DE102022107864A1

DE102022107864A1 - Lichtlaufzeitpixel

Info

Publication number: DE102022107864A1
Application number: DE102022107864.7A
Authority: DE
Inventors: Florian Sennhenn; Gerrit Lükens
Original assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Current assignee: IFM Electronic GmbH; PMDtechnologies AG
Priority date: 2022-04-01
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Lichtlaufzeitpixel mit einem photoaktiven Bereich (PAB), in dem bei einer eindringenden Strahlung Photoelektronen generiert werden,wobei an einer ersten Seite des photoaktiven Bereichs (PAB) ein Verwerfknoten (DD) und an einer zweiten und dritten Seite des photoaktiven Bereichs (LAB) Speicherbereiche (MA, MB) angeordnet sind,wobei den Speicherbereichen (MA, MB) jeweils ein Transfergate (TXA, TXB) und ein Auslesebereich (DA, DB) folgen,wobei entweder an der zweiten oder dritten Seite des photoaktiven Bereichs ein lichtdurchlässiges Steuergate (SG) angeordnet istund der räumliche Abstand des Steuergates (SG) zu einem der Speicherbereiche (MA, MB) näher ist als zum gegenüberliegenden Speicherbereich (MA, MB)

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitpixel nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Mit Lichtlaufzeitpixel sollen hier insbesondere Pixel umfasst sein, die Entfernungen aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeitpixel bzw. 3D-Pixel, TOF-Pixel sind insbesondere PMD-Pixel mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in der DE 197 04 496 A1 beschrieben sind. Diese Pixel kommen insbesondere in 3D-Kameras zum Einsatz, wie sie beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic GmbH‘ oder ‚pmdtechnologies ag‘ als O3D-Kamera zu beziehen sind.
Aus der DE 10 2019 100 460 A1 sind ferner Lichtlaufzeitpixel mit einem so genannten Verwerfknoten bekannt. Der Verwerfknoten besteht aus einer zusätzlichen Diode, welche beispielsweise durch ein Transfergate vom Rest des Pixels getrennt ist. Diese Anordnung hat den Zweck, photogenerierte Elektronen, die während der globalen Auslese der Pixelmatrix generiert werden, einzusammeln und so vorzugsweise eine ungewollte Veränderung der unten den Integrationsknoten gesammelten Ladungen zu verhindern.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Flächenbedarf und die Leistungsaufnahme eines Lichtlaufzeitpixels zu reduzieren.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitpixel gelöst.
Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitpixel vorgesehen,
mit einem photoaktiven Bereich, in dem bei einer eindringenden Strahlung Photoelektronen generiert werden,
wobei an einer ersten Seite des photoaktiven Bereichs ein Verwerfknoten und an einer zweiten und dritten Seite des photoaktiven Bereichs Speicherbereiche angeordnet sind,
wobei den Speicherbereichen jeweils ein Transfergate und ein Auslesebereich folgen,
wobei entweder an der zweiten oder dritten Seite des photoaktiven Bereichs ein lichtdurchlässiges Steuergate angeordnet ist
und der räumliche Abstand des Steuergates zu einem der Speicherbereiche näher ist als zum gegenüberliegenden Speicherbereich.
Ferner sind unterhalb des Steuergates ein erstes Dotiergebiet vor dem Speicherbereich und ein zweites Dotiergebiet vor dem Verwerfknoten angeordnet.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass bereits mit einem einzigen Steuergate die photogenerierten Ladungen auf einen ersten und zweiten Speicherknoten sowie auf einen Verwerfknoten aufgeteilt werden können.
Bevorzugt sind das erste und zweite Dotiergebiet als Schwellenspannungsimplantate derart ausgebildet, dass eine Schwellenspannung des ersten Dotiergebiets geringer ist als die Schwellenspannung des zweiten Dotiergebiets.
Vorteilhaft ist das Lichtlaufzeitpixel derart ausgelegt,
dass die im photoaktiven Bereich generierten Photoelektronen
durch Anlegen unterschiedlicher Steuerspannungen an das Steuergate in unterschiedliche Richtungen im Lichtlaufzeitpixel gelenkt werden,

- wobei durch eine erste Steuerspannung, die niedriger als die erste Schwellenspannung ist, die Photoelektronen in Richtung des entfernten Speicherknotens gelenkt werden,
- wobei durch eine zweite Steuerspannung, die zwischen der ersten und der zweiten Schwellenspannung liegt, die Photoelektronen in Richtung des nahen Speicherknotens gelenkt werden,
- und wobei durch eine dritte Steuerspannung, die größer als die zweite Schwellenspannung ist, die Photoelektronen in Richtung des Verwerfknotens gelenkt werden.

Es zeigen schematisch:

1 eine erfindungsgemäße Pixelstruktur in der Draufsicht,
2 einen Querschnitt der Struktur gemäß 1 mit Potentialverläufen,
3 ein Timing-Diagramm für einen Betrieb des erfindungsgemäßen Pixels.

Kernidee der Erfindung ist, dass ein Pixel elektrostatisch so ausgelegt ist, dass mit drei verschiedenen Potentialniveaus eines Steuergates die photogenerierten Ladungsträger in verschiedene Pixelbereiche gelenkt werden können. So werden z.B. die Ladungsträger bei niedriger Steuerspannung in einen Kanal B gelenkt, bei mittlerer Steuerspannung in einen Kanal A und bei hoher Steuerspannung in einen Verwerfknoten. Durch die Verwendung eines einzelnen Steuergates kann so der Flächenbedarf sowie die Leistungsaufnahme des Pixels reduziert werden. Der Vorteil gegenüber Einkanal-Pixeln mit einem Modulationsgates ist, dass trotz nur eines Gates das gesamte Signal verwertet werden kann.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel bestehend aus einem photoaktiven Bereich bzw. Mischerbereich PAB in der Mitte der Struktur mit zwei angrenzenden Speicherbereichen, MA und MB, sowie einem Verwerfknoten DD. Darüber liegt einseitig ein Steuergate SG, welches einem der beiden Speicherbereiche MA, MB angenähert ist.
Unter dem Steuergate SG gibt es zusätzlich ein erstes und zweites Dotiergebiet VA und VD (grau dargestellt), welche dazu verwendet werden, die Schwellenspannungen der einzelnen Bereiche einzustellen. Diese Gebiete werden beispielsweise in Form von Implantaten realisiert. An die Speicherbereiche MA, MB grenzen die jeweiligen Transfergates TXA und TXB, welche ihrerseits an die Auslesedioden DA und DB angrenzen.
Das erste und zweite Dotiergebiet VA, VD sind als Schwellenspannungsimplantate derart ausgebildet, dass eine Schwellenspannung des ersten Dotiergebiets VA geringer ist als die Schwellenspannung des zweiten Dotiergebiets VD. Die Schwellenspannung des ersten Dotiergebiets VA ist hierbei geringer als die Schwellenspannung des zweiten Dotiergebiets VD. Die Schwellenspannung des ersten Dotiergebiets könnte beispielsweise bei 1 V und die zweite Schwellenspannung bei 2,7 V liegen.
2 zeigt das in 1 gezeigte Pixel im Querschnitt und verschiedene Potenzialverläufe beim Anlegen anwendungstypischer Steuerspannungen an das Steuergate SG. Gezeigt sind, neben dem Strukturschnitt die Potentialschnitte für folgende Modi:

aktiver Kanal B (niedriges Potential U1), aktiver Kanal A (mittleres Potential U2) und Halten (hohes Potential U3).
Aktiver Kanal B:
- Wird das Steuergate auf ein niedriges Potential U1, beispielsweise 0 Volt gelegt, bildet sich unter dem Steuergate SG ein Potentialminimum. Dies hat zur Folge, dass sich im photoaktiven Bereich PAB ein Potentialanstieg in Richtung Kanal B ausbildet. Photogenerierte Elektronen werden somit zum Kanal B geführt und dort im Speicherknoten MB gespeichert.
Aktiver Kanal A:
- Wird das Steuergate SG auf ein mittleres Potential U2, beispielsweise 1 Volt gelegt, bildet sich unter diesem ein Potential, welches dem Speicherbereich MA bzw. A-Kanal ähnelt. Dies hat zur Folge, dass sich im photoaktiven Bereich PAB ein Potentialanstieg in Richtung Kanal A ausbildet. Photogenerierte Elektronen werden somit zum Kanal A geführt und dort im Speicherbereich MA gespeichert.
Halten:
- Wird das Steuergate SG auf ein hohes Potential U3, beispielsweise 2,7 Volt gelegt, bildet sich unter diesem ein Potentialmaximum. Photogenerierte Elektronen sammeln sich unter dem Steuergate SG und können in Richtung des Verwerfknotens DD abgeführt werden. Der Zugang des Verwerfknotens VD zum Bereich unter dem Steuergate SG ist dabei nur in diesem Modus leitfähig. Die Speichergebiete MA, MB sind so ausgeführt, dass ein Rückfluss der bereits gesammelten Elektronen zum Steuergate SG ausgeschlossen wird.

3 zeigt ein mögliches Timing-Diagramm für das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitpixel. Wie für ein iTOF-Verfahren nach dem Phasenmessprinzip üblich wird zunächst ein empfangenes moduliertes Licht durch Aufteilen auf die A- und B-Kanäle bzw. Speicherknoten demoduliert. Im dargestellten Beispiel ist das Pixel für einen global Shutter-Betrieb ausgelegt, so dass nach der modulierten Integration, das Pixel auf Hold gesetzt wird und die nach wie vor entstehenden Photoelektronen auf den Verwerfknoten gelenkt werden, um beispielsweise eine Sättigung bzw. einen Überlauf des photoaktiven Bereichs PAB zu vermeiden. Nach der Auslese der Speicherknoten MA, MB kann durch Wegschalten des Verwerfknotens, wie in 2 gezeigt, die modulierte Integration wieder beginnen.
Selbstverständlich erlaubt das erfindungsgemäße Pixel auch andere Timing-Möglichkeiten.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es auch denkbar, das Pixel für einen Rolling-Shutter-Betrieb auszubilden, so dass auf eine Haltephase und ein Ableiten der Photoelektronen auf einen Verwerfknoten verzichtet werden kann, sodass kein Verwerfknoten und zweites Dotierungsgebiet VD notwendig ist.
In einer weiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, zwei Steuergates zur Demodulation der Photoelektronen vorzusehen, wobei eins oder ggf. auch beide Steuergates einen ersten und/oder einen zweiten Dotierungsbereich aufweisen können. Hierbei könnte ein oder ggf. auch beide Steuergates mit einem Verwerfknoten verbindbar sein.
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 Patentliteratur

DE 19704496 A1 [0002]
DE 102019100460 A1 [0003]

Claims

Lichtlaufzeitpixel mit einem photoaktiven Bereich (PAB), in dem bei einer eindringenden Strahlung Photoelektronen generiert werden, wobei an einer ersten Seite des photoaktiven Bereichs (PAB) ein Verwerfknoten (DD) und an einer zweiten und dritten Seite des photoaktiven Bereichs (PAB) Speicherbereiche (MA, MB) angeordnet sind, wobei den Speicherbereichen (MA, MB) jeweils ein Transfergate (TXA, TXB) und ein Auslesebereich (DA, DB) folgen, wobei entweder an der zweiten oder dritten Seite des photoaktiven Bereichs ein lichtdurchlässiges Steuergate (SG) angeordnet ist und der räumliche Abstand des Steuergates (SG) zu einem der Speicherbereiche (MA, MB) näher ist als zum gegenüberliegenden Speicherbereich (MA, MB).
Lichtlaufzeitpixel nach Anspruch 1, bei dem unterhalb des Steuergates (SG) ein erstes Dotiergebiet (VA) vor dem Speicherbereich (MA) und ein zweites Dotiergebiet (VD) vor dem Verwerfknoten (DD) angeordnet sind.
Lichtlaufzeitpixel nach Anspruch 2, bei dem das erste und zweite Dotiergebiet als Schwellenspannungsimplantate derart ausgebildet sind, dass eine erste Schwellenspannung (UA) des ersten Dotiergebiets (VA) geringer ist als eine zweite Schwellenspannung (UD) des zweiten Dotiergebiets (VD).
Lichtlaufzeitpixel nach Anspruch 3, bei dem das Lichtlaufzeitpixel derart ausgelegt ist, dass die im photoaktiven Bereich (PAB) generierten Photoelektronen durch Anlegen unterschiedlicher Steuerspannungen an das Steuergate (SG) in unterschiedliche Richtungen im Lichtlaufzeitpixel gelenkt werden, - wobei durch eine erste Steuerspannung (U1), die niedriger als die erste Schwellenspannung (UA) ist, die Photoelektronen in Richtung des entfernten Speicherknotens (MB) gelenkt werden, - wobei durch eine zweite Steuerspannung (U2), die zwischen der ersten und der zweiten Schwellenspannung (UA, UD) liegt, die Photoelektronen in Richtung des nahen Speicherknotens (MA) gelenkt werden, - und wobei durch eine dritte Steuerspannung (U3), die größer als die zweite Schwellenspannung (UD) ist, die Photoelektronen in Richtung des Verwerfknotens (DD) gelenkt werden.
Lichtlaufzeitpixel nach Anspruch 4, beim dem die erste Steuerspannung kleiner als die zweite Steuerspannung, und die zweite Steuerspannung kleiner als die dritte Steuerspannung ist.
Lichtlaufzeitsensor mit einer Matrix aus Lichtlaufzeitpixeln gemäß der vorhergehenden Ansprüche.
Lichtlaufzeitkamera mit einem Lichtlaufzeitpixel nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einem Lichtlauzeitsensor nach Anspruch 6.