DE102017202754B4 - Optische Sensoreinrichtung und Verfahren zur Ansteuerung der optischen Sensoreinrichtung - Google Patents

Optische Sensoreinrichtung und Verfahren zur Ansteuerung der optischen Sensoreinrichtung Download PDF

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Abstract

Optische Sensoreinrichtung (10; 10a; 10b; 10c; 10d), die Folgendes umfasst:ein Halbleitersubstrat (14), das ein Umwandlungsgebiet (16) zum Umwandeln eines elektromagnetischen Signals (12) in photoerzeugte Ladungsträger (18) umfasst;einen Ausleseknoten (20), der konfiguriert ist zum Auslesen eines ersten Teils der photoerzeugten Ladungsträger (18);eine Steuerelektrode (22);ein Dotierungsgebiet (28) im Halbleitersubstrat (14) zwischen der Steuerelektrode (22) und dem Umwandlungsgebiet (16), wobei das Dotierungsgebiet (28) an die Steuerelektrode angrenzt und sich in das Halbleitersubstrat (14) erstreckt, wobei das Dotierungsgebiet (28) einen Dotierungstyp aufweist, der sich vom Ausleseknoten (20) unterscheidet, und wobei das Dotierungsgebiet (28) eine Dotierungskonzentration aufweist, so dass das Dotierungsgebiet (28) während des Betriebs verarmt bleibt.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet von integrierten Schaltungen und insbesondere das Gebiet von optischen Sensoreinrichtungen, die zum Detektieren einer Laufzeit eines elektromagnetischen Signals ausgelegt sind. Weitere Ausführungsformen zeigen eine Photomischeinrichtung für einen Laufzeitsensor.
  • Bei manchen optischen Sensoreinrichtungen werden Steuerelektroden in einem Photodetektor zum Demodulieren von photoerzeugten Ladungsträgern verwendet. Ein elektromagnetisches Signal, das durch eine Strahlungsquelle erzeugt und durch ein Modulationssignal amplitudenmoduliert wird, wird zu einem Objekt gerichtet und zum Photodetektor reflektiert. Ein Demodulationssignal, das phasengleich mit dem Modulationssignal ist oder eine feste Phasenbeziehung mit dem Modulationssignal aufweist, wird an den Steuerelektroden im Photodetektor angelegt. Die photoerzeugten Ladungsträger werden in Abhängigkeit vom Demodulationssignal, das an den Steuerelektroden angelegt wird, zu einem ersten Ausleseknoten oder einem zweiten Ausleseknoten gerichtet. Die zu den Ausleseknoten gerichteten photoerzeugten Ladungsträger werden detektiert und eine Phasenverschiebung zwischen dem Modulationssignal und dem elektromagnetischen Signal, das vom Objekt reflektiert und am Photodetektor detektiert wird, wird bestimmt. Daher kann die Laufzeit des elektromagnetischen Signals aus den detektierten photoerzeugten Ladungsträgern bestimmt werden. Mit anderen Worten wird ein Mischen der empfangenen Strahlung mit dem Demodulationssignal verwendet, um Laufzeitinformationen aus der Phasenverschiebung zwischen der durch die Strahlungsquelle emittierten Strahlung und der durch die optische Sensoreinrichtung empfangenen Strahlung zu bestimmen. Somit werden derartige optische Sensoreinrichtungen auch Photomischeinrichtungen (photomixing devices, PMD) oder Demodulationsdetektoren genannt.
  • Um die photoerzeugten Ladungsträger zu richten, werden Steuerelektroden verwendet. In herkömmlichen Sensoreinrichtungen wird eine einzige Art von Steuerelektroden verwendet. Genauer gesagt, sind entweder Photogates oder Grabengates oder Führungsfeldelektroden für eine stromunterstützte photonische Demodulation verwendet worden.
  • Die US 2014 / 0 374 808 A1 bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einer Trench-Gate-Anordnung.
  • Die US 2010 / 0 148 040 A1 bezieht sich auf eine Geiger-Mode-Fotodiode mit integriertem und einstellbarem Löschwiderstand, auf ein Fotodiodenarray, und auf ein Verfahren zum Herstellen derselben.
  • Die gegenwärtige Konstruktion optischer Sensoreinrichtungen leidet jedoch unter Beschränkungen der Qualität des Sensorsignals.
  • Daher besteht ein Bedarf für einen verbesserten Ansatz des Umwandelns des empfangenen optischen Signals in ein elektrisches Signal.
  • Weitere Ausführungsformen stellen eine optische Sensoreinrichtung, die ein Halbleitersubstrat mit einem Umwandlungsgebiet zum Umwandeln eines elektromagnetischen Signals in photoerzeugte Ladungsträger umfasst, einen Ausleseknoten, der konfiguriert ist zum Auslesen eines ersten Teils der photoerzeugten Ladungsträger, eine Steuerelektrode und ein Dotierungsgebiet im Halbleitersubstrat zwischen der Steuerelektrode und dem Umwandlungsgebiet bereit, wobei das Dotierungsgebiet an die Steuerelektrode angrenzt und sich in das Halbleitersubstrat erstreckt, wobei das Dotierungsgebiet einen Dotierungstyp aufweist, der sich vom Ausleseknoten unterscheidet, und wobei das Dotierungsgebiet eine Dotierungskonzentration aufweist, so dass das Dotierungsgebiet während des Betriebs verarmt bleibt.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuerelektrode einen Steuerelektrodenabschnitt umfassen, der sich lateral auf einem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats erstreckt, und wobei das Dotierungsgebiet im Halbleitersubstrat an den sich lateral erstreckenden Steuerelektrodenabschnitt angrenzt.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die optische Sensoreinrichtung eine Steuerelektrode mit einem Steuerelektrodenabschnitt umfassen, der in einem sich in das Halbleitersubstrat erstreckenden Graben ausgebildet ist, und wobei das Dotierungsgebiet an den Graben angrenzt.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuerelektrode einen Steuerelektrodenabschnitt, der sich lateral auf einem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats erstreckt, und einen Steuerelektrodenabschnitt, der in einem sich in das Halbleitersubstrat erstreckenden Graben ausgebildet ist, umfassen, wobei das Dotierungsgebiet an die Steuerelektrodenabschnitte angrenzt.
  • Weitere Ausführungsformen stellen eine optische Sensoreinrichtung bereit, die ein Halbleitersubstrat, das ein Umwandlungsgebiet zum Umwandeln eines elektromagnetischen Signals in photoerzeugte Ladungsträger umfasst, einen Ausleseknoten, der konfiguriert ist zum Auslesen eines ersten Teils der photoerzeugten Ladungsträger, eine Steuerelektrode, die durch ein weiteres Isoliermaterial vom Halbleitersubstrat getrennt ist und in einem sich in das Halbleitersubstrat erstreckenden Graben ausgebildet ist, und ein Dotierungsgebiet im Halbleitersubstrat umfasst, wobei das Dotierungsgebiet an den Graben angrenzt und wobei das Dotierungsgebiet einen Dotierungstyp aufweist, der sich von Ausleseknoten unterscheidet, wobei das Dotierungsgebiet eine Dotierungskonzentration aufweist, so dass das Dotierungsgebiet während des Betriebs verarmt bleibt.
  • Gemäß Ausführungsformen kann die optische Sensoreinrichtung zum Beispiel als ein Pixel eines zweidimensionalen integrierten Pixel-Array zum Empfangen von optischer sichtbarer oder infraroter Strahlung, die durch eine Lichtquelle emittiert und durch ein zu erfassendes Objekt reflektiert wird, angesehen werden, wobei die jeweiligen Pixel in ein Halbleitersubstrat integriert sind und ein elektrisches Ausgangssignal zum Bestimmen eines Abstands zum Objekt bereitstellen, indem die Laufzeit (Flugzeit) der optischen sichtbaren oder infraroten Strahlung gemessen wird. Gemäß Ausführungsformen ist das Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats der optischen Sensoreinrichtung (z. B. eines PMD-Pixels = Pixel einer photonischen Mischeinrichtung (Photonic Mixer Device)) mit einer (erhöhten) p-Dotierung in Gebieten ausgestattet, die an die Steuerelektroden grenzen und in einem sich in das Halbleitersubstrat erstreckenden Graben ausgebildet sind und/oder als laterale Elektroden umgesetzt sind. Die Dotierungskonzentration dieser zusätzlichen p-Dotierungsgebiete liegt über der Dotierungskonzentration des Hauptteils (des Teils, der die höchste Volumenmenge aufweist) des photoaktiven Halbleitermaterials (des Umwandlungsgebiets), aber unter einer Dotierungskonzentration im Halbleitermaterial, wo das jeweilige Dotierungsgebiet während (normaler) Betriebsbedingungen der optischen Sensoreinrichtung nicht mehr vollständig verarmt werden würde. Der Effekt dieses zusätzlichen Dotierungsgebiets besteht darin, dass die phasengleiche räumliche Trennung der photoerzeugten Ladungsträger selbst über mehrere Modulationsperioden beibehalten wird. Somit werden photoerzeugte Ladungsträger, die einmal an den jeweiligen Modulationsgates (Steuerelektroden) gesammelt werden, nicht wieder „abgestoßen“. Die Leistung eines PMD-Pixels wird mittels der jeweiligen p-Dotierungsgebiete verbessert. Insbesondere werden die verbesserten Demodulationskontraste selbst bei hohen Modulationsfrequenzen, z. B. in einem Frequenzbereich zwischen 80 bis 250 MHz, erhalten.
  • Die folgende Beschreibung von Ausführungsformen der optischen Sensoreinrichtung kann gleichermaßen bei komplementären Dotierungstypen angewendet werden.
  • Gemäß Ausführungsformen kann die optische Sensoreinrichtung ferner einen weiteren Ausleseknoten, der konfiguriert ist zum Auslesen eines zweiten Teils der photoerzeugten Ladungsträger, eine weitere Steuerelektrode, die durch ein weiteres Isoliermaterial vom Halbleitersubstrat getrennt wird, wobei die weitere Steuerelektrode und das weitere Isoliermaterial in einem weiteren, sich in das Halbleitersubstrat erstreckenden Graben ausgebildet sind, und ein weiteres Dotierungsgebiet im Halbleitersubstrat umfassen, wobei das weitere Dotierungsgebiet mit der Steuerelektrode an den weiteren Graben grenzt und wobei das weitere Dotierungsgebiet den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet und eine höhere Dotierungskonzentration als das Umwandlungsgebiet aufweist, wobei in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats eine laterale Ausdehnung des weiteren Dotierungsgebiets weniger als 20% einer lateralen Ausdehnung des Umwandlungsgebiets ist.
  • Das weitere Dotierungsgebiet ist angeordnet, an den weiteren Graben anzustoßen, wobei in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats das Umwandlungsgebiet zwischen der Steuerelektrode und der weiteren Steuerelektrode angeordnet ist.
  • Das weitere Dotierungsgebiet weist eine Dotierungskonzentration auf, so dass das weitere Dotierungsgebiet während (normaler) Betriebsbedingungen der optischen Sensoreinrichtung verarmt bleibt. Das Dotierungsgebiet und das weitere Dotierungsgebiet weisen die gleiche Dotierungskonzentration auf. In einer Draufsicht des Halbleitersubstrats sind die laterale Ausdehnung des Dotierungsgebiets und die laterale Ausdehnung des weiteren Dotierungsgebiets geringer als 20% (15%, 10%, 5% oder 1%) des Abstands zwischen zwei Gräben. In einer Draufsicht des Halbleitersubstrats können die Steuerelektrode und die weitere Steuerelektrode und der Ausleseknoten und der weitere Ausleseknoten symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse angeordnet sein.
  • Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, variierende elektrische Potenziale mit einer Phasenverschiebung im Vergleich zu den an der zweiten Steuerelektrode angelegten variierenden elektrischen Potenzialen an der ersten Steuerelektrode anzulegen, elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet zu erzeugen, durch die die photoerzeugten Ladungsträger im Umwandlungsgebiet in Abhängigkeit von der Laufzeit des elektromagnetischen Signals in unterschiedliche Richtungen gerichtet werden. Der Ausleseknoten ist zum Detektieren eines ersten Teils konfiguriert und der weitere Ausleseknoten ist zum Detektieren des zweiten Teils der gerichteten Ladungsträger konfiguriert. Somit kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, die Laufzeit des elektromagnetischen Signals basierend auf einer Beziehung der Anzahl von Ladungsträgern, die am ersten Ausleseknoten gesammelt werden, und/oder der Anzahl von Ladungsträgern, die am zweiten Ausleseknoten gesammelt werden, zu bestimmen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen sind hier nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, wobei:
    • 1a eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt;
    • 1b eine schematische Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt;
    • 1c eine schematische Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt;
    • 2a eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt;
    • 2b ein prinzipielles Profil einer p-Dotierung für ein Grabengatepixel mit einem zusätzlichen p-Dotierungsgebiet an beiden Gräben gemäß einer Ausführungsform darstellt;
    • 2c eine beispielhafte Veranschaulichung des elektrostatischen Potenzials für ein Grabengatepixel zwischen beiden Grabenelektroden (gestrichelte Linie) gemäß einer Ausführungsform darstellt;
    • 3 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt;
    • 4a ein Laufzeitsensorsystem (TOF-Sensorsystem) gemäß einer Ausführungsform darstellt;
    • 4b ein beispielhaftes Timing-Diagramm zum Erläutern des Betriebs von Ausführungsformen optischer Sensoreinrichtungen darstellt;
    • 5a-g ein beispielhaftes Verfahren der Herstellung von Steuerelektroden in jeweiligen Gräben in einem Halbleitersubstrat darstellen;
    • 6a-d ein weiteres beispielhaftes Verfahren zur Herstellung von Steuerelektroden in jeweiligen Gräben in einem Halbleitersubstrat darstellen und
    • 7a-g ein weiteres beispielhaftes Verfahren der Herstellung von Steuerelektroden in jeweiligen Gräben in einem Halbleitersubstrat darstellen.
  • Bevor die Ausführungsformen unter Verwendung der Zeichnungen ausführlicher besprochen werden, wird angemerkt, dass identische Elemente und Elemente mit der gleichen Funktionalität und/oder dem gleichen technischen oder physikalischen Effekt, in den Zeichnungen und der Spezifikation gewöhnlich mit der gleichen Bezugszahl bereitgestellt sind oder mit dem gleichen Namen/Ausdruck identifiziert werden, so dass die Beschreibung dieser Elemente und deren Funktionalität, wie in den verschiedenen Ausführungsformen veranschaulicht, gegenseitig ausgetauscht und gegenseitig in den verschiedenen Ausführungsformen angewendet werden können.
  • In der folgenden Beschreibung sind Ausführungsformen ausführlich besprochen, es sollte jedoch gewürdigt werden, dass die verschiedenen Ausführungsformen viele anwendbare Konzepte bereitstellen, die in einer großen Vielfalt von optischen Sensoreinrichtungen verkörpert werden können. Die besprochenen spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung spezifischer Arten, das vorliegende Konzept zu fertigen und zu verwenden, und beschränken den Schutzumfang der Ansprüche nicht. Darüber hinaus können Merkmale der vorliegend in den verschiedenen Ausführungsformen besprochenen verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch anderes angemerkt ist.
  • Die 1a-c stellen Ausführungsformen einer optischen Sensoreinrichtung 10, 10a, 10b dar, die ein Halbleitersubstrat 14 mit einem Umwandlungsgebiet 16 zum Umwandeln eines elektromagnetischen Signals 12 in photoerzeugte Ladungsträger 18, einen Ausleseknoten 20, der konfiguriert ist zum Auslesen eines ersten Teils der photoerzeugten Ladungsträger 18, eine Steuerelektrode 22, ein Dotierungsgebiet 28 im Halbleitersubstrat 14 zwischen der Steuerelektrode 22 und dem Umwandlungsgebiet 16 umfasst, wobei das Dotierungsgebiet 28 an die Steuerelektrode 22 angrenzt und sich in das Halbleitersubstrat 14 erstreckt. Das Dotierungsgebiet 28 weist einen Dotierungstyp auf, der sich vom Ausleseknoten 20 unterscheidet, wobei das Dotierungsgebiet 28 eine Dotierungskonzentration aufweist, so dass das Dotierungsgebiet 28 während des Betriebs verarmt bleibt. Die Steuerelektrode 22 wird durch ein Isoliermaterial 24 vom Halbleitersubstrat 14 getrennt.
  • Gemäß einer Ausführungsform stellt 1a die optische Sensoreinrichtung 10 dar, wobei die Steuerelektrode 22 einen Steuerelektrodenabschnitt umfasst, der in einem sich in das Halbleitersubstrat 14 erstreckenden Graben 26 ausgebildet ist, und wobei das Dotierungsgebiet 28 an den Graben 26 angrenzt. Ein Vorsprung eines Oberflächenbereichs der Steuerelektrode 22 zum Umwandlungsgebiet 16 hin befindet sich im Dotierungsgebiet 28. In 1a ist der Vorsprung zum Umwandlungsgebiet 16 hin im Wesentlichen ein Vorsprung in der lateralen Richtung bezüglich des Oberflächenbereichs 14a des Halbleitersubstrats 14.
  • Gemäß einer Ausführungsform stellt 1b die optische Sensoreinrichtung 10a dar, wobei die Steuerelektrode 22 einen Steuerelektrodenabschnitt umfasst, der sich lateral auf einem Oberflächenbereich 14a des Halbleitersubstrats 14 erstreckt, und wobei das Dotierungsgebiet 28 im Halbleitersubstrat 14 an den sich lateral erstreckenden Steuerelektrodenabschnitt angrenzt.
  • Gemäß einer Ausführungsform stellt 1c die optische Sensoreinrichtung 10b dar, die ferner flache dotierte Gebiete 29-1, 29-2, 29-3 (29) zwischen benachbarten, sich lateral erstreckenden Steuerelektrodenabschnitten umfasst, wobei die flachen dotierten Gebiete 29-1, 29-2, 29-3 eine höhere Dotierungskonzentration als das Dotierungsgebiet 28 aufweisen. Ein Vorsprung eines Oberflächenbereichs der Steuerelektrode 22 zum Umwandlungsgebiet 16 hin befindet sich im Dotierungsgebiet 28. In 1b-c ist der Vorsprung zum Umwandlungsgebiet 16 hin im Wesentlichen ein Vorsprung in der vertikalen Richtung bezüglich des Oberflächenbereichs 14a des Halbleitersubstrats 14. In einem vertikalen Vorsprung bezüglich des Oberflächenbereichs 14a des Halbleitersubstrats 14 kann sich die Begrenzung der Steuerelektrode 22 innerhalb der Begrenzung des Dotierungsgebiets 28 befinden.
  • Spezifischer gesagt, stellt 1a eine schematische Querschnittsansicht der optischen Sensoreinrichtung 10 (z. B. eines PMD-Pixels) dar, wie etwa einer optischen Laufzeitsensoreinrichtung zum Detektieren einer Laufzeit (Flugzeit) eines elektromagnetischen Signals, wie etwa eines Lichtsignals im optischen oder infraroten Strahlungsbereich, von einem zu erfassenden Objekt zur optischen Sensoreinrichtung. In den Figuren wird das auf die optische Sensoreinrichtung 10 einfallende elektromagnetische Signal bzw. die auf die optische Sensoreinrichtung 10 einfallende Strahlung durch einen Pfeil 12 angegeben.
  • Die optische Sensoreinrichtung umfasst ein Halbleitersubstrat 14. Das Halbleitersubstrat 14 umfasst ein Umwandlungsgebiet 16 zum Umwandeln des Teils des elektromagnetischen Signals 12, der in das Umwandlungsgebiet 16 eintritt, in photoerzeugte Ladungsträger 18, wobei das Umwandlungsgebiet 16 allgemein das Gebiet des Halbleitersubstrats 14 ist, in dem das elektromagnetische Signal 12 empfangen wird. Im Umwandlungsgebiet 16 wird das elektromagnetische Signal 12 in photoerzeugte Ladungsträger 18 umgewandelt.
  • Die optische Sensoreinrichtung 10 umfasst ferner einen Ausleseknoten 20, der konfiguriert ist zum Auslesen oder Detektieren eines ersten Teils der photoerzeugten Ladungsträger 18. Die optische Sensoreinrichtung 10 umfasst ferner eine Steuerelektrode (ein Modulationsgate) 22, die in einem sich in das Halbleitersubstrat 14 erstreckenden Graben 26 ausgebildet ist. Die Steuerelektrode 22 wird durch ein Isoliermaterial 24 vom Halbleitersubstrat 14 getrennt und kann vom Umwandlungsgebiet 16 getrennt sein. Der Graben 26 mit der Steuerelektrode 22 kann auch direkt an das Umwandlungsgebiet 16 grenzen. Die Steuerelektrode 22 und das Isoliermaterial 24 sind im Graben 26 ausgebildet, der sich (z. B. vertikal vom Hauptoberflächengebiet 14a des Halbleitersubstrats 14) in das Halbleitersubstrat 14 erstreckt. Die zusammen mit dem Isoliermaterial 24 im Graben 26 angeordnete Steuerelektrode 22 kann auch als eine Grabengatesteuerelektrode oder ein Modulationsgate 27 bezeichnet werden.
  • Der Ausleseknoten 20 kann im Halbleitersubstrat 14 angrenzend zum Umwandlungsgebiet 16 angeordnet sein. Darüber hinaus umfasst die optische Sensoreinrichtung 10 ein Dotierungsgebiet 28 im Halbleitersubstrat 14, wobei das Dotierungsgebiet 28 an den Graben 26 mit der Steuerelektrode 22 (und dem Isoliermaterial 24) angrenzt oder grenzt und wobei das Halbleitermaterial des Dotierungsgebiets 28 einen Dotierungstyp aufweist, der sich vom Halbleitermaterial des Ausleseknotens (20) unterscheidet. Das Dotierungsgebiet 28 kann den gleichen Dotierungstyp wie das Halbleitermaterial des Umwandlungsgebiets 16 aufweisen und weist eine höhere (durchschnittliche oder Spitzen-)Dotierungskonzentration oder ein höheres Dotierungsniveau als das Umwandlungsgebiet 16 auf. Somit stößt das Dotierungsgebiet 28 (zumindest teilweise) mit der Steuerelektrode 22 an den Graben 26 an oder umgibt diesen. Das Dotierungsgebiet 28 weist eine Dotierungskonzentration auf, so dass das Dotierungsgebiet 28 während des Betriebs verarmt bleibt. Somit kann das Dotierungsgebiet 28 eine Dotierungskonzentration, z. B. eine „durchschnittliche“ (oder Spitzen-) Dotierungskonzentration oder ein Dotierungsniveau aufweisen, so dass das Dotierungsgebiet 28 während des Betriebs, d. h. während „normaler“ Betriebsbedingungen der optischen Sensoreinrichtung 10, verarmt bleibt. Die (durchschnittliche) Dotierungskonzentration des Dotierungsgebiets 28 ist um einen Faktor geringer als 1000, 990 (oder 900, 800) höher als die (durchschnittliche) Dotierungskonzentration des Umwandlungsgebiets 16.
  • In einer Draufsicht auf das Hauptoberflächengebiet 14a des Halbleitersubstrats 14 kann eine laterale Ausdehnung „d28“ des Dotierungsgebiets 28 so gewählt werden, dass es geringer als 20% (15%, 10%, 5% oder 1%) der lateralen Ausdehnung d16 des Umwandlungsgebiets 16 ist. Mit anderen Worten besitzt das Dotierungsgebiet 28 eine Dicke oder Breite d26, die geringer als 20% der lateralen Ausdehnung d16 des Umwandlungsgebiets 16 ist.
  • Darüber hinaus ist das Dotierungsgebiet 28 in einer Draufsicht (zum Hauptoberflächengebiet 14a) des Halbleitersubstrats zwischen der Steuerelektrode 22 (oder dem Graben 26) und dem Umwandlungsgebiet 16 angeordnet, und wobei das Dotierungsgebiet 28 angeordnet ist, an den Graben 26 im Halbleitersubstrat 14 (z. B. direkt) anzustoßen, oder ist um diesen herum angeordnet.
  • Darüber hinaus kann die optische Sensoreinrichtung 10 (optional) ein Trenngate 30 umfassen, das durch ein (optionales) Isoliermaterial 32 vom Halbleitersubstrat 14 getrennt ist. Ein Substratkontakt 34, zum Beispiel ein Gebiet mit erhöhter Dotierung, kann optional im Halbleitersubstrat 14 bereitgestellt sein. Der Ausleseknoten 20 kann den ersten Dotierungstyp (z. B. n-Dotierungstyp) umfassen, wobei das Dotierungsgebiet 28 und der Substratkontakt 34 den zweiten Dotierungstyp (z. B. p-Dotierungstyp) umfassen können.
  • Das (optionale) Trenngate 30 kann eine kapazitive Entkopplung der Steuerelektrode 22 bzw. des Ausleseknotens 20 ermöglichen, um ein Nebensprechen oder Biasing von der Steuerelektrode 22 zum Ausleseknoten 20 zu verhindern. Bei manchen Ausführungsformen befindet sich in einer Draufsicht zum Hauptoberflächengebiet 14a des Halbleitersubstrats 14 ein Vorsprung des Trenngates 30 in das Halbleitersubstrat 14 zumindest teilweise zwischen dem Graben 26 (oder dem Modulationsgate 27) und dem Ausleseknoten 20. Wie im Folgenden mit Bezug auf 2a dargestellt, können jedoch weitere Konfigurationen und Anordnungen des Trenngates 30 implementiert werden.
  • Die optische Sensoreinrichtung 10 kann zum Detektieren einer Laufzeit des elektromagnetischen Signals 12, das in das Umwandlungsgebiet 16 eintritt, konfiguriert sein. Zu diesem Zweck kann die optische Sensoreinrichtung 10 ferner eine Steuerung 40 umfassen, die dazu konfiguriert sein kann, ein variierendes Potenzial an die Steuerelektrode 22 anzulegen, um elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet 16 zu erzeugen, durch die die photoerzeugten Ladungsträger 18 im Umwandlungsgebiet 16 in Abhängigkeit von der Laufzeit des elektromagnetischen Signals 12, das in das Umwandlungsgebiet 16 eintritt, in unterschiedliche Richtungen (z. B. zum Dotierungsgebiet 28 hin) gerichtet werden. Während des Betriebs wird der erste Teil der photoerzeugten Ladungsträger temporär im Dotierungsgebiet 28 für mindestens einen vollständigen Zyklus des variierenden Potenzials gespeichert.
  • Somit ist der Ausleseknoten 20 dazu konfiguriert, einen ersten Teil der gerichteten Ladungsträger 18, z. B. zumindest teilweise die Minoritätsladungsträger im Umwandlungsgebiet 16, zu detektieren oder zu erfassen. Das durch die Steuerung 40 an die Steuerelektrode 22 angelegte variierende Potenzial ist ein Demodulationssignal, das eine feste Phasenbeziehung mit einem Modulationssignal, mit dem das elektromagnetische Signal 12 moduliert wird, aufweist.
  • Bei Ausführungsformen kann das Umwandlungsgebiet 16 ein leicht dotiertes Halbleitergebiet sein. Beispielsweise kann das Umwandlungsgebiet p-dotiert sein. Der vorliegend offenbarte Ausleseknoten bzw. die vorliegend offenbarten Ausleseknoten kann bzw. können durch ein dotiertes Gebiet mit einer höheren Dotierungskonzentration und einem anderen Dotierungstyp als das Umwandlungsgebiet ausgebildet sein. Falls das Dotierungsgebiet 28 p-dotiert ist, kann der Ausleseknoten 20 n+-dotiert sein. Somit können die wie vorliegend beschriebenen Ausleseknoten 20 als Auslesedioden ausgebildet sein. Im Betrieb kann eine Rückwärtsspannung an den Ausleseknoten 20 angelegt werden. Die Rückwärtsspannung kann mittels der Steuerung 40 angelegt werden. Zusätzlich dazu können variierende phasengleiche Potenziale an die Steuerelektrode angelegt werden. Die variierenden Potenziale an der Steuerelektrode können niedriger sein als die an den Ausleseknoten 20 angelegte Rückwärtsspannung. Eine Rückwärtsspannung in der Größenordnung von 2,8 V kann zum Beispiel an den Ausleseknoten 20 angelegt werden und das an die eine oder die mehreren Steuerelektroden angelegte variierende Potenzial kann zwischen 0 V und 0,8 V variieren.
  • Wenn das Potenzial an Steuerelektrode 22 angelegt wird, werden elektrische Potenzialverteilungen im Halbleitersubstrat erzeugt, durch die photoerzeugte Minoritätsladungsträger in die Richtung zur jeweiligen Steuerelektrode hin und somit zum jeweiligen Ausleseknoten 20 hin bewegt werden. Eine Ablenkung der photoerzeugten Minoritätsladungsträger ist während Phasen, bei denen das variierende Potenzial höher ist, größer und während Phasen, bei denen das variierende Potenzial niedriger ist, geringer. Somit hängt die Anzahl von photoerzeugten Minoritätsladungsträgen, die am Ausleseknoten 20 eintreffen, von der Phasenbeziehung zwischen dem emittierten elektromagnetischen Signal und dem empfangenen elektromagnetischen Signal 12 ab. Somit kann die Laufzeit des elektromagnetischen Signals vom Objekt zur optischen Sensoreinrichtung und daher der Abstand des Objekts von der optischen Sensoreinrichtung bestimmt werden, indem die an dem einen oder den mehreren Ausleseknoten eintreffenden (gerichteten) photoerzeugten Ladungsträger detektiert werden.
  • Bei Ausführungsformen ist die Steuerelektrode 22 (mit dem umgebenden Isoliermaterial 24) eine Grabengateelektrode 27. Im Fall eines Halbleitersubstrats des p-Typs kann eine variierende positive Spannung an die Grabengateelektrode 27 angelegt werden. Somit kann ein Verarmungsgebiet (Raumladungsgebiet) im Gebiet des Halbleitersubstrats 14, das die Grabengateelektrode 27 umgibt, erzeugt werden. Photoerzeugte Minoritätsladungsträger können in eine laterale Richtung zur Grabengateelektrode 27 hin angezogen und dann in eine vertikale Richtung durch das Verarmungsgebiet zum Ausleseknoten 20 hin bewegt werden. Dementsprechend können photoerzeugte Minoritätsladungsträger, die in tieferen Teilen des Umwandlungsgebiets 16 erzeugt werden, durch das an die Steuerelektrode 22 angelegte Potenzial angezogen werden, können durch das Anlegen des variierenden Potenzials an die tiefe Steuerelektrode gezwungen werden, in das Verarmungsgebiet einzutreten, und werden innerhalb des Verarmungsgebiets der tiefen Steuerelektrode vertikal zum Ausleseknoten 20 hin bewegt.
  • Gemäß Ausführungsformen ist das Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 14 der optischen Sensoreinrichtung 10 mit einer erhöhten p-Dotierung in den Gebieten 28, die mit der Steuerelektrode 22 an den Graben 26 grenzen, ausgestattet. Die Dotierungskonzentration dieser zusätzlichen p-Dotierungsgebiete 28 liegt über der Dotierungskonzentration des Hauptteils (des Teils, der die höchste Volumenmenge aufweist) des photoaktiven Halbleitermaterials 16, d. h. des Umwandlungsgebiets 16, aber unter einer Dotierungskonzentration im Halbleitermaterial 14, wo das jeweilige Dotierungsgebiet während (normaler) Betriebsbedingungen der optischen Sensoreinrichtung 10 nicht mehr vollständig verarmt sein würde. Der Effekt dieses einen oder dieser mehreren zusätzlichen Dotierungsgebiete besteht darin, dass die phasengleiche räumliche Trennung der photoerzeugten Ladungsträger 18 selbst über mehrere Modulationsperioden beibehalten wird. Somit werden photoerzeugte Ladungsträger 18, die einmal am jeweiligen Modulationsgate (an der jeweiligen Steuerelektrode) gesammelt werden, nicht wieder „abgestoßen“. Die Leistung eines PMD-Pixels wird mittels der jeweiligen p-Dotierungsgebiete verbessert. Insbesondere werden die verbesserten Demodulationskontraste selbst bei hohen Modulationsfrequenzen, z. B. in einem Frequenzbereich zwischen 80 bis 250 MHz, erhalten.
  • Bei Ausführungsformen kann die Trennungsgateelektrode 30 auf dem Hauptoberflächengebiet 14a des Halbleitersubstrats 14 angrenzend an den mindestens einen Ausleseknoten 20 angeordnet sein. Bei Ausführungsformen kann die Trennungsgateelektrode 30 so angeordnet sein, dass sie in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats 14 mindestens einen Ausleseknoten umgibt. Die Trennungsgateelektrode 30 kann ein Beibehalten der (gesammelten oder gerichteten) Ladungsträger selbst in einem Fall, in dem das an die eine oder die mehreren Steuerelektroden angelegte Potenzial entfernt wird, unterstützen. Zu diesem Zweck kann ein konstantes positives Potenzial (im Fall eines Substrats des p-Typs) oder ein konstantes negatives Potenzial (im Fall eines Substrats des n-Typs) an die Trennungsgateelektrode 30 angelegt werden. Die Amplitude/Größe des an die Trennungsgateelektrode 30 angelegten Potenzials kann geringer als die Größe der an den Ausleseknoten 20 angelegten Rückwärtsspannung aber höher als das an die eine und die mehreren Steuerelektroden 22 angelegte maximale Potenzial sein.
  • Allgemein kann das Halbleitersubstrat 14 eine Breite, eine Länge und eine Dicke besitzen. Allgemein bezeichnet der Ausdruck „Draufsicht“ eine Ansicht in die Dickenrichtung, d.h. eine Ansicht auf eine Ebene oder das Hauptoberflächengebiet 14a, die bzw. das durch die Länge und die Breite des Substrats 14 definiert ist. Allgemein kann der Ausdruck vertikal in die Dickenrichtung bedeuten und der Ausdruck lateral kann parallel zur Ebene, die durch das Hauptoberflächengebiet 14a des Halbleitersubstrats 14 definiert ist, bedeuten.
  • 1b stellt eine schematische Querschnittsansicht und eine Draufsicht der optischen Sensoreinrichtung 10a gemäß einer weiteren Ausführungsform dar. Die optische Sensoreinrichtung 10a umfasst das Halbleitersubstrat 14 mit dem Umwandlungsgebiet 16 zum Umwandeln des elektromagnetischen Signals 12 in die photoerzeugten Ladungsträger. Der Ausleseknoten 20 (die potenzialfreie Diffusion FD-A) ist zum Auslesen eines ersten Teils der photoerzeugten Ladungsträger 18 konfiguriert. Ein weiterer Ausleseknoten 20a (eine potenzialfreie Diffusion FD-B) ist zum Auslesen eines zweiten Teils der photoerzeugten Ladungsträger 18 konfiguriert.
  • Die sich lateral erstreckende Steuerelektrode 22, die zum Beispiel mehrere sich lateral erstreckende Steuerelektrodenabschnitte 22-1, 22-2, 22-3, 22-4 aufweist, erstreckt sich lateral auf einem Oberflächenbereich 14a des Halbleitersubstrats 14, wobei das Dotierungsgebiet 28 im Halbleitersubstrat 14 an die sich lateral erstreckenden Steuerelektrodenabschnitte 22-1 bis 22-4 angrenzt. Die Steuerelektrode 22 kann vom Halbleitersubstrat 14 durch ein Isoliermaterial (eine Isolierschicht) 32 getrennt sein. Die sich lateral erstreckenden Steuerelektrodenabschnitte 22-1 bis 22-4 können benachbart und parallel zueinander auf dem Oberflächenbereich 14a des Halbleitersubstrats 14 angeordnet sein.
  • Das Dotierungsgebiet 28 im Halbleitersubstrat 14 grenzt an die sich laterale erstreckende Steuerelektrode 22 an. Falls die Steuerelektrode 22 mehrere sich lateral erstreckende Steuerelektrodenabschnitte 22-1, 22-2, 22-3, 22-4 aufweist, kann das Dotierungsgebiet 28 auch mehrere sich lateral erstreckende Dotierungsgebietsabschnitte 28-1 bis 28-4 aufweisen, die jeweils mit den sich lateral erstreckenden Steuerelektrodenabschnitten 22-1, 22-2, 22-3, 22-4 assoziiert sind. Das Dotierungsgebiet 28 weist einen Dotierungstyp auf, der sich von den Ausleseknoten 20, 20a unterscheidet, wobei das Dotierungsgebiet 28 eine Dotierungskonzentration (ein Dotierungsniveau) aufweist, so dass das Dotierungsgebiet 28 während des Betriebs (d. h. normaler Betriebsbedingungen) verarmt bleibt.
  • Ein variierendes Potenzial kann (z. B. mittels einer Steuerung - in 1b nicht dargestellt) an die Steuerelektrode 22 angelegt werden, um elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet 16 zu erzeugen, durch die die photoerzeugten Ladungsträger 18 im Umwandlungsgebiet 16 in Abhängigkeit von der Laufzeit des elektromagnetischen Signals 12 in unterschiedliche Richtungen zum Dotierungsgebiet 28 hin gerichtet werden. Der erste Teil der photoerzeugten Ladungsträger wird temporär im Dotierungsgebiet 28 für mindestens einen vollständigen Zyklus des variierenden Potenzials gespeichert.
  • Wie in 1b dargestellt, sind die potenzialfreien Diffusionsgebiete 20 (FD-A), 20a (FD-B) zum Empfangen der photoerzeugten Ladungsträger angeordnet. Die potenzialfreien Diffusionsgebiete 20 (FD-A), 20a (FD-B) können als ein oder mehrere Erfassungsknoten agieren. Der Ausleseknoten 20 (die potenzialfreie Diffusion FD-A) ist zum Auslesen eines ersten Teils der photoerzeugten Ladungsträger 18 konfiguriert. Der weitere Ausleseknoten 20a (die potenzialfreie Diffusion FD-B) ist zum Auslesen eines zweiten Teils der photoerzeugten Ladungsträger 18 konfiguriert.
  • 1c stellt eine schematische Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer optischen Sensoreinrichtung 10b gemäß einer weiteren Ausführungsform dar. Im Vergleich zur optischen Sensoreinrichtung 10a von 1b umfasst die optische Sensoreinrichtung 10b von 1c ferner dotierte Gebiete 29-1 bis 29-3 zwischen (benachbarten) sich lateral erstreckenden Steuerelektrodenabschnitten 22-1 bis 22-4, wobei die dotierten Gebiete 29-1 bis 29-3 den gleichen Dotierungstyp wie das Dotierungsgebiet 28, aber eine höhere Dotierungskonzentration als das Dotierungsgebiet 28 aufweisen. Die dotierten Gebiete 29-1 bis 29-3 können sich (z. B. 2- bis 5-mal) tiefer (vertikal vom Oberflächenbereich 14a) in das Halbleitersubstrat 14 als das Dotierungsgebiet 28 erstrecken. Die dotierten Gebiete 29-1 bis 29-3 weisen eine Dotierungskonzentration auf, so dass die dotierten Gebiete 29-1 bis 29-3 während des Betriebs nicht verarmen. Somit bleibt zumindest ein Teil der dotierten Gebiete 29-1 bis 29-3 während des Betriebs (d. h. normaler Betriebsbedingungen) nicht verarmt.
  • Das Dotierungsgebiet 28 und die dotierten Gebiete 29-1 bis 29-3 können so flach wie möglich im Halbleitersubstrat 14 implementiert werden, um die optische Empfindlichkeit der optischen Sensoreinrichtung zu erhöhen. Die dotierten Gebiete 29-1 bis 29-3 sind wirksam, die photoerzeugten Ladungsträger unter der Steuerelektrode 22 (z. B. unter den sich lateral erstreckenden Steuerelektrodenabschnitten 22-1 bis 22-4) zu behalten (zu halten). Somit kann ein laterales Austreten oder Entweichen von Ladungsträgern effektiv ohne die Notwendigkeit des Bereitstellens einer weiteren Barriereanordnung verringert werden.
  • Die sich vertikal erstreckende Implementierung der Steuerelektrode 22 und des Dotierungsgebiets 28 gemäß den Ausführungsformen der 1a und die sich lateral erstreckende Implementierung der Steuerelektrode 22 und des Dotierungsgebiets 28 gemäß den Ausführungsformen der 1 b und 1c können auch in einer optischen Sensoreinrichtung kombiniert werden (siehe zum Beispiel die optische Sensoreinrichtung 10d in 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform).
  • 2a stellt eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensoreinrichtung 10c gemäß einer weiteren Ausführungsform dar. Die optische Sensoreinrichtung 10c umfasst eine erste Steuerelektrode 22 und eine zweite Steuerelektrode 22a. Die erste und die zweite Steuerelektrode 22 und 22a sind in jeweiligen Gräben 26, 26a angeordnet und mittels jeweiliger Isolierschichten 24 bzw. 24a vom Halbleitersubstratmaterial 14 isoliert. Die durch die jeweiligen Isolierschichten 24 und 24a umgebene erste und zweite Steuerelektrode 22 und 22a können Grabengateelektroden 27, 27a ausbilden. Die Isolierschichten 24 und 24a besitzen eine Dicke d24. Ein erster Ausleseknoten 20 ist angrenzend zur ersten Steuerelektrode 22 angeordnet, wobei ein zweiter Ausleseknoten 20a angrenzend zur zweiten Steuerelektrode 22a angeordnet ist. Die optische Sensoreinrichtung 10c kann ferner optional ein erstes und ein zweites Trenngate 30, 30a umfassen, die durch ein Isoliermaterial 32 (z. B. eine Passivierungsschicht) vom Halbleitersubstrat 14 getrennt sind.
  • Genauer gesagt, umfasst die optische Sensoreinrichtung 10c ein Halbleitersubstrat 14, das ein Umwandlungsgebiet 16 zum Umwandeln eines elektromagnetischen Signals 12, das in das Umwandlungsgebiet 16 eintritt, in photoerzeugte Ladungsträger 18 umfasst. Die optische Sensoreinrichtung 10c umfasst ferner einen ersten Ausleseknoten 20, der zum Auslesen eines ersten Teils der photoerzeugten Ladungsträger 18 konfiguriert ist, und einen zweiten Ausleseknoten 20a, der zum Auslesen eines zweiten Teils der photoerzeugten Ladungsträger 18 konfiguriert ist.
  • Die optische Sensoreinrichtung 10c umfasst ferner eine erste Steuerelektrode 22, die durch ein erstes Isoliermaterial 24 vom Halbleitersubstrat 14 getrennt ist, wobei die erste Steuerelektrode 22 und das erste Isoliermaterial 24 in einem sich in das Halbleitersubstrat 14 erstreckenden ersten Graben 26 ausgebildet sind, und umfasst eine zweite Steuerelektrode 22a, die durch ein zweites Isoliermaterial 24a vom Halbleitersubstrat 14 getrennt ist, wobei die zweite Steuerelektrode 22a und das zweite Isoliermaterial 24a in einem sich in das Halbleitersubstrat 14 erstreckenden zweiten Graben 26a ausgebildet sind.
  • Darüber hinaus ist ein erstes Dotierungsgebiet 28 im Halbleitersubstrat 14 angeordnet, wobei das erste Dotierungsgebiet 28 an den ersten Graben 26 grenzt, und ein zweites Dotierungsgebiet 28a ist im Halbleitersubstrat 14 angeordnet, wobei das zweite Dotierungsgebiet 28a an den zweiten Graben 26a grenzt. Das erste und das zweite Dotierungsgebiet 28, 28a weisen den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet 16 auf und weisen eine höhere Dotierungskonzentration als das Umwandlungsgebiet 16 auf, und wobei in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats 14 eine laterale Ausdehnung d28 der Dotierungsgebiete 28, 28a geringer als 20% (15%, 10%, 5% oder 1%) einer lateralen Ausdehnung d16 des Umwandlungsgebiets 16 ist.
  • Die ersten und zweiten Elemente des gleichen Typs in 2a können die gleiche elektrische und physikalische (oder geometrische) Struktur und somit die gleichen elektrischen und physikalischen Charakteristiken aufweisen. Spezifischer gesagt, können die erste und die zweite Steuerelektrode 22, 22a die gleiche elektrische und physikalische Struktur und somit die gleichen elektrischen und physikalischen Charakteristiken aufweisen. Der erste und der zweite Ausleseknoten 20, 20a können die gleiche elektrische und physikalische Struktur und somit die gleichen elektrischen und physikalischen Charakteristiken aufweisen. Das erste und das zweite Dotierungsgebiet 28, 28a können die gleiche elektrische und physikalische Struktur und somit die gleichen elektrischen und physikalischen Charakteristiken aufweisen. Das optionale erste und zweite Trenngate 30, 30a können die gleiche elektrische und physikalische Struktur und somit die gleichen elektrischen und physikalischen Charakteristiken aufweisen.
  • Bei Ausführungsformen sind das erste und das zweite Dotierungsgebiet 28, 28a angeordnet, an den assoziierten Graben 26, 26a (z. B. direkt) anzustoßen oder anzuliegen. In einer Draufsicht des Halbleitersubstrats 14 ist das Umwandlungsgebiet 16 zwischen der ersten Steuerelektrode 22 und der weiteren Steuerelektrode 22a angeordnet.
  • Bei Ausführungsformen weisen das erste und das zweite Dotierungsgebiet 28, 28a jeweils eine Dotierungskonzentration auf, so dass die Dotierungsgebiete 28, 28a während normaler Betriebsbedingungen der optischen Sensoreinrichtung 10c verarmt bleiben, wobei das erste Dotierungsgebiet 28 und das zweite Dotierungsgebiet 28a die gleiche Dotierungskonzentration aufweisen können. In einer Draufsicht des Halbleitersubstrats 14 ist die laterale Ausdehnung (Dicke oder Breite) d28 des ersten Dotierungsgebiets 28 und die laterale Ausdehnung (Dicke oder Breite) d28a des zweiten Dotierungsgebiets 28a geringer als 20% (z. B. 15%, 10%, 5% oder 1%) des Abstands zwischen zwei benachbarten Gräben 26, 26a. Darüber hinaus sind in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats 14 die erste Steuerelektrode 22 und die zweite Steuerelektrode 22a und der erste Ausleseknoten 20 und der zweite Ausleseknoten 20a symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse (z. B. einer Mittelachse des Pixels 10a) angeordnet. Bei Ausführungsformen können die Dotierungsgebiete 28, 28a ein p-dotiertes Halbleitermaterial umfassen, und wobei die erste Steuerelektrode 22 und die zweite Steuerelektrode 22a ein n+-dotiertes Polysiliziummaterial als leitfähiges Elektrodenmaterial umfassen können.
  • Bei Ausführungsformen kann die optische Sensoreinrichtung 10c ferner eine Steuerung 40 umfassen, die dazu konfiguriert ist, variierende elektrische Potenziale mit einer Phasenverschiebung im Vergleich zu den an der zweiten Steuerelektrode 22a angelegten variierenden elektrischen Potenzialen an der ersten Steuerelektrode 22 anzulegen, elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet 16 zu erzeugen, durch die die photoerzeugten Ladungsträger 18 im Umwandlungsgebiet 16 in Abhängigkeit von der Laufzeit des elektromagnetischen Signals 12 in unterschiedliche Richtungen gerichtet werden. Somit ist der erste Ausleseknoten 20 zum Detektieren des ersten Teils der gerichteten Ladungsträger 18a konfiguriert, wobei der zweite Ausleseknoten 20a zum Detektieren des zweiten Teils der gerichteten Ladungsträger 18 konfiguriert ist. Die Steuerung 40 kann dazu konfiguriert sein, die Laufzeit des elektromagnetischen Signals 12 basierend auf einer Beziehung der Anzahl von Ladungsträgern 18, die am ersten Ausleseknoten 20 gesammelt werden, und/oder der Anzahl von Ladungsträgern 18, die am zweiten Ausleseknoten 20a gesammelt werden, zu bestimmen.
  • Die erste und die zweite Steuerelektrode 22, 22a und der erste und der zweite Ausleseknoten 20, 20a können elektrisch mit der Steuerschaltung 40, wie in 2a durch jeweilige Linien angegeben, verbunden sein. Die Steuerung 40 kann zum Anlegen von geeigneten Potenzialen an die jeweiligen Steuerelektroden 22, 22a und Ausleseknoten 20, 20a konfiguriert sein und kann zum Detektieren von photoerzeugten Ladungsträgern 18, die am jeweiligen Ausleseknoten 20, 20a gesammelt werden, konfiguriert sein.
  • Die Steuerung kann zum Anlegen von variierenden Potenzialen an die zweite Steuerelektrode, die eine Phasenverschiebung im Vergleich zu den an die erste Steuerelektrode angelegten variierenden Potenzialen umfassen, konfiguriert sein. Die Phasenverschiebung kann 180° betragen, so dass sich die an die zweite Steuerelektrode angelegten variierenden Potenziale in Gegenphase zu den an die erste Steuerelektrode angelegten variierenden Potenzialen befinden. Somit können elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet erzeugt werden, durch die die photoerzeugten Ladungsträger im Umwandlungsgebiet in Abhängigkeit von der Laufzeit des elektromagnetischen Signals in unterschiedliche Richtungen gerichtet (getrennt) werden. Somit kann eine Trennung der photoerzeugten Ladungsträger in Abhängigkeit von der Phasendifferenz des Modulationssignals und der durch die optische Sensoreinrichtung empfangenen Strahlung auf eine effiziente und zuverlässige Art und Weise detektiert werden.
  • Bei Ausführungsformen kann die Steuerung 40 aus einer beliebigen geeigneten integrierten Schaltung ausgebildet werden und kann mit der optischen Sensoreinrichtung integriert sein. Bei Ausführungsformen kann die Steuerung durch eine integrierte Schaltung bereitgestellt werden, die separat vom Halbleitersubstrat der optischen Sensoreinrichtung ist. Bei Ausführungsformen können zumindest Teile der Steuerung durch einen Mikroprozessor oder ein FPGA ausgebildet werden.
  • Bei Ausführungsformen kann die optische Sensorvorrichtung 10c ein Laufzeitsensor sein. Spezifischer gesagt, kann die optische Sensoreinrichtung 10c zum Beispiel als ein Pixel eines zweidimensionalen integrierten Pixel-Array zum Empfangen von optischer sichtbarer oder infraroter Strahlung, die durch eine Lichtquelle emittiert und durch ein zu erfassendes Objekt reflektiert wird, angesehen werden, wobei die jeweiligen Pixel in ein Halbleitersubstrat integriert sind und ein elektrisches Ausgangssignal zum Bestimmen eines Abstands zum Objekt bereitstellen, indem die Laufzeit (Flugzeit) der optischen sichtbaren oder infraroten Strahlung gemessen wird.
  • In der optischen Sensoreinrichtung 10c von 2a bestehen die „Grabengates“ 27, 27a (Modulationsgates) im Wesentlichen aus den Gräben 26, 26a im Halbleitermaterial 14, einem Dielektrikum 24 ,24a an den Wänden der Gräben 26, 26a sowie einem leitfähigen Elektrodenmaterial 22, 22a, vorzugsweise einem hoch dotierten Polysilizium, mit dem die Gräben 26, 26a gefüllt sind. Durch das Anlegen unterschiedlicher Spannungen an angrenzende Steuerelektroden 22, 22a wird die horizontale Ablenkung der Ladungsträger 18 umgesetzt. Für einen optimalen Betriebsmodus der horizontalen Trennung der Ladungsträger, insbesondere bei hohen Frequenzen, z. B. zwischen 80 und 250 MHz, werden zusätzliche p-Dotierungsgebiete 28, 28a in das Halbleitermaterial 14 um die Gräben 26, 26a herum eingeführt. Die Konzentration dieser zusätzlichen p-Dotierung in den zusätzlichen p-Dotierungsgebieten 28, 28a kann mehrere Größenordnungen (z. B. drei Größenordnungen) über der Konzentration der Dotierung des Teils des photoaktiven Halbleitermaterials 16, das das größte Volumen 16-1 (siehe 2b) aufweist, aber unter einer Konzentration, wo das jeweilige Gebiet nicht mehr vollständig verarmt sein würde, liegen.
  • 2b stellt ein prinzipielles p-Dotierungsprofil für ein Grabengatepixel 10a mit zusätzlichen p-Dotierungsgebieten 28, 28a an beiden Gräben 26, 26a gemäß einer Ausführungsform dar. Spezifischer gesagt, stellt 2b einen horizontalen Schnitt (eine Schnittansicht) des Profils einer p-Dotierung für ein Grabengatepixel 10a mit den zusätzlichen Dotierungsgebieten 28, 28a dar. In 2b gibt die Ordinatenachse (y-Achse) die Dotierungskonzentration im photoaktiven Halbleitermaterial 16 an, wobei die Abszissenachse (x-Achse) den Abstand dpix (die Pixelbreite) zwischen beiden Gräben 26, 26a angibt.
  • 2c stellt eine beispielhafte Veranschaulichung des elektrostatischen Potenzials P1 (gestrichelte Linie in 2c) für ein Grabengatepixel 10a zwischen beiden Grabengateelektroden 26, 26a mit den zusätzlichen Dotierungsgebieten 28, 28a gemäß einer Ausführungsform dar, wobei die durchgezogene Linie eine beispielhafte Veranschaulichung des elektrostatischen Potenzials P2 für ein Grabengatepixel zwischen den Grabengateelektroden ohne zusätzliche Dotierungsgebiete angibt. In 2c gibt die Ordinatenachse (y-Achse) die Potenziale P1 und P2 an, wobei die Abszissenachse (x-Achse) den Abstand dpix (die Pixelbreite) zwischen beiden Gräben 26, 26a angibt.
  • Das Einführen der zusätzlichen p-Dotierungsgebiete 28, 28a führt zu einer Verringerung des elektrostatischen Potenzials über die gesamte Pixelbreite dPix hinweg, ohne einen wesentlichen Einfluss auf das Auftreten und die Charakteristik der sogenannten „Ladungsträgerschaukel“ (= die Neuausrichtung der photoerzeugten Ladungsträger - siehe auch 2c) aufzuweisen. Die phasenabhängige Neuausrichtung der photoerzeugten Ladungsträger 18, z. B. die phasengleiche räumliche Trennung der photoerzeugten Ladungsträger, wird erzielt, indem ein erstes Demodulationssignal (variierendes Potenzial) an die erste Steuerelektrode 22 (das erste Modulationsgate 27) angelegt wird, und optional, indem ein zweites Demodulationssignal (variierendes Potenzial) an die zweite Steuerelektrode 22a (das zweite Modulationsgate 27a) angelegt wird.
  • Darüber hinaus wird eine Verringerung des Potenzials P1 am Graben 26, 26a selbst bewirkt, was die phasengleiche räumliche Trennung der Ladungsträger 18 selbst über mehrere Modulationsperioden hinweg beibehält, d. h. Ladungsträger 18, die einmal am Grabengate 27, 27a gesammelt werden, werden nicht wieder abgestoßen. Die an den Grabengates 27, 27a gesammelten Ladungsträger 18 driften oder zerstreuen sich anschließend im Halbleitermaterial in der Nähe der Seitenwände der Gräben 26, 26a zu den Ausleseknoten (Auslesedioden) 20, 20a. Hier ist der Prozess der vertikalen Bewegung der (Minoritäts-)Ladungsträger 18 (Elektronen) bezüglich der Dauer einer Modulationsperiode der ersten Größenordnung nicht zeitkritisch.
  • Somit liefert die optische Sensoreinrichtung 10a (das Grabengatepixel), die eine wie in 2a dargestellte Pixelstruktur mit Grabengates 27, 27a und in das Halbleitermaterial 14 entlang den Grabengates 27, 27a eingeführten p-Dotierungsgebieten 28, 28a aufweist, eine optische Sensorkonstellation mit hohen Empfindlichkeiten und hohen Kontrastwerten.
  • Ausführungsformen der Offenbarung können auch eine Quanteneffizienzmodulation am Oberflächengebiet des Halbleitersubstrats verwenden. Eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer optischen Sensoreinrichtung 10d, die Quanteneffizienzmodulation verwendet, ist in 3 dargestellt. Die optische Sensoreinrichtung 10d umfasst eine erste und eine zweite Grabensteuerelektrode 22, 22a, einen ersten und einen zweiten Ausleseknoten 20, 20a und eine erste und eine zweite laterale Steuerelektrode 22-1 und 22-2. Darüber hinaus umfasst die in 3 dargestellte optische Sensoreinrichtung 10d (im Wesentlichen) „sich vertikal erstreckende“ dotierte Gebiete 28, 28a und (im Wesentlichen) „sich lateral erstreckende“ dotierte Gebiete 28-1, 28-2 und dotierte Gebiete 29-1, 29-2, 29-3.
  • Die erste und die zweite Steuerelektrode 22 und 22a sind in jeweiligen Gräben 26, 26a angeordnet und mittels jeweiliger Isolierschichten 24 bzw. 24a vom Halbleitersubstratmaterial 14 isoliert. Die Dotierungsgebiete 28, 28a sind im Halbleitersubstrat 14 angeordnet, wobei das erste Dotierungsgebiet 28 an den ersten Graben 26 im Halbleitersubstrat 14 grenzt und wobei das zweite Dotierungsgebiet 28a an den zweiten Graben 26a im Halbleitersubstrat 14 grenzt. Das erste und das zweite Dotierungsgebiet 28, 28a weisen die gleichen Dotierungstypen wie das Umwandlungsgebiet 16 auf und weisen eine höhere Dotierungskonzentration als das Umwandlungsgebiet 16 auf.
  • Die sich lateral erstreckenden Steuerelektroden 22-1, 22-2 erstrecken sich lateral auf einem Oberflächenbereich 14a des Halbleitersubstrats 14, wobei die Dotierungsgebiete 28-1, 28-2 im Halbleitersubstrat 14 an die sich lateral erstreckenden Steuerelektroden 22-1, 22-2 angrenzen. Die Steuerelektroden 22-1, 22-2 können vom Halbleitersubstrat 14 durch ein Isoliermaterial (eine Isolierschicht) 32 getrennt sein. Die sich lateral erstreckenden Steuerelektroden 22-1, 22-2 können benachbart und parallel zueinander auf dem Oberflächenbereich 14a des Halbleitersubstrats 14 angeordnet sein. Die Dotierungsgebiete 28, 28a, 28-1, 28-2 weisen einen Dotierungstyp auf, der sich vom Ausleseknoten 20 unterscheidet, wobei die Dotierungsgebiete 28, 28a, 28-1, 28-2 eine Dotierungskonzentration aufweisen, so dass die Dotierungsgebiete 28, 28a, 28-1, 28-2 während des Betriebs verarmt bleiben.
  • Die dotierten Gebiete 29-1, 29-2, 29-3 weisen eine höhere Dotierungskonzentration und den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet 16 auf. Die dotierten Gebiete können p+-dotierte Gebiete sein. Das dotierte Gebiet 29-1 ist zwischen dem ersten Ausleseknoten 20 und der lateralen Steuerelektrode 22-1 angeordnet, das dotierte Gebiet 29-2 ist zwischen der lateralen Steuerelektrode 22-1 und der lateralen Steuerelektrode 22-2 angeordnet und das dotierte Gebiet 29-3 ist zwischen der lateralen Steuerelektrode 22-2 und dem zweiten Ausleseknoten 20a angeordnet. In der schematischen Ansicht von 3 ist auch ein nicht verarmtes/neutrales Halbleitergebiet 17 dargestellt.
  • Gemäß Ausführungsformen ist das Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 14 der optischen Sensoreinrichtung 10d mit Dotierungsgebieten 28, 28a und 28-1, 28-2 ausgestattet (die zum Beispiel eine erhöhte p-Dotierung aufweisen), die an die Steuerelektroden grenzen und in einem sich in das Halbleitersubstrat erstreckenden Graben ausgebildet sind und/oder als laterale Elektroden umgesetzt sind. Die Dotierungskonzentration dieser zusätzlichen Dotierungsgebiete 28, 28a und 28-1, 28-2 liegt über der Dotierungskonzentration des Hauptteils (des Teils, der die höchste Volumenmenge aufweist) des photoaktiven Halbleitermaterials (des Umwandlungsgebiets 16), aber unter einer Dotierungskonzentration im Halbleitermaterial, wo das jeweilige Dotierungsgebiet während (normaler) Betriebsbedingungen der optischen Sensoreinrichtung nicht mehr vollständig verarmt werden würde.
  • Typischerweise weist das Umwandlungsgebiet 16 eine Dotierungskonzentration im Bereich von auf 1E12-5E14 Atomen/cm^3 (1012 - 5*1014 Atomen/cm3) auf, die Dotierungsgebiete 28, 28a und 28-1, 28-2 besitzen eine Spitzenkonzentration zwischen 5E14 und 5E17 Atomen/cm^3 (5*1014 - 5*1017 Atomen/cm3 und die Dotierungsgebiete 29-1, 29-2, 29-3 besitzen eine Spitzenkonzentration zwischen 5e17 Atomen/cm^3 und 5e21 Atomen/cm^3 (5*1017 - 5*1021 Atomen/cm3) auf. Bei manchen Ausführungsformen liegt die Beziehung der Dotierungskonzentrationen der Dotierungsgebiete 29 und 28 im Bereich zwischen 1 und 1E7 (1 - 107).
  • Wie beispielhaft in 3 dargestellt, können die erste Grabensteuerelektrode 22 und die laterale Steuerelektrode 22-2 elektrisch miteinander verbunden sein, und die zweite Grabensteuerelektrode 22a und die laterale Steuerelektrode 22-1 können elektrisch miteinander verbunden sein. Bei einer Modifizierung der in 3 dargestellten Ausführungsform können die in 3 dargestellten elektrischen Verbindungen der lateralen Steuerelektroden 22-1, 22-2 ausgetauscht werden.
  • Im Betrieb können variierende Potenziale an die Grabensteuerelektroden 22, 22a und die lateralen Steuerelektroden 22-1, 22-2 angelegt werden. Darüber hinaus wird eine Rückwärtsspannung an die Ausleseknoten angelegt. Das Anlegen der entsprechenden Potenziale an die lateralen Steuerelektroden 22-1, 22-2 in Verbindung mit den hoch dotierten Gebieten 29-1, 29-2, 29-3 erzeugt eine Feldverteilung, die die Minoritätsträger zum gewünschten Gebiet richtet. Die Minoritätsträger werden durch die lateralen Steuerelektroden 22-1, 22-2 zu den Dotierungsgebieten 28-1, 28-2 gerichtet. Sobald die Minoritätsträger die Dotierungsgebiete 28-1, 28-2 erreichen, werden sie an der jeweiligen Steuerelektrode 22-1, 22-2 gespeichert. Der Effekt dieses zusätzlichen Dotierungsgebiets 28 besteht darin, dass die phasengleiche räumliche Trennung der photoerzeugten Ladungsträger selbst über mehrere Modulationsperioden beibehalten wird. Somit werden photoerzeugte Ladungsträger, die einmal an den jeweiligen Modulationsgates (Steuerelektroden) gesammelt werden, nicht wieder „abgestoßen“. Die Minoritätsträger werden selbst bei der niedrigphasigen Spannung des an den Steuerelektroden angelegten variierenden Potenzials an der jeweiligen Steuerelektrode gespeichert. Der Transport der Minoritätsträger zu den Ausleseknoten findet entlang der Länge der Steuerelektroden statt. Somit findet eine Quanteneffizienzmodulation statt. Bei Ausführungsformen wird diese Quanteneffizienzmodulation mit einer Driftfelddemodulation unter Verwendung der an den Grabensteuerelektroden 22 und 22a angelegten variierenden Potenziale kombiniert.
  • Allgemein hängen die entsprechenden Spannungen, die an die jeweiligen Elektroden angelegt werden sollen, von dem Dotierungstyp des Umwandlungsgebiets und der Dotierungskonzentration ab. Allgemein kann die an die Ausleseknoten angelegte Rückwärtsspannung die höchste Spannung sein, zum Beispiel in einem Bereich von 2,5 bis 3,5 Volt. Das an die Grabensteuerelektroden und lateralen Steuerelektroden angelegte Potenzial kann die gleiche Polarität aufweisen aber wesentlich niedriger als die an die Ausleseknoten angelegten Spannungen sein. Das an die Steuerelektroden angelegte Potenzial kann zum Beispiel zwischen 0 und 0,8 Volt variieren. Das an die Trenngateelektroden angelegte Potenzial kann geringer als die an die Ausleseknoten angelegten Spannungen aber höher als die an die Steuerelektroden angelegte maximale Spannung sein. Die an die Trenngateelektroden angelegten Spannungen können zum Beispiel in einem Bereich von 1,0 bis 1,5 Volt liegen.
  • Im Fall einer weiteren lateralen Steuerelektrode (in 3 nicht dargestellt) zwischen den lateralen Steuerelektroden 22-1, 22-2, kann die daran angelegte Spannung 40 bis 80% der an die lateralen Steuerelektroden 22-1, 22-2 angelegten Maximalspannung betragen. Die an die weitere laterale Steuerelektrode angelegte Spannung kann zum Beispiel in einem Bereich von 0,4 Volt bis 0,64 Volt liegen. Im Allgemeinen können die laterale Steuerelektrode 22-1 und die Grabensteuerelektrode 22a elektrisch miteinander verbunden sein. Gleichermaßen können die Grabensteuerelektrode 22 und die laterale Steuerelektrode 22-2 elektrisch miteinander verbunden sein. Bei anderen Ausführungsformen können separate Steuerschaltkreise zum Anlegen der jeweiligen variierenden Potenziale an die lateralen Steuerelektroden und die Grabensteuerelektroden bereitgestellt sein.
  • Bei Ausführungsformen können die photoerzeugten Ladungsträger durch die elektrischen Potenzialverteilungen, die durch das Anlegen von variierenden Spannungen an die lateralen Steuerelektroden und Grabensteuerelektroden erzeugt werden, zu jeweiligen Ausleseknoten gelenkt werden. Bei Ausführungsformen können die photoerzeugten Ladungsträger in Abhängigkeit von der Laufzeit des elektromagnetischen Signals getrennt werden.
  • 4a stellt ein Laufzeitsensorsystem 50 (TOF-Sensorsystem) gemäß einer Ausführungsform dar, das eine optische Sensoreinrichtung 10, 10a - 10d umfasst, wie unter Bezugnahme auf die 1a-c, 2a-c und 3 beschrieben. Alternativ dazu kann die optische Sensoreinrichtung 10, 10a - 10d zum Beispiel als ein zweidimensionales integriertes Pixelarray angeordnet sein. Die optische Sensoreinrichtung 10, 10a - 10d umfasst das Halbleitersubstrat 14 und die Steuerung 40. Das in 4a dargestellte System umfasst ferner eine Lichtquelle 42, wie etwa einen Laser. Die Lichtquelle 42 emittiert ein elektromagnetisches Signal 44 zu einem Objekt 46. Das elektromagnetische Signal 44 wird durch ein Modulationssignal von einem Modulator 48 moduliert. Das elektromagnetische Signal 44 wird am Objekt 46 reflektiert und das reflektierte elektromagnetische Signal 12 fällt auf das Halbleitersubstrat 14 der optischen Sensoreinrichtung 10, 10a - 10d ein.
  • Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen auf der Tatsache, dass die Laufzeit der emittierten und reflektierten Strahlung 44, 12 basierend auf der Phasenverschiebung der von der Strahlungsquelle 42 emittierten Strahlung und der an der optischen Sensoreinrichtung 10, 10a - 10d empfangenen Strahlung bestimmt werden kann. Ein Modulationssignal mit einer spezifischen Modulationsfrequenz wird an die Strahlungsquelle 42 angelegt. Ein Demodulationssignal, das phasengleich mit dem Modulationssignal ist oder eine feste Phasenbeziehung mit dem Modulationssignal aufweist, wird an die tiefe und die flache Steuerelektrode angelegt. Das Modulationssignal kann ein periodisches Signal sein, wie etwa eine Rechteckwelle oder eine sinusförmige Welle. Die Strahlungsquelle 42 emittiert das Strahlungssignal 44 mit einer spezifischen Phasenposition. Die reflektierte Strahlung 12 weist eine spezifische Phasenverschiebung im Vergleich zur emittierten Strahlung auf. In der optischen Sensoreinrichtung kann das Signal mit der spezifischen Phasenposition des emittierten Modulationssignals mit dem empfangenen Signal gemischt werden, wobei die Phasenverschiebung aus dem resultierenden Signal bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck kann die optische Sensoreinrichtung 10, 10a - 10d mit dem Modulator 48 verbunden sein. Die Steuerung 40 kann das Modulationssignal an die Steuerelektroden 22, 22a anlegen, um die variierenden Potenziale daran phasengleich zueinander anzulegen. Bei Ausführungsformen können die Strahlungsquelle 42 und der Modulator 48 in die optische Sensoreinrichtung 10, 10a - 10d integriert sein. Bei Ausführungsformen kann es eine feste bekannte Phasenverschiebung zwischen den variierenden Potenzialen, die an die tiefe und die flache Steuerelektrode angelegt werden, und dem Modulationssignal, mit dem die Strahlungsquelle 42 die emittierte Strahlung 44 moduliert, geben.
  • 4b stellt ein beispielhaftes Timing-Diagramm zum Erläutern des Betriebs von Ausführungsformen optischer Sensoreinrichtungen 10, 10a dar. Ein Prinzip der Phasenmessung, das bei Ausführungsformen optischer Sensoreinrichtungen, die erste und zweite tiefe und flache Steuerelektroden und einen ersten und einen zweiten Ausleseknoten wie vorliegend beschrieben umfassen, angewendet werden kann, wird jetzt kurz mit Bezug auf 4b erläutert. Das Messprinzip basiert im Wesentlichen auf der Tatsache, dass die Laufzeit eines emittierten elektromagnetischen Signals (Licht), das von einem Objekt zur optischen Sensoreinrichtung reflektiert wird, aus der Phasendifferenz des emittierten Signals und des empfangenen Signals bestimmt werden kann.
  • In 4b repräsentiert S1 ein Modulationssignal M1, mit dem das emittierte Signal moduliert wird. Signal S2 repräsentiert das elektromagnetische Signal, das an der optischen Sensoreinrichtung empfangen wird. Signal DM1 repräsentiert ein Demodulationssignal (variierendes Potenzial), das an die erste Steuerelektrode (das erste Modulationsgate) angelegt wird. Signal DM2 repräsentiert ein Demodulationssignal (variierendes Potenzial), das an die zweite Steuerelektrode (das zweite Modulationsgate) angelegt wird. Das Demodulationssignal DM2 kann eine Phasenverschiebung von 180° bezüglich des Demodulationssignals DM1 aufweisen. Somit kann sich das Demodulationssignal DM2 bezüglich des Demodulationssignals DM1 in Gegenphase befinden.
  • Wie in 4b angegeben, gibt es eine Phasendifferenz TL zwischen den Signalen M1 und S2. Diese Phasendifferenz TL repräsentiert die Laufzeit des elektromagnetischen Signals von der Quelle des elektromagnetischen Signals zur optischen Sensoreinrichtung. Unter der Annahme, dass sich die Quelle des elektromagnetischen Signals und die optische Sensoreinrichtung nahe zueinander befinden, kann diese Laufzeit als zweimal die Laufzeit vom Objekt zur optischen Sensoreinrichtung angesehen werden.
  • Die optische Sensoreinrichtung erfasst photoerzeugte Ladungsträger Q1 während der ersten Hälfte der Modulationsperiode im ersten Ausleseknoten und erfasst die photoerzeugten Ladungsträger Q2 während der zweiten Hälfte der Modulationsperiode im zweiten Ausleseknoten. Die Phasenverschiebung TL und daher der Abstand vom Objekt kann basierend auf einer Beziehung zwischen den Ladungsträgern Q1 und Q2, die am ersten und am zweiten Ausleseknoten erfasst werden, bestimmt werden. Die Ladungsträger können über mehrere Modulationsperioden erfasst (integriert) werden.
  • Im Folgenden werden mehrere mögliche Herstellungsverfahren zum Herstellen der Grabengateelemente 22, 22a, 24, 24a und 28, 28a in jeweiligen Gräben 26, 26a beschrieben.
  • Die Dotierungsgebiete 28, 28a entlang den Seitenwänden der Gräben 26, 26a können folgendermaßen umgesetzt werden:
    • „A“
    eine Spezies einschließlich des gewünschten Dotierungselements wird implantiert oder
    „B“
    eine Schicht einschließlich des gewünschten Dotierungselements wird innerhalb des Grabens epitaktisch aufgewachsen oder
    „C“
    das gewünschte Dotierungselement wird aus einem Material, das das gewünschte Dotierungselement beinhaltet und mit dem der Graben zuvor gefüllt worden ist, ausdiffundiert oder
    „D“
    eine Kombination von „A“, „B“ und/oder „C“ wird verwendet.
  • Die 5a-g stellen eine beispielhafte Implementierung des Verfahrens „A“ (100) der Fertigung der Steuerelektroden in jeweiligen Gräben 26, 26a und den zusätzlichen Dotierungsgebieten 28, 28a in einem Halbleitersubstrat 14 dar, zum Beispiel als eine beispielhafte Sequenz eines Front-End-of-Line(FEOL)-Prozesses.
  • In Schritt 102 sind die Gräben 26, 26a z. B. mittels eines DRIE-Prozesses (DRIE = Deep reactive-ion etching, tiefe reaktive Ionenätzung; oder ein Bosch-Prozess) erzeugt worden. Anschließend in Schritt 104 wird ein Opferoxid 60 an den Seitenwänden der Gräben 26, 26a aufgewachsen. Dann wird in Schritt 106 die gewünschte Dotierung (Dotierungsgebiete 28, 28a) in die Seitenwände der Gräben 26, 26a über einen Implantationsschritt eingeführt. Die Implantation kann auf eine geneigte Art und Weise mit kleinen Winkeln zur Oberflächennormalen im Dual- oder Quad-Modus oder mittels Plasmaimmersionsimplantation durchgeführt werden, um eine Dotierung entlang den Seitenwänden der Gräben 26, 26a zu erhalten, die so homogen wie möglich ist. Anschließend in Schritt 108 wird der Dotierstoff (in den Dotierungsgebieten 28, 28a) durch einen geeigneten Prozess aktiviert, typischerweise eine kurzzeitige Erwärmung. Dann wird in Schritt 110 das Opferoxid 60 entfernt, zum Beispiel auf eine nasschemische Art und Weise, und anschließend wird in Schritt 112 die endgültige dielektrische Schicht 24, 24a aufgewachsen. Anschließend in Schritt 114 werden die Gräben 26, 26a mit dem gewünschten Elektrodenmaterial, z. B. n-dotiertem Poly-Si, für die Steuerelektroden 22, 22a gefüllt.
  • Die 6a-d stellen eine beispielhafte Implementierung des Verfahrens „B“ (200) der Fertigung der Steuerelektroden in jeweiligen Gräben 26, 26a und den zusätzlichen Dotierungsgebieten 28, 28a in einem Halbleitersubstrat 14 dar, zum Beispiel als eine beispielhafte Sequenz eines Front-End-of-Line(FEOL)-Prozesses.
  • In Schritt 202 sind die Gräben 26, 26a z. B. mittels eines DRIE-Prozesses (DRIE = Deep reactive-ion etching, tiefe reaktive Ionenätzung; oder ein Bosch-Prozess) erzeugt worden. Anschließend wird eine geeignete Vorbehandlung durchgeführt, z. B. Säubern der Oberfläche und Aushärten von Kristalldefekten. Dann wird in Schritt 204 eine Schicht einschließlich des gewünschten Dotierungselements epitaktisch in den Gräben 26, 26a aufgewachsen. Optional kann ein weiterer thermischer Prozess folgen. Anschließend wird in Schritt 206 das endgültige Dielektrikum 24, 24a aufgewachsen. Anschließend in Schritt 208 werden die Gräben 26, 26a mit dem gewünschten Elektrodenmaterial, z. B. n-dotiertem Poly-Si, für die Steuerelektroden 22, 22a gefüllt.
  • Die 7a-g stellen eine beispielhafte Implementierung des Verfahrens „C“ (300) der Fertigung der Steuerelektroden in jeweiligen Gräben 26, 26a und den zusätzlichen Dotierungsgebieten 28, 28a in einem Halbleitersubstrat 14 dar, zum Beispiel als eine beispielhafte Sequenz eines Front-End-of-Line(FEOL)-Prozesses.
  • In Schritt 302 sind die Gräben 26, 26a z. B. mittels eines DRIE-Prozesses (DRIE = Deep reactive-ion etching, tiefe reaktive Ionenätzung; oder ein Bosch-Prozess) erzeugt worden. Anschließend wird eine geeignete Vorbehandlung durchgeführt, z. B. Säubern der Oberfläche und Aushärten von Kristalldefekten. Dann wird in Schritt 304 ein Oxid 62 an den Seitenwänden der Gräben 26, 26a aufgewachsen. Dann werden in Schritt 306 die Gräben 26, 26a mit einem Material 64 einschließlich des gewünschten Dotierungselements gefüllt. Anschließend folgt in Schritt 308 ein thermischer Prozess, der zum Ausdiffundieren des Dotierstoffes in die Seitenwände der Gräben 26, 26a dient. Anschließend werden in Schritt 310 sowohl das Material 64, mit dem die Gräben 26, 26a gefüllt worden sind, als auch das Oxid 62 an den Seitenwänden der Gräben 26, 26a zum Beispiel auf eine nasschemische Art und Weise entfernt. Anschließend wird in Schritt 312 die endgültige dielektrische Schicht 24, 24a aufgewachsen. Anschließend in Schritt 314 werden die Gräben 26, 26a mit dem gewünschten Elektrodenmaterial, z. B. n-dotiertem Poly-Si, für die Steuerelektroden 22, 22a gefüllt.
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang einer Einrichtung beschrieben worden sind, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Sinngemäß repräsentieren im Zusammenhang eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Gegenstands oder Merkmals einer entsprechenden Einrichtung. Manche oder alle der Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardwareeinrichtung, wie zum Beispiel eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder eines elektronischen Schaltkreises, ausgeführt werden. Bei manchen Ausführungsformen können ein oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Einrichtung ausgeführt werden.

Claims (26)

  1. Optische Sensoreinrichtung (10; 10a; 10b; 10c; 10d), die Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat (14), das ein Umwandlungsgebiet (16) zum Umwandeln eines elektromagnetischen Signals (12) in photoerzeugte Ladungsträger (18) umfasst; einen Ausleseknoten (20), der konfiguriert ist zum Auslesen eines ersten Teils der photoerzeugten Ladungsträger (18); eine Steuerelektrode (22); ein Dotierungsgebiet (28) im Halbleitersubstrat (14) zwischen der Steuerelektrode (22) und dem Umwandlungsgebiet (16), wobei das Dotierungsgebiet (28) an die Steuerelektrode angrenzt und sich in das Halbleitersubstrat (14) erstreckt, wobei das Dotierungsgebiet (28) einen Dotierungstyp aufweist, der sich vom Ausleseknoten (20) unterscheidet, und wobei das Dotierungsgebiet (28) eine Dotierungskonzentration aufweist, so dass das Dotierungsgebiet (28) während des Betriebs verarmt bleibt.
  2. Optische Sensoreinrichtung (10; 10a; 10b; 10c; 10d) nach Anspruch 1, wobei die Dotierungskonzentration des Dotierungsgebiets (28) um einen Faktor geringer als 1000 höher als die Dotierungskonzentration des Umwandlungsgebiets (16) ist.
  3. Optische Sensoreinrichtung (10; 10a; 10b; 10c; 10d) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuerelektrode (22) vom Halbleitersubstrat (14) durch ein Isoliermaterial (24) getrennt ist.
  4. Optische Sensoreinrichtung (10a; 10b; 10d) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei sich die Steuerelektrode lateral auf einem Oberflächenbereich (14a) des Halbleitersubstrats (14) erstreckt und wobei das Dotierungsgebiet (28) im Halbleitersubstrat (14) an die sich lateral erstreckende Steuerelektrode angrenzt.
  5. Optische Sensoreinrichtung (10a; 10b; 10d) nach Anspruch 4, wobei die sich lateral erstreckende Steuerelektrode mehrere sich lateral erstreckende Steuerelektrodenabschnitte umfasst.
  6. Optische Sensoreinrichtung (10a; 10b; 10d) nach Anspruch 5, die ferner ein flaches dotiertes Gebiet (29) zwischen sich lateral erstreckenden Steuerelektrodenabschnitten umfasst, wobei das flache dotierte Gebiet (29) eine höhere Dotierungskonzentration als das Dotierungsgebiet (28) aufweist.
  7. Optische Sensoreinrichtung (10a; 10b; 10d) nach Anspruch 6, wobei das Dotierungsgebiet (28) eine Spitzendotierungskonzentration zwischen 5E14 und 5E17 Atomen/cm3 aufweist und das flache dotierte Gebiet (29) eine Spitzendotierungskonzentration im Bereich zwischen 5E17 und 5 E21 Atomen/cm3 aufweist.
  8. Optische Sensoreinrichtung (10; 10d; 10c) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerelektrode (22) in einem sich in das Halbleitersubstrat (14) erstreckenden Graben (26) ausgebildet ist und wobei das Dotierungsgebiet (28) an den Graben (26) angrenzt.
  9. Optische Sensoreinrichtung (10; 10c; 10d) nach Anspruch 8, wobei das Dotierungsgebiet (28) zwischen der Steuerelektrode (22) und dem Umwandlungsgebiet (16) angeordnet ist und wobei das Dotierungsgebiet (28) angeordnet ist, an den Graben (26) anzustoßen.
  10. Optische Sensoreinrichtung (10; 10c; 10d) nach Anspruch 8 oder 9, wobei in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats (14) eine laterale Ausdehnung (d28) des Dotierungsgebiets (28) geringer als 20% einer lateralen Ausdehnung (d16) des Umwandlungsgebiets (16) ist.
  11. Optische Sensoreinrichtung (10c; 10d) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die ferner Folgendes umfasst: einen weiteren Ausleseknoten (20a), der konfiguriert ist zum Auslesen eines zweiten Teils der photoerzeugten Ladungsträger (18), eine weitere Steuerelektrode (22a), die in einem weiteren Graben (26a), der sich in das Halbleitersubstrat (14) erstreckt, ausgebildet ist; und ein weiteres Dotierungsgebiet (28a) im Halbleitersubstrat (14), wobei das weitere Dotierungsgebiet (28a) an den weiteren Graben (26a) angrenzt und wobei das weitere Dotierungsgebiet (28a) einen Dotierungstyp aufweist, der sich vom Ausleseknoten (20) unterscheidet; wobei das weitere Dotierungsgebiet (28a) eine Dotierungskonzentration aufweist, so dass das weitere Dotierungsgebiet (28a) während des Betriebs verarmt bleibt.
  12. Optische Sensoreinrichtung (10c; 10d) nach Anspruch 11, wobei das weitere Dotierungsgebiet (28a) angeordnet ist, an den weiteren Graben (26a) anzustoßen.
  13. Optische Sensoreinrichtung (10c; 10d) nach Anspruch 11 oder 12, wobei in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats das Umwandlungsgebiet (16) zwischen der Steuerelektrode (22) und der weiteren Steuerelektrode (22a) angeordnet ist.
  14. Optische Sensoreinrichtung (10c; 10d) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das weitere Dotierungsgebiet (28a) eine Dotierungskonzentration aufweist, so dass das weitere Dotierungsgebiet (28a) während des Betriebs verarmt bleibt.
  15. Optische Sensoreinrichtung (10c; 10d) nach Anspruch 14, wobei das Dotierungsgebiet (28) und das weitere Dotierungsgebiet (28a) die gleiche Dotierungskonzentration aufweisen.
  16. Optische Sensoreinrichtung (10c; 10d) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats die laterale Ausdehnung (d28) des Dotierungsgebiets (28) und die laterale Ausdehnung d28a des weiteren Dotierungsgebiets (28a) geringer als 20% des Abstands zwischen zwei Gräben (26, 26a) ist.
  17. Optische Sensoreinrichtung (10; 10c; 10d) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats die Steuerelektrode (22) und die weitere Steuerelektrode (22a) und der Ausleseknoten (20) und der weitere Ausleseknoten (20a) symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse angeordnet sind.
  18. Optische Sensoreinrichtung (10; 10c; 10d) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Dotierungsgebiet (28) ein p-dotiertes Halbleitermaterial umfasst und wobei die Steuerelektrode (22) und die weitere Steuerelektrode (22a) ein n+-dotiertes Polysiliziummaterial als leitfähiges Elektrodenmaterial umfassen.
  19. Optische Sensoreinrichtung (10; 10c; 10d) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei das Dotierungsgebiet (28) ein n-dotiertes Halbleitermaterial umfasst und wobei die Steuerelektrode (22) und die weitere Steuerelektrode (22a) ein p+-dotiertes Polysiliziummaterial als leitfähiges Elektrodenmaterial umfassen.
  20. Optische Sensoreinrichtung (10; 10d; 10c) nach einem der Ansprüche 8 bis 19, wobei die Steuerelektrode (22) mehrere Steuerelektrodenabschnitte umfasst, die in mehreren sich in das Halbleitersubstrat (14) erstreckenden Gräben (26) ausgebildet sind, und wobei die Dotierungsgebiete (28) an die mehreren Gräben (26) angrenzen.
  21. Verfahren zum Detektieren einer Laufzeit eines elektromagnetischen Signals (12) mit der optischen Sensoreinrichtung (10; 10a; 10b; 10c; 10d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektromagnetische Signal (12) in das Umwandlungsgebiet (16) eintritt, mit folgenden Schritten: Anlegen eines variierendes Potenzial mit einer Steuerung (40) an die Steuerelektrode (22), um elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet (16) zu erzeugen, durch die die photoerzeugten Ladungsträger (18) im Umwandlungsgebiet (16) in Abhängigkeit von einer Laufzeit des elektromagnetischen Signals (12) in unterschiedliche Richtungen zum Dotierungsgebiet (28) hin gerichtet werden; und Detektieren eines ersten Teils der gerichteten Ladungsträger (18) mit dem Ausleseknoten (20).
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das variierende Potenzial ein Demodulationssignal mit einer festen Phasenbeziehung mit einem Modulationssignal ist, mit dem das elektromagnetische Signal (12) moduliert wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, ferner mit folgendem Schritt: Detektieren eines ersten Teils der gerichteten Ladungsträger (18) an dem Ausleseknoten (20).
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei der erste Teil der photoerzeugten Ladungsträger temporär im Dotierungsgebiet (28) für mindestens einen vollständigen Zyklus des variierenden Potenzials gespeichert wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, ferner mit folgendem Schritten: Anlegen von variierenden elektrischen Potenzialen mit einer Phasenverschiebung im Vergleich zu den an der weiteren Steuerelektrode (22a) angelegten variierenden elektrischen Potenzialen an der Steuerelektrode (22) mit der Steuerung (40), um elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet zu erzeugen, durch die die photoerzeugten Ladungsträger (18) im Umwandlungsgebiet (16) in Abhängigkeit von der Laufzeit des elektromagnetischen Signals (12) gerichtet werden; und Detektieren des zweiten Teils der gerichteten Ladungsträger (18a) an dem weiteren Ausleseknoten (20a).
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, ferner mit folgendem Schritt: Bestimmen der Laufzeit des elektromagnetischen Signals (12) mit der Steuerung (40) basierend auf einer Beziehung der Anzahl von Ladungsträgern (18), die am Ausleseknoten (20) gesammelt werden, und/oder der Anzahl von Ladungsträgern (18), die am weiteren Ausleseknoten (20a) gesammelt werden.
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