在工业控制、虚拟现实、自动驾驶和生物医学等领域,三维深度数据的获取一直起着至关重要的作用。但是算法复杂度高、设备体积大以及功耗高等种种局限性一直限制着传统3D传感的发展。近几年来,随着CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)技术的不断发展,通过飞行时间法实现低功耗体积小的3D传感系统成为可能。飞行时间法(TOF:Time of Flight)是通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行往返时间来得到目标物距离的三维成像方法。飞行时间法的测量精度和性能极度依赖像素器件的表现。因此,研究出一款性能卓越并与CMOS或CIS(CMOS Image Sensor)工艺匹配的像素器件具有极其重要的意义。基于间接飞行时间测距法的原理,本文分析了间接飞行时间传感器测距精度与其像素器件的性能关系。对比分析了各类间接飞行时间法像素器件的工作原理、基础结构及其各项性能指标,并指出像素器件随工艺发展的设计局限性。随后对电流辅助光子解调器件(CAPD:Current-assisted Photonic Demodulator)、基于钳位光电二极管(PPD:Pinned Photodiode)的解调器件以及Kinect解调器件存在的优缺点进行分析。提炼出目前解调器件需要改进的关键点后,分别基于标准CMOS工艺和CIS工艺,设计了三款不同的像素器件。主要研究工作如下:1.针对CAPD,本文以包围式结构为基础,基于0.18um CMOS工艺,根据其原理特性采用了高阻衬底设计出了一款掺杂和结构合理面积10um×10um的CAPD。高阻衬底的使用让其能量耗散的问题得到解决。最后经过仿真得到所设计CAPD器件光生电荷转移时间小于20ns。2.针对以PPD为基本框架的解调器件,由于该类器件N埋层的存在使得感光区电势梯度难以形成,电子在感光区大多依靠扩散进行传输,这使得高频下的高解调对比度难以实现。根据其转移电场不足的特性,基于电势关系随PN结耗尽区宽度递增的原理,采用GSMC 0.18um CIS工艺,分别使用三角形PPD和引导栅的方式从电子转移的两个方向进行了电场增强,得到了面积3um×6um光生电荷转移时间小于10ns的解调结构。3.针对Kinect解调器件,本文将STI作为解调隔离结构,并作为光栅增大器件量子效率。借鉴PPD电荷转移过程中所面临的问题和CIS工艺采用的应对方法,基于GSMC 0.18um CIS工艺,设计出一款基于Kinect结构的3um×5um解调像素。该款器件在本文所设计三款器件中表现最为优越。通过仿真其在100MHz解调频率下,可以达到87.39%的解调对比度。