DE102016223568B3

DE102016223568B3 - Optische Sensoreinrichtung mit tiefen und flachen Steuerelektroden

Info

Publication number: DE102016223568B3
Application number: DE102016223568.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Prima; Michael Sommer; Stefano Parascandola; Dirk Offenberg; Henning Feick; Matthias Franke; Robert Rößler
Original assignee: Infineon Technologies AG; PMDtechnologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG; PMDtechnologies AG
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: US10545225B2; CN107958911A; US20200158841A1; US20180106892A1; CN107958911B; US11175389B2

Abstract

Eine optische Sensoreinrichtung zum Detektieren einer Laufzeit eines elektromagnetischen Signals umfasst ein Halbleitersubstrat mit einem Umwandlungsgebiet zum Umwandeln von zumindest einem Teil des elektromagnetischen Signals in photoerzeugte Ladungsträger. Eine tiefe Steuerelektrode wird in einem Graben, der sich in das Halbleitersubstrat erstreckt, ausgebildet. Die tiefe Steuerelektrode erstreckt sich tiefer in das Halbleitersubstrat als eine flache Steuerelektrode. Eine Steuerschaltung ist konfiguriert zum Anlegen von variierenden Potenzialen, die eine feste Phasenbeziehung zueinander aufweisen, an die tiefe Steuerelektrode und die flache Steuerelektrode, um elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet zu erzeugen, durch die die photoerzeugten Ladungsträger im Umwandlungsgebiet gelenkt werden. Die gelenkten Ladungsträger werden an mindestens einem Ausleseknoten detektiert.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet von integrierten Schaltungen und insbesondere das Gebiet von optischen Sensoreinrichtungen, die zum Detektieren einer Laufzeit eines elektromagnetischen Signals ausgelegt sind.
Bei manchen optischen Sensoreinrichtungen werden Steuerelektroden in einem Photodetektor zum Demodulieren von photoerzeugten Ladungsträgern verwendet. Ein elektromagnetisches Signal, z.B. Licht, das durch eine Strahlungsquelle erzeugt und durch ein Modulationssignal amplitudenmoduliert wird, wird zu einem Objekt gelenkt und zum Photodetektor reflektiert. Ein Demodulationssignal, das phasengleich mit dem Modulationssignal ist oder eine feste Phasenbeziehung mit dem Modulationssignal aufweist, wird an den Steuerelektroden im Photodetektor angelegt. Die photoerzeugten Ladungsträger werden in Abhängigkeit vom Demodulationssignal, das an den Steuerelektroden angelegt wird, zu einem ersten Ausleseknoten oder einem zweiten Ausleseknoten gelenkt. Die zu den Ausleseknoten gelenkten photoerzeugten Ladungsträger werden detektiert und eine Phasenverschiebung zwischen dem Modulationssignal und dem elektromagnetischen Signal, das vom Objekt reflektiert und am Photodetektor detektiert wird, wird bestimmt. Daher kann die Laufzeit des elektromagnetischen Signals aus den detektierten photoerzeugten Ladungsträgern bestimmt werden. Mit anderen Worten wird ein Mischen der empfangenen Strahlung mit dem Demodulationssignal verwendet, um Laufzeitinformationen aus der Phasenverschiebung zwischen der durch die Strahlungsquelle emittierten Strahlung und der durch die optische Sensoreinrichtung empfangenen Strahlung zu bestimmen. Somit werden derartige optische Sensoreinrichtungen auch Photomischeinrichtungen (PMD) oder Demodulationsdetektoren genannt.
Um die photoerzeugten Ladungsträger zu lenken, werden Steuerelektroden verwendet. In herkömmlichen Sensoreinrichtungen wird eine einzige Art von Steuerelektroden verwendet. Genauer gesagt, sind entweder Photogates oder Grabengates oder Führungsfeldelektroden für eine stromunterstützte photonische Demodulation verwendet worden.
Aus der DE 10 2014 113 037 A1 ist eine bildgebende Schaltung bekannt, die mehrere vertikale Graben-Gates aufweist, die mit Spannungen beaufschlagt werden, um Ladungsträger zu Sammelkontakten zu beschleunigen.
Aus der US 2013/0 256 546 A1 ist ein Demodulationssensor bekannt, der eine Gate-Struktur aufweist, die zumindest zwei Regionen für die Ansammlung von Minoritätsladungsträgern und zumindest ein Gate besitzt, das angepasst ist, um ein laterales elektrisches Driftfeld zu erzeugen.
Die DE 10 2011 056 369 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement, das mindestens zwei voneinander beabstandete Modulations-Gates, die als Graben-Gates ausgebildet sind, und zwei im Abstand zueinander und zwischen den Modulations-Gates angeordnete Auslesedioden aufweist.
Die gegenwärtige Konstruktion optischer Sensoreinrichtungen leidet jedoch unter Beschränkungen der Qualität des Sensorsignals.
Daher besteht ein Bedarf an einem verbesserten Ansatz des Umwandelns des empfangenen elektromagnetischen Signals in ein elektrisches Signal.
Ausführungsformen stellen eine optische Sensoreinrichtung zum Detektieren einer Laufzeit eines elektromagnetischen Signals bereit, wobei die optische Sensoreinrichtung Folgendes umfasst:

ein Halbleitersubstrat, das ein Umwandlungsgebiet zum Umwandeln von zumindest einem Bruchteil des elektromagnetischen Signals in photoerzeugte Ladungsträger umfasst;
eine tiefe Steuerelektrode, die in einem Graben, der sich in das Halbleitersubstrat erstreckt, ausgebildet ist, wobei die tiefe Steuerelektrode durch ein Isoliermaterial vom Halbleitersubstrat getrennt ist, wobei die tiefe Steuerelektrode und das Isoliermaterial im Graben, der sich in das Halbleitersubstrat erstreckt, ausgebildet sind;
eine flache Steuerelektrode, wobei sich die tiefe Steuerelektrode tiefer in das Halbleitersubstrat erstreckt als die flache Steuerelektrode; und
eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist zum Anlegen eines variierenden ersten Potenzials an die tiefe Steuerelektrode und zum Anlegen eines variierenden zweiten Potenzials, das eine feste Phasenbeziehung zum an die tiefe Steuerelektrode angelegten variierenden ersten Potenzial aufweist, an die flache Steuerelektrode, damit eine elektrische Potenzialverteilung innerhalb des Umwandlungsgebiets erzeugt wird, um die photoerzeugten Ladungsträger zu lenken; und
mindestens einen Ausleseknoten zum Detektieren der gelenkten Ladungsträger.

Das Verwenden einer tiefen Steuerelektrode, die in einem sich in das Halbleitersubstrat erstreckenden Graben angeordnet ist, und einer flachen Steuerelektrode, die sich weniger in das Halbleitersubstrat erstreckt als die tiefe Steuerelektrode oder gar nicht in das Halbleitersubstrat erstreckt, gestattet ein Implementieren einer horizontalen Ablenkung oder Lenkung von photoerzeugten Ladungsträgern nahe der Oberfläche des Halbleitersubstrats mittels der flachen Steuerelektrode und tiefer innerhalb des Halbleitersubstrats mittels der tiefen Steuerelektrode. Variierende Potenziale mit einer festen Phasenbeziehung, z.B. phasengleich, zueinander, werden an der tiefen und der flachen Steuerelektrode angelegt. Somit kann eine erhöhte Leistung im Vergleich zu optischen Sensoreinrichtungen, die entweder Photogates oder Grabengates oder Führungsfeldelektroden zum Ablenken oder Lenken der photoerzeugten Ladungsträger umfassen, erzielt werden.
Ausführungsformen stellen eine optische Sensoreinrichtung bereit, bei der die tiefe Steuerelektrode eine Grabengate-Steuerelektrode ist und bei der die flache Steuerelektrode eine Photogateelektrode umfasst, die von einer beleuchteten Oberfläche auf dem Halbleitersubstrat durch ein Isoliermaterial getrennt ist oder ein im Halbleitersubstrat ausgebildetes dotiertes Gebiet umfasst, das an das Umwandlungsgebiet angrenzt und eine höhere Dotierungskonzentration und den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet aufweist. Somit stellen Ausführungsformen eine Kombination einer Grabengate-Steuerelektrode mit einer Steuerelektrode, die in oder auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, bereit, so dass eine Ablenkung von photoerzeugten Ladungsträgern in unterschiedlichen Tiefen des Halbleitersubstrats und des Umwandlungsgebiets erzielt werden kann.
Ausführungsformen der Offenbarung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erörtert, wobei:

1 eine optische Sensoreinrichtung darstellt, die eine tiefe Steuerelektrode, eine flache Steuerelektrode und einen Ausleseknoten umfasst,
2 ein Laufzeitsensorsystem darstellt, das eine optische Sensoreinrichtung verwendet;
3a eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensoreinrichtung darstellt, die zwei tiefe Steuerelektroden, zwei flache Steuerelektroden und zwei Ausleseknoten umfasst;
3b eine schematische Draufsicht der in 3a dargestellten optischen Sensoreinrichtung darstellt;
4 eine schematische Querschnittsansicht darstellt, die eine optische Sensoreinrichtung zeigt, die eine dritte flache Steuerelektrode umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten flachen Steuerelektrode angeordnet ist;
5 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensoreinrichtung darstellt, die Trennungselektroden umfasst;
6 eine schematische Querschnittsansicht einer anderen optischen Sensoreinrichtung darstellt, die Trennungselektroden umfasst;
7 bis 11 schematische Draufsichten von Layouts von Ausführungsformen optischer Sensoreinrichtungen darstellen;
12 und 13 schematische Draufsichten optischer Sensoreinrichtungen darstellen, bei denen tiefe Steuerelektroden zwischen angrenzenden Pixeln der optischen Sensoreinrichtung angeordnet sind;
14 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensoreinrichtung darstellt, bei der flache Steuerelektroden dotierte Gebiete umfassen;
15 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensoreinrichtung darstellt, die dotierte Gebiete zwischen flachen Steuerelektroden umfasst;
16 eine schematische Draufsicht der in 15 dargestellten optischen Sensoreinrichtung darstellt und
17 ein Timing-Diagramm zum Erläutern des Betriebs von Ausführungsformen optischer Sensoreinrichtungen darstellt.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Offenbarung ausführlicher beschrieben. Elementen, die in den jeweiligen Figuren gezeigt sind, mit der gleichen oder einer ähnlichen Funktionalität werden die gleichen Bezugszeichen zugeordnet.
1 stellt eine optische Sensoreinrichtung zum Detektieren einer Laufzeit eines elektromagnetischen Signals, wie etwa einer Infrarotstrahlung oder eines Lichtsignals, von einem Objekt zur optischen Sensoreinrichtung dar. In den Figuren wird das auf die optische Sensoreinrichtung einfallende elektromagnetische Signal durch einen Pfeil 2 angegeben.
Die optische Sensoreinrichtung umfasst ein Halbleitersubstrat 10. Das Halbleitersubstrat 10 umfasst ein Umwandlungsgebiet 12, das allgemein das Gebiet des Halbleiters 10 ist, in dem das elektromagnetische Signal 2 empfangen wird. Im Umwandlungsgebiet 12 wird das elektromagnetische Signal 2 in photoerzeugte Ladungsträger 14 umgewandelt.
Die optische Sensoreinrichtung umfasst eine tiefe Steuerelektrode 20, die vom Halbleitersubstrat 10 durch ein Isoliermaterial 22 getrennt ist. Die tiefe Steuerelektrode 20 und das Isoliermaterial 22 sind in einem Graben 24, der sich in das Halbleitersubstrat 10 erstreckt, ausgebildet. Somit kann die tiefe Steuerelektrode 20 als eine Grabengate-Steuerelektrode bezeichnet werden.
Die optische Sensoreinrichtung umfasst eine flache Steuerelektrode 26. In der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die flache Steuerelektrode 26 eine Gateelektrode, die von einer beleuchteten Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 durch ein Isoliermaterial 28 getrennt ist. Bei Ausführungsformen kann die flache Gateelektrode 26 ein Photogate sein, d.h. eine Gateelektrode, die für die zu detektierende einfallende Strahlung durchlässig ist. Bei Ausführungsformen ist die flache Steuerelektrode 26 eine Gateelektrode, die nicht innerhalb eines Grabens des Halbleitersubstrats angeordnet ist.
Ein Ausleseknoten 30 ist im Halbleitersubstrat 10 angrenzend zum Umwandlungsgebiet 12 angeordnet. Die optische Sensoreinrichtung umfasst eine Steuerschaltung 32, die konfiguriert ist zum Anlegen eines variierenden ersten Potenzials an die tiefe Steuerelektrode 20 und zum Anlegen eines variierenden zweiten Potenzials, das eine feste Phasenbeziehung zum an die tiefe Steuerelektrode angelegten variierenden ersten Potenzial aufweist, an die flache Steuerelektrode 26, damit elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet 12 erzeugt werden, durch die die photoerzeugten Ladungsträger 14 im Umwandlungsgebiet 12 zum Ausleseknoten 30 gelenkt werden können. Bei Ausführungsformen kann das variierende erste Potenzial mit dem variierenden zweiten Potenzial phasengleich sein.
Zu diesem Zweck können entsprechende Anschlüsse der Steuerschaltung 32 mit der tiefen und der flachen Steuerelektrode 20 und 26 wie in 1 dargestellt verbunden sein. Zusätzlich dazu kann die Steuerschaltung 32 mit dem Ausleseknoten 30 verbunden sein, um am Ausleseknoten 30 ankommende und am Ausleseknoten 30 erfasste photoerzeugte Ladungsträger zu detektieren.
Bevor der Betrieb der in 1 dargestellten optischen Sensoreinrichtung beschrieben wird, wird Bezug auf 2 genommen, die ein System darstellt, das eine optische Sensoreinrichtung 40 umfasst. Die optische Sensoreinrichtung 40 umfasst das Halbleitersubstrat 10 und die Steuerschaltung 32. Das in 2 dargestellte System umfasst ferner eine Lichtquelle 42, wie etwa einen Laser 42. Die Lichtquelle 42 emittiert ein elektromagnetisches Signal 44 zu einem Objekt 46. Das elektromagnetische Signal wird durch ein Modulationssignal von einem Modulator 48 moduliert. Das elektromagnetische Signal 44 wird am Objekt 46 reflektiert und das reflektierte elektromagnetische Signal 50 fällt auf das Halbleitersubstrat 10 der optischen Sensoreinrichtung 40 ein.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen auf der Tatsache, dass die Laufzeit der emittierten und reflektierten Strahlung 44, 50 basierend auf der Phasenverschiebung der von der Strahlungsquelle 42 emittierten Strahlung und der an der optischen Sensoreinrichtung 40 empfangenen Strahlung bestimmt werden kann. Ein Modulationssignal mit einer spezifischen Modulationsfrequenz wird an die Strahlungsquelle 42 angelegt. Ein Demodulationssignal, das phasengleich mit dem Modulationssignal ist oder eine feste Phasenbeziehung mit dem Modulationssignal aufweist, wird an die tiefe und die flache Steuerelektrode angelegt. Das Modulationssignal kann ein periodisches Signal sein, wie etwa eine Rechteckwelle oder eine sinusförmige Welle. Die Strahlungsquelle 42 emittiert das Strahlungssignal 44 mit einer spezifischen Phasenposition. Die reflektierte Strahlung 50 weist eine spezifische Phasenverschiebung im Vergleich zur emittierten Strahlung auf. In der optischen Sensoreinrichtung kann das Signal mit der spezifischen Phasenposition des emittierten Modulationssignals mit dem empfangenen Signal gemischt werden, wobei die Phasenverschiebung aus dem resultierenden Signal bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck kann die optische Sensoreinrichtung 40 mit dem Modulator 48 verbunden sein. Die Steuerschaltung 32 kann das Modulationssignal an die tiefe und die flache Steuerelektrode anlegen, um die variierenden Potenziale daran phasengleich zueinander anzulegen. Bei Ausführungsformen können die Strahlungsquelle 42 und der Modulator 48 in die optische Sensoreinrichtung integriert sein. Bei Ausführungsformen kann es eine feste bekannte Phasenverschiebung zwischen den variierenden Potenzialen, die an die tiefe und die flache Steuerelektrode angelegt werden, und dem Modulationssignal, mit dem die Strahlungsquelle 42 die emittierte Strahlung 44 moduliert, geben.
Bei Ausführungsformen kann das Umwandlungsgebiet ein leicht dotiertes Halbleitergebiet sein. Beispielsweise kann das Umwandlungsgebiet p-dotiert sein. Die vorliegend offenbarten Ausleseknoten können durch ein dotiertes Gebiet mit einer höheren Dotierungskonzentration und einem anderen Dotierungstyp als das Umwandlungsgebiet ausgebildet sein. Falls das Umwandlungsgebiet p-dotiert ist, kann der Ausleseknoten n⁺-dotiert sein. Somit können die vorliegend offenbarten Ausleseknoten als Auslesedioden ausgebildet sein.
Im Betrieb kann eine Rückwärtsspannung an den Ausleseknoten 30 angelegt werden. Die Rückwärtsspannung kann mittels der Steuerschaltung 32 angelegt werden. Zusätzlich dazu können variierende Potenziale mit einer festen Phasenbeziehung zueinander an die tiefe Steuerelektrode 20 und die flache Steuerelektrode 26 angelegt werden. Die variierenden Potenziale können Spannungen sein, die die gleiche Polarität wie die an den Ausleseknoten angelegte Rückwärtsspannung und eine Größe geringer als die Größe der an den Ausleseknoten angelegten Rückwärtsspannung aufweisen. Eine Rückwärtsspannung in der Größenordnung von 2,8 Volt kann zum Beispiel an den Ausleseknoten angelegt werden und das an die tiefe und die flache Steuerelektrode angelegte variierende Potenzial kann zwischen null Volt und etwa 0,8 Volt variieren.
Wenn das Potenzial an die tiefe Steuerelektrode 20 und die flache Steuerelektrode 26 angelegt wird, werden elektrische Potenzialverteilungen im Halbleitersubstrat erzeugt, durch die photoerzeugte Minoritätsladungsträger in die Richtung zur jeweiligen Steuerelektrode hin und somit zum Ausleseknoten hin bewegt werden. Eine Ablenkung der photoerzeugten Minoritätsladungsträger ist während Phasen, bei denen das variierende Potenzial höher ist, größer und während Phasen, bei denen das variierende Potenzial niedriger ist, geringer. Somit hängt die Anzahl von photoerzeugten Minoritätsladungsträgen, die am Ausleseknoten 30 eintreffen, von der Phasenbeziehung zwischen dem emittierten elektromagnetischen Signal und dem empfangenen elektromagnetischen Signal ab. Somit kann die Laufzeit des elektromagnetischen Signals vom Objekt zur optischen Sensoreinrichtung und daher der Abstand des Objekts von der optischen Sensoreinrichtung bestimmt werden, indem die am Ausleseknoten eintreffenden photoerzeugten Ladungsträger detektiert werden.
Bei Ausführungsformen ist die tiefe Steuerelektrode eine Grabengateelektrode. Im Fall eines Halbleitersubstrats des p-Typs kann eine variierende positive Spannung an die Grabengateelektrode angelegt werden. Somit kann ein Verarmungsgebiet (Raumladungsgebiet) im Gebiet des Halbleitersubstrats, das die Grabengateelektrode umgibt, erzeugt werden. Photoerzeugte Minoritätsladungsträger können in eine laterale Richtung zur Grabengateelektrode hin angezogen und dann in eine vertikale Richtung durch das Verarmungsgebiet zum Ausleseknoten hin bewegt werden. Dementsprechend können photoerzeugte Minoritätsladungsträger, die in tieferen Teilen des Umwandlungsgebiets erzeugt werden, durch das an die tiefe Steuerelektrode angelegte Potenzial angezogen werden, können durch das Anlegen des variierenden Potenzials an die tiefe Steuerelektrode gezwungen werden, in das Verarmungsgebiet einzutreten, und werden innerhalb des Verarmungsgebiets der tiefen Steuerelektrode vertikal zum Ausleseknoten hin bewegt.
In Ausführungsformen umfasst die flache Steuerelektrode eine Gateelektrode, die von einer beleuchteten Oberfläche des Halbleitersubstrats durch ein Isoliermaterial getrennt ist. Minoritätsladungsträger (Elektronen im Fall eines Substrats des p-Typs) können durch das Potenzial (die positive Spannung im Fall eines Substrats des p-Typs) vertikal zur Oberseite des Halbleitersubstrats bewegt werden und können in das Verarmungsgebiet unter der Gateelektrode eintreten. Von dort können Ladungsträger aufgrund des an den Ausleseknoten angelegten Rückwärtspotenzials in eine laterale Richtung zum Ausleseknoten hin bewegt werden.
Bei Ausführungsformen umfasst die flache Gateelektrode eine Photogateelektrode. Wie vorliegend verwendet, bezeichnet der Ausdruck „Photogateelektrode“ eine Gateelektrode, die für das zu detektierende elektromagnetische Signal durchlässig oder zumindest teilweise durchlässig ist. Allgemein kann die Photogateelektrode innerhalb des Strahlwegs des elektromagnetischen Signals angeordnet sein.
Bei Ausführungsformen kann eine verbesserte Leistung mittels einer Kombination von Empfindlichkeit und Demodulationskontrast erzielt werden. Das Verwenden der tiefen Steuerelektrode, die sich tiefer in das Halbleitersubstrat erstreckt als die flache Steuerelektrode , ermöglicht ein Erhöhen der Empfindlichkeit aufgrund der Erweiterung der Verarmungszone in eine größere Tiefe. Das Verwenden der flachen Steuerelektrode ermöglicht ein Erhöhen des Demodulationskontrasts für Ladungsträger, die nahe der flachen Steuerelektrode erzeugt werden, d.h. Ladungsträger, die näher an der Oberfläche des Halbleitersubstrats erzeugt werden.
Bei Ausführungsformen ist, in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats, die tiefe Steuerelektrode an einer ersten Seite des mindestens einen Ausleseknotens angeordnet und die flache Steuerelektrode ist an einer zweiten Seite des mindestens einen Ausleseknotens angeordnet. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist zum Beispiel, in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats 10, die tiefe Steuerelektrode 20 an einer ersten Seite (der linken Seite) des mindestens einen Ausleseknotens 30 angeordnet und die flache Steuerelektrode 26 ist an einer zweiten Seite (der rechten Seite) des mindestens einen Ausleseknotens angeordnet. Eine derartige Anordnung ermöglicht ein Erhöhen der Effizienz auf eine verbesserte Art und Weise.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die flache Steuerelektrode ein in einem Halbleitersubstrat ausgebildetes dotiertes Gebiet, das an das Umwandlungsgebiet angrenzt und eine höhere Dotierungskonzentration und den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet aufweist, umfassen. Derartige Ausführungsformen ermöglichen eine stromunterstützte photonische Demodulation an der Oberfläche des Halbleitersubstrats. Ein derartiges Beispiel wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 14 beschrieben.
Bei Ausführungsformen kann eine Trennungsgateelektrode auf dem Halbleitersubstrat angrenzend an den mindestens einen Ausleseknoten angeordnet sein. Bei Ausführungsformen kann die Trennungsgateelektrode so angeordnet sein, dass sie in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats den mindestens einen Ausleseknoten umgibt. Die Trennungsgateelektrode kann dahingehend effektiv sein, modulierte Teile, wie etwa die flache und die tiefe Steuerelektrode, und den Ausleseknoten zu entkoppeln. Mit anderen Worten kann das Trennungsgate dahingehend effektiv sein, ein kapazitives Koppeln des elektrischen Modulationssignals der flachen und der tiefen Steuerelektrode in den Ausleseknoten zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Somit kann die Trennungsgateelektrode ein Beibehalten der Ladungsträger selbst in einem Fall, in dem das an die tiefe und die flache Steuerelektrode angelegte Potenzial entfernt wird, unterstützen. Zu diesem Zweck kann ein konstantes positives Potenzial (im Fall eines Substrats des p-Typs) oder ein konstantes negatives Potenzial (im Fall eines Substrats des n-Typs) an die Trennungsgateelektrode angelegt werden. Die Größe des an das Trennungsgate angelegten Potenzials kann geringer als die Größe der an den Ausleseknoten angelegten Rückwärtsspannung aber höher als das an die tiefe und die flache Steuerelektrode angelegte maximale Potenzial sein.
Bei Ausführungsformen können die tiefe Steuerelektrode und die flache Steuerelektrode elektrisch miteinander verbunden sein. Bei einer derartigen Ausführungsform kann das gleiche variierende Potenzial an die tiefe und die flache Steuerelektrode auf eine einfache Art und Weise angelegt werden.
Bei Ausführungsformen ist das an die tiefe und die flache Steuerelektrode angelegte variierende Potenzial ein Demodulationssignal, das eine feste Phasenbeziehung mit einem Modulationssignal, mit dem das elektromagnetische Signal moduliert wird, aufweist. Bei Ausführungsformen ist das Demodulationssignal phasengleich mit dem Modulationssignal. Somit kann eine Phasendifferenz zwischen dem emittierten elektromagnetischen Signal und dem empfangenen elektromagnetischen Signal auf eine einfache Art und Weise bestimmt werden.
Allgemein kann das Halbleitersubstrat eine Breite, eine Länge und eine Dicke besitzen. Allgemein bezeichnet der Ausdruck „Draufsicht“ eine Ansicht in die Dickenrichtung, d.h. eine Ansicht auf eine Ebene, die durch die Länge und die Breite des Substrats definiert ist. Allgemein kann der Ausdruck vertikal in die Dickenrichtung bedeuten und der Ausdruck lateral kann parallel zur Ebene, die durch die Länge und die Breite des Substrats definiert ist, bedeuten.
Bei Ausführungsformen bedeutet der Ausdruck „flach“, wie in Verbindung mit den Steuerelektroden verwendet, in oder auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (d.h. der Oberfläche, die durch dessen Länge und Breite definiert ist). Bei Ausführungsformen kann eine flache Steuerelektrode eine planare Struktur mit einer Breite und einer Länge größer als eine Dicke davon sein, wobei eine Ebene, die durch die Breite und die Länge der flachen Steuerelektrode definiert ist, parallel zur Ebene, die durch die Breite und die Länge des Halbleitersubstrats definiert ist, angeordnet ist.
Bei Ausführungsformen bedeutet der Ausdruck „tief“, wie in Verbindung mit den Steuerelektroden verwendet, dass die Steuerelektrode in einem Graben angeordnet ist, der sich in das Substrat zu einer Tiefe, die mindestens zweimal oder fünfmal größer als die Breite des Grabens ist, erstreckt. Bei Ausführungsformen kann die tiefe Steuerelektrode eine planare Struktur mit einer Breite und einer Länge größer als eine Dicke davon sein, wobei eine Ebene, die durch die Breite und die Länge der tiefen Steuerelektrode definiert ist, in einer Ebene, die senkrecht zur Ebene, die durch die Breite und die Länge des Halbleitersubstrats definiert ist, angeordnet sein kann. Bei Ausführungsformen kann die Ebene, die durch die Breite und die Länge der tiefen Steuerelektrode definiert ist, senkrecht zur Ebene sein, die durch die Breite und die Länge der flachen Steuerelektrode definiert ist.
Bei Ausführungsformen umfasst die optische Sensoreinrichtung eine erste und eine zweite tiefe Steuerelektrode, eine erste und eine zweite flache Steuerelektrode und einen ersten und einen zweiten Ausleseknoten, wobei, in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats, die erste und die zweite flache Steuerelektrode zwischen dem ersten und dem zweiten Ausleseknoten und zwischen der ersten und der zweiten tiefen Steuerelektrode angeordnet sind. Die Steuerschaltung kann zum Anlegen des variierenden ersten Potenzials an die erste tiefe Steuerelektrode, zum Anlegen des variierenden zweiten Potenzials an die erste flache Steuerelektrode, zum Anlegen eines variierenden dritten Potenzials an die zweite tiefe Steuerelektrode und zum Anlegen eines variierenden vierten Potenzials, das eine feste Phasenbeziehung zum dritten variierenden Potenzial aufweist, an die zweite flache Steuerelektrode konfiguriert sein. Das dritte und das vierte variierende Potenzial können eine Phasenverschiebung im Vergleich zum ersten und zum zweiten variierenden Potenzial umfassen. Die Phasenverschiebung kann 180° betragen, so dass sich die an die zweiten tiefen und flachen Elektroden angelegten variierenden Potenziale in Gegenphase zu den an die ersten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegten variierenden Potenzialen befinden. Somit können elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet erzeugt werden, durch die die photoerzeugten Ladungsträger im Umwandlungsgebiet gelenkt werden. Bei Ausführungsformen können die photoerzeugten Ladungsträger in Abhängigkeit von der Laufzeit des elektromagnetischen Signals getrennt werden. Somit kann die Lenkung oder Trennung der photoerzeugten Ladungsträger auf eine effiziente und zuverlässige Art und Weise detektiert werden.
Bei Ausführungsformen können das erste und das zweite variierende Potenzial zueinander phasengleich sein. Bei Ausführungsformen können das dritte und das vierte variierende Potenzial zueinander phasengleich sein. Bei Ausführungsformen können die jeweiligen ersten Steuerelektroden elektrisch miteinander verbunden sein und die jeweiligen zweiten Steuerelektroden können elektrisch miteinander verbunden sein. 3a stellt eine schematische Querschnittsansicht und 3b eine schematische Draufsicht einer optischen Sensoreinrichtung dar, die eine erste tiefe Steuerelektrode 20, eine zweite tiefe Steuerelektrode 20a, eine erste flache Steuerelektrode 26 und eine zweite flache Steuerelektrode 26a umfasst. Die erste und die zweite tiefe Steuerelektrode 20 und 20a sind in jeweiligen Gräben 24, 24a angeordnet und mittels jeweiliger Isolierschichten 22 und 22a vom Halbleitersubstrat isoliert. Die erste und die zweite tiefe Steuerelektrode 20 und 20a können Grabengateelektroden bilden. Die erste und die zweite flache Steuerelektrode 26 und 26a sind durch eine Isolierschicht 28 von einer beleuchteten Oberfläche des Halbleitersubstrats isoliert.
Ein erster Ausleseknoten 30 ist zwischen der ersten tiefen Steuerelektrode 20 und der ersten flachen Steuerelektrode 26 angeordnet. Ein zweiter Ausleseknoten 30a ist zwischen der zweiten tiefen Steuerelektrode 20a und der zweiten flachen Steuerelektrode 26a angeordnet. Die erste und die zweite tiefe Steuerelektrode 20, 20a, die erste und die zweite flache Steuerelektrode 26, 26a und der erste und der zweite Ausleseknoten 30, 30a können elektrisch mit einer Steuerschaltung 32, wie in 3a durch jeweilige Linien angegeben, verbunden sein. Die Steuerschaltung 32 kann zum Anlegen von geeigneten Potenzialen an die jeweiligen Elektroden und Ausleseknoten konfiguriert sein und kann zum Detektieren von Ladungsträgern, die am jeweiligen Ausleseknoten erfasst werden, konfiguriert sein.
Wie in 3b dargestellt, können die Steuerelektroden als längliche Strukturen ausgebildet sein, die parallel zu einer ersten Richtung D1 angeordnet sind. Die Steuerelektroden und die Ausleseknoten können symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse AS angeordnet sein, wie in 3b angegeben.
Bei Ausführungsformen können die erste tiefe Steuerelektrode 20 und die erste flache Steuerelektrode 26 elektrisch miteinander verbunden sein. Bei Ausführungsformen können die zweite tiefe Steuerelektrode 20a und die zweite flache Steuerelektrode 26a elektrisch miteinander verbunden sein.
Im Betrieb legt die Steuerschaltung variierende Potenziale an die erste tiefe Steuerelektrode 20 und die erste flache Steuerelektrode 26 an, wie oben in Bezug auf 1 erläutert. Darüber hinaus legt die Steuerschaltung variierende Potenziale an die zweite tiefe Steuerelektrode 20a und die zweite flache Steuerelektrode 26a an. Allgemein können die an die zweiten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegten variierenden Potenziale eine Phasenverschiebung hinsichtlich der an die ersten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegten variierenden Potenziale aufweisen. Bei Ausführungsformen werden sich die an die zweiten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegten variierenden Potenziale in Gegenphase mit den an den ersten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegten variierenden Potenziale befinden. Bei Ausführungsformen kann die Steuerschaltung die Laufzeit des elektromagnetischen Signals basierend auf einer Differenz der Anzahl von Ladungsträgern am ersten Ausleseknoten und der Anzahl von Ladungsträgern am zweiten Ausleseknoten bestimmen. Bei Ausführungsformen kann eine derartige Evaluierung in einem Evaluierer separat von der optischen Sensoreinrichtung durchgeführt werden.
Ein Prinzip der Phasenmessung, das bei Ausführungsformen optischer Sensoreinrichtungen, die erste und zweite tiefe und flache Steuerelektroden und einen ersten und einen zweiten Ausleseknoten wie vorliegend beschrieben umfassen, angewendet werden kann, wird jetzt kurz mit Bezug auf 17 erläutert. Das Messprinzip basiert im Wesentlichen auf der Tatsache, dass die Laufzeit eines emittierten elektromagnetischen Signals (Licht), das von einem Objekt zur optischen Sensoreinrichtung reflektiert wird, aus der Phasendifferenz des emittierten Signals und des empfangenen Signals bestimmt werden kann.
In 17 repräsentiert M1 ein Modulationssignal, mit dem das emittierte Signal moduliert wird. Signal S2 repräsentiert das elektromagnetische Signal, das an der optischen Sensoreinrichtung empfangen wird. Signal DM1 repräsentiert ein Demodulationssignal (variierendes Potenzial), das an die ersten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegt wird. Signal DM2 repräsentiert ein Demodulationssignal (variierendes Potenzial), das an die zweiten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegt wird. Das Demodulationssignal DM2 kann eine Phasenverschiebung von 180° bezüglich des Demodulationssignals DM1 aufweisen. Somit kann sich das Demodulationssignal DM2 bezüglich des Demodulationssignals DM1 in Gegenphase befinden.
Wie in 17 angegeben, gibt es eine Phasendifferenz T_L zwischen den Signalen M1 und S2. Diese Phasendifferenz T_L repräsentiert die Laufzeit des elektromagnetischen Signals von der Quelle des elektromagnetischen Signals zur optischen Sensoreinrichtung. Unter der Annahme, dass sich die Quelle des elektromagnetischen Signals und die optische Sensoreinrichtung nahe zueinander befinden, kann diese Laufzeit als zweimal die Laufzeit vom Objekt zur optischen Sensoreinrichtung angesehen werden.
Die optische Sensoreinrichtung erfasst photoerzeugte Ladungsträger Q₃₀ während der ersten Hälfte der Modulationsperiode im ersten Ausleseknoten und erfasst photoerzeugte Ladungsträger Q_30a während der zweiten Hälfte der Modulationsperiode im zweiten Ausleseknoten. Die Phasenverschiebung T_L und daher der Abstand vom Objekt kann basierend auf einer Beziehung zwischen den Ladungsträgern Q₃₀ und Q_30a, die am ersten und am zweiten Ausleseknoten erfasst werden, bestimmt werden. Die Ladungsträger können über mehrere Modulationsperioden erfasst (integriert) werden.
Hinsichtlich weiterer Einzelheiten bezüglich derartiger Messprinzipien und lateralen Steuerelektroden kann Bezug auf DE 10 2013 102 061 A1 und EP 1 009 984 B1 genommen werden. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten bezüglich derartiger Messprinzipien und vertikaler Steuerelektroden kann Bezug auf DE 10 2011 056 369 A1 und US 2009/0244514 A1 genommen werden.
Bei der in 3a und 3b dargestellten Ausführungsform wird die flache Steuerelektrode durch eine Photogateelektrode gebildet. Durch das Anlegen von Demodulationsspannungen (d.h. variierenden Potenzialen), wie oben beschrieben, an den ersten und zweiten tiefen und flachen Steuerelektroden, werden die photoerzeugten Minoritätsladungsträger durch einen elektrischen Potenzialgradienten in den entsprechenden Ausleseknoten gewischt. Der elektrische Potenzialgradient wird durch die an die Steuerelektroden angelegten Demodulationsspannungen bewirkt.
4 stellt ein Beispiel einer optischen Sensoreinrichtung dar, die der in den 3a und 3b dargestellten optischen Sensoreinrichtung ähnelt. Im Vergleich zu der in den 3a und 3b dargestellten Ausführungsform ist eine längliche dritte flache Steuerelektrode 60 zwischen der ersten und der zweiten flachen Steuerelektrode 26 und 26a angeordnet. Die Steuerschaltung 32 ist mit der dritten flachen Steuerelektrode gekoppelt und kann zum Anlegen eines konstanten Potenzials an die dritte längliche flache Steuerelektrode 60 konfiguriert sein. Bei Ausführungsformen können die an die erste und die zweite flache Steuerelektrode angelegten variierenden Potenziale zwischen null und einer ersten Spannung, wie etwa 0,8 Volt, variieren. Eine konstante Spannung kann an die längliche dritte flache Steuerelektrode 60 angelegt werden, wobei die Größe der Spannung geringer als die an die erste und die zweite flache Steuerelektrode angelegte maximale Spannung sein kann. Die an die dritte Steuerelektrode 60 angelegte Spannung kann zum Beispiel in der Größenordnung von 50 bis 80% der an die erste und die zweite flache Steuerelektrode angelegten maximalen Spannung betragen. Das an die dritte längliche flache Steuerelektrode 60 angelegte Potenzial kann zum Anpassen des Gradienten im elektrischen Potenzial zum jeweiligen Ausleseknoten verwendet werden.
5 stellt eine Ausführungsform einer optischen Sensoreinrichtung dar, die der in 3a dargestellten optischen Sensoreinrichtung ähnelt. Gemäß der in 5 dargestellten Ausführungsform sind die erste tiefe Steuerelektrode 20 und die erste flache Steuerelektrode 26 elektrisch miteinander verbunden. Zusätzlich dazu sind die zweite tiefe Steuerelektrode 20a und die zweite flache Steuerelektrode 26a elektrisch miteinander verbunden. Zusätzlich dazu sind Trennungsgateelektroden 62a, 62b, 62c und 62d bereitgestellt. Die Trennungsgateelektroden 62a und 62b sind mit dem ersten Ausleseknoten 30 assoziiert und die Trennungsgateelektroden 62c und 62d sind mit dem zweiten Ausleseknoten 30a assoziiert. Die Trennungsgateelektroden können als längliche Streifen ausgebildet sein, die parallel zur ersten Richtung D1 angeordnet sind. Die mit einem jeweiligen Ausleseknoten assoziierten Trennungsgateelektroden können durch eine einzige Trennungsgateelektrode, die den entsprechenden Ausleseknoten vollständig umgibt, ersetzt werden. Die Trennungsgateelektroden sind elektrisch mit der Steuerschaltung verbunden und die Steuerschaltung kann zum Anlegen eines konstanten Potenzials an die Trennungsgates konfiguriert sein. Bei Ausführungsformen kann eine konstante Spannung (positive Spannung im Fall eines Substrats des p-Typs) an die Trennungsgates angelegt werden, wobei die Größe der an die Trennungsgateelektroden angelegten Spannung zwischen der an die Ausleseknoten angelegten Rückwärtsspannung und der an die ersten und zweiten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegten maximalen Spannung liegen kann. Die an die Trennungsgateelektroden angelegte Spannung kann zum Beispiel in der Größenordnung von 1,0 Volt bis 1,5 Volt liegen. Die an die Ausleseknoten (Auslesedioden) angelegte Spannung kann in der Größenordnung von 2,8 V liegen.
Wie oben erläutert, können die Trennungsgates dahingehend effektiv sein, modulierte Teile, wie etwa die flache und die tiefe Steuerelektrode, und den Ausleseknoten zu entkoppeln. Mit anderen Worten kann das Trennungsgate dahingehend effektiv sein, ein kapazitives Koppeln des elektrischen Modulationssignals der flachen und der tiefen Steuerelektrode in den Ausleseknoten zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Somit können die Trennungsgates dahingehend effektiv sein, angezogene Ladungsträger am jeweiligen Ausleseknoten selbst in einem Fall beizubehalten, in dem Modulationspotenziale an die ersten und zweiten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegt werden, die einen Gradienten im elektrischen Potenzial zu anderen Ausleseknoten liefern.
6 stellt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform dar, die der in 5 dargestellten Ausführungsform ähnelt, wobei nur Unterschiede im Vergleich zu der in 5 dargestellten Ausführungsform beschrieben sind. Im Vergleich zu 5 sind die jeweiligen tiefen und flachen Steuerelektroden nicht elektrisch miteinander verbunden, sondern separat mit der Steuerschaltung 32 verbunden. Darüber hinaus umfassen die Trennungsgateelektroden zusätzliche Trennungsgateelektroden 62e und 62f. Die Trennungsgateelektroden 62e und 62f können an den Seiten der tiefen Steuerelektroden 20 und 20a angeordnet sein, die vom Umwandlungsgebiet 12 weg zeigen. Somit ist die erste tiefe Steuerelektrode 20 zwischen den Trennungsgateelektroden 62a und 62e angeordnet und die zweite tiefe Steuerelektrode 20a ist zwischen den Trennungsgateelektroden 62d und 62f angeordnet. Die mit dem gleichen Ausleseknoten assoziierten Trennungsgateelektroden sind als elektrisch miteinander verbunden dargestellt. Alternativ dazu können alle Trennungsgateelektroden separat elektrisch mit der Steuerschaltung 32 verbunden sein oder alle Trennungsgateelektroden können miteinander verbunden sein.
Allgemein kann das Umwandlungsgebiet als zwischen der ersten und der zweiten tiefen Steuerelektrode 20 und 20a und unter der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10, d.h. der Oberfläche des Halbleitersubstrats, an der die flachen Steuerelektroden 26, 26a ausgebildet sind, angeordnet angesehen werden. Allgemein kann das elektromagnetische Signal durch die Elektroden einfallen, die auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind, die alle als Photogateelektroden, d.h. Elektroden, die zumindest teilweise für das einfallende elektromagnetische Signal durchlässig sind, implementiert sein können.
Unterschiedliche Layouts von Ausführungsformen optischer Sensoreinrichtungen sind im Folgenden mit Bezug auf die 7 bis 11 beschrieben. In den 7 bis 11 sind jeweilige Anschlüsse für eine elektrische Verbindung mit den jeweiligen Elektroden oder Ausleseknoten (wie etwa zur Steuerschaltung) durch kleine Quadrate oder Rechtecke angegeben.
7 stellt ein Layout einer optischen Sensoreinrichtung in einer Draufsicht dar. Die optische Sensoreinrichtung umfasst eine erste und eine zweite tiefe Steuerelektrode 20 und 20a, eine erste und eine zweite flache Steuerelektrode 26 und 26a, einen ersten und einen zweiten Ausleseknoten 30, 30a und Trennungsgateelektroden 62g und 62h. Die Trennungsgateelektroden 62g und 62h sind die Ausleseknoten 30 und 30a umgebend bereitgestellt. In der Ausführungsform von 7 ist die erste tiefe Steuerelektrode 20 als ein länglicher Streifen ausgebildet, der an der Seite des ersten Ausleseknotens 30 gebildet wird, die vom Umwandlungsgebiet 12 weg zeigt. Die zweite tiefe Steuerelektrode 20a ist als ein länglicher Streifen ausgebildet, der an der Seite des zweiten Ausleseknotens 30a gebildet wird, die vom Umwandlungsgebiet 12 weg zeigt. Die erste und die zweite flache Steuerelektrode 26, 26a sind als längliche Streifen ausgebildet und zwischen dem ersten und dem zweiten Ausleseknoten 30, 30a angeordnet, so dass die erste flache Steuerelektrode 26 zwischen dem ersten Ausleseknoten 30 und der zweiten flachen Steuerelektrode angeordnet ist und die zweite flache Steuerelektrode 26a zwischen der ersten flachen Steuerelektrode 26 und dem zweiten Auslesegate angeordnet ist. Die Trennungsgates sind auch als längliche Streifen mit Öffnungen, in denen die Ausleseknoten gebildet sind, ausgebildet. Alle als längliche Streifen ausgebildeten Steuerelektroden sind parallel zueinander angeordnet.
8 stellt ein anderes Layout einer Ausführungsform einer optischen Sensoreinrichtung dar, bei der die Länge der ersten und der zweiten tiefen Steuerelektrode 20 und 20a im Vergleich zu der in 8 dargestellten Ausführungsform verringert ist.
Bei Ausführungsformen können die erste und die zweite flache Steuerelektrode längliche Streifen, die sich parallel zueinander erstrecken, umfassen. Die erste und die zweite tiefe Steuerelektrode können längliche parallele Steuerelektrodenabschnitte, die sich parallel zur Richtung erstrecken, in die sich die erste und die zweite flache Steuerelektrode erstrecken, und längliche senkrechte Steuerelektrodenabschnitte, die sich senkrecht zur Richtung erstrecken, in die sich die erste und die zweite flache Steuerelektrode erstrecken, umfassen. Derartige Ausführungsformen sind in den 9 und 10 dargestellt.
Gemäß 9 umfassen die erste und die zweite tiefe Steuerelektrode 20 und 20a parallele längliche Abschnitte 80 und 80a, die sich in die Richtung D1 erstrecken, in die sich die längliche erste und zweite flache Steuerelektrode 26 und 26a erstrecken. Darüber hinaus umfasst sowohl die erste als auch die zweite tiefe Steuerelektrode senkrechte längliche Abschnitte 82, 84, 82a und 84a, die sich in eine Richtung senkrecht zur Richtung D1 erstrecken. Somit sind die erste und die zweite tiefe Steuerelektrode 20 und 20a in der in 9 dargestellten Ausführungsform in der Form des Buchstabens U ausgebildet. Somit können wesentliche Abschnitte des Umwandlungsgebiets durch die tiefen Steuerelektroden umgeben sein und daher können photoerzeugte Ladungsträger innerhalb des durch die tiefen Steuerelektroden definierten Bereichs beibehalten werden. Allgemein wird die optische Sensoreinrichtung mehrere Pixel aufweisen und daher unterstützt die in 9 dargestellte Struktur das Behalten der Ladungsträger innerhalb der jeweiligen Pixel. Zusätzlich dazu kann eine effizientere Verteilung des elektrischen Felds im Umwandlungsgebiet erhalten werden.
10 stellt ein alternatives Layout dar, bei dem die jeweiligen senkrechten länglichen Abschnitte 82 und 84 der ersten tiefen Steuerelektrode 20 vom parallelen länglichen Abschnitt 80 davon getrennt sind und bei dem die senkrechten länglichen Abschnitte 82a und 84a der zweiten tiefen Steuerelektrode 20a vom parallelen länglichen Abschnitt 80a davon getrennt sind. Die gleichen oder leicht unterschiedliche zeitlich veränderliche Potenziale können an die jeweiligen senkrechten und parallelen Abschnitte der ersten und der zweiten tiefen Steuerelektrode 20 und 20a angelegt werden.
Wie in den 9 und 10 dargestellt, ist der erste parallele längliche Abschnitt 80 an einer ersten Seite des ersten Ausleseknotens 30 angeordnet, der zweite parallele längliche Abschnitt 80a ist an einer ersten Seite des zweiten Ausleseknotens 30a angeordnet, die senkrechten länglichen Abschnitte 82 und 84 sind an zwei entgegengesetzten Seiten des ersten Ausleseknotens 30, die sich von dessen ersten Seite unterscheiden, angeordnet und die senkrechten länglichen Abschnitte 82a und 84a sind an zwei entgegengesetzten Seiten des zweiten Ausleseknotens 30a, die sich von dessen ersten Seite unterscheiden, angeordnet.
Bei Ausführungsformen sind vier tiefe längliche Steuerelektroden entlang der Seiten einer Raute in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats angeordnet. Beispielsweise wird Bezug auf 11 genommen, die eine optische Sensoreinrichtung darstellt, bei der vier tiefe längliche Steuerelektroden 90, 92, 94 und 96 entlang der Seiten einer Raute angeordnet sind. Dreiecksförmige Trennungsgateelektroden 98 und 100 sind bereitgestellt. Die Trennungsgateelektrode 98 umgibt den ersten Ausleseknoten 30 und die Trennungsgateelektrode 100 umgibt den zweiten Ausleseknoten 30a. Wie in 11 gesehen werden kann, sind jeweils zwei Seiten jeder Trennungsgateelektrode 98 und 100 parallel zur Richtung, in die sich die tiefen Steuerelektroden 90, 92, 94 und 96 erstrecken, angeordnet und eine dritte Seite jeder Trennungsgateelektrode 98 und 100 ist parallel zur Richtung, in die sich die erste und die zweite flache Steuerelektrode 26 und 26a erstrecken, angeordnet.
Eine Anordnung von tiefen Steuerelektroden an mehr als zwei Seiten des Umwandlungsgebiets, wie etwa die in den 9 bis 11 dargestellten Anordnungen, kann eine effektive Lenkung von photoerzeugten Ladungsträgern im Umwandlungsgebiet zum jeweiligen Ausleseknoten unterstützen.
Ausführungsformen vorliegend beschriebener optischer Sensoreinrichtungen können unter Verwendung von Fertigungsprozessen hergestellt werden, die typischerweise im Halbleitergebiet verwendet werden. Um die tiefen Steuerelektroden zu implementieren, können Gräben für Grabengates in ein Halbleitermaterial geätzt werden, woraufhin ein dielektrisches Material an den Grabenwänden abgeschieden oder aufgewachsen werden kann, wie etwa durch Oxidation. Daraufhin können die Gräben mit einem leitfähigen Material gefüllt werden, wie etwa hoch dotiertes Polysilizium. Daraufhin kann eine dielektrische Schicht auf die Halbleiteroberfläche aufgewachsen oder abgeschieden werden, wie etwa durch Oxidation. Die Photogates (und falls zutreffend die Trennungsgates) können durch Abscheiden eines geeigneten Materials, wie etwa hoch dotiertes Polysilizium, und Strukturieren des abgeschiedenen Materials ausgebildet werden. Um die Leitfähigkeit der jeweiligen Elektroden zu verbessern, kann eine zusätzliche Dotierung über eine Implantation durchgeführt werden. Die Ausleseknoten in Form von Auslesedioden können durch Erzeugen von entsprechenden dotierten Gebieten über Implantation ausgebildet werden. Daraufhin kann ein Kontaktieren der Steuerelektroden und der Ausleseknoten durchgeführt werden.
Typischerweise können die optischen Sensoreinrichtungen mehrere Pixel beinhalten, die in einer Zeile von Pixeln oder einem Array von Pixeln angeordnet sind. Ausführungsformen stellen eine optische Sensoreinrichtung bereit, die mehrere Pixel umfasst, wobei jedes Pixel eine Struktur wie vorliegend beschrieben umfasst. Zusätzlich dazu können Strukturen wie vorliegend beschrieben angepasst werden, so dass sie spezifische Farben empfangen, indem Farbfilter vor dem Umwandlungsgebiet bereitgestellt werden, welche das einfallende elektrische magnetische Signal vor den Erreichen des Umwandlungsgebiets durchläuft.
Bei Ausführungsformen umfasst die optische Sensoreinrichtung mehrere Pixel, wobei mindestens eine tiefe Steuerelektrode zwischen jeweiligen Ausleseknoten von zwei angrenzenden Pixeln der mehreren Pixel angeordnet ist und als eine gemeinsame tiefe Steuerelektrode für beide angrenzende Pixel verwendet wird.
12 stellt eine schematische Ansicht eines Pixels 100 einer optischen Sensorvorrichtung dar. 12 stellt die mit einem ersten Pixel 100 assoziierten Strukturen und ein Teil der mit benachbarten Pixeln 102 und 104 assoziierten Strukturen dar. Das Pixel 100 umfasst eine erste und eine zweite tiefe Steuerelektrode 20 und 20a, eine erste und eine zweite flache Steuerelektrode 26 und 26a und eine dritte flache Steuerelektrode 60. Zusätzlich dazu umfasst das Pixel 100 einen ersten Ausleseknoten 30 und einen zweiten Ausleseknoten 30a. Eine erste Trennungsgateelektrode 106 ist den ersten Ausleseknoten 30 umgebend bereitgestellt und eine zweite Trennungsgateelektrode 106a ist den zweiten Ausleseknoten 30a umgebend bereitgestellt.
Die Pixel 102 und 104 angrenzend zum Pixel 100 weisen eine ähnliche Struktur auf, wobei die erste tiefe Steuerelektrode 20 den Pixeln 100 und 102 gemein ist und die zweite tiefe Steuerelektrode 20a den Pixeln 100 und 104 gemein ist. Somit ist bei Ausführungsformen eine tiefe Steuerelektrode zwischen einem Ausleseknoten 30, der mit einem ersten Pixel assoziiert ist, und einem Ausleseknoten 30c, der mit einem benachbarten Pixel assoziiert ist, angeordnet. Die Ausleseknoten 30 und 30c können elektrisch miteinander verbunden sein. Somit können derartige Ausleseknoten, die durch eine tiefe Steuerelektrode getrennt sind, als einen einzigen Ausleseknoten repräsentierend angesehen werden. Bereiche über und/oder unter dem Umwandlungsgebiet der in 12 dargestellten Pixelstruktur können einer Ausleseschaltung und einer Ansteuerschaltung der jeweiligen Pixel fest zugeordnet sein.
13 stellt eine schematische Draufsicht einer anderen Ausführungsform dar, bei der tiefe Steuerelektroden benachbarten Pixeln gemein sind, wobei Unterschiede im Vergleich zu der in 12 dargestellten Struktur jetzt erläutert werden. Gemäß der in 13 dargestellten Ausführungsform ist die gemeinsame tiefe Steuerelektrode 20 in zwei Segmente 21 und 21a unterbrochen und die gemeinsame tiefe Steuerelektrode 20a in zwei Segmente 23 und 23a unterbrochen. Der Ausleseknoten 30 ist im Raum zwischen den Segmenten 21 und 21a angeordnet und der Ausleseknoten 30a ist im Raum zwischen den Segmenten 23 und 23a angeordnet. Somit ist der Ausleseknoten 30 in der in 13 dargestellten Ausführungsform den Pixeln 100 und 102 gemein und der Ausleseknoten 30a ist den Pixeln 100 und 104 gemein. Darüber hinaus sind in 13 Trennungsgateelektroden 108 und 108a dargestellt. Die Trennungsgateelektroden 108 und 108a umgeben den assoziierten Ausleseknoten 30 bzw. 30a. Somit kann die Trennungsgateelektrode 108 als den beiden Pixeln 100 und 102 gemein angesehen werden und die Trennungsgateelektrode 108a kann als den beiden Pixeln 100 und 104 gemein angesehen werden.
Bei der in 13 dargestellten Ausführungsform ist ein einziger Ausleseknoten (Integrationsknoten) beiden benachbarten Pixeln gemein bereitgestellt und die tiefen Steuerelektroden 20 und 20a (Grabengateelektroden) sind an einem Mittelpunkt davon getrennt, so dass die tiefen Steuerelektroden 20, 20a zwei Hälften umfassen. Die in 12 dargestellte Struktur umfasst eine kontinuierliche tiefe Steuerelektrode oder Grabengate-Steuerelektrode, die sich zwischen benachbarten Pixeln erstreckt, und daher kann eine Überlagerungsleistung im Vergleich zu der in 13 dargestellten Struktur erhöht werden. Der benötigte Chip-Bereich für die in 13 dargestellte Struktur kann jedoch geringer als der benötigte Chip-Bereich für die in 12 dargestellte Struktur sein, so dass die in 13 dargestellte Konstruktion einen höheren Füllfaktor ermöglichen kann.
Vorliegend beschriebene Ausführungsformen verwenden eine stromunterstützte photonische Demodulation. Bei Ausführungsformen umfasst die flache Steuerelektrode ein im Halbleitersubstrat ausgebildetes dotiertes Gebiet, das an das Umwandlungsgebiet angrenzt und eine höhere Dotierungskonzentration und den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet aufweist.
Beispielsweise stellt 14 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensoreinrichtung dar, die eine erste und eine zweite flache Steuerelektrode 140 und 142 umfasst, die jeweils durch ein dotiertes Gebiet innerhalb des Halbleitersubstrats ausgebildet werden. Genauer gesagt, sind die dotierten Gebiete 140 und 142 mit dem gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet 12 aber mit einer höheren Dotierungskonzentration dotiert. Die dotierten Gebiete 140 und 142 können zum Beispiel p⁺-dotierte Gebiete sein. Wie in 14 angedeutet, kann die erste flache Steuerelektrode 140 elektrisch mit der ersten tiefen Steuerelektrode 20 verbunden sein und die zweite flache Steuerelektrode 142 kann elektrisch mit der zweiten tiefen Steuerelektrode 20a verbunden sein. Der Ausleseknoten 30 ist zwischen der ersten flachen Steuerelektrode 140 und der ersten tiefen Steuerelektrode 20 angeordnet und der Ausleseknoten 30a ist zwischen der zweiten flachen Steuerelektrode 142 und der zweiten tiefen Steuerelektrode 20a angeordnet.
Das Anlegen von variierenden Potenzialen an die flachen Steuerelektroden 140 und 142 bewirkt einen Majoritätsträgerstromfluss zwischen den Steuerelektroden 140 und 142. Die Steuerelektroden 140 und 142 können als Führungsfeldelektroden bezeichnet werden. Der Majoritätsträgerstromfluss bewirkt ein Majoritätsträgerstromdriftfeld 144 und photoerzeugte Minoritätsladungsträger driften entlang der Führungsfeldlinien des Majoritätsträgerstromdriftfelds 144. Nahe den flachen Steuerelektroden 140, 142 wird das Driftfeld klein und somit wird Streuung möglicherweise der vorherrschende Transportmechanismus. Das benachbarte Verarmungsgebiet der Ausleseknoten 30 und 30a ist eine effektive Senke für die Minoritätsladungsträger. Zusätzlich dazu kann eine Driftfeldmodulation tief innerhalb des Substrats unter Verwendung der modulierten Potenziale der tiefen Steuerelektroden 20 und 20a erzielt werden. In der schematischen Ansicht von 14 ist auch ein nicht verarmtes/neutrales Halbleitergebiet 146 dargestellt.
Ausführungsformen der Offenbarung können auch eine Quanteneffizienzmodulation an der Oberfläche des Halbleitergebiets verwenden. Eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform, die eine Quanteneffizienzmodulation verwendet, ist in 15 dargestellt und eine schematische Draufsicht davon ist in 16 dargestellt. Die Ausführungsform einer optischen Sensoreinrichtung umfasst eine erste und eine zweite tiefe Steuerelektrode 20, 20a, einen ersten und einen zweiten Ausleseknoten 30, 30a, eine erste und eine zweite flache Steuerelektrode 160 und 160a und einen dritten und einen vierten Ausleseknoten 162 und 162a (16). Darüber hinaus umfasst die in den 15 und 16 dargestellte optische Sensoreinrichtung flache dotierte Gebiete 170, 172 und 174. Die flachen dotierten Gebiete 170, 172 und 174 weisen eine höhere Dotierungskonzentration und den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet 12 auf. Die flachen dotierten Gebiete können p⁺-dotierte Gebiete sein. Das flache dotierte Gebiet 170 ist zwischen dem ersten Ausleseknoten 30 und der zweiten flachen Steuerelektrode 160a angeordnet, das flache dotierte Gebiet 172 ist zwischen der zweiten flachen Steuerelektrode 160a und der ersten flachen Steuerelektrode 160 angeordnet und das flache dotierte Gebiet 174 ist zwischen der ersten flachen Steuerelektrode 160 und dem zweiten Ausleseknoten 30a angeordnet. Der dritte Ausleseknoten 162 ist an einem Ende der ersten flachen Steuerelektrode 160 angeordnet und der vierte Ausleseknoten 162a ist an einem Ende der zweiten flachen Steuerelektrode 160a angeordnet.
Wie in 15 dargestellt, können die erste tiefe Steuerelektrode 20 und die erste flache Steuerelektrode 160 elektrisch miteinander verbunden sein und die zweite tiefe Steuerelektrode 20a und die zweite flache Steuerelektrode 160a können elektrisch miteinander verbunden sein. Obwohl dies nicht in den Figuren dargestellt ist, kann der erste Ausleseknoten 30 elektrisch mit dem dritten Ausleseknoten 162 verbunden sein und der zweite Ausleseknoten 30a kann elektrisch mit dem vierten Ausleseknoten 162a verbunden sein.
Bei einer Modifizierung der in der 15 und 16 dargestellten Ausführungsform können die erste flache Steuerelektrode 160 und der assoziierte dritte Ausleseknoten 162 zwischen dem ersten Ausleseknoten 30 und der zweiten flachen Steuerelektrode 160a angeordnet sein, und die zweite flache Steuerelektrode 160a und der assoziierte vierte Ausleseknoten 162a können zwischen dem zweiten Ausleseknoten 30a und der ersten flachen Steuerelektrode 160 angeordnet sein. Mit anderen Worten können die Positionen der in den 15 und 16 dargestellten ersten und zweiten flachen Steuerelektrode 160, 160a ausgetauscht werden.
Im Betrieb können variierende Potenziale wie oben erläutert an die ersten und die zweiten tiefen und flachen Steuerelektroden angelegt werden. Darüber hinaus wird eine Rückwärtsspannung an die Ausleseknoten angelegt. Das Anlegen der entsprechenden Potenziale an die erste und die zweite flache Steuerelektrode 160, 160a in Verbindung mit den hoch dotierten Gebieten 170, 172, 174 erzeugt eine Feldverteilung, die die Minoritätsträger zum gewünschten Gebiet lenkt. Die Minoritätsträger werden durch die erste und die zweite flache Steuerelektrode 160, 160a zur Oberfläche gelenkt. Wenn sie die Oberfläche erreichen, werden sie aufgrund der hoch dotierten Gebiete 170, 172 und 174 an den jeweiligen Steuerelektroden 160 und 160a gespeichert. Sie werden selbst bei der niedrigphasigen Spannung des an den Steuerelektroden angelegten variierenden Potenzials an der jeweiligen Steuerelektrode gespeichert. Der Transport der Minoritätsladungsträger zu den Ausleseknoten 162 und 162a findet entlang der Länge der Steuerelektroden 160 und 162a in die durch die Pfeile in 16 angegebene Richtung statt. Somit findet eine Quanteneffizienzmodulation statt. Bei Ausführungsformen wird diese Quanteneffizienzmodulation mit einer Driftfelddemodulation unter Verwendung der an den tiefen Steuerelektroden 20 und 20a angelegten variierenden Potenziale kombiniert.
Allgemein hängen die entsprechenden Spannungen, die an die jeweiligen Elektroden angelegt werden sollen, von dem Dotierungstyp des Umwandlungsgebiets und der Dotierungskonzentration ab. Allgemein kann die an die Ausleseknoten angelegte Rückwärtsspannung die höchste Spannung sein, zum Beispiel in einem Bereich von 2,5 bis 3,5 Volt. Das an die tiefen und flachen Steuerelektroden angelegte Potenzial kann die gleiche Polarität aufweisen aber wesentlich niedriger als die an die Ausleseknoten angelegten Spannungen sein. Das an die Steuerelektroden angelegte Potenzial kann zum Beispiel zwischen 0 und 0,8 Volt variieren. Das an die Trennungsgateelektroden angelegte Potenzial kann geringer als die an die Ausleseknoten angelegten Spannungen aber höher als die an die Steuerelektroden angelegte maximale Spannung sein. Die an die Trennungsgateelektroden angelegten Spannungen können zum Beispiel in einem Bereich von 1,0 bis 1,5 Volt liegen. Im Fall einer flachen dritten Steuerelektrode zwischen der ersten und der zweiten flachen Steuerelektrode kann die daran angelegte Spannung 40 bis 80% der an die erste und die zweite flache Steuerelektrode angelegten maximalen Spannung betragen. Die an die flache dritte Steuerelektrode angelegte Spannung kann zum Beispiel in einem Bereich von 0,4 Volt bis 0,64 Volt liegen. Allgemein können die erste flache Steuerelektrode und die erste tiefe Steuerelektrode elektrisch miteinander verbunden sein. Gleichermaßen können die zweite tiefe Steuerelektrode und die zweite flache Steuerelektrode elektrisch miteinander verbunden sein. Bei anderen Ausführungsformen können separate Steuerschaltkreise zum Anlegen der jeweiligen variierenden Potenziale an die ersten tiefen und flachen Steuerelektroden und die zweiten tiefen und flachen Steuerelektroden bereitgestellt sein.
Bei Ausführungsformen können die photoerzeugten Ladungsträger durch die elektrischen Potenzialverteilungen, die durch das Anlegen von variierenden Spannungen an die tiefen und flachen Steuerelektroden erzeugt werden, zu jeweiligen Ausleseknoten gelenkt werden. Bei Ausführungsformen können die photoerzeugten Ladungsträger in Abhängigkeit von der Laufzeit des elektromagnetischen Signals getrennt werden.
Ausführungsformen können eine effiziente Trennung von Minoritätsladungsträgern in einer optischen Sensoreinrichtung zum Detektieren einer Laufzeit eines elektromagnetischen Signals bereitstellen. Ausführungsformen gestatten das Detektieren der Laufzeit eines elektromagnetischen Signals von einem Objekt zur optischen Sensoreinrichtung und daher das Detektieren des Abstands zwischen dem Objekt und der optischen Sensoreinrichtung.
Vorliegend offenbarte Ausführungsformen stellen optische Sensoren bereit, die Grabengateelektroden in Verbindung mit Photogate-Elektroden nutzen, um photoerzeugte Ladungsträger zu lenken. Ausführungsformen nutzen eine Kombination von Grabengateelektroden mit Photogateelektroden und verwenden zusätzlich dazu eine Quanteneffizienzmodulation, um photoerzeugte Ladungsträger zu lenken oder zu trennen. Vorliegend offenbarte Ausführungsformen nutzen Grabengateelektroden zusätzlich zu einer stromunterstützten Demodulation unter Verwendung von dotierten flachen Steuerelektroden, was eine Majorität eines Ladungsträgerstroms bewirkt, um photoerzeugte Minoritätsladungsträger in die optische Sensoreinrichtung zu lenken oder in dieser zu trennen.
Bei Ausführungsformen kann die Steuerschaltung aus einer beliebigen geeigneten integrierten Schaltung ausgebildet werden und kann mit der optischen Sensoreinrichtung integriert sein. Bei Ausführungsformen kann die Steuerschaltung durch eine integrierte Schaltung bereitgestellt werden, die separat vom Halbleitersubstrat der optischen Sensoreinrichtung ist. Bei Ausführungsformen können zumindest Teile der Steuerschaltung durch einen Mikroprozessor oder ein FPGA ausgebildet werden.

Claims

Optische Sensoreinrichtung zum Detektieren einer Laufzeit eines elektromagnetischen Signals, wobei die optische Sensoreinrichtung Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat (10), das ein Umwandlungsgebiet (12) zum Umwandeln von zumindest einem Bruchteil des elektromagnetischen Signals in photoerzeugte Ladungsträger (14) umfasst; eine tiefe Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96), die in einem Graben (24, 24a), der sich in das Halbleitersubstrat (10) erstreckt, ausgebildet ist; eine flache Steuerelektrode (26, 26a, 60, 140, 140a, 160, 160a), wobei sich die tiefe Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96) tiefer in das Halbleitersubstrat (10) erstreckt als die flache Steuerelektrode (26, 26a, 60, 140, 140a, 160, 160a); eine Steuerschaltung (32), die konfiguriert ist zum Anlegen eines variierenden ersten Potenzials an die tiefe Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96) und zum Anlegen eines variierenden zweiten Potenzials, das eine feste Phasenbeziehung zum an die tiefe Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96) angelegten ersten variierenden Potenzial aufweist, an die flache Steuerelektrode (26, 26a, 60, 140, 140a, 160, 160a), damit elektrische Potenzialverteilungen im Umwandlungsgebiet (12) erzeugt werden, um die photoerzeugten Ladungsträger (14) zu lenken; und mindestens einen Ausleseknoten (30, 30a, 162, 162a) zum Detektieren der gelenkten Ladungsträger (14), wobei die tiefe Steuerelektrode durch ein Isoliermaterial (22, 22a) vom Halbleitersubstrat (10) getrennt ist, wobei die tiefe Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96) und das Isoliermaterial (22, 22a) im Graben (24, 24a), der sich in das Halbleitersubstrat (10) erstreckt, ausgebildet sind.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Potenzial das gleiche ist.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die flache Steuerelektrode (26, 26a, 60, 160, 160a) eine Gate-Elektrode umfasst, die von einer beleuchteten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) durch ein Isoliermaterial (28) getrennt ist.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei die flache Steuerelektrode (26, 26a) eine Photogateelektrode umfasst.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die flache Steuerelektrode (140, 140a) ein in einem Halbleitersubstrat (10) ausgebildetes dotiertes Gebiet umfasst, das mit dem Umwandlungsgebiet (12) verbunden ist und eine höhere Dotierungskonzentration und den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet (12) aufweist.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die eine Trennungsgateelektrode (62a - 62h, 98, 100, 108, 108a) umfasst, die auf dem Halbleitersubstrat (10) angrenzend zum mindestens einen Ausleseknoten (30, 30a) angeordnet ist.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Trennungsgateelektrode (62g, 62h, 98, 100) so angeordnet ist, dass sie in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats (10) den mindestens einen Ausleseknoten (30, 30a) umgibt.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die tiefe Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96), in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats (10), an einer ersten Seite des mindestens einen Ausleseknotens (30, 30a) angeordnet ist und die flache Steuerelektrode (26, 26a, 60, 140, 140a, 160, 160a) an einer zweiten Seite des mindestens einen Ausleseknotens (30, 30a) angeordnet ist.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die tiefe Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96) und die flache Steuerelektrode (26, 26a, 140, 140a, 160, 160a) elektrisch miteinander verbunden sind.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das variierende Potenzial ein Demodulationssignal ist, das eine feste Phasenbeziehung mit einem Modulationssignal, mit dem das elektromagnetische Signal moduliert ist, aufweist.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die ferner Folgendes umfasst: eine erste und eine zweite tiefe Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96), eine erste und eine zweite flache Steuerelektrode (26, 26a, 140, 140a, 160, 160a) und einen ersten und einen zweiten Ausleseknoten (30, 30a), wobei, in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats (10), die erste und die zweite flache Steuerelektrode (26, 26a, 140, 140a, 160, 160a) zwischen dem ersten und dem zweiten Ausleseknoten (30, 30a) und zwischen der ersten und der zweiten tiefen Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96) angeordnet sind.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 11, wobei die Steuerschaltung (32) besteht, um die Laufzeit des elektromagnetischen Signals basierend auf einer Beziehung der Anzahl von Ladungsträgern (14), die am ersten Ausleseknoten (30) erfasst werden, und der Anzahl von Ladungsträgern (14), die am zweiten Ausleseknoten (30a) erfasst werden, zu bestimmen.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei, in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats (10), die erste und die zweite tiefe Steuerelektrode (20, 20a, 90 - 96), die erste und die zweite flache Steuerelektrode (26, 26a, 140, 140a, 160, 160a) und der erste und der zweite Ausleseknoten (30, 30a) symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse angeordnet sind.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die erste und die zweite flache Steuerelektrode (26, 26a, 140, 140a, 160, 160a) längliche Steuerelektroden umfassen, die sich parallel zu einer ersten Richtung erstrecken.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 14, wobei die erste und die zweite tiefe Steuerelektrode (20, 20a) längliche Steuerelektroden umfassen, die sich parallel zur ersten Richtung erstrecken.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 14, wobei die erste und die zweite tiefe Steuerelektrode (20, 20a) längliche parallele Steuerelektrodenabschnitte (80, 80a), die sich parallel zur ersten Richtung erstrecken, und längliche senkrechte Steuerelektrodenabschnitte (82, 82a, 84, 84a), die sich senkrecht zur ersten Richtung erstrecken, umfassen.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 16, wobei die länglichen parallelen Steuerelektrodenabschnitte (80, 80a) einen ersten länglichen parallelen Steuerelektrodenabschnitt (80), der an einer ersten Seite des ersten Ausleseknotens (30) angeordnet ist, einen zweiten länglichen parallelen Steuerelektrodenabschnitt (80a), der an einer ersten Seite des zweiten Ausleseknotens (30a) angeordnet ist, einen ersten und einen zweiten länglichen senkrechten Steuerelektrodenabschnitt (82, 84), die an zwei entgegengesetzten Seiten des ersten Ausleseknotens (30) angeordnet sind, die sich von dessen erster Seite unterscheiden, und einen dritten und einen vierten länglichen senkrechten Steuerelektrodenabschnitt (82a, 84a), die an zwei entgegengesetzten Seiten des zweiten Ausleseknotens (30a) angeordnet sind, die sich von dessen erster Seite unterscheiden, umfassen.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 14, die vier tiefe längliche Steuerelektroden (90 - 96) umfasst, die entlang den Seiten einer Raute in einer Draufsicht des Halbleitersubstrats (10) angeordnet sind.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, die eine erste flache Steuerelektrode (26), eine zweite flache Steuerelektrode (26a) und eine dritte flache Steuerelektrode (60) umfasst, wobei die dritte flache Steuerelektrode (60) zwischen der ersten und der zweiten flachen Steuerelektrode (26, 26a) angeordnet ist, wobei die Steuerschaltung (32) konfiguriert ist, um ein konstantes Potenzial an die dritte flache Steuerelektrode (60) anzulegen.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 11 bis 15, wobei das Halbleitersubstrat (10) flache dotierte Gebiete umfasst, die im Halbleitersubstrat (10) zwischen dem ersten Ausleseknoten (30) und der flachen Steuerelektrode (160, 160a) angrenzend an den ersten Ausleseknoten (30), zwischen der ersten und der zweiten flachen Steuerelektrode (160, 160a) und zwischen dem zweiten Ausleseknoten (30a) und der flachen Steuerelektrode (160, 160a) angrenzend an den zweiten Ausleseknoten (30a) ausgebildet sind, wobei die flachen dotierten Gebiete eine höhere Dotierungskonzentration als das Umwandlungsgebiet (12) und einen Dotierungstyp, der sich vom Ausleseknoten (30, 30a) unterscheidet, aufweisen.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 20, wobei die erste flache Steuerelektrode (160) zwischen dem zweiten Ausleseknoten (30a) und der zweiten flachen Steuerelektrode (160a) angeordnet ist und die zweite flache Steuerelektrode (160a) zwischen dem ersten Ausleseknoten (30) und der ersten flachen Steuerelektrode (160) angeordnet ist, oder wobei die erste flache Steuerelektrode (160) zwischen dem ersten Ausleseknoten (30) und der zweiten flachen Steuerelektrode (160a) angeordnet ist und die zweite flache Steuerelektrode (160a) zwischen dem zweiten Ausleseknoten (30a) und der ersten flachen Steuerelektrode (160) angeordnet ist.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 20 oder 21, die einen dritten Ausleseknoten (162), der an einem Ende der ersten flachen Steuerelektrode (160) angeordnet ist, und einen vierten Ausleseknoten (162a), der an einem Ende der zweiten flachen Steuerelektrode (160a) angeordnet ist, umfasst, wobei der dritte Ausleseknoten (162) elektrisch mit dem ersten Ausleseknoten (30) verbunden ist und der vierte Ausleseknoten (162a) elektrisch mit dem zweiten Ausleseknoten (30a) verbunden ist.
Optische Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, die mehrere Pixel umfasst, wobei mindestens eine tiefe Steuerelektrode (20, 20a) zwischen jeweiligen Ausleseknoten (30, 30a) von zwei angrenzenden Pixeln der mehreren Pixel angeordnet ist und als eine gemeinsame tiefe Steuerelektrode (20, 20a) für beide angrenzende Pixel verwendet wird.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 23, wobei die gemeinsame tiefe Steuerelektrode (20, 20a) entlang deren Länge unterbrochen ist, so dass ein Raum zwischen zwei Segmenten (21, 21a, 23, 23a) der gemeinsamen tiefen Steuerelektrode (20, 20a) gebildet wird, wobei der mindestens eine Ausleseknoten (30, 30a) im Raum zwischen den beiden Segmenten (21, 21a, 23, 23a) der gemeinsamen tiefen Steuerelektrode (20, 20a) angeordnet ist.
Optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die tiefe Steuerelektrode (20, 20a) eine erste tiefe Steuerelektrode (20)ist; wobei die flache Steuerelektrode (26, 140, 160) eine erste flache Steuerelektrode (26, 140, 160) ist, die eine Photogateelektrode umfasst, die von einer beleuchteten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) durch ein Isoliermaterial (28) getrennt ist, oder ein im Halbleitersubstrat (10) ausgebildetes dotiertes Gebiet umfasst, das an das Umwandlungsgebiet (12) angrenzt und eine höhere Dotierungskonzentration als und den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet (12) aufweist,. wobei die optische Sensoreinrichtung ferner folgende Merkmale aufweist: eine zweite tiefe Steuerelektrode (20a), die in einem Graben (24a), der sich in das Halbleitersubstrat (10) erstreckt, ausgebildet ist; eine zweite flache Steuerelektrode (26a, 140a, 160a), wobei die zweite flache Steuerelektrode (26a, 140a, 160a) eine Photogateelektrode umfasst, die von einer beleuchteten Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) durch ein Isoliermaterial getrennt ist, oder ein im Halbleitersubstrat (10) ausgebildetes dotiertes Gebiet umfasst, das an das Umwandlungsgebiet (12) angrenzt und eine höhere Dotierungskonzentration als und den gleichen Dotierungstyp wie das Umwandlungsgebiet (12) aufweist; wobei die Steuerschaltung (32) konfiguriert ist zum Anlegen von variierenden Potenzialen, die eine Phasenverschiebung im Vergleich zu den an die ersten tiefen und flachen Steuerelektroden (20, 20a, 26, 26a, 140, 140a, 160, 160a) angelegten variierenden Potenzialen aufweisen, an die zweiten tiefen und flachen Steuerelektroden (20, 20a, 26, 26a, 140, 140a, 160, 160a), um elektrische Potenzialverteilungen in Umwandlungsgebiet (12) zu erzeugen, durch die die photoerzeugten Ladungsträger (14) im Umwandlungsgebiet (12) gelenkt werden; und mindestens zwei Ausleseknoten (30, 30a, 162, 162a) zum Detektieren der gelenkten Ladungsträger (14).