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DE102020132868A1 - Lichtlaufzeitpixel mit Ladungsspeicher - Google Patents

Lichtlaufzeitpixel mit Ladungsspeicher Download PDF

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DE102020132868A1
DE102020132868A1 DE102020132868.0A DE102020132868A DE102020132868A1 DE 102020132868 A1 DE102020132868 A1 DE 102020132868A1 DE 102020132868 A DE102020132868 A DE 102020132868A DE 102020132868 A1 DE102020132868 A1 DE 102020132868A1
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gate
flight
modulation
drain
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DE102020132868.0A
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Matthias Franke
Robert Rößler
Gerrit Lükens
Ana-Maria Teodoreanu
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IFM Electronic GmbH
PMDtechnologies AG
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IFM Electronic GmbH
PMDtechnologies AG
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Abstract

Lichtlaufzeitpixel aufbauend,- mit mindestens einem Modulationsgate (GA, GB), das einen fotoaktiven Bereich (FAB) und einen Speicherbereich (MA, MB) aufweist,wobei der Speicherbereich (MA, MB) eine lokal erhöhte Dotierung vom n-Typ unterhalb des Modulationsgates (GA, GB) aufweist und den fotoaktiven Bereich (FAB) des Modulationsgate (GA, GB) abgrenzt,- mit mindestens ein, an den Speicherbereich (MA, MB) des Modulationsgates (GA, GB) anschließendes, Transfergate (TXA, TXB),- mit mindestens einer dem Transfergate (TXA, TXB) folgenden Auslesediode (DA, DB),- mit mindestens einem Draingate (DG), das an einer Seite des lichtsensitiven Bereichs (FAB) der Modulationsgates (GA, GB) angrenzt,- und mit mindestens einer Draindiode (DD), die dem Draingate (DG) folgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitpixel mit einem Ladungsspeicher unterhalb der Modulationsgates und einen Lichtlaufzeitsensor mit entsprechenden Pixeln.
  • Der erfindungsgemäße Lichtlaufzeitsensor findet insbesondere Anwendung in Lichtlaufzeitkamerasystemen, die Entfernungen aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der DE 197 04 496 A1 beschrieben sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Platzbedarf eines Lichtlaufzeitpixels im Lichtlaufzeitsensor zu reduzieren.
  • Das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitpixel löst diese Aufgabe und ermöglicht, die Demodulation und Speicherung der fotogenerierten Ladungsträger unter einem einzelnen Photogate vorzunehmen. Damit wird eine deutliche Reduzierung des Platzbedarfs erreicht.
  • Es zeigen schematisch
    • 1 eine erfindungsgemäße Pixelstruktur Draufsicht,
    • 2 ein Querschnitt der Pixelstruktur mit Potenzialverteilungen,
    • 3 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Struktur,
    • 4 eine Ausgestaltung für Vorderseiten-Beleuchtung,
    • 5 eine Ausgestaltung für Rückseiten-Beleuchtung,
    • 6 eine Ausgestaltung für Rückseiten-Beleuchtung mit optischen Isolatoren,
    • 7 eine Ausgestaltung für Rückseiten-Beleuchtung mit Streuelementen,
    • 8 eine Ausgestaltung für Rückseiten-Beleuchtung mit optischen Isolatoren und Streuelementen.
  • Die erfindungsgemäße Überlegung ist, wie in 1 skizziert, dass die im Silizium fotogenerierten Ladungen durch eine modulierte Spannung auf den Photogates GA und GB und der damit einhergehenden Ausbildung der bekannten Ladungsträgerschaukel in Richtung der Speichergebiete MA bzw. MB abgelenkt und dort gesammelt werden. Die Speichergebiete MA, MB sind derart gestaltet, dass die Ladungsträger dauerhaft, d.h. unabhängig von der an den Photogates GA, GB angelegten Spannung in den Speichergebieten MA, MB verbleiben, solange das entsprechende Transfergate TXA bzw. TXB ein niedriges Potenzial aufweist. Sollte ein Transfergate TXA, TXB ein hohes Potenzial aufweisen und gleichzeitig das entsprechende Photogate ein niedriges Potenzial aufweisen, so werden die im Speicherbereich gesammelten Ladungen in Richtung der Auslesediode DA, DB abgeführt.
  • Zusätzlich erlaubt ein Draingate GD mit angehängter Draindiode DD das definierte Unterbinden der Integration unter den Speicherbereichen MA, MB.
  • Auf einem Halbleitersubstrat, welches eine geeignete Dotierung vom p- oder n- Typ aufweist, bilden in einem Lichtlaufzeitpixel zwei Photogates GA, GB mittig angeordnet einen fotoaktiven Bereich FAB. Unterhalb der Photogates GA, GB und den fotoaktiven Bereich FAB begrenzend sind im Halbleitersubstrat Speicherbereiche MA und MB angeordnet, wobei die Photogates GA, GB die Speicherbereiche MA, MB nur teilweise abdecken.
  • An die Speicherbereiche MA, MB grenzen die jeweiligen Transfergates TXA und TXB, welche ihrerseits an die Auslesedioden DA und DB angrenzen. In vertikaler bzw. senkrechter Richtung zum Photogate GA, GB, Transfergate TXA, TXB und Dioden DA, DB ist ein Draingate (GD) angeordnet, welches den Mischerbereich bzw. fotoaktiven Bereich FAB der Photogates GA, GB mit einer Draindiode DD (Verwerfknoten) schaltbar verbindet.
  • Die Speicherbereiche MA, MB werden vorzugsweise mithilfe einer erhöhten n-Typ-Implantation partiell unter dem Photogates GA, GB hergestellt. Diese Implantationen führen zu einer lokalen Erhöhung des elektrostatischen Potenzials unter den Photogates GA, GB. Diese Gebiete können als Speichergebiet MA, MB zur Zwischenspeicherung der demodulierten Photoelektronen genutzt werden.
  • Somit erreicht man eine doppelte Funktionalität mit den Photogates GA, GB: Einerseits die Demodulation der fotogenerierten Ladungsträger und andererseits die Zwischenspeicherung eben dieser Ladungsträger, um eine Funktionalität nach dem Prinzip der korrelierten Doppelabtastung bei gleichzeitiger globaler elektronischer Blende (global shutter) zu ermöglichen. Der Aufbau ist sowohl für eine Vorderseitenbeleuchtung FSI als auch für eine Rückseitenbeleuchtung BSI des Pixels anwendbar.
  • 2 zeigt die Struktur- und Potenzialschnitte durch einen erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor bzw. Lichtlaufzeitpixel beim Anlegen anwendungstypischer Spannungen. Gezeigt sind neben dem Strukturschnitt die Potenzialschnitte für folgende Modi: a) Integration, b) Halten (Hold) und c) Auslese (Readout).
    1. a) Integrationsmodus:
      • Während der Integration sind die Transfergates TXA und TXB auf niedrigem Potenzial gehalten, damit sind die Speicherbereiche MA und MB von den Auslesedioden DA und DB getrennt. Das Draingate GD befindet sich ebenfalls auf niedrigem Potenzial und trennt den Drain-Kontakt vom Mischerbereich bzw. fotoaktiven Bereich FAB ab. Die Photogates GA und GB bilden die hinreichend bekannte Ladungsträgerschaukel aus. Die entsprechend demodulierten fotogenerierten Ladungsträger gelangen in die Speicherbereiche MA bzw. MB. Die dort gespeicherten Ladungsträger können im weiteren Verlauf der Integrationsphase weder in Richtung Auslesediode DA, DB noch in Richtung des fotoaktiven Bereichs FAB entweichen. Die Speicherfähigkeit der Speicherbereiche MA, MB ist somit unabhängig von der an den Photogates GA, GB angelegten Spannung gegeben. Somit kommt es zu einer fortlaufenden Integration von Ladungsträgern in den Speicherbereichen MA, MB während der Integrationsphase.
    2. b) Haltemodus (Hold):
      • Im Haltemodus werden beide Photogates GA, GB auf niedrigem Potenzial gehalten, die Transfergates TXA, TXB koppeln die Speicherbereiche MA, MB von den Auslesedioden DA, DB ab. Um eine weitere Integration von Ladungsträgern in den Speicherbereichen zu verhindern, wird nun das Draingate GD auf hohes Potenzial geschaltet, was zu einer direkten Verbindung des Mischerbereichs GA, GB mit der Draindiode DD führt. Die fotogenerierten Ladungsträger werden nun in Richtung der Draindiode DD abgeführt, d.h. sie stehen nicht mehr für eine weitere Integration in den Speicherbereichen MA, MB zur Verfügung.
    3. c) Auslesemodus (Readout):
      • Der Auslesemodus dient zum Transfer der unter den Speicherbereichen MA, MB integrierten Ladungsträger in Richtung der Auslesedioden DA und DB. Dazu verbleiben die Photogates GA und GB auf niedrigem Potenzial. Das Draingate GD verbleibt ebenfalls auf hohem Potenzial und führt alle während des Auslesemodus fotogenerierten Ladungsträger in Richtung der Draindiode DD ab.
  • Die Transfergates TXA und TXB werden nun auf hohes Potenzial gelegt, was zur Ausbildung eines Potenzialgradienten in Richtung der Auslesedioden DA, DB führt. Damit kommt es zu einem Abfließen der in den Speichergebieten MA, MB gespeicherten Ladungen hin zu den Auslesedioden DA, DB. Durch ein entsprechendes Timing kann die Auslese als rauschreduzierte korrelierte Doppelabtastung (correlated double sampling, CDS) ausgeführt werden.
  • 3 zeigt eine Ausführung des Lichtlaufzeitpixels mit nur einem Diodenknoten DA (one tap). Bei dieser Ausführungsform wird auf einen der beiden Auslesekanäle A oder B verzichtet. Im vorliegenden Fall weist das Pixel ein Photogate GA und Speicherknoten für den A-Kanal auf während der B-Kanal mit einem Draingate GD und Draindiode DD ausgebildet ist. Das Modulationssignal liegt dementsprechend an dem A-Kanal Photogate GA und das komplementäre Modulationssignal am Draingate GD an. Die fotogenerierten Ladungsträger werden somit entweder im Speicherbereich MA integriert oder über die Draindiode DD abgeführt.
  • Grundsätzlich sind auch Ausgestaltungen mit mehr als zwei Diodenknoten denkbar.
  • 4 zeigt eine Beleuchtung des erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitpixel von der Vorderseite (front side illumination, FSI) und 5 eine Beleuchtung von der Rückseite (back side illumination, BSI).
  • 6 zeigt eine Ausführung mit einem für die Rückseiten-Beleuchtung BSI optisch isolierten Speicherbereich MA, MB, bei dem zur optischen Isolation Gräben bzw. Trenches oder vergrabene Reflektoren ISO vorgesehen sind.
  • 7 zeigt eine Variante mit einem Streuelement SR auf der Rückseite des Lichtlaufzeitpixels. In dieser Ausführung können ein oder mehrere Streuelemente SR, z.B. Gräben oder Pyramidenstrukturen zur Steigerung der Quanteneffizienz vorgesehen sein.
  • Die Streuelemente SR können, wie in 8 gezeigt, mit optischen Isolationselementen ISO kombiniert werden, um die Speicherbereiche MA, MB optisch zu isolieren.
  • Bezugszeichenliste
    • GA, GB
    Photogates A und B
    MA, MB
    Speicherbereiche A und B
    TXA, TXB
    Transfergates A und B
    DA, DB
    Auslesedioden A und B
    GD
    Draingate
    DD
    Draindiode
  • 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]

Claims (6)

  1. Lichtlaufzeitpixel aufbauend, - mit mindestens einem Modulationsgate (GA, GB), das einen fotoaktiven Bereich (FAB) und einen Speicherbereich (MA, MB) aufweist, wobei der Speicherbereich (MA, MB) eine lokal erhöhte Dotierung vom n-Typ unterhalb des Modulationsgates (GA, GB) aufweist und den fotoaktiven Bereich (FAB) des Modulationsgate (GA, GB) abgrenzt, - mit mindestens ein, an den Speicherbereich (MA, MB) des Modulationsgates (GA, GB) anschließendes, Transfergate (TXA, TXB), - mit mindestens einer dem Transfergate (TXA, TXB) folgenden Auslesediode (DA, DB), - mit mindestens einem Draingate (DG), das an einer Seite des lichtsensitiven Bereichs (FAB) der Modulationsgates (GA, GB) angrenzt, - und mit mindestens einer Draindiode (DD), die dem Draingate (DG) folgt.
  2. Lichtlaufzeitpixel nach Anspruch 1, das für eine rückseitige Beleuchtung ausgebildet ist, mit einem Streuelement (SE) zur Streuung eines auf einer Rückseite des Lichtlaufzeitpixel einfallenden Lichts.
  3. Lichtlaufzeitpixel nach Anspruch 2, bei dem die Streuelemente (SE) als Gräben oder pyramidenähnliche Strukturen ausgebildet sind.
  4. Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Speicherbereiche (MA, MB) durch optisch isolierende Strukturen (ISO) vor direktem Lichteinfall von der Rückseite geschützt sind.
  5. Lichtlaufzeitsensor mit einem Lichtlaufzeitpixel nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Lichtlaufzeitkamera bzw. Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem Lichtlaufzeitsensor nach Anspruch 5.
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