DE102013102061A1

DE102013102061A1 - Subpixel

Info

Publication number: DE102013102061A1
Application number: DE201310102061
Authority: DE
Inventors: Holger Kraft; Nils Friedrich; Holger Bette
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung mit einem photoempfindlichen Halbleitersubstrat, mindestens zwei auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Ausleseknoten, wobei die Ausleseknoten so eingerichtet sind, dass sie im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträger aus dem Halbleitersubstrat auslesen, und mindestens zwei auf und/oder in dem Halbleitersubstrat angeordneten Modulationsgates, wobei die Modulationsgates zumindest abschnittsweise zwischen den Ausleseknoten oder die Ausleseknoten zumindest abschnittsweise zwischen den Modulationsgates angeordnet sind, und wobei das Halbleiterbauelement so ausgestaltet ist, dass die elektromagnetische Strahlung in einen Substratabschnitt unter und/oder neben den Modulationsgates gelangen und dort Ladungsträger erzeugen kann. Derartige Halbleiterbauelemente sind beispielweise zur Entfernungsmessung mittels Laufzeitmessung von intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung bekannt. Ist man daran interessiert neben Entfernungsinformationen Helligkeits- bzw. Intensitätsinformationen beispielsweise für eine visuelle Bildgebung zu erfassen, so kann man die an den Ausleseknoten ausgelesenen Ladungsträgermengen auch addieren, d.h. ein Summensignal bilden. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein eingangs beschriebenes Halbleiterbauelement bereitzustellen, dass eine verbesserte räumliche Auflösung für Intensitätsinformationen ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei dem eingangs beschriebenen Halbleiterbauelement eine Modulationseinrichtung vorgesehen ist, die mit den Modulationsgates elektrisch leitend verbunden und so eingerichtet ist, dass sie in einer ersten Betriebsart so betreibbar ist, dass sie an die Modulationsgates derartige elektrische Potentiale anlegt, dass sie mindestens zwischen einem ersten und einem zweiten Modulationsgate eine Potentialbarriere erzeugt, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in mindestens einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate erzeugt werden, nicht von einem der Substratabschnitte zum anderen gelangen können und die Ladungsträger in dem ersten Substratabschnitt von mindestens einem ersten Ausleseknoten und die Ladungsträger in dem zweiten Substratabschnitt von mindestens einem zweiten Ausleseknoten ausgelesen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung mit einem photoempfindlichen Halbleitersubstrat, mindestens zwei auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Ausleseknoten, wobei die Ausleseknoten so eingerichtet sind, dass sie im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträger aus dem Halbleitersubstrat auslesen, und mindestens zwei auf und/oder in dem Halbleitersubstrat angeordneten Modulationsgates, wobei die Modulationsgates zumindest abschnittsweise zwischen den Ausleseknoten oder die Ausleseknoten zumindest abschnittsweise zwischen den Modulationsgates angeordnet sind, und wobei das Halbleiterbauelement so ausgestaltet ist, dass die elektromagnetische Strahlung in einen Substratabschnitt unter und/oder neben den Modulationsgates gelangen und dort Ladungsträger erzeugen kann.
Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelement zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung mit einem photoempfindlichen Halbleitersubstrat, mindestens zwei auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Ausleseknoten, wobei die Ausleseknoten so eingerichtet sind, dass sie im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträger aus dem Halbleitersubstrat auslesen, und mindestens zwei auf und/oder in dem Halbleitersubstrat angeordneten Modulationsgates, wobei die Modulationsgates zumindest abschnittsweise zwischen den Ausleseknoten oder die Ausleseknoten zumindest abschnittsweise zwischen den Modulationsgates angeordnet sind, und wobei das Halbleiterbauelement so ausgestaltet ist, dass die elektromagnetische Strahlung in einen Substratabschnitt unter und/oder neben den Modulationsgates gelangen und dort Ladungsträger erzeugen kann.
Derartige Halbleiterbauelemente sind aus dem Stand der Technik beispielweise zur Entfernungsmessung mittels Laufzeitmessung von intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung bekannt. Bei einer solchen Entfernungsmessung wird von einem Sender mit bekannter Position ein entsprechendes intensitätsmoduliertes elektromagnetisches Strahlungssignal ausgesendet, dessen zeitlicher Intensitätsverlauf gemäß einer Intensitätsmodulationsfunktion moduliert wird. Dieses Signal wird von Objekten in der mit der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung beaufschlagten Umgebung des Senders reflektiert. Wird die Phase der reflektierten intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung mittels eines geeigneten Halbleiterbauelements erfasst, so kann aus der relativen Phasenverschiebung der Intensitätsmodulation der erfassten Strahlung die Zeit bestimmt werden, die von der Strahlung für das Zurücklegen der Wegstrecke von dem Sender über das reflektierende Objekt bis zum Halbleiterbauelement benötigt wird. Aus dieser Laufzeit kann bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Strahlungssignals, im Allgemeinen ist dies die Lichtgeschwindigkeit, die zurückgelegte Wegstrecke berechnet werden. Aus dieser Wegstrecke wiederum kann bei bekannter Position des Senders auf den Abstand des reflektierenden Objekts von dem Sensor bzw. dem Halbleiterbauelement geschlossen werden.
Beispielsweise findet sich ein solches geeignetes Halbleiterbauelement in der DE 10 2004 016 624 A1 , die ein Photomischdetektor-Element (PMD-Element) beschreibt. Zur Entfernungsmessung mittels eines solchen PMD-Elements wird beispielsweise ein Verfahren zum Bestimmen von Amplitude und relativer Phase der Intensitätsmodulation eines intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlungssignals gemäß der DE 198 21 974 A1 verwendet. Hierbei werden innerhalb einer photoempfindlichen Schicht des Halbleiterbauelements Photonen der elektromagnetischen Strahlung in Ladungsträger umgewandelt. Im Allgemeinen besteht die einfallende elektromagnetische Strahlung dabei aus einem intensitätsmodulierten Strahlungssignal und Hintergrundstrahlung. In einem solchen Fall wird nur ein Teil der Ladungsträger von Photonen des intensitätsmodulierten Strahlungssignals erzeugt. Die restlichen Ladungsträger sind auf die Hintergrundstrahlung zurückzuführen. Die Anzahl der durch das elektromagnetische Signal im Halbleiterbauelement erzeugten Ladungsträger ist dabei proportional zur Intensität der erzeugenden Strahlung.
Zum gezielten Herausfiltern derjenigen Ladungsträger aus der Gesamtzahl an erzeugten Ladungsträgern, die durch das intensitätsmodulierte Strahlungssignal erzeugt werden, weist das Halbleiterbauelement eine sogenannte Ladungsschaukel auf. Unter einer Ladungsschaukel wird hier eine photoempfindliche Schicht, insbesondere ein Halbleitersubstrat, zum Umwandeln einfallender Photonen in Ladungsträger verstanden, welche mittels Modulationsgates mit einer entsprechend einer Modulationsfunktion modulierten bzw. zeitlich variierten Potentialdifferenz beaufschlagt wird. Diese Potentialdifferenz wird derart zeitlich variiert, dass zwischen Ausleseknoten zum Auslesen der erzeugten Ladungsträger ein Potentialgefälle entsteht, dessen Richtung entsprechend der Modulationsfunktion von einem Ausleseknoten zum anderen wechselt. Dadurch werden die erzeugten Ladungsträger entsprechend der Modulationsfunktion im Wechsel entlang des Potentialgefälles verschoben und jeweils im Bereich des Potentialminimums am Fuße des Potentialgefälles angesammelt. Diese angesammelten Ladungsträger werden während des Verschiebens oder daran zeitlich anschließend über die Ausleseknoten ausgelesen.
Durch Differenzbildung zwischen den von verschiedenen Ausleseknoten ausgelesenen Signalen, d.h. den jeweils angesammelten Ladungsträgern, mittelt sich die unkorrelierte Hintergrundstrahlung statistisch heraus. Unkorrelierte Hintergrundstrahlung meint den Anteil an Ladungsträgern, der durch solche elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, die keine phasenstarre Korrelation zur Modulationsfunktion aufweist. Das resultierende Differenzsignal ist im Wesentlichen sowohl proportional zur Intensität des intensitätsmodulierten elektromagnetischen Signals als auch zu der Phasenverschiebung der Intensitätsmodulation relativ zur Modulationsfunktion. Bei bekannter Phasendifferenz zwischen Modulationsfunktion der Modulationsgates und Intensitätsmodulationsfunktion des Senders kann somit die Phasenverschiebung der Intensitätsmodulation des Signals und im Ergebnis die vom intensitätsmodulierten Signal zurückgelegte Wegstrecke bestimmt werden.
Im Allgemeinen werden zur Vereinfachung der Erfassung gleiche Frequenzen und/oder Signale für die Modulationsfunktion und die Intensitätsmodulation des elektromagnetischen Signals gewählt. Dabei kann die Modulationsfunktion jede periodische, insbesondere beispielsweise eine sinus- bzw. kosinusförmige, oder quasi-periodische Struktur aufweisen.
Ist man daran interessiert neben Entfernungsinformationen Helligkeits- bzw. Intensitätsinformationen beispielsweise für eine visuelle Bildgebung zu erfassen, so kann man die an den Ausleseknoten ausgelesenen Ladungsträgermengen auch addieren, d.h. ein Summensignal bilden. Hierbei sieht man sich aber vor folgendes Problem gestellt: Für das Erfassen von Helligkeitsinformationen ist im Allgemeinen eine hohe Auflösung vorteilhaft, d.h. eine hohe Integrationsdichte durch eine große Anzahl an Pixeln pro Fläche. Mit einer solchen hohen Auflösung kann ein möglichst präzises Bild der zu erfassenden Umgebung erstellt werden. Da im Allgemeinen alle Anteile der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, d.h. der intensitätsmodulierte Strahlungsanteil ebenso wie die Hintergrundstrahlung, zu dem Summensignal beitragen, wird auch bei kleiner Dimensionierung des Halbleiterbauelements in einem bestimmten Zeitraum eine ausreichende Anzahl an Photonen erfasst, um ein für die Auswertung ausreichend starkes Signal zu erzeugen.
Demgegenüber trägt zum Differenzsignal nur der intensitätsmodulierte Strahlungsanteil bei. Mithin ist die Anzahl der zu diesem Signal beitragenden Photonen im Allgemeinen deutlich geringer als im Fall eines Summensignals. Möchte man also in einem bestimmten Zeitraum eine ausreichende Anzahl an Photonen für ein Differenzsignal erzeugen, das für die Auswertung ausreichend stark ist, so sind einer Verkleinerung des Hableiterbauelements nach unten Grenzen gesetzt. Mit anderen Worten, das Halbleiterbauelement und insbesondere das für die Erfassung der Photonen maßgebliche Halbleitersubstrat darf nicht zu klein sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein eingangs beschriebenes Halbleiterbauelement bereitzustellen, dass eine verbesserte räumliche Auflösung für Intensitätsinformationen ermöglicht, ebenso wie ein Verfahren zur verbesserten räumlichen Auflösung für
Intensitätsinformationen. Insbesondere soll eine verbesserte räumliche Auflösung für Intensitätsinformationen bei Anordnung einer Mehrzahl solcher Halbleiterbauelemente in einem Array und/oder einer Matrix ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei dem eingangs beschriebenen Halbleiterbauelement eine Modulationseinrichtung vorgesehen ist, die mit den Modulationsgates elektrisch leitend verbunden und so eingerichtet ist, dass sie in einer ersten Betriebsart so betreibbar ist, dass sie an die Modulationsgates derartige elektrische Potentiale anlegt, dass sie mindestens zwischen einem ersten und einem zweiten Modulationsgate eine Potentialbarriere erzeugt, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in mindestens einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate erzeugt werden, nicht von einem der Substratabschnitte zum anderen gelangen können und die Ladungsträger in dem ersten Substratabschnitt von mindestens einem ersten Ausleseknoten und die Ladungsträger in dem zweiten Substratabschnitt von mindestens einem zweiten Ausleseknoten ausgelesen werden.
Als Ausleseknoten können hierbei Elektroden oder Dioden und insbesondere pn-Dioden dienen, wobei das photoempfindliche Substrat beispielsweise aus p- oder n-dotiertem Silizium besteht. Es sind aber beispielsweise auch Metall-Halbleiterübergänge mit diodenartigen, nicht-ohmschen Kennlinien als Ausleseknoten denkbar. Es versteht sich, dass abhängig von der Substratdotierung sowohl Elektronen als auch Löcher als auszulesende Ladungsträger dienen können.
Ein Gate im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Struktur mittels derer ein Spannungssignal auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht werden kann, ohne dass dabei ein Strom zwischen Gate und Halbleitersubstrat fließt. Insbesondere sind Gates im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt auf Photogates, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, sondern können, vorteilhafter Weise in jeder aus dem Stand der Technik für Gates bekannten Form ausgestaltet sein, soweit eine solche Ausgestaltung für die vorliegende Erfindung nicht unmöglich oder sinnlos ist. Ein Gate kann somit beispielweise auch ein in dem Halbleitersubstrat angeordnetes Trench-Gate sein.
Im Allgemeinen sind sowohl Ausführungsformen des Halbleiterbauelement denkbar, bei denen im Betrieb Ladungsträger bzw. Photoladungsträger erzeugende elektromagnetische Strahlung auf die Substratoberseite, d.h. die Substratseite auf der die Modulationsgates und Ausleseknoten angeordnet sind, einfällt, als auch Ausführungsformen, bei denen elektromagnetische Strahlung auf die Substratunterseite, d.h. die der Substratoberseite gegenüberliegende Seite, einfällt. Im ersten Falle ist es von Vorteil, wenn es sich bei den Modulationsgates um Photogates handelt, sodass die einfallende elektromagnetische Strahlung durch die Modulationsgates hindurch in die Substratabschnitte zwischen und unter denselben gelangt und dort Photoladungsträger erzeugt. Im zweiten Fall, d.h. bei einer rückwärtigen Beleuchtung, kann es sich bei den Modulationsgates auch um photoundurchlässige Gatestrukturen handeln. Entscheidend ist dann, dass die Substratunterseite bzw. Substratrückseite zumindest nicht in einem den Modulationsgates gegenüberliegenden Abschnitt undurchlässig für die elektromagnetische Strahlung abgeschirmt ist.
Ein Photoladungsträger im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Ladungsträger, der in dem Halbleitersubstrat durch eine Wechselwirkung von Photonen mit dem Halbleitersubstrats erzeugt wird. Unter einem Photogate wird ein Gate verstanden, das für elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig bzw. transparent ist.
Durch das Anlegen von Potentialen an die Modulationsgates wird unter und gegebenenfalls neben den Gates jeweils ein Verarmungsbereich in dem Halbleitersubstrat erzeugt. Die Ausdehnung dieser Verarmungsbereiche wird durch die Diffusion von Majoritätsladungsträgern hervorgerufen und ist somit im Allgemeinen von der Dotierungsdichte des Halbleitersubstrats abhängig. Je höher die Dotierungsdichte ist, desto geringer ist die räumliche Ausdehnung der Verarmungsbereiche, da aufgrund der höheren Dichte von verbleibenden Gitterionen ein stärkeres elektrisches Feld entsteht, das der Diffusion entgegenwirkt. Innerhalb dieser Verarmungsbereiche können durch Photonen erzeugte Elektronenlochpaare effektiv getrennt werden und somit im Ergebnis freie Ladungsträger im Halbleitersubstrat erzeugt werden. Diese freien Ladungsträger können über die Ausleseknoten ausgelesen werden, wobei die Anzahl der erzeugten Ladungsträger proportional zur Intensität der erzeugenden elektromagnetischen Strahlung ist. Zu diesem Zweck wird an die Ausleseknoten ein Potentialminimum angelegt, sodass die Ladungsträger einem Potentialgefälle folgend zu den Ausleseknoten verschoben werden. Im Allgemeinen erfolgt die Verschiebung von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat somit entlang von Potentialgefällen bzw. entlang der Richtung der durch die Potentiale bewirkten elektrischen Felder.
Durch die Stärke der an die Modulationsgates angelegten Potentiale kann die räumliche Ausdehnung der Verarmungsbereiche unter den Modulationsgates gezielt gesteuert werden. Die Potentiale lassen sich so einstellen, dass die Verarmungsbereiche unter den Modulationsgates räumlich abgegrenzt gegenüber dem Rest des Halbleitersubstrats bleiben, d.h. dass die Verarmungsbereiche einander nicht überlappen und mithin kein zusammenhängender Verarmungsbereich unter den Modulationsgates erzeugt wird.
Durch ein erhöhtes Potential zwischen den Verarmungsbereichen wird eine Potentialbarriere gebildet. Die Ladungsträger können in diesem Fall nicht aus den einzelnen Verarmungsbereichen heraus gelangen und werden in diesen gesammelt. Im Ergebnis wird innerhalb eines Halbleiterbauelements eine Mehrzahl von Potentialtöpfen erzeugt und somit die effektive Pixelzahl von eins auf die Anzahl der durch eine Potentialbarriere voneinander getrennten Modulationsgates erhöht, da jeder einzelne Potentialtopf ein Pixel bzw. einen Bildpunkt darstellt. Wichtig ist hierbei, dass die Potentialbarrieren eine ausreichende Höhe relativ zu den Potentialen unter den Modulationsgates ebenso wie eine ausreichende Breite aufweisen, sodass ein Tunneln der Ladungsträger durch die Barriere und insbesondere ein Überwinden der Barriere sehr unwahrscheinlich wird. Die Potentialbarriere kann sowohl durch ein gezieltes Anheben des Potentials in dem entsprechenden Abschnitt des Substrats gegenüber den zu trennenden Potentialabschnitten erzeugt werden als auch durch ein gezieltes Absenken der Potentiale der zu trennenden Substratabschnitten, wobei die Potentiale nur soweit abgesenkt werden, dass die Potentialbarriere als Trennung zwischen diesen verbleibt. Anheben und Absenken der Potentiale ist hier und im Folgenden stets in Abhängigkeit vom Vorzeichen der zu sammelnden Ladungsträger zu verstehen, d.h. das Vorzeichen der Potentiale ist ladungsträgerabhängig. Ein Absenken eines Potentials bzw. eines Potentialabschnitts meint eine Änderung desselben, sodass die entsprechenden Ladungsträger von diesem stärker angezogen werden. Hingegen meint Anheben eine Änderung, infolge derer entsprechende Ladungsträger weniger stark angezogen oder gar abgestoßen werden. Somit meint Potentialminimum einen Potentialabschnitt, von dem die stärkste Anziehungskraft auf die entsprechenden Ladungsträger ausgeübt wird. Die Richtung entlang eines Potentialgefälles ist die Richtung entlang derer die Anziehungskraft die entsprechenden Ladungsträger verschiebt.
Wird also zwischen zwei Modulationsgates eine Potentialbarriere erzeugt, so werden in den Substratabschnitten unter diesen Modulationsgates jeweils getrennt voneinander Ladungsträger angesammelt, die während des Ansammelns und/oder danach jeweils getrennt über verschiedene Ausleseknoten ausgelesen werden. Im Allgemeinen können die unter einem Modulationsgate angesammelten Ladungsträger auch über mehrere Ausleseknoten ausgelesen werden. Ebenso ist es denkbar, alle Ladungsträger unter den Modulationsgates über den gleichen Ausleseknoten auszulesen. In diesem Fall erfolgt das Auslesen für die einzelnen Modulationsgates allerdings nacheinander. Für ein schnelles Auslesen empfiehlt es sich daher die Ladungsträger der verschiedenen Modulationsgates über verschiedene Ausleseknoten auszulesen, da dies gleichzeitig erfolgen kann, solange die trennenden Potentialbarrieren aufrechterhalten werden.
Eine Potentialbarriere zwischen zwei Modulationsgates im Sinne der vorliegenden Anmeldung liegt bereits dann vor, wenn von der Modulationseinrichtung in der ersten Betriebsart nur an eines der beiden Modulationsgates ein elektrisches Potential angelegt wird. Genauer gesagt wird in diesem fall an das zweite Modulationsgate eine Nullpotential angelegt, d.h. das Potential des zweite Modulationsgates wird von der Modulationseinrichtung nicht direkt beeinflusst. Somit entsteht eine Potentialstufe zwischen den beiden Modulationsgates. Infolge dieser Potentialstufe können bei ausreichender Höhe der Potentialstufe freie Ladungsträger, die in einem Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten, mit einem elektrischen Potential beaufschlagten Modulationsgate erzeugt werden, nicht in einen Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate gelangen. Andererseits wird unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate bei Anlegen eines Nullpotentials kein Verarmungsbereich im Halbleitersubstrat erzeugt, sodass infolge von Rekombinationseffekten keine oder höchstens eine vernachlässigbare Anzahl an freien Ladungsträgern erzeugt wird. Daher gelangen in diesem Fall auch aus Substratabschnitten unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate keine freien Ladungsträger in Substratabschnitte unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate. Auf diese Weise können in der ersten Betriebsart der Modulationseinrichtung einzelne Modulationsgates bzw. Substratabschnitten unter und/oder neben diesen für das Erfassen einer elektromagnetischen Strahlung durch Anlegen eines Potentials aktiviert und durch Anlegen eines Nullpotentials deaktiviert werden.
Im Allgemeinen kann es vorteilhaft sein, dass mehr als zwei Modulationsgates vorgesehen sind, die jeweils durch eine Potentialbarriere voneinander getrennt werden. In diesem Fall werden abhängig von der Anordnung der Modulationsgates nicht alle Potentialtöpfe, sondern beispielsweise höchstens zwei gleichzeitig ausgelesen. Dabei werden sukzessive alle Potentialtöpfe einzeln oder in Paaren ausgelesen. Von den einzelnen Ausleseknoten wird zunächst gleichzeitig das jeweils nächstgelegene Modulationsgate ausgelesen. Anschließend wird jeweils die zu den Ausleseknoten nächstgelegene Potentialbarriere soweit abgesenkt, dass Ladungsträger aus einem Substratabschnitt unter und/oder neben einem noch nicht ausgelesenen Modulationsgate in den Substratabschnitte unter und/oder neben einem bereits ausgelesenen Modulationsgate gelangen können. Diese Ladungsträger werden wiederum gleichzeitig für die einzelnen Modulationsgates von jeweils einem oder mehreren verschiedenen Ausleseknoten ausgelesen. Die Ausleseknoten lesen somit die Ladungsträger durch die Substratabschnitte unter den bereits ausgelesenen Modulationsgates hindurch aus. Selbstverständlich kann das jeweilige Auslesen anstatt gleichzeitig auch nacheinander erfolgen.
Im Falle einer ungeraden Anzahl von Modulationsgates empfiehlt es sich für das in der Mitte angeordnete Modulationsgate, das als letztes auszulesen ist, festzulegen, durch welchen Ausleseknoten es ausgelesen wird. Denkbar ist es aber auch, dass dieses letzte Modulationsgate über alle Ausleseknoten ausgelesen wird.
Ebenso denkbar ist es, anstatt zum Auslesen die Potentialbarriere abzusenken, das Potential unter dem auszulesenden Modulationsgate soweit anzuheben, dass die dort angesammelten Ladungsträger über die Potentialbarriere hinweg ausgelesen werden können. Selbstverständlich kann auch ein Mischverfahren zur Anwendung kommen, bei dem sowohl die Potentialbarriere abgesenkt als auch das Potential unter dem auszulesenden Modulationsgate angehoben wird. Ein solches Mischverfahren ist insbesondere sinnvoll, wenn ein Modulationsgate nur zu einer Seite hin ausgelesen werden soll. Möchte man ein einseitiges Auslesen ohne Absenken einer Potentialbarriere verwirklichen, so ist parallel zum Anheben des Potentials unter dem auszulesenden Modulationsgate im Allgemeinen auch ein Anheben der Potentialbarriere auf der Seite des auszulesenden Modulationsgates nötig, auf der das Auslesen verhindert werden soll. Selbstverständlich kann ein einseitiges Auslesen eines Modulationsgates auch durch ein kombiniertes Absenken und Anheben von Potentialbarrieren erreicht werden, wobei eine ausleseseitige Potentialbarriere abgesenkt und eine Potentialbarriere auf einer Seite, auf der kein Auslesen stattfinden soll, angehoben wird.
Im Hinblick auf das Merkmale einer geraden bzw. ungeraden Anzahl von Modulationsgates gilt es zu beachten, dass die Anzahl an Modulationsgates definiert ist als die Anzahl an räumlich voneinander beabstandeten Modulationsgates. Demgegenüber kann eine so definierte gerade Anzahl von Modulationsgates leicht durch Unterteilung eines der Modulationsgates mittels geeigneter Beschaltung in eine ungerade effektive Anzahl an Modulationsgates überführt werden. Bei der effektiven Anzahl an Modulationsgates werden Modulationsgates die aufgrund geeigneter Beschaltung abschnittsweise wie verschiedene Modulationsgates wirken als verschiedene Modulationsgates gezählt. Dies kann beispielweise durch Unterteilung des mittleren Modulationsgates erfolgen. Ebenso kann eine gerade Anzahl von Modulationsgates leicht in eine ungerade effektive Anzahl überführt werden. In diesem Fall werden bei der effektiven Anzahl an Modulationsgates räumlich voneinander beabstandete Modulationsgates, die aufgrund geeigneter Beschaltung wie ein einziges zusammenhängendes Modulationsgate wirken, auch als ein einziges Modulationsgate gezählt. Beispielsweise kann dies dadurch erreicht werden, dass gleiche Spannungen an zwei oder mehr benachbarte Modulationsgates angelegt werden, ohne dass zwischen diesen Modulationsgates eine Potentialbarriere erzeugt wird. Ist in der vorliegenden Anmeldung von einer bestimmten Anzahl an Modulationsgates die Rede, so kann diese nicht nur durch eine entsprechende Anzahl voneinander beabstandeter Modulationsgates, sondern auch durch eine entsprechende effektive Anzahl in geeigneter Weise beschalteter Modulationsgates verwirklicht werden.
Hier und im Folgenden meint ein in der Mitte zwischen zwei Ausleseknoten angeordnetes Modulationsgate ein Modulationsgate, das so zwischen den Ausleseknoten angeordnet ist, dass zu beiden Seiten des Modulationsgates zwischen diesem Modulationsgates und den Ausleseknoten jeweils die gleiche Anzahl an weiteren Modulationsgates angeordnet ist.
Das Auslesen kann weiter erleichtert werden, wenn jeweils zusätzlich zum Absenken einer Potentialbarriere auch die Potentiale bereits ausgelesener Modulationsgates so abgesenkt werden, dass ein Potentialgefälle von einem noch nicht ausgelesenen Modulationsgate zu einem auslesenden Ausleseknoten erzeugt wird. Auf diese Weise wird das Verschieben von Ladungsträgern aus einem auszulesenden Substratabschnitt hin zu einem Ausleseknoten verbessert. Ebenso kann ein solches, das Ausleseverhalten verbesserndes Potentialgefälle, auch durch ein Anheben des Potentials an einem auszulesenden Modulationsgates oder durch eine Kombination aus Absenken des Potentials eines bereits ausgelesenen Modulationsgates und Anheben des Potentials eines auszulesenden Modulationsgates erzeugt werden.
Der Trenneffekt zwischen einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben einem ersten Modulationsgate und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben einem zweiten Modulationsgate kann zusätzlich verstärkt werden durch ein in die Halbleiterschicht eingebrachtes Trennimplantat, welches zwischen den beiden Modulationsgates angeordnet ist und vorzugsweise den gleichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat, jedoch eine höhere Dotierungsdichte aufweist.
In einer Ausführungsform sind mindestens zwei Modulationsgates zumindest abschnittsweise nebeneinander zwischen den Ausleseknoten angeordnet. Eine Anordnung von Modulationsgates zumindest abschnittsweise nebeneinander zwischen mindestens zwei Ausleseknoten im Sinne der vorliegenden Erfindung meint, dass in einer Draufsicht auf die Substratoberseite eine gedachte direkte Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten bzw. Schwerpunkten der beiden Ausleseknoten die Flächen aller entsprechend angeordneter Modulationsgates schneidet. Ebenfalls als zwischen den Ausleseknoten angeordnet gelten in diesem Sinn Modulationgates, deren Flächen von der gedachten Verbindungslinie geschnitten werden, wenn diese Linie senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung und parallel zur Substratoberseite verschoben wird.
In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei als Trenchgates ausgestaltete Modulationsgates abschnittsweise nebeneinander in dem Halbleitersubstrat angeordnet. Die Trenchgates bestehen vorzugsweise jeweils aus einem sich von der Oberfläche des Halbleitersubstarats und senkrecht zu dieser Oberfläche in das Halbleitersubstarats hinein erstreckenden Kanal, wobei die Kanalwände mit einer elektrisch isolierenden Schicht ausgekleidet sind und in dem Kanal ein elektrisch leitendes Material angeordnet ist. Zwischen diesen zwei Trenchgates sind mindestens zwei Ausleseknoten auf dem Halbleitersubstrat angeordnet. Zur Verstärkung des Trenneffekts zwischen einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Trenchgate und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Trenchgate ist zusätzlich zwischen den beiden Ausleseknoten ein Trennimplantat in die Halbleiterschicht eingebracht. Dieses Trennimplantat weist vorzugsweise den gleichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat, jedoch eine höhere Dotierungsdichte auf.
In einer Ausführungsform ist die Modulationseinrichtung so eingerichtet, dass sie zusätzlich in einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, wobei die Modulationseinrichtung in der zweiten Betriebsart mindestens zwischen dem ersten und dem zweiten Modulationsgate eine Potentialdifferenz erzeugt und diese Potentialdifferenz derart zeitlich variiert, dass sich die Richtung des von der Potentialdifferenz bewirkten elektrischen Feldes ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in dem ersten und zweiten Substratabschnitt erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten oder dem zweiten Ausleseknoten verschoben und dort ausgelesen werden.
Diese zusätzliche Betriebsart der Modulationseinrichtung und somit des Halbleiterbauelements ermöglicht es, neben einem Erfassen der Intensität der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit erhöhter Auflösung in der ersten Betriebsart zusätzlich Entfernungsinformation in der zweiten Betriebsart zu erfassen. Hierbei bildet das Halbleiterbauelement allerdings im Gegensatz zur ersten Betriebsart nur ein einziges Pixel. Mit anderen Worten wird nur eine einzige Entfernungsinformation mit dem Halbleiterbauelement erfasst. Möchte man in der ersten Betriebsart erfasste Helligkeitsinformationen und in der zweiten Betriebsart erfasste Entfernungsinformation miteinander kombinieren, so ist die Entfernungsinformation als ein für alle Helligkeitsbildpunkte identischer Mittelwert zu betrachten.
In der zweiten Betriebsart werden keine Potentialbarrieren zwischen den Modulationsgates erzeugt. Vielmehr werden zwischen den Modulationsgates Potentialdifferenzen erzeugt, die zusammen unter den Modulationsgates mindestens ein durchgehendes elektrisches Feld mit einer einheitlichen Richtung bilden. Zugleich werden freie Photoladungsträger in Substratabschnitten unter und/oder neben allen mit einem elektrischen Potential beaufschlagten Modulationsgates erzeugt, wenn entsprechende elektromagnetische Strahlung in diese Substratabschnitte gelangt. Mithin werden Ladungsträger in der Halbleiterstruktur entlang der elektrischen Feldrichtung verschoben. Ob die Verschiebung in Richtung oder entgegen der Richtung des Feldes erfolgt, hängt selbstverständlich von der Ladung der verschobenen Ladungsträger ab, d.h. davon, ob es sich bei den verschobenen Ladungsträgern um Elektronen oder Löcher handelt. Ein Auslesen der Ladungsträger erfolgt abwechselnd über mindestens einen der Ausleseknoten. Die Verschiebung der Ladungsträger ist korreliert mit einer Modulationsfunktion durch welche die Potentialdifferenzen und mithin die Richtung des elektrischen Feldes variiert werden. Variation bzw. Änderung der Feldrichtung meint hier und im Folgenden insbesondere die Umkehrung der Richtung. Dies hat zur Folge, dass Ladungsträger, die durch elektromagnetische Strahlung erzeugt werden, deren Intensitätsmodulation keine Korrelation zur Modulationsfunktion aufweist, im statistischen Mittel in gleicher Anzahl zu den einzelnen Ausleseknoten verschoben werden. Dem gegenüber ist an den Ausleseknoten die Anzahl an Ladungsträgern, die durch elektromagnetische Strahlung erzeugt wurden, deren Intensitätsmodulation mit der Modulationsfunktion korreliert ist, im Ergebnis auch mit der Intensität der intensitätsmodulierten Strahlung korreliert. Mithin kann durch Differenzbildung zwischen den an den verschiedenen Ausleseknoten ausgelesenen Ladungsträgermengen die unkorrelierte Hintergrundstrahlung herausgemittelt werden. Das verbleibende, herausgefilterte Differenzsignal hängt somit von der Intensität des modulierten Strahlungsanteils ab. Im Ergebnis verwirklicht ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in der zweiten Betriebsart die eingangs beschriebene, aus dem Stand der Technik bekannte Ladungsträgerschaukel und stellt ein PMD-Element dar.
Dadurch, dass ein und dasselbe Halbleiterbauelement auswählbar in der ersten und in der zweiten Betriebsart betrieben werden kann, kann mit ein und demselben Halbleiterbauelement in bestimmten Spektralbereichen sowohl eine Mehrzahl an Intensitätsinformationen für die gesamte einfallende Strahlung, d.h. Hintergrundstrahlung und korrelierter Strahlungsanteil, als auch eine Entfernungsinformation für den korrelierten Strahlungsanteil ermittelt werden.
Möchte man für die Erstellung eines Helligkeitsbildes allein die Intensitätsinformationen für die Hintergrundstrahlung verwenden, also ohne einen künstlich erzeugten und von einem Sender ausgestrahlten intensitätsmodulierten Strahlungsanteil, so kann der in der zweiten Betriebsart ermittelte Wert für die Intensitätsverteilung des korrelierten Strahlungsanteils von den einzelnen Intensitätsinformationen aus der ersten Betriebsart abgezogen werden. Dabei stellt diese Intensitätsverteilung aus der zweiten Betriebsart wiederum einen Mittelwert für das ganze Halbleiterbauelement dar. Da bei der Erfassung der verschiedenen Messdaten in der ersten und zweiten Betriebsart jeweils unterschiedliche Abschnitte des Halbleitersubstrats beitragen, ist ein in der zweiten Betriebsart ermittelter Wert für die Subtraktion gegebenenfalls mittels eines Korrekturfaktors anzupassen, um geometrische Unterschiede sowie Unterschiede im Hinblick auf die Quanteneffizienz zu berücksichtigen.
Denkbar ist auch, dass das Halbleiterbauelement ein oder mehrere Auslesegates aufweist, wobei ein Auslesegate vorzugsweise eine Länge aufweist, die größer ist als seine Breite, und vorzugsweise so neben einem Modulationsgate angeordnet ist, dass die Längsrichtung des Auslesegates parallel zu einer Seitenkante des Modulationsgates verläuft. Die Auslesegates sind jeweils so eingerichtet, dass im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträgern in einem Substratabschnitt unter dem Auslesegate angesammelt werden und die angesammelten Ladungsträger in Längsrichtung der Auslesegates verschoben werden. Vorteilhafter Weise werden unter den Auslesegates insbesondere beim Auslesen des Halbleiterbauelements die in Substratabschnitten unter und/oder neben Modulationsgates erzeugten Ladungsträger angesammelt. An jedes Auslesegate ist mindestens ein Ausleseknoten so angrenzend angeordnet, dass er im Betrieb des Halbleiterbauelements Ladungsträger ausliest, die in einem Substratabschnitt unter dem Auslesegate angesammelt werden. Für ein effizientes Verschieben und Auslesen der Ladungsträger empfiehlt es sich, dass unter den Auslesegates jeweils Potentialgefälle hin zu den Ausleseknoten erzeugt werden. Insbesondere kann ein Ausleseknoten auch abschnittsweise oder vollständig von dem Auslesegate umschlossen sein. Vorteilhaft ist insbesondere eine Anordnung zweier Auslesegates, bei der mindestens zwei Modulationsgates zwischen den Auslesegates zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordnet sind. Für diese Form der Anordnung zwischen zwei Auslesegates gilt die oben im Hinblick auf die Ausleseknoten gegebene Definition analog. Im Gegensatz zu den von den Modulationsgates überdeckten Substratabschnitten können die Substratabschnitte unter den Auslesegates, an denen keine Modulationsspannung anliegt, nicht zur Erfassung von Entfernungsinformationen in der zweiten Betriebsart beitragen. Jedoch können die Auslesegates, wenn sie als Photogates ausgestaltet sind, in der ersten Betriebsart in gleicher Weise wirken wie ein erfindungsgemäßes Modulationsgate.
Dieses Halbleiterbauelement mit einer in der erfindungsgemäßen ersten Betriebsart betreibbaren Modulationseinrichtung, einschließlich der mit Bezug auf die erste Betriebsart beschriebenen Ergänzungen und Varianten, kann selbstverständlich auch dann in vorteilhafter Weise zur Erhöhung der Auflösung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements verwendet werden, wenn keine erfindungsgemäße zweite Betriebsart zum Betrieb der Modulationseinrichtung vorgesehen ist.
In einer Ausführungsform ist die Modulationseinrichtung so eingerichtet, dass sie in der ersten Betriebsart mindestens an das erste und das zweite Modulationsgate gleiche zeitlich konstante Potentiale anlegt.
Durch das Anlegen zeitlich konstanter Potentiale in der ersten Betriebsart können Korrelationsphänomene vermieden werden. Eine zeitliche Variation der Potentiale würde zu einer Variation der Ausdehnung der Verarmungsbereiche und mithin zu einer Variation der Ausdehnung der zu der Erfassung der elektromagnetischen Strahlung beitragenden Substratabschnitte führen. Mithin würden Strahlungsanteile, deren Intensitätsverteilung mit der Variation der Potentiale korreliert ist, bei der Erfassung stärker gewichtet werden als unkorrelierte Strahlungsanteile. Gleiche Potentiale an den Modulationsgates führen dazu, dass keine relativen Ausdehnungsunterschiede der zur Erfassung beitragenden Substratabschnitte unter den einzelnen Modulationsgates auftreten. Anderenfalls würde dies zu geometrisch bedingten unterschiedlichen erfassten Ladungsträgermengen für die einzelnen Modulationsgates führen. Diese Unterschiede sind dann aber nicht auf Intensitätsunterschiede in der Strahlung, sondern vielmehr auf die Potentiale zurückzuführen und müssten bei der Auswertung der ausgelesenen Signale korrigiert werden. Dessen ungeachtet kann es für das Auslesen von angesammelten Ladungsträgern im Gegensatz zum Erfassen der Photonen vorteilhaft sein, die Potentiale zumindest abschnittsweise in der oben beschriebenen Weise abzusenken oder anzuheben, sodass Potentialgefälle zu den Ausleseknoten hin erzeugt werden. Entlang solcher Potentialgefälle können die Ladungsträger effizient und schnell zu den Ausleseknoten verschoben werden.
Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass in der ersten Betriebsart an ein oder mehrere Modulationsgates Potentiale angelegt werden, die niedriger sind als die Potentiale an den Ausleseknoten. Zum Auslesen der unterhalb solcher Modulationsgates angesammelten Ladungsträger müssen die Potentiale an diesen Modulationsgates über die Potentiale an den Ausleseknoten angehoben werden. Infolgedessen befinden sich die Potentiale an den Ausleseknoten wieder auf einem Potentialminimum und es wird ein Potentialgefälle von den Modulationsgates mit angehobenem Potential hin zu den Ausleseknoten erzeugt, entlang dessen die Ladungsträger zum Auslesen verschoben werden können. In analoger Weise können natürlich auch die Potentiale an den Ausleseknoten weiter abgesenkt werden. Denkbar ist beispielsweise eine Ausführungsform mit fünf Modulationsgates, wobei das an das mittlere Gate angelegte Potential niedriger ist als die Potentiale an den Ausleseknoten.
Durch Ändern bzw. gezieltes Anpassung der an den Modulationsgates angelegten Potentiale in der ersten Betriebsart kann die Sensitivität der von den einzelnen Modulationsgates gebildeten Subpixel auch gezielt verschoben werden. Dies führt zu relativen Ausdehnungsunterschieden der zur Erfassung beitragenden Substratabschnitte unter den einzelnen Modulationsgates und zu Unterschieden in den erfassten Ladungsträgermengen. Von Vorteil ist dies beispielsweise, wenn das Halbleiterbauelement so ausgestaltet ist, dass die einzelnen Modulationsgates in der ersten Betriebsart jeweils einzelne, für unterschiedliche Spektralbereiche sensitive Subpixel bilden. Weist das Halbleiterbauelement beispielsweise drei solche durch Potentialbarrieren getrennte Subpixel auf, von denen jeweils eines für die Farben Rot, Grün bzw. Blau sensitiv ist, kann durch Anpassung der Potentiale die Sensitivität des Subpixels für Grün gegenüber den anderen beiden jeweils im Verhältnis 2:1 erhöht werden. Mithin wird das Prinzip eines Bayer-Sensors mit einem Verhältnis der Sensitivitäten für Rot, Grün und Blau von 1:2:1 verwirklicht. Eine solche Anpassung der Potentiale kann aber auch in der Gestalt erfolgen, dass zwei benachbarte Modulationsgates auf gleiche Potentialstufen gesetzt werden, ohne dass zwischen ihnen eine Potentialbarriere erzeugt wird, und die beiden Modulationsgates somit effektiv wie ein einziges Modulationsgate wirken.
In einer Ausführungsform sind mindestens drei zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordnete Modulationsgates vorgesehen, und die Modulationseinrichtung ist so eingerichtet, dass sie in einer ersten Betriebsart so betreibbar ist, dass sie an die Modulationsgates derartige elektrische Potentiale anlegt, dass sie durch mindestens ein zwischen einem ersten und einem zweiten Modulationsgate angeordnetes drittes Modulationsgate eine Potentialbarriere zwischen dem ersten und dem zweiten Modulationsgate erzeugt, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in mindestens einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate erzeugt werden, nicht von einem der Substratabschnitte zum anderen gelangen können und die Ladungsträger in dem ersten Substratabschnitt von mindestens einem ersten Ausleseknoten und die Ladungsträger in dem zweiten Substratabschnitt von mindestens einem zweiten Ausleseknoten ausgelesen werden.
Dabei ist die Modulationseinrichtung vorzugsweise so eingerichtet, dass sie zusätzlich in einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, wobei die Modulationseinrichtung in der zweiten Betriebsart mindestens zwischen dem ersten, zweiten und dritten Modulationsgate jeweils eine Potentialdifferenz erzeugt, wobei die durch die Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder gleiche Richtungen aufweisen, und die Modulationseinrichtung diese Potentialdifferenzen derart zeitlich variiert, dass sich die Richtung der von den Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in Substratabschnitten unter und/oder neben den mindestens drei Modulationsgates erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten oder dem zweiten Ausleseknoten verschoben und dort ausgelesen werden.
Je höher die Anzahl an Modulationsgates ist, desto kontinuierlicher wird das Potentialgefälle in der zweiten Betriebsart. Insbesondere können die einzelnen Potentialstufen durch schmalere Modulationsgates schmaler gewählt werden, wodurch die Verschiebungseffektivität erhöht werden kann. Hierbei gilt es aber zu beachten, dass mit der Anzahl an schmalen Modulationsgates auch die Anzahl an Gatelücken zwischen den Modulationsgates steigt. Diese Lücken wirken sich ihrerseits negativ auf die Verschiebungseffektivität auf. Somit kann die Verschiebungseffektivität durch Erhöhung der Anzahl an schmalen Modulationsgates nicht unbegrenzt gesteigert werden.
Das gezielte Erzeugen einer Potentialbarriere durch ein Modulationsgate, das mithin als ein Trenngates wirkt, erfolgt durch Anlegen eines Potentials an das Modulationsgate, welches gegenüber den Potentialen der benachbarten Modulationsgates erhöht ist. Die benachbarten Modulationsgates können somit Potentialtöpfe bilden, in denen die erzeugten Ladungsträger gesammelt werden.
Beim Erzeugen von Potentialbarrieren in Substratabschnitten unter Gatelücken zwischen Modulationsgates, ist die Breite der Potentialbarrieren sowie die maximale Potentialhöhe, die effektiv erreicht werden kann, von der Breite der Gatelücke abhängig. Mithin ist in diesem Fall auch die Trenneffizienz von der Breite der Gatelücke abhängig. Demgegenüber können durch das gezielte Erzeugen von Potentialbarrieren unterhalb von Modulationsgates die Gatelücken schmaler gehalten werden und so sichergestellt werden, dass der Substratabschnitt zwischen den Ausleseknoten nahezu vollständig von Modulationsgates überdeckt wird. Eine solche möglichst vollständige Überdeckung mit Modulationsgates verbessert das Potentialgefälle in der zweiten Betriebsart.
Zugleich wird die Verarmungszone unter dem Modulationsgate der Potentialbarriere verringert und vorzugsweise ausgelöscht. Dies erlaubt es die Verarmungsbereiche unter den benachbarten Modulationsgates weiter in die Tiefe des Halbleitersubstrats zu erstrecken, ohne dass es dabei zu einer Überlappung von Verarmungsbereichen kommt.
Die Breite und Höhe der Potentialbarriere können ausreichend groß gewählt werden, um ein Tunneln von Ladungsträgern durch die Potentialbarriere hindurch bzw. ein Überwinden der Potentialbarriere durch Ladungsträgern mit ausreichender Energie zu unterdrücken. Wird die Potentialbarriere zwischen zwei Modulationsgates ohne zusätzliches als Trenngate wirkendes Modulationsgate erzeugt, so ist die Breite der Potentialbarriere neben der Stärke der angelegten Potentiale vom Abstand zwischen den Modulationsgates abhängig. Für eine hohe Sensitivität sind möglichst tief in das Halbleitersubstrat hineinreichende Verarmungszonen und daher möglichst große Potentiale vorteilhaft. Diese machen aber ohne Trenngates, d.h. Modulationsgates mit Potentialbarriere, weite Abstände zwischen den Modulationsgates notwendig, die wiederum nachteilig für die zweite Betriebsart sind. Mit Trenngate können diese Nachteile überwunden werden und dennoch in der ersten Betriebsart vorteilhafte große Potentiale angelegt werden.
In einer Ausführungsform sind die Trenngates schmaler als die restlichen Modulationsgates. Dadurch sind in der ersten Betriebsart die einzelnen von den restlichen Modulationgates gebildeten Subpixel möglichst groß, wodurch die Sensitivität der einzelnen Subpixel gesteigert wird.
Grundsätzlich ist auch eine Modulationseinrichtung denkbar, die bei mehr als drei Modulationsgates Potentialbarrieren sowohl durch gezieltes Anheben eines Potentials unter einem als Trenngate wirkenden Modulationsgate erzeugt, als auch durch gezieltes Einstellen der Potentiale zwischen zwei Modulationsgates ohne Trenngate. Auch können zwei oder mehr nebeneinander angeordnete Modulationsgates zusammen ein Trenngate bilden. Darüber hinaus können die Potentiale auch so eingestellt sein, dass die Verarmungsbereiche eines Teils der Modulationsgates einander überlappen und diese Modulationsgates somit gemeinsam ein Pixel bilden.
In einer Ausführungsform ist eine ungerade Mehrzahl zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordneter Modulationsgates vorgesehen, und die Modulationseinrichtung ist so eingerichtet, dass sie in der ersten Betriebsart so betreibbar ist, dass sie an die Modulationsgates derartige elektrische Potentiale anlegt, dass sie durch jedes zweite Modulationsgate jeweils eine Potentialbarriere zwischen zwei Modulationsgates erzeugt, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in zwei Substratabschnitten unter und/oder neben zwei Modulationsgates erzeugt werden, zwischen denen eine Potentialbarriere erzeugt wird, nicht von einem der beiden Substratabschnitte zum anderen gelangen können und die beiden Substratabschnitte getrennt ausgelesen werden.
Dabei ist die Modulationseinrichtung vorzugsweise so eingerichtet, dass sie zusätzlich in einer zweiten Betriebsart betreibbar ist, wobei die Modulationseinrichtung in der zweiten Betriebsart zwischen den Modulationsgates eine Potentialdifferenz erzeugt, wobei die durch die Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder gleiche Richtungen aufweisen, und die Modulationseinrichtung diese Potentialdifferenzen derart zeitlich variiert, dass sich die Richtung der von den Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in den Substratabschnitten unter und/oder neben den Modulationsgates erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten oder dem zweiten Ausleseknoten verschoben und ausgelesen werden.
Das Erzeugen einer Potentialbarriere unter jedem zweiten Modulationsgate ermöglicht eine größtmögliche Anzahl an Potentialbarrieren, die jeweils durch ein Modulationsgate ausgebildet werden, und führt somit zu einer hohen, von der Anzahl der Modulationsgates abhängigen Auflösung in der ersten Betriebsart der Modulationseinrichtung. Insbesondere wird durch das Erzeugen der Potentialbarrieren durch einzelne Modulationsgates die Gefahr eines unbeabsichtigten Überlappens der Verarmungsbereiche unter verschiedenen Modulationsgates aufgrund von Wechselwirkungen vieler großer Potentiale verringert.
Zum Auslesen der in der ersten Betriebsart unter den Modulationsgates angesammelten Ladungsträger müssen wiederum die einzelnen Modulationsgates getrennt ausgelesen werden, wobei für die einzelnen Modulationsgates gegebenenfalls die trennenden Potentialbarrieren zwischen Modulationsgate und Ausleseknoten abgesenkt werden müssen. Alternativer Weise können die Potentiale der auszulesenden Modulationsgates über die Potentialbarrieren angehoben werden. Auch eine Kombination aus Absenken einer Potentialbarriere und Anheben des Potentials eines auszulesenden Modulationsgates ist denkbar.
In einer Ausführungsform ist auf dem Halbleiterbauelement zumindest abschnittsweise eine wellenlängenselektive Schicht aufgebracht, die so ausgestaltet ist, dass zumindest abschnittweise nur elektromagnetische Strahlung in bestimmten, zumindest einen ersten Spektralbereich umfassenden Spektralbereichen in einen Substratabschnitt unter den und/oder zwischen den Modulationsgates gelangen und dort Ladungsträger erzeugen kann.
Wellenlängenselektiv im Sinne der vorliegenden Erfindung meint, dass nur elektromagnetische Strahlung in einem oder mehreren Spektralbereichen durchgelassen wird, für deren Wellenlängen die Selektivität besteht. Somit meint beispielsweise infrarotselektiv durchlässig bzw. transparent für elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich. Ausschließlich infrarotselektiv meint dagegen ausschließlich durchlässig für elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich, ohne dass elektromagnetische Strahlung in anderen Spektralbereichen durchgelassen wird.
Durch das Aufbringen einer wellenlängenselektiven Schicht auf dem Halbleiterbauelement kann festgelegt werden, welche Spektralbereiche zur Erzeugung von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat beitragen. Vorteilhafter Weise ist die wellenlängenselektiven Schicht zumindest für den die Entfernungsinformation enthaltenden Spektralbereich durchlässig und zusätzlich zur Erfassung einer Helligkeitsinformation für einen Teil des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums transparent.
In einer Ausführungsform ist auf dem Halbleiterbauelement eine Mehrzahl von zumindest abschnittsweise für unterschiedliche erste Spektralbereiche selektiven Schichten nebeneinander aufgebracht.
Durch eine Mehrzahl von Schichten, die jeweils für einen anderen ersten Spektralbereich durchlässig sind, können mit unterschiedlichen Bereichen des Halbleiterbauelements Helligkeitsinformationen für unterschiedliche Spektralbereiche erfasst werden.
In einer Ausführungsform sind die zumindest abschnittsweise für unterschiedliche erste Spektralbereiche selektiven Schichten so auf dem Halbleiterbauelement aufgebracht, dass jeweils die von einem Modulationsgate überdeckte Oberfläche des photoempfindlichen Halbleitersubstrats von genau einer wellenlängenselektiven Schicht überdeckt ist.
Somit kann das Halbleiterbauelement beispielsweise in der ersten Betriebsart der Modulationseinrichtung mit verschiedenen Modulationsgates unterschiedliche Farbinformationen erfassen. Mithin kann jedem Modulationsgate und folglich in der ersten Betriebsart jedem Pixel eine spezifische Farbinformation zugeordnet werden. Durch Kombination der unterschiedlichen Farbinformationen von unterschiedlichen Pixeln kann mithin eine bunte Bildinformation erstellt werden. Insbesondere können die Farbintensitätsinformationen gewichtet werden, beispielsweise durch Verdopplung der Sammelbereiche, indem die Substratabschnitte unter mehreren Modulationsgates mit der gleichen Schicht überdeckt sind.
Denkbar ist es aber auch, dass die von einem Modulationsgate überdeckte Substratoberfläche des photoempfindlichen Halbleitersubstrats abschnittsweise von unterschiedlichen wellenlängenselektiven Schichten überdeckt ist. Beispielweise können wellenlängenselektive Schichten von Nachbargates die Substratoberfläche unter einem Modulationsgate mit überdecken, indem diese Schichten entsprechend weiter zur Seite erstreckt sind. Insbesondere ist es beispielweise denkbar, dass die von einem Modulationsgate überdeckte Oberfläche je zur Hälfte von einer wellenlängenselektiven Schicht eines Nachbargates mit überdeckt wird. Dies ist insbesondere für ein als Trenngate wirkendes Modulationsgate denkbar, da im Allgemeinen die in der ersten Betriebsart unterhalb der Trenngates erzeugten Ladungsträgermengen infolge von Rekombinationseffekten vernachlässigbar sind. Mithin kann eine einfache Struktur der wellenlängenselektiven Schichten verwendet werden, ohne dass es zu Mischeffekten zwischen unterschiedlichen Spektralbereichen kommt.
Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit mindestens zwei Trenchgates, mindestens zwei zwischen den Trenchgates angeordneten Ausleseknoten und einem zwischen den Trenngates angeordneten Trennimplantat erstrecken sich beispielsweise mindestens zwei unterschiedliche wellenlängenselektiven Schichten jeweils von einem Trenchgate bis zu dem Trennimplantat.
In einer Ausführungsform sind alle wellenlängenselektiven Schichten durchlässig für elektromagnetische Strahlung in einem gemeinsamen zweiten Spektralbereich.
Vorzugsweise ist der gemeinsame zweite Spektralbereich, derjenige Spektralbereich, in dem eine Entfernungsinformation übertragen wird. Beispielsweise ist der infrarote Spektralbereich gemeinsame zweite Spektralbereich.
Zur Erfassung einer Entfernungsinformation in der zweiten Betriebsart des Halbleiterbauelements sollten vorteilhafter Weise alle Modulationsgates beitragen, da somit die für die Erfassung zur Verfügung stehende Halbleitersubstratfläche maximal und mithin auch die Sensitivität des Halbleiterbauelements maximal ist. Hierfür sollten alle wellenlängenselektiven Schichten für den Spektralbereich durchlässig sein, in dem die Entfernungsinformation enthalten ist. Um die Hintergrundeinflüsse durch sichtbares Licht zu minimieren, wird bevorzugter Weise Licht im infraroten Spektralbereich zur Entfernungsmessung verwendet. Sind alle wellenlängenselektiven Schichten infrarotdurchlässig, so kann sichergestellt werden, dass das gesamte Halbleiterbauelement zur Entfernungsmessung beiträgt.
Ebenso ist es möglich die Entfernungsinformation, d.h. die Intensitätsmodulation, nicht durch elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich zu übertragen, sondern durch Strahlung in einem anderen Spektralbereich. In diesem Fall empfiehlt es sich, dass alle wellenlängenselektive Schicht durchlässig sind für elektromagnetische Strahlung in diesem Spektralbereich, in dem die Entfernungsinformation übertragen wird. So kann im Allgemeinen sichergestellt werden, dass das gesamte Halbleiterbauelement zur Entfernungsmessung beiträgt.
In einer Ausführungsform ist mindestens eine wellenlängenselektive Schicht ausschließlich infrarotselektiv, sodass ausschließlich elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich in den von dieser Schicht überdeckten Substratabschnitt gelangen und dort Ladungsträger erzeugen kann.
Modulationsgates, an die in der ersten Betriebsart der Modulationseinrichtung eine Potentialbarriere angelegt wird, tragen aufgrund von Rekombinationseffekten nur in sehr geringem Umfang zur Erfassung von Helligkeits- bzw. Intensitätsinformationen bei. Die Ladungsträgertrennung weist hier mangels Verarmungsbereich nur eine äußerst geringe Effizienz auf. Allerdings ist das Halbleitersubstrat unter den Modulationsgates dessen ungeachtet photoempfindlich, d.h. es werden dennoch Ladungsträger durch die einfallenden Photonen erzeugt. Falls die erzeugten Ladungsträger nicht rekombinieren, fliesen sie aufgrund von Potentialdifferenzen zwischen Potentialbarriere und den Potentialen der benachbarten Modulationsgates zu letzteren hin ab und werden dort angesammelt. Zur Erfassung einer Intensitätsinformation tragen Modulationsgates, an die in der ersten Betriebsart eine Potentialbarriere angelegt wird, nur in der zweiten Betriebsart der Modulationseinrichtung bei der Entfernungsmessung in vollem Umfang bei. Somit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens eine wellenlängenselektive Schicht ausschließlich infrarotselektiv ist. Eine solche Schicht wird vorteilhafter Weise über dem Substratabschnitt unter einem Modulationsgate angeordnet, an das in der ersten Betriebsart eine Potentialbarriere angelegt wird. Mithin kann die Wahrscheinlichkeit, dass in diesem Bereich Ladungsträger erzeugt werden, zusätzlich verringert werden, da weniger Licht durchgelassen wird. Dennoch trägt dieser Bereich aber in der zweiten Betriebsart zur Entfernungserfassung bei.
Eine solche ausschließlich infrarotselektiven Schicht kann vorteilhafter Weise auch über einem Substratabschnitt angeordnet werden, der zur Helligkeitserfassung in der ersten Betriebsart beiträgt. In diesem Fall kann auch der Anteil an infraroter Hintergrundstrahlung gesondert erfasst werden, der bei der Helligkeitsmessung von den anderen Modulationsgates im Falle von infrarotdurchlässigen Schichten automatisch miterfasst wird. Durch Abzug dieses Anteils an infraroter Strahlung kann für die anderen Modulationsgates in der ersten Betriebsart jeweils eine Helligkeitsinformation in nicht infraroten Spektralbereichen, insbesondere im ausschließlich sichtbaren Spektrum ermittelt werden.
Wie bereits oben dargelegt wurde, ist es möglich die Entfernungsinformation, d.h. die Intensitätsmodulation, nicht durch elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich zu übertragen, sondern durch Strahlung in einem weiteren Spektralbereich. Auch in diesem Fall empfiehlt es sich, dass eine wellenlängenselektive Schicht ausschließlich für diesen weiteren Spektralbereich selektiv ist, sodass ausschließlich elektromagnetische Strahlung in diesem Spektralbereich in den von der entsprechenden Schicht überdeckten Substratabschnitt gelangen und dort Ladungsträger erzeugen kann.
In einer Ausführungsform ist eine gerade Anzahl an Modulationsgates mit mindestens zwei mittleren und zwei äußeren Modulationsgates vorgesehen, wobei die beiden wellenlängenselektiven Schichten, welche die beiden mittleren Modulationsgates überdecken, für den selben Spektralbereich selektiv sind und keine der wellenlängenselektiven Schichten infrarotdurchlässig ist.
Da für die Entfernungserfassung neben dem Infrarotbereich aber auch andere Wellenlängen verwendet werden können, ist auch eine Entfernungsmessung in dem Fall möglich, dass keine der wellenlängenselektiven Schichten infrarotdurchlässig ist. Jedoch müssen mindestens zwei, vorzugsweise die beiden wellenlängenselektiven Schichten, welche die beiden mittleren Modulationsgates überdecken, durchlässig für den die Entfernungsinformation enthaltenden Spektralbereich sein. Für ein effektives Verschieben abwechselnd zu verschiedenen Ausleseknoten und somit eine präzise Erfassung einer Entfernungsinformation, müssen mindestens zwei Modulationsgates mit der gleichen wellenlängenselektiven Schicht überdeckt sein. Um dabei eine effiziente Ladungstrennung und mithin eine möglichst vollständige Verschiebung der Ladungsträger zu einem bestimmten Ausleseknoten zu erreichen, ist es vorteilhaft, die für die Erfassung der Entfernungsinformation verwendeten Modulationsgates und die entsprechenden wellenlängenselektiven Schichten in der Mitte zwischen den Ausleseknoten anzuordnen. Vorteilhaft sind beispielsweise für eine Entfernungserfassung im blauen Farbbereich eine RBBG-Struktur, für eine Entfernungserfassung im Rotbereich eine BRRG-Struktur und für eine Entfernungserfassung im Grünbereich eine RGGB-Struktur. Hierbei bezeichnet eine RBBG-Struktur eine Struktur bestehen aus einer im roten, zwei im blauen und einer im grünen Spektralbereich durchlässigen Schicht, eine BRRG-Struktur eine Struktur bestehen aus einer im blauen, zwei im roten und einer im grünen Spektralbereich durchlässigen Schicht und RGGB-Struktur schließlich eine Struktur bestehen aus einer im roten, zwei im grünen und einer im blauen Spektralbereich durchlässigen Schicht. Die Reihenfolge der Farben gibt hierbei die Reihenfolge der entsprechenden nebeneinander angeordneten wellenlängenselektiven Schichten an.
In einer Ausführungsform sind zwei erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente kombiniert, wobei jedes Halbleiterbauelement drei parallel nebeneinander angeordnete Modulationsgates aufweist, die jeweils das mittlere Modulationsgate überdeckende wellenlängenselektive Schicht ausschließlich infrarotselektiv ist und die beiden Halbleiterbauelemente so angeordnet sind, dass die beiden ausschließlich infrarotselektiven Schichten nebeneinander angeordnet sind, und wobei die Modulationseinrichtungen so eingerichtet sind, dass die Modulationsfunktionen der beiden Halbleiterbauelemente um 90° gegeneinander phasenverschoben sind.
Durch die Verwendung zweier Halbleiterbauelemente mit um 90° gegeneinander verschobenen Modulationsfunktionen kann die Entfernungsinformation besonders effektiv erfasst werden, da alle für die Auswertung der Entfernungsinformation erforderlichen Parameter zugleich erfasst werden. Insbesondere können in der zweiten Betriebsart der Halbleiterbauelemente durch die vier unterschiedlichen relativen Phasen der vier äußeren Modulationsgates in einfacher Weise vier Stützpunkt zur Auswertung der Intensitätsmodulation bzw. des Intensitätsverlaufs der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung ermittelt werden. Dabei wird mittels der beiden Modulationsgates der einzelnen Halbleiterbauelemente jeweils eine Quadraturkomponente erfasst. Aus diesen zwei gleichzeitig erfassten Quadraturkomponenten kann sowohl die Intensität als auch die Phase der intensitätsmodulierten Strahlung bestimmt werden.
In der ersten Betriebsart der Halbleiterbauelemente dienen die mittleren Gates jeweils als Trenngates, an die eine Potentialbarriere angelegt wird. Zugleich können an den vier äußeren Gates vier bis zu Farben erfasst werden. Dies können beispielsweise bei drei Gates jeweils eine der drei Farben Rot, Grün und Blau für eine RGB-Farbbilderzeugung sein. Das verbleibende vierte Gate kann sowohl zum Zwecke einer erhöhten Farbgewichtung ebenfalls mit einer der Farben Rot, Grün oder Blau belegt sein als auch zur Erfassung einer vollständigen Helligkeitsinformation im gesamten sichtbaren Spektralbereich verwendet werden. Auch kann das vierte Gate vorteilhafter Weise für ein Erfassen einer Helligkeitsinformation im gesamten Empfindlichkeitsbereich des Halbleitersubstrats sensitiv sein. Für die zweite Betriebsart wird vorteilhafter Weise an allen Modulationsgates zumindest zusätzlich elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich erfasst. Somit bilden die beiden Halbleiterbauelemente in der zweiten Betriebsart jeweils eine Ladungsschaukel und zusammen ein Entfernungspixel. In der ersten Betriebsart bildet jedes der vier äußeren Modulationsgates für sich genommen ein Farbpixel, d.h. jedes Halbleiterbauelement bildet zwei Farbpixel.
Denkbar sind aber auch andere Ausführungsformen. Beispielsweise können die Modulationsgates jeweils gleich ausgestaltet sein und die Form gleichschenkliger Dreiecke aufweisen. In diesem Fall werden die Modulationsgates vorteilhafter Weise so angeordnet, dass vier Modulationsgates zusammen ein Rechteck, insbesondere ein Quadrat, bilden, wobei die gleichen Schenkel jeweils parallel zu den Diagonalen des Rechtecks angeordnet sind und die Spitzen der Dreiecke im Mittelpunkt des Rechtecks zusammentreffen. Vorteilhafter Weise sind mindestens vier Ausleseknoten vorgesehen, die jeweils an einer Seitenkante des Rechtecks angeordnet sind. In der ersten Betriebsart kann entweder bei ausreichenden großen Gatelücken zwischen den Modulationsgates eine kreuzförmige Potentialbarriere entlang der Diagonalen des Rechtecks erzeugt werden, oder zwei einander gegenüber angeordnete Modulationsgates dienen als Trenngates. Im ersteren Fall bildet jedes Modulationsgate jeweils ein Subpixel. Im letzteren Fall werden zwei dreiecksförmige Potentialbarrieren erzeugt, deren Spitzen aufeinander zuweisen. Die verbleibenden zwei Modulationsgates bilden dann jeweils ein Subpixel. Die Modulationsgates werden jeweils über den nächstgelegenen Ausleseknoten ausgelesen. Vorteilhafter Weise können die zwei Paare gegenüberliegender Modulationsgates jeweils abwechselnd als Subpixel und Trenngates wirken. Somit wirken im Ergebnis, d.h. im zeitlichen Durchschnitt, alle vier Modulationsgates als Subpixel und jeder Abschnitt der von den Modulationsgates überdeckten Fläche des Halbleitersubstrats trägt zur Strahlungserfassung bei.
Im Betrieb des Halbleiterbauelements in der zweiten Betriebsart zur Entfernungsmessung werden die vier Modulationsgates mit jeweils um 90° verschobener Phasenlage betrieben, sodass einander gegenüberliegende Modulationsgates eine Phasendifferenz von 180° zueinander aufweisen. Potentiale mit einer Phasendifferenz von 90° bzw. 180° meint, dass die Potentiale so zeitlich variiert werden, dass die Modulations- bzw. Variationsfunktionen identisch aber um 90° bzw. 180° zueinander phasenverschoben sind. Mittels vier Modulationsgates mit vier unterschiedlichen Phasenlagen können in einfacher Weise vier Stützpunkte zur Auswertung der Intensitätsmodulation bzw. des Intensitätsverlaufs der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung ermittelt werden. Von zwei gegenüberliegenden Modulationsgates wird also jeweils eine Quadraturkomponente erfasst, wobei aus diesen zwei gleichzeitig erfassten Quadraturkomponenten sowohl die Intensität als auch die Phase der intensitätsmodulierten Strahlung bestimmt werden können. Mithin bilden die vier Modulationsgates zusammen ein Entfernungspixel.
In einer weiteren Ausführungsform ist zusätzlich in der Mitte des von den vier Modulationsgates gebildeten Rechtecks ein fünftes Modulationsgate angeordnet. Vorzugsweise ist auch das fünfte Modulationsgate rechteckig und so angeordnet, das die Seitenkanten des fünften Modulationsgates parallel zu den Seitenkanten des von allen Modulationsgates zusammen gebildeten Rechtecks angeordnet sind. Hierbei sollten die Mittelpunkte der beiden Rechtecke zusammenfallen. Vorteilhaft ist insbesondere ein quadratisches fünftes Modulationsgate für den Fall, dass die vier Modulationsgates ein Quadrat bilden. Um eine solche Ausführungsform zu verwirklichen sind die vier Modulationsgates beispielsweise jeweils als gleichschenklige Trapeze ausgestaltet, sodass in der Mitte des von den vier Modulationsgates gebildeten Rechtecks eine rechteckige Gatelücke entsteht, in der das fünfte Modulationsgate angeordnet ist. Wiederum können in der ersten Betriebsart entweder entlang der Gatelücken Potentialbarrieren erzeugt werden, oder aber zwei einander gegenüberliegende Modulationsgates dienen zusammen mit dem fünften Gate in der Mitte als Trenngates. Im ersten Fall bildet das Halbleiterbauelement fünf Subpixel, im zweiten Fall sind es zwei Subpixel. In der zweiten Betriebsart werden die äußeren Modulationsgates wiederum mit jeweils um 90° phasenverschobenen Potentialen beaufschlagt. Diese Potentiale werden unter Aufrechterhaltung der Phasendifferenzen variiert, sodass zwischen gegenüberliegenden Modulationsgates eine konstante Phasendifferenz von 180° besteht. An das mittlere Modulationsgate wird dabei ein konstantes Potential angelegt, so dass es für die Potentiale der gegenüberliegenden Modulationsgates jeweils eine mittlere Potentialstufe bildet. In dieser Ausführungsform bilden die fünf Modulationsgates in der zweiten Betriebsart zusammen ein Entfernungspixel.
In einer Ausführungsform sind eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen in Form eines Arrays und/oder einer Matrix nebeneinander angeordnet.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird ebenso dadurch gelöst, dass in dem eingangs erwähnten Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements in einer ersten Betriebsart die Intensität der elektromagnetischen Strahlung erfasst wird, indem an die Modulationsgates derartige elektrische Potentiale anlegt werden, dass mindestens zwischen einem ersten und einem zweiten Modulationsgate eine Potentialbarriere erzeugt wird, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in mindestens einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate erzeugt werden, nicht von einem der Substratabschnitte zum anderen gelangen und die Ladungsträger in dem ersten Substratabschnitt von mindestens einem ersten Ausleseknoten und die Ladungsträger in dem zweiten Substratabschnitt von mindestens einem zweiten Ausleseknoten ausgelesen werden.
Durch ein solches Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements in einer ersten Betriebsart kann die Auflösung eines mittels des Halbleiterbauelements erfassten Helligkeitsbildes deutlich erhöht werden. Maximal kann die Anzahl der Pixel, die durch das Halbleiterbauelement gebildet werden, von eins auf die Anzahl der Modulationsgates erhöht werden.
In einer Ausführungsform wird in einer zusätzlichen zweiten Betriebsart zur Entfernungserfassung die Intensität eines in der elektromagnetischen Strahlung enthaltenen intensitätsmodulierten Strahlungssignals und/oder die relative Phase zwischen der Intensitätsmodulation des intensitätsmodulierten Strahlungssignals und einer Modulationsfunktion erfasst, indem mindestens zwischen dem ersten und dem zweiten Modulationsgate eine Potentialdifferenz erzeugt und diese Potentialdifferenz entsprechend einer Modulationsfunktion derart zeitlich variiert wird, dass sich die Richtung des von der Potentialdifferenz bewirkten elektrischen Feldes ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in dem ersten und zweiten Substratabschnitt erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten oder dem zweiten Ausleseknoten verschoben und dort ausgelesen werden.
Durch einen Betrieb des Halbleiterbauelements in der ersten und der zusätzlichen zweiten Betriebsart können nicht nur hoch aufgelöste Helligkeits- und insbesondere Farbinformationen sondern auch Entfernungsinformationen mit geringerer Auflösung erfasst werden. Somit kann mittels eines solchen Verfahrens, das den Betrieb in zwei unterschiedlichen Betriebsarten vorsieht, ein 3D-Helligkeitsbild und insbesondere ein 3D-Farbbild der zu erfassenden Umgebung erstellt werden.
Das Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements in einer erfindungsgemäßen ersten Betriebsart, einschließlich der mit Bezug auf die erste Betriebsart beschriebenen Ergänzungen und Varianten, kann selbstverständlich auch dann in vorteilhafter Weise zur Erhöhung der Auflösung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements verwendet werden, wenn keine erfindungsgemäße zweite Betriebsart zum Betrieb des Halbleiterbauelements vorgesehen ist.
In einer Ausführungsform sind mindestens drei zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordnete Modulationsgates vorgesehen, und in einer ersten Betriebsart wird die Intensität der elektromagnetischen Strahlung erfasst, indem an die Modulationsgates derartige elektrische Potentiale anlegt werden, dass durch mindestens ein zwischen einem ersten und einem zweiten Modulationsgate angeordnetes drittes Modulationsgate eine Potentialbarriere zwischen dem ersten und dem zweiten Modulationsgate erzeugt wird, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in mindestens einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate werden, nicht von einem der Substratabschnitte zum anderen gelangen und die Ladungsträger in dem ersten Substratabschnitt von mindestens einem ersten Ausleseknoten und die Ladungsträger in dem zweiten Substratabschnitt von mindestens einem zweiten Ausleseknoten ausgelesen werden.
Dabei wird vorzugsweise in einer zusätzlichen zweiten Betriebsart zur Entfernungserfassung die Intensität eines in der elektromagnetischen Strahlung enthaltenen intensitätsmodulierten Strahlungssignals und/oder die relative Phase zwischen der Intensitätsmodulation des intensitätsmodulierten Strahlungssignals und einer Modulationsfunktion erfasst, indem mindestens zwischen dem ersten, zweiten und dritten Modulationsgate jeweils eine Potentialdifferenz erzeugt wird, wobei die durch die Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder gleiche Richtungen aufweisen, und diese Potentialdifferenzen entsprechend einer Modulationsfunktion derart zeitlich variiert werden, dass sich die Richtung der von den Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in den Substratabschnitten unter und/oder neben den Modulationsgates erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten oder dem zweiten Ausleseknoten verschoben und dort ausgelesen werden.
Durch das Erzeugen einer Potentialbarriere mittels eines zusätzlichen als Trenngate wirkenden Modulationsgates kann die Potentialbarriere breiter und höher ausgebildet werden, wodurch die Gefahr von Dunkelströmen, d.h. Ladungsträgerdiffusion von einem Potentialtopf in den anderen, verringert wird.
In einer Ausführungsform ist eine ungerade Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Modulationsgates vorgesehen, und in einer ersten Betriebsart wird die Intensität der elektromagnetischen Strahlung erfasst, indem an die Modulationsgates derartige elektrische Potentiale anlegt werden, dass durch jedes zweite Modulationsgate jeweils eine Potentialbarriere zwischen zwei Modulationsgates erzeugt wird, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in zwei Substratabschnitten unter und/oder neben zwei Modulationsgates erzeugt werden, zwischen denen eine Potentialbarriere erzeugt wird, nicht von einem der beiden Substratabschnitte zum anderen gelangen und die Substratabschnitte getrennt ausgelesen werden.
Dabei wird vorzugsweise in einer zusätzlichen zweiten Betriebsart zur Entfernungserfassung die Intensität eines in der elektromagnetischen Strahlung enthaltenen intensitätsmodulierten Strahlungssignals und/oder die relative Phase zwischen der Intensitätsmodulation des intensitätsmodulierten Strahlungssignals und einer Modulationsfunktion erfasst, indem zwischen den Modulationsgates jeweils eine Potentialdifferenz erzeugt wird, wobei die durch die Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder gleiche Richtungen aufweisen, und diese Potentialdifferenzen entsprechend einer Modulationsfunktion derart zeitlich variiert werden, dass sich die Richtung der von den Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in den Substratabschnitten unter und/oder neben den Modulationsgates erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten oder dem zweiten Ausleseknoten verschoben und dort ausgelesen werden.
Durch das Anlagen einer Potentialbarriere an jedes zweite Modulationsgate kann einerseits eine möglichst hohe Auflösung und andererseits eine möglichst klare Trennung der Potentialtöpfe ohne Diffusionsströme sichergestellt werden. Werden (2N-1)-Modulationsgates verwendet, wobei N eine natürliche Zahl ist, und wird in diesem Fall jedes zweite Modulationsgate zur Erzeugung einer Potentialbarriere verwendet, so wird die Anzahl der Pixel von eins auf N+1 erhöht.
In einer Ausführungsform weist das Auslesen von Ladungsträgern in der ersten Betriebsart die folgenden Schritte auf: In einem ersten Schritt werden die Ladungsträger unter dem dem ersten Ausleseknoten nächstgelegenen Modulationsgate mindestens von dem ersten Ausleseknoten und die Ladungsträger unter dem dem zweiten Ausleseknoten nächstgelegenen Modulationsgate mindestens von dem zweiten Ausleseknoten ausgelesen, in einem zweiten Schritt werden die Potentialbarrieren der zweiten Modulationsgates, die jeweils neben einem ausgelesenen Modulationsgates angeordneten sind, soweit abgesenkt, dass Ladungsträger aus Substratabschnitten unter den noch nicht ausgelesenen Modulationsgates, die neben den Modulationsgates mit abgesenktem Potential angeordnet sind, in die Substratabschnitte unter den ausgelesenen Modulationsgates gelangen und in einem dritten Schritt werden die Ladungsträger aus den Substratabschnitten unter den noch nicht ausgelesenen Modulationsgates, die neben den Modulationsgates mit abgesenktem Potential angeordnet sind, jeweils getrennt nach außen durch die Substratabschnitte unter den ausgelesenen Modulationsgate hindurch ausgelesen, wobei die Schritte zwei und drei sooft nacheinander wiederholt werden bis alle Modulationsgates ausgelesen sind.
Um ein Vermischen der Informationen über die Anzahl der in der ersten Betriebsart jeweils unter den einzelnen Modulationsgates angesammelten Ladungsmengen beim Auslesen aus den einzelnen Substratabschnitten zu verhindern, sollten diese getrennt ausgelesen werden. Ein solches getrenntes Auslesen durch gezieltes Absenken der Potentialbarrieren, die die auszulesenden Substratabschnitte abschirmen, erfolgt vorteilhafter Weise in den hier beschriebenen Schritten. Dieses Ausleseverfahren kann in analoger Weise im Fall von Potentialbarrieren, die zwischen den einzelnen Modulationsgates ohne Trenngate erzeugt werden, ausgeführt werden. In diesem Fall wird die Potentialbarriere durch eine entsprechende Änderung der Potentiale an den angrenzenden Modulationsgates abgesenkt. Alternativer Weise kann zum Auslesen auch das Potential des auszulesenden Modulationsgate über die Potentialbarriere angehoben werden, oder aber es kann zum Auslesen eine Kombination aus Absenken der Potentialbarriere und anheben des Potentials des auszulesenden Modulationsgates verwendet werden.
In einer Ausführungsform wird das Halbleiterbauelement abwechselnd in der ersten und zweiten Betriebsart betrieben.
Durch einen abwechselnden Betrieb in den unterschiedlichen Betriebsarten können sowohl Entfernungs- als auch Helligkeitsinformationen zeitnah erfasst werden. Dies gilt insbesondere für eine sich zeitlich verändernde Umgebung, deren Veränderung so mit hoher Genauigkeit nachverfolgt werden kann.
In einer Ausführungsform erfolgt in der zweiten Betriebsart zur Entfernungsmessung eine Entfernungsbestimmung durch Differenzbildung zwischen den Ladungsträgermengen, die jeweils über die Ausleseknoten ausgelesenen werden, wobei der gesamte von den Modulationsgates überdeckte Bereich des photoempfindlichen Halbleitersubstrat zur Differenzbildung beiträgt.
Für eine hohe Sensitivität bei der Entfernungsmessung empfiehlt es sich, dass ein größtmöglicher Bereich des photoempfindlichen Halbleitersubstrats zur Erfassung von Entfernungsinformationen beiträgt. Somit kann auch für schwache intensitätsmodulierte Strahlungssignale eine für die weitere Auswertung ausreichende Anzahl an Ladungsträgern erzeugt bzw. ausgelesen werden.
In einer Ausführungsform erfolgt in der zweiten Betriebsart zur Entfernungsmessung eine Entfernungsbestimmung durch Differenzbildung zwischen den Ladungsträgermengen, die jeweils über die Ausleseknoten ausgelesen werden, wobei nur der Bereich des photoempfindlichen Halbleitersubstrat zur Differenzbildung beiträgt, der von einem Teil der Modulationsgates überdeckt wird, vorzugsweise nur der Bereich, der von den beiden mittleren Modulationsgates überdeckt wird.
Dies ist beispielsweise der Fall, wenn aufgrund von unterschiedlichen wellenlängenselektiven Schichten nur die Substratabschnitte unter bestimmten Modulationsgates zum Erfassen des Strahlungsanteils beitragen, der die zu ermittelnde Entfernungsinformation enthält. Durch die Wahl der mittleren Modulationsgates kann eine effektive Ladungsträgerverschiebung zu den mindestens zwei Ausleseknoten mit einer klaren Trennung zwischen den ausgelesenen Ladungsträgermengen sichergestellt werden.
In einer Ausführungsform sind zwei erfindungsgemäße, nebeneinander angeordnete Halbleiterbauelemente vorgesehen, deren Modulationsfunktionen in der zweiten Betriebsart zueinander um 90° phasenverschoben werden.
Da bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in der zweiten Betriebsart zur Entfernungsmessung an zwei Modulationsgates vorteilhafter Weise Potentiale mit einer Phasendifferenz von 180° angelegt werden, erhält man bei zwei Halbleiterbauelementen deren Modulationsfunktionen zueinander um 90° phasenverschoben sind, somit insgesamt mindestens vier Modulationsgates mit vier unterschiedlichen Phasenlagen. Mittels vier Modulationsgates mit vier unterschiedlichen Phasenlagen können, wie bereits oben diskutiert, in einfacher Weise vier Stützpunkte zur Auswertung der Intensitätsmodulation bzw. des Intensitätsverlaufs der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung ermittelt werden. Durch eine solche Phasenverschiebung um 90° zwischen den Modulationsfunktionen kann also sowohl die Entfernungsinformation sehr effizient erfasst, als auch ein hochaufgelöstes realistisches Farbbild bestehend aus einer Mehrzahl an unterschiedlichen Farbanteilen erfasst werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1 sowie eines Potentialverlauf in der ersten und in der zweiten Betriebsart B1 und B2 der Modulationseinrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1 sowie eines Potentialverlaufs in der ersten und in der zweiten Betriebsart B1 und B2 der Modulationseinrichtung,
3 eine schematische Darstellung eines dritten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1 sowie eines Potentialverlaufs in der ersten und in der zweiten Betriebsart B1 und B2 der Modulationseinrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines vierten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1 sowie eines Potentialverlaufs in der ersten und in der zweiten Betriebsart B1 und B2 der Modulationseinrichtung,
5 schematische Darstellungen eines fünften und sechsten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1,
6 eine schematische Darstellung einer Kombination zweier erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente 1, 1’.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement 1 in einer Draufsicht von oben gezeigt. Auf einem Halbleitersubstrat 2 sind zwei rechteckige Modulationsgates 5, 6 parallel nebeneinander angeordnet. Zu beiden Seiten der Modulationsgates 5, 6 ist jeweils ein rechteckiger Ausleseknoten 3, 4 parallel zu den Modulationsgates 5, 6 angeordnet.
Unter dem Halbleiterbauelement 1 ist in 1 der Potentialverlauf in dem Halbleitersubstrat 2 unter den Modulationsgates 5, 6 und den Ausleseknoten 3, 4 in der ersten Betriebsart B1 dargestellt. Die Substratabschnitte unter den Ausleseknoten 3, 4 sind jeweils auf ein Potentialminimum P_min abgesenkt. Die Potentiale unter den Modulationsgates 5, 6 sind demgegenüber nur soweit abgesenkt, dass zwischen den Potentialen P1 und P2 eine Potentialbarriere entsteht. Diese Potentialbarriere weist eine ausreichende Höhe auf, sodass sie verhindert, dass Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P1 unter dem ersten Modulationsgate 5 in den Substratabschnitt unter dem Ausleseknoten 4 verschoben werden. Den Ladungsträgern aus dem Bereich des Potentials P2 unter dem zweiten Modulationsgate 6 wird dabei durch die Potentialbarriere der Weg zu dem Potentialminimum P_min unter dem Ausleseknoten 3 versperrt. Mithin werden die Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P1 entlang des Potentialgefälles zu dem Potentialminimum P_min unter dem Ausleseknoten 3 verschoben, wohingegen die Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P2 zu dem Potentialminimum P_min unter dem Ausleseknoten 4 verschoben werden.
Unter der Darstellung des Potentialverlaufs in dem Halbleitersubstrat 2 in der ersten Betriebsart B1 ist der Potentialverlauf in der zweiten Betriebsart B2 gezeigt. Hierbei stellen die durchgezogene und die gestrichelte Linie jeweils den Potentialverlauf der Potentiale P1 und P2 zu verschiedenen Zeitpunkten dar. Zu einem mit der durchgezogenen Linie dargestellten Zeitpunkt ist das Potential P1 unter dem Modulationsgate 5 höher als das Potential P2 unter dem Modulationsgate 6. Somit ist ein Potentialgefälle von dem Substratabschnitt unter dem Modulationsgates 5 zu dem Substratabschnitt unter dem Modulationsgate 6 gegeben. Ladungsträger aus dem Substratabschnitt unter dem Modulationsgate 5 werden entlang dieses Potentialgefälles in Richtung des Substratabschnitts unter dem Modulationsgates 6 verschoben und von dort über den Ausleseknoten 4 ausgelesen. Ein Auslesen über den Ausleseknoten 3 wird durch den Potentialanstieg in Richtung Ausleseknoten 3 verhindert.
Die gestrichelte Linie stellt den Potentialverlauf der Potentiale P1 und P2 zu einem Zeitpunkt dar, zu dem die Phase der Modulationsfunktion, welche die Potentialdifferenz zwischen den Substratabschnitten unter den Modulationsgates 5 und 6 steuert, um 180° weitergelaufen ist. Mithin ist das Potential unter dem Modulationsgate 6 höher als das Potential unter dem Modulationsgate 5. Die unter den Modulationsgates 5, 6 erzeugten Ladungsträger werden nun entlang des Potentialgefälles in Richtung des Ausleseknotens 3 verschoben und über diesen ausgelesen. Ein Auslesen über den Ausleseknoten 4 wird in diesem Fall durch den Potentialanstieg in dieser Richtung verhindert.
In 2 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1 in einer Draufsicht von oben gezeigt. Zu sehen ist das Halbleitersubstrat 2, auf dem drei baugleiche rechteckige Modulationsgates 5, 9, 6 parallel nebeneinander angeordnet sind. Zu beiden Seiten der Gruppe aus den drei Modulationsgates 5, 6, 9 ist jeweils ein rechteckiger Ausleseknoten 3, 4 parallel zu den Modulationsgates 5, 6, 9 angeordnet.
Unter der Darstellung des Halbleiterbauelements 1 ist in 2 der Potentialverlauf in dem Halbleitersubstrat 2 in der ersten Betriebsart B1 der Modulationseinrichtung des Halbleiterbauelements 1 gezeigt. Hierbei ist das Potential P5, das an das mittlere Modulationsgate 9 angelegt ist, gegenüber den an den äußeren Modulationsgates 5, 6 angelegten Potentialen P1, P2 erhöht. Mithin stellt das mittlere Potential P5 eine Potentialbarriere zwischen den Potentialen P1 und P2 dar. Hierbei sind die Potentiale P1 und P2 gleich. An die Ausleseknoten 3 und 4 sind zum Auslesen der Ladungsträger wiederum Potentialminima P_min angelegt. Mithin werden Ladungsträger aus dem Substratabschnitt unter dem Modulationsgate 5 entlang des Potentialgefälles zu dem Ausleseknoten 3 hin verschoben und über diesen ausgelesen. Dem gegenüber werden Ladungsträger aus dem Substratabschnitt unter dem Modulationsgate 6 in Folge des Potentialgefälles in der Richtung des Ausleseknotens 4 zu diesem verschoben und über diesen ausgelesen. Ein Verschieben von Ladungsträgern aus den Substratabschnitten unter dem Modulationsgate 5 in Richtung des Ausleseknotens 4 oder unter dem Modulationsgate 9 in Richtung des Ausleseknotens 3 wird jeweils durch die Potentialbarriere, die von dem Potential P5 unter dem Modulationsgate 9 gebildet wird, ausgeschlossen. Für die Trenneffektivität der Potentialbarriere kommt es in erster Linie auf deren Höhe an. Je höher sie ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Ladungsträger genügend Energie besitzen, um über diese hinwegzugelangen. Darüber hinaus ist die Breite der Potentialbarriere maßgeblich zur Unterdrückung von Tunneleffekten.
Unter dem Potentialverlauf in der ersten Betriebsart B1 ist in 2 der Potentialverlauf in der zweiten Betriebsart B2 dargestellt. Die durchgehende Linie und die gestrichelte Linie stellen den Potentialverlauf jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten dar. Zu einem mit der durchgezogenen Linie dargestellten Zeitpunkt ist das Potential P1 an dem Modulationsgate 5 maximal, während das Potential P5 am Modulationsgate 9 und das Potential P2 am Modulationsgate 6 stufenweise niedriger sind. Im Ergebnis wird ein Stufenpotential mit einem Potentialgefälle von dem Modulationsgate 5 zu dem Modulationsgate 6 hin gebildet. Somit werden Ladungsträger bei diesem temporären Potentialverlauf in Richtung des Ausleseknotens 4 verschoben und über diesen ausgelesen. Zu dem mit der gestrichelten Linie dargestellten Zeitpunkt befindet sich das Potentialmaximum unter dem Modulationsgate 6 mit dem Potential P2. Das Potential nimmt stufenweise über das mittlere Modulationsgate 9 mit dem Potential P5 zu dem gegenüberliegenden äußeren Modulationsgate 5 mit dem Potential P1 ab. Somit werden Ladungsträger zu diesem Zeitpunkt in Richtung des Ausleseknotens 3 entlang des Potentialgefälles verschoben und über diesen ausgelesen. Während die Potentiale P1 und P2 zu den beiden dargestellten Zeitpunkten in Folge der Modulationsfunktion um 180° phasenverschoben sind, wird das mittlere Potential P5 konstant gehalten.
In der 3 ist ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement 1 in einer Draufsicht von oben gezeigt. Auf einem Halbleitersubstrat 2 sind fünf rechteckige Modulationsgates 5, 9, 6, 10, 7 parallel nebeneinander angeordnet. Dabei ist jedes zweite Modulationsgate 9, 10 deutlich schmaler als die restlichen Modulationsgates 5, 6, 7. Hierbei sind die Modulationsgates 5, 6, 7 baugleich, ebenso wie die schmalen Modulationsgates 9, 10 zueinander baugleich sind. Zu beiden Seiten der Gruppe von Modulationsgates 5, 6, 7, 9, 10 ist jeweils ein rechteckiger Ausleseknoten 3, 4 parallel zu den Modulationsgates 5, 6, 7, 9, 10 angeordnet.
Unter dem Halbleiterbauelement 1 ist der Potentialverlauf in der ersten Betriebsart B1 der Modulationseinrichtung in dem Halbleitersubstrat 2 gezeigt. Hierbei ist jeweils an jedes zweite Modulationsgate 9, 10 ein so hohes Potential P5, P6 angelegt, dass die Potentiale P5 und P6 jeweils eine Potentialbarriere zwischen den Potentialen P1 und P2 bzw. P2 und P3 der restlichen Modulationsgates 5, 6, 7 bilden. Mithin fungieren die Modulationsgates 9, 10 als Trenngates. An die Ausleseknoten 3, 4 ist wiederum jeweils ein Potentialminimum P_min angelegt. Somit können Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P1 direkt über den Ausleseknoten 3 ausgelesen werden, wohingegen ein Verschieben in Richtung des Ausleseknotens 4 durch das als Potentialbarriere wirkende Potential P5 verhindert wird. Die Ladungsträger aus dem Bereich P2 sind zu beiden Seiten jeweils durch eine Potentialbarriere, die durch die Potentiale P5 bzw. P6 gebildet wird, gegenüber den Ausleseknoten 3, 4 abgeschirmt. Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P3 können direkt über den Ausleseknoten 4 ausgelesen werden, wohingegen ein Verschieben in Richtung des Ausleseknotens 3 durch das als Potentialbarriere wirkende Potential P6 verhindert wird. Um die im Substratabschnitt unter dem mittleren Modulationsgates 6 im Bereich des Potentials P2 angesammelten Ladungsträger auslesen zu können, muss entweder das Potential P6 oder das Potential P5 auf das Niveau der restlichen gleichen Potentiale P1, P2, P3 abgesenkt werden. Wird das Potential P5 auf das Niveau der Potentiale P1 und P2 abgesenkt und das Potential P6 aufrechterhalten, so können die Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P2 nur von dem Ausleseknoten 3 ausgelesen werden. Wird alternativer Weise nur das Potential P6 auf das Niveau der Potentiale P3 und P2 abgesenkt, so sind die Ladungsträger im Bereich des Potentials P2 gegenüber dem Ausleseknoten 3 weiterhin abgeschirmt. Allerdings können die Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P2 von dem Ausleseknoten 4 ausgelesen werden. Ein solches Absenken von nur einem der beiden Potentiale P5 oder P6 ist vorteilhaft für eine klare Zuordnung der von den Ausleseknoten ausgelesenen Ladungsträgermengen zu den einzelnen Potentialbereichen P1, P2 und P3. Denkbar ist aber auch, dass beide Potentiale P5 und P6 zugleich abgesenkt werden und aus den über beide Ausleseknoten 3, 4 ausgelesenen Ladungsträgermengen die Summe gebildet wird. Darüber hinaus ist es alternativ denkbar, dass das Potential P2 über die Potentiale P5 und P6 angehoben wird, wobei das Auslesen in diesem Fall wiederum über beide Ausleseknoten 3, 4 gleichzeitig geschieht. Ebenso kann zum Auslesen das Potential P2 angehoben und zugleich eines der beiden Potentiale P5 oder P6 oder auch beide abgesenkt werden. Je nachdem erfolgt das Auslesen dann ein- oder zweiseitig.
Unter dem Potentialverlauf in der ersten Betriebsart B1 ist in 3 der Potentialverlauf der zweiten Betriebsart B2 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten mit 180° Phasendifferenz als durchgehende bzw. als gestrichelte Linie dargestellt. Zu dem mit der durchgezogenen Linie dargestellten Zeitpunkt ist das Potentialmaximum an das Modulationsgate 5 angelegt, wobei die Potentiale P5, P2, P6 und P3 unter den Modulationsgates 9, 6, 10 und 7 stufenweise in Richtung des Ausleseknotens 4 abnehmen. Dadurch entsteht ein Potentialgefälle in Richtung des Ausleseknotens 4, zu dem erzeugte Ladungsträger verschoben werden. Zu dem mit der gestrichelten Linie dargestellten Zeitpunkt hat sich die Richtung des Potentialverlaufs umgekehrt, indem nun das Potential P3 das Maximum des Potentialverlaufs bildet. Der Potentialverlauf nimmt dabei stufenweise über die Potentiale P6, P2, P5 und P1 unter den Modulationsgates 10, 6, 9 und 5 in Richtung des Ausleseknotens 3 ab. Erzeugte Ladungsträger werden zu diesem Zeitpunkt somit zum Ausleseknoten 3 verschoben und über diesen ausgelesen.
In 4 ist schließlich ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement 1 in einer Draufsicht von oben gezeigt, das sieben rechteckige parallel nebeneinander auf einem Halbleitersubstrat 2 angeordnete Modulationsgates 5, 9, 6, 10, 7, 11, 8 aufweist. Zu beiden Seiten der Gruppe aus Modulationsgates 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ist jeweils ein rechteckiger Ausleseknoten 3, 4 parallel zu den Modulationsgates 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 angeordnet. Hierbei ist wiederum jedes zweite Modulationsgate 9, 10, 11 baugleich und deutlich schmaler ausgebildet als die zueinander baugleichen restlichen Modulationsgates 5, 6, 7, 8.
Unter dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement 1 aus 4 ist der Potentialverlauf der an die Modulationsgates 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 angelegten Potentiale P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7 in der Betriebsart B1 der Modulationseinrichtung dargestellt. An die schmalen Modulationsgates 9, 10, 11 ist jeweils ein solches Potential P5, P6, P7 angelegt, sodass diese gegenüber den an die restlichen Modulationsgates 5, 6, 7, 8 angelegten Potentialen P1, P2, P3, P4 eine Potentialbarriere bilden. Hierbei sind die Potentiale P1, P2, P3 und P4 gleich, ebenso wie die Potentiale P5, P6 und P7 gleich sind. Die drei Potentiale P5, P6 und P7 sind in Transportrichtung der Ladungsträger deutlich schmaler als die P1, P2, P3 und P4, da auch die erzeugenden Modulationsgates 9, 10, 11 schmaler sind. Dabei sind die vier Substratabschnitte unter den Modulationsgates 5, 6, 7, 8 jeweils durch eine Potentialbarriere in Form der Potentiale P5, P6, P7 voneinander getrennt. Somit können Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P1 direkt über den Ausleseknoten 3 und Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P4 direkt über den Ausleseknoten 4 ausgelesen werden. Dem gegenüber können die Ladungsträger im Bereich der Potentiale P2 bzw. P3 aufgrund der Potentialbarrieren P5 und P6 bzw. P6 und P7 zu keinem der Ausleseknoten 3, 4 verschoben werden. Um die unterschiedlichen Substratabschnitte unter den Modulationsgates 5, 6, 7, 8 getrennt auslesen zu können, müssen zunächst die beiden äußeren Modulationsgates 5 und 8 über die Ausleseknoten 3 bzw. 4 ausgelesen werden. Sodann werden die Potentiale P5 und P7 auf das Potentialniveau der Potentiale P1, P2, P3, P4 abgesenkt, sodass die Ladungsträger aus den Substratabschnitten unter den Modulationsgates 6 und 7 jeweils in Richtung des Ausleseknotens 3 bzw. 4 verschoben und ausgelesen werden können. Ein Auslesen der Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P3 über den Ausleseknoten 3 wird durch das Potential P6 ebenso verhindert wie ein Auslesen der Ladungsträger aus dem Bereich des Potentials P2 über den Ausleseknoten 4. Ebenso denkbar wäre bei nur noch einem verbleibenden auszulesenden Modulationsgate, ein Anheben des Potentials dieses auszulesenden Modulationsgates über die begrenzenden Potentialbarrieren. Dies führt im Ergebnis zu einem zweiseitigen Auslesen des Modulationsgates. Möchte man nur einseitig Auslesen ist eine Kombination von Anheben des Potentials des auszulesenden Modulationsgates zusammen mit einem Absenken der Potentialbarriere auf der Seite des auszulesenden Modulationsgates, zu der das Auslesen erfolgen soll, denkbar. Schließlich ist es auch denkbar, dass die Potentiale der Modulationsgates P2 und P3 während des Ladungsträgersammelns tiefer abgesenkt werden als die Potentialminima P_min unter den Ausleseknoten 3, 4. In diesem Fall würden die Potentiale unter den Ausleseknoten 3, 4 zeitweise keine Minima des Potentialverlaufs darstellen. Zum Auslesen der Modulationsgates P2 und P3 müssen diese aber wieder angehoben werden, um sicher zu stellen, dass jeweils ein Potentialgefälle hin zu den Potentialminima P_min unter den Ausleseknoten 3, 4 entsteht.
Unter dem Potentialverlauf in der ersten Betriebsart B1 ist in 4 der Potentialverlauf in der zweiten Betriebsart B2 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten als durchgezogene und gestrichelte Linie mit einem relativen Phasenunterschied von 180° dargestellt. Zu einem Zeitpunkt, der mit der durchgezogenen Linie dargestellt ist, befindet sich das Potentialmaximum unter dem Modulationsgate 5 und nimmt stufenweise in Richtung des Ausleseknotens 4 von Modulationsgate zu Modulationsgate ab. Ladungsträger werden zu diesem Zeitpunkt entlang des Potentialgefälles zu dem Potentialminimum P_min unter dem Ausleseknoten 4 verschoben. Die gestrichelte Linie stellt den Potentialverlauf zu einem Zeitpunkt dar, zu dem das Potential P4 unter dem Modulationsgate 8 maximal ist und der Potentialverlauf stufenweise über die Potentiale P7, P3, P6, P2, P5 und P1 der Modulationsgates 11, 7, 10, 6, 9 und 5 in Richtung des Ausleseknotens 3 abnimmt. Zu diesem Zeitpunkt werden somit erzeugte Ladungsträger entlang des Potentialgefälles in Richtung des Ausleseknotens 3 verschoben und über diesen ausgelesen. Durch die Erhöhung der Anzahl an Modulationsgates werden die einzelnen Potentialstufen schmaler und mithin wird der Potentialverlauf beispielsweise im Vergleich zu dem Verlauf aus 2 gleichmäßiger.
5A ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1 in einer Draufsicht von oben. Zu sehen sind vier formgleiche Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’, welche jeweils die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweisen. Diese vier Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ sind zu einem Quadrat angeordnet, wobei die gleichen Schenkel der Dreiecke auf den von Ecke zu Ecke verlaufenden Diagonalen des Quadrats angeordnet sind. Im Mittelpunkt des Quadrats treffen sich die vier Spitzen der Dreiecke. Die Seitenkanten des Quadrats werden jeweils von der Basis eines der Dreiecke gebildet. Parallel zu den Seitenkanten des Quadrats und mithin der Basen der dreieckigen Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ ist jeweils ein Ausleseknoten 3, 3’, 4, 4’ beabstandet angeordnet. Die Ausleseknoten 3, 3’, 4, 4’ sind gleich ausgestaltet und weisen jeweils die Form gestreckter Rechtecke auf. Die Länge der Rechtecke ist identisch mit der Seitenlänge des Quadrats.
In der ersten Betriebsart B1 der Modulationseinrichtung des Halbleiterbauelements 1 können zwischen den Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ bei ausreichend breiten Gatelücken Potentialbarrieren erzeugt werden. Diese Potentialbarrieren verlaufen entlang der Diagonalen des von den Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ gebildeten Quadrats und weisen zusammen die Form eines Kreuzes auf. Alternativerweise können Potentialbarrieren erzeugt werden, indem die Potentiale der Modulationsgates 5’ und 6’ oder der Modulationsgates 5 und 6 gegenüber den Potentialen der Modulationsgates 5 und 6 bzw. 5’ und 6’ angehoben werden. Im ersten Fall bilden die Modulationsgates 5 und 6 jeweils ein Subpixel, wohingegen die Modulationsgates 5’ und 6’ zusammen eine Potentialbarriere zwischen den Subpixeln bilden. Im zweiten Fall werden die beiden Subpixel von den Modulationsgates 5’ und 6’ gebildet, während die Modulationsgates 5 und 6 zusammen eine Potentialbarriere zwischen den Subpixeln bilden. Ausgelesen werden die Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ jeweils über den nächstgelegenen Ausleseknoten 3, 3’, 4, 4’. Bei einem Betrieb in der ersten Betriebsart B1 der Modulationseinrichtung ist es beispielsweise auch denkbar, dass die Modulationsgates 5’ und 6’ bzw. 5 und 6 jeweils abwechselnd zusammen die Potentialbarrieren bilden. Dies hat den Vorteil, dass effektiverweise alle vier Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ zweitweise als Subpixel wirken und zugleich zu jedem Zeitpunkt während des Betriebs in der ersten Betriebsart B1 eine effektive Trennung der Subpixel durch Trenngates erfolgt. Im Ergebnis tragen durch diese Doppelfunktion der Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ alle von Modulationsgates überdeckten Abschnitte des Halbleitersubstrats 2 zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in der ersten Betriebsart B1 der Modulationseinrichtung bei.
In der zweiten Betriebsart B2 der Modulationseinrichtung werden an die vier Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ jeweils um 90° phasenverschobene Potentiale angelegt. Indem diese Potentiale unter Aufrechterhaltung der Phasendifferenzen variiert werden, entstehen im Ergebnis zwei Ladungsschaukeln. Eine Ladungsschaukel wird durch die Modulationsgates 5 und 6 gebildet, die zweite durch die Modulationsgates 5’ und 6’, wobei diese Modulationsgates 5 und 6 bzw. 5’ und 6’ jeweils eine Phasendifferenz von 180° zueinander aufweisen. Mittels der vier Modulationsgates 5, 6, 5’, 6’ mit vier unterschiedlichen Phasenlagen 0°, 180°, 90°, 270° bzw. 180°, 0°, 270°, 90° werden in einfacher Weise vier Stützpunkte zur Auswertung der Intensitätsmodulation bzw. des Intensitätsverlaufs der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung ermittelt.
In 5B ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1 gezeigt, das sich von dem Halbleiterbauelement 1 in 5A nur insoweit unterscheidet, dass die vier Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ nicht als gleichschenklige Dreiecke, sondern als gleichschenklige Trapeze ausgestaltet sind. Durch diese Ausgestaltung der Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ entsteht in der Mitte des von den Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ gebildeten Quadrats eine Aussparung, die ebenfalls eine quadratische Form aufweist. In dieser mittleren quadratischen Aussparung ist ein quadratisches Modulationsgate 9 angeordnet. Hierbei verlaufen die Seitenkanten des Modulationsgates 9 und des von den Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ gebildeten Quadrats parallel zueinander und die Mittelpunkte beider Quadrate fallen zusammen.
In dieser Ausführungsform können bei ausreichend breiten Gatelücken zwischen den Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’, 9 wiederum Potentialbarrieren erzeugt werden. In diesem Fall bilden die fünf Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’, 9 fünf Subpixel. Soll das mittlere von Modulationsgate 9 gebildete Subpixel ausgelesen werden, so muss mindestens eine der das Modulationsgate 9 begrenzenden Potentialbarrieren abgesenkt werden oder aber das Potential des Modulationsgates 9 über die begrenzenden Potentialbarrieren angehoben werden. Ebenso ist eine Kombination aus Absenken einer begrenzenden Potentialbarriere und Anheben des Potentials des Modulationsgates 9 denkbar. So kann das mittlere Modulationsgate über einen oder mehrere der Ausleseknoten 3, 3’, 4, 4’ ausgelesen werden. Alternativerweise können die Potentialbarrieren durch die als Trenngate wirkenden Modulationsgates 5’, 6’, 9 oder aber die Modulationsgates 5, 6, 9 gebildet werden. Hierzu werden die Potentiale der entsprechenden Modulationsgates 5’, 6’, 9 bzw. 5, 6, 9 angehoben. Im Ergebnis werden zwei Subpixel gebildet, entweder durch die Modulationsgates 5 und 6 oder die Modulationsgates 5’ und 6’. Auch in dieser Ausführungsform ist es denkbar, dass die Modulationsgates 5’, 6’, 9 und die Modulationsgates 5, 6, 9 abwechselnd als Trenngates wirken. Daher ergibt sich wiederum der Vorteil, dass im Ergebnis alle vier Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ effektiverweise als Subpixel wirken. Allerdings wirkt das mittlere Modulationsgate dann nicht als Subpixel.
In der zweiten Betriebsart B2 der Modulationseinrichtung werden an die Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ wie in der Ausführungsform in 5A Potentiale mit einer relativen Phasenverschiebung von 90° zueinander angelegt. So werden zwei Ladungsschaukeln bestehend aus den Modulationsgates 5, 9 und 6 sowie den Modulationsgates 5’, 9 und 6’ gebildet. Das mittlere Modulationsgate 9 wird dabei in der zweiten Betriebsart B2 auf einem konstanten Potential gehalten und bildet für die beiden Ladungsschaukeln jeweils eine mittlere Potentialstufe. Mittels der vier Modulationsgates 5, 6, 5’, 6’ mit vier unterschiedlichen Phasenlagen 0°, 180°, 90°, 270° bzw. 180°, 0°, 270°, 90° können wiederum in einfacher Weise vier Stützpunkte zur Auswertung der Intensitätsmodulation bzw. des Intensitätsverlaufs der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung ermittelt werden.
Schließlich ist in 6 eine Kombination aus zwei erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen 1, 1’ in einer schematischen Draufsicht von oben dargestellt. Zu sehen ist das den beiden Halbleiterbauelementen 1, 1’ gemeinsame Halbleitersubstrat 2. Auf dem Halbleitersubstrat 2 sind zwei Dreiergruppen aus jeweils drei wellenlängenselektiven Schichten 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 gezeigt. Die einzelnen wellenlängenselektiven Schichten 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 weisen jeweils die gleiche rechteckige Grundform auf und sind parallel zueinander und aneinander angrenzend angeordnet. Die beiden Dreiergruppen aus wellenlängenselektiven Schichten 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 sind entlang der gemeinsamen Längsrichtung aller wellenlängenselektiven Schichten 12, 13, 14, 15, 16, 17 hintereinander angeordnet. Hierbei entspricht jeweils die Fläche einer schematisch dargestellte wellenlängenselektive Schicht 12, 13, 14, 15, 16, 17 einem Modulationsgate 5, 9, 6, 5’, 9’, 6’. Die beiden mittleren Modulationsgates 9, 9’ entsprechen jeweils einer ausschließlich infrarotselektiven IR Schicht 13 bzw. 16. Die wellenlängenselektiven Schichten 12, 14, 15, 17 der äußeren Modulationsgates 5, 6, 5’, 6’ sind ebenfalls alle durchlässig für elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich. Darüber hinaus sind die Schichten 12, 14, 15, 17 für weitere Spektralbereiche des sichtbaren Lichts durchlässig. Beispielsweise ist die Schicht 12 für rotes Licht R durchlässig, die Schicht 14 für grünes Licht G, die Schicht 17 für blaues Licht B und die Schicht 15 schließlich für eine vierte Farbe 4.F. Hierbei kann die vierte Farbe 4.F sowohl eine von den Farben Rot R, Grün G und Blau B verschiedene Farbe sein als auch zur Verdopplung der Gewichtung einer Farbinformation gleich einer der anderen Farben sein, d.h. Rot R, Grün G oder Blau B. Ebenso kann die vierte Farbe 4.F eine Kombination aus mehreren Farben, wie beispielsweise Rot R, Grün G und Blau B sein, oder aber der gesamte sichtbare Spektralbereich, d.h. weißes Licht. Im letzten Fall liefert die aus dem Substratabschnitt unter dem Modulationsgate 5’ bzw. der wellenlängenselektiven Schicht 15 ausgelesene Ladungsträgermenge eine absolute Schwarz-Weiß-Helligkeitsinformation für den sichtbaren Spektralbereich. Insbesondere kann die vierte Farbe 4.F aber auch der gesamte Empfindlichkeitsbereich des Halbleitersubstrats 2 sein.
In der ersten Betriebsart B1 der Modulationseinrichtungen der beiden Halbleiterbauelemente 1, 1’ wird an die mittleren Modulationsgates 9, 9’ jeweils eine Potentialbarriere angelegt, sodass die Modulationsgates 5, 5’, 6, 6’ vier Pixel bilden, die drei Farbinformationen R, G, B plus eine vierte Farb- oder zusätzliche Helligkeitsinformation 4.F liefern. Mit einer solchen Kombination aus zwei Halbleiterbauelementen 1, 1’ kann somit für einen Bildpunkt eine RGB-Farbinformation gegebenenfalls plus eine weitere Helligkeitsinformation erfasst werden.
In der zweiten Betriebsart B2 werden die Modulationsfunktionen an den beiden Modulationseinrichtungen der beiden halbleiterbauelemente 1, 1’ um 90° verschoben. Werden die Modulationsgates 5, 6 bzw. 5’, 6’ der beiden Halbleiterbauelemente 1, 1’ jeweils mit einer Phasendifferenz von 180° zueinander betrieben, so wechselt die Phasenverteilung der Modulationsfunktion an den äußeren Modulationsgates 5, 6, 5’, 6’ beispielsweise zwischen 0°, 180°, 90°, 270° und 180°, 0°, 270°, 90°. Dem gegenüber werden die mittleren Modulationsgates gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform auf einem konstanten Potentialniveau gehalten, sodass in den Substratabschnitten unter den Modulationsgates 5, 9, 6 und 5’, 9’, 6’ jeweils ein Potentialgefälle quer zur Längsrichtung der Modulationsgates erzeugt wird. Die Richtung dieses Potentialgefälles wird in Folge des Phasenwechsels um 180° jeweils umgekehrt. Im Ergebnis werden somit die Ladungsträger unter den Gatestrukturen gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform abwechselnd nach links und rechts zu Ausleseknoten (nicht gezeigt) verschoben.
Mittels vier Modulationsgates 5, 6, 5’, 6’ mit vier unterschiedlichen Phasenlagen 0°, 180°, 90°, 270° bzw. 180°, 0°, 270°, 90° können in einfacher Weise vier Stützpunkte zur Auswertung der Intensitätsmodulation bzw. des Intensitätsverlaufs der intensitätsmodulierten elektromagnetischen Strahlung ermittelt werden. Mittels der erfindungsgemäßen Kombination aus zwei Halbleiterbauelementen 1, 1’ kann somit effizient eine Entfernungsinformation für einen Bildpunkt erfasst werden.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhängigen Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebiger Zusammenstellung mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die zusammenfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen und die Betonung der Unabhängigkeit der einzelnen Merkmale voneinander wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Bezugszeichenliste

1, 1’: Halbleiterbauelement
2: Halbleitersubstrat
3, 3’: Ausleseknoten
4, 4’: Ausleseknoten
5, 5’: Modulationsgate
6, 6’: Modulationsgate
7: Modulationsgate
8: Modulationsgate
9, 9’: Modulationsgate
10: Modulationsgate
11: Modulationsgate
12: wellenlängenselektive Schicht
13: wellenlängenselektive Schicht
14: wellenlängenselektive Schicht
15: wellenlängenselektive Schicht
16: wellenlängenselektive Schicht
17: wellenlängenselektive Schicht
B1: erste Betriebsart
B2: zweite Betriebsart
P1: Potential
P2: Potential
P3: Potential
P4: Potential
P5: Potential
P6: Potential
P7: Potential
P_min: Potentialminimum
IR: infraroter Spektralbereich
G: grüner Spektralbereich
B: blauer Spektralbereich
R: roter Spektralbereich
4.F: 4. Farbe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004016624 A1 [0004]
DE 19821974 A1 [0004]

Claims

Halbleiterbauelement (1, 1’) zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung mit einem photoempfindlichen Halbleitersubstrat (2), mindestens zwei auf dem Halbleitersubstrat (2) angeordneten Ausleseknoten (3, 4), wobei die Ausleseknoten (3, 4) so eingerichtet sind, dass sie im Betrieb des Halbleiterbauelements (1, 1’) Ladungsträger aus dem Halbleitersubstrat (2) auslesen, und mindestens zwei auf und/oder in dem Halbleitersubstrat (2) angeordneten Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11), wobei die Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) zumindest abschnittsweise zwischen den Ausleseknoten (3, 4) oder die Ausleseknoten (3, 4) zumindest abschnittsweise zwischen den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) angeordnet sind, und wobei das Halbleiterbauelement (1, 1’) so ausgestaltet ist, dass die elektromagnetische Strahlung in einen Substratabschnitt unter und/oder neben den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) gelangen und dort Ladungsträger erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationseinrichtung vorgesehen ist, die mit den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) elektrisch leitend verbunden und so eingerichtet ist, dass sie in einer ersten Betriebsart (B1) so betreibbar ist, dass sie an die Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) derartige elektrische Potentiale (P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7) anlegt, dass sie mindestens zwischen einem ersten und einem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) eine Potentialbarriere erzeugt, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in mindestens einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, nicht von einem der Substratabschnitte zum anderen gelangen können und die Ladungsträger in dem ersten Substratabschnitt von mindestens einem ersten Ausleseknoten (3) und die Ladungsträger in dem zweiten Substratabschnitt von mindestens einem zweiten Ausleseknoten (4) ausgelesen werden.
Halbleiterbauelement (1, 1’) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie zusätzlich in einer zweiten Betriebsart (B2) betreibbar ist, wobei die Modulationseinrichtung in der zweiten Betriebsart (B2) mindestens zwischen dem ersten und dem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) eine Potentialdifferenz erzeugt und diese Potentialdifferenz derart zeitlich variiert, dass sich die Richtung des von der Potentialdifferenz bewirkten elektrischen Feldes ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in dem ersten und zweiten Substratabschnitt erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten (3) oder dem zweiten Ausleseknoten (4) verschoben und dort ausgelesen werden.
Halbleiterbauelement (1, 1’) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie in der ersten Betriebsart (B1) mindestens an das erste und das zweite Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) gleiche zeitlich konstante Potentiale (P1, P2, P3, P4) anlegt.
Halbleiterbauelement (1, 1’) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordnete Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) vorgesehen sind, und die Modulationseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie in einer ersten Betriebsart (B1) so betreibbar ist, dass sie an die Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) derartige elektrische Potentiale (P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7) anlegt, dass sie durch mindestens ein zwischen einem ersten und einem zweiten Modulationsgate angeordnetes drittes Modulationsgate (9, 9’, 10) eine Potentialbarriere zwischen dem ersten und dem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 8) erzeugt, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in mindestens einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, nicht von einem der Substratabschnitte zum anderen gelangen können und die Ladungsträger in dem ersten Substratabschnitt von mindestens einem ersten Ausleseknoten (3) und die Ladungsträger in dem zweiten Substratabschnitt von mindestens einem zweiten Ausleseknoten (4) ausgelesen werden, und wobei die Modulationseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie vorzugsweise zusätzlich in einer zweiten Betriebsart (B2) betreibbar ist, wobei die Modulationseinrichtung in der zweiten Betriebsart (B2) mindestens zwischen dem ersten, zweiten und dritten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) jeweils eine Potentialdifferenz erzeugt, wobei die durch die Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder gleiche Richtungen aufweisen, und die Modulationseinrichtung diese Potentialdifferenzen derart zeitlich variiert, dass sich die Richtung der von den Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in Substratabschnitten unter und/oder neben den mindestens drei Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten (3) oder dem zweiten Ausleseknoten (4) verschoben und dort ausgelesen werden.
Halbleiterbauelement (1, 1’) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine ungerade Mehrzahl zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordneter Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) vorgesehen ist, und die Modulationseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie in der ersten Betriebsart (B1) so betreibbar ist, dass sie an die Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) derartige elektrische Potentiale (P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7) anlegt, dass sie durch jedes zweite Modulationsgate (9, 9’, 10, 11) jeweils eine Potentialbarriere zwischen zwei Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in zwei Substratabschnitten unter und/oder neben zwei Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, zwischen denen eine Potentialbarriere erzeugt wird, nicht von einem der beiden Substratabschnitte zum anderen gelangen können und die beiden Substratabschnitte getrennt ausgelesen werden, und wobei die Modulationseinrichtung so eingerichtet ist, dass sie vorzugsweise zusätzlich in einer zweiten Betriebsart (B2) betreibbar ist, wobei die Modulationseinrichtung in der zweiten Betriebsart (B2) zwischen den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) jeweils eine Potentialdifferenz erzeugt, wobei die durch die Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder gleiche Richtungen aufweisen, und die Modulationseinrichtung diese Potentialdifferenzen derart zeitlich variiert, dass sich die Richtung der von den Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in den Substratabschnitten unter und/oder neben den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten (3) oder dem zweiten Ausleseknoten (4) verschoben und ausgelesen werden.
Halbleiterbauelement (1, 1’) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbleiterbauelement (1, 1’) zumindest abschnittsweise eine wellenlängenselektive Schicht (12, 13, 14, 15, 16, 17) aufgebracht ist, die so ausgestaltet ist, dass zumindest abschnittweise nur elektromagnetische Strahlung in bestimmten, zumindest einen ersten Spektralbereich umfassenden Spektralbereichen in einen Substratabschnitt unter den und/oder zwischen den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) gelangen und dort Ladungsträger erzeugen kann.
Halbleiterbauelement (1, 1’) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbleiterbauelement (1, r) eine Mehrzahl von zumindest abschnittsweise für unterschiedliche erste Spektralbereiche selektiven Schichten (12, 13, 14, 15, 16, 17) nebeneinander aufgebracht ist.
Halbleiterbauelement (1, 1’) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest abschnittsweise für unterschiedliche erste Spektralbereiche selektiven Schichten (12, 13, 14, 15, 16, 17) so auf dem Halbleiterbauelement (1, 1’) aufgebracht sind, dass jeweils die von einem Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) überdeckte Oberfläche des photoempfindlichen Halbleitersubstrats (2) von genau einer wellenlängenselektiven Schicht (12, 13, 14, 15, 16, 17) überdeckt ist.
Halbleiterbauelement (1, 1’) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle wellenlängenselektiven Schichten (12, 13, 14, 15, 16, 17) durchlässig sind für elektromagnetische Strahlung in einem gemeinsamen zweiten Spektralbereich.
Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelement (1, 1’) zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung mit einem photoempfindlichen Halbleitersubstrat (2), mindestens zwei auf dem Halbleitersubstrat (2) angeordneten Ausleseknoten (3, 4), wobei die Ausleseknoten (3, 4) so eingerichtet sind, dass sie im Betrieb des Halbleiterbauelements (1, 1’) Ladungsträger aus dem Halbleitersubstrat (2) auslesen, und mindestens zwei auf und/oder in dem Halbleitersubstrat (2) angeordneten Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11), wobei die Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) zumindest abschnittsweise zwischen den Ausleseknoten (3, 4) oder die Ausleseknoten (3, 4) zumindest abschnittsweise zwischen den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) angeordnet sind, und wobei das Halbleiterbauelement (1, 1’) so ausgestaltet ist, dass die elektromagnetische Strahlung in einen Substratabschnitt unter und/oder neben den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) gelangen und dort Ladungsträger erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Betriebsart (B1) die Intensität der elektromagnetischen Strahlung erfasst wird, indem an die Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) derartige elektrische Potentiale (P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7) anlegt werden, dass mindestens zwischen einem ersten und einem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) eine Potentialbarriere erzeugt wird, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in mindestens einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, nicht von einem der Substratabschnitte zum anderen gelangen und die Ladungsträger in dem ersten Substratabschnitt von mindestens einem ersten Ausleseknoten (3) und die Ladungsträger in dem zweiten Substratabschnitt von mindestens einem zweiten Ausleseknoten (4) ausgelesen werden.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass in einer zusätzlichen zweiten Betriebsart (B2) zur Entfernungserfassung die Intensität eines in der elektromagnetischen Strahlung enthaltenen intensitätsmodulierten Strahlungssignals und/oder die relative Phase zwischen der Intensitätsmodulation des intensitätsmodulierten Strahlungssignals und einer Modulationsfunktion erfasst wird, indem mindestens zwischen dem ersten und dem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) eine Potentialdifferenz erzeugt und diese Potentialdifferenz entsprechend einer Modulationsfunktion derart zeitlich variiert wird, dass sich die Richtung des von der Potentialdifferenz bewirkten elektrischen Feldes ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in dem ersten und zweiten Substratabschnitt erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten (3) oder dem zweiten Ausleseknoten (4) verschoben und dort ausgelesen werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordnete Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) vorgesehen sind, und in einer ersten Betriebsart (B1) die Intensität der elektromagnetischen Strahlung erfasst wird, indem an die Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) derartige elektrische Potentiale (P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7) anlegt werden, dass durch mindestens ein zwischen einem ersten und einem zweiten Modulationsgate angeordnetes drittes Modulationsgate (9, 9’, 10) eine Potentialbarriere zwischen dem ersten und dem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 8) erzeugt wird, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in mindestens einem ersten Substratabschnitt unter und/oder neben dem ersten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) und einem zweiten Substratabschnitt unter und/oder neben dem zweiten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, nicht von einem der Substratabschnitte zum anderen gelangen und die Ladungsträger in dem ersten Substratabschnitt von mindestens einem ersten Ausleseknoten (3) und die Ladungsträger in dem zweiten Substratabschnitt von mindestens einem zweiten Ausleseknoten (4) ausgelesen werden, und wobei vorzugsweise in einer zusätzlichen zweiten Betriebsart (B2) zur Entfernungserfassung die Intensität eines in der elektromagnetischen Strahlung enthaltenen intensitätsmodulierten Strahlungssignals und/oder die relative Phase zwischen der Intensitätsmodulation des intensitätsmodulierten Strahlungssignals und einer Modulationsfunktion erfasst wird, indem mindestens zwischen dem ersten, zweiten und dritten Modulationsgate (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) jeweils eine Potentialdifferenz erzeugt wird, wobei die durch die Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder gleiche Richtungen aufweisen, und diese Potentialdifferenzen entsprechend einer Modulationsfunktion derart zeitlich variiert werden, dass sich die Richtung der von den Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in den Substratabschnitten unter und/oder neben den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten (3) oder dem zweiten Ausleseknoten (4) verschoben und dort ausgelesen werden.
Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass eine ungerade Mehrzahl von zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordneten Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) vorgesehen ist, und in einer ersten Betriebsart (B1) die Intensität der elektromagnetischen Strahlung erfasst wird, indem an die Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) derartige elektrische Potentiale (P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7) anlegt werden, dass durch jedes zweite Modulationsgate (9, 9’, 10, 11) jeweils eine Potentialbarriere zwischen zwei Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt wird, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in zwei Substratabschnitten unter und/oder neben zwei Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, zwischen denen eine Potentialbarriere erzeugt wird, nicht von einem der beiden Substratabschnitte zum anderen gelangen und die Substratabschnitte getrennt ausgelesen werden, und wobei vorzugsweise in einer zusätzlichen zweiten Betriebsart (B2) zur Entfernungserfassung die Intensität eines in der elektromagnetischen Strahlung enthaltenen intensitätsmodulierten Strahlungssignals und/oder die relative Phase zwischen der Intensitätsmodulation des intensitätsmodulierten Strahlungssignals und einer Modulationsfunktion erfasst wird, indem zwischen den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8, 9, 9’, 10, 11) jeweils eine Potentialdifferenz erzeugt wird, wobei die durch die Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder gleiche Richtungen aufweisen, und diese Potentialdifferenzen entsprechend einer Modulationsfunktion derart zeitlich variiert werden, dass sich die Richtung der von den Potentialdifferenzen bewirkten elektrischen Felder ändert, sodass Ladungsträger, die durch die elektromagnetische Strahlung in den Substratabschnitten unter und/oder neben den Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) erzeugt werden, abwechselnd mindestens zu dem ersten Ausleseknoten (3) oder dem zweiten Ausleseknoten (4) verschoben und dort ausgelesen werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsart (B1) das Auslesen von Ladungsträgern die folgenden Schritte aufweist: In einem ersten Schritt werden die Ladungsträger unter dem dem ersten Ausleseknoten (3) nächstgelegenen Modulationsgate (5, 5’) mindestens von dem ersten Ausleseknoten (3) und die Ladungsträger unter dem dem zweiten Ausleseknoten (4) nächstgelegenen Modulationsgate (7, 8) mindestens von dem zweiten Ausleseknoten (4) ausgelesen, in einem zweiten Schritt werden die Potentialbarrieren der zweiten Modulationsgates (9, 9’, 10, 11), die jeweils neben einem ausgelesenen Modulationsgates (5, 5’, 7, 8) angeordneten sind, soweit abgesenkt, dass Ladungsträger aus Substratabschnitten unter den noch nicht ausgelesenen Modulationsgates (6, 6’, 7), die neben den Modulationsgates (9, 9’, 10, 11) mit abgesenktem Potential angeordnet sind, in die Substratabschnitte unter den ausgelesenen Modulationsgates (5, 5’, 7, 8) gelangen und in einem dritten Schritt werden die Ladungsträger aus den Substratabschnitten unter den noch nicht ausgelesenen Modulationsgates (6, 7), die neben den Modulationsgates (9, 9’, 10, 11) mit abgesenktem Potential angeordnet sind, jeweils getrennt nach außen durch die Substratabschnitte unter den ausgelesenen Modulationsgate (5, 5’, 7, 8) hindurch ausgelesen, wobei die Schritte zwei und drei sooft nacheinander wiederholt werden bis alle Modulationsgates (5, 5’, 6, 6’, 7, 8) ausgelesen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement abwechselnd in der ersten und zweiten Betriebsart (B1, B2) betrieben wird.