WO2020052992A1 - Lichtlaufzeitpixel und lichtlaufzeitsensor mit entsprechenden pixel - Google Patents

Lichtlaufzeitpixel und lichtlaufzeitsensor mit entsprechenden pixel Download PDF

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Robert RÖSSLER
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Definitions

  • the invention relates to a time-of-flight pixel and a time-of-flight sensor according to the type of the independent claims.
  • Light transit time pixels are known for example from the document DE 197 04 496 C2, which among other things also shows a typical structure of such a photonic mixing element, that is to say of a single pixel of a photonic mixer device.
  • a photonic mixing detector or PMD sensor (PMD: Photonic Mixing Device) is an optical sensor, the principle of which is based on the
  • Light transit time method (TOF: Time of Flight) is based and is to be subsumed in connection with the present invention under the term light transit time pixel or light transit time sensor with several light transit time pixels.
  • the object of the invention is to improve the properties of a time-of-flight pixel, in particular for very small pixels.
  • a time-of-flight pixel is advantageously provided, with modulation gates and
  • the photosensitive semiconductor region is designed as an N epitaxy and is delimited laterally and / or at its corners by p-doped vertical p structures,
  • a buried layer with a p-doping adjoins an underside of the photosensitive semiconductor region
  • the vertical columnar p-structures in particular p-columns, being in electrical contact with the buried layer.
  • This structure results in an alternating one in the horizontal direction
  • Doping curve which has a favorable effect on the electrical potential in such a way that photogenerated charge carriers are focused horizontally in the direction of the pixel center and accelerated vertically in the direction of the modulation gates. It is further provided that a p-doped semiconductor carrier follows the buried layer, a contact for a on this semiconductor carrier
  • this has the advantage that the electrical field is set favorably in the direction of the modulation gates and integration nodes via the Vbias contact on the back of the semiconductor.
  • FIG. 1 schematically shows a time-of-flight camera system
  • FIG. 2 shows a modulated integration of charge carriers generated
  • FIG. 3 shows a cross section through a PMD light propagation time pixel with potential distribution
  • FIG. 4 shows a light propagation time pixel according to the invention with p-pillars
  • FIG. 5 shows a time-of-flight pixel with p-pillars that contact the p-tub
  • FIG. 6 shows a time-of-flight pixel in which the p-pillars are constructed in individual implants
  • FIG. 7 shows a time-of-flight pixel with p-pillars on a trench
  • FIGS. 4-6 shows a plan view of a pixel according to FIGS. 4-6 with p-pillars arranged in the corner area
  • FIG. 9 shows a top view of a pixel according to FIGS. 4-6 with an N epitaxy enclosing p-area
  • FIG. 10 shows a top view of a pixel according to FIG. 7,
  • FIG. 11 shows a top view of a sensor structure with several pixels according to FIG. 8
  • FIG. 12 shows a top view of a sensor structure with several pixels according to FIG. 9,
  • FIG. 13 shows a cross section of a pixel according to FIG. 4 for back lighting.
  • FIG. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a time-of-flight camera, as is known for example from DE 197 04 496 A1.
  • the time-of-flight camera system 1 comprises a transmission unit or a
  • Illumination module 10 with an illumination 12 and an associated one
  • the time-of-flight sensor 22 has at least one time-of-flight pixel, preferably also a pixel array, and is in particular designed as a PMD sensor.
  • Receiving optics 25 typically exist to improve the
  • Beam shaping optics 15 of the transmission unit 10 can be designed, for example, as reflectors or lens optics. In a very simple embodiment, optical elements can also be dispensed with on both the receiving and transmitting sides.
  • the measuring principle of this arrangement is essentially based on the fact that, based on the phase shift of the emitted and received light, the transit time and thus the distance traveled by the received light can be determined.
  • the light source 12 and the light propagation time sensor 22 are acted upon by a modulator 30 together with a specific modulation signal M 0 with a basic phase position fo.
  • a phase shifter 35 is also provided between the modulator 30 and the light source 12, with which the base phase fo of the modulation signal Mo of the light source 12 can be shifted by defined phase positions (p var .
  • phase positions of (p var 0 °, 90 °, 180 °, 270 ° used.
  • This signal S pi or the electromagnetic radiation is reflected by an object 40 in the illustrated case and is due to the distance traveled
  • infrared light-emitting diodes or laser diodes are suitable as the illumination source or light source 12.
  • illumination source or light source 12 there are others too
  • Radiation sources in other frequency ranges are conceivable, in particular light sources in the visible frequency range can also be considered.
  • the basic principle of phase measurement is shown schematically in Figure 2.
  • the upper curve shows the time course of the modulation signal Mo with which the lighting 12 and the light transit time sensor 22 are controlled.
  • the light reflected by the object 40 strikes the light transit time sensor 22 as the received signal S P 2 corresponding to its light transit time ti_ out of phase Df ( ⁇ i_).
  • the light transit time sensor 22 collects the photonically generated charges q over a plurality of modulation periods in the phase position of the modulation signal Mo in a first integration node Ga and in a phase position shifted by 180 ° Mo + 180 ° in a second
  • phase shift Df ( ⁇ i_) and thus a distance d of the object can be determined from the ratio of the charges qa, qb collected in the first and second nodes Ga, Gb 104.
  • FIG. 3 shows a cross section through a pixel of a photonic mixer device as is known, for example, from DE 197 04 496 C2.
  • the modulation photogates ModA, ModO, ModB form the light-sensitive area of a PMD pixel.
  • FIG. 3b shows a course of potential in which the charges q flow in the direction of the first integration node Ga, while the potential in FIG. 3c causes the charge q to flow in the direction of the second integration node Gb.
  • the potentials are specified according to the applied modulation signals.
  • the modulation frequencies are preferably in a range from 1 to 100 MHz. With a modulation frequency of 1 MHz, for example, there is a period duration of one microsecond, so that the modulation potential changes accordingly every 500 nanoseconds.
  • FIG. 3a also shows a readout unit 400, which may already be part of a PMD light transit time sensor designed as a CMOS.
  • the integration nodes Ga, Gb designed as capacitors or diodes integrate the photonically generated charges over a large number of modulation periods. In a known manner, the voltage then applied to the nodes Ga, Gb can be tapped with high impedance, for example, via the read-out unit 400.
  • the integration times should preferably be chosen so that the light propagation time sensor or the integration nodes and / or the light-sensitive areas do not become saturated for the amount of light to be expected.
  • An N epitaxy 100 for providing a photosensitive region for a PMD light propagation time pixel is p-doped “columns” or vertical doping regions 105 and. On all sides (left, right, front, back) bounded at the bottom by a buried p-doped layer 102 or horizontal p-doping region 102.
  • modulatable photogates ModA, ModB and integration nodes DiodeA, DiodeB, 104 are modulatable photogates ModA, ModB and integration nodes DiodeA, DiodeB, 104.
  • the photosensitive area 100 is laterally delimited by a p-doped area 103, so-called CMOS p-wells 103, arranged. In contrast to the conventional PMD pixel, it will
  • the component is built on a p-doped base wafer.
  • the vertical doping regions 105 extend vertically below the p-wells 103.
  • the vertical doping regions 105 contact the p-doped, buried layer 102 and can partially or completely enclose the N-epitaxy 100 toward the surface. 4, there is a distance between the vertical doping regions 105 and the p-wells 103.
  • the p-well 103 and the vertical doping regions 105 preferably have different dopant concentrations.
  • the doping regions (p-n-p) alternating in the horizontal direction result in an ideal course of the electrical potential in the vertical direction when the doping levels are selected appropriately. At the same time, it is strongly centered in the horizontal direction within a pixel. A strong horizontal centering of the photoelectrons is achieved with a high vertical drift at the same time. On the surface, the photoelectrons meet the well-known charge carrier swing of the
  • modulated photogates ModA, ModB are directed according to the phase position into the integration diodes 104 A and B and accumulated there.
  • the doping of the N epitaxy 100 and the enclosing p-pillars 105 is set in such a way that the desired potential or field profile is established.
  • FIG. 5 shows a variant in which the vertical doping regions 105 touch the p-wells 103 and thus establish an electrically conductive connection to the buried p-layer 102.
  • FIG. 6 shows a variant in which the vertical p-regions or columns 105 are constructed in the form of stacked individual implants. They can be advantageous
  • the N epitaxy 100 can have a dopant gradient vertically.
  • region 100b can have a higher dopant concentration than region 100a.
  • a continuous gradient is also conceivable, such that the
  • Dopant concentration in the vertical direction decreases with increasing distance from the modulation gates ModA, ModB.
  • FIG. 7 shows a structure of a vertical p-region in the form of a passivation of a trench, such as that used to suppress an optical one
  • Crosstalk / Crosstalks are used.
  • the side walls of the trench are passivated with a p-implant.
  • This protective implant can also be used as a p-pillar or vertical p-area.
  • FIG. 8 shows a top view of a pixel structure according to FIGS. 4 to 6, in which the vertical p regions 105 are arranged as p columns at the corner points of the pixel floor plan.
  • the CMOS-p wells 103 run on the edge of the photosensitive region 100 for receiving further semiconductor functions.
  • the modulation gates ModA, ModB have a recess in which the integration nodes 104 DA, DB or diodes DiodeA, DiodeB are arranged.
  • FIG. 9 shows a plan view of a pixel structure according to FIGS. 4 to 6, in which the vertical p regions enclose the entire pixel floor plan.
  • FIG. 10 shows a top view of a pixel structure according to FIG. 7 with a
  • circumferential trench isolation 106 and protective implant as p-region 105 are circumferential trench isolation 106 and protective implant as p-region 105.
  • FIG. 11 shows a light travel time sensor with a plurality of pixels according to FIG. 8, in which the p-pillars 105 are arranged in the corner region of a light travel time pixel.
  • FIG. 12 shows a time-of-flight sensor with several pixels, in which the p-pillars 105 are arranged as vertical p-structures 105 all around the pixel.
  • FIG. 13 shows an example of a variant of the embodiment according to FIG. 4, which is designed as a back-lit pixel or as a so-called backside-illuminated BSI pixel.
  • the pixel structure is typically based on another Carrier substrate 108 has been applied, the original carrier substrate 101 being thinned out.
  • the BSI structure can also be implemented with the other illustrated embodiments.

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Abstract

Lichtlaufzeitpixel, mit Modulationsgates (ModA, Mod0, ModB) und Integrationsknoten (Ga, Gb), die an einer Oberseite eines photoempfindlichen Halbleitergebiets (100) angeordnet sind, wobei das photoempfindliche Halbleitergebiet (100) als N-Epitaxie ausgebildet ist, und seitlich und/oder an seinen Ecken von p-dotierten vertikalen p-Strukturen (105) begrenzt ist, wobei an einer Unterseite des photoempfindlichen Halbleitergebiets (100) eine vergrabene Schicht (102) mit einer p-Dotierung anschließt, wobei die vertikalen p-Strukturen (105) im elektrischen Kontakt mit der vergrabenen Schicht (102) stehen.

Description

Lichtlaufzeitpixel und Lichtlaufzeitsensor mit entsprechenden Pixel
Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitpixel und einen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Lichtlaufzeitpixel sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 197 04 496 C2 bekannt, die unter anderem auch eine typische Struktur eines solchen photonischen Mischelements, also eines einzelnen Pixels eines Photomischdetektors, zeigt. Unter einem Photomischdetektor oder PMD-Sensor (PMD: Photonic Mixing Device) ist ein optischer Sensor zu verstehen, dessen Funktionsprinzip auf dem
Lichtlaufzeitverfahren (TOF: Time of Flight) beruht und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Lichtlaufzeitpixel bzw. Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Lichtlaufzeitpixeln subsumiert werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Eigenschaften eines Lichtlaufzeitspixels, insbesondere für sehr kleine Pixel zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitpixel gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitpixel vorgesehen, mit Modulationsgates und
Integrationsknoten , die an einer Oberseite eines photoempfindlichen
Halbleitergebiets angeordnet sind,
wobei das photoempfindliche Halbleitergebiet als N-Epitaxie ausgebildet ist, und seitlich und/oder an seinen Ecken von p-dotierten vertikalen p-Strukturen begrenzt ist,
wobei an einer Unterseite des photoempfindlichen Halbleitergebiets eine vergrabene Schicht mit einer p-Dotierung anschließt,
wobei die vertikalen säulenförmigen p-Strukturen, insbesondere p-Säulen, im elektrischen Kontakt mit der vergrabenen Schicht stehen.
Durch diesen Aufbau ergibt sich in horizontaler Richtung ein alternierender
Dotierungsverlauf, der sich günstig auf das elektrische Potential dergestalt auswirkt, dass photogenerierte Ladungsträger horizontal in Richtung Pixelmitte fokussiert und vertikal in Richtung der Modulationsgates beschleunigt werden. Ferner ist es vorgesehen, dass auf die vergrabene Schicht ein p-dotierter Halbleiterträger folgt, wobei auf diesem Halbleiterträger ein Kontakt für ein
Bezugspotenzial angeordnet ist.
Dies hat gegenüber einem Massekontakt auf der Oberseite des Halbleiters den Vorteil, dass sich über den Vbias-Kontakt auf der Rückseite des Halbleiters das elektrische Feld günstig in Richtung der Modulationsgates und Integrationsknoten einstellt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, an der Oberseite des
Lichtlaufzeitpixels seitlich des photoempfindlichen Bereichs p-dotierte Bereiche anzuordnen, die als p-Wannen ausgebildet sind, wobei die p-Strukturen im
elektrischen Kontakt mit den p-Wannen stehen.
Durch dieses ergibt sich vorteilhaft ein den gesamten photoempfindlichen Bereich umschließende p-Struktur.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorteilhaft vorgesehen, die p-Strukturen an einer Grenzfläche eines Trenches anzuordnen.
Besonders vorteilhaft ist es einen Lichtlaufzeitsensor mit einem Array von Pixeln der vorgenannten Art auszubilden
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
Figur 2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
Figur 3 einen Querschnitt durch einen PMD-Lichtlaufzeitpixel mit Potentialverteilung, Figur 4 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel mit p-Säulen,
Figur 5 ein Lichtlaufzeitpixel mit p-Säulen, die die p-Wanne kontaktieren,
Figur 6 ein Lichtlaufzeitpixel bei dem die p-Säulen in Einzelimplantate aufgebaut sind,
Figur 7 ein Lichtlaufzeitpixel mit p-Säulen an einem Trench,
Figur 8 eine Draufsicht eines Pixels gemäß Figuren 4 - 6 mit im Eckbereich angeordneten p-Säulen,
Figur 9 eine Draufsicht eines Pixels gemäß Figuren 4 - 6 mit einem die N-Epitaxie umschließenden p-Gebiet,
Figur 10 eine Draufsicht eines Pixels gemäß Figur 7,
Figur 11 eine Draufsicht einer Sensorstruktur mit mehreren Pixeln gemäß Figur 8, Figur 12 eine Draufsicht einer Sensorstruktur mit mehreren Pixeln gemäß Figur 9, Figur 13 ein Querschnitt eines Pixels gemäß Figur 4 für eine Rückseitenbeleuchtung.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Figur 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein
Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen
Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.
Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die
Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der
Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die
Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal M0 mit einer Basisphasenlage fo beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase fo des Modulationssignals Mo der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen (pvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von (pvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet. Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Spi mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = fo + (pvar aus. Dieses Signal Spi bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten
Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Df(ίi_) mit einer zweiten Phasenlage P2 = fo + (pVar + Df(ίi_) als Empfangssignal SP2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M0 mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich beispielsweise Infrarot- Leuchtdioden oder Laserdioden. Selbstverständlich sind auch andere
Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals Mo mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal SP2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit ti_ phasenverschoben Df(ίi_) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals Mo in einem ersten Integrationsknoten Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage Mo + 180° in einem zweiten
Integrationsknoten Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Knotens Ga, Gb 104 gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Df(ίi_) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates ModA, ModO, ModB bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels.
Entsprechend der an den Modulationsgates ModA, ModO, ModB angelegten
Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. Die Integrationsknoten können als Gate oder auch als Diode ausgebildet sein. Figur 3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationsknoten Ga abfließen, während das Potenzial gemäß Figur 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach
Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.
In Figur 3a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Knoten Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Integrationsknoten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.
Die grundsätzliche Idee der Erfindung beruht auf dem Konzept der
Ladungskompensation im Kontext bildgebender Sensoren. Alternierende p- und n Gebiete erlauben eine zumindest teilweise Kompensation von Ladungen im Falle der Verarmung. Dadurch ist eine Optimierung des vertikalen Potentialverlaufs auch für kleine Abmessungen des PMD erreichbar.
Fig. 4 illustriert die Grundkonstruktion: Eine N-Epitaxie 100 zur Bereitstellung eines photosensitiven Bereichs für ein PMD-Lichtlaufzeitpixel wird nach allen Seiten (links, rechts, vorn, hinten) von p- dotierten„Säulen“ bzw. vertikalen Dotierungs-Gebieten 105 und nach unten von einer vergrabenen p-dotierten Schicht 102 bzw. horizontalen p-Dotierungsgebiet 102 begrenzt. An der Oberseite der N-Epitaxie 100 sind modulierbare Photogates ModA, ModB sowie Integrationsknoten DiodeA, DiodeB, 104. Ferner ist an der Oberseite des Lichtlaufzeitpixels den photosensitiven Bereich 100 seitlich begrenzend ein p-dotierter Bereich 103, so genannte CMOS p-Wannen 103, angeordnet. Im Gegensatz zum herkömmlichen PMD-Pixel wird das
Bezugspotential nicht an der Oberfläche, sondern an der Unterseite des Bauelements an einem Vbias-Kontakt angelegt. Das Bauelement ist im dargestellten Beispiel auf einem p-dotierten Basiswafer aufgebaut.
Die vertikalen Dotierungs-Gebiete 105 erstrecken sich vertikal unterhalb der p- Wannen 103. Die vertikalen Dotierungs-Gebiete 105 kontaktieren die p-dotierte, vergrabene Schicht 102 und können die N-Epitaxie 100 teilweise oder komplett zur Oberfläche hin umschließen. Wobei in der Ausführung gemäß Figur 4 ein Abstand zwischen den vertikalen Dotierungs-Gebiete 105 und den p-Wannen 103 vorgesehen ist. p-Wanne 103 und die vertikalen Dotierungsgebiete 105 weisen vorzugsweise unterschiedliche Dotierungsstoffkonzentrationen auf.
Durch die in horizontaler Richtung alternierenden Dotiergebiete (p-n-p) ergibt sich bei geeigneter Wahl der Dotierniveaus ein idealer Verlauf des elektrischen Potentials in vertikaler Richtung. Gleichzeitig ist es innerhalb eines Pixels stark in horizontaler Richtung zentriert. Damit erreicht man eine starke horizontale Zentrierung der Photoelektronen bei gleichzeitig hoher vertikaler Drift. An der Oberfläche treffen die Photoelektronen auf die hinlänglich bekannte Ladungsträgerschaukel der
modulierten Photogates ModA, ModB und werden entsprechend der Phasenlage in die Integrationsdioden 104 A und B gelenkt und dort akkumuliert.
Die Dotierung der N- Epitaxie 100 und der einfassenden p- Säulen 105 wird so eingestellt, dass sich der gewünschte Potential- bzw. Feldverlauf einstellt. In der dargestellten Ausführungsform wird an der Rückseite bzw. Unterseite des
Bauelements eine Biasspannung Vbias angelegt.
Neben einem hohen vertikalen Driftfeld erhält man auch eine starke Zentrierung auf die Mitte des Bauelements womit eine deutliche Reduzierung des seitlichen
Übersprechens des Bauelements erzielt wird. Schlussendlich ist man damit in der Lage, auch für kleine PMD- Bauelemente eine hohe Performance zu erzielen.
Figur 5 zeigt eine Variante, bei der die vertikalen Dotierungs-Gebiete 105 die p- Wannen 103 berühren und so eine elektrisch leitende Verbindung zur vergrabenen p-Schicht 102 hersteilen.
Figur 6 zeigt eine Variante, bei der die vertikalen p-Gebiete bzw. Säulen 105 in Form gestapelter Einzelimplantate aufgebaut werden. Vorteilhaft können die
Einzelimplantate und die N-Epitaxie 100 in ihrer Dotierstoffkonzentration so gewählt und aufgebaut werden, dass sich eine zumindest teilweise Ladungskompensation und damit einhergehend eine ideale Potenzialverteilung einstellt. Insbesondere kann die N-Epitaxie 100 vertikal einen Dotierstoffgradienten aufweisen. Beispielsweise kann der Bereich 100b eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweisen als der Bereich 100a. Auch ist ein kontinuierlicher Gradient denkbar, derart, dass die
Dotierstoffkonzentration in vertikaler Richtung mit zunehmenden Abstand von den Modulationsgates ModA, ModB abnimmt.
Figur 7 zeigt einen Aufbau eines vertikalen p-Gebiets in Form einer Passivierung eines Trenches, wie sie beispielsweise zur Unterdrückung eines optischen
Übersprechens / Crosstalks genutzt werden. Um einen Sensor vor unerwünschten Dunkelstrom zu schützen, werden die Seitenwände des Trenches mit einem p- Implant passiviert. Dieses Schutzimplant kann auch als p-Säule bzw. vertikales p- Gebiet genutzt werden.
Figur 8 zeigt eine Draufsicht eines Pixelaufbaus gemäß der Figuren 4 bis 6, bei dem die vertikalen p-Gebiete 105 als p-Säulen an den Eckpunkten des Pixelgrundrisses angeordnet sind. Am Rande des photosensitiven Bereichs 100 verlaufen die CMOS- p-Wannen 103 zur Aufnahme weiterer Halbleiterfunktionen. Bevorzugt aber nicht notwendigerweise weisen die Modulationsgates ModA, ModB eine Ausnehmung auf, in der die integrationsknoten 104 DA, DB bzw. Dioden DiodeA, DiodeB angeordnet sind.
Figur 9 zeigt eine Draufsicht eines Pixelaufbaus gemäß der Figuren 4 bis 6, bei dem die vertikalen p-Gebiete den gesamten Pixelgrundriss umschließen.
Figur 10 zeigt eine Draufsicht eines Pixelaufbaus gemäß Figur 7 mit einer
umlaufenden Grabenisolation 106 und Schutzimplant als p-Gebiet 105.
Figur 11 zeigt einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln gemäß Figur 8, bei denen die p-Säulen 105 im Eckbereich eines Lichtlaufzeitpixels angeordnet sind.
Figur 12 zeigt einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln, bei denen die p-Säulen 105 als vertikale p-Strukturen 105 pixelumlaufend angeordnet sind.
Figur 13 zeigt exemplarisch eine Variante der Ausführung gemäß Figur 4, die als rückseitig beleuchtetes Pixel bzw. als so genannte backside illuminated BSI-Pixel ausgestaltet ist. Die Pixelstruktur ist hierbei typischerweise auf ein weiteres Trägersubstrat 108 aufgebracht worden, wobei das ursprüngliche Trägersubstrat 101 ausgedünnt wurde. Selbstverständlich kann der BSI-Aufbau auch mit den übrigen dargestellten Ausführungsformen realisiert werden.
Bezugszeichen
1 Lichtlaufzeitkamerasystem
10 Beleuchtungsmodul
12 Beleuchtung
20 Empfänger, Lichtlaufzeitkamera
22 Lichtlaufzeitsensor
30 Modulator
35 Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber 40 Objekt
100 N-dotiertes, epitaktisches Gebiet
101 P-dotierter Basiswafer (Bulkwafer)
102 P-dotierte, vergrabene Schicht
103 P- Wanne
104 N+ Diodenimplant
105 P-dotierte Säule
108 Trägersubstrat
f, Df(ίi_) laufzeitbedingte Phasenverschiebungpvar Phasenlage
fo Basisphase
Mo Modulationssignal
p1 erste Phase
p2 zweite Phase
Sp1 Sendesignal mit erster Phase
Sp2 Empfangssignal mit zweiter Phase
Ga, Gb Integrationsknoten
d Objektdistanz
q Ladung

Claims

Patentansprüche
1. Lichtlaufzeitpixel, mit Modulationsgates (ModA, ModO, ModB) und
Integrationsknoten (Ga, Gb), die an einer Oberseite eines photoempfindlichen Halbleitergebiets (100) angeordnet sind,
wobei das photoempfindliche Halbleitergebiet (100) als N-Epitaxie ausgebildet ist,
und seitlich und/oder an seinen Ecken von p-dotierten vertikalen p-Strukturen (105) begrenzt ist,
wobei an einer Unterseite des photoempfindlichen Halbleitergebiets (100) eine vergrabene Schicht (102) mit einer p-Dotierung anschließt,
wobei die vertikalen p-Strukturen (105) im elektrischen Kontakt mit der vergrabenen Schicht (102) stehen.
2. Lichtlaufzeitpixel nach Anspruch 1 , bei dem auf die vergrabene Schicht (102) ein p-dotierter Halbleiterträger (101 ) folgt
und auf diesem Halbleiterträger (101 ) ein Kontakt für ein Bezugspotenzial (Vbias) angeordnet ist.
3. Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an der Oberseite des Lichtlaufzeitpixels seitlich des photoempfindlichen Bereichs (100) p-dotiere Bereiche (103) angeordnet und als p-Wannen ausgebildet sind und die p-Strukturen (105) im elektrischen Kontakt mit den p-Wannen (103) stehen.
4. Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die p- Strukturen (105) an einer Grenzfläche eines Trenches (106) angeordnet sind.
5. Lichtlaufzeitsensor mit einem Lichtlaufzeitpixel nach einem der
vorhergehenden Ansprüche.
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