DE102014103525B4

DE102014103525B4 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung einer richtung von einer oberfläche eines oder mehrerer fotodetektorelemente eines integrierten schaltkreises zu einer elektromagnetische wellen erzeugenden quelle und zur herstellung einer vorrichtung

Info

Publication number: DE102014103525B4
Application number: DE102014103525.9A
Authority: DE
Inventors: Rene Druml; Andrea Fant; Luca Sant
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2034-03-15
Also published as: US20140268116A1; DE102014103525A1; CN104051473A; CN104051473B; US9116046B2

Abstract

Vorrichtung, umfassend:einen integrierten Schaltkreis, der Folgendes umfasst:mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126), die so konfiguriert sind, dass sie elektromagnetische Energie detektieren; undzumindest eine mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) monolithisch verbundene Blockierstruktur (130), die neben den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) angeordnet ist und einen Rahmen für die mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) formt, derart, dass der Bereich über der optisch aktiven Oberfläche der Fotodetektorelemente frei ist von der Blockierstruktur und dass der Rahmen die Fotodetektorelemente vollständig umgibt; und wobei die Blockierstruktur so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil von auf den integrierten Schaltkreis auftreffender elektromagnetischer Energie (132, 134, 136) blockiert, wobei die Blockierstruktur (130) zumindest eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil der elektromagnetischen Wellen in Richtung der mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) reflektiert; undein Detektionsmodul (410), das mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) verbunden ist und so konfiguriert ist, dass es eine Richtung von elektromagnetischer Energie (132, 134, 136), die auf den integrierten Schaltkreis auftrifft, bezüglich einer Quelle (102) der elektromagnetischen Energie (132, 134, 136), basierend auf linearen Kombinationen der Mengen an elektromagnetischer Energie (132, 134, 136), die von den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) detektiert wird, bestimmt.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine Vorrichtung, ein Verfahren zur Bestimmung einer Richtung von elektromagnetischer Energie, die auf eine Oberfläche einer Halbleiter-Vorrichtung auftrifft.
Infrarot-(IR)-Abstandssensorsysteme, z.B. IR-Abstandsdetektion erfordert Abstandssensoren, die mehr als nur die Distanz zu einem Objekt detektieren (r-Koordinate in polarem Koordinatensystem), um die Rekonstruktion einer 3-dimensionalen (3D) Bahn im Raum, z.B. für mobile Anwendungen, z.B. (Mobil-) Telefone, Tablet Personal Computer (pcs), Laptops zu ermöglichen. Andere Anwendungen sind z.B. Lichtquellenpositionsdetektion oder Verfolgung z.B. der Sonnenwendigkeit.
In einer anderen üblichen Anordnung werden Ultraschallquellen und mehrere Mikrofone zusätzlich zu einer Fotodiode verwendet, um die Bahn einer Lichtquelle zu detektieren. Diese Lösungen können nach einer langen Liste an Materialien und große Integrationskomplexität verlangen.
In einer anderen üblichen Anordnung werden Kameras mit 3D-Softwarerekonstruktion oder Flugzeitsysteme verwendet, um die Bahn zu detektieren. Diese Lösungen können komplex, mit hohem Energieverbrauch und schwierig zu verkleinern sein.
Aus US 2012 / 0 312 962 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln einer relativen Bewegungsrichtung und/oder einer Position einer Lichtquelle bekannt, wobei die Vorrichtung einen ersten optischen Sensor mit einer ersten Photodetektorregion und einer Vielzahl an ersten Lamellen („slats“) über der ersten Photodetektorregion und einen zweiten optischen Sensor mit einer zweiten Photodetektorregion und einer Vielzahl an zweiten Lamellen über der zweiten Photodetektorregion aufweist, und wobei die Konfiguration der ersten Lamellen von der Konfiguration der zweiten Lamellen verschieden ist. Aus US 2011 / 0 242 526 A1 ist ein Lichtdetektor zur Bestimmung des Einfallswinkels bekannt, wobei eine Vielzahl an lichtabsorbierenden Strukturen als Array über einer Vielzahl an photo-sensitiven Elementen angeordnet ist und wobei die lichtabsorbierenden Strukturen derart angeordnet sind, sodass von den jeweiligen die lichtabsorbierenden Strukturen benachbarten photo-sensitiven Elementen nur Licht detektiert wird, dass unter einem bestimmten Winkel auf das Array von lichtabsorbierenden Strukturen fällt.
In verschiedenen Ausführungsformen ist hierin eine Vorrichtung beschrieben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen integrierten Schaltkreis. Der integrierte Schaltkreis umfasst mindestens zwei Fotodetektorelemente; und eine Blockierstruktur, die mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen monolithisch integriert ist; wobei die Blockierstruktur neben den mindestens zwei Fotodetektorelementen angeordnet ist und einen Rahmen für die mindestens zwei Fotodetektorelemente formt, wobei die mindestens zwei Fotodetektorelemente relativ zu der Blockierstruktur angeordnet sind, sodass aus elektrischen Strömen, die von den mindestens zwei Fotodetektorelementen als Antwort auf elektromagnetische Wellen bereitgestellt werden, die von den mindestens zwei Fotodetektorelementen empfangen werden, eine Richtung zu einer die elektromagnetischen Wellen erzeugenden Quelle ermittelbar ist.
In verschiedenen Ausführungsformen sind mindestens zwei Fotodetektorelemente bereitgestellt. Beispielsweise kann ein Fotodetektorelement eine Fotodiode, eine Lawinenfotodiode, ein Fototransistor oder eine andere lichtempfindliche Struktur sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Fotodetektorelement elektromagnetische Strahlung absorbieren und kann als verdrahtetes Fotodetektorelement, als oberflächenmontiertes (SMD) Fotodetektorelement oder als ein Chip-on-board-Fotodetektorelement (Die), z.B. eine Fotodetektoranordnung, ein lichtempfindlicher Draht, angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein verdrahtetes Fotodetektorelement einen Halbleiterchip einer Region eines Halbleiters umfassen, wobei der Halbleiterchip und/oder die Region einen elektrischen Strom aus absorbierter elektromagnetischer Strahlung, wie Licht, erzeugt/erzeugen. Der Halbleiterchip kann durch eine Abdeckung dicht verschlossen sein. Anders ausgedrückt: in verschiedenen Ausführungsformen kann eine optoelektronische Vorrichtung, die elektromagnetische Strahlung absorbiert, einen oder mehrere Halbleiterchips umfassen, die elektromagnetische Strahlung absorbieren, z.B. eines oder mehrere Fotodetektorelemente oder SMD-Fotodetektorelemente; oder die als Halbleiter-(Fotodetektor-) Chip angeordnet ist, der elektromagnetische Strahlung absorbiert, z.B. Chip-on-board. In dieser Beschreibung kann elektromagnetische Strahlung Licht, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung und/oder Infrarotstrahlung sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die Fotodetektorelemente Teil eines integrierten Schaltkreises sein, anders ausgedrückt, können sie monolithisch in den integrierten Schaltkreis integriert sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die mindestens zwei Fotodetektorelemente unter einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Gehäuse zumindest teilweise als Abdichtung, als optische Vorrichtung, z.B. eine Linse, Beugungsgitter, Blende angeordnet sein; oder kann einen Farbstoff, z.B. einen fluoreszierenden Farbstoff enthalten. Die Fotodetektorelemente können auf einem Substrat, z.B. einem Anschlussrahmen, einem Metallfilm, einer Leiterplatte oder einer flexiblen Leiterplatte angeordnet oder platziert sein. Die Fotodetektorelemente können z.B. unter Verwendung von Metalldrähten mit dem Substrat drahtkontaktiert sein.
Der integrierte Schaltkreis der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst mindestens zwei Fotodetektorelemente, die so konfiguriert sind, dass sie elektromagnetische Energie detektieren, und zumindest eine mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen monolithisch integrierte Blockierstruktur, die neben den mindestens zwei Fotodetektorelementen angeordnet ist und einen Rahmen für die mindestens zwei Fotodetektorelemente formt, derart, dass der Bereich über der optisch aktiven Oberfläche der Fotodetektorelemente frei ist von der Blockierstruktur und dass der Rahmen die Fotodetektorelemente vollständig umgibt, und wobei die Blockierstruktur so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil der auf den integrierten Schaltkreis treffende elektromagnetischen Energie blockiert und wobei die Blockierstruktur zumindest eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil der elektromagnetischen Wellen in Richtung der mindestens zwei Fotodetektorelemente reflektiert. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Detektionsmodul, das mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen verbunden ist und so konfiguriert ist, dass es eine Richtung von elektromagnetischer Energie, die auf den integrierten Schaltkreis trifft, bezüglich einer Quelle der elektromagnetischen Energie, basierend auf der linearen Kombinationen der Mengen an elektromagnetischer Energie die von den mindestens zwei Fotodetektorelementen detektiert wird, bestimmt.
In verschiedenen Ausführungsformen ist hierin ein integrierter Schaltkreis beschrieben, wobei der integrierte Schaltkreis Folgendes umfassen kann: mindestens zwei Fotodetektorelemente; und eine monolithisch mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen integrierte Blockierstruktur; wobei die mindestens zwei Fotodetektorelemente relativ zu der Blockierstruktur angeordnet sind, so dass elektrischer Strom, der von den mindestens zwei Fotodetektorelementen als Antwort auf von den mindestens zwei Fotodetektorelementen empfangenen elektromagnetischen Wellen erzeugt wird, eine Richtung zu einer die elektromagnetischen Wellen erzeugenden Quelle angibt.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung kann der integrierte Schaltkreis eine Vielzahl von Fotodetektorelementen umfassen.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung umfassen die mindestens zwei Fotodetektorelemente eine oder mehrere fotosensitive Strukturen, die aus der Gruppe bestehend aus einer Fotodiode; einer Lawinenfotodiode; und einem Fototransistor ausgewählt ist/sind.
Ein integrierter Schaltkreis mit zwei Fotodetektorelementen kann es ermöglichen, die Distanz oder eine Richtung einer Quelle elektromagnetischer Strahlung zur Vorrichtung zu ermitteln.
In einer Ausführungsform des integrierten Schaltkreises kann die Vielzahl von Fotodetektorelementen zumindest vier Fotodetektorelemente (2A) umfassen. Ein integrierter Schaltkreis mit vier Fotodetektorelementen kann eine Bestimmung der Distanz und der Richtung einer Quelle elektromagnetischer Strahlung zu der Vorrichtung ermöglichen.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung kann der integrierte Schaltkreis weiterhin eine Vielzahl von Fotodetektorzellen umfassen, wobei jede Fotodetektorzelle eine Vielzahl von Fotodetektorelementen und eine Vielzahl von Blockierstrukturen, die neben der zumindest einen Fotodetektorzelle angeordnet sind, umfassen.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung kann der integrierte Schaltkreis weiterhin eine Vielzahl von Fotodetektorzellen umfassen; wobei die Blockierstruktur eine oder mehrere Blockierstrukturen umfasst, wobei zumindest einige der Blockierstrukturen seitlich zwischen zwei jeweiligen Fotodetektorzellen platziert ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Blockierstruktur zumindest eine einer interdielektrischen Schicht und einer Metallisierungsschicht des integrierten Schaltkreises.
In einer Ausführungsform umfasst ein Teil des integrierten Schaltkreises zwischen einer Vielzahl von Säulen zumindest eine interdielektrische Schicht.
In einer Ausführungsform kann die Einhausungsstruktur eine als Blockierstruktur verwendete Metallisierungsstruktur umfassen. In einer Ausführungsform kann die Metallisierungsstruktur Folgendes umfassen oder daraus gebildet sein: Eisen, Stahl, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Palladium, Magnesium, Titan, Platin, Nickel, Zinn, Zink. In einer Ausführungsform kann die Metallisierungsstruktur als Spiegel, Blende und/oder Kollinator gebildet sein.
In einer Ausführungsform kann die Metallisierungsstruktur eine elektrisch leitfähige Verbindungsstruktur und interdielektrisches Material umfassen; wobei die Blockierstruktur zumindest einen Teil der elektrisch leitfähigen Verbindungsstruktur umfasst.
In einer Ausführungsform kann die elektrisch leitfähige Verbindungsstruktur zumindest eine elektrisch leitfähige Durchkontaktierung oder Durchkontaktierschiene umfassen; wobei die Blockierstruktur zumindest einen Teil des zumindest einen elektrisch leitfähigen Durchkontaktierers oder Durchkontaktierschiene umfasst.
In einer Ausführungsform kann zumindest ein Teil von interdielektrischem Material in dem Strahlungsweg der mindestens zwei Fotodetektorelemente angeordnet sein, z.B. zwischen zwei nebeneinander liegenden Blockierstrukturen, wobei die nebeneinander liegenden Blockierstrukturen einen Rahmen für die Fotodetektorelemente formen können.
In einer Ausführungsform kann zumindest ein Teil von interdielektrischem Material hinsichtlich der elektromagnetischen Wellen entweder optisch transparent oder transluzent sein.
In einer Ausführungsform kann zumindest ein Teil des interdielektrischen Materials und zumindest ein Teil der Blockierstrukturen mit einem CMOS-Prozess gebildet werden, wobei z.B. das interdielektrische Material und/oder die Blockierstruktur aus Schichten eines CMOS-Prozesses gebildet wird/werden.
In einer Ausführungsform umfasst die zumindest eine Blockierstruktur zumindest einen Teil einer Vielzahl von Metallisierungsschichten eines Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Prozessstapels.
In einer Ausführungsform ist das interdielektrische Material zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung, die von einer Quelle abgegeben und/oder von der Blockierstruktur reflektiert wird, transparent oder transluzent ausgebildet.
In verschiedenen Ausführungsformen transmittiert ein transluzentes interdielektrisches Material im Wesentlichen Licht, wobei das transmittierte Licht teilweise durch die interdielektrische Struktur gestreut werden kann, z.B. in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen, z.B. Infrarotstrahlung oder Licht. In verschiedenen Ausführungsformen transmittiert ein transparentes interdielektrisches Material im Wesentlichen Licht, z.B. in einen oder mehrere Wellenlängenbereich(e), z.B. Infrarotstrahlung oder Licht. In einer Ausführungsform kann ein transluzentes interdielektrisches Material zumindest eine raue Grenzfläche auf dem Weg der elektromagnetischen Strahlung und/oder der Streuungspartikel umfassen. In einer Ausführungsform kann das interdielektrische Material das Folgende umfassen oder daraus gebildet sein: Silizium, Siliziumoxid, z.B. Glas, geschmolzenes Silikatglas, Siliziumnitrid, Siliziumcarbidsaphir, Polyolefin (z.B. Polyethylen (PE) mit hoher oder geringer Dichte), Polypropylen (PP)), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyren (PS), Polyester, Polycarbonat (PC), Polyethylenterephtalat (PET), Polyethersulfon (PES), Polyethylennaphthalat (PEN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyetherketon (PEEK), Silikon, Polysilazan, Harz, Epoxid.
In einer anderen Ausführungsform können die mindestens zwei Fotodetektorelemente ein oder mehrere Infrarot-Fotodetektorelemente umfassen.
In einer Ausführungsform kann die Blockierstruktur zumindest teilweise eine Oberfläche aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie die elektromagnetischen Wellen reflektiert, z.B. eine reflektierende Oberfläche, z.B. hochreflektierend oder vollständig reflektierend.
In einer Ausführungsform umfasst die Blockierstruktur zumindest eine Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie die elektromagnetischen Wellen reflektiert.
In einer Ausführungsform des integrierten Schaltkreises kann der integrierte Schaltkreis weiterhin eine Blockierstruktur einschließlich eines geätzten Substratgrabens umfassen, der mit einem Material gefüllt ist, das elektromagnetische Wellen reflektiert.
In einer Ausführungsform des integrierten Schaltkreises kann der integrierte Schaltkreis weiterhin eine Blockierstruktur einschließlich eines geätzten Substratgrabens, der mit einer elektromagnetische Wellen reflektierenden Beschichtung beschichtet wurde, umfassen.
Der integrierte Schaltkreis kann eine Quelle elektromagnetischer Wellen umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Wellen aussendet. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Quelle elektromagnetischer Wellen elektromagnetische Strahlung aussenden, die ebenfalls als elektromagnetische Wellen bezeichnet werden kann. Beispielsweise kann die Quelle elektromagnetischer Wellen so konfiguriert sein, dass sie Infrarotlicht aussendet. Die Quelle elektromagnetischer Wellen kann zumindest eine Leuchtdiode umfassen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der integrierte Schaltkreis weiterhin Einkapselungsmaterial umfassen, das die mindestens zwei Fotodetektorelemente und die Blockierstruktur einkapselt. Das Einkapselungsmaterial kann ein Gehäuse umfassen oder als solches gebildet sein.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung können der integrierte Schaltkreis und das Detektionsmodul monolithisch miteinander integriert sein.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung kann die Vorrichtung weiterhin eine bewegliche Struktur umfassen; wobei das Detektionsmodul weiterhin so konfiguriert ist, dass es eine Bewegung der beweglichen Struktur abhängig von der vorbestimmten Richtung steuert. Eine Bewegung kann z.B. eine Rotation, ein Kippen, eine Verschiebung, die die Distanz vergrößert oder verkleinert, z.B. ein Schließen oder Öffnen der beweglichen Struktur, sein. Die bewegliche Struktur kann eine Lichtverfolgungsstruktur umfassen. Außerdem kann die Lichtverfolgungsstruktur eine Solarnachführung umfassen.
In einer Ausführungsform kann das Detektionsmodul so konfiguriert sein, dass es einen azimutalen Winkel und einen polaren Winkel von einer Oberfläche der mindestens zwei Fotodetektorelemente und zu der die elektromagnetischen Wellen erzeugenden Quelle bestimmt. In einer Ausführungsform kann die Quelle bei einer definierten Frequenz gepulst sein, um sie von anderen in derselben Umgebung existierenden Quellen zu unterscheiden. In einer Ausführungsform kann die Quelle als Leitstrahl agieren, in anderen Ausführungsformen könnte die Quelle als Referenzzeiger verwendet werden. In einer Ausführungsform kann die Quelle das Licht, das aus einer zweiten Quelle stammt, reflektieren.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung kann das Detektionsmodul einen Analog-Digital-Wandler umfassen, um den elektrischen Strom in digitale Stromwerte umzuwandeln. Das Detektionsmodul kann einen Gleichstromentfernungsschaltkreis umfassen, um einen Gleichstromanteil von dem durch die mindestens zwei Fotodetektorelemente bereitgestellten elektrischen Strom zu entfernen. Ein Teil des Gleichstroms, der von den mindestens zwei Fotodetektorelementen bereitgestellt wird, kann entfernt werden, da die mindestens zwei Fotodetektorelemente mit einer Vorspannung beaufschlagt sein können und Verlustströmen sein können oder, wenn eine gepulste Lichtquelle verwendet wird, da das Gleichstromsignal von dem existierenden Umgebungslicht kommen kann und keine Informationen über die gepulste Lichtquelle aufweist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst das Blockieren zumindest eines Teils der elektromagnetischen Energie von einer Quelle über zumindest eine monolithisch mit zumindest zwei Fotodetektorelementen integrierte Blockierstruktur, so dass sie elektromagnetische Energie detektiert, wobei die Blockierstruktur neben den mindestens zwei Fotodetektorelementen angeordnet ist und einen Rahmen für die mindestens zwei Fotodetektorelemente formt, und zumindest eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil der elektromagnetischen Wellen in Richtung der mindestens zwei Fotodetektorelemente reflektiert. Das Verfahren umfasst weiterhin das Detektieren, über die mindestens zwei Fotodetektorelemente, einer Menge an elektromagnetischer Energie von der Quelle. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bestimmen einer Richtung von elektromagnetischer Energie, die auf den integrierten Schaltkreis auftrifft, relativ zu der Quelle, basierend auf der linearen Kombination der Mengen an elektromagnetischer Energie, die von den mindestens zwei Fotodetektorelementen detektiert werden.
Das Verfahren stellt ferner ein Bestimmen einer Richtung von einer Oberfläche von mindestens zwei Fotodetektorelementen eines integrierten Schaltkreises zu einer elektromagnetische Wellen erzeugenden Quelle bereitgestellt. Der integrierte Schaltkreis umfasst mindestens zwei Fotodetektorelemente und eine monolithisch mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen integrierte Blockierstruktur. Das Verfahren umfasst ferner Folgendes: Detektieren der elektrischen Ströme, die von den mindestens zwei Fotodetektorelementen als Antwort auf von den mindestens zwei Fotodetektorelementen empfangenen elektromagnetischen Wellen bereitgestellt werden, wobei die elektrischen Ströme die Richtung zu einer Quelle, die die elektromagnetischen Wellen erzeugt, angeben; und Bestimmen der Richtung zur Quelle unter Verwendung des detektierten elektrischen Stroms.
Das Verfahren kann das Verarbeiten der elektrischen Ströme umfassen, die von den mindestens zwei Fotodetektorelementen für Fälle, wenn die Blockierstruktur vollständig reflektierend ist oder wenn die Blockierstruktur vollständig opak ist, erzeugt wird. Das Verfahren kann lineare Kombinationen der gemessenen Stromwerte umfassen, um die Distanz r zu der Lichtquelle und deren polare Koordinaten im Raum (θ, φ) zu bestimmen. Das Verfahren kann Berechnungsalgorithmen basierend auf dem Ergebnis der linearen Kombination des gemessenen Stroms oder Nachschlagalgorithmen mit denselben als Eingabe verwendeten Ergebnissen umfassen.
Ein Beispiel ist beschrieben, ohne Beschränkung, das eine Bewegung der Lichtquelle annimmt, die sich auf die xz-Ebene beschränkt (y = 0) und mit einer konstanten Distanz von dem Detektor, d.h., wenn der Detektor am Nullpunkt des Polarachsenbezugsrahmens positioniert ist, wobei sich dessen Oberfläche parallel zu der xy-Ebene befindet, bewegt sich die Quelle in gleichbleibender Distanz (r = konstant) und φ = 0 oder φ = 180°. In einem solchen Fall ist es möglich, Folgendes zu berechnen: $IX = (I_{IR2} + I_{IR4}) - (I_{IR1} + I_{IR3})$
Hier ist IX der elektrische Strom der mindestens zwei Fotodetektorelemente als eine Funktion der x-Koordinate der Lichtquelle, wobei I_IR2 der elektrische Strom beispielsweise des 2. Fotodetektorelements ist.
Im Fall einer vollständigen Reflexion seitens der Blockierstruktur ist der Wert von IX, innerhalb der Grenzwerte für θ, direkt proportional zu sin(θ), wobei θ die polare Koordinate der Strahlungsquelle, platziert auf der xz-Ebene ist und die sich bei r = konstant über dem Detektor bewegt.
Dieselbe Schlussfolgerung kann auch hinsichtlich der Bewegung auf der yz-Ebene mit gleichbleibender Distanz (r = konstant) und φ = 90° oder φ = 270° gezogen werden; in diesem Fall lautet die Berechnung IY = (I_IR1 + I_IR2) - (I_IR3 + I_IR4 ), wobei IY der elektrische Strom der mindestens zwei Fotodetektorelemente als eine Funktion der y-Koordinate der Lichtquelle ist. Der Wert IY ist, innerhalb der Grenzwerte für θ, direkt proportional zu sin(θ), wobei θ die polare Koordinate der Strahlungsquelle, platziert auf der xz-Ebene ist und die sich bei gleichbleibendem Abstand (r = konstant) über dem Detektor bewegt.
Die Bahn der Lichtquelle in gleichbleibender Distanz zu dem Detektor (r = konstant), innerhalb des Polarachsenbezugsrahmens kann als differentielle Veränderung des elektrischen Stroms I beschrieben werden, wobei I eine Überlagerung von IX und IY ist.
Die Distanz zwischen der Lichtquelle und dem Detektor, die ein Wert von r ist, kann aus einem Standardverfahren zur Abstandsmessung abgeleitet werden. Das Verfahren kann die Summe aller Ströme verwenden, um die Intensität des ankommenden Lichts zu bestimmen, die mit der Distanz zur Quelle abnehmen kann.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltkreises bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Bilden eines integrierten Schaltkreises, der umfasst: mindestens zwei Fotodetektorelementen in dem integrierten Schaltkreis, die so konfiguriert sind, dass sie elektromagnetische Energie detektieren; und zumindest eine Blockierstruktur, die mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen monolithisch in dem integrierten Schaltkreis integriert ist, wobei die Blockierstruktur neben den mindestens zwei Fotodetektorelementen angeordnet ist und einen Rahmen für die mindestens zwei Fotodetektorelemente formt, derart, dass der Bereich über der optisch aktiven Oberfläche der Fotodetektorelemente frei ist von der Blockierstruktur und dass der Rahmen die Fotodetektorelemente vollständig umgibt und wobei die Blockierstruktur zumindest eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil der elektromagnetischen Wellen in Richtung der mindestens zwei Fotodetektorelemente reflektiert; und Verbinden eines Detektionsmoduls mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen, wobei das Detektionsmodul so konfiguriert ist, dass es eine Richtung von elektromagnetischer Energie, die auf den integrierten Schaltkreis auftrifft, relativ zu einer Quelle der elektromagnetischen Energie, basierend auf der linearen Kombination der Mengen der von den mindestens zwei Fotodetektorelementen detektierten elektromagnetischen Energie, bestimmt.
In den Zeichnungen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen bei allen unterschiedlichen Ansichten auf dieselben Bauteile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, der Fokus liegt stattdessen im Allgemeinen mehr auf der Darstellung der Grundsätze der Erfindung. In der folgenden Beschreibung sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme der folgenden Beispiele beschrieben, in denen:

1A bis 1E schematische Darstellungen einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2A und 2E schematische Darstellungen von Anordnungen zeigen;
3A und 3B Ausführungsformen von Fotodetektorzellenanordnungen zeigen; und
4 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen darstellt.

Die nachfolgende genaue Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die, zur Veranschaulichung, spezifische Details und Ausführungsformen zeigen, in der/mit denen die Erfindung verwendet werden kann.
Das Wort „beispielhaft“ bedeutet hierin „als Beispiel, Fallbeispiel oder Veranschaulichung dienend“. Jede Ausführungsform oder jedes Design, das hierin als „beispielhaft“ beschrieben wird, darf nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Designs interpretiert werden.
Das Wort „über“, wie hierin unter Bezugnahme auf ein aufgebrachtes Material, das „über“ eine Seite oder eine Oberfläche gebildet wird, kann hierin so verwendet sein, dass es bedeutet, dass das aufgebrachte Material „direkt auf“, z.B. in direktem Kontakt mit, der angegebenen Seite oder Oberfläche gebildet werden kann. Das Wort „über“, das hierin bezüglich eines aufgebrachten Materials verwendet wird, das „über“ eine Seite oder Oberfläche gebildet werden kann, kann hierin bedeuten, dass das aufgebrachte Material „indirekt“ auf der angegebenen Seite oder Oberfläche mit einer oder mehreren zusätzlichen Schichten, die zwischen der angegebenen Seite oder Oberfläche und dem aufgebrachten Material angeordnet sein können, gebildet werden kann.
In verschiedenen Ausführungsformen ist eine Vorrichtung mit einem integrierten Schaltkreis bereitgestellt. Der integrierte Schaltkreis integriert eine benötigte Funktionalität auf einem einzigen Chip, anstelle von mehreren dafür benötigten Sendern und/oder Empfängern. Dies kann die benötigte Liste an Materialien, die Systemkosten und Komplexität verringern.
1A zeigt ein schematisches Koordinatensystem. Dargestellt ist die Position einer Strahlenquelle 102 mit Distanz r 110, azimutalem Winkel θ 112 und polarem Winkel φ 114 in Bezug auf einen Detektor 116 am Nullpunkt des kartesischen Koordinatensystems mit kartesischen Koordinaten x 104, y 106 und z 108.
1B bis 1D zeigen einen schematischen Querschnitt 120, 140, 160 der Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
In den folgenden Bilddarstellungen 1B bis 1D ist eine schematische Zeichnung des Effekts für eine eindimensionale (1D) Struktur (Beispiele mit zweidimensionalen (2D) Strukturen sind in 2 und 3 dargestellt) dargestellt. Abgebildet ist eine Quelle elektromagnetischer Strahlung 102, wobei die Strahlenquelle elektromagnetische Strahlung 132, 134, 136, z.B. Licht, UV-Strahlung, IR-Strahlung, Röntgenstrahlung aussendet. Die emittierte Strahlung 132, 134, 136 fällt zumindest teilweise auf eine Vorrichtung 116. Die Vorrichtung 116 kann zumindest einen ersten Fotodetektor 124, einen zweiten Fotodetektor 126 und eine Blockierstruktur 130 umfassen.
Die Fotodetektorelemente 124, 126 und die Blockierstruktur 130 können auf und/oder in einem üblichen Substrat 122, z.B. monolithisch integriert sein, z.B. so dass ein Teil des Substrats 122 als Blockierstruktur 130 und Substrat 122 des Fotodetektors 124, 126 angeordnet ist. Ein Fotodetektor kann eine optisch aktive Oberfläche umfassen, z.B. ein CMOS-Fotodetektor, so dass durch auftreffende Strahlung elektrischer Strom erzeugt wird. Das Substrat kann Zwischenverbindungen (nicht dargestellt), z.B. Leiterbahnen, Leiterbahnführungen und/oder Streifenleiter, umfassen, die elektrisch mit den Fotodetektorelementen 124, 126 und einem elektrischen Schaltkreis verbunden sind. Auf diese Art kann die einfallende elektromagnetische Strahlung abhängig von dem Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung hinsichtlich der Oberfläche der Fotodetektorelemente 124, 126 elektrischen Strom erzeugen. Anders ausgedrückt: Die zwei Fotodetektorelemente 124, 126 können direktes Licht 132 und reflektiertes Licht 134 empfangen, das stark von dem Einfallswinkel 112, 114 abhängig ist. Das Licht 132, 134 erzeugt elektrischen Strom in dem ersten Fotodetektor 124 und/oder dem zweiten Fotodetektor 126. Die Beziehung zwischen den zwei Stromflüssen beinhaltet die Informationen über den Lichteinfallswinkel, wie in 1B bis 1D dargestellt.
Die Blockierstruktur 130 kann so angeordnet und/oder entworfen sein, dass zumindest ein Teil der einfallenden Strahlung 132 direkt auf zumindest eines der Fotodetektorelemente 124, 126 fällt. Die Blockierstruktur 130 ist so entworfen, dass zumindest ein Teil der einfallenden Strahlung 134 in die Richtung der Fotodetektorelemente 124, 126, z.B. einschließlich eines Materials oder einer Oberflächentopographie, das/die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise reflektiert, z.B. vollständig reflektiert, z.B. einschließlich eines Spiegels oder eines Kollimators, reflektiert wird. Die Blockierstruktur 130 ist so angeordnet und/oder entworfen, dass zumindest ein Teil der einfallenden Strahlung 136 vom Auftreffen auf die Fotodetektorelemente 124, 126 gehindert wird. Ein Blockieren von Strahlung durch eine Blockierstruktur kann ebenfalls als Abschattung bezeichnet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Blockierstruktur 130 zumindest teilweise ähnlich wie ein Kollimator, eine Blende oder eine Schlitzblende gebildet sein. Anders ausgedrückt: Die Blockierstruktur 130 reflektiert teilweise Licht 134 auf einer angepassten Fotodetektoranordnung und schattet teilweise Licht 136 von einer angepassten Fotodetektoranordnung ab. Abhängig von der Höhe und/oder Form der Blockstruktur, kann die Größe der Fotodetektorelemente angepasst werden. Die Vorrichtung kann auf eine Art gebildet sein, die einen vollständigen Schatten auf eines der Fotodetektorelemente 124, 126 wirft, wenn das Licht in einem Winkel von etwa 45° auf die Vorrichtung auftrifft. In einer Ausführungsform kann die Blockierstruktur 130 Teil des Substrats 122 sein, z.B. ein gefüllter Graben. In einer Ausführungsform können die Fotodetektorelemente 124, 126 zumindest teilweise in das Substrat 122 eingebettet sein, wobei ein Teil der optisch aktiven Oberfläche noch exponiert ist. In einer Ausführungsform kann die Struktur rückseitig belichtet sein. In einer Ausführungsform können die Fotodetektorelemente über Diffusion in ein Silikonsubstrat eingebaut sein, z.B. als Fotodioden, Fototransistoren. Dies kann eine monolithisch integrierte Vorrichtung ergeben. In einer Ausführungsform können die Fotodetektorelemente isolierte, durch ein Adhäsiv oder eine Form mit dem Substrat verbundene Fotodetektorelemente sein. Dies kann eine wiederum andere Form einer monolithisch integrierten Vorrichtung ergeben. Die Fotodetektorelemente können elektrisch über zumindest eine Durchkontaktierung (nicht dargestellt) mit einem Detektionsmodul verbunden sein (siehe 4). Ein Detektionsmodul 410 (siehe 4) kann zumindest teilweise in das Substrat 122 eingebettet sein.
Das Licht, das auf die Fotodetektorelemente 124, 126 trifft, erzeugt elektrischen Strom 128, der ein Signal bereitstellt, das mit dem Einfallwinkel des einfallenden Licht korreliert, so dass Informationen über den azimutalen 112 und polaren Winkel 114 der Lichtquelle 102 erhalten werden können. Die Vorrichtung kann sehr viel kleiner als typische „Quadranten-Fotodetektoren“ sein. Auf diese Art integriert die Vorrichtung eine gewünschte Funktionalität in einem einzigen Chip, anstelle dass mehrere Sender und/oder Empfänger benötigt werden. Dies kann die Liste an Materialien, die Systemkosten und/oder Komplexität verringern. Intelligenz kann auf demselben Substrat 122 gebildet oder eingebaut werden, um eine komplexe Systemintegration, z.B. für Lichtverfolgungsanwendungen, z.B. Verfolgungen der Sonnenwendigkeit, Lichtquellentracker, zu erzielen. Die Endvorrichtung kann klein und einfach genug in der Handhabung sein, so dass sie für eine Lichtsteuerung und einfache Benutzerschnittstellen in Haushaltsgeräten verwendet werden kann. Das Verfahren kann in den Standard-CMOS-Prozessfluss integriert sein.
Die Strahlenquelle kann elektromagnetische Wellen 132, 134, 136, z.B. Licht, emittieren, die teilweise von demselben Teil der Blockierstruktur blockiert 136 und teilweise reflektiert 134 werden können, abhängig von dem Einfallswinkel der Strahlung. Zumindest ein Teil des emittierten Lichts fällt direkt auf zumindest einen Fotodetektor 126. Zumindest eines der Fotodetektorelemente 124 kann nicht durch direktes Licht 132 oder reflektiertes Licht 134 belichtet sein, und zumindest ein Fotodetektor kann einen ersten elektrischen Strom 128 aus dem absorbierten reflektierten Licht 134 und dem direkten Licht 132, wie in 1B dargestellt, erzeugen.
Bei einer anderen Position der Strahlenquelle 102 können mehrerer Fotodetektorelemente 124, 126 als in 1B belichtet sein. Deshalb können mehrere Fotodetektorelemente 124, 126 elektrischen Strom 138, 142 erzeugen. Abhängig von der Position (r, θ, φ) der Strahlenquelle betreffend die Fotodetektorelemente 124, 126 kann ein zweiter elektrischer Strom 138 und ein dritter elektrischer Strom 142 durch die Fotodetektorelemente 124, 126 - dargestellt in 1C - erzeugt werden. In einem besonderen Fall können die Fotodetektorelemente 124, 126 einen gleichen elektrischen Strom 142 erzeugen, wenn die Strahlenquelle über den Fotodetektorelementen 124, 126 - dargestellt in 1D - zentriert ist.
1B bis 1D zeigen einen schematischen Querschnitt der Vorrichtung, der den Weg der elektromagnetischen Wellen 132, 134, 136 darstellt. 1E zeigt einen schematischen Querschnitt, der weitere Bauteile der Vorrichtungen betreffend Teile der Anordnung (4), darstellt. Die Vorrichtung kann als eine einzige monolithisch integrierte Vorrichtung, wie in 1E schematisch dargestellt, angeordnet sein. Die Schichten, die in dem Querschnitt dargestellt sind, sind einzig als Beispiele für Schichten anzusehen. Jede Schicht kann eine oder mehrere Unterschichten, je nach Wunsch, umfassen. Außerdem können Schichten in alternativen Ausführungsformen weggelassen werden.
Wie in 1E dargestellt, ist das Substrat 122 sowie der erste Fotodetektor 124, der zweite Fotodetektor 126, die Blockierstruktur 130 und ein Zwischenschichtdielektrikum 144, eine Zwischenstruktur 146, eine Oberflächenstruktur 148 und eine Metallisierungsschicht einschließlich z.B. einer oder mehrerer seitlicher elektrischer Anschlüsse 150 und ein oder mehrere elektrische Schaltkreise 152 in dem Substrat 122 bereitgestellt und gegebenenfalls mit dem ersten Fotodetektor 124 und/oder dem zweiten Fotodetektor verbunden.
Das Zwischenschichtdielektrikum 144 kann ein dielektrisches Material umfassen, oder daraus gebildet sein, z.B. ein Metalloxid, ein Metallnitrid, ein Metalloxynitrid, z.B. Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Lanthanoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Indiumzinnoxid, Indiumzinkoxid, aluminiumdotiertes Zinkoxid, Titannitrid, Tantalnitrid, Wolfram, Chrom, Siliziumcarbid oder Gemische und Legierungen daraus oder ein Niedrig-k-Dielektrikum, in anderen Worten, ein Dielelektrikum mit einer dielektrischen Konstante, die kleiner ist, als die von Siliziumoxid, d.h. eine dielektrische Konstante kleiner als 3,9. Das Zwischenschichtdielektrikum 144 kann transparent oder transluzent sein.
Die Blockierstruktur 130 kann ein Material aufweisen, das elektromagnetische Wellen reflektiert, z.B. ein Metall oder eine dielektrische Struktur, z.B. ein Spiegel, Interferenzschichten. Die Blockierstruktur 130 kann als Duchkontaktierung oder Durchkontaktierschiene angeordnet sein und kann mehrere leitfähige Schichten der Vorrichtung vertikal verbinden oder kann elektrisch von anderen leitfähigen Schichten isoliert sein. Die Blockierstruktur 130 kann als ein elektrischer Kontakt eines der Fotodetektorelemente 124, 126 angeordnet sein. Die Blockierstruktur 130 kann aus einem Metall bestehen, z.B. aus Cu, Pt, Mg, Al, Ba, In, Ag, Ti, Co, W und Au und Verbindungen, Kombinationen oder Legierungen dieser Materialien und/oder deren Silikate und/oder Nitride.
Eine optionale Zwischenstruktur 146 kann eine Diffusionsschranke, eine Ätzschrankenschicht, eine adhäsionsfördernde Schicht oder dergleichen aufweisen und kann als solche gebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Zwischenstruktur 146 ein Hoch-k- (mit einer dielektrischen Konstante größer als 3,9) und/oder ein Niedrig-k-Material (mit einer dielektrischen Konstante kleiner als 3,9) umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Zwischenstruktur 146 eine, zwei, drei, vier oder mehr Schichten aufweisen, wobei die Schichten ähnliche oder unterschiedliche optische, elektrische und chemische Eigenschaften aufweisen können. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Zwischenstruktur 146 Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Lanthanoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Indiumzinnoxid, Indiumzinkoxid, aluminiumdotiertes Zinkoxid, Titannitrid, Tantalnitrid, Wolfram, Chrom, Siliziumcarbid oder Gemische und Legierungen daraus enthalten.
Eine Oberflächenstruktur 148 kann eine Diffusionsschranke, eine Dünnfilm-Einkapselung, eine leitfähige Schicht, z.B. eine Elektrode oder ein Kontaktfeld oder eine adhäsionsfördernde Schicht umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Oberflächenstruktur 148 ein Hoch-k- und/oder Niedrig-k-Material umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Oberflächenstruktur 148 eine, zwei, drei, vier oder mehr Schichten umfassen, wobei die Schichten ähnliche oder unterschiedliche optische, elektrische und chemische Eigenschaften, z.B. mit unterschiedlichen Funktionen, aufweisen können. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Oberflächenstruktur 148 Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Hafniumoxid, Tantaloxid, Lanthanoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Indiumzinnoxid, Indiumzinkoxid, aluminiumdotiertes Zinkoxid, Titannitrid, Tantalnitrid, Wolfram, Chrom, Siliziumcarbid oder Gemische und Legierungen daraus enthalten.
Der seitliche elektrische Anschluss 150 kann als horizontal verbindende Schicht angeordnet sein, die unterschiedliche Teile der Anordnung seitlich verbindet. Er kann aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, z.B. demselben Material wie die Blockierstruktur 130 und/oder einem Metall oder leitfähigem Polymer. In verschiedenen Ausführungsformen kann der in dem Strahlengang der elektromagnetischen Wellen 132, 134, 136 liegende seitliche elektrische Anschluss 150 transparent oder transluzent sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der seitliche elektrische Anschluss 150 ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO), ein Metalloxid wie Zinkoxid, Zinnoxid und dergleichen umfassen oder kann daraus bestehen. Außerdem kann der seitliche elektrische Anschluss 150 eine binäre Metalloxidverbindung, wie ZnO, SnO₂ oder In₂O₃, ternäre Metall-Sauerstoffverbindungen wie AlZnO, Zn₂SnO₄ und dergleichen oder Gemische aus unterschiedlichen transparenten leitfähigen Oxiden umfassen oder daraus bestehen. Außerdem müssen die TCOs nicht notwendigerweise einer stöchiometrischen Zusammensetzung entsprechen und können dotiert sein, z.B. p-dotiert oder n-dotiert. Außerdem kann der seitliche elektrische Anschluss 150 aus einem Metall bestehen, so dass die Reflektion oder Absorption von elektromagnetischer Strahlung gering ist, z.B. ein dünner Film aus Cu, Pt, Mg, Al, Ba, In, Ag, Co, W oder Au und Verbindungen, Kombinationen oder Legierungen dieser Materialien, z.B. eine Goldschicht mit einer Dicke von etwa 10 nm bis etwa 50 nm.
Der elektronische Schaltkreis 152 kann elektrisch mit einem der Fotodetektorelemente 124, 126 direkt oder indirekt verbunden sein. Anders ausgedrückt: Der elektronische Schaltkreis 152 kann Teil einer Anordnung 400 (siehe 4), z.B. eine Multiplexerstufe 402, ein Gleichstromentfemer 404, ein Detektionsmodul 410 und/oder ein Digitalfilter 412 sein oder kann Teil eines Bauteils der Anordnung sein, z.B. ein Analog-Digital-Wandler 420 als Teil eines Detektionsmoduls 410 oder als Teil des Analog-DigitalWandlers 420. Der elektronische Schaltkreis 152 kann einen oder mehrere pn-Übergang/Übergänge umfassen oder daraus gebildet sein, z.B. als Diode, Wechselstromdiode (DIAC), als Transistor, als Wechselstromtriode (TRIAC), als Thyristor, als integrierter Schaltkreis, als ladungsgekoppeltes Element, als Sender-Empfänger, als Empfänger oder dergleichen. Der elektronische Schaltkreis 152 kann eine Digitalelektronik, z.B. eine Transistor-Transistor-Logik (TTL) oder ein Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (CMOS), sein.
Die Zwischenschichtdielektrik 144, die Zwischenstruktur 146, die Oberflächenstruktur 148, der seitliche elektrische Anschluss 150 und/oder der elektronische Schaltkreis 152 können im Strahlengang der elektromagnetischen Wellen 132, 134, die auf die Fotodetektorelemente 124, 126 auftreffen, angeordnet sein oder können neben der Blockierstruktur 130 angeordnet sein. Das Zwischenschichtdielektrikum 144, die Zwischenstruktur 146, die Oberflächenstruktur 148, der seitliche elektrische Anschluss 150 und/oder der elektronische Schaltkreis 152 können aufeinander aufgestapelt werden und/oder nebeneinander angeordnet werden.
Außerdem können die Fotodetektorelemente 124, 126 und/oder der elektronische Schaltkreis 152 mit einer Umverteilungsschicht (nicht dargestellt), z.B. auf der unteren Oberfläche, auf dem Substrat 122, z.B. als Bodenkontakt; oder auf der oberen Oberfläche, auf dem Zwischenschichtdielektrikum 144 oder als Teil der Oberflächenstruktur 154 als ein oberer Kontakt, verbunden sein.
2A und 2B zeigen schematische Zeichnungen von Anordnungen.
2A zeigt eine schematische Zeichnung einer vierfachen Fotodetektorzelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Dargestellt ist ein erster Fotodetektor 124, ein zweiter Fotodetektor 126, ein dritter Fotodetektor 202, ein vierter Fotodetektor 204, eine Blockierstruktur 130 und ein Teil des Substrats 122. Das Substrat kann als Anschluss, als Siliziumwafer, als Verbund-Halbleiter, als Metallfilm oder eine Leiterplatte, z.B. einer flexiblen Leiterplatte angeordnet sein. Ein abgebildeter mehrfacher Quadranten-Fotodetektor 200 gemäß 2A kann bereitgestellt sein. In einer Ausführungsform können mehrere Zellen nebeneinander (z.B. in einer zweidimensionalen Anordnung) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein, um die Signalamplitude zu erhöhen, da die Fotodetektorgrößen gleich hoch sein sollten wie die Metallstapelhöhe der verwendeten Technologie, wie in 2B dargestellt. Auch andere Formen sind für die elementare Quadranten-Fotodetektorzelle 200 möglich, z.B. linear, dreieckig, fünfeckig, sechseckig usw. Jede Fotodetektorzelle 200 kann eine passende Anzahl an Fotodetektorelementen umfassen. Eine Anordnung kann Fotodetektorzellen mit unterschiedlichen Arten von Fotodetektorelementen, z.B. Fotodetektorelemente, die empfindlich auf unterschiedliche Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung reagieren, umfassen.
3A und 3B zeigen Ausführungsformen einer Fotodetektorzellenanordnung.
3A zeigt einen Grundriss einer Ausführungsfonn einer Fotodetektorzellenanordnung mit mindestens zwei Fotodetektorelementen 124, 126, 202, 204, getrennt durch Blockierstrukturen 130, z.B. durch Metall-Blockierstrukturen 130. Eine Fotodetektorzelle kann eine Breite im Bereich von etwa 5 µm bis etwa 100 µm, z.B. im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 50 µm, aufweisen. 3B zeigt eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform aus 3A. In einer Ausführungsform kann die Fotodetektorzellenanordnung 200 für Lichtverfolgungsanwendungen verwendet werden, wo eine externe Lichtquelle auf die Fotodetektorelemente gerichtet sein sollte oder wo deren Position bezüglich der Fotodetektorelemente detektiert werden kann. In einer anderen Ausführungsform kann die Fotodetektoranordnung für eine richtungsempfindliche Abstandsdetektion verwendet werden, wenn sie mit einer geeigneten Signalverarbeitungsvorrichtung verbunden ist. In diesem Fall kann die Richtung und die Distanz des von dem Objekt reflektierten Lichts detektiert werden. Die Blockierstrukturen 130 können im Allgemeinen eine willkürliche Form aufweisen, z.B. ein polygonaler Körper, z.B. eine Würfelform, alternativ dazu eine Zylinderform oder eine wabenähnliche Struktur. Die Höhe der Blockierstrukturen 130 kann den einfallenden elektromagnetischen Wellen, z.B. Licht von der Quelle elektromagnetischer Wellen, z.B. einer Lichtquelle 102, z.B. an die Position der Quelle elektromagnetischer Wellen, z.B. der Lichtquelle 102 und/oder an die Position und/oder Form und/oder Größe der Fotodetektorelemente angepasst oder angeglichen werden, so dass die Richtung der elektromagnetischen Welle bestimmt werden kann. Beispielsweise kann die Höhe der Blockierstrukturen 130 im Bereich von etwa 2 µm bis etwa 50 µm, z.B. im Bereich von etwa 4 µm bis etwa 10 µm, unter Verwendung der Einhausungs-(BEOL)-Schichten einer Standard-CMOS-Technologie (Komplementär-Metalloxid-Halbleitertechnologie), liegen. Durch Hinzufügen zu oder Ausweiten des/dem BEOL-Stapel(s) kann eine Höhe von 50 µm möglich sein.
Beispielsweise kann die Blockierstruktur die Verwendung von Standard-Metallstapelschichten in jeder CMOS-Technologie, die so strukturiert sind, dass sie die Lichtblockierstruktur 130, z.B. Kollimationswände 130, bilden. Eine Durchkontaktierungskonstruktion kann hinzugefügt werden, um die vertikalen Lücken zwischen Metallschichten auch in Form von Durchkontaktierschienen zu füllen, die eine vollständige Blockade der Lichtübertragung durch die Schranke erzeugen. Die Metalle einer Standard-0,13-µm-CMOS-Technologie liegen im Bereich von etwa 0,3 µm für das am schwächsten leitende Metall (M1) bis zu 0,5 µm für das am stärksten leitende Metall (M6) bis hin zu 1 µm für die oberste leitende Al-Metallschicht. Jedes Metall kann durch Schichten von etwa 0,3 µm bis 0,5 µm Siliziumoxid und/oder Siliziumnitirid von benachbarten Schichten getrennt werden. Beispielsweise kann die Struktur eine Höhe von etwa 5 µm in dieser Technologie aufweisen. Der Intermetallraum kann mit einer Durchkontaktierungsstruktur gefüllt werden, die im Allgemeinen als Stecker zum Verbinden von überlappenden Metallen verwendet wird. Die Durchkontaktierung kann in eine Richtung erweitert werden, so dass sie eine durchgehende blockierende Metallschranke bildet, die lichtundurchlässig ist.
In der bevorzugten Ausführungsform kann die endgültige Form der Blockierstruktur dem Beispiel aus 3B ähnlich sein, wo jede Einheit aus vier gleichen quadratischen Fotodetektorelementen von vier vertikalen Strukturen, die aus Metallschichten eines Standard-CMOS-Metallstapels bestehen, umgeben sind. Die Einheit wird dann wiederholt, um eine Fläche abzudecken, die groß genug ist, um eine ausreichende Signalamplitude für die anschließende Verarbeitung sicherzustellen.
4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Dargestellt ist ein Blockdiagramm einschließlich einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform aus 1 bis 4 mit integriertem Schaltkreis 422, z.B. einem 4-Kanal-Detektorsystem 422. Das 4-Kanal-Detektorsystem 422 kann eine Halbleitervorrichtung umfassen, die elektromagnetische Strahlung absorbiert, z.B. vier Fotodetektorelemente 124, 126, 202, 204 gemäß einer Ausführungsform aus 2 oder 3. In einer Ausführungsform kann der Eingangsstrom der Fotodetektorelemente 124, 126, 202, 204 durch Modulieren des Eingangsstroms mit dem Strom der Frequenz f₀ vorgespannt werden. Die Fotodetektorelemente 124, 126, 202, 204 des integrierten Schaltkreises 422 können elektrisch mit ihrem Ausgang mit dem Eingang einer Multiplexerstufe 402 des Schaltkreises 422 verbunden sein. Der Ausgang der Fotodetektorelemente 124, 126, 202, 204, die mit der Multiplexerstufe 402 verbunden sind, kann demoduliert werden, z.B. kohärent demoduliert, und umfasst eine Gleichstromentfernung 404. Der Ausgang einer Multiplexerstufe 402 kann mit einem Detektionsmodul 410 der Vorrichtung 400 verbunden sein. Das Detektionsmodul 410 kann einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 420 umfassen.
Das Detektionsmodul 410 kann weiterhin einen Digitalfilter 412 umfassen, wobei der Digitalfilter 412 mit dem Detektionsmodul 410 verbunden ist.
Die Endinformationen, die die Vorrichtung erzeugen kann, um den Lichteinfallswinkel zu messen, wird aus der Berechnung des Folgenden erzeugt:
$IX = (I_{IR2} + I_{IR 4}) - (I_{IR1} + I_{IR3}) = (I_{IR2} - I_{IR3}) - (I_{IR1} - I_{IR4})$
$IY = (I_{IR1} + I_{IR 2}) - (I_{IR3} + I_{IR4}) = (I_{IR2} - I_{IR3}) + (I_{IR1} - I_{IR4})$
Hier bezeichnet IX die Kombination der Stromflüsse, die der x-Position 104 zugehörig ist, IY bezeichnet die Kombination der Stromflüsse, die der y-Position 106 der Strahlenquelle 102 zugehörig ist (siehe 1A), I _IR1 bezeichnet den Strom, der von dem ersten Fotodetektor 124 erzeugt wird, I_IR2 bezeichnet den Strom, der von dem zweiten Fotodetektor 126 erzeugt wird, I_IR3 bezeichnet den Strom, der von dem dritten Fotodetektor 202 erzeugt wird, und I_IR4 bezeichnet den Strom, der von dem vierten Fotodetektor 204 erzeugt wird. In einer Ausführungsform können die zwei Werte von IX und IY durch getrenntes Messen der Faktoren (I_IR2 - I_IR3) und (I_IR1) - I_IR4 ) erzeugt werden und danach können sie über einen digitalen Arbeitsvorgang kombiniert werden. Der Abstand r 110 der Strahlenquelle ausgehend von der Vorrichtung (auch als Abstandsdetektionsfunktion bezeichnet) kann durch Summieren der Stromflüsse aller Fotodetektorelemente 124, 126, 202, 204 (I_IR1 , I_IR2 , I_IR3 , I_IR4 ) gewonnen werden, so dass die positionsempfindlichen Effekte herausgemittelt werden können. In einer Ausführungsform kann die Multiplexerstufe 402 eine Kombination der Fotodetektorelemente 124, 126, 202, 204 mit dem ADC-420-Eingang verbinden, um Stromdifferenzen zu messen. Diese Ausführungsform kann von dem Typ der verwendeten Fotodetektorelemente abhängen. In einer Ausführungsform, wo die Fotodetektorelemente 124, 126, 202, 204 eine Elektrode gemeinsam haben (n-Grabenprozess), kann jeder Strom (I_IR1 , I_IR2 , I_IR3 , I_IR4 ) getrennt nach der Gleichstromentfernung 404 gemessen werden, und X, Y werden wie oben gezeigt, erzeugt. Die zwei Faktoren, X, Y, können durch antiparalleles Kurzschließen der Fotodetektorelemente 124, 126, 202, 204 mit dem ADC- 420 Eingang gemessen werden und somit kann eine Gleichstromentfernung 404 optional sein, z.B. für Fotodetektorelemente einschließlich p-plus in n-Graben oder mit Dreifachgrabenprozessen, auch n-Graben in p-sub.
Die Vorrichtung 400 kann weiterhin eine Beleuchtungseinheit 424 umfassen. In einer Ausführungsform kann die Beleuchtungseinheit eine Leuchtdiode (LED) 416 umfassen. In einer Ausführungsform kann die LED 416 als Strahlenquelle 102 gemäß 1 dienen. In einer Ausführungsform kann die LED Infrarotstrahlung emittieren. In einer Ausführungsform kann die LED 416 mit einer LED-Treibereinheit 414 verbunden sein.
In einer Ausführungsform kann die Multiplexstufe 402 mit einem einzigen Fotodetektor 124, 126, 202, 204 für eine Serienablesung des Stroms über den Digital-AnalogWandler (ADC) 420 verbunden sein.
Während die Erfindung nunmehr auf genaue Art und Weise dargestellt und unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist seitens eines Fachmanns auf dem Gebiet zu verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne jedoch vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Patentansprüche definiert, abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung wird somit von den beigefügten Patentansprüchen definiert und alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Patentansprüche liegen, sind als darin eingeschlossen anzusehen.

Claims

Vorrichtung, umfassend: einen integrierten Schaltkreis, der Folgendes umfasst: mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126), die so konfiguriert sind, dass sie elektromagnetische Energie detektieren; und zumindest eine mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) monolithisch verbundene Blockierstruktur (130), die neben den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) angeordnet ist und einen Rahmen für die mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) formt, derart, dass der Bereich über der optisch aktiven Oberfläche der Fotodetektorelemente frei ist von der Blockierstruktur und dass der Rahmen die Fotodetektorelemente vollständig umgibt; und wobei die Blockierstruktur so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil von auf den integrierten Schaltkreis auftreffender elektromagnetischer Energie (132, 134, 136) blockiert, wobei die Blockierstruktur (130) zumindest eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil der elektromagnetischen Wellen in Richtung der mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) reflektiert; und ein Detektionsmodul (410), das mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) verbunden ist und so konfiguriert ist, dass es eine Richtung von elektromagnetischer Energie (132, 134, 136), die auf den integrierten Schaltkreis auftrifft, bezüglich einer Quelle (102) der elektromagnetischen Energie (132, 134, 136), basierend auf linearen Kombinationen der Mengen an elektromagnetischer Energie (132, 134, 136), die von den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) detektiert wird, bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) eine oder mehrere lichtempfindliche Strukturen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Fotodiode; einer Lawinenfotodiode; und einem Fototransistor; umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der integrierte Schaltkreis eine Vielzahl von Fotodetektorelementen (124, 126) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: zumindest eine Fotodetektorzelle, die eine Vielzahl von Fotodetektorelementen (124, 126) umfasst; und eine Vielzahl von Blockierstrukturen (130), die neben der zumindest einen Fotodetektorzelle angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4: wobei die Blockierstruktur (130) zumindest eine aus einer interdielektrischen Schicht und einer Metallisierungsschicht des integrierten Schaltkreises umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend: Eine weitere Blockierstruktur, wobei ein Teil des integrierten Schaltkreises zwischen der zumindest einen Blockierstruktur (130) und der weiteren Blockierstruktur zumindest eine interdielektrische Schicht umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Material der interdielektrischen Schicht zumindest eines der folgenden Materialien umfasst: ein optisch transluzentes Metalloxid; ein optisch transluzentes Metallnitrid; und ein optisch transluzentes Metalloxynitrid.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zumindest eine Blockierstruktur (130) zumindest einen Teil der Vielzahl von Metallisierungsschichten eines Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Prozessstapels umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Blockierstruktur (130) einen geätzten Substratgraben umfasst, der mit einem Material gefüllt ist, das elektromagnetische Wellen reflektiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Blockierstruktur (130) einen geätzten Substratgraben umfasst, der mit einer Beschichtung beschichtet ist, die elektromagnetische Wellen reflektiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der integrierte Schaltkreis und das Detektionsmodul (410) monolithisch miteinander integriert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Detektionsmodul (410) so konfiguriert ist, dass es einen azimutalen Winkel und einen polaren Winkel von einer Oberfläche eines oder mehrerer Fotodetektorelemente (124, 126) zu der Quelle (102) der elektromagnetischen Wellen bestimmt.
Verfahren, umfassend: das Blockieren von zumindest einem Teil der elektromagnetischen Energie (132, 134, 136) von einer Quelle (102) über zumindest eine Blockierstruktur (130), die mit zumindest zwei Fotodetektorelementen (124, 126), die so konfiguriert sind, dass sie elektromagnetische Energie (132, 134, 136) detektieren, monolithisch integriert ist, wobei die Blockierstruktur (130) neben den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) angeordnet ist und einen Rahmen für die mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) formt, derart, dass der Bereich über der optisch aktiven Oberfläche der Fotodetektorelemente frei ist von der Blockierstruktur und dass der Rahmen die Fotodetektorelemente vollständig umgibt; und wobei die Blockierstruktur zumindest eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil der elektromagnetischen Wellen in Richtung der mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) reflektiert; das Detektieren, über die mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126), von Mengen an elektromagnetischer Energie (132, 134, 136) von der Quelle (102); und Bestimmen einer Richtung von elektromagnetischer Energie (132, 134, 136), die auf den integrierten Schaltkreis auftrifft, bezüglich einer Quelle (102), basierend auf linearen Kombinationen der Mengen der von den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) detektierten elektromagnetischen Energie (132, 134, 136).
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bilden eines integrierten Schaltkreises, der Folgendes umfasst: mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) in dem integrierten Schaltkreis, die so konfiguriert sind, dass sie elektromagnetische Energie (132, 134, 136) detektieren; und zumindest eine Blockierstruktur (130), die mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) monolithisch in dem integrierten Schaltkreis integriert ist, wobei die Blockierstruktur (130) neben den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) angeordnet ist und einen Rahmen für die mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) formt, derart, dass der Bereich über der optisch aktiven Oberfläche der Fotodetektorelemente frei ist von der Blockierstruktur und dass der Rahmen die Fotodetektorelemente vollständig umgibt; und wobei die Blockierstruktur zumindest eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie zumindest einen Teil der elektromagnetischen Wellen in Richtung der mindestens zwei Fotodetektorelemente (124, 126) reflektiert; und Verbinden eines Detektionsmoduls (410) mit den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126), wobei das Detektionsmodul (410) so konfiguriert ist, dass es eine Richtung von elektromagnetischer Energie (132, 134, 136), die auf den integrierten Schaltkreis auftrifft, bezüglich einer Quelle (102) elektromagnetischer Energie (132, 134, 136), basierend auf linearen Kombinationen der Mengen der von den mindestens zwei Fotodetektorelementen (124, 126) detektierten elektromagnetischen Energie (132, 134, 136), bestimmt.