DE102021100503A1

DE102021100503A1 - System mit spad-basierter halbleitervorrichtung mit dunklen pixeln zur überwachung von sensorparametern

Info

Publication number: DE102021100503A1
Application number: DE102021100503.5A
Authority: DE
Inventors: Jan LEDVINA; Ivan Koudar; Dariusz Piotr PALUBIAK
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung kann eine Vielzahl von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPADs) einschließen. Die Halbleitervorrichtung kann Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden, die gegenüber einfallendem Licht empfindlich sind, und dunkle Einzelphoton-Avalanche-Dioden, die vor einfallendem Licht abgeschirmt sind, einschließen. Die dunklen Einzelphoton-Avalanche-Dioden können verwendet werden, um einen oder mehrere Parameter für die Halbleitervorrichtung zu messen, wie Durchbruchspannung, Dunkelzählrate und Löschwiderstand. Eine Verarbeitungsschaltungsanordnung kann eine Vorspannung für die Halbleitervorrichtung basierend auf Informationen bezüglich eines oder mehrerer Sensorparameter optimieren, die unter Verwendung der dunklen Einzelphoton-Avalanche-Dioden erhalten werden.

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen Patentanmeldung Nr. 62/963,658, eingereicht am 21. Januar 2020, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Dies betrifft im Allgemeinen Bildgebungssysteme und insbesondere Bildgebungssysteme, die Einzelphotonen-Avalanche-Dioden (SPADs) zur Einzelphotonen-Detektion einschließen.
Moderne elektronische Vorrichtungen, wie 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 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 (SPAD-Pixel) gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist eine grafische Darstellung eines veranschaulichenden Silicium-Photomultipliers gemäß einer Ausführungsform.
3 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Silicium-Photomultipliers mit einem schnellen Ausgangsanschluss gemäß einer Ausführungsform.
4 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Silicium-Photomultipliers, der ein Array von Mikrozellen (SPAD-Dioden) gemäß einer Ausführungsform umfasst.
5 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Bildgebungssystems, das eine SPAD-basierte Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform einschließt.
6 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden LIDAR-Moduls, das eine Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung zum Optimieren eines Sensorparameters gemäß einer Ausführungsform einschließt.
7 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden LIDAR-Moduls, das eine Verarbeitungsschaltungsanordnung zum Einstellen einer SPAD-Vorspannung durch Regeln auf konstante Überspannung gemäß einer Ausführungsform einschließt.
8 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden LIDAR-Moduls, das eine Verarbeitungsschaltungsanordnung zum Einstellen einer SPAD-Vorspannung durch Regeln auf konstante Dunkelzählrate gemäß einer Ausführungsform einschließt.
9 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden LIDAR-Moduls, das eine Verarbeitungsschaltungsanordnung zum Optimieren einer SPAD-Vorspannung basierend auf mehreren gemessenen Parametern gemäß einer Ausführungsform einschließt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Bildgebungssysteme, die einen auf Einzelphoton-Avalanche-Dioden-(SPADs) basierten Sensor 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. Eine SPAD-Vorrichtung kann Silicium-Photomultiplier-Pixel (SiPM-Pixel) einschließen, die jeweils eine Vielzahl von Einzelphoton-Avalanche-Dioden einschließen. Jede Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) ist weit 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 dem SPAD-Pixel zugeordnet sind. Der Lawinenprozess kann gestoppt (oder gedämpft) werden, indem die Diodenvorspannung unter ihren Durchbruchpunkt abgesenkt wird. Jede Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) innerhalb des SiPM-Pixels 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 SiPM-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 Photonendetektionswahrscheinlichkeit (PDP) der SPAD bezeichnet werden. Jede SPAD-Vorrichtung kann auch eine zugehörige Photonendetektionseffizienz (PDE) aufweisen, die ein Produkt aus Füllfaktor und PDP ist. Ein Gruppieren mehrerer SPAD-Pixel zusammen in dem Silicium-Photomultiplier erlaubt daher eine direkte 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 in 3D 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 (Mikrozellen) 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-basierte Halbleitervorrichtung (oder ein SPAD-Array) 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.
5 ist ein schematisches Diagramm eines veranschaulichenden Systems, das ein LIDAR-(Light Detection And Ranging)-Bildgebungssystem einschließt. Das System 100 von 5 kann ein Fahrzeugsicherheitssystem (z. B. ein aktives Bremssystem oder ein anderes Fahrzeugsicherheitssystem), ein Überwachungssystem, ein medizinisches Bildgebungssystem, ein allgemeines Bildverarbeitungssystem oder eine beliebige andere gewünschte Art von System sein.
Das System 100 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 wie Tastaturen, Tasten, Eingangs-Ausgangsanschlüsse, Joysticks und Displays einschließen. Zusätzliche Speicher- und Verarbeitungsschaltungsanordnungen wie flüchtiger und nichtflüchtiger Speicher (z. B. Direktzugriffsspeicher, Flash-Speicher, Festplatten, Solid-State-Laufwerke usw.), Mikroprozessoren, Microcontroller, digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen und/oder andere Verarbeitungsschaltungen können ebenfalls in das System eingeschlossen sein.
Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen im System 100 können Ausgabevorrichtungen einschließen, die in Kombination mit der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung arbeiten. Zum Beispiel kann eine lichtemittierende Komponente (wie ein Lichtemitter 104) in dem Bildgebungssystem eingeschlossen sein, um Licht zu emittieren (z. B. Nahinfrarot-(NIR)-Licht oder Licht jeder anderen gewünschten Art). Als Lichtemitter 104 kann ein NIR-Laser verwendet werden.
Das System 100 schließt ein LIDAR-basiertes Bildgebungssystem 102 ein, das manchmal als LIDAR-Modul bezeichnet wird. Das LIDAR-Modul 102 kann verwendet werden, um 3D-Bilder eines Motivs aufzunehmen und Abstände zu Hindernissen in dem Motiv zu messen.
Bei einem Fahrzeugsicherheitssystem können Informationen von dem LIDAR-Modul vom Fahrzeugsicherheitssystem verwendet werden, um die Bedingungen des Umfelds in der Umgebung des Fahrzeugs zu bestimmen. Beispiele für Fahrzeugsicherheitssysteme können etwa eine Einparkhilfe, ein automatischer oder halbautomatischer Tempomat, ein ABS-System, ein Kollisionsvermeidungssystem, ein Spurassistent (gelegentlich bezeichnet als Spurhalteassistent), ein Fußgängermeldesystem, etc. sein. Zumindest in einigen Fällen kann ein LIDAR-Modul Teil eines selbstfahrenden Fahrzeugs beim halbautonomen oder autonomen Fahren sein.
Das LIDAR-Modul 102 kann einen Lichtemitter 104 (z. B. einen Laser) einschließen, der Licht 108 emittiert, um ein Hindernis 110 zu beleuchten. Der Laser kann Licht 108 bei jeder gewünschten Wellenlänge emittieren (z. B. Infrarotlicht, sichtbares Licht usw.). Optiken und Strahllenkungseinrichtungen 106 können verwendet werden, um den Lichtstrahl vom Laser 104 auf das Hindernis 110 zu richten. Das Licht 108 kann das Hindernis 110 beleuchten und als Reflexion 112 zum LIDAR-Modul zurückkehren. Eine oder mehrere Linsen in Optik und Strahllenkung 106 können das reflektierte Licht 112 auf die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 114 fokussieren.
Die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 114 kann ein Silicium-Photomultiplier sein und kann eine Vielzahl von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (Mikrozellen) einschließen. Die SPAD-Pixel können zusammen mit einer Time-to-Digital-Umwandlungs-Schaltungsanordnung (TDC-Schaltungsanordnung) im Empfänger 118 verwendet werden, um die Photonenflugzeit (ToF) von einer synchronisierten Lichtquelle (z. B. Laser 104) zu einem Motivobjektpunkt und zurück zu dem Sensor zu messen, was verwendet werden kann, um ein 3-dimensionales Bild des Motivs zu erhalten.
Die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 114 kann eine beliebige Anzahl von SPAD-Pixeln aufweisen (z. B. zwei, mehr als zwei, mehr als zehn, mehr als hundert, mehr als tausend, mehr als eine Million usw.). In einigen SPAD-basierten Halbleitervorrichtungen kann jedes SPAD-Pixel durch ein jeweiliges Wellenlängenfilterelement und/oder eine jeweilige Mikrolinse abgedeckt sein. Die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 114 kann optional eine zusätzliche Schaltungsanordnung, wie Logikgatter, Digitalzähler, Zeit-Digital-Wandler, eine Vorspannungsschaltungsanordnung (z. B. Source-Folger-Lastschaltungen), eine Abtast-Halte-Schaltungsanordnung, eine Doppelabtastungskorrelations-Schaltungsanordnung (CDS-Schaltungsanordnung), eine Verstärkerschaltungsanordnung, eine Analog-Digital-Wandlerschaltungsanordnung (ADC-Wandlerschaltungsanordnung), eine Datenausgangsschaltungsanordnung, einen Speicher (z. B. eine Zwischenspeicherschaltungsanordnung), eine Adressenschaltungsanordnung usw. einschließen.
Das LIDAR-Modul 102 kann auch einen Sender 116 und einen Empfänger 118 einschließen. Die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 kann den Sender 116 steuern, um Licht vom Laser 104 zu emittieren (z. B. kann der Sender 116 ein Treiber für den Laser sein). Der Empfänger 118 kann einen oder mehrere Komparatoren einschließen, die dazu konfiguriert sind, die Größe eines oder mehrerer Signale zu bestimmen, die von dem Silicium-Photomultiplier empfangen werden. Die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 kann Daten vom Empfänger 118 (und der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 114) empfangen. Basierend auf den Daten von der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 114 kann die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 einen Abstand zum Hindernis 110 bestimmen.
Die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 kann mit der System-Verarbeitungsschaltungsanordnung 101 kommunizieren. Die Systemverarbeitungsschaltungsanordnung 101 kann entsprechende Maßnahmen (z. B. auf Systemebene) basierend auf den Informationen vom LIDAR-Modul 102 ergreifen.
Die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 und/oder die Systemverarbeitungsschaltungsanordnung 101 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 Verarbeitungsschaltungsanordnung Prozessdaten verarbeiten, die durch SPAD-Pixel gesammelt werden, um die Größe und Richtung der Linsenbewegung (z. B. Bewegung einer Linse in der Optik und Strahllenkung 106 oder einer anderen Linse im System) zu bestimmen, die benötigt werden, um ein Objekt von Interesse zu fokussieren. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung kann die von den SPAD-Pixeln gesammelten Daten verarbeiten, um eine Tiefenkarte des Motivs zu bestimmen. Der Empfänger 118, die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120, die Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung 126 und/oder die Systemverarbeitungsschaltungsanordnung können alle gemeinsam, in einer Teilmenge, und/oder einzeln als Verarbeitungsschaltungsanordnung bezeichnet werden.
Ein LIDAR-Modul kann mehrere LIDAR-Kanäle einschließen. Ein Kanal kann sich auf die Ausgabe einer jeweiligen Teilmenge von SPADs in der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 114 beziehen. Wie bereits erwähnt, können alle SPADs auf dem SiPM-Sensor einen gemeinsamen Ausgang aufweisen (z. B. kann der Sensor einen einzigen Kanal aufweisen). In anderen Ausführungsformen können jeweilige Gruppen von SPADs entsprechende Ausgänge aufweisen (z. B. kann der Sensor unterschiedliche Kanäle aufweisen). Die Gruppen von SPADs, die jedem unterschiedlichen Kanal zugeordnet sind, können als Silicium-Photomultipliersensorpixel bezeichnet werden oder können einfach als separate Silicium-Photomultiplier auf dem Silicium-Photomultipliersensor bezeichnet werden.
Die Leistung des LIDAR-basierten Bildgebungssystems 102 kann durch Umgebungslichtpegel beeinflusst werden. Wie in 5 gezeigt, kann die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 114 zusätzlich zu den Reflexionen 112 vom Hindernis 110 Umgebungslicht 122 von der Umgebungslichtquelle 124 empfangen.
Wie in 5 gezeigt, schließt die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 114 sowohl einen Erfassungsabschnitt 128 als auch einen dunklen Abschnitt 130 ein. Der Erfassungsabschnitt 128 kann verwendet werden, um Licht zu messen, das vom Sensor (z. B. durch die Optik 106) von Reflexionen 112 und/oder Umgebungslicht 122 empfangen wird. Der dunkle Abschnitt 130 kann Einzelphoton-Avalanche-Dioden einschließen, die von dem gesamten einfallenden Licht abgeschirmt sind. Durch diese Abschirmung der SPADs 130 können zusätzliche Informationen über den Sensor 114 aktiv ermittelt werden.
Ein Schlüsselparameter, der die Einzelphoton-Avalanche-Dioden des Sensors 114 beeinflusst, ist die Durchbruchspannung (V_BR). Die Durchbruchspannung kann die Sperrvorspannung sein, oberhalb der ein Lawinendurchbruch auftreten kann. Während des Betriebs können die Einzelphoton-Avalanche-Dioden des Sensors 114 in Sperrrichtung vorgespannt werden durch eine Vorspannung (V_VORSP), die gleich der Durchbruchspannung plus einer Überspannung (V_ÜS, manchmal als Übervorspannung bezeichnet) ist. Mit anderen Worten gilt V_VORSP=V_ÜS+V_BR. Die Größe von V_ÜS kann die Leistung des Sensors beeinflussen (z. B. kann eine höhere V_ÜS die Wahrscheinlichkeit eines Lawinendurchbruchs erhöhen). V_VORSP kann im Sensor steuerbar sein. Ohne Kenntnis der Größe von V_BR ist jedoch die genaue Größe von V_ÜS unter Umständen nicht bekannt. Das aktive Messen von V_BR kann daher eine bessere Optimierung von V_VORSP durch V_ÜS-Einstellung während des Betriebs des LIDAR-Bildgebungssystems ermöglichen.
Die Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung 126 kann den Ausgang von dem dunklen Abschnitt 130 des Sensors 114 verwenden, um Parameter wie die Durchbruchspannung zu bestimmen. Diese Informationen werden wiederum der LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 bereitgestellt. Zusätzliche Parameter können die optimale Vorspannung für die SPADs in der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 114 beeinflussen. Die Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung kann daher auch die Dunkelzählrate (z. B. die Menge an Lawinen, die durch Trägerrekombination oder internes optisches Übersprechen zwischen benachbarten SPADs verursacht werden) und den Löschwiderstand und andere gewünschte Sensorparameter bestimmen. Diese Informationen werden der LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 bereitgestellt und verwendet, um eine optimale Vorspannung für die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung zu bestimmen.
Wie in 6 gezeigt, kann das Einzelphoton-Avalanche-Diodenarray 114 eine Vielzahl von nicht abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Dioden 128 zum Erfassen von einfallendem Licht einschließen. Mindestens eine abgeschirmte Einzelphoton-Avalanche-Diode 130 wird durch die Abschirmung 132 abgeschirmt (z. B. eine Abschirmung aus opakem Metall oder einem anderen opaken Material). Jede Teilmenge von unabgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Dioden mit einem gemeinsamen Ausgang kann als diskreter Silicium-Photomultiplier oder als Pixel (z. B. Kanal) eines größeren Silicium-Photomultipliers 114 bezeichnet werden. Die Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung 126 kann verwendet werden, um gewünschte Eigenschaften des Sensors basierend auf Ausgängen von dem einen oder den mehreren abgeschirmten SPADs 130 zu messen. Die abgeschirmten SPADs 130 können einen Ausgangskanal oder mehrere Ausgangskanäle aufweisen.
Jeder LIDAR-Kanal kann einen entsprechenden Verstärker im Empfänger 118 aufweisen. Wie dargestellt, weist Kanal 1 einen Verstärker A1, Kanal 2 einen Verstärker A2,..., Kanal n einen Verstärker An auf. Die Ausgänge der Verstärker können mit der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 118P gekoppelt sein. Sowohl die Eingänge als auch die Ausgänge des Verstärkers können als Ausgangssignale des Silicium-Photomultipliers 114 bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann das verstärkte Signal von Sensor 114 noch als Ausgangssignal von Sensor 114 bezeichnet werden. Die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 118P kann einen oder mehrere Komparatoren zum Identifizieren der Größe der Signale von den Verstärkern einschließen. Jeder Komparator kann ein entsprechendes Referenzsignal einer eindeutigen Größe aufweisen. Die Ausgänge der Komparatoren geben an, ob das Signal der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 114 größer oder kleiner als die entsprechenden Referenzsignale ist. Diese Komparatorausgänge können verwendet werden (z. B. durch den LIDAR-Controller 120), um die ungefähre Größe der Ausgangssignale zu identifizieren. Ein oder mehrere Digital-Analog-Wandler (DAC) können verwendet werden, um die Referenzsignale für die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 118P bereitzustellen.
Die abgeschirmten SPADs können verwendet werden, um einen oder mehrere Zielparameter für den SPAD-basierten Sensor 114 zu messen. 6 zeigt ein Beispiel dafür, wie eine Rückkopplungsschleife verwendet werden kann, um die Vorspannung für die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung zu optimieren.
Die Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung 126 kann einen gegebenen Parameter messen, der die Sensorleistung beeinflusst (z. B. Durchbruchspannung, Dunkelzählrate, Löschwiderstand). Die Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung 126 bestimmt die Größe des gegebenen Parameters. Die Größe des gegebenen Parameters kann als Ausgang an die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 (manchmal einfach als Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 bezeichnet) bereitgestellt werden. Der Messwert für den Parameter kann, falls gewünscht, auch direkt der Verarbeitungsschaltungsanordnung auf Systemebene 101 bereitgestellt werden.
Zusätzlich zu dem Messwert für den Parameter empfängt die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung einen Sollwert für den Parameter (z. B. von der System-Verarbeitungsschaltungsanordnung 101, von einer Benutzereingabe usw.). Die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 kann selbst den Sollwert für den Parameter erzeugen, falls gewünscht (z. B. basierend auf einfallenden Lichtpegeln, Benutzereingaben und/oder anderen Faktoren). Die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 kann den Messwert mit dem Sollwert vergleichen und entsprechende Maßnahmen ergreifen. Wenn zum Beispiel der Sollwert mit dem Messwert übereinstimmt, kann die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 möglicherweise keine wesentliche Maßnahme ergreifen und die Überwachung des Parameters basierend auf den Messwerten von der Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung 126 fortsetzen. Wenn der Sollwert nicht mit dem Messwert übereinstimmt, kann die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 114 unter Verwendung der Ausgangsstufe 134 einstellen. Zum Beispiel kann die Ausgangsstufe 134 die Vorspannung für die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung basierend auf Informationen von der LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 einstellen. Die Ausgangsstufe 134 kann einen Leistungsverstärker einschließen, der die Vorspannung für die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung ändert.
Um die Wirksamkeit der Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung 126 zu optimieren, ist es wünschenswert, dass die SPAD-Pixel 128 und 130 als Teil desselben Arrays ausgebildet sind und auf derselben Temperatur gehalten werden. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, ist die Annahme, dass die für die abgeschirmten SPAD-Pixel 130 gemessenen Eigenschaften den Eigenschaften vom Erfassen von SPAD-Pixeln 128 entsprechen, am genauesten.
Wenn die Durchbruchspannung und/oder die Dunkelzählrate durch die Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung 126 bestimmt werden, können diese Informationen verwendet werden, um das LIDAR-Bildgebungssystem in einem Modus mit konstanter Überspannung oder in einem Modus mit konstanter Dunkelzählrate zu betreiben. Die Abschirmung 132, die über SPADs 130 gebildet wird, kann statisch oder dynamisch sein. Eine statische Abschirmung schirmt die SPADs 130 ständig vor einfallendem Licht ab. Eine dynamische Abschirmung (z. B. ein Verschluss) kann die SPADs dynamisch abschirmen (z. B. kann in einem ersten Zustand die Abschirmung einfallendes Licht von den SPADs 130 blockieren, und in einem zweiten Zustand kann die Abschirmung einfallendes Licht zu den SPADs 130 passieren lassen). Eine beliebige Anzahl von SPADs kann statisch für Dunkelpixelmessungen abgeschirmt sein, und eine beliebige Anzahl von SPADs kann dynamisch für Dunkelpixelmessungen abgeschirmt sein.
Wie in 6 gezeigt, können optional elektrische Verbindungen 136 zwischen der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung 114 (z. B. auf einem ersten Chip) und der zusätzlichen Schaltungsanordnung im LIDAR-Modul (z. B. auf einem zweiten Chip) gebildet werden. Dieses Beispiel dient lediglich der Veranschaulichung. Im Allgemeinen kann das LIDAR-Modul unter Verwendung von einem Chip, zwei Chips, mehr als zwei Chips usw. gebildet sein. Das LIDAR-Modul kann auf jede gewünschte Weise auf mehrere Chips aufgeteilt werden.
7 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden LIDAR-Moduls mit einer Rückkopplungsschleife zum Optimieren der Überspannung für die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 114. Wie bereits erwähnt, ist ein Schlüsselparameter, der die Einzelphoton-Avalanche-Dioden des Sensors 114 beeinflusst, die Durchbruchspannung (V_BR). Die Durchbruchspannung kann die Sperrvorspannung sein, oberhalb der ein Lawinendurchbruch auftreten kann. Während des Betriebs können die Einzelphoton-Avalanche-Dioden des Sensors 114 durch eine Vorspannung (V_VORSP) in Sperrrichtung vorgespannt werden, die gleich der Durchbruchspannung plus einer Überspannung (V_ÜS) ist. Mit anderen Worten gilt V_VORSP=V_ÜS+V_BR. Die Größe von V_ÜS kann die Leistung des Sensors beeinflussen (z. B. kann eine höhere V_ÜS die Wahrscheinlichkeit eines Lawinendurchbruchs erhöhen). V_VORSP kann im Sensor steuerbar sein. Ohne Kenntnis der Größe von V_BR ist jedoch die genaue Größe von V_ÜS unter Umständen nicht bekannt. Das aktive Messen (oder Kompensieren) von V_BR kann daher eine bessere Optimierung von V_VORSR durch V_ÜS-Einstellung während des Betriebs des LIDAR-Bildgebungssystems ermöglichen.
In 7 ist eine Stromquelle 142 mit einem Anschluss (z. B. der Kathode) einer oder mehrerer dunkler SPAD-Dioden 130 gekoppelt. Die Stromquelle 142 kann einen Messstrom I_MESS liefern, der basierend auf der Temperatur der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung ausgewählt wird.
Während normaler Erfassungsvorgänge sind die SPADs weit über die Durchbruchspannung vorgespannt, die die größte Sperrspannung ist, die an die SPAD angelegt werden kann, ohne einen exponentiellen Anstieg des Leckstroms in der Diode zu verursachen. In diesem Zustand kann die SPAD als in einem Geiger-Modus befindlich bezeichnet werden, da jedes einfallende Photon einen entsprechenden Lawinendurchbruch auslöst.
Die Größe des Messstroms I_MESS kann so gewählt werden, dass der dynamische Widerstand der SPAD sehr gering ist und sich die SPAD nicht im Geiger-Modus befindet. Während dieses Zustands ist die Spannung über der Diode ungefähr gleich der Durchbruchspannung (V_{br_reg}). Das LIDAR-Modul (z. B. Treiber 148, Endstufe 134 usw.) kann zusätzlich eine Überspannung (V_{üs_reg}) an die SPADs anlegen.
SPAD 130 kann mit einem ersten Eingangsanschluss (z. B. dem Minus-Anschluss) des Fehlerverstärkers 144 gekoppelt sein. Der Fehlerverstärker 144 kann einen zweiten Eingangsanschluss (z. B. den Plus-Anschluss) aufweisen, der eine Soll-Überspannung (V_{ÜS_SOLL}) empfängt. 7 zeigt das Prinzip der Regelung für konstante Überspannung V_{üs_soll}. Im Betrieb setzt die Stromquelle 142 den Messstrom I_MESS auf die dunkle SPAD 130. Der Strom wird vorzugsweise gemäß einer Sensortemperatur moderiert, um seinen Wert nahe dem Strom direkt über V_{br_reg} zu halten. Dies hat zur Folge, dass der Spannungsabfall von SPAD 130 sehr nahe bei V_{br_reg} liegt. Beim EA 144 ist die Soll- Überspannung V_{üs_soll} mit seinem positiven Eingang verbunden, und die Regelschleife stellt am negativen Eingang EA 144 den gleichen Spannungspegel (bezogen auf 0V) her (z. B. durch Ansteuern des Treibers 148). Alle SPADs- 128 -Kathoden folgen dem Spannungspegel der Eingangsverstärker A1..An, der gleich 0V ist. Für eine solche Anordnung folgt die Vorspannung von SPADs 128 V_VORSP=V_{üs_soll}+ V_{br_reg}. Damit bleibt die Konstante V_{üs_soll} erhalten.
Auf diese Weise kann das LIDAR-Modul sicherstellen, dass die Überspannung gleich einer Soll-Überspannung ist. Es sollte beachtet werden, dass zusätzliche Komponenten eingeschlossen sein können, um, falls gewünscht, die Durchbruchspannung direkt zu messen (z. B. durch Messen des Spannungsabfalls über der dunklen SPAD-Diode, während Imess angelegt ist).
Die Größe des Messstroms I_mess kann auf der Temperatur des SPAD-basierten Halbleitervorrichtungs basieren. Das LIDAR-Bildgebungsmodul 102 und/oder das System 100 können einen Temperatursensor aufweisen, der verwendet wird, um eine Temperaturmessung zu erhalten. Eine oder mehrere Temperaturmessungen von dem einen oder den mehreren Temperatursensoren in dem System können verwendet werden, um die Temperatur der SPADs in der Vorrichtung 114 zu schätzen. Diese Temperatur wird wiederum verwendet, um die Größe von Imess zu schätzen, die erforderlich ist, um die dunkle SPAD in den niederohmigen Nicht-Geiger-Modus zu versetzen.
In einigen Fällen steht die Temperatur der SPAD-Vorrichtungen möglicherweise nicht zur Verfügung (z. B. wenn kein Temperatursensor im System enthalten ist). In dieser Situation kann Imess über einen Größenbereich abgetastet werden. Bei jeder Größe von I_mess kann der Spannungsabfall über der SPAD gemessen werden. Diese Datenpunkte können verwendet werden, um eine charakteristische I/V-Kurve (Strom gegenüber Spannung) für die SPAD bei Echtzeittemperatur zu konstruieren. Aus der bestimmten I/V-Kurve kann die Durchbruchspannung identifiziert werden und/oder eine geeignete I_mess-Größe kann für eine Überspannungssteuerung identifiziert werden (wie in 7).
In 7 kann jede Teilmenge von Stromquelle 142, Fehlerverstärker 144 und Treiber 148 als Messschaltungsanordnung 126 und/oder LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 bezeichnet werden.
8 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden LIDAR-Moduls mit einer Rückkopplungsschleife zum Optimieren der Dunkelzählrate (DCR) für die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung 114. Die Dunkelzählrate ist die Menge an Photonen, die auch ohne Belichtung mit einfallendem Licht detektiert werden. Wenn die Dunkelzählrate höher als gewünscht ist, kann Rauschen in der gesamten SPAD-basierten Halbleitervorrichtung unerwünscht hoch sein. Wenn die Dunkelzählrate niedriger als gewünscht ist, kann die Empfindlichkeit der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung niedriger als gewünscht sein.
In 8 ist ein Analogverstärker 152 mit einem Anschluss (z. B. der Kathode) eines oder mehrerer dunkler SPADs 130 gekoppelt. Der Analogverstärker 152 kann die gleiche Referenzspannung aufweisen wie die Verstärker A1, A2 usw. im Empfänger 118. Der Ausgang des Verstärkers 152 kann dem Komparator 154 bereitgestellt werden. Der Komparator 154 vergleicht den Eingang mit einer Schwellenspannung, um zu bestimmen, wann eine Lawine bei der dunklen SPAD 130 auftritt. Wenn eine Lawine auftritt, kann der Zähler 156 seinen Zählwert um 1 erhöhen.
Die Anzahl der Lawinen, die durch Dunkelstrom verursacht werden, kann über eine gewisse Zeitspanne (z. B. 10 Millisekunden oder eine andere gewünschte Zeitspanne) gezählt werden. Ein Synchronisationssignal kann dem Zähler 156 und dem Latch 162 bereitgestellt werden, um den Zählwert nach der ausgewählten Zeitdauer zurückzusetzen. Nachdem die Zeitdauer abgelaufen ist, kann die Subtraktionsschaltung 160 die vom Zähler 156 gezählten Lawinen von einem vom Register 158 bereitgestellten Sollzählerstand subtrahieren. Das Ergebnis kann im Latch 162 gespeichert werden, wo optionale zusätzliche Nachverarbeitung durchgeführt werden kann. Der Treiber 166 kann die Vorspannung (und entsprechend die Überspannung) für die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung basierend auf der Differenz zwischen der gemessenen DCR und der Soll-DCR einstellen. Ein Digital-Analog-Wandler kann optional zwischen Latch 162 und Treiber 166 eingefügt sein. Wenn die gemessene DCR niedriger als der Sollwert ist, kann die Überspannung durch den Treiber 166 erhöht werden, um die Empfindlichkeit der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung zu verbessern. Wenn die gemessene DCR höher als der Sollwert ist, kann die Überspannung durch den Treiber 166 gesenkt werden, um den Dunkelstrom in der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung zu verbessern.
In 8 kann jede Teilmenge von Verstärker 152, Komparator 154, Zähler 156, Register 158, Subtraktionsschaltung 160, Latch 162, DAC 164 und Treiber 166 als Messschaltungsanordnung 126 und/oder LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 bezeichnet werden. Zum Beispiel können der Verstärker 152, der Komparator 154, der Zähler 156 gemeinsam als Dunkelpixel-Messschaltungsanordnung 126 bezeichnet werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die dunklen SPADs in 7 und 8 durch die Abschirmung 132 abgedeckt sein können, ähnlich wie in 6 gezeigt.
Zusätzlich folgen die Pfeile in 7 und 8 der Konvention, dass die Pfeilrichtung von positiv nach negativ verläuft.
In den Beispielen der 6-8 optimiert das LIDAR-Modul die Überspannung für einen einzelnen Parameter in dem System. In 7 ist das LIDAR-Modul für Durchbruchspannung optimiert. In 8 ist das LIDAR-Modul für die Dunkelzählrate optimiert. Diese Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung. In einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Vorspannung für die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung basierend auf mehreren Variablen zu optimieren. Der optimale Vorspannungspunkt für eine gegebene Vorrichtung kann von mehreren Parametern abhängig sein. Daher kann das LIDAR-Modul Eingänge in Bezug auf mehrere Parameter unter Verwendung der Messschaltungsanordnung 126 erfassen. Die Informationen über die mehreren Parameter werden dann verwendet, um eine optimale Vorspannung für das System auszuwählen.
9 ist ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Moduls, das für mehrere Parameter optimiert ist. Wie gezeigt, können die dunklen SPADs 130 mit mehreren verschiedenen Messeinheiten gekoppelt sein. Eine erste Messeinheit 126-1 kann einen ersten Parameter (z. B. Durchbruchspannung) messen, eine zweite Messeinheit 126-2 kann einen zweiten Parameter (z. B. Dunkelzählrate) messen, eine dritte Messeinheit 126-3 kann einen dritten Parameter (z. B. Löschwiderstand) messen usw. Im Allgemeinen kann eine beliebige Anzahl von Messeinheiten enthalten sein, wobei jede Messeinheit einen jeweiligen Parameter der dunklen SPAD(s) misst. Ein Multiplexer kann optional enthalten sein, um die dunklen SPADs mit einer ausgewählten Messeinheit aus der Vielzahl von Messeinheiten zu koppeln.
Die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 kann Informationen von den Messeinheiten empfangen. Basierend auf den gemessenen Parametern kann die LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 eine optimale Vorspannung bestimmen und die Vorspannungssteuereinheit 172 (z. B. ähnlich der Ausgangsstufe 134 in 6) steuern, um die optimale Vorspannung für die SPAD-basierte Halbleitervorrichtung bereitzustellen. Der von der LIDAR-Verarbeitungsschaltungsanordnung 120 verwendete Optimierungsalgorithmus kann von Anwendungspräferenzen und spezifischen Pixeleigenschaften der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung abhängig sein.
Als ein veranschaulichendes Beispiel kann die erste Parametermesseinheit 126-1 die Messschaltungsanordnung von 7 einschließen, und die zweite Parametermesseinheit 126-2 kann die Messschaltungsanordnung von 8 einschließen.
In den Ausführungsformen der 6-9 werden Sensorparameter überwacht, um die Überspannung der SPAD-basierten Halbleitervorrichtung auf einen Sollpegel zu regeln. Es versteht sich jedoch, dass die Sensorparameter zum Zwecke der Sensordiagnose (z. B. Sicherstellen der ordnungsgemäßen Funktion des Sensors) auch in ähnlicher Weise überwacht (gemessen) werden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein System eine Halbleitervorrichtung einschließen, die Einzelphoton-Avalanche-Erfassungsdioden und eine abgeschirmte Einzelphoton-Avalanche-Diode und eine Verarbeitungsschaltungsanordnung einschließt, die mit der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung kann dazu konfiguriert sein, eine Vorspannung für die Einzelphoton-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf Rückkopplung von der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode zu aktualisieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung eine Stromquelle einschließen, die dazu konfiguriert ist, einen Messstrom an die abgeschirmte Einzelphoton-Avalanche-Diode anzulegen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung einen Fehlerverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang einschließen, wobei der erste Eingang mit der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt sein kann und der zweite Eingang mit einer Sollüberspannung gekoppelt sein kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert sein, die Vorspannung für die Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf einem Ausgang von dem Fehlerverstärker zu aktualisieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung einen Komparator einschließen, der identifiziert, wann eine Lawine in der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode auftritt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung einen Zähler einschließen, der einen Ausgang von dem Komparator empfängt und eine Anzahl von Lawinen in der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode zählt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert sein, eine Differenz zwischen der Anzahl von Lawinen in der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode von dem Zähler und einer Sollanzahl von Lawinen in der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode zu bestimmen und die Vorspannung für die Einzelphoton-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf der Differenz zu aktualisieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert sein, die Vorspannung für die Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf einer Rückkopplung von der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode in Bezug auf einen einzelnen Parameter zu aktualisieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert sein, die Vorspannung für die Einzelphoton-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf Rückkopplung von der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode in Bezug auf mehrere Parameter zu aktualisieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert sein, die Vorspannung für die Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf einer Rückkopplung in Bezug auf einen Parameter zu aktualisieren, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Dunkelzählrate, Durchbruchspannung und Löschwiderstand.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein System eine Halbleitervorrichtung einschließen, die mindestens eine Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdiode einschließt, die dazu konfiguriert ist, einfallendes Licht zu empfangen, und mindestens eine dunkle Einzelphotonen-Avalanche-Diode, die gegen einfallendes Licht abgeschirmt ist, eine Messschaltung, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu bestimmen, und eine Verarbeitungsschaltungsanordnung, die dazu konfiguriert ist, eine Vorspannung für die Halbleitervorrichtung basierend auf dem Ausgang von der Messschaltungsanordnung einzustellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Parameter eine Dunkelzählrate sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Parameter eine Durchbruchspannung sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Parameter ein Löschwiderstand sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Messschaltungsanordnung eine Stromquelle einschließen, die dazu konfiguriert ist, einen Messstrom an die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode anzulegen, die Messschaltungsanordnung kann einen Fehlerverstärker mit einem ersten Eingang einschließen, der mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit einer Sollüberspannung gekoppelt ist, und die Verarbeitungsschaltungsanordnung kann dazu konfiguriert sein, die Vorspannung für die Halbleitervorrichtung basierend auf einem Ausgang von dem Fehlerverstärker einzustellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Messschaltungsanordnung einen Komparator einschließen, der identifiziert, wann eine Lawine in der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode auftritt, und einen Zähler, der einen Ausgang von dem Komparator empfängt und eine Anzahl von Lawinen in der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode zählt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Messschaltungsanordnung eine erste Messschaltungsanordnung sein, der Parameter kann ein erster Parameter sein, und das System kann auch eine zweite Messschaltungsanordnung einschließen, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen zweiten Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu bestimmen. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung kann dazu konfiguriert sein, die Vorspannung für die Halbleitervorrichtung basierend auf Messungen des ersten Parameters und des zweiten Parameters einzustellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Messschaltungsanordnung eine erste Messschaltungsanordnung sein, der Parameter kann ein erster Parameter sein, und das System kann auch eine zweite Messschaltungsanordnung einschließen, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen zweiten Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu bestimmen, und eine dritte Messschaltungsanordnung, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen dritten Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu bestimmen. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung kann dazu konfiguriert sein, die Vorspannung für die Halbleitervorrichtung basierend auf Messungen des ersten Parameters, des zweiten Parameters und des dritten Parameters einzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein System eine Halbleitervorrichtung einschließen, die mindestens eine Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdiode und mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode einschließt, eine erste Messeinheit, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen ersten Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu messen, eine zweite Messeinheit, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen zweiten Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu messen, und eine Verarbeitungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine optimale Vorspannung für die Halbleitervorrichtung basierend auf dem gemessenen ersten Parameter und dem gemessenen zweiten Parameter zu bestimmen und eine Vorspannung für die Halbleitervorrichtung auf die bestimmte optimale Vorspannung einzustellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können der erste und der zweite Parameter Parameter einschließen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Dunkelzählrate,
Durchbruchspannung und Löschwiderstand.
Das Vorhergehende ist lediglich veranschaulichend und durch den Fachmann können vielfältige Modifikationen vorgenommen werden. Die vorhergehenden Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination implementiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

62/963,658, eingereicht am 21. Januar 2020 [0001]

Claims

System, umfassend: eine Halbleitervorrichtung, die Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden und eine abgeschirmte Einzelphoton-Avalanche-Diode einschließt; und eine Verarbeitungsschaltungsanordnung, die mit der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert ist, eine Vorspannung für die Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf einer Rückkopplung von der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode zu aktualisieren.
System nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung umfasst: eine Stromquelle, die dazu konfiguriert ist, einen Messstrom an die abgeschirmte Einzelphoton-Avalanche-Diode anzulegen; und einen Fehlerverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang, wobei der erste Eingang mit der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und der zweite Eingang mit einer Sollüberspannung gekoppelt ist, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert ist, die Vorspannung für die Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf einem Ausgang von dem Fehlerverstärker zu aktualisieren.
System nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung umfasst: einen Komparator, der identifiziert, wann eine Lawine in der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode auftritt; und einen Zähler, der einen Ausgang von dem Komparator empfängt und eine Anzahl von Lawinen in der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode zählt.
System nach Anspruch 3, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung konfiguriert ist zum: Bestimmen einer Differenz zwischen der Anzahl von Lawinen in der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode von dem Zähler und einer Sollanzahl von Lawinen in der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode; und Aktualisieren der Vorspannung für die Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf der Differenz.
System nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert ist, die Vorspannung für die Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf einer Rückkopplung von der abgeschirmten Einzelphoton-Avalanche-Diode in Bezug auf mehrere Parameter zu aktualisieren.
System nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert ist, die Vorspannung für die Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdioden basierend auf einer Rückkopplung in Bezug auf einen Parameter zu aktualisieren, der aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: Dunkelzählrate, Durchbruchspannung und Löschwiderstand.
System, umfassend: eine Halbleitervorrichtung, die mindestens eine Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdiode, die dazu konfiguriert ist, einfallendes Licht zu empfangen, und mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode, die vor einfallendem Licht abgeschirmt ist, einschließt; eine Messschaltung, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu bestimmen; und eine Verarbeitungsschaltungsanordnung, die dazu konfiguriert ist, eine Vorspannung für die Halbleitervorrichtung basierend auf einem Ausgang von der Messschaltungsanordnung einzustellen.
System nach Anspruch 7, wobei der Parameter einen Parameter umfasst, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einer Dunkelzählrate, einer Durchbruchspannung und einem Löschwiderstand.
System nach Anspruch 7, wobei die Messschaltungsanordnung eine erste Messschaltungsanordnung ist, wobei der Parameter ein erster Parameter ist und wobei das System ferner umfasst: eine zweite Messschaltung, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen zweiten Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu bestimmen, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung dazu konfiguriert ist, die Vorspannung für die Halbleitervorrichtung basierend auf Messungen des ersten Parameters und des zweiten Parameters einzustellen.
System, umfassend: eine Halbleitervorrichtung, die mindestens eine Einzelphotonen-Avalanche-Erfassungsdiode und mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode einschließt; eine erste Messeinheit, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen ersten Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu messen; eine zweite Messeinheit, die mit der mindestens einen dunklen Einzelphoton-Avalanche-Diode gekoppelt ist und die dazu konfiguriert ist, einen zweiten Parameter für die mindestens eine dunkle Einzelphoton-Avalanche-Diode zu messen; und eine Verarbeitungsschaltungsanordnung, die konfiguriert ist zum: Bestimmen einer optimalen Vorspannung für die Halbleitervorrichtung basierend auf dem gemessenen ersten Parameter und dem gemessenen zweiten Parameter; und Einstellen einer Vorspannung für die Halbleitervorrichtung auf die bestimmte optimale Vorspannung.