DE102019100461B4 - Light travel time pixels - Google Patents

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DE102019100461B4 DE102019100461.6A DE102019100461A DE102019100461B4 DE 102019100461 B4 DE102019100461 B4 DE 102019100461B4 DE 102019100461 A DE102019100461 A DE 102019100461A DE 102019100461 B4 DE102019100461 B4 DE 102019100461B4
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Abstract

Lichtlaufzeitpixel, mit:einem Nutzkanal (A)einem Sammelknoten (SKA) im Nutzkanal (A),einem Transfergate (TG A), der dem Sammelknoten (SKA) zugeordnet ist,mit einem Speicherknoten (SPKA), der dem Transfergate (TG A) zugeordnet ist,mit einem Separationsgate (SEP A), der dem Speicherknoten (SPK A) zugeordnet ist,sowie einem Verwerfkanal mit einem Verwerfknoten (VK),mit einem Verwerfknoten-Separationsgate (SEP VK), der dem Verwerfknoten (VK) zugeordnet ist,wobei zwischen den Separationsgate (SEP A) und dem Verwerfknoten-Separationsgate (SEP VK) ein lichtaktiver, elektrisch modulierbarer Bereich (MOD A, B, C) angeordnet ist.Light time of flight pixel, with: a useful channel (A) a collection node (SKA) in the useful channel (A), a transfer gate (TG A) which is assigned to the collection node (SKA), with a storage node (SPKA) which is assigned to the transfer gate (TG A) is assigned, with a separation gate (SEP A), which is assigned to the storage node (SPK A), and a discard channel with a discard node (VK), with a discard node separation gate (SEP VK), which is assigned to the discard node (VK), wherein a light-active, electrically modulable area (MOD A, B, C) is arranged between the separation gate (SEP A) and the rejection node separation gate (SEP VK).

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitpixel nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a time-of-flight pixel according to the preamble of the independent claim.

Mit Lichtlaufzeitpixel sollen hier insbesondere Pixel umfasst sein, die Entfernungen aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeitpixel bzw. 3D-Pixel, TOF-Pixel sind insbesondere PMD-Pixel mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in der DE 197 04 496 A1 beschrieben sind. Die Pixel kommen insbesondere in 3D-Kameras zum Einsatz, wie sie beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic GmbH‘ oder ‚pmdtechnologies ag‘ als O3D-Kamera bzw. als CamBoard zu beziehen sind.Light transit time pixels are intended here to include, in particular, pixels that obtain distances from the phase shift of an emitted and received radiation. PMD pixels with photomixing detectors (PMD), as described in the DE 197 04 496 A1 are described. The pixels are used in particular in 3D cameras, such as those available from the company 'ifm electronic GmbH' or 'pmdtechnologies ag' as O3D cameras or as CamBoards.

2D Imager / Bildsensoren verwenden verschiedene Strukturen zum Zweck der kTC-Rauschunterdrückung mittels CDS (correlated double sampling, korrelierten Doppelabtastung) im global shutter Betrieb. Aus der US 7361877 B2 sind entprechenden Pixel bekannt, die eine zusätzliche „pinned diode‟ als Zwischenspeicher aufweisen, welcher rauschfrei ausgelesen werden kann.2D imagers / image sensors use different structures for the purpose of kTC noise reduction using CDS (correlated double sampling) in global shutter operation. From the US 7361877 B2 Corresponding pixels are known that have an additional “pinned diode” as a buffer, which can be read out noise-free.

Ferner sind aus der Veröffentlichung: S. Velichko et al., IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 63, NO. 1, JANUARY 2016, „CMOS Global Shutter Charge Storage Pixels With Improved Performance“ (DOI: 10.1109/ TED.2015.2443495) auch Formen bekannt, die eine Kombination von pinned diode mit Photogate aufweisen.Furthermore, from the publication: S. Velichko et al., IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 63, NO. 1, JANUARY 2016, “CMOS Global Shutter Charge Storage Pixels With Improved Performance” (DOI: 10.1109/ TED.2015.2443495) also known forms that have a combination of pinned diode with photogate.

Aus der DE 10 2016 211 053 A1 ist eine Pixelzelle für einen Lichtlauzeitsensor mit einem photonischen Mischelement bekannt. Das photonische Mischelement umfasst einen Nutzkanal, einen dort angeordneten Sammelknoten, ein dem Sammelknoten zugeordnetes Transfergate, einen dem Transfergate zugeordneten Speicherknoten, und ein Separationsgate, das dem Speicherknoten zugeordnet ist. Das photonische Mischelement weist mehrere pinnende Dioden zur Akkumulation von Ladungsträgern in einem maskierten Pixelbereich auf.From the DE 10 2016 211 053 A1 a pixel cell for a light duration sensor with a photonic mixing element is known. The photonic mixing element comprises a useful channel, a collection node arranged there, a transfer gate assigned to the collection node, a storage node assigned to the transfer gate, and a separation gate assigned to the storage node. The photonic mixing element has several pinning diodes for accumulating charge carriers in a masked pixel area.

Die DE 10 2015 223 674 A1 und die DE 10 2015 223 675 A1 beschreiben jeweils einen Lichtlaufzeitsensor für einen optischen Entfernungsmesser, mit mehreren Auslesefingern für einen A- und B-Kanal, wobei ein jeweiliger Ausleseknoten wenigstens einen Diodenknoten aufweist. Die dort beschriebenen photonischen Mischelemente können ebenfalls eine Struktur umfassend einen Nutzkanal mit einem Speicherknoten und ein dem Speicherknoten zugeordnetes Separationsgate aufweisen.The DE 10 2015 223 674 A1 and the DE 10 2015 223 675 A1 each describe a time-of-flight sensor for an optical rangefinder, with several readout fingers for an A and B channel, with a respective readout node having at least one diode node. The photonic mixing elements described there can also have a structure comprising a useful channel with a storage node and a separation gate assigned to the storage node.

Aus der EP 2 978 216 B1 ist ein Verfahren zur Erkennung von Bewegungsunschärfe bei der sensorischen Erfassung eines Objektes bekannt, wobei ein Lichtlaufzeitsensor beschrieben ist, welcher einen Nutzkanal, sowie ein Anti-Blooming-Gate umfasst.From the EP 2 978 216 B1 a method for detecting motion blur during the sensory detection of an object is known, wherein a time-of-flight sensor is described, which includes a useful channel and an anti-blooming gate.

Die WO 2017/ 006 781 A1 offenbart einen Photodetektor, welcher ebenfalls einen Nutzkanal und ein Anti-Blooming-Gate umfasst.The WO 2017/ 006 781 A1 discloses a photodetector which also includes a useful channel and an anti-blooming gate.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Dynamikumfang eines Lichtlaufzeitpixel zu verbessern.The object of the invention is to improve the dynamic range of a time-of-flight pixel.

Die Aufgabe wird durch ein Lichtlaufzeitpixel gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The task is solved by a time-of-flight pixel according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitpixel vorgesehen, mit einem Nutzkanal
einem Sammelknoten im Nutzkanal,
einem Transfergate, der dem Sammelknoten zugeordnet ist,
mit einem Speicherknoten, der dem Transfergate zugeordnet ist,
mit einem Separationsgate, der dem Speicherknoten zugeordnet ist,
sowie einem Verwerfkanal mit einem Verwerfknoten
und mit einem Verwerfknoten-Separationsgate (SEP VK), der dem Verwerfknoten (VK) zugeordnet ist,
wobei zwischen den Separationsgate (SEP) und dem Verwerfknoten-Separationsgate (SEP VK) ein lichtaktiven, elektrisch modulierbaren Bereich (MOD A, B C) angeordnet ist.
A light transit time pixel is advantageously provided with a useful channel
a collection node in the useful channel,
a transfer gate that is assigned to the collection node,
with a storage node assigned to the transfer gate,
with a separation gate associated with the storage node,
and a fault channel with a fault node
and with a discard node separation gate (SEP VK) associated with the discard node (VK),
wherein a light-active, electrically modulable region (MOD A, BC) is arranged between the separation gate (SEP) and the rejection node separation gate (SEP VK).

Ferner ist ein Lichtlaufzeitpixel vorgesehen, bei dem der Sammelknoten (SK) als Diode ausgelegt ist.Furthermore, a light transit time pixel is provided, in which the collecting node (SK) is designed as a diode.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Lichtlaufzeitpixel vorgesehen, bei dem der Speicherknoten (SPK) als gepinnte Photodiode ausgelegt ist.In a further embodiment, a time-of-flight pixel is provided, in which the storage node (SPK) is designed as a pinned photodiode.

Vorteilhaft liegt der Verwerfknoten dauerhaft auf einem Bezugspotenzial, insbesondere auf dem Reset-Potenzial.The rejection node is advantageously permanently at a reference potential, in particular at the reset potential.

Vorteilhaft ist ferner ein Lichtlaufzeitpixel vorgesehen, bei dem zusätzlich an den elektrisch modulierbaren Bereich (MOD A, B) eine MOS-Trennkapazität (SEP VK) sowie ein Verwerfknoten (VK) eingefügt sind.A time-of-flight pixel is also advantageously provided, in which a MOS isolation capacitance (SEP VK) and a rejection node (VK) are additionally inserted into the electrically modulable area (MOD A, B).

Weiterhin wird ein Lichtlaufzeitpixel vorgeschlagen, bei dem ein zweiter Sammelknoten (SK B) als Verwerfknoten (VK B) ausgelegt ist,
mit einem zusätzlichen Modulationsknoten (SEP VK) der den lichtaktiven modulierbaren Bereich vom Verwerfknoten trennt.
Furthermore, a light travel time pixel is proposed, in which a second collection node (SK B) is designed as a rejection node (VK B),
with an additional modulation node (SEP VK) that separates the light-active modulated area from the rejection node.

Insbesondere ist von Vorteil ein Lichtlaufzeitpixel vorzusehen, bei dem die Pixelkanäle (A, B) mit den dazugehörigen Sammelknoten (SK A, B) diagonal nahe der Ecken des Pixels angeordnet sind, wobei die Transfergates (TG), Speicherknoten (SPK), Separationsgates (SEP) und lichtaktiven modulierbaren Bereiche (MOD A, B) ebenfalls eine diagonale Anordnung zwischen den Sammelknoten (SK A, B) aufweisen.In particular, it is advantageous to provide a time-of-flight pixel in which the pixel channels (A, B) with the associated collection nodes (SK A, B) are arranged diagonally near the corners of the pixel, with the transfer gates (TG), storage nodes (SPK), separation gates ( SEP) and light-active modulable areas (MOD A, B) also have a diagonal arrangement between the collecting nodes (SK A, B).

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ein Lichtlaufzeitpixel zur Verfügung gestellt werden kann, bei dem der lichtempfindliche Bereich gegenüber herkömmlichen Pixeln größer ausgelegt ist und somit der Füllfaktor verbessert werden kannThis approach has the advantage that a time-of-flight pixel can be provided in which the light-sensitive area is larger than conventional pixels and the fill factor can thus be improved

Besonders nützlich ist es, wenn das Pixel von der Rückseite beleuchtet wird.It is particularly useful when the Pixel is illuminated from the back.

Vorteilhaft ist auch ein Bildsensor mit den vorgenannten Lichtlaufzeitpixeln vorgesehen, bei dem die Pixel matrixförmig angeordnet sind.An image sensor with the aforementioned time-of-flight pixels is also advantageously provided, in which the pixels are arranged in a matrix.

Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines vorgenannten Lichtlaufzeitpixels bzw. Bildsensors als CDS-fähiges Time of Flight Pixel mit global shutter Funktion vorgesehen. Das Verfahren lässt sich in drei Phasen unterteilen: Integration, Integrationsende, Reset und Auslese. Woraus sich ein global shutter-Betrieb durch Verwendung eines Speicherknotens SPK und eines Separationsknotens SEP realisieren lässt.A method for operating an aforementioned time-of-flight pixel or image sensor as a CDS-capable time of flight pixel with a global shutter function is particularly advantageously provided. The process can be divided into three phases: integration, end of integration, reset and readout. From which global shutter operation can be implemented by using a storage node SPK and a separation node SEP.

Integration: Bei der Integration werden die Ladungsträger unter dem Speicherknoten SPK (SPK: hohe Spannung, TG: niedrige Spannung, SEP: mittlere Spannung) gesammelt, wobei die Spannungen am Speicherknoten VSPK, am Separationsknoten VSEP und Transfergate VTG wie folgt eingestellt sind: VSPK > VSEP > VTG. Integration: During integration, the charge carriers are collected under the storage node SPK (SPK: high voltage, TG: low voltage, SEP: medium voltage), with the voltages at the storage node V SPK , at the separation node V SEP and transfer gate V TG set as follows : V SPK > V SEP > V TG .

Integrationsende: Zur Beendigung der Integration wird am Separationsgate SEP eine niedrige Spannung VSEP_int_ende < VSEP_int angelegt, um den Speicherknoten von den lichtaktiven Modulationsgates (MOD A, B, C) abzutrennen (global shutter Betrieb).End of integration: To end the integration, a low voltage V SEP_int_ende < V SEP_int is applied to the separation gate SEP in order to separate the storage node from the light-active modulation gates (MOD A, B, C) (global shutter operation).

Reset und Auslese: Bei der Auslese wird zunächst der Sammelknoten SK mit einer hohen Spannung VSK beaufschlagt. Diese Reset-Spannung SReset wird ausgelesen und in einer CDS-Stufe zwischengespeichert (SReset).Reset and readout: During the readout, the collecting node SK is first subjected to a high voltage V SK . This reset voltage S Reset is read out and buffered in a CDS stage (S Reset ).

Danach wird das Transfergate TG geöffnet (TG hohe Spannung, (VTG > VSPK)), so dass alle unter dem Speicherknoten (SPK) gesammelten Ladungsträger vollständig in den Sammelknoten SK transferiert werden.The transfer gate TG is then opened (TG high voltage, (V TG > V SPK )), so that all charge carriers collected under the storage node (SPK) are completely transferred to the collection node SK.

Der Sammelknoten wird nun ein zweites Mal ausgelesen (SSignal). Durch Differenzbildung mit dem in der CDS Stufe gespeicherten Initialwert (SReset - Ssignal) kann das zeitliche Rauschen (kTC-Rauschen) eliminiert werden.The collecting node is now read out a second time (S signal ). By forming the difference with the initial value stored in the CDS stage (S Reset - S signal ), the temporal noise (kTC noise) can be eliminated.

Ferner ist es vorgesehen, dass während aller vorgenannten Schritte der Verwerfknoten auf ein Bezugspotenzial (VReset) und das zugehörige Verwerfknoten-Separationsgate (SEP VK) auf ein festes positives Potential VSEP VK mit VMOD < VSEP VK < VVK. liegt.Furthermore, it is provided that during all of the aforementioned steps the reject node is set to a reference potential (V Reset ) and the associated reject node separation gate (SEP VK) is set to a fixed positive potential V SEP VK with V MOD <V SEP VK <V VK . lies.

Durch dieses Vorgehen wird der Betrieb als Global Shutter Pixel durch die Kombination des Speicherknoten als zusätzlichen temporären Zwischenspeicher in Kombination mit dem Separationsgate als Abtrennvorrichtung für diesen Speicherknoten gewährleistet.This procedure ensures operation as a global shutter pixel by combining the storage node as an additional temporary buffer in combination with the separation gate as a separation device for this storage node.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch:

  • 1 ein Lichtlaufzeit-Pixel, das zur Verwendung einer CDS Auslese im global shutter Betrieb ausgebildet ist,
  • 2 einen typischen zeitlichen Verlauf der angelegten Spannungen, wobei die Spannung am Speicherknoten dauerhaft konstant bleibt,
  • 3 einen typischen zeitlichen Verlauf der angelegten Spannungen, wobei die von außen angelegte Spannung am Speicherknoten unmittelbar vor dem Transfer der Ladungsträger auf den Sammelknoten reduziert wird,
  • 4 einen typischen Potentialverlauf im Silizium während der Integration und der Auslese,
  • 5 ein Füllfaktor optimiertes Speichergate-Pixel in Diagonalanordnung ohne Verwerfknoten,
  • 6 eine Ausführung eines one-tap-Pixels mit Nutz- und Vewerfkanal,
  • 7 einen Potentialverlauf des one-tap-Pixel gemäß 6,
  • 8 einen zeitlichen Verlauf der angelegten Spannungen an einem erfindungsgemäßen one-tap-Pixel.
It shows schematically:
  • 1 a light travel time pixel that is designed to use a CDS readout in global shutter operation,
  • 2 a typical time course of the applied voltages, whereby the voltage at the storage node remains permanently constant,
  • 3 a typical time course of the applied voltages, whereby the externally applied voltage at the storage node is reduced immediately before the charge carriers are transferred to the collection node,
  • 4 a typical potential curve in the silicon during integration and readout,
  • 5 a fill factor optimized memory gate pixel in a diagonal arrangement without discard nodes,
  • 6 a version of a one-tap pixel with useful and discard channel,
  • 7 a potential curve of the one-tap pixel 6 ,
  • 8th a time course of the voltages applied to a one-tap pixel according to the invention.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference numbers designate the same or comparable components.

Die Erfindung basiert auf folgende Überlegungen: Durch den Einsatz zusätzlicher unbeleuchteter Photogates können photogenerierte Elektronen in der Ladungsdomäne gespeichert werden. Diese Zwischenspeicherung der Ladungsträger in der Ladungsdomäne, statt der typischen Integration in einer Diode, ermöglicht eine korrelierte Doppelabtastung und damit die Eliminierung des kTC Rauschens. Durch die Integration des als Photogate ausgeführten Zwischenspeichers ist darüber hinaus ein „global shutter‟ Betrieb möglich. Dabei fungiert das Separationsgate als Potentialbarriere um den global shutter Betrieb zu ermöglichen. Darüber hinaus werden für diesen Pixeltyp Füllfaktor-optimierte Layoutvarianten und verschiedene Betriebsmodi vorgeschlagen.The invention is based on the following considerations: By using additional unlit teter photogates, photogenerated electrons can be stored in the charge domain. This intermediate storage of the charge carriers in the charge domain, instead of the typical integration in a diode, enables correlated double sampling and thus the elimination of kTC noise. By integrating the buffer designed as a photogate, “global shutter” operation is also possible. The separation gate acts as a potential barrier to enable global shutter operation. In addition, fill factor optimized layout variants and different operating modes are suggested for this pixel type.

Die Messgenauigkeit eines üblichen PMD Pixels kann insbesondere bei geringen Beleuchtungsstärken oder hohen zu messenden Abständen durch das kTC Rauschen limitiert sein. Dieser Rauschbetrag kann nahezu vollständig durch eine korrelierte Doppelabtastung eliminiert werden. Darüber hinaus bietet die Auslese im global shutter Betrieb, im Vergleich zum rolling shutter Betrieb, einen entscheidenden Vorteil. Im global shutter Betrieb können Bewegungsartefakte vermieden werden. Somit werden im global shutter mode auch sich schnell bewegende Szenenelemente (z.B. Rotorblätter von Ventilatoren) unverzerrt und scharf.The measurement accuracy of a usual PMD pixel can be limited by the kTC noise, especially at low illuminances or large distances to be measured. This amount of noise can be almost completely eliminated by correlated double sampling. In addition, the selection in global shutter operation offers a decisive advantage compared to rolling shutter operation. In global shutter operation, movement artifacts can be avoided. This means that in global shutter mode, even fast-moving scene elements (e.g. fan rotor blades) are undistorted and sharp.

Eine mögliche Ausgestaltung ist in 1 dargestellt, bestehend aus folgenden Bestandteilen, welches eine CDS-Auslese im global shutter Betrieb ermöglicht:

  1. 1. Mindestens einen Sammelknoten (SK)
  2. 2. Mindestens ein Transfergate (TG), zu diesem Sammelknoten gehörig
  3. 3. Mindestens ein Speicherknoten (SPK), zu diesem Sammelknoten gehörig
  4. 4. Mindestens ein Separationsgate (SEP), zu diesem Sammelknoten gehörig
  5. 5. Mindestens einen lichtaktiven, elektrisch modulierbaren Bereich (MOD), zu diesem Sammelknoten gehörig (Modulationsgates MOD in verschiedenen Ausführungen)
A possible embodiment is in 1 shown, consisting of the following components, which enables CDS readout in global shutter operation:
  1. 1. At least one collection node (SK)
  2. 2. At least one transfer gate (TG) belonging to this collection node
  3. 3. At least one storage node (SPK) belonging to this collection node
  4. 4. At least one separation gate (SEP) belonging to this collection node
  5. 5. At least one light-active, electrically modulable area (MOD) belonging to this collecting node (modulation gates MOD in various versions)

Ein zusätzliches unbeleuchtetes Photogate bzw. ein Speicherknoten SPK und das dazugehörige Transfergate TG pro Kanal A, B werden jeweils zwischen dem beleuchteten Mischerbereich (Modulationsgates) MOD A, MOD B bzw. dem Separationsgate und dem entsprechenden Sammelknoten SK angeordnet. Die zusätzlichen Gates Transfergate TG und Speicherknoten SPK können mit einer individuell einstellbaren Spannung belegt werden. Der zusätzliche Speicherknoten SPK wird typischerweise mit einer konstanten Spannung belegt um die Akkumulation von Ladungsträgern unter diesem Gate SPK zu ermöglichen.An additional unilluminated photogate or a storage node SPK and the associated transfer gate TG per channel A, B are each arranged between the illuminated mixer area (modulation gates) MOD A, MOD B or the separation gate and the corresponding collection node SK. The additional gates transfer gate TG and storage node SPK can be assigned an individually adjustable voltage. The additional storage node SPK is typically assigned a constant voltage to enable the accumulation of charge carriers under this gate SPK.

Nach Abschluss der Integrationszeit tint werden die so gesammelten Ladungsträger über das Transfergate TG in den Sammelknoten SK transferiert. Der Transfer der Elektronen erfolgt rauschfrei. Gleichzeitig kann die Gatekapazität vollständig entleert werden. Der rauschfreie Transfer und die vollständige Entleerung der Kapazität ermöglichen eine vorteilhafte Kombination des aktuellen PMD Designs mit einer CDS Auslese.After the integration time t int has been completed, the charge carriers collected in this way are transferred to the collection node SK via the transfer gate TG. The electrons are transferred noise-free. At the same time, the gate capacity can be completely drained. The noise-free transfer and the complete emptying of the capacity enable an advantageous combination of the current PMD design with a CDS readout.

Die vorhandenen Separationsgates SEP werden nach der Integration auf 0V gesetzt und verhindern so eine weitere Akkumulation von Ladungsträgern unter dem unbeleuchteten Speicherknoten SPK. Damit wird ein global shutter Betrieb der Pixelmatrix ermöglicht.The existing separation gates SEP are set to 0V after integration and thus prevent further accumulation of charge carriers under the unlit storage node SPK. This enables global shutter operation of the pixel matrix.

2 zeigt einen typischen zeitlichen Ablauf der angelegten Spannungen an den Gates TG, SPK, SEP sowie an den Transistoren Reset und Select. Durch das Schalten des Reset-Transistors wird eine definierte Spannung am Sammelknoten SK angelegt. Durch das Schalten des Select-Transistors werden die auszulesenden Pixel ausgewählt und die Pixelspannungen übertragen. 2 shows a typical time sequence of the voltages applied to the gates TG, SPK, SEP and to the transistors Reset and Select. By switching the reset transistor, a defined voltage is applied to the collecting node SK. By switching the select transistor, the pixels to be read are selected and the pixel voltages are transmitted.

Dieses Timing kann in drei Phasen (reset, integration, readout) unterteilt werden. Zu Beginn werden alle im photoaktiven Bereich des Pixels vorhandenen freien Ladungsträger über einen Reset-Schritt entfernt (hohe Spannung an RESET, TG, SPK und SEP). Während der Integration sammeln sich die photogenerierten Ladungsträger unter dem Speicherknoten SPK. Nach der Integration werden alle gesammelten Ladungsträger durch einen Spannungspuls auf das Transfergate TG rauschfrei auf die Diode bzw. Sammelknoten SK transferiert.This timing can be divided into three phases (reset, integration, readout). Initially, all free charge carriers present in the photoactive area of the pixel are removed via a reset step (high voltage at RESET, TG, SPK and SEP). During integration, the photogenerated charge carriers collect under the storage node SPK. After integration, all collected charge carriers are transferred noise-free to the diode or collection node SK by a voltage pulse on the transfer gate TG.

Über einen Vergleich der ausgelesenen Diodenspannung kurz vor dem Ladungstransfer (Zeitpunkt treset) mit der Diodenspannung nach dem Ladungstransfer (Zeitpunkt tsignal) kann das kTC-Rauschen über Differenzbildung eliminiert werden.By comparing the diode voltage read out shortly before the charge transfer (time treset) with the diode voltage after the charge transfer (time tsignal), the kTC noise can be eliminated by forming the difference.

Bei dem zeitlichen Ablauf der Spannungen in 2 bleibt die Spannung am Speicherknoten während der Integration und Auslese der photogenerierten Ladungen konstant.Given the timing of the tensions in 2 the voltage at the storage node remains constant during the integration and readout of the photogenerated charges.

3 zeigt ein Timing, bei dem die Spannung am Speicherknoten unmittelbar vor dem Transfer der Ladungen auf die Diode reduziert wird. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Gesamtzeit für den Transfer reduziert werden kann. Darüber hinaus lässt sich der Spannungsbereich der Diode über einen größeren Bereich ausnutzen. 3 shows a timing at which the voltage at the storage node is reduced immediately before the charges are transferred to the diode. This approach has the advantage that the overall time for the transfer can be reduced. In addition, the voltage range of the diode can be used over a larger range.

4 (oben) zeigt beispielhaft einen Schnitt durch das in 1 gezeigte Pixel. Darunter ist der typische Verlauf des elektrostatischen Potentials im Silizium für die drei Phasen Integration, Integrationsende und Reset, sowie der Auslese dargestellt:

  1. 1. Integration: Bei der Integration sammeln sich alle Ladungsträger unter dem Speicherknoten SPK, während das Transfergate TG eine Potentialbarriere zwischen Speicherknoten SPK und Sammelknoten SK induziert.
  2. 2. Integrationsende und Reset: Zur Beendigung der Integration wird eine Potentialbarriere unter dem Separationsgate SEP induziert und somit die Drift oder Diffusion weiterer Ladungsträgern unter den Speicherknoten SPK verhindert (global shutter Betrieb). Gleichzeitig wird der Sammelknoten SK auf eine definierte (hohe) Spannung gesetzt.
  3. 3. Auslese: Bei der Auslese wird die Barriere unter dem Transfergate TG durch eine Änderung der Spannung reduziert. Dadurch werden alle unter dem Speicherknoten SPK gesammelten Ladungsträger vollständig zum Sammelknoten SK transferiert.
4 (above) shows an example of a section through the in 1 pixels shown. Below is the typical course of the electrostatic potential in Silicon for the three phases integration, end of integration and reset, as well as the readout are shown:
  1. 1. Integration: During integration, all charge carriers collect under the storage node SPK, while the transfer gate TG induces a potential barrier between the storage node SPK and the collection node SK.
  2. 2. End of integration and reset: To end the integration, a potential barrier is induced under the separation gate SEP, thus preventing the drift or diffusion of further charge carriers under the storage node SPK (global shutter operation). At the same time, the collecting node SK is set to a defined (high) voltage.
  3. 3. Readout: During readout, the barrier under the transfer gate TG is reduced by changing the voltage. As a result, all charge carriers collected under the storage node SPK are completely transferred to the collection node SK.

Neben der eben beschriebenen vollständigen Integration unter dem Speicherknoten SK kann das Pixel in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden: Die Teilintegration von Ladungsträgern unter dem Speicherknoten SPK mit Teilintegration im Sammelknoten SK (integration with overflow).In addition to the complete integration under the storage node SK just described, the pixel can be operated in a second operating mode: partial integration of charge carriers under the storage node SPK with partial integration in the collection node SK (integration with overflow).

Beim letztgenannten Fall wird ein Teil der Ladung unter dem Speicherknoten SPK gespeichert. Bei großen Beleuchtungsstärken kommt es aufgrund der endlichen Speicherfähigkeit des Speicherknotens SPK zum Überlaufen und ein Teil der Ladung fließt schon vor dem Ende der Integration in den Sammelknoten SK ab. Hierfür ist die Potentialbarriere unter dem Transfergate TG geringer, als im oben beschriebenen Fall. Dieses Verfahren ermöglicht unterschiedliche Betriebsmodi in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke.In the latter case, part of the charge is stored under the storage node SPK. At high illuminances, due to the finite storage capacity of the storage node SPK, overflow occurs and part of the charge flows away into the collection node SK before the end of the integration. For this purpose, the potential barrier under the transfer gate TG is lower than in the case described above. This procedure enables different operating modes depending on the illuminance.

In allen zuvor genannten Pixelkonfigurationen und Betriebsmodi kann das beschriebene Gate SPK zum Speichern der Ladungsträger (Speicherknoten) durch eine „pinned diode‟, wie sie beispielsweise in 2D Pixeln typischerweise zum Einsatz kommen, ersetzt werden. Der Speicherknoten, ausgeführt als pinned diode, hat im Vergleich zu einem Gate den Vorteil eines geringeren Dunkelstroms und muss nicht extra über eine Spannungszuführung kontaktiert werden.In all of the pixel configurations and operating modes mentioned above, the gate SPK described for storing the charge carriers (storage nodes) can be replaced by a “pinned diode”, such as those typically used in 2D pixels. The storage node, designed as a pinned diode, has the advantage of a lower dark current compared to a gate and does not need to be contacted separately via a voltage supply.

Besonders vorteilhaft ist die PMD-Struktur in einer Diagonale angeordnet, so dass der Füllfaktor optimiert werden kann. Lediglich die Modulationsgates MOD A und B sind transparent für Beleuchtung. Die übrigen Bestandteile des Pixels (SEP, SPK, TG, SK) müssen durch entsprechende Maßnahmen (z.B. Metallbedeckung) abgeschirmt werden. Für einen maximalen Füllfaktor und damit einer maximalen Sensitivität des Pixels ist die lichtaktive Fläche möglichst groß zu halten. Um den Füllfaktor des oben beschriebenen Pixels zu verbessern, aber vor allem um kleinere Pixel-Pitches zu ermöglichen, wurde ein neuer Ansatz der Gates-Anordnung realisiert.The PMD structure is particularly advantageously arranged on a diagonal so that the fill factor can be optimized. Only the modulation gates MOD A and B are transparent for lighting. The remaining components of the pixel (SEP, SPK, TG, SK) must be shielded by appropriate measures (e.g. metal covering). For maximum fill factor and thus maximum sensitivity of the pixel, the light-active area must be kept as large as possible. In order to improve the fill factor of the pixel described above, but above all to enable smaller pixel pitches, a new approach to gate arrangement was implemented.

Das Separationsgate wie auch das Transfergate haben die Aufgabe, Ladungsträger an der Drift in den nächsten Knoten zu hindern. Daher gibt es keine besonderen Anforderungen an deren Fläche, lediglich ihre Länge sollte ausreichen, um die genannte Funktionalität zu ermöglichen. Gleichzeitig muss der Sammelknoten SK A eine minimale Fläche aufweisen, die erforderlich ist, um eine minimal notwendige Anzahl an Ladungsträgern zu speichern. Ordnet man die Gates wie in 1 an, so nehmen die abgeschirmten Gates über die komplette Weite des Pixels Fläche ein. Werden die Gates hingegen auf die Ecken des Pixels geführt, verjüngt sich der Ladungsträgerkanal zum Sammelknoten SK. Die verbrauchte Fläche wird zum Pixelrand geringer. Die für die Modulationsgates zur Verfügung stehende Fläche wird besser ausgenutzt und das Pixel erhält einen höheren Füllfaktor. Gleichzeitig bleibt die „global shutter‟- und CDS-Funktionalität erhalten. 5 zeigt ein konkretes Layout-Beispiel für solch ein Pixel.The separation gate as well as the transfer gate have the task of preventing charge carriers from drifting into the next node. Therefore, there are no special requirements for their area, only their length should be sufficient to enable the functionality mentioned. At the same time, the collection node SK A must have a minimum area that is required to store a minimum necessary number of charge carriers. If you arrange the gates as in 1 the shielded gates cover the entire width of the pixel. If, on the other hand, the gates are guided to the corners of the pixel, the charge carrier channel tapers to the collecting node SK. The area used decreases towards the pixel edge. The area available for the modulation gates is better utilized and the pixel has a higher fill factor. At the same time, the “global shutter” and CDS functionality is retained. 5 shows a concrete layout example for such a pixel.

Um darüber hinaus die photoaktive Fläche weiter zu erhöhen, ist es möglich, statt der Verwendung zweier Kanäle A, B nur einen Kanal A zu verwenden (one-tap pixel). 6 und 7 zeigen bespielhaft jeweils ein konkretes Beispiel für solch ein Pixel mit einem auszuwertenden Nutzkanal A. Hierbei fallen die für einen weiteren Nutzkanal B notwendigen Gates SEP B und TG B und der Speicherknoten SPK B weg. In ähnlichem Maße kann die photoaktive Fläche und damit der Füllfaktor des Pixels gesteigert werden. Hierbei arbeitet der Nutzkanal wie in 4 beschrieben, während der zweite Kanal als Verwerfkanal mit einem Verwerfknoten VK ausgelegt ist. Der Verwerfknoten VK ist über ein Verwerfknoten-Separationsgate SEP VK vom von den Modulatonsgates bzw. dem lichtaktiven und modulierten Bereich abgegrenzt. Der Verwerfknoten liegt vorzugsweise auf einem hohen Bezugspotenzial und hier insbesondere auf dem Resetpotenzial VReset, wobei das Verwerfknoten-Separationsgate vorzugsweise ebenfalls auf einem hohen Potenzial gehalten mit VMOD < VSEP VK < VVK. wird.In order to further increase the photoactive area, it is possible to use only one channel A instead of using two channels A, B (one-tap pixel). 6 and 7 show a concrete example of such a pixel with a useful channel A to be evaluated. In this case, the gates SEP B and TG B and the storage node SPK B, which are necessary for another useful channel B, are omitted. The photoactive area and thus the fill factor of the pixel can be increased to a similar extent. Here the useful channel works as in 4 described, while the second channel is designed as a rejection channel with a rejection node VK. The rejection node VK is separated from the modulation gates or the light-active and modulated area via a rejection node separation gate SEP VK. The reject node is preferably at a high reference potential and here in particular at the reset potential V Reset , with the reject node separation gate preferably also being kept at a high potential with V MOD <V SEP VK <V VK . becomes.

7 zeigt schematisch einen entsprechenden Potenzialverlauf. Der Potenzialverlauf der Integration, Integrationsende und Auslese des ersten Kanals A entsprechen den in 4 gezeigten Verläufen. Der komplementäre Kanal ist erfindungsgemäß hier jedoch als Verwerfknoten VK ausgebildet, der vorzugsweise dauerhaft auf dem Reset-Potenzial VReset liegt. Der Verwerfknoten VK ist weiterhin über ein Verwerfknoten-Separationsgate SEP VK vom übrigen Pixel abgegrenzt, wobei dieses Separationsgate SEP VK vorzugsweise auch dauerhaft auch auf einem hohen Potenzial VSEP VK > VMOD liegt mit VSEP VK < VVK. 7 shows schematically a corresponding potential curve. The potential curve of the integration, end of integration and readout of the first channel A correspond to those in 4 shown courses. According to the invention, however, the complementary channel is designed here as a rejection node VK, which is preferably permanently at the reset potential V Reset . The rejection node VK is still separated from the remaining pixel via a rejection node separation gate SEP VK, this separation gate SEP VK preferably also permanently being at a high potential V SEP VK > V MOD with V SEP VK <V VK .

8 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf der Potenzial an einem erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor, der in Ergänzung zu 3 auch den zeitlichen Potenzialverlauf des Separationsgates SEP VK des Verwerfkanals zeigt. 8th shows an example of a time course of the potential on a time-of-flight sensor according to the invention, which is in addition to 3 also shows the time course of the potential of the separation gate SEP VK of the rejection channel.

Im Unterschied zum Separationsgate SEP A des Nutzkanals A liegt das Verwerfknoten-Separationsgate SEP VK dauerhaft auf einem hohen Potenzial.In contrast to the separation gate SEP A of the useful channel A, the rejection node separation gate SEP VK is permanently at a high potential.

BezugszeichenlisteReference symbol list

AA
Nutzkanal AUsable channel A
SEP VKSEP VK
Verwerfknoten-SeparationsgateDiscard node separation gate
A, B, CA, B, C
Potentiale am ModulationsgatePotentials at the modulation gate
SKSK
Sammelknoten (, Diode)Collector node (, diode)
TGTG
TransfergateTransfergate
SPKSPK
Speicherknoten (Gate, Photogate, Diode, pinned diode)Storage node (gate, photogate, diode, pinned diode)
SEPSEP
SeparationsgateSeparation gate
MODMOD
Modulationsgatemodulation gate
VKVK
Verwerfknoten (Diode)Fault node (diode)

Claims (10)

Lichtlaufzeitpixel, mit: einem Nutzkanal (A) einem Sammelknoten (SKA) im Nutzkanal (A), einem Transfergate (TG A), der dem Sammelknoten (SKA) zugeordnet ist, mit einem Speicherknoten (SPKA), der dem Transfergate (TG A) zugeordnet ist, mit einem Separationsgate (SEP A), der dem Speicherknoten (SPK A) zugeordnet ist, sowie einem Verwerfkanal mit einem Verwerfknoten (VK), mit einem Verwerfknoten-Separationsgate (SEP VK), der dem Verwerfknoten (VK) zugeordnet ist, wobei zwischen den Separationsgate (SEP A) und dem Verwerfknoten-Separationsgate (SEP VK) ein lichtaktiver, elektrisch modulierbarer Bereich (MOD A, B, C) angeordnet ist.Light time of flight pixels, with: a useful channel (A) a collection node (SKA) in the useful channel (A), a transfer gate (TG A) that is assigned to the collection node (SKA), with a storage node (SPKA) assigned to the transfer gate (TG A), with a separation gate (SEP A) that is assigned to the storage node (SPK A), and a fault channel with a fault node (VK), with a discard node separation gate (SEP VK) assigned to the discard node (VK), wherein a light-active, electrically modulable area (MOD A, B, C) is arranged between the separation gate (SEP A) and the rejection node separation gate (SEP VK). Lichtlaufzeitpixel nach Anspruch 1, bei dem der Sammelknoten (SK A) als Diode ausgelegt ist.Light travel time pixels after Claim 1 , in which the collecting node (SK A) is designed as a diode. Lichtlaufzeitpixel nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Speicherknoten (SPK A) als gepinnte Photodiode ausgelegt sind.Light travel time pixels after Claim 1 or 2 , in which the storage node (SPK A) is designed as a pinned photodiode. Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verwerfknoten dauerhaft mit einem Bezugspotenzial (VReset) verbunden ist.Light transit time pixel according to one of the preceding claims, in which the rejection node is permanently connected to a reference potential (V Reset ). Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sammelknoten (SKA) und der Verwerfknoten (VK) diagonal nahe der Ecken des Pixels angeordnet sind, wobei das Transfergate (TG A), der Speicherknoten (SPK A), das Separationsgate (SEP A), der lichtaktive modulierbare Bereich (MOD A, B, C) und das Verwerfknoten-Separationsgate (SEP VK) diagonal zwischen dem Sammelknoten (SKA) und dem Verwerfknoten (VK) ausgereichtet sind.Light time of flight pixel according to one of the preceding claims, in which the collection node (SKA) and the discard node (VK) are arranged diagonally near the corners of the pixel, the transfer gate (TG A), the storage node (SPK A), the separation gate (SEP A) , the light-active modulable area (MOD A, B, C) and the discard node separation gate (SEP VK) are sufficient diagonally between the collection node (SKA) and the discard node (VK). Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Pixel von der Rückseite beleuchtet wird.Time-of-flight pixel according to one of the preceding claims, in which the pixel is illuminated from the back. Bildsensor mit Lichtlaufzeitpixeln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die matrixförmig angeordnet sind.Image sensor with time-of-flight pixels according to one of the preceding claims, which are arranged in a matrix. Lichtlaufzeitkamera mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel oder Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Time-of-flight camera with at least one time-of-flight pixel or image sensor according to one of the preceding claims. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitpixels nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als CDS-fähiges Lichtlaufzeitpixel, eines Bildsensors nach Anspruch 7 mit CDS-fähigen Lichtlaufzeitpixeln oder einer Lichtlaufzeitkamera nach Anspruch 8 mit wenigstens einem CDS-fähigen Lichtlaufzeitpixel oder mit einem Bildsensor mit CDS-fähigen Lichtlaufzeitpixeln mit einer global shutter Funktion, mit den Schritten: - Integration, in dem die Modulationsgates mit einer Modulationsspannung (VMOD) beaufschlagt werden und die Spannungen am Speicherknoten (VSPK), am Separationsgate (VSEP) und Transfergate (VTG) wie folgt eingestellt sind: VSPK > VSEP > VTG. - Integrationsende, in dem am Separationsgate (SEP) in Relation zur Integration eine niedrige Spannung VSEP_int_ende < VSEP_int angelegt wird, um den Speicherknoten (SPK) von den lichtaktiven Modulationsgates (MOD A, B, C) abzutrennen. - Reset und Auslese, in dem zunächst der Sammelknoten mit einer hohen Spannung beaufschlagt wird und die Reset-Spannung (SReset) ausgelesen und in einer CDS-Stufe zwischengespeichert wird, wobei danach das Transfergate (TG) geöffnet (VTG > VSPK) wird, so dass alle unter dem Speicherknoten (SPK) gesammelten Ladungsträger vollständig in den Sammelknoten (SK) transferiert, werden, wobei hiernach der Sammelknoten ein zweites Mal ausgelesen (SSignal) wird und durch Differenzbildung (SReset - Ssignal) mit dem in der CDS Stufe gespeicherten Initialwert das zeitliche Rauschen eliminiert wird, wobei während aller vorgenannten Schritte der Verwerfknoten (VK) auf ein Bezugspotenzial (VReset) und das zugehörige Verwerfknoten-Separationsgate (SEP VK) auf ein festes positives Potential VSEP VK mit VMOD < VSEP VK < VVK. liegt.Method for operating a time-of-flight pixel according to one of the Claims 1 until 6 as a CDS-capable time-of-flight pixel of an image sensor Claim 7 with CDS-capable time-of-flight pixels or a time-of-flight camera Claim 8 with at least one CDS-capable time-of-flight pixel or with an image sensor with CDS-capable light-time pixels with a global shutter function, with the steps: - Integration in which the modulation gates are supplied with a modulation voltage (V MOD ) and the voltages at the storage node (V SPK ), on the separation gate (V SEP ) and transfer gate (V TG ) are set as follows: V SPK > V SEP > V TG . - Integration end, in which a low voltage V SEP_int_ende <V SEP_int is applied to the separation gate (SEP) in relation to the integration in order to separate the storage node (SPK) from the light-active modulation gates (MOD A, B, C). - Reset and readout, in which the collecting node is first subjected to a high voltage and the reset voltage (S Reset ) is read out and buffered in a CDS stage, with the transfer gate (TG) then being opened (V TG > V SPK ) so that all charge carriers collected under the storage node (SPK) are completely transferred to the collection node (SK), whereby the collection node is then read out a second time (S signal ) and by forming the difference (S Reset - S signal ) with the in The initial value stored in the CDS stage eliminates the temporal noise is, whereby during all the aforementioned steps the rejection node (VK) is at a reference potential (V Reset ) and the associated rejection node separation gate (SEP VK) is at a fixed positive potential V SEP VK with V MOD <V SEP VK <V VK . lies. Lichtlaufzeitkamera, die zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens ausgebildet ist.Time-of-flight camera designed to carry out the aforementioned method.
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