DE3839512A1

DE3839512A1 - Bildsensor

Info

Publication number: DE3839512A1
Application number: DE3839512A
Authority: DE
Inventors: Hans Spies; Alfons Woehrl; Martin Spies
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1988-11-23
Filing date: 1988-11-23
Publication date: 1990-05-31
Also published as: DE3844654A1; DE3844654C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Bildsensor gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.

Es sind Bildsensoren auf der Basis von Halbleiterelementen vielfach be kannt. Ein Übersichtsartikel ist z.B. in Elektronik-Praxis Nr. 9 Septem ber 1978 Seiten 12 ff. enthalten. Es handelt sich bei den Bildsensoren um Schaltungen, bei denen höchste Integrationsfähigkeit wichtig ist und bei der deshalb große Anforderungen an die Herstellungstechnologie zu stellen sind. Dies gilt insbesondere dann wenn die Ausgangssignale, die in dem Sensor z.B. nach Einfallen einer Strahlung abgegeben werden kön nen, nur sehr klein sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bildsensor zu schaffen auf Halblei terbasis, der eine wesentlich höhere Ausbeute (Signal-Rauschabstand) bzw. ein gesteigertes Nutzsignal erbringt und auf einfache Weise steuer bar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Bildsensor, dessen fotoempfind liches Element auf Halbleiterbasis, wie CCD-Element oder Elementenanord nung, durch Erzeugen eines Avalanche-Effektes in einer Schicht optisch steuerbar ist.

Durch die Ausnützung des Avalanche-Effektes bzw. einer flächenhaften Avalanche-Diode an einem CCD-Sensor wird eine Empfindlichkeitserhöhung des Sensorelementes um das 100-fache erreicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind den weiteren An sprüchen, sowie der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Es zeigt

Fig. 1 den Aufbau des optischen Gesamtsystems in einer ersten Anwendung,

Fig. 2 einen optischen Empfänger einer ersten Art,

Fig. 3 ein Empfangselement (CCD-Element) zu Fig. 2,

Fig. 4 ein Empfangselement anderer Art, abgewandelt gegenüber Fig. 3,

Fig. 5 ein CCD-Element weiter abgewandelter Art,

Fig. 6 ein Empfänger zu Fig. 5,

Fig. 7 eine Anordnung zu Fig. 6 im Querschnitt,

Fig. 8 ein Diagramm von Signalfolgen zu einem Element nach Fig. 7,

Fig. 9 ein Blockschaltbild für einen optisch steuerbaren Bildsensor und einer Anwendung hierfür.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen er läutert ohne hierauf beschränkt zu sein. Sie umfaßt selbstverständlich auch Abwandlungen und Kombinationen von beanspruchten, beschriebenen und dargestellten Merkmalen.

Wie Fig. 1 zeigt, läßt sich ein Bildsensor flächenhafter Ausführung in Halbleiterbauweise als CCD-Array so gestalten, daß er zusammen mit einer Empfangsoptik den Empfänger des Systems bildet, während ein Laser-Sender und eine Sendeoptik die optische Strahlung aussenden, die empfangen wird. Um Abbildungen z.B. einer Straße, wenn die Anwendung auf dem Fahr zeugsektor liegt zu erlangen, insbesondere in einem Kraftfahrzeugab standswarnsystem, bei dem ebenfalls Laser-Strahlen ausgesendet, empfan gen und ausgewertet werden, z.B. zur Abstandsmessung zu Hindernissen und/oder vorausfahrenden Fahrzeugen.

Der Sender ist mit 1, die Sendeoptik mit 2, der Empfänger als CCD-Array 3 ausgebildet und die Empfangsoptik mit 4 bezeichnet. Eine Abbildung wie vom Sensor gewonnen ist direkt unter diesem verkleinert dargestellt. Die Auswerteschaltung und Auswertemittel sind an sich bekannter Art und des halb nicht dargestellt und auch nicht näher erläutert.

Neu und erfindungswesentlich ist, daß auf der Fläche des CCD-Sensors, bei diesem Ausführungsbeispiel auf der Rückseite von der die Strahlung einfällt, eine Avalanche-Diode aufgebracht ist. Dies wird durch Implan tieren einer geeigneten Beschichtung auf der Rückseite des CCD-Chips er reicht. Die Herstellungstechnologie kann auf verschiedene Weise ausge führt werden. Die Materialien zum Implantieren bzw. Dotieren sind eben falls bekannter Art.

Fig. 2 zeigt als Detail des Gesamtsystems ein CCD-Array 3 mit Empfangs optik 4 wobei von Fig. 1 abweichend ein steuerbarer Verschluß 5 in Ga ting-Ausführung für die herkömmliche CCD-Halbleiterelementanordnung ge troffen wurde, z.B. kann ein Halbleiter-Laser hier verwendet werden mit einer Gating-Wellenlänge zum Ansteuern zwischen bevorzugt 1400 nm bis etwa 1800 nm. Wichtig ist, daß diese Ansteuerwellenlänge ausreichend un terschieden werden kann von der Meßwellenlänge des einfallenden Lichtes insbesondere 800-950 nm, wie sie bei Halbleiter-Lasern für Entfer nungs-Messen angewandt wird. Die Ansteuerung des Halbleiter-Lasers für das Gating ist in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 8 gezeigt. Geome trisch ist eine Ausführung und Anwendung in Fig. 3 gezeigt insbesondere für den genannten optischen Verschluß, wie Belichtungsbesteuerung. Dabei ist die Schichtfolge des Aufbaus p-n-p. Auf die in Fig. 3 unterste Schicht erfolgt die Einstrahlung in dieser Darstellung von unten und es wird eine Spannung von bis etwa -300 V angelegt, an die im mittleren Be reich ausgebildete n-Schicht eine Spannung von etwa +5 V, während die in Fig. 3 oberste Struktur zum Auslesen dient. Die einfallende Strahlung kann dann wie in der Zeichnung Fig. 3 ersichtlich nach Anlegen der Span nung durchsteuerbar sein und dann ggfs. an Elektroden auslesbar sein, z.B. gem. einem Blockschaltbild nach Fig. 9.

In Fig. 4 ist die Ausführung so getroffen daß nicht auf der Rückseite des Strahlungseinfalls die Ausnutzung des Avalanche-Effektes wie in Fig. 3 erfolgt, sondern im Gegenteil seitlich d.h. in Fig. 4 horizontal ne beneinander erfolgt. Dabei ist auf einem transparenten oder semitranspa renten eine Substrat hochohmige nSi-Schicht und darauf eine CCD-Struktur im horizontal und im Querschnitt gesehenen mittigen Bereich abgeschie den. In Fig. 4 von oben aus ist kegelförmig nach unten in durchgehenden Bereichen insbesondere transparentes SiO₂ über pSi und zwischen nSi in der untersten Schicht auf dem Substrat eingebettet. Die CCD-Struktur ist aus pSi über der in Fig. 4 rechts angeordneten Auslesestruktur, insbe sondere Elektrodenstruktur wie Aluminium-Elektroden o.ä., aufgebracht.

Auf der in Fig. 4 linken Seite ist eine dünne Schicht aus transparentem Werkstoff, wie Gold, aufgebracht und bevorzugt eine oder mehrere Filter schichten für die zu messende einfallende Strahlung insbesondere ein Bild mit der Wellenlänge λ1. Hiervon verschieden ist die einfallende Strahlung für das Gating bzw. Ansteuern mit der Wellenlänge λ2, wobei ebenfalls über dem SiO₂ noch eine Filterschicht angeordnet sein kann.

Eine weitere Ausführung eines optisch steuerbaren Bildsensors ist in Fig. 5 ersichtlich. Es handelt sich hierbei wiederum um eine Einzeldar stellung eines halbleitenden Elementes im Querschnitt, wobei der Aufbau und die Schichtenfolge deutlich wird. Über eine Goldschicht die die Ein strahlungsseite für die Bildinformation abgibt in Fig. 5 unten ist pSi aufgebracht. Hierüber folgt wieder nSi sehr hochohmig und darauf wieder pSi. Abweichend gegenüber Fig. 3 ist jedoch in der unteren pSi-Schicht SiO₂ oder dergleichen Material zwischen einzelnen pSi-Bereichen je weils lateral beabstandet angeordnet. Die Anordnung ist mit Vorteil so getroffen, daß die Einstrahlung für die Bildinfo nicht vertikal unter halb der Einfallsrichtung des Steuerlichtes liegt, sondern seitlich ne beneinander. Anders als bei der Ausführung nach Fig. 3 erfolgt das Ein strahlen des Steuerlichts von dem pulsierenden Laser in Fig. 5 von der Oberseite her, um eine Raumladung in dem Halbleiterelement zu erzeugen. An die nSi-Schicht ist wiederum eine unterschiedliche Spannung im Ver hältnis zur pSi-Schicht angelegt. Auf der Oberseite ist über der pSi-Schicht eine transparente oder semitransparente Schicht bevorzugt aus SiO₂ aufgebracht auf der in Maskentechnik, insbesondere nach foto lithographischem Verfahren, die Ausleseelektronenstruktur insbesondere mit Aluminium- oder Goldelektroden o.ä. in Form von Parallel-Bahnen auf gebracht ist.

Eine andere Anwendung ist in Fig. 6 dargestellt. Hier kann die Bildaus wertung im Empfangsteil anders gestaltet sein und insbesondere für eine automatische Fahrzeugführung im gegenseitigem vorbestimmtem Abstand mit Vorteil angewandt werden. Dabei wird in dem Empfangsteil mit Sendeoptik und Empfangsoptik ein Abtastlaser verwandt, der auf der bei Strahlungs einfall der zu messenden Strahlung abgekehrten Seite des CCD-Arrays an geordnet ist. Der Sendelaser kann für die Szenenbeleuchtung wiederum 800-900 nm Meßwellenlänge mit Hilfe der Sendeoptik erzeugen oder einer anderen Meßwellenlänge, die für die Abbildung und automatischer Lenkung bzw. Führung eines Fahrzeugs geeignet ist. Ein Querschnitt durch das CCD-Element zu Fig. 6 ist in Fig. 7 dargestellt, wobei der Grundaufbau wiederum die p-n-p-Folge ist. Die einfallende Strahlung kommt in Fig. 7 von oben und die Metallausleseelektroden sind bei dieser Ausführung ebenfalls oben angeordnet und in Maskentechnik insbesondere auf photo lithographischem Wege aufgebracht. Die Auswertung ist an sich bekannter Art.

In Fig. 8 ist eine Signalfolge dargestellt, die zum Verständnis der Funktion hier angeführt ist. Im oberen Teil ist die zumessende Strah lung ε aufgetragen bei einer Beleuchtungsstärke bis etwa 10 000 lux wird eine Spannung angelegt bis zu etwa 300 V negativer Spannung, um die optische Steuerung des Bildsensors (Gating) durchzuführen. Im unteren Teil des Diagramms ist der Stromfluß Φ dargestellt und die zeitliche Tastung des Abtastlasers. Die Tastimpulse liegen z.B. im Bereich von 10 ns und kleiner. Selbstverständlich sind geeignete andere Tastungen oder Taktungen oder Pulsfolgen oder Modulation möglich.

In Fig. 9 ist ein Blockschaltbild des Gesamtsystems in der Anwendung für Fahrzeuge wie vorbeschrieben dargestellt. Die Einzelheiten sind den je weiligen Funktionsblöcken zu entnehmen. Ebenso die Gesamtschaltanordnung.

Aus vorstehenden wird deutlich, daß ein flächenhafter Bildsensor ge schaffen wurde mit einerseits hoher Empfindlichkeit und andererseits der Möglichkeit diesen in sehr kurzer vorgegebener Zeit zu steuern (ca. 5 ns) . Damit ist ein elektrischer Verschluß für eine CCD-Kamera ge schaffen, die auch in Fahrzeugen anwendbar ist. Die Empfindlichkeitser höhung um den Faktor 100, ist dank der Ausnutzung des Avalanche-Effekts gegeben. Der Verstärkungsfaktor ist mit Hilfe der Avalanche-Spannung einstellbar.

Die Anwendung der Erfindung ist bei einem Abstandswarnsystem und Entfernungssystem mittels Laser nach DE 36 40 449 A1 von Vorteil.

Die Anwendung bei einem automatischen Führungssystem "Prometheus" vgl. Bild der Wissenschaft 10-1988, S. 134 ist besonders vorteilhaft.

Claims

1. Bildsensor auf Halbleiterbasis insbesondere in CCD-Struktur mit einem zeilenförmigen oder flächenhaften (zweidimensionalen) Array und einer parallelen oder seriellen Auslesung dadurch gekennzeichnet, daß

- auf der einen Seite des Halbleiters eine Avalanchediode angeordnet ist,
- durch die ein bei Lichteinfall von außen erzeugter Photostrom ver stärkt wird,
- eine Raumladung im anschließenden Halbleitergebiet erzeugt wird und ein Ladungsträgertransport zur CCD-Auslesestruktur hin erfolgt,
- in der auf der anderen Seite des Halbleiters angeordneten CCD-Aus lesestruktur ein Kontrast- oder Entfernungsbild ausgegeben wird.

2. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Einleiten gepulsten Lichtes in das Halbleitergebiet in dem die Raumladung erzeugt wurde, optisch steuerbar ist.

3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet. daß er zugleich als Verschluß (shutter) ansteuerbar ist.

4. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem KFZ-Abstandswarnsystem mit Laser-Sender als Empfänger angewandt wird.

5. Bildsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in automatischen Fahrzeugführungssystem (mit ISDN-Leitspur) mit automa tischer Abstandseinhaltung (gegenseitig) angewandt wird.