DE102020201119A1 - Detector element for a time-of-flight sensor - Google Patents
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Abstract
Detektorelement (10a... 10n) für einen Time-of-Flight-Sensor (100), aufweisend:- wenigstens eine Halbleiterschicht (HL1, HL2), wobei die wenigstens eine Halbleiterschicht (HL1, HL2) ausgebildet ist, wenigstens zwei Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung unter Ausnutzung des wellenlängenselektiven photoelektrischen Effekts zu detektieren, wobei mittels der wenigstens einen Halbleiterschicht (HL1, HL2) wenigstens Nah-Infrarot und eine sichtbare Wellenlänge detektierbar ist; und- jeweils ein mit jeder Halbleiterschicht (HL1, HL2) funktional verbundenes Elektrodenelement (20a-...20b) zum Erfassen eines aus der detektierten elektromagnetischen Strahlung generierten elektrischen Signals.Detector element (10a ... 10n) for a time-of-flight sensor (100), comprising: - at least one semiconductor layer (HL1, HL2), the at least one semiconductor layer (HL1, HL2) being formed, at least two wavelengths more electromagnetic To detect radiation using the wavelength-selective photoelectric effect, at least near-infrared and a visible wavelength being detectable by means of the at least one semiconductor layer (HL1, HL2); and - one electrode element (20a -... 20b) functionally connected to each semiconductor layer (HL1, HL2) for detecting an electrical signal generated from the detected electromagnetic radiation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Detektorelement für einen Time-of-Flight-Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Detektorelements für einen Time-of-Flight-Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt.The invention relates to a detector element for a time-of-flight sensor. The invention also relates to a method for operating a detector element for a time-of-flight sensor. The invention also relates to a computer program product.
Stand der TechnikState of the art
Bekannt ist beispielsweise aus
Ferner sind zum Beispiel aus
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Detektorelement für einen Time-of-Flight-Sensor bereitzustellen.It is an object of the invention to provide an improved detector element for a time-of-flight sensor.
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung ein Detektorelement für einen Time-of-Flight-Sensor, aufweisend:
- - wenigstens eine Halbleiterschicht, wobei die wenigstens eine Halbleiterschicht ausgebildet ist, wenigstens zwei Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung unter Ausnutzung des wellenlängenselektiven photoelektrischen Effekts zu detektieren, wobei mittels der wenigstens einen Halbleiterschicht wenigstens Nah-Infrarot und eine sichtbare Wellenlänge detektierbar ist; und
- - jeweils ein mit jeder Halbleiterschicht funktional verbundenes Elektrodenelement zum Erfassen eines aus der detektierten elektromagnetischen Strahlung generierten elektrischen Signals.
- At least one semiconductor layer, the at least one semiconductor layer being designed to detect at least two wavelengths of electromagnetic radiation using the wavelength-selective photoelectric effect, at least near-infrared and one visible wavelength being detectable by means of the at least one semiconductor layer; and
- an electrode element functionally connected to each semiconductor layer for detecting an electrical signal generated from the detected electromagnetic radiation.
Vorteilhaft ist es mit dem vorgeschlagenen Detektorelement möglich, mehrere elektromagnetische Wellenlängen selektiv zu erfassen bzw. voneinander zu trennen. Im Ergebnis ist dadurch nur ein einziger Time-of-Flight-Sensor zur Erfassung von Farbe und Abstandsinformation erforderlich. Dadurch kann ein mit mehreren Detektorelementen realisierter Time-of-Flight-Sensor sehr kleinbauend realisiert werden, beispielsweise als eine Kamera oder ein Lidar-Sensor für Anwendungen im Kraftfahrzeug.With the proposed detector element, it is advantageously possible to selectively detect a plurality of electromagnetic wavelengths or to separate them from one another. As a result, only a single time-of-flight sensor is required to record color and distance information. As a result, a time-of-flight sensor implemented with a plurality of detector elements can be implemented in a very compact manner, for example as a camera or a lidar sensor for applications in motor vehicles.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Time-of-Flight-Sensor mit einer definierten Anzahl von vorgeschlagenen Detektorelementen und einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten der elektrischen Signale der Detektorelemente.According to a second aspect, the object is achieved with a time-of-flight sensor with a defined number of proposed detector elements and an evaluation device for evaluating the electrical signals of the detector elements.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Detektorelements für einen Time-of-Flight-Sensor aufweisend die Schritte:
- - Auswerten von elektrischen Signalen aus wenigstens einer Halbleiterschicht unter Ausnutzung des wellenlängenselektiven photoelektrischen Effekts; und
- - Erfassen eines entsprechenden elektrischen Signals aus der detektierten elektromagnetischen Strahlung.
- Evaluation of electrical signals from at least one semiconductor layer using the wavelength-selective photoelectric effect; and
- - Acquisition of a corresponding electrical signal from the detected electromagnetic radiation.
Gemäß einem vierten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zum Betreiben eines Detektorelements für einen Time-of-Flight-Sensor, wenn es auf einer elektronischen Vorrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.According to a fourth aspect, the object is achieved with a computer program product with program code means, set up to carry out the proposed method for operating a detector element for a time-of-flight sensor when it runs on an electronic device or is stored on a computer-readable data carrier.
Bevorzugte Ausführungsformen des vorgeschlagenen Detektorelements sind Gegenstand von jeweils abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the proposed detector element are the subject of the respective dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Detektorelements zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine Halbleiterschicht für definierte Wellenlängen selektiv ist. Vorteilhaft wird dadurch ein Halbleitermaterial ausgewählt, welches Eigenschaften aufweist, mit denen die gewünschten Wellenlängen detektiert werden können. Dadurch kann zum Beispiel die Tatsache ausgenutzt werden, dass umso höhere Wellenlängen detektiert werden, je höher die Eindringtiefe der Strahlung in das Halbleitermaterial ist.An advantageous development of the detector element is characterized in that the at least one semiconductor layer is defined for Wavelengths is selective. In this way, a semiconductor material is advantageously selected which has properties with which the desired wavelengths can be detected. In this way, for example, the fact can be used that the higher the penetration depth of the radiation into the semiconductor material, the higher the wavelengths are detected.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass eine einzige Halbleiterschicht vorgesehen ist. Auf diese Weise wird ein besonders kompaktes bauendes Detektorelement ermöglicht.Another advantageous development of the device provides that a single semiconductor layer is provided. In this way, a particularly compact detector element is made possible.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Halbleiterschichten vorgesehen sind. Auf diese Weise ist eine noch bessere selektive Detektion von unterschiedlicher elektromagnetischer Strahlung unterstützt.Another advantageous development of the device is characterized in that two semiconductor layers are provided. In this way, an even better selective detection of different electromagnetic radiation is supported.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass eine Halbleiterschicht mit einer davor angeordneten Filtereinrichtung vorgesehen ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise zum Beispiel ein an sich bekanntes Bayer-Filter mit einem Detektorelement mit einem Halbleitermaterial kombiniert werden.A further advantageous development of the device provides that a semiconductor layer is provided with a filter device arranged in front of it. In this way, for example, a known Bayer filter can advantageously be combined with a detector element with a semiconductor material.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Halbleiterschichten eine Lücke ausgebildet ist. Vorteilhaft kann dadurch ein elektrischer Kurzschluss zwischen den unterschiedlichen Halbleitermaterialen vermieden werden.Another advantageous development of the device is characterized in that a gap is formed between two semiconductor layers. An electrical short circuit between the different semiconductor materials can thereby advantageously be avoided.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Detektorelements zeichnet sich dadurch aus, dass die Lücke Luft oder ein transparentes Material ist. Dadurch werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Trennung der beiden Halbleitermaterialien bereitgestellt.Another advantageous development of the detector element is characterized in that the gap is air or a transparent material. This provides different options for separating the two semiconductor materials.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.The invention is described in detail below with further features and advantages on the basis of several figures. Identical or functionally identical components have the same reference numerals. The figures are intended in particular to clarify the principles essential to the invention and are not necessarily drawn to scale. For the sake of clarity, it can be provided that not all reference symbols are drawn in in all figures.
Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Detektorelement für einen Time-of-Flight-Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zum Betreiben eines Detektorelements für einen Time-of-Flight-Sensor ergeben und umgekehrt.Disclosed device features result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means in particular that features, technical advantages and designs relating to the detector element for a time-of-flight sensor result in an analogous manner from corresponding designs, features and advantages of the method for operating a detector element for a time-of-flight sensor and vice versa.
In den Figuren zeigt:
-
1 ,2 Verläufe einer Wellenlängenselektivität von Halbleitermaterialien, die für das vorgeschlagene Detektorelement verwendet werden können; -
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines vorgeschlagenen Detektorelements; -
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines vorgeschlagenen Detektorelements; -
5 ein Blockschaltbild eines vorgeschlagenen Time-of-Flight-Sensors mit mehreren vorgeschlagenen Detektorelementen; und -
6 eine prinzipielle Darstellung des Ablaufs einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines Detektorelements für einen Time-of-Flight-Sensor.
-
1 ,2 Characteristics of a wavelength selectivity of semiconductor materials which can be used for the proposed detector element; -
3 a schematic representation of a first embodiment of a proposed detector element; -
4th a schematic representation of a second embodiment of a proposed detector element; -
5 a block diagram of a proposed time-of-flight sensor with several proposed detector elements; and -
6th a basic illustration of the sequence of an embodiment of a method for operating a detector element for a time-of-flight sensor.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Vorgeschlagen werden in lediglich exemplarischer Weise vier verschiedene Arten von Detektorelementen
Mittels eines Elektrodenelements (nicht dargestellt), das in geeigneter Weise am Detektorelement
Denkbar ist z.B., dass Si als obere erste Halbleiterschicht HL1 und Ge als untere zweite Halbleiterschicht HL2 vorgesehen ist. Dadurch kann eine noch schärfere Trennung und eine breitbandigere Variante des Detektorelements
Bei dieser weiteren Variante können zwei über einander gelagerte Halbleiterschichten HL1, HL2 aus zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien (z.B. Si und InGaAs) angeordnet werden, sodass zwei Spektren unterhalb (Si) und oberhalb von 1000 nm (InGaAs, oder anderes Halbleitermaterial mit entsprechendem Absorptionsspektrum), getrennt werden können. Dabei wird z.B. Si ab ca. 1000 nm zunehmend transparent, wohingegen InGaAs weitgehend absorbiert.In this further variant, two superimposed semiconductor layers HL1, HL2 made of two different semiconductor materials (e.g. Si and InGaAs) can be arranged so that two spectra below (Si) and above 1000 nm (InGaAs, or other semiconductor material with a corresponding absorption spectrum) are separated can be. For example, Si becomes increasingly transparent from approx. 1000 nm, whereas InGaAs is largely absorbed.
Hierfür wird die wellenlängenselektive Absorption des Halbleitermaterials nicht benötigt.The wavelength-selective absorption of the semiconductor material is not required for this.
Im rechten Abschnitt von
Durch eine Wahl von geeigneten Halbleitermaterialen kann eine Sensiercharakteristik des Detektorelements
Im Ergebnis ist auf die vorangehend beschriebene Weise ein multispektraler Detektor zur simultanen Erfassung von Tiefen- und Farbinformationen anhand des wellenlängenselektiven photoelektrischen Effekts über die Tiefe des Halbleitermaterials (z.B. Nahinfrarot und Rot-Grün-Blau über die Tiefe des Halbleitermaterials) bereitgestellt. Das Halbleitermaterial ist dabei vorzugsweise z.B. Si oder Ge.As a result, a multispectral detector is provided in the manner described above for the simultaneous detection of depth and color information on the basis of the wavelength-selective photoelectric effect over the depth of the semiconductor material (e.g. near infrared and red-green-blue over the depth of the semiconductor material). The semiconductor material is preferably Si or Ge, for example.
Zum Beispiel kann auf die beschriebene Weise ein multispektraler Detektor zur simultanen Erfassung zweier IR-Wellenlängen (z.B. 800 nm und 900 nm oder 900 nm und 1550 nm) realisiert werden, wodurch Vorteile z.B. in der Umweltrobustheit eines LiDAR-Systems bei spektral differenzierbaren Eigenschaften von Wettereinflüssen, Hintergrundlicht, Objektreflektivitäten, usw. realisierbar sind.For example, a multispectral detector for the simultaneous detection of two IR wavelengths (e.g. 800 nm and 900 nm or 900 nm and 1550 nm) can be implemented in the manner described, which has advantages e.g. in the environmental robustness of a LiDAR system with spectrally differentiable properties of weather influences , Background light, object reflectivities, etc. are realizable.
In einer weiteren, nicht in Figuren gezeigten Ausführungsform des vorgeschlagenen Detektorelements
Vorteilhaft kann mit dem vorgeschlagenen Detektorelement eine Kombination von Tiefen- und Farbenerfassung in einem einzigen Si-Halbleiterdetektor realisiert werden. Vorteilhaft ist dadurch eine Kombination von Tiefen- und Farbenerfassung in einem optischen Pfad möglich, was Vorteile z.B. bei der Baugröße ergeben kann. Vorteilhaft kann dadurch eine Kombination von passiver Farbbildkamera und LiDAR-Betrieb in einem einzigen Gerät realisiert werden, was vorteilhaft geringere Kosten, eine geringere Baugröße, ein Entfallen von Justage- und Kalibrierungsaufwand, usw. bedeuten kann.The proposed detector element can advantageously be used to implement a combination of depth and color detection in a single Si semiconductor detector. This advantageously enables a combination of depth and color detection in one optical path, which can result in advantages, for example in terms of size. As a result, a combination of passive color video camera and LiDAR operation can advantageously be implemented in a single device, which can advantageously mean lower costs, a smaller size, no adjustment and calibration effort, etc.
Vorteilhaft kann auf diese Weise SPAD/APD/CCD/CMOS-basierte LiDAR Systeme um die Erfassung von Farbinformationen erweitert werden. Für die Detektion von Objekteigenschaften werden mit den RGB-Kanälen drei zusätzliche Parameter erfasst, damit können beispielsweise Machine-Learning-Algorithmen zur Objekterkennung, die mit Daten aus dem vorgeschlagenen Time-of-Flight Sensor
Vorteilhaft kann dadurch eine optimale zeitliche Synchronisation von Farb- und Tiefeninformationen vorgenommen werden. Vorteilhaft ist eine Erweiterung der Detektion um eine zusätzliche Dimension (Tiefe des Halbleitermaterials) möglich. Vorteilhaft entfällt dadurch eine Notwendigkeit für die Verwendung von optischen Wellenlängen- /Farbfiltern (z.B. aus organischen Farbstoffen oder als beschichteten Bragg-Filter-Strukturen). Vorteilhaft entfällt eine Interpolation zwischen den Pixel für die Ermittlung nicht erfasster Farb-/Intensitäts-/Tiefeninformationen. Im Ergebnis kann dadurch eine maximierte reale Bildauflösung, keine Bildartefakte, usw. bereitgestellt werden.In this way, optimal time synchronization of color and depth information can advantageously be carried out. An expansion of the detection by an additional dimension (depth of the semiconductor material) is advantageously possible. This advantageously eliminates the need to use optical wavelength / color filters (e.g. made of organic dyes or as coated Bragg filter structures). There is advantageously no need for interpolation between the pixels to determine color / intensity / depth information that has not been recorded. As a result, a maximized real image resolution, no image artifacts, etc. can thereby be provided.
Vorteilhaft ist keine Bandpassfilterung der einzelnen Detektionskanäle erforderlich. Vorteilhaft gehen keine Photonen zwischen den Transmissionsspektren der Farbfilterkanäle verloren. Vorteilhaft kann eine gesamte aktive Fläche des Halbleitermaterials für alle Wellenlängen verwendet werden.Advantageously, no bandpass filtering of the individual detection channels is required. Advantageously, no photons are lost between the transmission spectra of the color filter channels. An entire active area of the semiconductor material can advantageously be used for all wavelengths.
Vorteilhaft kann die vorgeschlagene Detektoreinrichtung bei Backside-Illumination-Systemen eingesetzt werden, wobei ein Füllgrad von ca. 100% und eine multispektrale Erfassung realisiert sind. Vorteilhaft ist dabei kein Justage- oder Kalibrierungsaufwand zur Zusammensetzung der einzelnen Kanäle erforderlich.The proposed detector device can advantageously be used in backside illumination systems, with a degree of filling of approximately 100% and multispectral detection being implemented. Advantageously, no adjustment or calibration effort is required to assemble the individual channels.
Im Ergebnis ist dadurch ein integrierter, multispektraler Chip möglich, der verschiedene Optionen an Halbleitermaterialien mit spektraler Penetrationstiefe bereitstellt.As a result, an integrated, multispectral chip is possible that provides various options for semiconductor materials with spectral penetration depth.
Besonders vorteilhaft ist dadurch eine Anwendung des vorgeschlagenen Time-of-Flight-Sensors
In einem Schritt
In einem Schritt
Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren als eine Software implementiert sein, wodurch eine leichte Adaptierbarkeit und Speicherbarkeit des Verfahrens unterstützt sind.The proposed method can advantageously be implemented as software, which supports easy adaptability and storability of the method.
Der Fachmann erkennt somit, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der Erfindung möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.The person skilled in the art will thus recognize that a large number of modifications of the invention are possible without departing from the essence of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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2020
- 2020-01-30 DE DE102020201119.2A patent/DE102020201119A1/en active Pending
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