DE102021000353A1 - Halbleitervorrichtungen mit einzelphotonen-avalanche-dioden und rechteckigen mikrolinsen - Google Patents

Halbleitervorrichtungen mit einzelphotonen-avalanche-dioden und rechteckigen mikrolinsen Download PDF

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Abstract

Eine Bildgebungsvorrichtung kann Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPADs) einschließen. Die Einzelphotonen-Avalanche-Dioden können in einem Array von Mikrozellen (wie beispielsweise einem Silicium-Photomultiplier) angeordnet sein. Jede Mikrozelle kann ein Seitenverhältnis aufweisen, das größer als 1 ist. Jede Mikrozelle kann von einer Mikrolinse bedeckt sein, die auch ein Seitenverhältnis aufweist, das größer als 1 ist. Die Mikrolinse kann eine Krümmung in einer ersten Richtung (parallel zur Breite der Mikrozelle/Mikrolinse) und eine geringere Krümmung in einer zweiten Richtung aufweisen, die orthogonal zur ersten Richtung (parallel zur Länge der Mikrozelle/Mikrolinse) ist. Das Bilden nicht quadratischer, rechteckiger Mikrozellen und Mikrolinsen auf diese Weise kann größere Mikrozellen ermöglichen, die noch eine zufriedenstellende Mikrolinsenleistung aufweisen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Dies betrifft im Allgemeinen Bildgebungssysteme und insbesondere Bildgebungssysteme, die Einzelphotonen-Avalanche-Dioden (SPADs) zur Einzelphotonen-Detektion einschließen.
  • Moderne elektronische Vorrichtungen, wie beispielsweise Mobiltelefone, Kameras und Computer, verwenden häufig digitale Bildsensoren. Bildsensoren (manchmal als Bildwandler bezeichnet) können aus einem zweidimensionalen Array von Bilderfassungspixeln gebildet werden. Jedes Pixel schließt üblicherweise ein photosensitives Element (wie beispielsweise eine Photodiode) ein, das einfallende Photonen (Licht) empfängt und die Photonen in elektrische Signale umwandelt.
  • Herkömmliche Bildsensoren können in vielerlei Hinsicht unter einer begrenzten Funktionalität leiden. Zum Beispiel können manche herkömmliche Bildsensoren nicht in der Lage sein, den Abstand von dem Bildsensor zu den Objekten zu bestimmen, die abgebildet werden. Herkömmliche Bildsensoren können auch eine geringere Bildqualität und Auflösung als erwünscht aufweisen.
  • Um die Empfindlichkeit gegenüber einfallendem Licht zu verbessern, können manchmal Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPADs) in Bildgebungssystemen verwendet werden. Einzelphoton-Avalanche-Dioden können in der Lage sein, Einzelphotonen zu detektieren.
  • In diesem Kontext entstehen die hierin beschriebenen Ausführungsformen.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Schaltplan, der ein veranschaulichendes Einzelphoton-Avalanche-Dioden-Pixel gemäß einer Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist eine grafische Darstellung eines veranschaulichenden Silicium-Photomultipliers gemäß einer Ausführungsform.
    • 3 ist ein Schaltbild eines veranschaulichenden Silicium-Photomultipliers mit einem schnellen Ausgangsanschluss gemäß einer Ausführungsform.
    • 4 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Silicium-Photomultipliers, der ein Array von Mikrozellen umfasst.
    • 5 ist ein schematisches Diagramm eines veranschaulichenden Bildgebungssystems, das eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform einschließt.
    • 6 ist eine Draufsicht auf eine veranschaulichende SPAD-basierte Halbleitervorrichtung mit quadratischen Mikrozellen gemäß einer Ausführungsform.
    • 7 ist eine Querschnittsseitenansicht, die ein veranschaulichendes Verfahren zum Bilden der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung mit quadratischen Mikrozellen von 6 gemäß einer Ausführungsform zeigt.
    • 8 ist eine Draufsicht auf eine veranschaulichende SPAD-basierte Halbleitervorrichtung mit nicht-quadratischen, rechteckigen Mikrozellen gemäß einer Ausführungsform.
    • 9 ist eine Querschnittsseitenansicht, die ein veranschaulichendes Verfahren zum Bilden der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung mit nicht-quadratischen, rechteckigen Mikrozellen von 8 gemäß einer Ausführungsform zeigt.
    • 10 ist eine Seitenansicht, die ein veranschaulichendes Bildgebungssystem mit einer Linse zeigt, die Licht auf eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung mit nicht-quadratischen, rechteckigen Mikrozellen gemäß einer Ausführungsform fokussiert.
    • 11 ist ein Flussdiagramm, das veranschaulichende Verfahrensschritte zum Bilden einer SPAD-basierten Halbleitervorrichtung mit nicht-quadratischen, rechteckigen Mikrozellen gemäß einer Ausführungsform zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Bildgebungssysteme, die Einzel-Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPADs) einschließen.
  • Manche Bildgebungssysteme schließen Bildsensoren ein, die Licht durch Umwandeln auftreffender Photonen in Elektronen oder Löcher erfassen, die in Pixelphotodioden innerhalb des Sensorarrays integriert (gesammelt) sind. Nach Abschluss eines Integrationszyklus wird gesammelte Ladung in eine Spannung umgewandelt, die den Ausgangsanschlüssen des Sensors zugeführt wird. In komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Bildsensoren (CMOS) wird die Ladungs-Spannungs-Umwandlung direkt in den Pixeln selbst erreicht, und die analoge Pixelspannung wird über verschiedene Pixeladressierungs- und Abtastschemata zu den Ausgangsanschlüssen übertragen. Die analoge Pixelspannung kann später auch auf einem Chip in ein digitales Äquivalent umgewandelt und auf verschiedene Weise in der digitalen Domäne verarbeitet werden.
  • Auf der anderen Seite ist bei Einzelphoton-Avalanche-Dioden- (SPAD-) Vorrichtungen das Prinzip der Photonendetektion anders. Die Lichterfassungsdiode ist über ihren Durchbruchspunkt vorgespannt, und wenn ein einfallendes Photon ein Elektron oder Loch erzeugt, initiiert dieser Träger einen Lawinendurchbruch, wobei zusätzliche Träger erzeugt werden. Die Lawinenmultiplikation kann ein Stromsignal erzeugen, das leicht durch Ausleseschaltungsanordnungen detektiert werden kann, die der SPAD zugeordnet ist. Der Lawinenprozess kann gestoppt (oder gedämpft) werden, indem die Diodenvorspannung unter ihren Durchbruchpunkt abgesenkt wird. Jede SPAD kann daher eine passive und/oder aktive Löschschaltung zum Anhalten der Lawine einschließen.
  • Dieses Konzept kann auf zwei Arten verwendet werden. Erstens können die ankommenden Photonen einfach gezählt werden (z. B. bei Anwendungen mit niedrigem Lichtpegel). Zweitens können die SPAD-Pixel verwendet werden, um die Photonenflugzeit (ToF) von einer synchronisierten Lichtquelle zu einem Motivobjektpunkt und zurück zu dem Sensor zu messen, was verwendet werden kann, um ein Echtzeitbild 3 des Motivs zu erlangen.
  • 1 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden SPAD-Vorrichtung 202. Wie in 1 gezeigt, schließt die SPAD-Vorrichtung 202 eine SPAD 204 ein, die in Reihe mit der Löschschaltungsanordnung 206 zwischen einem ersten Versorgungsspannungsanschluss 210 (z. B. einem Masseenergieversorgungsspannungsanschluss) und einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 208 (z. B. einem positiven Energieversorgungsspannungsanschluss) gekoppelt ist. Insbesondere schließt die SPAD-Vorrichtung 202 eine SPAD 204 mit einem Anodenanschluss, der mit dem Energieversorgungsspannungsanschluss 210 verbunden ist, und einem Kathodenanschluss, der direkt mit der Löschschaltungsanordnung 206 verbunden ist, ein. Die SPAD-Vorrichtung 202, welche die SPAD 204 einschließt, die in Reihe mit einem Löschwiderstand 206 geschaltet ist, wird manchmal kollektiv als eine photoausgelöste Einheit oder „Mikrozelle“ bezeichnet. Während des Betriebs der SPAD-Vorrichtung 202 können die Versorgungsspannungsanschlüsse 208 und 210 verwendet werden, um die SPAD 204 auf eine Spannung vorzuspannen, die höher ist als die Durchbruchspannung (z. B. wird die Vorspannung Vbias an den Anschluss 208 angelegt). Die Durchbruchspannung ist die größte Sperrspannung, die an die SPAD 204 angelegt werden kann, ohne eine exponentielle Zunahme des Leckstroms in der Diode zu verursachen. Wenn die SPAD 204 auf diese Weise über die Durchbruchspannung in Sperrrichtung vorgespannt wird, kann eine Absorption eines Einzel-Photons eine kurze Dauer, aber einen relativ großen Lawinenstrom durch Stoßionisation auslösen.
  • Die Löschschaltungsanordnung 206 (manchmal als Löschelement 206 bezeichnet) kann verwendet werden, um die Vorspannung der SPAD 204 unter den Pegel der Durchbruchspannung zu senken. Das Absenken der Vorspannung der SPAD 204 unter die Durchbruchspannung stoppt den Lawinenprozess und den entsprechenden Lawinenstrom. Es gibt zahlreiche Wege, um die Löschschaltungsanordnung 206 zu bilden. Die Löschschaltungsanordnung 206 kann eine passive Löschschaltungsanordnung oder eine aktive Löschschaltungsanordnung sein. Die passive Löschschaltungsanordnung kann ohne eine externe Steuerung oder Überwachung automatisch den einmal eingeleiteten Lawinenstrom dämpfen. Zum Beispiel zeigt 1 ein Beispiel, in dem eine Widerstandskomponente verwendet wird, um die Löschschaltungsanordnung 206 zu bilden. Dies ist ein Beispiel einer passiven Löschschaltungsanordnung.
  • Dieses Beispiel einer passiven Löschschaltungsanordnung ist lediglich veranschaulichend. Die aktive Löschschaltungsanordnung kann auch in der SPAD-Vorrichtung 202 verwendet werden. Aktive Löschschaltungsanordnungen können die Zeit verringern, die benötigt wird, damit die SPAD-Vorrichtung 202 zurückgesetzt wird. Dies kann es der SPAD-Vorrichtung 202 erlauben, einfallendes Licht bei einer schnelleren Rate zu detektieren als wenn eine passive Löschschaltungsanordnung verwendet wird, was den Dynamikbereich der SPAD-Vorrichtung verbessert. Die aktive Löschschaltungsanordnung kann den SPAD-Dämpfungswiderstand modulieren. Bevor ein Photon detektiert wird, wird zum Beispiel der Löschwiderstand auf einen hohen Wert eingestellt, und wenn ein Photon detektiert wird und die Lawine gedämpft wird, wird der Widerstand minimiert, um die Wiederherstellungszeit zu verringern.
  • Die SPAD-Vorrichtung 202 kann auch eine Ausleseschaltungsanordnung 212 einschließen. Es gibt zahlreiche Wege, die Ausleseschaltungsanordnung 212 zu bilden, um Informationen von der SPAD-Vorrichtung 202 zu erlangen. Die Ausleseschaltungsanordnung 212 kann eine Impulszählschaltung einschließen, die ankommende Photonen zählt. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausleseschaltungsanordnung 212 eine Flugzeitschaltungsanordnung einschließen, die verwendet wird, um die Photonenflugzeit (ToF) zu messen. Die Photonenflugzeitinformationen können verwendet werden, um eine Tiefenerfassung durchzuführen. In einem Beispiel können Photonen durch einen analogen Zähler gezählt werden, um das Lichtintensitätssignal als eine entsprechende Pixelspannung zu bilden. Das ToF-Signal kann erlangt werden, indem auch die Zeit des Photonenflugs in eine Spannung umgewandelt wird. Das Beispiel einer analogen Impulszählschaltung, die in der Ausleseschaltungsanordnung 212 eingeschlossen ist, ist lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, kann die Ausleseschaltungsanordnung 212 digitale Impulszählschaltungen einschließen. Die Ausleseschaltungsanordnung 212 kann, falls gewünscht, auch eine Verstärkungsschaltungsanordnung einschließen.
  • Das Beispiel in 1 der Ausleseschaltungsanordnung 212, die mit einem Knoten zwischen der Diode 204 und der Löschschaltungsanordnung 206 gekoppelt ist, ist lediglich veranschaulichend. Die Ausleseschaltungsanordnung 212 kann mit dem Anschluss 208 oder einem beliebigen gewünschten Abschnitt der SPAD-Vorrichtung gekoppelt sein. In manchen Fällen kann die Löschschaltungsanordnung 206 als integral mit der Ausleseschaltungsanordnung 212 betrachtet werden.
  • Da SPAD-Vorrichtungen ein einzelnes einfallendes Photon detektieren können, sind die SPAD-Vorrichtungen wirksam bei Bildgebungsmotiven mit geringen Lichtpegeln. Jede SPAD kann die Zahl der Photonen detektieren, die innerhalb eines gegebenen Zeitraums empfangen werden (z. B. unter Verwendung einer Ausleseschaltungsanordnung, die eine Zählschaltung einschließt). Jedoch muss, wie oben erwähnt, jedes Mal, wenn ein Photon empfangen und ein Lawinenstrom initiiert wird, die SPAD-Vorrichtung gelöscht und zurückgesetzt werden, bevor sie bereit ist, ein anderes Photon zu detektieren. Wenn die Einfallslichtpegel zunehmen, wird die Rücksetzzeit für den Dynamikbereich der SPAD-Vorrichtung begrenzend (z. B. wenn Einfallslichtpegel einen gegebenen Pegel überschreiten, wird die SPAD-Vorrichtung unmittelbar beim Zurücksetzen ausgelöst).
  • Mehrere SPAD-Vorrichtungen können zusammen gruppiert werden, um dabei zu helfen, den Dynamikbereich zu erhöhen. 2 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden Gruppe 220 von SPAD-Vorrichtungen 202. Die Gruppe oder das Array von SPAD-Vorrichtungen kann manchmal als Silicium-Photomultiplier (SiPM) bezeichnet werden. Wie in 2 gezeigt, kann der Silicium-Photomultiplier 220 mehrere SPAD-Vorrichtungen einschließen, die zwischen dem ersten Versorgungsspannungsanschluss 208 und dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 210 parallel geschaltet sind. 2 zeigt N SPAD-Vorrichtungen 202, die parallel geschaltet sind (z. B. SPAD-Einrichtung 202-1, SPAD-Vorrichtung 202-2, SPAD-Vorrichtung 202-3, SPAD-Vorrichtung 202-4, ..., SPAD-Vorrichtung 202-N). Mehr als zwei SPAD-Vorrichtungen, mehr als zehn SPAD-Vorrichtungen, mehr als einhundert SPAD-Vorrichtungen, mehr als eintausend SPAD-Vorrichtungen usw. können in einem gegebenen Silicium-Photomultiplier 220 eingeschlossen sein.
  • Jede SPAD-Vorrichtung 202 kann manchmal hierin als ein SPAD-Pixel 202 bezeichnet werden. Obwohl nicht explizit in der 2 gezeigt, kann eine Ausleseschaltungsanordnung für den Silicium-Photomultiplier 220 den kombinierten Ausgangsstrom von allen SPAD-Pixeln in dem Silicium-Photomultiplier messen. In dieser Art und Weise konfiguriert, kann der Dynamikbereich eines Bildgebungssystems einschließlich der SPAD-Pixel erhöht werden. Für jedes SPAD-Pixel ist nicht garantiert, dass ein Lawinenstrom ausgelöst wird, wenn ein einfallendes Photon empfangen wird. Die SPAD-Pixel können eine zugeordnete Wahrscheinlichkeit aufweisen, dass ein Lawinenstrom ausgelöst wird, wenn ein einfallendes Photon empfangen wird. Es besteht eine erste Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron erzeugt wird, wenn ein Photon die Diode erreicht, und dann eine zweite Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron einen Lawinenstrom auslöst. Die Gesamtwahrscheinlichkeit, dass ein Photon einen Lawinenstrom auslöst, kann als die Photonendetektionseffizienz (PDE) der SPAD bezeichnet werden. Ein Gruppieren mehrerer SPAD-Pixeln zusammen in dem Silicium-Photomultiplier erlaubt daher eine genauere Messung des ankommenden einfallenden Lichts. Wenn zum Beispiel ein einzelnes SPAD-Pixel eine PDE von 50 % aufweist und ein Photon während einer Zeitperiode empfängt, gibt es eine 50 %-Chance, dass das Photon nicht detektiert wird. Mit dem Silicium-Photomultiplier 220 von 2 ergeben sich Chancen, dass zwei der vier SPAD-Pixel das Photon detektieren, wodurch die bereitgestellten Bilddaten für die Zeitperiode verbessert werden.
  • Das Beispiel von 2, in dem die Vielzahl von SPAD-Pixeln 202 eine gemeinsame Ausgabe in dem Silicium-Photomultiplier 220 teilen, ist lediglich veranschaulichend. In dem Fall eines Bildgebungssystems, das einen Silicium-Photomultiplier mit einem gemeinsamen Ausgang für alle SPAD-Pixel einschließt, weist das Bildgebungssystem möglicherweise keine Auflösung bei der Abbildung eines Motivs auf (z.B. kann der Silicium-Photomultiplier nur einen Photonenfluss an einem einzigen Punkt detektieren). Es kann wünschenswert sein, SPAD-Pixel zu verwenden, um Bilddaten über ein Array zu erlangen, um eine Wiedergabe des abgebildeten Motivs mit einer höheren Auflösung zu erlauben. In Fällen wie diesen können die SPAD-Pixel in einem einzigen Bildgebungssystem Auslesefähigkeiten pro Pixel aufweisen. Alternativ kann ein Array von Silicium-Photomultipliern (jeweils mit mehr als einem SPAD-Pixel) in dem Bildgebungssystem eingeschlossen sein. Die Ausgaben von jedem Pixel oder von jedem Silicium-Photomultiplier können verwendet werden, um Bilddaten für ein abgebildetes Motiv zu erzeugen. Das Array kann zur unabhängigen Detektion (entweder unter Verwendung eines einzelnen SPAD-Pixels oder einer Vielzahl von SPAD-Pixeln in einem Silicium-Photomultiplier) in einem Zeilenarray (z. B. einem Array mit einer einzelnen Zeile und mehreren Spalten oder einer einzelnen Spalte und mehreren Zeilen) oder einem Array mit mehr als zehn, mehr als einhundert oder mehr als eintausend Zeilen und/oder Spalten fähig sein.
  • Obwohl es eine Anzahl von möglichen Verwendungsfällen für SPAD Pixel wie oben erörtert gibt, ist die zugrundeliegende Technologie zum Detektieren von einfallendem Licht die gleiche. Alle der zuvor erwähnten Beispiele von Vorrichtungen, die SPAD-Pixel verwenden, können kollektiv als SPAD-basierte Halbleitervorrichtungen bezeichnet werden. Ein Silicium-Photomultiplier mit einer Vielzahl von SPAD-Pixeln mit einem gemeinsamen Ausgang kann als eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung bezeichnet werden. Ein Array von SPAD-Pixeln mit Auslesefähigkeiten pro Pixel kann als eine SPAD-basiertes Halbleitervorrichtung bezeichnet werden. Ein Array aus Silicium-Photomultipliern mit Photomultiplier-Auslesefähigkeiten pro Silicium kann als eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung bezeichnet werden.
  • 3 veranschaulicht einen Silicium-Photomultiplier 30. Wie in 3 gezeigt, weist ein SiPM 30 einen dritten Anschluss 35 auf, der kapazitiv mit jedem Kathodenanschluss 31 gekoppelt ist, um ein schnelles Auslesen der Lawinensignale von den SPADs 33 bereitzustellen. Wenn dann die SPADs 33 einen Stromimpuls ausgeben, wird ein Teil der resultierenden Spannungsänderung an der Kathode 31 über die wechselseitige Kapazität in den dritten („schnellen“) Ausgangsanschluss 35 eingekoppelt. Das Verwenden des dritten Anschlusses 35 zum Auslesen vermeidet die beeinträchtigte Übergangsleistung, die sich aus der relativ großen RC-Zeitkonstante ergibt, die der Vorspannungsschaltung zugeordnet ist, die den oberen Anschluss des Löschwiderstands vorspannt.
  • Es versteht sich für den Fachmann, dass Silicium-Photomultiplier Hauptbusleitungen 44 und Nebenbusleitungen 45 einschließen, wie in 4 veranschaulicht. Der Nebenbusleitungen 45 können direkt mit jeder einzelnen Mikrozelle 25 verbunden sein. Die Nebenbusleitungen 45 werden dann mit den Hauptbusleitungen 44 gekoppelt, die mit den Bondpads verbunden sind, die Anschlüssen 37 und 35 zugeordnet sind. Üblicherweise erstrecken sich die Nebenbusleitungen 45 vertikal zwischen den Spalten von Mikrozellen 25, wohingegen sich die Hauptbusleitungen 44 horizontal benachbart zu der äußeren Reihe der Mikrozellen 25 erstrecken.
  • Ein Bildgebungssystem 10 mit einer SPAD-basierten Halbleitervorrichtung ist in 5 gezeigt. Ein Bildgebungssystem 10 kann eine elektronische Vorrichtung wie eine Digitalkamera, ein Computer, ein Mobiltelefon, eine medizinische Vorrichtung oder eine andere elektronische Vorrichtung sein. Ein Bildgebungssystem 10 kann ein Bildgebungssystem in einem Fahrzeug sein (manchmal auch als Fahrzeug-Bildgebungssystem bezeichnet). Ein Bildgebungssystem kann für LIDAR-Anwendungen verwendet werden.
  • Ein Bildgebungssystem 14 kann eine oder mehrere SPAD-basierte Halbleitervorrichtungen 14 einschließen (manchmal auch als Halbleitervorrichtungen 14, Vorrichtungen 14, SPAD-basierte Bildsensoren 14 oder Bildsensoren 14 bezeichnet). Eine oder mehrere Linsen 28 können optional jede Halbleitervorrichtung 14 abdecken. Während des Vorgangs können die Linsen 28 (manchmal auch als Optik 28 bezeichnet) Licht auf eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 14 fokussieren. Eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 14 kann SPAD-Pixel einschließen, die das Licht in digitale Daten umwandeln. Die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung kann eine beliebige Anzahl von SPAD-Pixeln aufweisen (z. B. Hunderte, Tausende, Millionen oder mehr). In einigen SPAD-basierten Halbleitervorrichtungen kann jedes SPAD-Pixel durch ein jeweiliges Farbfilterelement und/oder eine jeweilige Mikrolinse abgedeckt sein.
  • Die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 14 kann optional eine zusätzliche Schaltungsanordnung, wie Logikgatter, Digitalzähler, Zeit-Digital-Wandler, eine Vorspannungsschaltungsanordnung (z. B. Source-Folger-Lastschaltungen), eine Abtast-Halte-Schaltungsanordnung, eine Doppelabtastungskorrelations- (CDS-) Schaltungsanordnung, eine Verstärkerschaltungsanordnung, eine Analog-Digital-(ADC-) Wandlerschaltungsanordnung, eine Datenausgabeschaltungsanordnung, einen Speicher (z. B. eine Zwischenspeicherschaltungsanordnung), eine Adressenschaltungsanordnung usw. einschließen.
  • Bilddaten von der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 14 können der Bildverarbeitungsschaltungsanordnung 16 bereitgestellt werden. Die Bildverarbeitungsschaltungsanordnung 16 kann verwendet werden, um die Bildverarbeitungsfunktionen, wie automatische Fokussierungsfunktionen, Tiefenerfassung, Datenformatierung, Einstellen eines Weißabgleichs und Belichtung, Implementierung von Videobildstabilisierung, Gesichtserkennung usw., durchzuführen. Zum Beispiel kann bei automatischen Fokussierungsvorgängen die Bildverarbeitungsschaltungsanordnung 16 Prozessdaten verarbeiten, die durch SPAD-Pixel gesammelt werden, um die Größe und Richtung der Linsenbewegung (z. B Bewegung der Linse 28) zu bestimmen, die benötigt werden, um ein Objekt von Interesse zu fokussieren. Die Bildverarbeitungsschaltungsanordnung 16 kann die von den SPAD-Pixeln gesammelten Daten verarbeiten, um eine Tiefenkarte der Szene zu bestimmen.
  • Bildverarbeitungssystem 10 kann dem Benutzer zahlreiche hochentwickelte Funktionen bereitstellen. Beispielsweise kann einem Nutzer in einem Computer oder einem hochentwickelten Mobiltelefon die Möglichkeit geboten werden, Nutzeranwendungen ablaufen zu lassen. Um diese Funktionen zu implementieren, kann das Bildgebungssystem Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 22 wie Tastaturen, Tasten, Eingabe-Ausgabeanschlüsse, Joysticks und Displays einschließen. Zusätzliche Speicher- und Verarbeitungsschaltungsanordnung wie flüchtiger und nichtflüchtiger Speicher (z. B. Direktzugriffsspeicher, Flash-Speicher, Festplatten, Solid-State-Laufwerke usw.), Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen und/oder andere Verarbeitungsschaltungen können auch in das Bildgebungssystem eingeschlossen sein.
  • Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 22 können Ausgabevorrichtungen einschließen, die in Kombination mit der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung arbeiten. Zum Beispiel kann eine lichtemittierende Komponente (wie z. B. ein Laser) in dem Bildgebungssystem eingeschlossen sein, um Licht zu emittieren (z. B. Infrarotlicht oder Licht jeder anderen gewünschten Art). Die Halbleitervorrichtung 14 kann die Reflexion des Lichts von einem Objekt messen, um den Abstand zum Objekt in einem LIDAR-(light detection and ranging) Schema zu messen.
  • 6 ist eine Draufsicht, die eine Anordnung quadratischer SPAD-Vorrichtungen 202 (manchmal als Mikrozellen 202 bezeichnet) zeigt. Die Mikrozellen 202 können Teil eines Silicium-Photomultipliers sein. Der Silicium-Photomultiplier kann optional Teil eines Arrays von Silicium-Photomultipliern sein.
  • Jede Mikrozelle 202 kann durch eine jeweilige Mikrolinse 222 abgedeckt sein. Die Mikrolinse kann Licht auf die Diode der Mikrozelle 202 fokussieren. In 6 kann jede Mikrozelle 202 ein Quadrat mit einer Breite 224 und einer Länge 226 sein. Die Breite 224 ist gleich der Länge 226. Dementsprechend kann die Mikrolinse 222 kreisförmig sein (mit einer Breite, die auch gleich ihrer Länge ist). Das Beispiel der kreisförmigen Mikrolinse 222 ist lediglich veranschaulichend. Die Mikrolinse kann planare Seiten mit abgerundeten Ecken, andere komplexe Formen usw. aufweisen. Im Allgemeinen wird der Boden der Mikrolinse Abmessungen aufweisen, die ungefähr gleich den Abmessungen der Mikrozelle sind. Mikrolinsen 222 können durch Strukturieren einer Materialschicht auf einem Halbleitersubstrat, das SPADs einschließt, gebildet werden. 7 ist eine Querschnittsseitenansicht, die ein veranschaulichendes Beispiel zum Bilden von Mikrolinsen 222 zeigt. Wie in 7 gezeigt, kann in Schritt 302 das Mikrolinsenmaterial 222-M auf dem Halbleitersubstrat 232 über der Einzelphotonen-Avalanche-Diode 204 gebildet werden. Das Halbleitersubstrat 232 kann aus Silicium oder einem anderen gewünschten Halbleitermaterial gebildet sein.
  • Das Mikrolinsenmaterial 222-M kann durch Abscheiden einer Materialschicht in einer gleichmäßigen Dicke über das gesamte Halbleitersubstrat und anschließendes Strukturieren der Schicht (z. B. unter Verwendung von Photolithographie oder einer anderen gewünschten Strukturierungstechnik) gebildet werden, um diskrete Abschnitte über jeder SPAD 204 aufzuweisen. Das Mikrolinsenmaterial kann Acryl oder ein beliebiges anderes gewünschtes Material sein.
  • Das Mikrolinsenmaterial 222-M hat eine Breite 224 und eine Dicke 228. Herstellungsbeschränkungen können die maximal zulässige Dicke 228 für das Mikrolinsenmaterial begrenzen. Reflow kann durchgeführt werden, um das Mikrolinsenmaterial 222-M zu schmelzen, um die Mikrolinse 222 in Schritt 304 zu bilden.
  • Wenn das Verhältnis der Breite 224 zur Dicke 228 des Mikrolinsenmaterials 222-M zunimmt, kann der Reflow-Prozess zum Bilden einer Mikrolinse mit gewünschter Krümmung weniger wirksam werden. Zum Beispiel kann in dem Beispiel von 7 das Verhältnis der Breite 224 (w) zur Dicke 228 (h) 3:1 betragen. Bei einem so hohen Verhältnis kann unter Umständen eine Mikrolinse mit sphärischer Oberseite beim Reflow nicht gebildet werden. Wie in Schritt 304 in 7 gezeigt, weist die Oberseite der Mikrolinse 222 einen ebenen Abschnitt 230 anstelle einer kontinuierlich gekrümmten Oberseite auf (was für eine optimale Linsenbrechkraft erwünscht sein kann).
  • Daher wird die Linsenbrechkraft der Mikrolinse weniger wirksam, wenn das Verhältnis von Breite zu Dicke (des Mikrolinsenmaterials in Schritt 302) zunimmt. Wie bereits erwähnt, kann die Dicke des Mikrolinsenmaterials durch Fertigungsbeschränkungen festgelegt sein. Dies bedeutet, dass die Breite der Mikrolinse, die mit einer gekrümmten Oberseite erreicht werden kann, begrenzt ist.
  • Als ein Beispiel weist das Mikrolinsenmaterial 222-M eine maximale Dicke von 6 Mikrometern auf. Bei einer festgelegten Dicke von 6 Mikrometern kann die maximale Breite 224 für Mikrolinsenmaterial 222-M, die zu einer Mikrolinse 222 mit gewünschter Krümmung führt, 15 Mikrometer betragen. Mit anderen Worten kann die Mikrolinse bei einer Breite von weniger als 15 Mikrometern nach dem Reflow eine gewünschte Krümmung aufweisen. Bei einer Breite von mehr als 15 Mikrometern weist die Mikrolinse unterdessen einen planaren Oberseitenabschnitt nach dem Reflow auf (wie in 7 gezeigt). Bei der quadratischen Anordnung der Mikrozellen 202 in 6 und 7 können die maximalen Abmessungen der Mikrozelle (während eine Mikrozelle der gewünschten Form vorliegt) 15 Mikrometer mal 15 Mikrometer betragen. Es ist zu beachten, dass die Abmessungen dieses Beispiels nur der Veranschaulichung dienen.
  • In einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, Mikrozellen zu haben, die größer sind als es die vorstehenden Konstruktionsbeschränkungen zulassen. Zum Beispiel weist eine quadratische Mikrozelle mit einer Mikrolinse mit einer gewünschten Krümmung an ihrer Oberseite eine maximale Fläche von 225 Quadratmikrometern (15 Mikrometer x 15 Mikrometer) auf. Eine Vergrößerung der Fläche der quadratischen Mikrozelle über diesen Punkt hinaus führt dazu, dass der Mikrolinse die gewünschte Linsenbrechkraft fehlt.
  • Um eine Vergrößerung der Fläche der Mikrozelle zu ermöglichen, während gewünschte Linseneigenschaften in der Mikrolinse beibehalten werden, kann eine rechteckige Mikrozelle mit einer rechteckigen Mikrolinse verwendet werden.
  • 8 ist eine Draufsicht, die eine Anordnung verschiedenen SPAD-Vorrichtungen 202 (manchmal als Mikrozellen 202 bezeichnet) zeigt. Die Mikrozellen 202 können Teil eines Silicium-Photomultipliers sein. Der Silicium-Photomultiplier kann optional Teil eines Arrays von Silicium-Photomultipliers sein.
  • Jede Mikrozelle 202 kann durch eine jeweilige Mikrolinse 222 abgedeckt sein. Die Mikrolinse kann Licht auf die Diode der Mikrozelle 202 fokussieren. In 8 kann jede Mikrozelle 202 ein nicht-quadratisches Rechteck mit einer Breite 224 und einer Länge 226 sein. Die Breite 224 ist kleiner als die Länge 226. Dementsprechend kann die Mikrolinse 222 auch nicht-quadratisch rechteckig sein (mit einer Breite, die kleiner als ihre Länge ist). Eine SPAD, die von der Mikrolinse 222 bedeckt ist, kann auch nicht-quadratisch rechteckig sein (mit einer Breite, die kleiner als ihre Länge ist).
  • Das Seitenverhältnis jeder Mikrolinse 222 (und der entsprechenden Mikrozelle 202 und SPAD 204) kann das Verhältnis der Länge (z. B. die längere Abmessung der zwei Abmessungen bei Betrachtung von oben) zur Breite (z. B. die kleinere Abmessung der zwei Abmessungen bei Betrachtung von oben) sein. Das Seitenverhältnis der Mikrolinsen 222 (und der entsprechenden Mikrozelle 202 und SPAD 204) ist größer als 1:1. Das Seitenverhältnis der Mikrolinse 222, der Mikrozelle 202 und der SPAD 204 kann größer als 2:1, größer als 3:1, größer als 4:1, größer als 5:1, größer als 8:1, größer als 10:1, kleiner als 2:1, kleiner als 3:1, kleiner als 4:1, kleiner als 5:1, kleiner als 8:1, kleiner als 10:1, zwischen 2:1 und 10:1, zwischen 3:1 und 8:1, zwischen 3:1 und 10:1, zwischen 2:1 und 8:1 oder ein beliebiges anderes gewünschtes Seitenverhältnis sein. Das Seitenverhältnis der Mikrozellen, der SPADs und der Mikrolinsen kann ungefähr gleich sein (z. B. innerhalb von 20 %, innerhalb von 10 %, innerhalb von 5 %, innerhalb von 1 % usw.).
  • Die Breite jeder Mikrozelle, SPAD und Mikrolinse (z. B. Breite 224 in 8) kann größer als 3 Mikrometer, größer als 5 Mikrometer, größer als 8 Mikrometer, größer als 10 Mikrometer, größer als 20 Mikrometer, größer als 30 Mikrometer, größer als 50 Mikrometer, kleiner als 5 Mikrometer, kleiner als 8 Mikrometer, kleiner als 10 Mikrometer, kleiner als 20 Mikrometer, kleiner als 30 Mikrometer, kleiner als 50 Mikrometer, zwischen 5 und 20 Mikrometer, zwischen 8 und 30 Mikrometer, zwischen 5 und 30 Mikrometer usw., sein. Die Länge jeder Mikrozelle, SPAD und Mikrolinse (z. B. Länge 226 in 8) kann größer als 10 Mikrometer, größer als 15 Mikrometer, größer als 18 Mikrometer, größer als 20 Mikrometer, größer als 50 Mikrometer, größer als 100 Mikrometer, größer als 200 Mikrometer, größer als 220 Mikrometer, größer als 300 Mikrometer, kleiner als 15 Mikrometer, kleiner als 18 Mikrometer, kleiner als 20 Mikrometer, kleiner als 50 Mikrometer, kleiner als 100 Mikrometer, kleiner als 200 Mikrometer, kleiner als 220 Mikrometer, kleiner als 300 Mikrometer, zwischen 15 und 200 Mikrometer, zwischen 18 und 220 Mikrometer, zwischen 15 und 220 Mikrometer usw., sein.
  • Mikrolinsen 222 können durch Strukturieren einer Materialschicht auf einem Halbleitersubstrat, das SPADs einschließt, gebildet werden. 9 ist eine Querschnittsseitenansicht, welche ein veranschaulichendes Beispiel zum Bilden von Mikrolinsen 222 zeigt. Wie in 9 gezeigt, kann in Schritt 402 das Mikrolinsenmaterial 222-M auf dem Halbleitersubstrat 232 über Einzelphotonen-Avalanche-Dioden 204 gebildet werden. Ein diskreter Abschnitt des Mikrolinsenmaterials 222-M kann über jeder entsprechenden SPAD 204 gebildet werden. Das Halbleitersubstrat 232 kann aus Silicium oder einem anderen gewünschten Halbleitermaterial gebildet sein.
  • Das Mikrolinsenmaterial 222-M kann durch Abscheiden einer Materialschicht in einer gleichmäßigen Dicke über das gesamte Halbleitersubstrat und anschließendes Strukturieren der Schicht (z. B. unter Verwendung von Photolithographie oder einer anderen gewünschten Strukturierungstechnik) gebildet werden, um diskrete Abschnitte über jeder SPAD 204 aufzuweisen. Das Mikrolinsenmaterial kann Acryl oder ein beliebiges anderes gewünschtes Material sein.
  • Das Mikrolinsenmaterial 222-M hat eine Breite 224 und eine Dicke 228. Aufgrund der nicht-quadratischen, rechteckigen Form der SPAD und der entsprechenden Mikrolinse kann das Verhältnis der Breite 224 zur Dicke 228 reduziert werden, ohne die Gesamt-Mikrozellenfläche zu opfern. Zum Beispiel kann in 9 das Verhältnis der Breite 224 zur Dicke 228 2:1 betragen. Reflow kann durchgeführt werden, um das Mikrolinsenmaterial 222-M zu schmelzen, um Mikrolinsen 222 in Schritt 404 zu bilden. Aufgrund des ausreichend geringen Verhältnisses von Breite zu Dicke weisen die Mikrolinsen 222 nach dem Reflow gewünschte gekrümmte Oberseiten 236 auf.
  • Die Mikrolinse kann eine Krümmung in der X-Richtung aufweisen und kann daher Licht fokussieren, das entlang der X-Abmessung gestreut wird. Aufgrund der länglichen rechteckigen Form kann die Mikrolinse eine geringe bis keine Krümmung in Y-Richtung aufweisen. Eine derartige Opferkrümmung in Y-Richtung lässt es jedoch zu, dass die Mikrozelle in Y-Richtung praktisch keine Längenbegrenzungen aufweist. Daher kann die rechteckige Mikrozelle eine gewünschte Oberfläche aufweisen, während sie weiterhin Licht mit einer gekrümmten Mikrolinse in der X-Richtung fokussiert. Die Mikrolinse kann manchmal als eine zylindrische Form aufweisend beschrieben werden. Die Krümmung in X-Richtung kann größer sein als die Krümmung in Y-Richtung (z. B. kann ein Krümmungsradius in X-Richtung kleiner sein als ein Krümmungsradius in Y-Richtung). Mehr als 10 % oder ein anderer gewünschter Prozentsatz (z. B. mehr als 5 %, mehr als 25 %, mehr als 50 %, mehr als 75 % usw.) der Oberseite der Mikrolinse kann in der Y-Richtung planar sein.
  • Eine rechteckige Mikrolinse mit der gleichen Gesamtfläche wie eine quadratische Mikrolinse wird eine bessere Linsenwirkung in Richtung der kurzen Achse (X) aufweisen als eine entsprechende quadratische Mikrolinse. Die Verwendung einer rechteckigen Mikrozelle mit einer rechteckigen Mikrolinse kann auch die Abhängigkeit des Einfallswinkels in der Richtung der langen Achse (Y) reduzieren.
  • 10 ist eine Querschnittsseitenansicht eines veranschaulichenden Bildgebungssystems mit einer Linse 28, die Licht 52 auf die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 14 fokussiert. Die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 14 kann nicht-quadratische, rechteckige Mikrozellen (und nicht-quadratische rechteckige Mikrolinsen/SPADs) des in 8 und 9 dargestellten Typs einschließen. Die Mikrozellen in 10 sind länglich in Y-Richtung (ähnlich wie in 8 und 9) und weisen eine Krümmung in X-Richtung auf. Durch die Verwendung von Mikrolinsen, die länglich in Y-Richtung sind, wird die Abhängigkeit des Bildgebungssystems vom Beleuchtungseinfallswinkel in Y-Richtung minimiert. Licht, das auf die Linse 28 einfällt, kann auf das SPAD-basierte Halbleiterbauelement 14 in einem Winkelbereich fokussiert werden, der vom Abstand des einfallenden Lichts von der Linsenmitte abhängig ist. Eine Minimierung der Einfallswinkelabhängigkeit ist daher von Vorteil, um diesen Bereich der Einfallswinkel zu kompensieren.
  • 11 ist ein Flussdiagramm, das veranschaulichende Verfahrensschritte zum Bilden einer SPAD-basierten Halbleitervorrichtung mit rechteckigen Mikrolinsen des in 8 und 9 dargestellten Typs zeigt. In Schritt 502 kann eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung (z. B. ein SPAD-ARRAY) gebildet werden, wobei jede SPAD (und entsprechende Mikrozelle) ein Seitenverhältnis aufweist, das größer als 1 ist. Die Einzelphotonen-Avalanche-Dioden können in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sein.
  • In Schritt 504 kann Mikrolinsenmaterial über jeder Mikrozelle strukturiert werden. Das Mikrolinsenmaterial kann durch Aufschleudern einer Materialschicht auf das Halbleitersubstrat (z. B. mit einer gleichmäßigen Dicke) abgeschieden werden. Das Mikrolinsenmaterial kann dann über jeder Mikrozelle strukturiert werden. In einer Anordnung kann jede Mikrozelle einen jeweiligen diskreten Abschnitt von Mikrolinsenmaterial aufweisen. In einer anderen Anordnung können Streifen aus Mikrolinsenmaterial über Säulen von Mikrozellen gebildet werden. Am Beispiel der 8 und 9 kann das Mikrolinsenmaterial in Streifen strukturiert werden, die sich in der Y-Richtung erstrecken. Mit anderen Worten können, da es keine Mikrolinsenkrümmung in der Y-Richtung gibt, die Lücken zwischen dem Mikrolinsenmaterial in der Y-Richtung weggelassen werden. Das Beispiel einer aufgeschleuderten Materialschicht, die dann strukturiert wird, ist lediglich veranschaulichend. Im Allgemeinen können beliebige gewünschte Verfahren verwendet werden, um das Mikrolinsenmaterial abzuscheiden und zu strukturieren.
  • In Schritt 506 kann das strukturierte Mikrolinsenmaterial aufgeschmolzen werden, um Mikrolinsen mit einem Seitenverhältnis zu bilden, das größer als 1 ist. Die Reflow-Vorgänge können das Erwärmen des Mikrolinsenmaterials über seinen Schmelzpunkt hinaus einschließen, so dass das Mikrolinsenmaterial von einem Feststoff in eine Flüssigkeit übergeht. Sobald es in flüssiger Form vorliegt, kommt es zu einer Krümmung im Mikrolinsenmaterial (z. B. aufgrund von Oberflächenspannung). Nachdem das Mikrolinsenmaterial die gewünschte Krümmung aufweist, kann das Mikrolinsenmaterial abgekühlt werden, um die Mikrolinsen in den gewünschten Formen zu verfestigen. Die Mikrolinsen können in einer Richtung (z. B. entlang der X-Abmessung in 8 und 9) eine Krümmung aufweisen und in einer zweiten, orthogonalen Richtung (z. B. entlang der Y-Abmessung in 8 und 9) keine Krümmung aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann eine Halbleitervorrichtung ein Array von Mikrozellen einschließen, und jede Mikrozelle in dem Array von Mikrozellen kann eine Einzelphotonen-Avalanche-Diode und eine Mikrolinse einschließen, die die Einzelphotonen-Avalanche-Diode bedeckt. Die Mikrolinse kann eine Dicke, eine Länge und eine Breite aufweisen, und ein Verhältnis der Länge zur Breite kann größer als 1 sein.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Verhältnis größer als 2:1 sein.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Verhältnis zwischen 2:1 und 10:1 liegen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Mikrolinse eine Oberseite aufweisen, die entlang der Breite gekrümmt ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Oberseite der Mikrolinse entlang der Länge eine geringere Krümmung als entlang der Breite aufweisen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Breite zwischen 5 Mikrometer und 30 Mikrometer betragen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Länge zwischen 15 Mikrometer und 220 Mikrometer betragen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann jede Mikrozelle auch eine Löschschaltungsanordnung einschließen, die mit der Einzelphotonen-Avalanche-Diode gekoppelt ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann eine Halbleitervorrichtung ein Array von Mikrozellen einschließen, eine erste Mikrozelle des Arrays von Mikrozellen kann ein Seitenverhältnis aufweisen, das größer als 2:1 ist, und die erste Mikrozelle kann eine Einzelphotonen-Avalanche-Diode und eine Mikrolinse einschließen, die die Einzelphotonen-Avalanche-Diode bedeckt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Seitenverhältnis zwischen 2:1 und 10:1 liegen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Mikrozelle eine Breite aufweisen, und eine Länge, die länger als die Breite ist, die Mikrolinse kann eine erste Abmessung parallel zur Breite und eine zweite Abmessung parallel zur Länge aufweisen, und die Mikrolinse kann eine Oberseite aufweisen, die entlang der ersten Abmessung gekrümmt ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Oberseite der Mikrolinse eine geringere Krümmung entlang der zweiten Abmessung als entlang der ersten Abmessung aufweisen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Breite zwischen 5 Mikrometer und 30 Mikrometer betragen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Länge zwischen 15 Mikrometer und 220 Mikrometer betragen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die erste Mikrozelle auch eine Löschschaltungsanordnung einschließen, die mit der Einzelphotonen-Avalanche-Diode gekoppelt ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Einzelphotonen-Avalanche-Diode eine nicht quadratische, rechteckige Einzelphotonen-Avalanche-Diode sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann ein Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung das Bilden von Einzelphotonen-Avalanche-Dioden in einem Halbleitersubstrat, wobei die Einzelphotonen-Avalanche-Dioden in einem Array von nicht-quadratischen, rechteckigen Mikrozellen angeordnet sind, das Strukturieren von Mikrolinsenmaterial über den Einzelphotonen-Avalanche-Dioden und das Aufschmelzen des Mikrolinsenmaterials, um eine Vielzahl von nicht-quadratischen, rechteckigen Mikrolinsen zu bilden, einschließen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Strukturieren des Mikrolinsenmaterials über den Einzelphotonen-Avalanche-Dioden das Abscheiden einer Materialschicht über den Einzelphotonen-Avalanche-Dioden, die eine gleichmäßige Dicke aufweist, und das Strukturieren der Materialschicht einschließen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Abscheiden der Materialschicht über den Einzelphotonen-Avalanche-Dioden das Aufschleudern der Materialschicht einschließen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Mikrolinsenmaterial Acryl enthalten.
  • Das Vorhergehende ist lediglich veranschaulichend für die Grundsätze dieser Erfindung, und durch den Fachmann können vielfältige Modifikationen vorgenommen werden. Die vorhergehenden Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination implementiert werden.

Claims (10)

  1. Halbleitervorrichtung, die ein Array von Mikrozellen umfasst, wobei jede Mikrozelle in dem Array von Mikrozellen umfasst: eine Einzelphotonen-Avalanche-Diode; und eine Mikrolinse, die die Einzelphotonen-Avalanche-Diode bedeckt, wobei die Mikrolinse eine Dicke, eine Länge und eine Breite aufweist und wobei ein Verhältnis der Länge zu der Breite größer als 1 ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis größer als 2:1 ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis zwischen 2:1 und 10:1 liegt.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mikrolinse eine Oberseite aufweist, die entlang der Breite gekrümmt ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Oberseite der Mikrolinse entlang der Länge eine geringere Krümmung als entlang der Breite aufweist.
  6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Breite zwischen 5 Mikrometern und 30 Mikrometern beträgt und wobei die Länge zwischen 15 Mikrometern und 220 Mikrometern beträgt.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede Mikrozelle ferner umfasst: Löschschaltungsanordnung, die mit der Einzelphotonen-Avalanche-Diode gekoppelt ist.
  8. Halbleiterbauelement, umfassend: ein Array von Mikrozellen, wobei eine erste Mikrozelle des Arrays von Mikrozellen ein Seitenverhältnis aufweist, das größer als 2:1 ist, und wobei die erste Mikrozelle Folgendes umfasst: eine Einzelphotonen-Avalanche-Diode; und eine Mikrolinse, die die Einzelphotonen-Avalanche-Diode bedeckt.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Seitenverhältnis zwischen 2:1 und 10:1 liegt, wobei die Mikrozelle eine Breite aufweist und eine Länge, die länger als die Breite ist, wobei die Mikrolinse eine erste Abmessung parallel zu der Breite und eine zweite Abmessung parallel zu der Länge aufweist, und wobei die Mikrolinse eine Oberseite aufweist, die entlang der ersten Abmessung gekrümmt ist, wobei die Oberseite der Mikrolinse entlang der zweiten Abmessung eine geringere Krümmung aufweist als entlang der ersten Abmessung, wobei die Breite zwischen 5 Mikrometer und 30 Mikrometer beträgt und wobei die Länge zwischen 15 Mikrometer und 220 Mikrometer beträgt.
  10. Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung, umfassend: Bilden von Einzelphotonen-Avalanche-Dioden in einem Halbleitersubstrat, wobei die Einzelphotonen-Avalanche-Dioden in einem Array von nicht-quadratischen, rechteckigen Mikrozellen angeordnet sind; Strukturieren von Mikrolinsenmaterial über den Einzelphotonen-Avalanche-Dioden; und Aufschmelzen des Mikrolinsenmaterials, um eine Vielzahl von nicht-quadratischen, rechteckigen Mikrolinsen zu bilden.
DE102021000353.5A 2020-01-30 2021-01-25 Halbleitervorrichtungen mit einzelphotonen-avalanche-dioden und rechteckigen mikrolinsen Pending DE102021000353A1 (de)

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