CN112673275B - 光传播时间像素及具有对应的像素的光传播时间传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光传播时间像素，包括布置在光敏半导体区(100)的上表面上的调制栅极(ModA、Mod0、ModB)和集成节点(Ga、Gb)。光敏半导体区(100)被设计为N外延并且由p掺杂的垂直p结构(105)横向地和/或在角处界定。具有p掺杂的掩埋层(102)邻接光敏半导体区(100)的下表面，并且垂直结构(105)与掩埋层(102)电接触。
Description
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的光传播时间像素和光传播时间传感器。
背景技术
光传播时间像素例如从文件DE19704496C2已知，其除了其他之外还示出了这种光子混合元件的典型结构，即光子混合器的单个像素的典型结构。光子混合检测器或PMD传感器(PMD：Photonic Mixing Device，光子混合装置)意味着光学传感器，该光学传感器的功能原理是基于飞行时间方法(TOF：Time of Flight，飞行时间)，并且，结合本发明，将被包括在术语光传播时间像素或包括若干光传播时间像素的光传播时间传感器之下。
发明内容
本发明的目的是改进光传播时间像素的特性，特别是对于非常小的像素。
该目的是通过根据本发明的光传播时间像素来实现的。本发明的有利实施例在从属权利要求中指定。
有利地，提供了一种光传播时间像素，包括设置在光敏半导体区的顶侧处的调制栅极和集成节点，
其中，所述光敏半导体区形成为n外延并且横向地和/或在其由p掺杂的垂直p结构界定的角处形成，
其中，在所述光敏半导体区的底侧，邻接具有p掺杂的掩埋层，
其中，所述垂直柱状p结构(具体为p列)与所述掩埋层电接触。
这种结构导致水平方向上的交替掺杂过程，这对电势具有有利的影响，其方式为使得光子生成载流子在像素中心的方向上水平聚焦并且在调制栅极的方向上垂直加速。
进一步提供的是，掩埋层之后是p掺杂的半导体载体，其中，在这个半导体载体上布置用于参考电势的接触。
与半导体的顶侧上的地接触相比，这具有以下优点：经由半导体的背侧上的Vbias接触在调制栅极和集成节点的方向上有利地设置电场。
在进一步的实施例中，提供了在所述光传播时间像素的顶侧上横向于所述光敏区布置p掺杂区，其中，p掺杂区域设计为p阱，其中，所述p结构与所述p阱电接触。
这有利地导致围绕整个光敏区的p结构。
在另一实施例中，有利地提供将P结构布置在沟槽的界面处。
特别有利的是利用上述类型的像素阵列来配置光传播时间传感器。
附图说明
下面参考附图基于示例性实施例更详细地解释本发明。
在附图中：
图1示意性地示出光传播时间摄像机***；
图2示出了所生成的电荷载流子的调制积分；
图3示出了穿过具有电势分布的PMD光传播时间像素的横截面；
图4示出了根据本发明的具有p列的光传播时间像素；
图5示出了具有接触p阱的p列的光传播时间像素；
图6示出了光穿过时间像素，其中在单独的植入物中构建p列；
图7示出了在沟槽上具有p列的光传播时间像素；
图8示出了根据图4至图6的像素的平面图，其中p列布置在角区域中；
图9示出了根据图4至图6的像素的平面图，其中p区包围n外延；
图10示出了根据图7的像素的顶视图；
图11示出了根据图8的具有若干像素的传感器结构的顶视图；
图12示出了根据图9的具有若干像素的传感器结构的顶视图；以及
图13示出了根据图4的用于背面照明的像素的横截面。
具体实施方式
在优选实施例的以下描述中，相同的附图标记表示相同或相当的部件。
图1示出了使用光传播时间摄像机的光学距离测量的测量情况，如从DE 197 04496 A1中已知的。
光传播时间摄像机***1包括传输单元或照明模块10以及接收单元或光传播时间摄像机20，该传输单元或照明模块10具有照明器12和相关联的光束整形光学器件15，该接收单元或光传播时间摄像机20包括接收光学器件25和光传播时间传感器22。
光传播时间传感器22包括至少一个光传播时间像素，优选地像素阵列，并且具体地被配置为PMD传感器。接收光学器件25通常由几个光学元件组成，以改进成像特性。例如，传输单元10的光束整形光学器件15可以被设计为反射器或透镜光学器件。在非常简单的实施例中，可以可选地省略在接收侧和传输侧两者上的光学元件。
这种安排的测量原理基本上基于以下事实：基于发射光和接收光的相移，可以确定传播时间并且因此可以确定被接收光覆盖的距离。为此目的，光源12和光传播时间传感器22经由调制器30被共同地供应具有基相的某个调制信号M0。在所示的示例中，此外，在调制器30与光源12之间提供了移相器35，通过该移相器35可以将光源12的调制信号M0的基相/>移位限定的相位调整/>对于典型的相位测量，优选使用/>90°、180°、270°的相位。
根据所设定的调制信号，光源12发射具有第一相位p1或的强度调制信号Sp1。在所示出的情况下，此信号Sp1或电磁辐射由物体40反射并且由于行进的距离而撞击到光传播时间传感器22上，该行进的距离相应地以具有第二相位/>的相移/>作为接收信号Sp2。在光传播时间传感器22中，调制信号M0与接收的信号Sp2混合，其中，从所产生的信号中确相位移或物体距离d。
例如，红外发光二极管或激光二极管适合作为照明源或光源12。当然，可以想到其他频率范围内的其他发射源，特别是可见频率范围内的光源是可能的。
在图2中示意性地示出了相位测量的基本原理。上部曲线示出了调制信号M0的时间轮廓，光源12和光传播时间传感器22通过该时间轮廓被驱动。由物体40反射的光撞击到光传播时间传感器22上作为接收信号SP2，该接收信号SP2具有与其光传播时间tL相对应的相移光传播时间传感器22在第一集成节点Ga中的调制信号M0的相位和在第二集成节点Gb中的移位180°的相位M0+180°中在若干调制周期内累积光子生成电荷q。可以根据在第一和第二节点Ga、Gb 104中累积的电荷qa、qb的比率来确定相移/>以及因此的物体的距离d。
图3示出了穿过例如从DE19704496C2中已知的光子混合检测器的像素的横截面。调制光栅极ModA、Mod0、ModB形成PMD像素的光敏区。根据施加到调制栅极ModA、Mod0、ModB的电压，光子生成电荷q被引导到累积栅极或集成节点Ga、Gb中的一个或另一个。集成节点可以被配置为栅极或二极管。
图3b)示出了电荷q沿第一积分节点Ga的方向流动的电势分布，而根据图3c)的电势允许电荷q沿第二积分节点Gb的方向流动。根据施加的调制信号指定电势。取决于应用，调制频率优选地在从1至100MHz的范围内。例如，对于1MHz的调制频率，产生1微秒的周期持续时间，使得调制电势每500纳秒相应地改变。
图3a)示出读出单元400，该读出单元400可选地已经是配置为CMOS的PMD光传播时间传感器的一部分。被配置为电容或二极管的集成节点Ga、Gb在大量调制周期内集成光子生成电荷。以已知的方式，然后可以例如经由读出单元400以高阻抗分接在节点Ga、Gb处提供的电压。积分时间应优选地被选择成使得光传播时间传感器或积分节点和/或光敏区对于预期光的量不会变得饱和。
本发明的基本构思基于在成像传感器的背景中的电荷补偿的概念。交替的p区和n区允许在耗尽的情况下至少部分补偿电荷。这使得甚至对于小的PMD尺寸也可以优化垂直电势分布。
图4示出了基本构造：用于为PMD光传播时间像素提供光敏区的n外延100由P掺杂“列”或垂直掺杂区域105限定到所有侧(左、右、前、后)并且由掩埋p掺杂层102或水平p掺杂区域102限定到底部。在n外延100的顶侧，设置可调制光电门ModA、ModB和集成节点二极管A、二极管B、104。此外，在光传播时间像素的顶侧，布置了横向地界定光敏区100的p掺杂区域103(所谓的CMOS p阱103)。与常规PMD像素相比，参考电势不施加在Vbias接触处的部件的顶侧，而是施加在底侧。在示出的示例中，部件建立在p掺杂的基础晶圆上。
垂直掺杂区域105在P阱103下方垂直延伸。垂直掺杂区域105与P掺杂掩埋层102接触，并且可以朝向表面部分地或完全地包围n外延100。在根据图4的实施例中，在垂直掺杂区105和P阱103之间提供距离。P阱103和垂直掺杂区域105优选地具有不同的掺杂剂浓度。
通过在水平方向上交替并且具有掺杂水平的适当选择的掺杂区域(p-n-p)，获得了垂直方向上的电势的理想分布。同时，它在像素内在水平方向上强烈居中。以此方式，实现了光电子的强水平居中，同时实现高垂直漂移。在表面处，光电子撞击到调制的光电门ModA、ModB的公知的电荷载流子摆动上，并且根据相位被引导到集成二极管104A和104B中，并且在那里累积。
以建立期望的电势或场分布的方式设置n外延100和周围的p柱105的掺杂。在所示实施例中，偏置电压Vbias被施加在部件的后侧或底侧。
此外，除了高的垂直漂移场之外，实现了在该部件的中心上的一个强的定中心，这显著地降低了该部件的横向串扰。最终，这使得甚至对于小的PMD部件也能够实现高性能。
图5示出了其中垂直掺杂区域105接触P阱103并因此建立到掩埋P层102的导电连接的变形。
图6示出其中垂直p区或列105以堆叠的单独植入物的形式构建的变形。可以有利地选择单独注入和n外延100并且建立其掺杂浓度，使得建立至少部分电荷补偿以及因此的理想电势分布。具体地，n外延100可以在垂直方向上具有掺杂剂梯度。例如，区域100b可以具有比区域100a更高的掺杂剂浓度。此外，可以想到连续梯度，使得掺杂剂浓度在垂直方向上随着距调制栅极ModA、ModB的距离增加而减小。
图7示出了诸如采用沟槽的钝化形式的垂直p区的结构，例如以抑制光学串扰。为了保护传感器免受不期望的暗电流，沟槽的侧壁利用p植入物来钝化。这种保护性植入物也可以用作p柱或垂直p区。
图8示出了根据图4至6的像素结构的顶视图，其中垂直p区105被布置为在像素轮廓的角点处的p列。用于容纳进一步半导体功能的CMOS p阱103在光敏区100的边缘处延伸。优选地，但不必要，调制栅极ModA、ModB包括凹部，集成节点104DA、DB或二极管A、二极管B布置在该凹部中。
图9示出根据图4至6的像素结构的平面图，其中垂直p区包围整个像素轮廓。
图10示出根据图7的像素结构的顶视图，其中圆周沟槽隔离106和保护性植入物作为p区105。
图11示出包括根据图8的若干像素的光传播时间传感器，其中p列105布置在光传播时间像素的角区域中。
图12示出包括多个像素的光传播时间传感器，其中p列105布置为围绕像素的垂直p结构105。
图13示例性示出根据图4的实施例的变形，其被配置为所谓的背侧照明BSI像素。在此情况下，像素结构通常已施加到另一载体衬底108上，其中原始载体衬底101已变薄。当然，BSI结构也可以利用其他示出的实施例来实现。
附图标记
1 光传播时间摄像机***
10 照明模块
12 光源
20 接收器、光传播时间摄像机
22 光传播时间传感器
30 调制器
35 移相器、照明移相器
40 物体
100 n掺杂的外延区
101 p掺杂的基础晶圆(块状晶圆)
102 p掺杂掩埋层
103 p阱
104 n+二极管植入物
105 p掺杂柱
108 载体衬底
传播时间相关相移
相位调整
基相
M0 调制信号
p1 第一相位
p2 第二相位
Sp1 具有第一相位的传输信号
Sp2 具有第二相位的接收信号
Ga、Gb 集成节点
d 物体距离
q 电荷
Claims (5)
1.光传播时间像素，包括设置在光敏半导体区(100)的顶侧处的调制栅极(ModA、Mod0、ModB)和集成节点(Ga、Gb)，
其中，所述光敏半导体区(100)形成为n外延，并且所述光敏半导体区(100)被p掺杂垂直p结构(105)横向地界定和/或所述光敏半导体区(100)在其角处被p掺杂垂直p结构(105)界定，
其中，具有p掺杂的掩埋层(102)邻接所述光敏半导体区(100)的底侧，
其中所述垂直p结构(105)与所述掩埋层(102)电接触。
2.根据权利要求1所述的光传播时间像素，其中，所述掩埋层(102)之后是p掺杂半导体载体(101)，并且在所述半导体载体(101)上布置用于参考电势(Vbias)的接触。
3.根据权利要求1或2所述的光传播时间像素，其中，在所述光传播时间像素的顶侧上，横向于所述光敏半导体区(100)布置p掺杂区(103)并且配置为p阱，以及所述p结构(105)与所述p阱电接触。
4.根据权利要求1或2所述的光传播时间像素，其中，所述p结构(105)布置在沟槽(106)的界面处。
5.光传播时间传感器，包括根据权利要求1至4中任一项所述的光传播时间像素。
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