Title:
Lichtlaufzeitpixel
Kind Code:
A1


Abstract:

Lichtlaufzeitpixel (100) für einen Lichtlaufzeitsensor (22),
mit einer ersten und zweiten Halbleiterschicht (120, 140),
wobei zwischen beiden Schichten (120, 140) eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (130) angeordnet ist,
wobei in der Zwischenschicht (130) Modulationsgates (190, 195) und wenigstens eine elektrische Leitung (185) zur Verbindung von Elementen der ersten und zweiten Halbleiterschicht (120, 140) angeordnet sind,
wobei die erste Halbleiterschicht (120) für den Empfang einer elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist
und Mittel zur Ladungsintegration (150, 160, 180)
und an einer Oberseite eine transparente Deckschicht (110) aufweist,
wobei die Deckschicht (110) zumindest teilweise als transparente Elektrode ausgebildet ist,
und wobei die zweite Halbleiterschicht (140) zwei Ausleseschaltungen (155, 165) aufweist embedded image




Inventors:
Prima, Jens (57074, Siegen, DE)
Böhmer, Stephan (57074, Siegen, DE)
Franke, Matthias (35708, Haiger, DE)
Application Number:
DE102017125931A
Publication Date:
05/24/2018
Filing Date:
11/07/2017
Assignee:
pmdtechnologies ag, 57076 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE19704496C2N/A2001-02-15
DE19704496A1N/A1998-03-12



Foreign References:
WO2005101530A12005-10-27
WO2006072181A12006-07-13
WO2007102051A22007-09-13
Attorney, Agent or Firm:
Schuhmann, Jörg, Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., 88069, Tettnang, DE
Claims:
Lichtlaufzeitpixel (100) für einen Lichtlaufzeitsensor (22),
mit einer ersten und zweiten Halbleiterschicht (120, 140),
wobei zwischen beiden Schichten (120, 140) eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (130) angeordnet ist,
wobei in der Zwischenschicht (130) Modulationsgates (190, 195) und wenigstens eine elektrische Leitung (185) zur Verbindung von Elementen der ersten und zweiten Halbleiterschicht (120, 140) angeordnet sind,
wobei die erste Halbleiterschicht (120) für den Empfang einer elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist
und Mittel zur Ladungsintegration (150, 160, 180)
und an einer Oberseite eine transparente Deckschicht (110) aufweist,
wobei die Deckschicht (110) zumindest teilweise als transparente Elektrode ausgebildet ist,
und wobei die zweite Halbleiterschicht (140) zwei Ausleseschaltungen (155, 165) aufweist.

Lichtlaufzeitpixel (100) nach Anspruch 1, bei dem die erste Halbleiterschicht Trenches (200) zur elektrischen Abgrenzung benachbarter Lichtlaufzeitpixel (100) aufweist.

Lichtlaufzeitpixel (100) nach Anspruch 2, bei dem die Trenches (200) als Trenchgates ausgebildet sind.

Lichtlaufzeitpixel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Halbleiterschicht (140) Reset- und Hold-Schalter sowie Holdkapazitäten aufweist.

Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Halbleiterschicht (120) im Hinblick auf eine hohe Quanten- und Mischeffizienz ausgebildet ist.

Lichtlaufzeitpixel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Halbleiterschicht eine Grunddotierung im Bereich 5×1012 - 10×1012 atoms/cm3 aufweist.

Lichtlaufzeitsensor (22) mit einem Lichtlaufzeitpixel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Lichtlaufzeitkamerasystem (1) mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) oder Lichtlaufzeitpixel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:

Die Erfindung befasst sich mit Aufbau eines Lichtlaufzeitpixels auf mehreren Ebenen, um einen höheren Füllfaktor zu erreichen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem Lichtlaufzeitsensor mit einem Lichtlaufzeitpixel der vorstehend genannten Art. Derartige Lichtlaufzeitkamerasysteme betreffen insbesondere alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der DE 197 04 496 C2 beschrieben und von der Firma ‚ifm electronic GmbH‘ oder ‚pmdtechnologies ag‘ als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.

Grundsätzlich ist eine Realisierung eines lichtsensitiven Elementes auf einer Ebene oberhalb der Pixelschaltelektronik als above-IC Technologie beispielsweise aus den Offenlegungen WO 2005/101530 A1, WO 2006/072181 A1, WO 2007/102051A2 bekannt. Insbesondere kommen für eine lichtsensitive Schicht in nicht abschließender Aufzählung: monokristallines Silizium, amorphes Silizium, Quantum Film oder auch nanokristalline Strukturen in Betracht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtlaufzeitpixel im Hinblick auf eine höhere Quantenausbeute weiterzubilden.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitpixel nach Gattung des unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteilhaft wird ein Lichtlaufzeitpixel für einen Lichtlaufzeitsensor vorgeschlagen, mit einer ersten und zweiten Halbleiterschicht, wobei beide Schichten über eine elektrisch isolierende Zwischenschicht miteinander verbunden sind, wobei in der Zwischenschicht Modulationsgates und wenigstens eine elektrische Leitung zur Verbindung von Elementen der ersten und zweiten Halbleiterschicht angeordnet sind, wobei die erste Halbleiterschicht für den Empfang einer elektromagnetischen Strahlung ausgebildet ist und Mittel zur Ladungsintegration und an einer Oberseite eine transparente Deckschicht aufweist, wobei die Deckschicht zumindest teilweise als transparente Elektrode ausgebildet ist, und wobei die zweite Halbleiterschicht zwei Ausleseschaltungen aufweist.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Funktionalitäten eines demodulierenden Pixels auf mehrere Ebenen bzw. Schichten eines halbleitertechnologischen Bauelements aufgeteilt werden und somit der Füllfaktor der photoelektronengenerierenden Schicht verbessert werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Halbleiterschicht im Hinblick auf eine hohe Quanten- und Mischeffizienz ausgebildet ist.

Bevorzugt weist die erste Halbleiterschicht eine Grunddotierung im Bereich von 5×1012 -10×1012 atoms/cm3 auf. Es hat sich gezeigt, dass sich die Mischeffizienz insbesondere in diesem Bereich verbessern lässt.

Ferner ist es von Vorteil, wenn die erste Halbleiterschicht Trenches zur elektrischen Abgrenzung benachbarter Lichtlaufzeitpixel aufweist. Diese Trenches können insbesondere auch als Trenchgates ausgebildet sein, um beispielsweise ein negatives Potenzial zur Abstoßung der Photoelektronen anzulegen.

Bevorzugt ist es vorgesehen, Reset- und Hold-Schalter sowie Holdkapazitäten in der zweiten Halbleiterschicht anzuordnen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

  • 1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
  • 2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
  • 3 einen bevorzugten erfindungsgemäßen Schichtaufbau,
  • 4 schematisch eine Aufteilung der Komponenten vor dem Zusammenfügen.,
  • 5 elektronische Details eines Aufbaus gemäß 3,
  • 6 eine Variante des Aufbaus gemäß 5,
  • 7 eine Ausgestaltung gemäß 4 mit Trenches,
  • 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lichtlaufzeitpixels.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.

Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.

Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Lichtlaufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.

Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Halbleiterlaser, VCSEL aber auch Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals Mo mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(tL) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M0 in einem ersten Akkumulationsknoten Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage Mo + 180° in einem zweiten Akkumulationsknoten Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.

3 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau eines Lichtlaufzeitpixels 100 mit im Wesentlichen vier Schichten, nämlich einer ersten und zweiten Halbleiterschicht 120, 140, die über eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 130 miteinander verbunden sind, wobei die erste Halbleiterschicht 120 zudem an einer Oberseite eine Deckschicht 110 aufweist.

Die erste Halbleiterschicht 120 ist insbesondere im Hinblick auf hohe Quanteneffizienz und hohe Mischeffizienz ausgebildet. Zur Optimierung der Mischeffizienz haben sich insbesondere geringe Grunddotierungen im Bereich 5×1012 - 10×1012 atoms/cm3 bewährt. Die Deckschicht 110 ist vorzugsweise als transparente SiO2-Schicht ausgebildet, wobei zumindest Teile der Deckschicht 110 auch als Elektrode und hier insbesondere als transparente Elektrode ausgebildet sind. Die Deckschicht 110 kann ggf. auch über die gesamte Fläche als transparente Frontelektrode ausgebildet sein.

Die erste Halbleiterschicht 120 weist ferner zwei Integrationsknoten 150, 160 zur Akkumulation der in der Schicht generierten Photoelektronen e- auf. Die Integrationsknoten 150, 160 können insbesondere als Diode oder MOS Kapazität ausgebildet sein. Die positiven Ladungen h+ gelangen zu der negativ vorgespannten transparenten Frontelektrode 110 und die negativen Ladungen e- zu den positiv vorgespannten Integrationsknoten 150, 160. Zur phasensynchronen Demodulation sind zwischen den Integrationsknoten 150, 160 innerhalb der Zwischenschicht 130 Modulationsgates 190, 195 angeordnet. Zwischen den Modulationsgates 190, 195 und der ersten Halbleiterschicht 120 ist vorzugsweise ein so genanntes Gateoxid aufgebracht. Grundsätzlich kann auch die Zwischenschicht 130 aus einem Oxid bestehen. Es sind jedoch auch andere Dielektrika sowie Schichtfolgen verschiedener Dielektrika denkbar.

Die zweite Ebene ist vorzugsweise als typisches CMOS-Halbleiterbauelement ausgebildet und nimmt insbesondere weitere elektronische Schaltungen auf. Die elektrische Verbindung zwischen beiden Halbleiterschichten 120, 140 erfolgt über einen elektrische Leiter 185, so genannte Interconnects.

Die Ausleseschaltungen 155, 165 sind in der zweiten Schicht 140 angeordnet, wobei die an den Integrationsknoten 150, 160 akkumulierten Ladungen über die elektrische Leiter 185 jeweils an die entsprechenden Ausleseschaltungen 155, 165 weitergeleitet werden.

In 4 ist der Aufbau gemäß 3 vor dem Bondingprozess gezeigt. Als typische Bondingprozess seien hier in nicht abschließender Weise heterogenes Molekularbonding oder Hybrid Bonding genannt. Halbleitertechnologisch gehören die Deckschicht 110, die erste Halbleiterschicht 120 und ein erster Teil der Zwischenschicht 130a mit den Modulationsgates 190, 195 und Teilen der elektrischen Leiter 185 zu einer ersten halbleitertechnologischen Ebene 1.

Die zweite Ebene 2 umfasst einen zweiten Teil der Zwischenschicht 130b mit elektrischen Leitern 185 sowie die zweite Halbleiterschicht 140. Die beiden Ebenen 1, 2 werden dann über ein Waferbondingverfahren zusammengeführt

Der Aufbau gemäß 3 und 4 ist nicht zwingend auf eine Demodulation nach dem PMD-Prinzip beschränkt. Ebenfalls ist es denkbar, die Demodulation mit einem Current Assisted Photonic Demodulator oder mit Hilfe einer Quantum Efficiency Modulation durchzuführen. Ferner können auch mehr als zwei Modulationsgates 190, 195 in der Zwischenschicht angeordnet sein.

5 und 6 zeigen schematisch mögliche Ausgestaltungen einer Ladungsauslese eines Aufbaus gemäß 3.

Im Aufbau gemäß 5 werden die an den Integrationsknoten 150, 160 akkumulierten Ladungen über die Interconnects 185 an eine schaltbare Holdkapazität 152, 162 in die Ebene 2 weitergeleitet. Ebenso sind Hold- und Reset-Schalter und die Ausleseschaltungen 155, 165 in der zweiten Halbleiterschicht 140 bzw. zweiten Ebene 2 angeordnet. Die Ausleseschaltungen weisen vorzugsweise einen Sourcefolger und ggf. weitere Schaltungen auf. Durch die Verlegung der elektronischen Bauelemente auf die Ebene 2 lässt sich der Pixelfüllfaktor auf der ersten Ebene 1 verbessern.

In der Ausführung gemäß 6 ist es vorgesehen, die Integrationsknoten 150, 160 schaltbar mit einem Reset-Potenzial und einer Holdkapazität ,Hold’ in der Ebene 1 zu verbinden. Die Ladungen, die an den Holdkapazitäten anliegen werden über elektrische Leiter 185 an die Ausleseschaltungen 155,165 in der zweiten Ebene 140 weitergeleitet. Da die Holdkapazität und die Schalter nur wenig Raum benötigen verschlechtert sich der Füllfaktor gegenüber der in 5 gezeigten Variante nur geringfügig. Die flächenmäßig anspruchsvollen Schaltungen sind, wie in der Ausführung gemäß 5, in der zweiten Ebene 2 angeordnet.

Der Aufbau des Lichtlaufzeit- bzw. Demodulationspixels in zwei Ebenen hat allgemein den Vorteil, dass in der zweiten Ebene losgelöst von der ladungsträgererzeugenden ersten Ebene mehr Raum für elektronische Schaltungen besteht. So können in der zweiten Ebene 140 insbesondere Schaltungen der folgenden Art aufgebaut werden: LOFIC (Lateral Overflow Integration Capacitance), ADC (Analog to Digital Converter), CDS (Correlated Double Sampling), Modulationstreiben, Hintergrundlichtunterdrückung SBI,Mikrocontroller etc. Grundsätzlich ist auch ein Stacking mit weiteren Ebenen denkbar.

7 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Anordnung gemäß 3 und 4 bei der die Integrationsknoten 150, 160 von vorzugsweise elektrisch isolierenden Trenches 200 vom benachbarten Pixel getrennt werden. Ggf. können die Trenches auch als Trenchgates ausgebildet werden und mit einem Potenzial belegt werden.

8 zeigt eine Variante bei der die Demodulation der Ladungsträger in der zweiten Ebene 2 erfolgt, wobei hierzu die Modulationsgates 190, 195 der zweiten Ebene zugeordnet sind. Wie gehabt erzeugt das in die erste Halbleiterschicht 120 einfallende Licht Elektronen e- Loch h+ - Paare. Die positiven Ladungen h+ gelangen zu der negativ vorgespannten transparenten Frontelektrode 110 und die negativen Ladungen e- zu der positiv vorgespannten Rückelektrode 180. Über den elektrischen Leiter 185 werden die an der Rückelektrode 180 gesammelten Ladungen in die Halbleiterschicht 140 zu einer Einkoppeldiode 170 geleitet. Ausgehend von den an den Modulationsgates 190, 195 anliegendem Potential werden die Ladungen entweder zum Integrationsknoten 150 des A-Kanals oder zum Integrationsknoten 160 des B-Kanals gelenkt und wie gewohnt durch entsprechende Ausleseschaltungen 155, 165 weiterverarbeitet.

Bezugszeichenliste

1
Lichtlaufzeitkamerasystem
10
Beleuchtungsmodul
12
Beleuchtung
20
Empfänger, Lichtlaufzeitkamera
22
Lichtlaufzeitsensor
30
Modulator
35
Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
40
Objekt
100
Lichtlaufzeitpixel,
110
transparente, leitfähige Elektrode,
120
erste halbleitertechnologische Schicht,
130
Inter-Ebenen-Kontaktelement,
140
zweite halbleitertechnologische Schicht,
150
erster Integrationsknoten Kanal A,
155
Ausleseschaltung Kanal A
160
zweiter Integrationsknoten Kanal B,
165
Ausleseschaltung Kanal B,
170
Einkoppeldiode,
180
Rückelektrode,
185
elektrische Leiter,
190
Modulationsgate Kanal A,
195
Modulationsgate Kanal B,
200
Trenches
φ, Δφ(tL)
laufzeitbedingte Phasenverschiebung
φvar
Phasenlage
φ0
Basisphase
M0
Modulationssignal
p1
erste Phase
p2
zweite Phase
Sp1
Sendesignal mit erster Phase
Sp2
Empfangssignal mit zweiter Phase
Ga, Gb
Integrationsknoten
d
Obj ektdistanz
q
Ladung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 19704496 C2 [0002]
  • WO 2005/101530 A1 [0003]
  • WO 2006/072181 A1 [0003]
  • WO 2007/102051 A2 [0003]
  • DE 19704496 A1 [0015]