CN110945378A - 用于飞行时间测量的半导体器件和方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体器件包括：电磁辐射的发射器(2)；光电检测器(10)，其能够检测特定波长的电磁辐射；滤光片(11)，其具有包括特定波长的通带，所述滤光片布置在光电检测器上，所述发射器和/或所述滤光片可电调谐到特定波长；以及电路(14)，所述电路配置成确定由发射器发射并随后由光电检测器接收的信号的发射与接收之间经过的时间。

Description

用于飞行时间测量的半导体器件和方法
本公开适用于飞行时间测量领域。
飞行时间(TOF)摄像头或传感器用于通过测量光信号的发射与同一光信号在物体处反射后的接收之间经过的时间来确定物体的距离。通过光电检测器，特别是SPAD(单光子雪崩二极管)来检测反射信号的到达，并且必须防止环境光干扰所述检测。通常使用带通滤光片来屏蔽来自光电检测器的环境光。如果使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为发射器，则生产公差不允许将波长限定在非常小的范围内，因此滤光片的通带不能像所需的那样窄，以屏蔽大部分环境光。
已经开发了各种类型的电可调谐VCSEL。取决于液晶的厚度，内腔液晶VCSEL(LC-VCSEL)的调谐范围可高达75nm，并且能够通过施加电压进行连续调谐。这种VCSEL包括有源区和液晶层，所述有源区在阳极层与该阳极层的一侧的阴极层之间，所述液晶层在该阳极层与该阳极层相对的另外的阴极层之间。LC-VCSEL具有纯电调谐的优点，因此不受振动的影响。
具有微机电系统(MEMS)的MEMS-VCSEL也是可电调谐的。谐振腔的纵向延伸由固定的底部镜和可移动悬挂的顶部镜限制。包括与镜位置成固定空间关系的电容器板的静电致动器用于控制谐振腔的长度。当电容器板被充电以产生静电力时，镜之间的距离减小并且谐振波长变短。通过以特殊形状的电压波形驱动致动器，能够及时扫描激光波长。
悬臂VCSEL(c-VCSEL)是可电调谐VCSEL的另外的示例。它包括：承载底部n-DBR(分布式布拉格反射器)、具有有源区的谐振腔和顶部镜的衬底，所述顶部镜包括p-DBR、气隙和顶部n-DBR，所述顶部镜自由悬挂在谐振腔上方并通过悬臂结构支撑。激光驱动电流通过p-DBR注入。谐振腔上方的氧化物孔提供有效的电流引导和光学指数(index)引导。顶部调谐触点布置在顶部n-DBR上。悬臂VCSEL的类型可以包括具有不同悬臂长度的悬臂或不同几何形状的VCSEL和悬臂。
可调谐VCSEL的另外的类型是具有不同孔径的多台面VCSEL、具有提供不同长度谐振腔以产生不同波长辐射的层的多台面VCSEL、发射不同波长的多台面VCSEL阵列和高对比度光栅VCSEL(HCG-VCSEL)。
本发明的目的是促进TOF器件在室外条件下，尤其是在具有100kLux或更高的日光下的使用。
所述目的是通过根据权利要求1所述的半导体器件和根据权利要求11或18所述的飞行时间测量方法来实现的。实施例和变型源自从属权利要求。
除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。
半导体器件包括：电磁辐射的发射器；能够检测特定波长的电磁辐射的光电检测器；具有包括特定波长的通带的滤光片，所述滤光片布置在光电检测器上；可电调谐到特定波长的发射器和/或滤光片；以及电路，所述电路配置成确定由发射器发射并随后由光电检测器接收的信号的发射与接收之间经过的时间。能够选择窄的通带，尤其是比5nm窄的通带，以屏蔽尽可能多的环境光。5nm的范围表示通带的最大波长比通带的最短波长大5nm。
在半导体器件的实施例中，光电检测器包括至少一个单光子雪崩二极管(SPAD)。
在半导体器件的另一实施例中，发射器配置为发射限定的持续时间的信号以进行飞行时间测量。
在半导体器件的另一实施例中，发射器是电可调谐垂直腔面发射激光器。
半导体器件的另一实施例包括：光电检测器器件，其包括光电检测器；载体、光电检测器器件和安装在所述载体上的发射器；盖，其具有形成光电检测器和发射器的孔的窗口；以及电连接，其位于光电检测器器件和发射器之间。
半导体器件的另一实施例包括：参考光电检测器，其布置成监测来自发射器的电磁辐射；以及另外的滤光片，其具有包括特定波长的通带，另外的滤光片布置在参考光电检测器上，位于载体与盖之间。具有另外的滤光片的参考光电检测器尤其能够布置在载体与盖之间。
一方面，飞行时间测量方法包括使用电可调谐发射器以产生电磁辐射的信号，限制信号的持续时间以进行飞行时间测量，并将信号的产生调谐到特定波长。发射的信号，通过具有包括特定波长的通带的滤光片检测由发射的信号的反射产生的接收的信号，以及确定信号的发射与接收之间经过的时间。能够选择较窄的通带，尤其是比5nm窄的通带，以屏蔽尽可能多的环境光。
电信号能够用于调谐信号的产生。电信号尤其可以是施加到用作发射器的电可调谐垂直腔面发射激光器的调谐电压。
在所述方法的一种变型中，在一系列调谐条件下连续地调谐信号的产生；确定产生所述接收的信号的最大强度的调谐条件；以及通过应用确定的调谐条件将所述信号的产生调谐到特定波长。
在所述方法的另一种变型中，通过带有另外的滤光片的参考光电检测器监测来自电可调谐发射器的电磁辐射，所述另外的滤光片具有包括所述特定波长的通带。
在所述方法的另一种变型中，用设置有滤光片的光电检测器检测所述接收的信号，使得光电检测器的视场取决于入射辐射的波长。将所述信号的产生附加地调谐到与所述特定波长不同的另外的至少一个特定波长，从而对不同的视场执行测量。
在另一方面，飞行时间测量方法包括：使用发射器来发射电磁辐射的信号，限制所述信号的持续时间以进行飞行时间测量，通过具有包括特定波长的通带的电可调谐滤光片来检测接收的信号，所述接收的信号是由所述发射的信号的反射产生的，以及将滤光片调谐到所述特定波长，并且确定信号的发射与接收之间经过的时间。
以下是结合附图对半导体器件和方法的示例的详细描述。
图1示出了包括电可调谐发射器和光电检测器的半导体器件。
图2示出了包括电可调谐发射器和光电检测器的另外的半导体器件。
图3是调谐电压的扫描和接收的信号的相应幅度的图。
图4示出了光电检测器的视场与辐射波长的关系。
图1以横截面示出了用于TOF测量的半导体器件的布置。该半导体器件包括：光电检测器器件1，其包括光电检测器10和滤光片11；以及电可调谐发射器2，所述电可调谐发射器尤其可以是电可调谐垂直腔面发射激光器。光电检测器器件1和电可调谐发射器2布置为使得由电可调谐发射器2发射并由外部反射物体8反射的辐射能够被光电检测器10接收和检测。光电检测器器件1可以是任何半导体光电检测器器件，并且例如尤其可以包括光电二极管或光电二极管阵列。例如，光电检测器可以包括单光子雪崩二极管或单光子雪崩二极管的阵列。
能够将用于处理和/或评估测量的电路14的部件集成在光电检测器器件1中、电可调谐发射器2中，或光电检测器器件1和电可调谐发射器2两者中。电路14的部件可以替代地或附加地由另外的半导体芯片，尤其是ASIC芯片或由布置在图1所示的器件外部的部件来提供。
光电检测器器件1和电可调谐发射器2尤其能够安装在载体3上，所述载体例如可以是包括布线的印刷电路板。可以应用在光电检测器10和电可调谐发射器2上方具有窗口5的盖4以形成容纳光电检测器器件1和电可调谐发射器2的空腔。盖4可以包括不透明的材料以屏蔽环境光。
仅在图1中示意性地由键合线6表示的电连接设置为将光电检测器器件1和电可调谐发射器2彼此连接，并且可选地与外部端子连接。电路14配置成根据滤光片11的通带允许将电可调谐发射器2调谐到期望的波长或波长范围。
图1示出了电可调谐发射器2的波瓣或发射的立体角7。示意性地示出了反射物体8。一些反射光束9通过滤光片11入射到光电检测器10上，并且由光电检测器10检测。发射辐射的调制提供持续时间相对较短的信号。通过监测信号的发射时间和反射信号的接收时间来确定信号的飞行时间。
在另外的实施例中，对滤光片11进行调谐而不对发射器2进行调谐或除发射器外对滤光片进行调谐。如果对滤光片11进行调谐，则发射器2可以在固定波长下工作。
图2是半导体器件的另外的实施例的横截面。与根据图1的半导体器件的元件相对应的根据图2的半导体器件的元件用相同的附图标记表示。根据图2的半导体器件包括光电检测器器件1中的参考光电检测器12，所述参考光电检测器覆盖有另外的滤光片13。参考光电检测器12设置为促进电可调谐发射器2和/或滤光片11的调谐。
由电可调谐发射器2发射的辐射的波长被调谐到滤光片11的通带。因此，能够使用极窄通带(通常为5nm)的滤光片来屏蔽几乎所有的环境光。例如，发射波长能够调整为滤光片11的通带中的中心波长。这尤其能够通过向电可调谐发射器2施加可变的调谐电压来实现，所述电可调谐发射器尤其可以是电可调谐垂直腔面发射激光器。例如，调谐电压能够连续地扫描过规定的范围。由光电检测器10或参考光电检测器12检测发射辐射的一部分以便控制调谐过程。
图3是调谐电压VTUNE的扫描和接收的信号的相应幅度的图。在所述示例中，调谐电压VTUNE从最小值连续扫描到最大值。不需要确定实际波长。可替代地，接收的信号幅度的最大值表示最佳调谐电压VTUNE，所述最佳调谐电压产生最佳地适应于滤光片11的通带的波长。通常，滤光片11的下阻带的范围可以为350nm至935nm，通带的范围可以为940nm至945nm，而上阻带的范围可以为950nm至1100nm。滤光片11的中心频率不需要改变。
代替如上所述的线性扫描，能够采用以下方法在较短的时间内找到合适的VTUNE。可以执行粗扫描以找到调谐电压VTUNE的受限的优选区域，然后在所述受限区域执行精细扫描。一旦找到最佳的VTUNE，就可以不时检查调谐电压VTUNE的细微变化是否会产生更好的结果。这提供了一种简单的方法来补偿由电可调谐发射器2发射的波长的漂移，例如，当工作期间的温度变化时可能发生这种漂移。在包括参考光电检测器12的实施例中，能够将光电检测器10用于半导体器件的正常工作，并且能够同时采用参考光电检测器12来检查调谐电压VTUNE。
图4示出了光电检测器的视场与辐射波长的关系。例如，如果滤光片11的中心波长为940nm，并且电可调谐发射器2被调谐到940nm，则光电检测器10的视场通常可以由半孔为5°(在图4中用半孔的第一角度α1表示)的立体角限定。如果适当改变调谐电压VTUNE，则光电检测器10的视场移至半孔的第一角度α1与半孔的第二角度α2之间的区域，所述半孔的第二角度通常可以为10°。例如，如果电可调谐发射器2调谐到935nm，则可以发生这种情况。光电检测器10的视场可以替代地移至半孔的第二角度α2与半孔的第三角度α3之间的区域，所述半孔的第三角度通常可以是15°。例如，如果电可调谐发射器2调谐到930nm，则可以发生这种情况。因此，仅通过改变调谐电压VTUNE就能够检测物体的不同部分的图像。能够存储这些图像，然后将其组合为物体的完整图像。以这种方式，在半导体器件中实现了选择性的视场，而无需增加任何其他光学器件。
所描述的半导体器件和方法对于许多应用是有利的，而接近检测或手势检测和移动电话是这些应用中的一些。
附图标记说明
1 光电检测器器件
2 电可调谐发射器
3 载体
4 盖
5 窗口
6 电连接
7 发射的立体角
8 反射物体
9 反射光束
10 光电检测器
11 滤光片
12 参考光电检测器
13 另外的滤光片
14 电路
VTUNE 调谐电压
α1 半孔的第一角度
α2 半孔的第二角度
α3 半孔的第三角度

Claims (18)

1.一种半导体器件，其包括：
电磁辐射的发射器(2)，
光电检测器(10)，其能够检测特定波长的电磁辐射，
滤光片(11)，其具有包括所述特定波长的通带，所述滤光片(11)布置在所述光电检测器(10)上，
所述发射器(2)和/或所述滤光片(11)能够电调谐到所述特定波长，以及
电路(14)，其配置成确定由所述发射器(2)发射并随后由所述光电检测器(10)接收的信号的发射与接收之间经过的时间。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述发射器(2)能够电调谐到所述特定波长。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中，所述滤光片(11)能够电调谐到所述特定波长。
4.根据权利要求1至3之一所述的半导体器件，其中，所述光电检测器(10)包括至少一个单光子雪崩二极管。
5.根据权利要求1至4之一所述的半导体器件，其中，所述滤光片(11)包括比5nm窄的通带。
6.根据权利要求1至5之一所述的半导体器件，其中，所述发射器(2)配置为发射限定的持续时间的信号以进行飞行时间测量。
7.根据权利要求1至6之一所述的半导体器件，其中，所述发射器(2)是电可调谐垂直腔面发射激光器。
8.根据权利要求1至7之一所述的半导体器件，还包括：
参考光电检测器(12)，其布置成监测来自所述发射器(2)的电磁辐射，和
另外的滤光片(13)，其具有包括所述特定波长的通带，所述另外的滤光片(13)布置在所述参考光电检测器(12)上。
9.根据权利要求1至7之一所述的半导体器件，还包括：
光电检测器器件(1)，其包括所述光电检测器(10)，
载体(3)，所述光电检测器器件(1)和所述发射器(2)安装在所述载体(3)上，
盖(4)，其具有形成所述光电检测器(10)和所述发射器(2)的孔的窗口(5)，以及
电连接(6)，其位于所述光电检测器器件(1)和所述发射器(2)之间。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，还包括：
参考光电检测器(12)，其布置在所述载体(3)与所述盖(4)之间，以监测来自所述发射器(2)的电磁辐射，和
另外的滤光片(13)，其具有包括所述特定波长的通带，所述另外的滤光片(13)布置在所述参考光电检测器(12)上，位于所述载体(3)与所述盖(4)之间。
11.一种飞行时间测量方法，其包括：
使用电可调谐发射器(2)以产生电磁辐射的信号，其中所述信号的持续时间被限制以进行飞行时间测量，并将信号的产生调谐到特定波长，
发射所述信号，
通过具有包括所述特定波长的通带的滤光片(11)来检测接收的信号，所述接收的信号是由发射的信号的反射产生的，以及
确定所述信号的发射与接收之间经过的时间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述滤光片(11)包括比5nm窄的通带。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，电信号(VTUNE)用于调谐所述信号的产生。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，电可调谐垂直腔面发射激光器用作所述电可调谐发射器(2)，并且所述电信号(VTUNE)是施加到所述电可调谐垂直腔面发射激光器的调谐电压。
15.根据权利要求11至14之一所述的方法，还包括：
在一系列调谐条件下连续地调谐信号的产生，
确定产生所述接收的信号的最大强度的调谐条件，以及
通过应用确定的调谐条件将所述信号的产生调谐到所述特定波长。
16.根据权利要求11至15之一所述的方法，还包括：
通过带有另外的滤光片(13)的参考光电检测器(12)监测来自所述电可调谐发射器(2)的电磁辐射，所述另外的滤光片具有包括所述特定波长的通带。
17.根据权利要求11至16之一所述的方法，还包括：
用设置有所述滤光片(11)的光电检测器(10)检测所述接收的信号，使得所述光电检测器(10)的视场取决于入射辐射的波长，以及
将所述信号的产生附加地调谐到与所述特定波长不同的另外的至少一个特定波长，从而对不同的视场执行测量。
18.一种飞行时间测量方法，其包括：
使用发射器(2)发射电磁辐射的信号，其中所述信号的持续时间被限制以进行飞行时间测量，
通过具有包括特定波长的通带的电可调谐滤光片(11)来检测接收的信号，所述接收的信号是由发射的信号的反射产生的，以及
将所述滤光片(11)调谐到所述特定波长，并且
确定所述信号的发射与接收之间经过的时间。
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