DE102016209319A1 - Pixel cell for a sensor and corresponding sensor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pixelzelle (10) für einen mehrere Pixel aufweisenden Sensor, insbesondere Lichtlaufzeitsensor, mit einer Schichtanordnung (12), die eine photosensitive Schicht (16) sowie eine Isolationsschicht (14) zur elektrischen Isolation der photosensitive Schicht (16) von zumindest einer leitfähigen Schicht (30) der Schichtanordnung (12) oder einem anderen leitfähigen Element der Pixelzelle aufweist und mit einer Strukturierung (20) zur Ausbildung eines Photoelements. Es ist vorgesehen, dass die Pixelzelle (10) zu einer gezielten Beeinflussung von in der photosensitiven Schicht (16) befindlichen photogenerierten Ladungsträgern durch Anlegen einer Vorspannung (–V) an das leitfähige Element (30) eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Sensor mit mehreren Pixeln, der pro Pixel eine Pixelzelle (10) aufweist sowie ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem derartigen Sensor.The invention relates to a pixel cell (10) for a sensor comprising several pixels, in particular a light transit time sensor, having a layer arrangement (12) comprising a photosensitive layer (16) and an insulation layer (14) for electrically insulating the photosensitive layer (16) of at least one conductive layer (30) of the layer arrangement (12) or another conductive element of the pixel cell and having a structuring (20) for forming a photoelement. It is provided that the pixel cell (10) is set up to specifically influence photogenerated charge carriers located in the photosensitive layer (16) by applying a bias voltage (-V) to the conductive element (30). The invention further relates to a corresponding sensor with a plurality of pixels, which has a pixel cell (10) per pixel and a light transit time camera system with such a sensor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pixelzelle für einen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.The invention relates to a pixel cell for a sensor according to the preamble of claim 1 and to a sensor according to the preamble of claim 9.

Die Druckschrift US 6,232,626 B1 beschreibt einen CMOS-Bildsensor mit mehreren Pixeln, wobei der Sensor pro Pixel eine Pixelzelle aufweist. Die einzelne Pixelzelle umfasst eine Schichtanordnung, die ihrerseits eine photosensitive Schicht, eine leitfähige Schicht sowie eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolation der photosensitiven Schicht von der leitfähigen Schicht aufweist, sowie eine Strukturierung zur Ausbildung eines Photoelements. Dabei betrifft die Strukturierung unter anderem auch die drei genannten Schichten. Die Strukturierung bildet eine Photodiode oder einen anderen Photosensor (Photoelement). The publication US 6,232,626 B1 describes a CMOS image sensor with multiple pixels, wherein the sensor has one pixel cell per pixel. The single pixel cell comprises a layer arrangement, which in turn has a photosensitive layer, a conductive layer and an insulating layer for electrical insulation of the photosensitive layer from the conductive layer, and a structuring for forming a photoelement. Among other things, the structuring affects the three layers mentioned above. The structuring forms a photodiode or another photosensor (photoelement).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pixelzelle für einen Sensor mit mehreren Pixeln sowie den entsprechenden Sensor anzugeben, die sich durch hohe Effizienz auszeichnen und insbesondere für alternative bzw. zusätzliche Anwendungen eingerichtet sind.The object of the invention is to provide a pixel cell for a sensor with a plurality of pixels and the corresponding sensor, which are characterized by high efficiency and are especially adapted for alternative or additional applications.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale.This object is achieved by the features specified in the independent claims.

Bei der erfindungsgemäßen Pixelzelle ist vorgesehen, dass diese Pixelzelle zu einer gezielten Beeinflussung von in der photosensitiven Schicht befindlichen photogenerierten Ladungsträgern durch Anlegen einer Vorspannung an das leitfähige Element eingerichtet ist. Die Effektivität des Photosensors bzw. der gesamten Pixelzelle kann durch die Beeinflussung der photogenerierten Ladungsträger gezielt erhöht werden. In the case of the pixel cell according to the invention, it is provided that this pixel cell is set up to specifically influence photogenerated charge carriers located in the photosensitive layer by applying a bias voltage to the conductive element. The effectiveness of the photosensor or the entire pixel cell can be specifically increased by influencing the photogenerated charge carriers.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pixelzelle eine Strukturierung zur Ausbildung eines als photonisches Mischelement ausgestalteten Photoelements aufweist. Dabei weist das photonische Mischelement bevorzugt sowohl Modulationsphotogates als auch Integrationsknoten auf. Die Strukturierung weist entsprechende Gate-Strukturen auf. Entsprechende photonische Mischelemente sind beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt. Der entsprechende Sensor mit mehreren Pixeln ist dann insbesondere ein Lichtlaufzeitsensor.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the pixel cell has a structuring for the formation of a photoelement designed as a photonic mixing element. In this case, the photonic mixing element preferably has both modulation photogates and integration nodes. The structuring has corresponding gate structures. Corresponding photonic mixing elements are for example from DE 197 04 496 C2 known. The corresponding sensor with several pixels is then in particular a light transit time sensor.

Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die in der photosensitiven Schicht befindlichen photogenerierten Ladungsträger durch das Anlegen einer Vorspannung in Richtung ausgewählter Elemente, vorzugsweise Modulationsgates, des photonischen Mischelements bewegt werden.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the photogenerated charge carriers located in the photosensitive layer are moved by the application of a bias voltage in the direction of selected elements, preferably modulation gates, of the photonic mixer element.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung folgt die Isolationsschicht in der Schichtanordnung unmittelbar auf die photosensitive Schicht.According to a preferred embodiment of the invention, the insulating layer in the layer arrangement directly follows the photosensitive layer.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Reflexionsschicht der Zelle von einer Oxidschicht, insbesondere Halbleiteroxidschicht, gebildet. Das entsprechende Halbeiteroxid ist beispielsweise SiO2.According to a preferred embodiment of the invention, the reflection layer of the cell is formed by an oxide layer, in particular a semiconductor oxide layer. The corresponding semiconductor oxide is, for example, SiO 2 .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Isolationsschicht als vergrabene Schicht ausgebildet. Die vergrabene Isolationsschicht ist beidseitig von Material, insbesondere anderen Schichten der Schichtanordnung umgeben, wobei sich zwei Materialübergänge ergeben. Bei einer vergrabenen (Halbleiter-)Oxidschicht ist diese Schicht bevorzugt von zwei halbleiterbasierten Schichten (Halbleiterschichten) umgeben.According to a further preferred embodiment of the invention, the insulating layer is formed as a buried layer. The buried insulation layer is surrounded on both sides by material, in particular other layers of the layer arrangement, resulting in two material transitions. In the case of a buried (semiconductor) oxide layer, this layer is preferably surrounded by two semiconductor-based layers (semiconductor layers).

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Isolationsschicht als Reflexionsschicht zur Reflexion von Photonen (zurück) in die photosensitive Schicht ausgebildet. Ist die Isolationsschicht als Oxidschicht ausgebildet, so ist die Dicke der Oxidschicht dabei derart gewählt, dass Photonen eines Wellenlängenbereichs λ ± Δλ reflektiert werden. Dabei ergibt sich durch geeignete Wahl der Schichtdicke der Oxidschicht eine konstruktive Interferenz der an den beiden Grenzflächen gestreuten Photonen in Reflexionsrichtung, also zurück in Richtung der photosensitiven Schicht bzw. der Strukturierung.According to yet another preferred embodiment of the invention, the insulating layer is formed as a reflection layer for reflection of photons (back) in the photosensitive layer. If the insulating layer is formed as an oxide layer, then the thickness of the oxide layer is chosen such that photons of a wavelength range λ ± Δλ are reflected. By suitable choice of the layer thickness of the oxide layer, a constructive interference of the photons scattered at the two boundary surfaces in the reflection direction, that is to say back toward the photosensitive layer or the structuring, results.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die photosensitive Schicht auch seitlich von einer Grabenstruktur (trench) umgeben, die im Wesentlichen als MOS-Kapazität ausgebildet ist. So ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten der Beeinflussung der in der photosensitiven Schicht befindlichen photogenerierten Ladungsträger. Es ergibt sich ein höheres elektrisches Feld, welches die photogenerierten Ladungsträger von der Seite der Isolationsschicht (Pixelunter- bzw. Pixelrückseite) wegtreibt. Dies ermöglicht insbesondere, dass die Pixelzelle bzw. der Sensor mit höheren Modulationsfrequenzen betrieben werden kann, ohne beispielsweise an Demodulationskontrast oder Mischeffizienz zu verlieren.According to a further preferred embodiment of the invention, the photosensitive layer is also laterally surrounded by a trench structure, which is designed essentially as a MOS capacitance. This results in additional possibilities of influencing the photogenerated charge carriers located in the photosensitive layer. This results in a higher electric field, which expels the photogenerated charge carriers from the side of the insulating layer (pixel bottom or pixel back side). This allows in particular that the pixel cell or the sensor can be operated at higher modulation frequencies without losing demodulation contrast or mixing efficiency, for example.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor, insbesondere Lichtlaufzeitsensor, mit mehreren Pixeln, der pro Pixel eine Pixelzelle aufweist, ist vorgesehen, dass jede der Pixelzellen oder zumindest eine oder mehrere der Pixelzellen als vorstehend genannte Pixelzelle(n) ausgebildet ist/sind. Mit anderen Worten weist der erfindungsgemäße Sensor mit mehreren Pixeln, je eine Pixelzelle pro Pixel auf, wobei jede der Pixelzellen oder aber zumindest eine dieser Pixelzellen (i) eine Schichtanordnung aufweist, die eine photosensitive Schicht sowie eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolation der photosensitive Schicht von zumindest einer leitfähigen Schicht der Schichtanordnung oder einem anderen leitfähigen Element der Pixelzelle umfasst sowie (ii) eine Strukturierung zur Ausbildung eines Photoelements aufweist, wobei diese Pixelzelle zu einer gezielten Beeinflussung von in der photosensitiven Schicht (dieser Zelle) befindlichen photogenerierten Ladungsträgern durch Anlegen einer Vorspannung an das leitfähige Element eingerichtet ist.In the sensor according to the invention, in particular light transit time sensor, with a plurality of pixels having a pixel cell per pixel, it is provided that each of the pixel cells or at least one or more of the pixel cells is / are formed as the aforementioned pixel cell (s). In other words, the multi-pixel sensor according to the invention has in each case one pixel cell per pixel, wherein each of the pixel cells or at least one of these pixel cells (i) has a layer arrangement which has a A photosensitive layer and an insulating layer for electrically insulating the photosensitive layer of at least one conductive layer of the layer arrangement or another conductive element of the pixel cell comprises and (ii) has a structuring to form a photoelement, said pixel cell for a targeted influencing in the photosensitive layer (This cell) located photogenerated charge carriers by applying a bias voltage to the conductive element is set up.

Der Sensor ist dabei bevorzugt ein Lichtlaufzeitsensor, dessen Strukturierungen derart ausgestaltet sind, dass sie als photonische Mischelemente ausgestaltete Photoelemente ausbilden. Photonische Mischelemente der genannten Art sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 197 04 496 C2 bekannt, die unter anderem auch eine typische Struktur eines solchen photonischen Mischelements, also eines einzelnen Pixels eines Photomischdetektors, zeigt. Unter einem Photomischdetektor oder PMD-Sensor (PMD: Photonic Mixing device) ist ein optischer Sensor zu verstehen, dessen Funktionsprinzip auf dem Lichtlaufzeitverfahren (TOF: Time of Flight) beruht und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Lichtlaufzeitsensor mit wenigstens einem Pixel subsumiert werden soll. The sensor is preferably a light transit time sensor, the structuring of which is designed in such a way that it forms photovoltaic elements configured as photonic mixing elements. Photonic mixing elements of the type mentioned are for example from the document DE 197 04 496 C2 which, inter alia, also shows a typical structure of such a photonic mixing element, that is to say a single pixel of a photonic mixer detector. A photonic mixer or PMD sensor (PMD: Photonic Mixing Device) is understood to mean an optical sensor whose operating principle is based on the time of flight method (TOF) and, in the context of the present invention, subsumed under the term light transit time sensor with at least one pixel shall be.

Bevorzugt weist der Sensor weiterhin ein Substrat als gemeinsame Basis der Pixelzellen auf.Preferably, the sensor further comprises a substrate as a common base of the pixel cells.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem als Lichtlaufzeitsensor ausgebildeten Sensor der vorstehend genannten Art. Derartige Lichtlaufzeitkamerasysteme betreffen insbesondere Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der DE 197 04 496 C2 beschrieben und von der Firma 'ifm electronic GmbH’ oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.The invention further relates to a time-of-flight camera system with a sensor of the aforementioned type designed as a light transit time sensor. Such time-of-flight camera systems relate, in particular, to light transit time or 3D TOF camera systems which obtain transit time information from the phase shift of an emitted and received radiation. As a light transit time or 3D TOF cameras in particular PMD cameras with photonic mixer detectors (PMD) are suitable, as for example in the DE 197 04 496 C2 and can be obtained from the company 'ifm electronic GmbH' or 'PMD-Technologies GmbH' as frame grabber O3D or as CamCube. In particular, the PMD camera allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately. Of course, the term camera or camera system should also encompass cameras or devices with at least one receiving pixel, such as, for example, the distance measuring device O1D of the Applicant.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments, wherein the features shown below, both individually and in combination may represent an aspect of the invention. It shows:

1 eine Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, 1 a pixel cell for a light transit time sensor according to a preferred embodiment of the invention,

2 eine Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 2 a pixel cell for a light transit time sensor according to another preferred embodiment of the invention.

3 eine Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 3 a pixel cell for a light transit time sensor according to another preferred embodiment of the invention.

Die 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Pixelzelle 10 für einen mehrere Pixel aufweisenden Lichtlaufzeitsensor. Die Pixelzelle 10 weist eine Schichtanordnung 12 auf, die eine Isolationsschicht 14 sowie eine photosensitive Schicht 16 umfasst. Dabei ist die photosensitive Schicht 16 oberhalb der Isolationsschicht 14 angeordnet. The 1 shows a schematic sectional view of a pixel cell 10 for a multi-pixel light transit time sensor. The pixel cell 10 has a layer arrangement 12 on, which is an insulation layer 14 and a photosensitive layer 16 includes. Here is the photosensitive layer 16 above the insulation layer 14 arranged.

Die Isolationsschicht 14 wird von einer Oxidschicht 18 der Schichtanordnung 12 gebildet. Diese Oxidschicht 18 ist insbesondere einer Halbleiteroxidschicht wie beispielsweise SiO2. Die photosensitive Schicht 16 ist beispielsweise eine Halbleiterschicht, insbesondere eine Si-Schicht.The insulation layer 14 is from an oxide layer 18 the layer arrangement 12 educated. This oxide layer 18 is in particular a semiconductor oxide layer such as SiO 2 . The photosensitive layer 16 is, for example, a semiconductor layer, in particular a Si layer.

Weiterhin weist die Pixelzelle 10 im Bereich der Oberfläche der photosensitiven Schicht 16 eine Strukturierung 20 zur Ausbildung eines photonischen Mischelements auf. Die Strukturierung 20 umfasst eine Reihe von Modulationsgates 22 sowie zwei die Modulationsgates 22 einrahmende Integrationsknoten 24, 26 zum Akkumulieren der durch Photonen 28 photogenerierten Ladungsträger. Die Integrationsknoten können vorzugsweise als Dioden oder als Akkumulationsgates ausgebildet sein. Das von dieser Pixelzelle 10 gebildete Pixel ist also ein Photolaufzeitpixel beziehungsweise PMD-Pixel.Furthermore, the pixel cell points 10 in the area of the surface of the photosensitive layer 16 a structuring 20 for forming a photonic mixing element. The structuring 20 includes a series of modulation gates 22 as well as two the modulation gates 22 framing integration nodes 24 . 26 to accumulate the through photons 28 photogenerated charge carriers. The integration nodes may preferably be designed as diodes or as accumulation gates. That from this pixel cell 10 The pixel formed is thus a photocurrent pixel or PMD pixel.

Auf der der photosensitiven Schicht 16 gegenüberliegenden Seite der Isolationsschicht 14 befindet sich im gezeigten Beispiel eine leitfähige Schicht 30 der Schichtanordnung 12 oder alternativ ein anderes leitfähiges Element der Pixelzelle 10. An dieses Element, im Beispiel also an die leitfähige Schicht 30, kann eine Vorspannung angelegt werden. Durch ein solches Anlegen einer Vorspannung (vorzugsweise eines negativen Potentials –V) an das leitfähige Element der Pixelzelle 10 (Schicht 30) kommt es zu einer gezielten Beeinflussung von in der photosensitiven Schicht 16 der Zelle 10 befindlichen photogenerierten Ladungsträgern. Dabei werden die in der photosensitiven Schicht 16 befindlichen photogenerierten Ladungsträger durch das Anlegen der Vorspannung in Richtung ausgewählter Elemente (Mischerelemente, z.B. die Modulationsgates 22) des photonischen Mischelements bewegt. Die Schichten 16, 18, 30 der Schichtanordnung 12 können auch als MOS-Kapazität verstanden werden.On the photosensitive layer 16 opposite side of the insulation layer 14 is in the example shown, a conductive layer 30 the layer arrangement 12 or alternatively another conductive element of the pixel cell 10 , To this element, so in the example of the conductive layer 30 , a bias voltage can be applied. By applying such a bias voltage (preferably a negative potential -V) to the conductive element of the pixel cell 10 (Layer 30 ) there is a specific influence on the photosensitive layer 16 the cell 10 located photogenerated charge carriers. In the process, those in the photosensitive layer become 16 photogenerated charge carriers by applying the bias voltage in the direction of selected elements ( Mixer elements, eg the modulation gates 22 ) of the photonic mixing element is moved. The layers 16 . 18 . 30 the layer arrangement 12 can also be understood as MOS capacity.

Die Isolationsschicht 14 ist zwischen der photosensitiven Schicht 16 und der leitfähigen Schicht 30 der Schichtanordnung 12 angeordnet. Die Isolationsschicht 14 ist somit eine vergrabene Schicht, genauer gesagt eine vergrabene Halbleiteroxidschicht. Dabei folgt die Isolationsschicht 14 in der Schichtanordnung 12 unmittelbar auf die photosensitive Schicht 16. Im gezeigten Beispiel sind photosensitiven Schicht 16 und leitfähige Schicht 30 Si-Schichten (Si: Silizium) und die Oxidschicht 28 eine SiO2-Schicht (Siliziumdioxidschicht).The insulation layer 14 is between the photosensitive layer 16 and the conductive layer 30 the layer arrangement 12 arranged. The insulation layer 14 is thus a buried layer, more precisely a buried semiconductor oxide layer. This is followed by the insulation layer 14 in the layer arrangement 12 directly on the photosensitive layer 16 , In the example shown are photosensitive layer 16 and conductive layer 30 Si layers (Si: silicon) and the oxide layer 28 an SiO 2 layer (silicon dioxide layer).

Die Isolationsschicht 14 ist bevorzugt als eine Reflexionsschicht zur Reflexion der Photonen 28 aus der photosensitiven Schicht 16 ausgebildet. Diese Reflexionsschicht reflektiert insbesondere Photonen 28 in einem Wellenlängenbereich um eine Wellenlänge λ, für die die photosensitive Schicht 16 auch photosensitiv ist. Im gezeigten Beispiel sind die photosensitive Schicht 16 und die leitfähige weitere Schicht 30 Si-Schichten (Si: Silizium). Die Oxidschicht 18 ist eine SiO2-Schicht (Siliziumdioxidschicht). Dabei ergibt sich durch geeignete Wahl der Schichtdicke der Oxidschicht 18 eine konstruktive Interferenz der an den beiden Grenzflächen Si-SiO2 gestreuten Photonen 18 in Reflexionsrichtung, also zurück in Richtung der photosensitiven Schicht 16 bzw. der Strukturierung 20.The insulation layer 14 is preferred as a reflection layer for reflection of the photons 28 from the photosensitive layer 16 educated. This reflection layer reflects in particular photons 28 in a wavelength region around a wavelength λ, for which the photosensitive layer 16 is also photosensitive. In the example shown, the photosensitive layer 16 and the conductive further layer 30 Si layers (Si: silicon). The oxide layer 18 is an SiO 2 layer (silicon dioxide layer). This results from a suitable choice of the layer thickness of the oxide layer 18 a constructive interference of the scattered at the two interfaces Si-SiO 2 photons 18 in the reflection direction, ie back towards the photosensitive layer 16 or structuring 20 ,

Die 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Pixelzelle 10, deren Aufbau im Wesentlichen mit dem Aufbau der in 1 gezeigten Pixelzelle übereinstimmt, sodass im Weiteren nur auf die Unterschiede eingegangen wird.The 2 shows a further embodiment of the pixel cell 10 , whose structure is essentially similar to the structure of 1 pixel cell, so that only the differences are discussed below.

Bei der in 2 dargestellten Pixelzelle 10 ist deren photosensitive Schicht 16 seitlich mit einer Grabenstruktur 32 umgeben, genauer gesagt begrenzt. Die Grabenstruktur 32 ist an den im Halbleiter vergrabenden Seiten mit einer Isolationsschicht 35, vorzugsweise Siliziumdioxid SiO2, versehen und mit einem Kontaktelement bzw. elektrisch leitenden Material 33, wie zum Beispiel dotiertes Polysilizium, gefüllt und mit einem Anschlusskontakt verbunden, an dem beispielsweise eine erste Vorspannung angelegt werden –V1 kann. So ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten der Beeinflussung der in der photosensitiven Schicht 16 befindlichen photogenerierten Ladungsträger. Durch die so entstandene MOS-Kapazität kann eine Spannung angelegt werden, so dass die photogenerierten Ladungsträger zur Oberfläche des Bauelementes und somit zu den Modulationsphotogates beschleunigt werden. Zur Abführung der komplementär erzeugten Ladungsträger ist ferner ein Kontakt p+ vorgesehen, der mit einem Bezugspotenzial GND verbunden ist.At the in 2 represented pixel cell 10 is their photosensitive layer 16 laterally with a trench structure 32 surrounded, more precisely limited. The trench structure 32 is at the semiconductor burying sites with an insulating layer 35 , preferably silicon dioxide SiO 2 , provided with a contact element or electrically conductive material 33 , such as doped polysilicon, filled and connected to a terminal on which, for example, a first bias can be applied -V 1 . This results in additional possibilities for influencing the photosensitive layer 16 located photogenerated charge carriers. By means of the resulting MOS capacitance, a voltage can be applied, so that the photogenerated charge carriers are accelerated to the surface of the component and thus to the modulation photogates. For discharging the complementarily generated charge carriers, a contact p + is furthermore provided, which is connected to a reference potential GND.

Vorzugsweise kann die zweite Vorspannung –V2, die an der weiteren leitfähigen Schicht anliegt auch abweichend von der ersten Vorspannung –V1 eingestellt werden. Preferably, the second bias voltage -V 2 , which is applied to the further conductive layer and deviating from the first bias voltage -V 1 can be adjusted.

Bei dem entsprechenden Lichtlaufzeitsensor, der pro Pixel eine Pixelzelle 10 aufweist, ist vorgesehen, dass jede der Pixelzellen 10 oder zumindest eine oder mehrere der Pixelzellen 10 als derartige Pixelzelle(n) 10 ausgebildet sind. Eine Hauptanwendung für derartige Lichtlaufzeitsensoren sind Lichtlaufzeitkamerasysteme.In the corresponding light transit time sensor, a pixel cell per pixel 10 has, it is provided that each of the pixel cells 10 or at least one or more of the pixel cells 10 as such pixel cell (s) 10 are formed. A major application for such light transit time sensors is time of flight camera systems.

Im Folgenden sei die Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben:In the following, the invention will be described again in other words:

In 1 dargestellt ist ein Pixel eines Lichtlaufzeitsensors, wobei bei dem Pixel eine Isolationsschicht (Buried Oxide) 14 unmittelbar nach der photosensitiven Schicht 16 vorgesehen ist, um mit einem negativen Potential (–V) an der darunter angrenzenden Substratschicht 30 Photoelektronen e– in Richtung der Mischerelemente (PMD) bzw. Modulationsgates 22 an der Oberfläche zu bewegen.In 1 a pixel of a light transit time sensor is shown, wherein the pixel has an insulation layer (buried oxide) 14 immediately after the photosensitive layer 16 is provided to with a negative potential (-V) at the underlying substrate layer 30 Photoelectrons e - in the direction of the mixer elements (PMD) or modulation gates 22 to move to the surface.

Die Erfindung betrifft dementsprechend einen Lichtlaufzeitsensor mit einem oder mehreren Pixeln, wobei bei den Pixeln eine Isolationsschicht (Buried Oxide) 14 unmittelbar nach der photosensitiven Schicht 16 vorgesehen ist. Vorzugsweise die darunter angrenzenden Substratschicht 30 mit einem negativen Potential (–V) verbunden, um Photoelektronen e– in Richtung der Mischerelemente (PMD) 22 in Richtung Oberfläche zu bewegen.The invention accordingly relates to a light transit time sensor with one or more pixels, wherein the pixels have an insulation layer (buried oxide). 14 immediately after the photosensitive layer 16 is provided. Preferably, the subjacent substrate layer 30 with a negative potential (-V) connected to photoelectrons e - in the direction of the mixer elements (PMD) 22 to move towards the surface.

In 2 dargestellt ist ein Pixel eines einen oder mehrere Pixel umfassenden Lichtlaufzeitsensor, wobei bei dem Pixel eine Isolationsschicht (Buried Oxide) 14 unmittelbar nach der photosensitiven Schicht 16 und seitlich eine Grabenstruktur, insbesondere MOS-Kapazität, vorgesehen ist. Unterhalb der Isolationsschicht 14 ist ferner eine weitere Schicht 30, insbesondere ein Halbleiter angeordnet. Sowohl an dem Halbleiter als auch an der MOS-Kapazität kann ein negatives Potential (–V) angelegt werden um beispielsweise Photoelektronen e– in Richtung der Mischerelemente (PMD) 22 an der Oberfläche zu bewegen.In 2 a pixel of a light transit time sensor comprising one or more pixels is shown, wherein the pixel has an insulation layer (buried oxide) 14 immediately after the photosensitive layer 16 and a trench structure, in particular MOS capacitance, is provided laterally. Below the insulation layer 14 is also another layer 30 , In particular, a semiconductor arranged. Both on the semiconductor and on the MOS capacitance, a negative potential (-V) can be applied to, for example, photoelectrons e - in the direction of Mixer elements (PMD) 22 to move to the surface.

Die Erfindung betrifft dementsprechend weiterhin einen Lichtlaufzeitsensor mit einem oder mehreren Pixeln, wobei bei den Pixeln eine Isolationsschicht (Buried Oxide) 14 unmittelbar nach und seitlich der photosensitiven Schicht 16 vorgesehen ist, um mit einem negativen Potential (–V) an den angrenzenden Kontakflächen (Substrat 30 oder z.B. Polysilizium) Photoelektronen e– in Richtung der Mischerelemente (PMD) 22 an der Oberfläche zu bewegen.Accordingly, the invention further relates to a light transit time sensor with one or more pixels, wherein the pixels have an insulation layer (buried oxide). 14 immediately after and to the side of the photosensitive layer 16 is provided to with a negative potential (-V) at the adjacent contact surfaces (substrate 30 or eg polysilicon) photoelectrons e - in the direction of the mixer elements (PMD) 22 to move to the surface.

Die Grabenstruktur 35 lässt sich beispielsweise herstellen, indem zunächst ein Graben geätzt, oxidiert und mit Polysilizium gefüllt.The trench structure 35 can be produced, for example, by first etching a trench, oxidizing it and filling it with polysilicon.

3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei der keine reflektierende Isolationsschicht 14, 18 vorgesehen ist. 3 shows a further preferred embodiment in which no reflective insulating layer 14 . 18 is provided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Pixelzelle pixel cell
1212
Schichtanordnung layer arrangement
1414
Isolationsschicht insulation layer
1616
photosensitive Schicht photosensitive layer
1818
Oxidschicht oxide
2020
Strukturierung structuring
2222
Modulationsgate modulation gate
2424
Diode diode
2626
Diode diode
2828
Photon photon
3030
weitere Schicht, leitfähig additional layer, conductive
3232
Grabenstruktur grave structural
3333
leitfähiges Material, Poly-Si Conductive material, poly-Si
3535
Isolationsschicht insulation layer
e– e -
Ladungsträger, photogeneriert Charge carriers, photogenerated
–V-V
Vorspannung (negatives Potential) Bias voltage (negative potential)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (12)

Pixelzelle (10) für einen Lichtlaufzeitsensor, mit – einer Strukturierung (20) zur Ausbildung eines als photonisches Mischelement, und mit einer photosensitiven Schicht (16), dadurch gekennzeichnet, dass an wenigsten zwei Seiten des photonischen Mischelements eine Grabenstruktur (32) angeordnet ist, deren Wände eine Isolationsschicht (35) aufweisen, wobei die so isolierte Grabenstruktur (32) mit einem elektrisch leitfähigem Material (33) gefüllt ist.Pixel cell ( 10 ) for a light transit time sensor, with - a structuring ( 20 ) for forming a photonic mixing element, and a photosensitive layer ( 16 ), characterized in that at least two sides of the photonic mixing element, a trench structure ( 32 ) whose walls are an insulating layer ( 35 ), wherein the thus isolated trench structure ( 32 ) with an electrically conductive material ( 33 ) is filled. Pixelzelle (10) nach Anspruch 1, bei der das photonische Mischelement an alle seitlichen Seiten mit einer Grabenstruktur (32) umgeben ist.Pixel cell ( 10 ) according to claim 1, wherein the photonic mixing element is provided on all lateral sides with a trench structure ( 32 ) is surrounded. Pixelzelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der zu einer gezielten Beeinflussung von in der photosensitiven Schicht (16) befindlichen photogenerierten Ladungsträgern durch Anlegen einer ersten Vorspannung (–V1) an das elektrisch leitfähige Material (35) der Grabenstruktur (32) eingerichtet ist.Pixel cell ( 10 ) according to claim 1 or 2, in which targeted influencing of in the photosensitive layer ( 16 ) photogenerated charge carriers by applying a first bias voltage (-V 1 ) to the electrically conductive material ( 35 ) of the trench structure ( 32 ) is set up. Pixelzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit – einer Schichtanordnung (12), die ein die photosensitive Schicht (16) sowie eine Isolationsschicht (14) zur elektrischen Isolation der photosensitive Schicht (16) von zumindest einer leitfähigen Schicht (30) der Schichtanordnung (12) Pixel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, having - a layer arrangement ( 12 ) containing the photosensitive layer ( 16 ) as well as an insulation layer ( 14 ) for electrical insulation of the photosensitive layer ( 16 ) of at least one conductive layer ( 30 ) of the layer arrangement ( 12 ) Pixelzelle (10) nach Anspruch 3 oder 4, bei der zu einer gezielten Beeinflussung von in der photosensitiven Schicht (16) befindlichen photogenerierten Ladungsträgern durch Anlegen einer zweiten Vorspannung (–V2) an das leitfähige Element eingerichtet ist. Pixel cell ( 10 ) according to claim 3 or 4, in which targeted influencing of in the photosensitive layer ( 16 ) photogenerated charge carriers by applying a second bias voltage (-V 2 ) is adapted to the conductive element. Pixelzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der photosensitiven Schicht (16) befindlichen photogenerierten Ladungsträger durch das Anlegen der ersten und/oder zweiten Vorspannung (–V1/2) an das leitfähige Element in Richtung ausgewählter Elemente (22) des photonischen Mischelements bewegt werden.Pixel cell according to claim 5, characterized in that that in the photosensitive layer ( 16 ) by the application of the first and / or second bias voltage (-V 1/2 ) to the conductive element in the direction of selected elements ( 22 ) of the photonic mixing element. Pixelzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14) in der Schichtanordnung (12) unmittelbar auf die photosensitive Schicht (16) folgt.Pixel cell according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer ( 14 ) in the layer arrangement ( 12 ) directly onto the photosensitive layer ( 16 ) follows. Pixelzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14) von einer Oxidschicht, insbesondere Halbleiteroxidschicht, gebildet.Pixel cell according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer ( 14 ) formed by an oxide layer, in particular semiconductor oxide layer. Pixelzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14) als vergrabene Schicht ausgebildet ist.Pixel cell according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer ( 14 ) is formed as a buried layer. Pixelzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14) als Reflexionsschicht zur Reflexion von Photonen (28) in die photosensitive Schicht (16) ausgebildet ist.Pixel cell according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer ( 14 ) as a reflection layer for the reflection of photons ( 28 ) into the photosensitive layer ( 16 ) is trained. Lichtlaufzeitsensor, der pro Pixel eine Pixelzelle (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Pixelzellen (10) oder zumindest eine der Pixelzellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist. Light transit time sensor, one pixel cell per pixel ( 10 ), characterized in that each of the pixel cells ( 10 ) or at least one of the pixel cells ( 10 ) is designed according to one of claims 1 to 10. Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem als Lichtlaufzeitsensor ausgebildeten Sensor nach Anspruch 11.A light transit time camera system with a sensor designed as a light transit time sensor according to claim 11.
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