Title:
Optische Sensorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Laufzeitsensors
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Eine optische Sensorvorrichtung, die ein Laufzeitsensor sein kann, umfasst ein Pixelarray mit mehreren Pixeln. Zudem umfasst die optische Sensorvorrichtung einen Ausleseknoten, der dazu konfiguriert ist, photogenerierte Ladungsträger von einem ersten und einem zweiten Pixel für ein Auslesen bereitzustellen, und ein erstes Transfergate, das dazu konfiguriert ist, ein Auslesen des ersten Pixels unter Verwendung des Ausleseknotens zu aktivieren, und ein zweites Transfergate zum Deaktivieren eines Auslesens des zweiten Pixels während des Auslesens des ersten Pixels.





Inventors:
Feick, Henning (01099, Dresden, DE)
Application Number:
DE102016208347A
Publication Date:
11/16/2017
Filing Date:
05/13/2016
Assignee:
Infineon Technologies AG, 85579 (DE)
International Classes:
H04N5/335; G01S7/481; G01S17/89; H01L27/146
Domestic Patent References:
DE102012204512A1N/A
Foreign References:
9000349
20120268566
20130307968
20140002636
20160133659
Attorney, Agent or Firm:
Schoppe, Zimmermann, Stöckeler, Zinkler, Schenk & Partner mbB Patentanwälte, 81373, München, DE
Claims:
1. Optische Sensorvorrichtung (2), die Folgendes umfasst:
ein Pixelarray (4) mit mehreren Pixeln (4a, 4b, 4c, 4d);
einen Ausleseknoten (6, 6'), der dazu konfiguriert ist, photogenerierte Ladungsträger (16a) von einem ersten und einem zweiten Pixel (4a, 4b) für ein Auslesen bereitzustellen; und
ein erstes Transfergate (8a), das dazu konfiguriert ist, ein Auslesen des ersten Pixels (4a) unter Verwendung des Ausleseknotens (6) zu aktivieren, und ein zweites Transfergate (8b) zum Deaktivieren eines Auslesens des zweiten Pixels (4b) während des Auslesens des ersten Pixels;
wobei die optische Sensorvorrichtung (2) ein Laufzeitsensor ist.

2. Optische Sensorvorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die optische Sensorvorrichtung dazu konfiguriert ist, eine phasenempfindliche Demodulation der photogenerierten Ladungsträger (16a) in den mehreren Pixeln (4) auszuführen.

3. Optische Sensorvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das erste Transfergate (8a) dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger (16a) in einem Auslesemodus von einem Speichergebiet (20a) des ersten Pixels (4a) an den Ausleseknoten (6) zu liefern und einen Transfer der photogenerierten Ladungsträger (16a) in einem Erfassungsmodus des ersten Pixels von dem Speichergebiet (20a) des ersten Pixels (4a) zu dem Ausleseknoten (6) zu deaktivieren, wobei das Speichergebiet (20a) des ersten Pixels (4a) dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger des ersten Pixels zu speichern.

4. Optische Sensorvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Transfergate (8b) dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger (16a) in einem Auslesemodus von einem Speichergebiet (20) des zweiten Pixels (4b) an den Ausleseknoten (6) zu liefern und einen Transfer der photogenerierten Ladungsträger von dem Speichergebiet (20) des zweiten Pixels (4b) in einem Erfassungsmodus des zweiten Pixels zu dem Ausleseknoten (6) zu deaktivieren, wobei das Speichergebiet des zweiten Pixels dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger des zweiten Pixels zu speichern.

5. Optische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner Folgendes umfasst:
einen weiteren Ausleseknoten (6'), der dazu konfiguriert ist, photogenerierte Ladungsträger von einem weiteren Speichergebiet (20') des ersten und/oder des zweiten Pixels für ein Auslesen bereitzustellen;
wobei der weitere Ausleseknoten (6') dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger von dem Speichergebiet des ersten und/oder des zweiten Pixel zu liefern;
wobei das Speichergebiet dazu konfiguriert ist, photogenerierte Ladungsträger, die von einem elektromagnetischen Signal (13) mit einer ersten Phase stammen, zu speichern, und/oder wobei das weitere Speichergebiet (20') dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger, die von dem elektromagnetischen Signal (13) mit der zweiten Phase stammen, zu speichern.

6. Optische Sensorvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jedes Pixel (4) ferner Folgendes umfasst:
eine erste Steuerelektrode (9), die dazu konfiguriert ist, ein erstes elektrisches Feld in ein Umwandlungsgebiet der optischen Sensorvorrichtung zu liefern, so dass ein elektromagnetisches Signal (13) mit einer ersten Phase in die photogenerierten Ladungsträger (16a) umgewandelt wird, und wobei die erste Steuerelektrode (9) dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger an das Speichergebiet (20) zu liefern.

7. Optische Sensorvorrichtung (2) nach Anspruch 6, wobei jedes Pixel ferner Folgendes umfasst:
eine zweite Steuerelektrode (9'), die dazu konfiguriert ist, ein zweites elektrisches Feld in ein Umwandlungsgebiet (12) der optischen Sensorvorrichtung (2) zu liefern, so dass ein elektromagnetisches Signal (13) mit einer zweiten Phase in die weiteren photogenerierten Ladungsträger umgewandelt wird, und wobei die weitere Steuerelektrode (9') dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger an das weitere Speichergebiet (20') zu liefern.

8. Optische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ausleseknoten (6, 6') dazu konfiguriert ist, photogenerierte Ladungsträger sukzessive von wenigstens drei Pixeln (4a, 4b, 4c) des Arrays von Pixeln (4) bereitzustellen.

9. Optische Sensorvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein weiterer Ausleseknoten (6') dazu konfiguriert ist, photogenerierte Ladungsträger sukzessive von wenigstens drei Pixeln des Arrays von Pixeln bereitzustellen.

10. Optische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner eine Steuerung (22) umfasst, die dazu konfiguriert ist, das Auslesen des ersten und des zweiten Pixels (4a, 4b) durch den Ausleseknoten (6) zu steuern.

11. Optische Sensorvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die ferner eine Steuerung (22) umfasst, die dazu konfiguriert ist, das erste Transfergate (8a) so zu steuern, dass das erste Transfergate ein erstes elektrisches Potential in einem Auslesemodus des ersten Pixels (4a) erhält und dass das erste Transfergate ein zweites elektrisches Potential in einem Erfassungsmodus des ersten Pixels (4a) erhält, wobei sich das erste elektrische Potential von dem zweiten elektrischen Potential unterscheidet.

12. Optische Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Steuerung (22) dazu konfiguriert ist, die Transfergates von Pixeln (4), die mit dem Ausleseknoten (6) verbunden sind, so zu steuern, dass ein Transfer der photogenerierten Ladungsträger zu dem Ausleseknoten für die verbundenen Pixel deaktiviert wird, falls der Transfer der photogenerierten Ladungsträger zu dem Ausleseknoten für eines der Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, aktiviert ist.

13. Optische Sensorvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
wobei das Pixelarray (4) wenigstens drei Pixel (4a, 4b, 4c) umfasst;
wobei der Ausleseknoten (6) dazu konfiguriert ist, photogenerierte Ladungsträger von den wenigstens drei Pixeln für ein Auslesen bereitzustellen;
ein drittes Transfergate (8c) bei dem dritten Pixel (4c);
wobei eine Steuerung (22) dazu konfiguriert ist, die Transfergates (8a, 8b, 8c) der wenigstens drei Pixel (4a, 4b, 4c), die mit dem Ausleseknoten (6) verbunden sind, so zu steuern, dass, falls eines der Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, für ein Auslesen aktiviert ist, die verbleibenden Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, für ein Auslesen (6) deaktiviert sind, so dass ein sukzessives Auslesen der Pixel, die mit dem Ausleseknoten (6) verbunden sind, durchgeführt wird.

14. Optische Sensorvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Steuerelektrode (9, 9') so angeordnet ist, dass sie das Speichergate (22, 22') wenigstens teilweise bedeckt.

15. Verfahren (600) zum Betreiben eines Laufzeitsensors, das Folgendes umfasst:
Steuern eines ersten Transfergates eines ersten Pixels und Steuern eines zweiten Transfergates eines zweiten Pixels, so dass ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem ersten Pixel zu einem Ausleseknoten deaktiviert wird, falls ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem zweiten Pixel zu dem Ausleseknoten aktiviert wird, und/oder so dass ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem zweiten Pixel zu einem Ausleseknoten deaktiviert wird, falls ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem ersten Pixel zu dem Ausleseknoten aktiviert wird.

16. Optische Sensorvorrichtung (2), die Folgendes umfasst:
ein Pixelarray (4) mit wenigstens drei Pixeln;
einen Ausleseknoten (6), der dazu konfiguriert ist, photogenerierte Ladungsträger (16a) von den wenigstens drei Pixeln (4a, 4b, 4c) für ein Auslesen bereitzustellen;
einen weiteren Ausleseknoten (6'), der dazu konfiguriert ist, weitere photogenerierte Ladungsträger von den wenigstens drei Pixeln für ein Auslesen bereitzustellen, wobei die weiteren photogenerierten Ladungsträger von den photogenerierten Ladungsträgern verschieden sind;
wobei jedes Pixel (4) der wenigstens drei Pixel (4a, 4b, 4c) ein Transfergate (8) umfasst, das dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger von einem Speichergebiet (20) von jedem der drei Pixel an den Ausleseknoten (6) zu liefern;
wobei jedes Pixel (4) der wenigstens drei Pixel (4a, 4b, 4c) ein weiteres Transfergate (8') umfasst, das dazu konfiguriert ist, die weiteren photogenerierten Ladungsträger von einem weiteren Speichergebiet (20') von jedem der drei Pixel an den weiteren Ausleseknoten (6') zu liefern;
wobei das Speichergebiet (20) dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger (16a), die von einem elektromagnetischen Signal mit einer ersten Phase stammen, zu speichern, und wobei das weitere Speichergebiet (20') dazu konfiguriert ist, die weiteren photogenerierten Ladungsträger, die von dem elektromagnetischen Signal mit der zweiten Phase stammen, zu speichern;
wobei eine Steuerung (22) dazu konfiguriert ist, die Transfergates (8) der wenigstens drei Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, so zu steuern, dass, falls eines der Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, für ein Auslesen aktiviert ist, die verbleibenden Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, für das Auslesen deaktiviert sind, so dass ein sukzessives Auslesen der Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, durchgeführt wird.

Description:

Diese Beschreibung betrifft allgemein das Gebiet integrierter Schaltkreise, insbesondere das Gebiet optischer Sensoren, die Photogatestrukturen einsetzen, um photogenerierte Ladungsträger umzuleiten, und eine Anordnung der Photogatestrukturen. Weitere Ausführungsformen zeigen eine Transfergate-Photomischvorrichtung.

Optische Sensoren und insbesondere optische Laufzeitsensoren zur Tiefenbildgebung leiden unter einem vergleichsweise hohen (d. h. schlechten) Signal-Rausch-Verhältnis für elektrische Signale, die die Laufzeit repräsentieren, welche die Zeit ist, die ein elektromagnetisches Signal, wie etwa z. B. Licht, benötigt, um von einer aktiven Beleuchtungsquelle zu einem Objekt und dann zurück, oder weiter, zu dem optischen Sensor zu laufen. Das Signal kann durch eine Amplitudenmodulation der Beleuchtungsquelle und die Bildbeziehung in dem optischen Sensor gebildet werden. In Abhängigkeit von der Phasenbeziehung zu der Beleuchtungsquelle wird nur ein Bruchteil der photogenerierten Ladungsträger zu einem Ladungsintegrationsknoten geleitet, der nach einer bestimmten Integrationszeit ausgelesen wird. Da diese Ladung klein ist, ist es schwierig, eine große Signalspannung in Bezug auf die Rauschquelle von dem elektronischen Ausleseschaltkreis zu erhalten.

Dementsprechend zeigt die momentane Gestaltung von Laufzeitsensoren grundlegende Beschränkungen der Signalqualität und daher der Genauigkeit der Laufzeitmessung.

Daher besteht ein Bedarf für ein verbessertes Konzept für Laufzeitsensoren mit einer verbesserten Signalqualität.

Eine optische Sensorvorrichtung, die ein Laufzeitsensor sein kann, umfasst ein Pixelarray mit mehreren Pixeln. Zudem umfasst die optische Sensorvorrichtung einen Ausleseknoten, der dazu konfiguriert ist, photogenerierte Ladungsträger von einem ersten und einem zweiten Pixel für ein Auslesen bereitzustellen, und ein erstes Transfergate, das dazu konfiguriert ist, ein Auslesen des ersten Pixels unter Verwendung des Ausleseknotens zu aktivieren, und ein zweites Transfergate zum Deaktivieren eines Auslesens des zweiten Pixels während des Auslesens des ersten Pixels.

Das Transfergate kann in die optische Sensorstruktur integriert sein, die die potentialungebundene Diode (oder den Ausleseknoten) von dem (Ladungs-)Speichergebiet unter dem Trenngate trennt. Daher kann das Transfergate eine Potentialbarriere zwischen dem Ausleseknoten und dem Speichergebiet während eines Auslesens der Ladungsträger verschieben oder reduzieren und ermöglicht der Potentialbarriere zwischen dem Ausleseknoten und dem Speichergebiet, zu unterbinden, dass Ladungsträger während eines Erfassungsmodus, oder allgemeiner, falls das Auslesen der Ladungsträger bei einem momentanen Pixel deaktiviert ist, von dem Speichergebiet zu dem Ausleseknoten transferiert werden. Da das Transfergate auf eine solche Weise gesteuert werden kann, dass es eine globale Verschlussaktion implementiert, kann es einen Halteschalter in einem Ausleseschaltkreis ersetzen, der typischerweise verwendet wird, um den tatsächlichen Auswertungs- oder nalyseteil der Ausleseschaltkreisverarbeitungsladungsträger einer vorherigen Messung von den Ladungsträgern, die in der momentanen Messung generiert werden, zu trennen. Bei weiteren Ausführungsformen kann das Transfergate die Möglichkeit bereitstellen, photogenerierte Ladungsträger von dem Ausleseknoten und daher von dem Ausleseschaltkreis zu trennen, so dass der Ausleseknoten (und der Ausleseschaltkreis) betätigt werden kann, während eine Sammlung von Ladungsträgern in dem Speichergebiet des Pixels stattfindet.

Weiterhin wird mehr (oder eine größere) Fläche eines Halbleitersubstrats eingespart, falls ein gemeinsamer Ausleseknoten mit zwei (oder mehr) Pixeln des Laufzeitsensors verbunden ist, um ein aufeinanderfolgendes Auslesen der Ladungsträger von beiden Pixeln durchzuführen. Das Transfergate jedes Pixels befindet sich zwischen dem (gemeinsamen) Ausleseknoten und dem Speichergebiet jedes Pixels. Im Vergleich dazu, dass ein Ausleseknoten für jedes Pixel des Sensors vorhanden ist, wird daher die Fläche eines Ausleseknotens eingespart, falls zwei angrenzende Pixel mit einem gemeinsamen Ausleseknoten verbunden sind.

Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst die optische Sensorvorrichtung ein Pixelarray mit wenigstens drei Pixeln. Daher ist der Ausleseknoten dazu konfiguriert, photogenerierte Ladungsträger von den wenigstens drei Pixeln für ein Auslesen bereitzustellen. Ein weiterer Ausleseknoten ist dazu konfiguriert, weitere photogenerierte Ladungsträger von den wenigstens drei Pixeln für ein Auslesen bereitzustellen, wobei die weiteren photogenerierten Ladungsträger von den photogenerierten Ladungsträgern verschieden sind. Insbesondere können die weiteren photogenerierten Ladungsträger durch Demodulation des eingehenden elektromagnetischen Signals bei einer Phase generiert werden, die sich von der Phase unterscheidet, die für eine Demodulation des elektromagnetischen Signals, das die photogenerierten Ladungsträger generiert, verwendet wird. Mit anderen Worten werden die photogenerierten Ladungsträger und die weiteren photogenerierten Ladungsträger unter Verwendung des eingehenden elektromagnetischen Signals (wie etwa z. B. von Licht) jeweils mit einer ersten Phase bzw. einer zweiten Phase generiert (z. B. durch den inneren photoelektrischen Effekt). Zudem umfasst jedes Pixel der wenigstens drei Pixel ein Transfergate, das dazu konfiguriert ist, die photogenerierten Ladungsträger von einem Speicherbereich von jedem der Pixel zu dem Ausleseknoten und damit, falls ein Ausleseschaltkreis mit dem Ausleseknoten verbunden ist, an den Ausleseschaltkreis zu liefern.

Weiterhin kann gemäß der Ausführungsform jedes Pixel der wenigstens drei Pixel ein weiteres Transfergate umfassen, das dazu konfiguriert ist, die weiteren photogenerierten Ladungsträger von einem weiteren Speichergebiet von jedem der (wenigstens drei) Pixel an den weiteren Ausleseknoten zu liefern. Das Speichergebiet kann die photogenerierten Ladungsträger, die von einem elektromagnetischen Signal mit der ersten Phase stammen, speichern und das weitere Speichergebiet kann die weiteren photogenerierten Ladungsträger, die von einem elektromagnetischen Signal mit der zweiten Phase stammen, speichern. Zudem kann die Steuerung die Transfergates der wenigstens drei Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, so steuern, dass, falls sich eines der Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, in einem Auslesemodus befindet, sich die verbleibenden Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, in einem Erfassungsmodus befinden, so dass ein sukzessives Auslesen der Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, durchgeführt wird. Dieser Ansatz wird als ein Zwei-Tap-Pixel bezeichnet, da dasselbe eingehende elektromagnetische Signal für (zwei) unterschiedliche Phasenverschiebungen demoduliert wird, so dass während einer Messung Informationen von den zwei unterschiedlichen Phasen erhalten werden können. Daher sind zwei getrennte Ausleseknoten mit einem einzigen Zwei-Tap-Pixel verbunden, so dass, falls ein zweites Pixel mit denselben Ausleseknoten verbunden ist, eine Fläche von zwei Ausleseknoten im Vergleich dazu, dass jedes Pixel seine eigenen Ausleseknoten aufweist, eingespart wird.

Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Laufzeitsensors Steuern eines ersten Transfergates eines ersten Pixels und Steuern eines zweiten Transfergates eines zweiten Pixels, so dass ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem ersten Pixel zu einem Ausleseknoten deaktiviert wird, falls ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem zweiten Pixel zu dem Ausleseknoten aktiviert wird. Zusätzlich oder alternativ dazu wird ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem zweiten Pixel zu dem Ausleseknoten deaktiviert, falls ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem ersten Pixel zu dem Ausleseknoten aktiviert wird.

Ausführungsformen der Offenbarung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erörtert, in denen:

1 eine schematische Draufsicht einer optischen Sensorvorrichtung zeigt;

2 eine schematische Querschnittsansicht der optischen Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt;

3 eine schematische Draufsicht eines beispielhaften Pixelarrays der optischen Sensorvorrichtung zeigt;

4a, b ein schematisches Zeitverlaufsdiagramm eines beispielhaften Auslesens von zwei Pixeln, die mit einem einzigen Ausleseknoten verbunden sind, zeigen;

5a–d schematische Querschnittsansichten der optischen Sensorvorrichtung gemäß Ausführungsformen zeigen; und

6 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Laufzeitsensors zeigt.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Offenbarung ausführlicher beschrieben. Für Elemente, die in den jeweiligen Figuren gezeigt sind, mit der gleichen oder einer ähnlichen Funktionalität werden die gleichen Bezugszeichen zugeordnet. Weiterhin kann das gleiche Bezugszeichen, dem ein einziger Buchstabe (a, b, c, d) angehängt ist, auf das gleiche Element in einem anderen Pixel verweisen, wobei das gleiche Bezugszeichen, dem ein Apostroph (') angehängt ist, auf das gleiche Element in dem gleichen Pixel verweisen kann, das jedoch verschiedenen photogenerierten Ladungsträgern zugeordnet ist.

1 zeigt eine schematische Draufsicht einer optischen Sensorvorrichtung 2. Die optische Sensorvorrichtung 2 kann ein Laufzeitsensor sein. Der Sensor 2 umfasst ein Pixelarray 4, einen Ausleseknoten 6, ein erstes Transfergate 8a und ein zweites Transfergate 8b. Das Pixelarray 4 weist mehrere Pixel 4a, 4b auf. Der Ausleseknoten kann sich wenigstens zwischen zwei Pixeln der mehreren Pixel befinden, so dass sowohl ein erstes Pixel 4a als auch ein zweites Pixel 4b elektrisch mit dem Ausleseknoten 6 verbunden sind. Jedoch sind das erste Pixel 4a und das zweite Pixel 4b elektrisch voneinander isoliert. Daher kann der Ausleseknoten photogenerierte Ladungsträger von dem ersten und zweiten Pixel 4a, 4b für ein Auslesen bereitstellen. Zudem kann das erste Transfergate 8a des ersten Pixels 4a dazu konfiguriert sein, ein Auslesen des ersten Pixels 4a unter Verwendung des Ausleseknotens 6 zu aktivieren, und das zweite Transfergate 8b kann ein Auslesen des zweiten Pixels 4b während eines Auslesens des ersten Pixels 4a deaktivieren. Eine solche Anordnung von Pixeln um einen gemeinsamen Ausleseknoten 6 ermöglicht es, optische Sensorvorrichtungen mit einer kleineren Größe zu gestalten, da die Fläche des Halbleitersubstrats, wo Ausleseknoten gebildet sind, erheblich reduziert wird (näherungsweise um die Größe der eingesparten Ausleseknoten). Zudem nimmt der optisch empfindliche Bereich des Halbleitersubstrats, in dem sich Pixel befinden, oder genauer, in dem das eingehende elektromagnetische Signal die photogenerierten Ladungsträger generieren kann, die zu dem Sensorsignal beitragen, zu, da der optisch inaktive Bereich, in dem sich Ausleseknoten befinden, reduziert wird. Mit anderen Worten wird das Verhältnis der optisch aktiven Größe eines Pixelarrays im Vergleich zu der tatsächlichen Größe des Pixelarrays (oder des Halbleitersubstrats) erhöht. Das Konzept kann auf CCD(Charge Coupled Device – ladungsgekoppelte Vorrichtung)- und/oder CMOS-Laufzeitsensoren (CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor – komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter), die eine Umleitung photogenerierter Ladungsträger verwenden, angewandt werden oder auf eine beliebige andere geeignete Gestaltung, die sich von einer CCD unterscheidet, angewandt werden.

Gemäß Ausführungsformen kann das Transfergate die photogenerierten Ladungsträger in einem Auslesemodus (der optischen Sensorvorrichtung) von einem Speichergebiet 20 des ersten Pixels 4a an den Ausleseknoten 6 liefern und einen Transfer der photogenerierten Ladungsträger von dem Speichergebiet 20 des ersten Pixels 4a zu dem Ausleseknoten 6 in einem Erfassungsmodus des ersten Pixels, oder genauer, falls sich das erste Pixel nicht in dem Auslesemodus befindet, deaktivieren. Das Speichergebiet 20 des ersten Pixels kann dazu konfiguriert sein, die photogenerierten Ladungsträger des ersten Pixels zu speichern.

Zudem kann das zweite Transfergate 8b gemäß Ausführungsformen die photogenerierten Ladungsträger 16a in dem Auslesemodus des zweiten Pixels von dem Speichergebiet 20 des zweiten Pixels (unterhalb des Speichergates 22b, vergleiche 3) an den Ausleseknoten 6 liefern und einen Transfer der photogenerierten Ladungsträger von dem Speichergebiet des zweiten Pixels zu dem Ausleseknoten in einem Erfassungsmodus des zweiten Pixels oder alternativ dazu, falls sich das zweite Pixel nicht in dem Auslesemodus befindet, deaktivieren. Das Speichergebiet des zweiten Pixels kann die photogenerierten Ladungsträger des zweiten Pixels 4b speichern.

2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Pixels 4a in Verbindung mit einem beispielhaften Ausleseschaltkreis 10 und beispielhaften Potentialbarrieren in Diagramm 12 gemäß einer Ausführungsform. Die optische Sensorvorrichtung 2 kann eine Steuerelektrode 9 zum Anlegen eines Demodulationssignals an den Laufzeitsensor umfassen, um z. B. die durch das elektromagnetische Signal 13 generierten Ladungsträger 16a mit der ersten Phase zu dem Ausleseknoten 6 zu leiten. Mit anderen Worten kann die optische Sensorvorrichtung eine erste Steuerelektrode 9 für jedes Pixel umfassen, die dazu konfiguriert ist, ein erstes elektrisches Feld in ein Umwandlungsgebiet der optischen Sensorvorrichtung zu liefern, so dass ein elektromagnetisches Signal mit einer ersten Phase in die photogenerierten Ladungsträger umgewandelt wird, und wobei die erste Steuerelektrode dazu konfiguriert ist, die generierten Ladungsträger an das Speichergebiet zu liefern. Eine optische Sensorvorrichtung mit nur einem Speichergebiet 20 kann als ein Ein-Tap-Pixel bezeichnet werden.

Bei dem Zwei-Tap-Pixel-Ansatz, wie in 2 gezeigt, kann die optische Sensorvorrichtung 2 ferner eine Steuerelektrode 9' zum Anlegen eines Demodulationssignals an den Laufzeitsensor umfassen, um z. B. die durch das elektromagnetische Signal 13 generierten weiteren Ladungsträger (nicht gezeigt) mit der zweiten Phase zu dem weiteren Speichergebiet 20' und dem weiteren Ausleseknoten 6' zu leiten. Die Elektroden (oder Modulationsgates) 9, 9' können durch ein Isolationsmaterial 21 von dem Umwandlungsgebiet 11 getrennt werden. Das Isolationsmaterial 21 kann die Steuerelektrode und die weitere Steuerelektrode von dem Umwandlungsgebiet 11 trennen. Daher kann es eine (kontinuierliche) Schicht des Isolationsmaterials oder alternativ dazu verschiedene nicht kontinuierliche Schichten verwenden. Das Isolationsmaterial kann ein Zwischenschichtdielektrikum (ILD: Interlayer Dielectric), wie etwa eine Oxidgrenzschicht, sein. Eine Dicke des Isolationsmaterials kann oberhalb von 1,5 Nanometer liegen. Mit anderen Worten kann eine zweite Steuerelektrode ein zweites elektrisches Feld in das Umwandlungsgebiet der optischen Sensorvorrichtung liefern, so dass ein elektromagnetisches Signal mit einer zweiten Phase in die photogenerierten Ladungsträger umgewandelt wird, und wobei die zweite Steuerelektrode dazu konfiguriert ist, die generierten Ladungsträger an das weitere Speichergebiet zu liefern.

Mit weiteren anderen Worten kann die optische Sensorvorrichtung einen weiteren Ausleseknoten zum Bereitstellen von photogenerierten Ladungsträgern von einem weiteren Speichergebiet 20' (unterhalb des weiteren Speichergates 22') des ersten und/oder des zweiten Pixels 4a, 4b für ein Auslesen bereitstellen. Weiterhin kann der weitere Ausleseknoten 6' photogenerierte Ladungsträger von dem Speichergebiet 20' des ersten und/oder des zweiten Pixels bereitstellen. Daher kann das Speichergebiet photogenerierte Ladungsträger, die von einem elektromagnetischen Signal mit einer ersten Phase stammen, speichern, und/oder wobei das weitere Speichergebiet photogenerierte Ladungsträger, die von einem elektromagnetischen Signal mit der zweiten Phase stammen, speichern kann.

Das Umwandlungsgebiet 11 kann bevorzugt als das Gebiet definiert werden, in dem Elektron-Loch-Paare z. B. aufgrund des internen photoelektrischen Effekts durch das elektromagnetische Signal 13 generiert werden können. Jedoch kann das Umwandlungsgebiet auch auf einen Bereich des Halbleitersubstrats bezogen werden, in dem das elektromagnetische Signal das Halbleitersubstrat erreicht. Das elektromagnetische Signal kann ein Elektron-Loch(e/h)-Paar in dem Umwandlungsgebiet (auch als Absorptionsgebiet bezeichnet) generieren, wobei zum Beispiel Minoritätsladungsträger 16a, wie etwa Elektronen, zu den Ausleseknoten verschoben werden, wobei die anderen Ladungsträger, zum Beispiel ein Majoritätsladungsträger 16b, wie etwa ein Loch, an einem (elektrischen) Substratkontakt 26 entladen werden können. Dies ist vorteilhaft, da eine Sättigung des Halbleitersubstrats durch einen Majoritätsladungsträger vermieden wird. Falls jedoch Elektronen den Minoritätsladungsträger bilden, kann das Halbleitersubstrat mit einer Dotierungskonzentration p-dotiert sein, die bevorzugt gleich oder kleiner als 1014 Atome/cm3 ist, wie etwa zwischen 1012 und 1014 Atome/cm3 oder bevorzugt zwischen 5·1012 und 5·1013 Atome/cm3 oder bevorzugter zwischen 7,5·1012 und 2,5·1013 Atome/cm3. Entsprechend umfassen die Ausleseknoten eine komplementäre n-Dotierung mit einer Konzentration, die mehr als 1014 Atome/cm3 beträgt, wie etwa zwischen 1014 Atome/cm3 und 1022 Atome/cm3, bevorzugt zwischen 1016 Atome/cm3 und 1021 Atome/cm3 oder bevorzugter zwischen 1018 Atome/cm3 und 5·1020 Atome/cm3. Der Substratkontakt 26 kann eine gesteigerte Dotierung umfassen, die mehr als 1014 Atome/cm3 beträgt, wie etwa zwischen 1014 und 1020, bevorzugt zwischen 1016 und 1019 oder bevorzugter zwischen 1017 und 5·1018. Jedoch kann die n- und p-Dotierungsorientierung getauscht oder vertauscht sein, so dass Löcher Minoritätsladungsträger sind und das elektrische Sensorsignal anstelle von Elektronen bilden. Ausführungsformen betreffen beide Dotierungsgestaltungen, außer anderes ist explizit angegeben, selbst wenn Figuren nur eine Gestaltung implizit zeigen und nur eine Gestaltung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben ist.

Allgemein kann die Laufzeit direkt oder indirekt gemessen werden. Daher kann zwischen zwei verschiedenen Laufzeitverfahren unterschieden werden. Das erste Verfahren verwendet ausgesandte Lichtpulse, wobei die Umlaufzeit direkt gemessen wird. Das zweite und bevorzugte Verfahren verwendet kontinuierlich modulierte, zum Beispiel sinusmodulierte oder amplitudenmodulierte, elektromagnetische Wellen, wie etwa Lichtwellen. Eine Phasenverzögerung zwischen dem ursprünglichen und dem empfangenen elektromagnetischen Signal kann für die Extraktion der Zeit- oder Abstandsinformationen ausgenutzt werden. Die Phasenverschiebung ist ein Ergebnis des Signalumlaufs (der Signalumlaufszeit) von dem Messsystem zu der Szenerie und zurück. Sie wird für die Extraktion der Abstandsinformationen ausgenutzt. Mit anderen Worten kann das Signal durch Amplitudenmodulation der Beleuchtungsquelle und Demodulation bei der gleichen Frequenz (homodyne Detektion, Lock-In-Pixel) in dem optischen Sensor gebildet werden. Mit anderen Worten ist die optische Sensorvorrichtung, oder genauer der Laufzeitsensor, dazu konfiguriert, eine phasenempfindliche Demodulation der photogenerierten Ladungsträger in den mehreren Pixeln auszuführen. Die Modulation des eingehenden elektromagnetischen Signals kann durch Amplitudenmodulation durchgeführt werden, bei einer Ausführungsform durch Anwenden eines Rechteckfilters oder -fensters, so dass das elektromagnetische Signal z. B. eine Reihe von Rechteckpulsen umfasst. Entsprechend kann die Demodulation durch Anwenden der gleichen Abfolge von Rechteckpulsen auf die Modulationsgates durchgeführt werden.

Daher kann das elektromagnetische Signal mit einer Phasenverschiebung des gleichen Betrags durch Verschieben der Rechteckpulse demoduliert werden.

Nach einer Integrationszeit, während derer Ladungsträger in dem Speicherbereich 20, 20' gesammelt werden, kann die Integrationsknotenspannung durch eine Verstärkungsstufe, wie etwa den beispielhaften Ausleseschaltkreis 10, die einen Transistor (Lesen) 14 in einer Sourcefolgertopologie umfassen kann, erfasst werden. Das Signal kann zum Beispiel durch einen Auswahl-FET 16, der mit der ADC-Eingangsstufe (ADC: Analog to Digital Converter – Analog-Digital-Umsetzer) verbunden ist, weiter analysiert werden. Anfangs kann der Ausleseknoten unter Verwendung des Zurücksetzungsschalters 18 auf die Zurücksetzungsspannung geladen sein. Wenn Transfergates verwendet werden, fehlt ein weiterer Halteschalter, der verwendet wird, um die optisch empfindlichen Knoten des Sensors (Diode) von der Verstärkungsstufe zu trennen, um eine Signalumwandlung zu einer späteren Zeit ohne Einfluss der Umwandlungsverzögerung auf den Signalpegel (globaler Verschluss) zu ermöglichen. Daher wird die Hauptrauschquelle, nämlich elektronisches Rauschen von dem Ausleseschaltkreis, reduziert.

Daher wird die Integrationskapazität reduziert, was zu höheren Signalspannungen bei einem gegebenen optischen Signal und gegebener Integrationszeit führt. Die Kapazität wird reduziert, da sie durch die Diode in dem Sensor gebildet wird (n+-Gebiet hinsichtlich des Substrats, die Zurücksetzungs-Diffusions-zu-Gate- und Volumenkapazitäten und die Sourcefolgereingangskapazität). Daher beruht die Kapazität nicht auf einer Diode in dem Sensor, die zusätzlich das n+-Gebiet hinsichtlich eines Trenngates und eine Halteschalter-Diffusion-zu-Gate- und Volumenkapazität umfasst. Mit einer reduzierten Integrations- oder Umwandlungskapazität wird ein schnelleres Auslesen der photogenerierten Ladungsträger ermöglicht, da eine reduzierte Kapazität geladen werden muss, bevor das Signal abgeleitet werden kann.

Das sogenannte kTC-Rauschen (oder thermisches Rauschen oder Johnson-Nyquist-Rauschen) des Halteschalters fehlt, da der Halteschalter entfernt wurde. Jedoch wird aufgrund eines Schaltens des Zurücksetzungsgates immer noch kTC-Rauschen eingeführt. Jedoch kann dieses kTC-Rauschen unter Verwendung von korrelierter Doppelabtastung (CDS: Correlated Double Sampling) entfernt werden. Dies ist möglich, da kein Halteschalter eine zufällige Spannungsrauschkomponente an dem Eingang des Sourcefolgers (sqrt(kT/C)) aufgrund des (dissipativen) Ladungsaustauschs zwischen der Kapazität und dem Integrationsknoten durch den Halteschalter-MOS-Kanal-Widerstand liefert. Mit anderen Worten tritt, da kein getrennter Schalter zwischen der Verstärkungsstufe und dem Ausleseknoten während eines Auslesens vorliegt, das gleiche Ausmaß an Rauschen während eines Zurücksetzens und während eines Auslesens auf, so dass sich der Rauscheinfluss während eines Zurücksetzens und während eines Auslesens aufheben, wenn die zwei Ablesungen subtrahiert werden (vergleiche 4a).

Weiterhin wird eine Fläche einer getrennten MOS-Struktur für den Halteschalter eingespart, die eine Pixelfläche verbraucht, die nicht für den optisch aktiven Sensorbereich verwendet werden kann, wodurch das Signal reduziert wird.

Dementsprechend ist ein Transfergate 8a, 8a' in die optische Sensorstruktur integriert, die die potentialungebundene Diode oder den Ausleseknoten 6, 6' von dem (Ladungs-)Speichergebiet 20, 20' unter dem Trenngate, oder genauer dem Speichergate 22, 22', trennt. Die Einfügung 12 zeigt die Anforderung hinsichtlich der Potentialverteilung in dem Transfergategebiet für einen korrekten Betrieb. Daher sollte das Potential des Speichergebiets 20 höher als das Potential des Ausleseknotens 6 sein, so dass, falls das Transfergate 8a die Potentialbarriere von einem Grad höher als das Potential des Speichergebiets (0) zu einem Zustand der Potentialbarriere mit einem Potential zwischen dem Potential des Speichergebiets 20 und des Transfergates 6 (1) in dem Ausleseknoten verschiebt, so dass einerseits Minoritätsladungsträger zu dem Ausleseknoten geleitet werden, aber Ladungsträger von dem Ausleseknoten davon abgehalten werden, sich zurück zu dem Speichergebiet 20 zu bewegen. Falls die Potentialbarriere während eines Auslesens unterhalb des Potentials des Ausleseknotens wäre, könnten Ladungsträger unterhalb des Transfergates gesammelt werden und daher nicht zu dem Ausleseknoten 6 geleitet werden. Der Zustand des Transfergates kann binär sein, was bedeutet, dass zwei verschiedene, aber bekannte Spannungen oder Potentiale angelegt werden, um zu ermöglichen oder zu unterbinden, dass die Ladungsträger zu dem Ausleseknoten geleitet werden. Weiterhin beziehen sich 0 oder 1 nicht jeweils auf die niedrigere oder höhere Spannung. Zudem kann in Abhängigkeit von der Dotierung und einer positiven oder negativen Ladung der Ladungsträger die höhere Spannung für den Zustand 0 angelegt werden, wobei die niedrigere Spannung angelegt werden kann, um den Zustand 1 zu erreichen.

Die Zurücksetzungsspannung der Diode (auch als potentialungebundener Diffusions- oder Ausleseknoten bezeichnet) ist einem kTC-Rauschen von dem Zurücksetzungsschalter ausgesetzt, das jedoch durch korreliertes Doppelabtasten beseitigt werden kann, wie in 4a veranschaulicht. Die Schalthandlung des Transfergates 8a, 8a' selbst trägt nicht zu einem kTC-Rauschen bei. Zudem kann der Transfer auf eine solche Weise gesteuert werden, dass er eine globale Verschlusshandlung implementiert und dementsprechend den Halteschalter in herkömmlichen (nicht gezeigten) Ausleseschaltkreisen ersetzt. Zudem spart die enge Integration in den optischen Sensor Fläche ein, insbesondere, wenn ein Geteiltes-Auslesen-potentialungebundene-Diffusion-Konzept realisiert wird, was in dieser Offenbarung angenommen wird.

Daher zeigt 3 eine schematische Draufsicht des Pixelarrays 4, wobei vier beispielhafte Pixel 4a, 4b, 4c, 4d mit dem gemeinsamen Ausleseknoten 6 verbunden sind. Daher wird die Fläche des Halbleitersubstrats, die durch den Ausleseknoten 6 bedeckt wird, auf ein Viertel der Größe im Vergleich dazu, dass jedes Pixel seinen eigenen Ausleseknoten aufweist, reduziert. Weiterhin kann der weitere Ausleseknoten 6' Ladungsträger von dem ersten und dem zweiten Pixel 4a, 4b und zwei weiteren Pixeln für ein Auslesen bereitstellen, wobei Ladungsträger, die von dem Ausleseknoten 6' bereitgestellt werden, durch das elektromagnetische Signal mit einer Phase generiert werden, die sich von der Phase unterscheidet, die zum Generieren der Ladungsträger, die an dem Ausleseknoten 6 bereitgestellt werden, verwendet wird. Die Pfeile 32 geben die Demodulationsrichtung (oder das Demodulationsgebiet) an, oder genauer den Fluss von Elektronen, die durch das elektromagnetische Signal mit den zwei erwähnten Phasen generiert werden.

Weiterhin kann die optische Sensorvorrichtung eine Steuerung 22 zum Steuern des Auslesens des ersten und des zweiten Pixels 4a, 4b durch den (oder unter Verwendung von dem) Ausleseknoten 6 umfassen. Daher kann die Steuerung 22 die ersten Transfergates 8 so steuern, dass das erste Transfergate 8a ein erstes elektrisches Potential in einem Auslesemodus des ersten Pixels 4a erhält und dass das erste Transfergate 8a ein zweites elektrisches Potential in einem Erfassungsmodus des ersten Pixels 4a erhält, wobei sich das erste elektrische Potential von dem elektrischen Potential (vergleiche Diagramm 12 in 2) unterscheidet.

Allgemein kann die Steuerung 22 (alle) Transfergates von Pixeln 4, die mit dem Ausleseknoten 6, 6' verbunden sind, so steuern, dass ein Transfer der photogenerierten Ladungsträger zu dem Ausleseknoten 6 für die verbundenen Pixel 4 deaktiviert wird, falls der Transfer der photogenerierten Ladungsträger zu dem Ausleseknoten in einem der Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, aktiviert ist. Mit anderen Worten kann die Steuerung 22 sicherstellen, dass nur ein Pixel, das mit einem Ausleseknoten verbunden ist, sich in einem Auslesemodus befindet, wobei sich die verbleibenden Pixel, die mit dem Ausleseknoten verbunden sind, in einem Erfassungsmodus oder zumindest nicht in dem Auslesemodus befinden und möglicherweise auf ein Auslesen warten.

Falls drei oder mehr Pixel mit einem Ausleseknoten verbunden sind, kann das dritte Pixel ein drittes Transfergate umfassen. Daher kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, zwei Transfergates zu deaktivieren, während ein Transfergate für ein Auslesen der photogenerierten Ladungsträger geöffnet ist, und wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, alle Transfergates, die mit einem Ausleseknoten verbunden sind und die sich in einem Erfassungsmodus des Pixels und damit nicht in dem Auslesemodus befinden, zu deaktivieren.

4a zeigt ein beispielhaftes Zeitverlaufsdiagramm eines beispielhaften Auslesezyklus von zwei Pixeln, die mit einem gemeinsamen Ausleseknoten verbunden sind. Die zwei Pixel können Teil eines Bildes oder einer Abbildung sein, das oder die durch den Laufzeitsensor aufgezeichnet wurde. Daher kann das Zeitverlaufsdiagramm auf der Steuerung 22 ablaufen oder durch diese durchgeführt werden. Die x-Achse zeigt den Zeitfortschritt an, wobei verschiedene relevante Signale auf der y-Achse gezeigt sind. Von oben beginnend gibt Linie 40 die Spannung an der potentialungebundenen Diode (oder dem Ausleseknoten) 6 an. Die zweite und dritte Linie 42, 44 zeigen jeweils die Spannung an den ersten Transfergates 8b, 8a an, welche ein binäres Signal sein kann, um einen Fluss der Ladungsträger von dem Speichergebiet zu dem Ausleseknoten zu aktivieren oder zu deaktivieren. Linien 46 und 48 geben jeweils die Anzahl an Ladungsträgern unterhalb des Speichergates 22b (oder in dem Speichergebiet des zweiten Pixels 4b) bzw. die Anzahl an Ladungsträgern in dem Speichergebiet 20a des ersten Pixels 4a an. Linien 50 und 52 geben die Demodulationsspannung an, die an die Modulationsgates angelegt wird, wobei die Demodulationsspannung 50 zur Erörterung der zuvor beschriebenen Linien relevant ist. Die zweite Demodulationsspannung verweist auf die demodulierten Ladungsträger, die durch das elektromagnetische Signal mit der zweiten Phase generiert werden und daher die weiteren Speichergebiete 20' und Transfergates 8' jedes Pixels beeinflussen, jedoch in diesem Zeitverlaufsdiagramm nicht angegeben sind. Linie 54 gibt den Betrag und die Phasenbeziehung der elektromagnetischen Strahlung an, die den Sensor erreicht.

Auf der x-Achse sind verschiedene Zustände der angelegten Spannungen angegeben, z. B. die zunehmende Menge von Ladungsträgern in dem Speichergebiet 20 während einer Demodulation des eingehenden elektromagnetischen Signals (vergleiche Linien 46 und 48). Daher wird die Demodulationsspannung in einer Zeitdauer 56 an die Modulationsgates angelegt. Um sicherzustellen, dass der Ausleseknoten eine definierte Spannung aufweist, wird eine Zurücksetzungsspannung an die Ausleseknoten angelegt, zum Beispiel durch Öffnen des Zurücksetzungsschalters 18. Ein Zurücksetzen kann in einer Zeitdauer 58 und daher während der gesamten Integrationszeit 56 durchgeführt werden. Nachdem der Zurücksetzungsschalter 18 geöffnet wird, schließen die Transfergates, die durch die Linien 42 und 44 angegeben sind, zu einem Zeitpunkt 60. Falls das Transfergate während des Zurücksetzens geöffnet ist, wird sichergestellt, dass das Speichergebiet das gleiche elektrische Potential aufzeigt und dass daher nur die Ladung der Ladungsträger verwendet wird, um das Sensorsignal abzuleiten. Jedoch sollte das Transfergate geschlossen werden, bevor die Integrationszeit 56 beginnt, da ansonsten die generierten Ladungsträger direkt zu dem Ausleseknoten transferiert und daher nicht in dem Speichergebiet gespeichert würden. Nachdem eine Integration der Ladungsträger abgeschlossen ist, wird der Zurücksetzungsschalter geschlossen und wird ein Auslesen der Ladungsträger in dem Speichergebiet durchgeführt. Sobald der Zurücksetzungsschalter geschlossen ist, wird ein bestimmter Grad an Rauschen (Vnoise1) zu der Zurücksetzungsspannung Vreset hinzugefügt, die den Referenzwert 62 der Spannung des Ausleseknotens bildet. Der Zeitpunkt 64, der durch ts1a angegeben wird, gibt einen Potentialabtastpunkt an. Jedoch beginnt zu einem Zeitpunkt 66 ein Transfer von Ladungsträgern des ersten Speichergebiets zu dem Ausleseknoten durch Öffnen des Transfergates 8a des ersten Pixels. Nachdem das Speichergebiet entladen ist, wird die Spannung des Ausleseknotens abgesenkt, um das tatsächliche Sensorsignal anzugeben. Man beachte, dass das Absenken der Spannung des Ausleseknotens auftritt, da angenommen wird, dass Minoritätsladungsträger den Ladungsträger repräsentieren. Falls Majoritätsladungsträger verwendet würden, würde die Spannung möglicherweise ansteigen. Insbesondere ist der Unterschied zwischen der Spannung an dem Abtastpunkt 68 und dem Abtastpunkt 64 das tatsächliche Sensorsignal (ohne Rauschen aufgrund von korreliertem Doppelabtasten).

Ferner wird ein weiteres Zurücksetzen in einer Zeitdauer 70 auf den Ausleseknoten angewandt. Wiederum wird, nachdem der Zurücksetzungsschalter 18 geschlossen wird, der Ausleseknoten bei einem Abtastpunkt 72 auf eine Spannung vorgeladen, die die tatsächliche Zurücksetzungsspannung und ein weiteres Rauschen, das durch Vnoise2 angegeben wird, umfasst. Zu einem Zeitpunkt 74 wird das Transfergate 8b des zweiten Pixels geöffnet, um das Auslesen der Ladungsträger, die in dem Speichergebiet des zweiten Pixels gespeichert sind, durchzuführen. Nachdem ein Auslesen zu einem Zeitpunkt 76 durchgeführt wurde, erreicht die Spannung an dem Ausleseknoten einen weiteren Pegel, der sich durch die Spannung der Ladungsträger des zweiten Pixels von dem Pegel zu dem Zeitpunkt 72 unterscheidet. Da während beider Messungen die Zurücksetzungsspannung und die Spannung des Rauschens (statistisch) konstant verbleiben, wird insbesondere das Rauschen durch Subtraktion der Spannung des Ausleseknotens vor und nach einem Auslesen der Ladungsträger beseitigt. Daher wird das Rauschen beseitigt, was als korreliertes Doppelabtasten bezeichnet wird.

4a gibt ein Zeitverlaufsdiagramm an, wobei zwei Pixel, die mit einem gemeinsamen Ausleseknoten verbunden sind, eine synchronisierte Demodulation des eingehenden elektromagnetischen Signals und ein aufeinanderfolgendes Auslesen der Ladungsträger, die in dem Speichergebiet gespeichert sind, durchführen. Jedoch kann dieser Zeitablauf durch den in 4b schematisch angegebenen Zeitablauf verbessert werden. In 4b wird angegeben, dass das Demodulationssignal ebenfalls sukzessive an die Modulationsgates angelegt werden kann, was bedeutet, dass das Signal 50a, das an das Modulationsgate 9 des ersten Pixels angelegt wird, im Vergleich zu dem Signal 50b, das an das Modulationsgate 9 des zweiten Pixels angelegt wird, verschoben ist. Daher kann der Zyklus des Zurücksetzens, Integrierens der Ladungsträger während eines Erfassens des elektromagnetischen Signals und Auslesens der Ladungsträger in dem Speichergebiet für jedes Pixel, das mit einem Ausleseknoten verbunden ist, gleich sein. Jedoch können die Zyklen verschoben sein, zum Beispiel um eine Hälfte der Zyklusdauer oder wenigstens die Zeitdauer, die benötigt wird, um die gespeicherten Ladungsträger auszulesen. Daher tritt keine Verzögerung während eines Erfassens der gleichen Pixel auf, wenn zwei oder mehr aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt werden, da jeder Zyklus in der kleinsten möglichen Zeitdauer durchgeführt werden kann. Durch Verwenden von paralleler Demodulation und sukzessivem Auslesen nimmt die Zyklusdauer jedoch um die Anzahl zusätzlicher Auslesungen zu, die durchzuführen sind, um ein beliebiges weiteres Pixel auszulesen, das mit dem Ausleseknoten verbunden ist.

5a bis 5d zeigen Ausführungsformen der optischen Sensorvorrichtung 2 gemäß Ausführungsformen. Im Vergleich zu der Ausführungsform aus 2 umfasst die Ausführungsform aus 5a einen vergrabenen Kanal 80 an der Oberfläche des Halbleitersubstrats, wo sich die Modulationsgates und die Transfergates befinden. Diese Vergrabene-Kanal-Implementierung ermöglicht eine bessere Modulationseffizienz und/oder einen schnelleren Ladungsträgertransport zwischen den Gates, wie etwa dem Modulationsgate, dem Speichergate und dem Transfergate. Der vergrabene Kanal 80 kann durch Implantation von Dotierungsatomen von der Art der Dotierungsatome, die zum Dotieren der Ausleseknoten verwendet werden (z. B. n-dotiert), erzeugt werden. Jedoch ist das Dotieren komplementär zu dem Dotieren des Halbleitersubstrats 14. Die Dotierungskonzentration des vergrabenen Kanals kann niedriger als die Dotierungskonzentration in dem Ausleseknoten sein, wie etwa zwischen 1012 und 1018 Atome/cm3 oder bevorzugt zwischen 1014 und 1017 Atome/cm3 oder bevorzugter zwischen 1015 und 1016 Atome/cm3. Durch Verwenden der vergrabenen Kanäle können die Ladungsträger, die durch das elektromagnetische Signal generiert werden, durch den vergrabenen Kanal zu dem Ausleseknoten geleitet werden. Daher erreichen weniger Ladungsträger den Hauptoberflächenbereich 18 des Halbleitersubstrats 14, wo es wahrscheinlicher wäre, dass die Ladungsträger rekombinieren oder eingefangen werden, bevor sie durch den Ausleseknoten ausgelesen werden. Dementsprechend können durch Verwenden des vergrabenen Kanals mehr Ladungsträger den Ausleseknoten erreichen. Mit anderen Worten umfasst die optische Sensorvorrichtung einen vergrabenen Kanal 36 in dem Halbleitersubstrat zwischen dem Umwandlungsgebiet 12 und dem Ausleseknoten 6, um eine erhöhte Ausleseeffizienz der optischen Sensorvorrichtung 2 zu erhalten.

5b zeigt eine Ausführungsform, bei der im Vergleich zu 5a ein zusätzliches Modulationsgate 82 angrenzend an oder zwischen den zuvor beschriebenen Modulationsgates (oder Steuerelektroden) 9, 9' gebildet ist. Durch Verwenden des weiteren Modulationsgates 82 kann die Tiefe des Raumladungsgebiets erhöht werden. Daher wird der Betrag des (im Vergleich zu z. B. einem diffusiven Ladungsträgertransport relativ schnellen) Ladungsträgerdrifttransports in dem Raumladungsgebiet erhöht. Im Gegenzug dazu kann ein vergleichsweise langsamer diffusiver Ladungsträgertransport unterhalb der Steuerelektroden 9, 9', 82 auftreten, wobei unterhalb der Lücken zwischen den Steuerelektroden der Randfeldtransport auftritt. Mit anderen Worten ist der diffusive Ladungsträgertransport langsamer als der Randfeldtransport und durch Erhöhen der Anzahl an Steuerelektroden nimmt die Menge des diffusiven Ladungsträgertransports im Vergleich zu dem Randfeldtransport ab.

Zudem zeigt 5b die weitere Steuerelektrode 9', die durch einen Dual-Poly-Prozess erzeugt wird. Durch Verwenden des Dual-Poly-Prozesses kann die weitere Steuerelektrode 9' durch ein Polysilicium, z. B. das gleiche Material, wie es zum Bilden des Speichergates 22' oder der Steuerelektrode 9 verwendet wird, gebildet werden. Weiterhin kann die weitere Steuerelektrode, oder das Material, das zum Bilden der weiteren Steuerelektrode verwendet wird, mit dem Speichergate 22 und optional mit dem Transfergate 8' überlappen. Zwischen dem weiteren Speichergate und/oder dem Transfergate kann ein Dielektrikum, z. B. das gleiche Material, wie es für das Isolationsmaterial 21 verwendet wird, angeordnet sein. Dies kann die Demodulationseffizienz an den Modulationsgates und/oder die Transferleistungsfähigkeit an dem Transfergate erhöhen, da die Lücken zwischen der weiteren Steuerelektrode, dem Speichergate und dem Transfergate geschlossen ist. Daher werden elektrische Felder oder Ladungsträger, wie etwa z. B. Ionen, die die Lücken beeinflussen und die z. B. durch BEOL-Strukturen (BEOL: Back-End-Of-Line), oder allgemein durch die Umgebung, eingeführt werden, abgeschirmt oder geschützt und können daher das Halbleitersubstrat nicht erreichen, wo diese elektrischen Felder oder Ladungsträger Ladungsträger oder elektrischer Felder oder das Raumladungsgebiet in dem Halbleitersubstrat bewegen oder verlagern können. Weiterhin kann z. B. die Isolationsschicht 21 freie Ionen einfangen und damit ihre Isolationseigenschaft reduzieren.

5c zeigt im Vergleich zu 5a eine gesteigerte Speicherwannendotierung in einem Gebiet 84, das sich wenigstens in einem Teil des Speichergebiets 20, 20' und/oder unterhalb der Transfergates 8, 8' befindet. Die gesteigerte Wannendotierung ermöglicht es, die photogenerierten Ladungsträger unterhalb des Speichergebiets einzufangen. Ein weiterer Effekt ist, dass die Potentialdifferenz zwischen dem Ausleseknoten und dem Gesteigerte-Speicherwannendotierung-Gebiet reduziert wird, wobei die Potentialbarriere unterhalb des Transfergates für die gesammelten photogenerierten Ladungsträger höher wird. Daher wird die Möglichkeit oder Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Bewegung von Ladungsträgern durch die Potentialbarriere reduziert. Mit anderen Worten erhöht die Speicherwannenimplantation in dem Gebiet 84 eine Volle-Wanne-Kapazität und/oder ermöglicht einen höheren Dynamikbereich. Der höhere Dynamikbereich kann darauf verweisen, dass der Sensor dazu in der Lage ist, eine größere Menge an Licht zu verarbeiten, was bedeutet, dass ein Sättigungspunkt im Vergleich zu einer Anordnung ohne die Speicherwannenimplantation später erreicht wird. Dies ermöglicht es, ein gutes Messsignal selbst in einer hellen Umgebung oder in einem Fall, wenn eine große Menge an Licht von der Modulationsquelle gemessen werden soll, zu erhalten. Mit anderen Worten kann ein zu messendes Objekt hoch reflektierend sein oder sich in einem geringen Abstand zu der optischen Sensorvorrichtung befinden, so dass eine große Menge an reflektierten Licht von dem Objekt in die optische Sensorvorrichtung eingeht.

5d zeigt im Vergleich zu 5c eine zusätzliche Speicherwannenbarrierendotierung in einem Gebiet 86, um Minoritätsladungsträger zu dem Demodulationsgebiet umzuleiten. Verwenden der Speicherwannenbarrierendotierung verbessert oder verstärkt die Anwesenheit oder die Anzahl an Minoritätsladungsträgern neben dem Demodulationsgebiet, so dass sie nicht zu einem Speicherknoten angezogen werden, bevor eine Demodulation stattgefunden hat, was die Demodulationseffizienz reduzieren würde. Mit anderen Worten kann die Barrierendotierung unterhalb der Speicherwanne Minoritätsladungsträger für eine bessere Demodulationseffizienz von dem Substrat zu dem Demodulationsgebiet umleiten (oder ein anderes Mittel einer Substratdotierungsmodulation zur Minoritätsladungsträgerumleitung)

6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens 600 zum Betreiben eines Laufzeitsensors. Das Verfahren 600 umfasst einen Schritt 602 des Steuerns eines ersten Transfergates eines ersten Pixels und des Steuerns eines zweiten Transfergates eines zweiten Pixels, so dass ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von einem ersten Pixel zu einem Ausleseknoten deaktiviert wird, falls ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem zweiten Pixel zu dem Ausleseknoten aktiviert wird, und/oder, so dass ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem zweiten Pixel zu dem Ausleseknoten deaktiviert wird, falls ein Transfer von photogenerierten Ladungsträgern von dem ersten Pixel zu dem Ausleseknoten aktiviert wird.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben worden sind, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wobei ein Block oder eine Einrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Sinngemäß repräsentieren im Zusammenhang eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Gegenstands oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung. Manche oder alle der Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardwareeinrichtung, wie zum Beispiel eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder eines elektronischen Schaltkreises, ausgeführt werden. Bei manchen Ausführungsformen können ein oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Einrichtung ausgeführt werden.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der hier beschriebenen Einzelheiten anderen Fachleuten ersichtlich werden. Es wird deshalb beabsichtigt, nur durch den Schutzumfang der anhängigen Patentansprüche beschränkt zu werden und nicht durch die speziellen Einzelheiten, die durch die Beschreibung und die Erklärung der Ausführungsformen hier präsentiert sind.