁層９１４を横切る（例えば、ｘ／ｙ軸と平行な）横方向の電界を形成することができ、この電界は、障壁層９１４から電荷を押し出して、障壁層９１４の電位を調節することができる。Ｃ−ＤＴＩ１５０２ａおよび１５０２ｂは、隣のピクセルセルのフォトダイオードの間の絶縁も行うことができる。図１５Ａの左に示されるように、Ｃ−ＤＴＩ１５０２ａおよび１５０２ｂは、（第１のフォトダイオード８０８の）Ｐウェル９０８およびＮ型領域９１２、ならびに障壁層９１４の側面に達して、第１のフォトダイオード８０８および障壁層９１４に絶縁を提供することができる。さらに、図１５Ａの右に示されるように、Ｃ−ＤＴＩ１５０２ａおよび１５０２ｂは、障壁層９１４を横切って延在してＮ型領域９０６の側面に達し、第２のフォトダイオード８１０にも絶縁を提供することができる。
【０１０９】
図１５Ｂは、障壁層９１４の電位を制御するためのピクセルセル８００の他の例を示す。図１５Ｂの左に示されるように、Ｃ−ＤＴＩ１５０２ａおよび１５０２ｂは、裏側表面９０４から延在して、第１の半導体基板８０２、Ｎ型領域９０６、障壁層９１４、Ｎ型領域９１２、およびＰウェル９０８を絶縁することができる。このような配置は、隣のピクセルセルとの間の絶縁をさらに改善することができる。もう１つの接点１５０８を裏側表面９０４に設置して、Ｃ−ＤＴＩ１５０２ａおよび１５０２ｂ、ならびに第１の半導体基板８０２へのアクセスを提供することができる。
【０１１０】
いくつかの例では、図１５Ｂの右に示されるように、ピクセルセル８００は、前側表面９０２からＮ型領域９１２を横切って延在し、障壁層９１４に達するポリシリコンゲート１５１０を含むことができる。ポリシリコンゲート１５１０は、酸化被膜９１６によってＮ型領域９１２および障壁層９１４から絶縁される。ポリシリコンゲート１５１０は、障壁層９１４に電圧を伝導させることができる。電圧は、酸化被膜９１６上の電界をアサートして、障壁層９１４から負電荷を押し出すことができ、これにより、バリア９１４の電位を調節することができる。ピクセルセル８００は、Ｎ型領域９０６からポリシリコンゲート１５１０を絶縁して、Ｎ型領域９０６の電位に電圧が影響を及ぼすのを防ぐためにガードリング１５１６をさらに含むことができる。ピクセルセル８００は、隣のピクセルセルとの間の絶縁を行うために、ＤＴＩ１５２２ａおよび１５２２ｂをさらに含む。ＤＴＩは、ポリシリコンゲート１５１０で調節することができるバリア９１４の電位を変化させるために電界を伝導させる必要がないので、ＤＴＩは伝導性である必要はない。
【０１１１】
図１６Ａおよび図１６Ｂは、第２のフォトダイオード８１０の飽和によって引き起こされるブルーミングを減らす、または防ぐことができるピクセルセル８００の構成要素のさらなる例を示す。図１６Ａは、ピクセルセル８００をＢＳＩデバイスとして示し、その一方で、図１６Ｂは、ピクセルセル８００をＦＳＩデバイスとして示す。図１６Ａおよび図１６Ｂに示されるように、ピクセルセル８００は、９０４の裏側表面に形成されたチャネル領域１６０２、およびドレイン１６０４を含むことができる。チャネル領域１６０２は、電圧源（図１６Ａおよび図１６Ｂに図示せず）に接続して、チャネル領域１６０２の電位を設定することができ、その一方で、ドレイン１６０４は、電荷シンクに接続することができる。図１６Ｃを参照すると、ピクセルセル８００の周囲は、大きくドープされたＰ型領域１６０６、および大きくドープされたＮ型領域１６０８を含むことができる。Ｐ型領域１６０６とＮ型領域１６０８の両方は、Ｐウェル９０８およびＰ型の第１の半導体基板８０２に埋め込み、前側表面９０２から延在して、垂直軸に沿ってピクセルセル８００を横断することができる。Ｐ型領域１６０６は、前側表面９０２上の電気接点１６１０に接続して、バイアス電圧源の接続のための、前側表面９０２からチャネル領域１６０２へのアクセスを提供することができ、その一方で、Ｎ型領域１６０８は、前側表面９０２上の電気接点１６１２に接続して、電荷シンクの接続のための、前側表面９０２からドレイン１６０４へのアクセスを提供することができる。チャネル領域１６０２は、障壁層９１４より低い、空の量子井戸Ｐｅｍｐｔｙの電位に対する電位差を有するようにバイアスすることができ、これにより、チャネル領域１６０２は、障壁層９１４より低い、負電荷に対するバリアを提供することができる。結果として、チャネル領域１６０２は、Ｎ型領域９０６から、および障壁層９１４から過剰な電荷を伝導させて消すことができる。ドレイン１６０４は、電荷シンクに接続して、チャネル領域１６０２から過剰な電荷を排出させることができる。結果として、（例えば、ｚ軸と平行な）垂直アンチブルーミングチャネルを、Ｎ型領域９０６とドレイン１６０４の間に形成することができる。チャネル領域１６０２は、裏側表面９０４上にＰ型エピタキシャル層として形成することができ、その一方で、ドレイン１６０４は、Ｐ型エピタキシャル層上にＮ型ドーパントで形成することができる。図１６Ａでは、ピクセルセル８００は、ＢＳＩデバイスとして構成され、チャネル領域１６０２およびドレイン１６０４は、光８１６の伝搬経路上にあることが可能である。チャネル領域１６０２およびドレイン１６０４の厚さは、チャネル領域１６０２およびドレイン１６０４による光８１６の第２の光成分８２４の吸収を減らすように、最小化させることができる。
【０１１２】
図１６Ｄは、チャネル領域９２２および１６０２によって行われる実例のアンチブルーミング動作を示す。図１６Ｄに示されるように、チャネル領域１６０２の電位は、Ｐｅｍｐｔｙに対してＰｓｕｂより高いＰ１５０２に設定することができる。結果として、チャネル領域１６０２には、障壁層９１４より低いバリアを生じさせることができる。一定量の負電荷を蓄積して、Ｎ型領域９０６の電位がＰ１５０２に達した後、Ｎ型領域９０６に生成されたさらなる負電荷は、チャネル領域１６０２を介してドレイン１６０４に流すことができ、これにより、Ｎ型領域９０６の電位は、Ｐ１５０２にとどまる。障壁層９１４の電位（Ｐｓｕｂ）はＰ１５０２より低いままなので、さらなる負電荷は、障壁層９１４を横切ってＮ型領域９１２に流れない。さらに、上述のように、チャネル領域９２２に別のアンチブルーミングチャネルを形成して、Ｎ型領域９１２から、および障壁層９１４から浮遊ドレイン８１８にさらなる負電荷を伝導させて消すことができる。
【０１１３】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、チャネル領域１６０２およびドレイン１６０４、ならびに、障壁層９１４の電位を制御するための構成要素を有するピクセルセル８００の例を示す。障壁層９１４の電位を制御するための構成要素は、図１５Ａおよび図１５Ｂで説明したものと同一であり、これについての説明は、ここでは繰り返さない。図１７Ｂでは、チャネル領域１６０２およびドレイン１６０４へのアクセスをそれぞれ提供するために、電気接点１７０２および１７０４を提供することができる。図１７Ａおよび図１７Ｂでは、隣のピクセルセルのチャネル領域１６０２およびドレイン１６０４は、ＤＴＩまたはＣＤＴＩによって互いに絶縁されていない場合、互いに短絡させることができる。隣のピクセルセルのチャネル領域１６０２およびドレイン１６０４を短絡させると、各ピクセルセルの第２のフォトダイオード８１０から電荷シンクへの伝導経路の抵抗をさらに減らすことができ、これにより、ピクセルセルからの過剰な電荷の移動を高速化させ、アンチブルーミング動作をさらに改善することができる。
【０１１４】
本開示の実施形態の前述の説明は、例証のために提示されてきたが、網羅的であること、または、開示した精密な形に本開示を限定することを意図するものではない。上記の開示の観点から多くの修正および変更が可能であるということを当業者は認識するはずである。
【０１１５】
本説明の部分の中には、情報に対する動作のアルゴリズムおよび記号表現の観点から本開示の実施形態を説明するものもある。これらのアルゴリズム的説明および表現は、当業者の作業の実体を効果的に当業者に伝えるために、当業者によって全体的に使用される。これらの動作は、機能的に、演算的に、または論理的に説明するが、コンピュータプログラム、または、同等の電気回路、マイクロコード、もしくは同様のものによって実現されることがわかる。さらに、一般性を失うことなく、動作のこれらの配置をモジュールと呼ぶことが時に便利であることも証明されてきた。説明した動作、および、これらに関連するモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、および／またはハードウェアで具体化することができる。
【０１１６】
説明したステップ、動作、または処理は、１つまたは複数のハードウェアまたはソフトウェアモジュール単独で、または、他のデバイスと組み合わせて実行すること、または実現することができる。いくつかの実施形態では、ソフトウェアモジュールは、コンピュータプログラムコードを収めるコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータプログラム製品で実現され、コンピュータプログラムコードは、説明したステップ、動作、または処理のいずれかまたは全てを実行するために、コンピュータプロセッサで実行することができる。
【０１１７】
また、本開示の実施形態は、説明した動作を実行するための装置に関するものであってもよい。装置は、必要な目的のために特に構築することができ、および／または、コンピュータに記憶されたコンピュータプログラムによって選択的にアクティブにされた、または再構成された汎用コンピューティングデバイスを備えることができる。このようなコンピュータプログラムは、非一時的な有形のコンピュータ可読ストレージ媒体、または、電子的な命令を記憶するのに適した任意のタイプの媒体に記憶することができ、これらの媒体は、コンピュータシステムバスに連結することができる。さらに、本明細書で引用したいずれかのコンピューティングシステムは、単一のプロセッサを含むことができ、または、計算能力を向上させるために複数のプロセッサ設計を採用したアーキテクチャであってもよい。
【０１１８】
また、本開示の実施形態は、本明細書で説明した計算処理によって生み出された製品に関するものであってもよい。このような製品は、計算処理から生じた情報を含むことができ、ここで、情報は、非一時的な有形のコンピュータ可読ストレージ媒体に記憶し、本明細書で説明したコンピュータプログラム製品、または、他のデータの組合せのいずれかの実施形態を含むことができる。
【０１１９】
本明細書で使用した言葉は、可読性および指示目的のために主に選択してきたが、発明の主題を正確に描写するため、または制限するために選択してこなかった可能性がある。したがって、本開示の範囲は、この「発明を実施するための形態」によってではなく、むしろ、本明細書に基づく用途に対して発行するいずれかの請求項によって限定されることを意図するものである。したがって、実施形態の本開示は、本開示の範囲を例証するためのものであるが、限定するものではなく、以下の特許請求の範囲に示す。
【図１Ａ】
2021528838.tif 000003
【図１Ｂ】
2021528838.tif 000004
【図２】
2021528838.tif 000005
【図３】
2021528838.tif 000006
【図４】
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【図５】
2021528838.tif 000008
【図６】
2021528838.tif 000009
【図７Ａ】
2021528838.tif 000010
【図７Ｂ】
2021528838.tif 000011
【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
2021528838.tif 000014
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
2021528838.tif 000017
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
2021528838.tif 000019
【図１２Ｃ】
2021528838.tif 000020
【図１３】
2021528838.tif 000021
【図１４Ａ】
2021528838.tif 000022
【図１４Ｂ】
2021528838.tif 000023
【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５Ａ】
2021528838.tif 000026
【図１５Ｂ】
2021528838.tif 000027
【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【国際調査報告】
2021528838.tif 000034
2021528838.tif 000035