DE102016211053A1 - Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor sowie entsprechender Lichtlaufzeitsensor - Google Patents

Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor sowie entsprechender Lichtlaufzeitsensor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pixelzelle (10) für einen mehrere Pixel aufweisenden Lichtlaufzeitsensor, mit einer Halbleiterbasis (12) und einer eine Modulations- und Akkumulationsstruktur für ein photonisches Mischelement bildenden Strukturierung, wobei die Akkumulationsstruktur zumindest eine pinned Diode (24, 26) aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Lichtlaufzeitsensor und ein entsprechendes Lichtlaufzeitkamerasystem.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Pixelzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Lichtlaufzeitsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Die allgemeine Funktionsweise einer Pixelzelle kann grob wie folgt beschrieben werden: In einer lichtempfindlichen Zone der Pixelzelle werden durch von außen eingestrahltes Licht Ladungsträger (Photoelektronen e–/Löcher h+) erzeugt. In der lichtempfindlichen Zone befindet sich ein Mischerbereich mit einer Modulationsstruktur, der beidseitig von maskierten und insofern lichtunempfindlichen Akkumulationsstrukturen umgeben ist. Die Photoelektronen werden im Mischerbereich entsprechend der von außen angelegten Potentiale an die angrenzenden Akkumulationsstrukturen zugeführt, dort akkumuliert und nach einer Akkumulationsperiode ausgelesen.
  • Die Druckschrift US 2009/0224139 beschreibt eine Pixelzelle für einen mehrere Pixel aufweisenden Lichtlaufzeitsensor (3D-Bildsensor), mit (i) einer Halbleiterbasis und (ii) einer eine Modulations- und Akkumulationsstruktur für ein photonisches Mischelement bildenden Strukturierung der Halbleiterbasis, wobei die Modulationsstruktur hauptsächlich eine pinned Photodiode (PPD) umfasst. Die pinned Photodiode bildet ein moduliertes Driftfeldpixel („modulated drift field pixel“), gehört also zum Modulationsteil der Modulations- und Akkumulationsstruktur. Die Akkumulation von photogenerierten Ladungsträgern erfolgt über „integration gates“ bzw. Akkumulationsstrukturen beiderseits des Modulationsteils. Diese Druckschrift beschreibt weiterhin auch einen 3D-Bildsensor beziehungsweise Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln, der entsprechende Pixelzellen aufweist.
  • Es besteht das ständige Bedürfnis derartige Lichtlaufzeitsensoren beziehungsweise die Pixelzellen derartiger Sensoren zu verbessern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln sowie einen entsprechenden Lichtlaufzeitsensor anzugeben, die sich durch ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis auszeichnen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Sensor ist vorgesehen, dass die Akkumulationsstruktur hauptsächlich aus einer pinned Diode gebildet wird. Dabei werden die photogenerierten Elektronen aus dem Mischerbereich in den angrenzenden pinned Photodioden akkumuliert und über ein Transfer-Gate (TG) dem Ausleseanschluss (FD) zugeführt. Vorteil dieser Anordnung ist es, die Auslese der akkumulierten Ladungen rauscharm zu gestalten. Vorteilhaft kann dazu insbesondere eine korrelierte Doppelabtastung (correlated double sampling, CDS) eingesetzt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Modulations- und Akkumulationsstruktur mehrere Modulationsphotogates (kurz: Modulationsgates) aufweist. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass ein Modulationsteil der Modulations- und Akkumulationsstruktur diese Modulationsphotogates aufweist. Die Modulationsphotogates dienen der Separation beziehungsweise dem Mischen der photogenerierten Ladungsträger. Die Pixelzelle ist also eine Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln wobei bei den einzelnen Pixeln die photogenerierten Ladungsträger mittels Modulationsgates separiert werden, wobei die Ladungsträger jeweils mittels pinned-Dioden gesammelt werden.
  • Photonische Mischelemente mit Modulationsphotogates sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 197 04 496 C2 bekannt, die unter anderem auch eine typische Struktur einer solchen photonischen Mischelementeeinheit, also eines einzelnen Pixels eines derartigen 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 Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln subsumiert werden soll.
  • Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Pixelzelle Ausleseanschlüsse (Floating Diffusion Anschlüsse) auf, wobei jeder der pinned Dioden je ein Ausleseanschluss zugeordnet ist. Über diese Ausleseanschlüsse werden die pinned Dioden ausgelesen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Pixelzelle Transfergates auf, wobei jeder der pinned Dioden je ein Transfergate zugeordnet ist. Über die Transfergates werden die pinned Dioden wahlweise mit den Ausleseanschlüssen leitend verbunden oder von den Ausleseanschlüssen elektrisch getrennt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Pixelzelle weiterhin eine Schaltungsanordnung zum Auslesen der pinned Dioden auf. Die Schaltungsanordnung ist insbesondere eine Auslese-Schaltungsanordnung mit den Ausleseanschluss FD, einem Reset-Transistor RST, einem Source-Follower-Transistor SF und einem Select-Transistor SEL. Derartige Auslese-Schaltungsanordnungen sind für diese Art von Anwendung bekannt und bewährt.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Modulations- und Akkumulationsstruktur eine Hauptachse aufweist, auf der die pinned Dioden angeordnet sind, wobei zumindest eines der Tansfergates und/oder zumindest ein Element der Schaltungsanordnung zum Auslesen der pinned Dioden seitlich außerhalb dieser Hauptachse angeordnet ist. Zumindest ein Element der Schaltungsanordnung zum Auslesen der pinned Dioden ist insbesondere der Reset-Transistor RST. In der Regel liegen neben den pinned Dioden auch die Modulationsphotogates auf dieser Hauptachse. Durch diese Anordnung kann ein großer Bereich der Zelle als Mischerregion genutzt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass diese eine aktive Zone mit photosensitivem Material aufweist. Diese aktive Zone wird bevorzugt von der Halbleiterbasis bereitgestellt.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Pixelzelle weiterhin einen vergrabenen Kanal auf, der im Bereich der Modulationsphotogates zwischen der aktiven Zone beziehungsweise der Mischerregion und der Oberfläche der Pixelzelle angeordnet ist. Dieser vergrabene Kanal unterbindet unerwünschte Interaktionen der photogenerierten Ladungsträger mit der Oberfläche der Pixelzelle.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln, der ein photonisches Mischelement umfasst und je eine Pixelzelle pro Pixel aufweist, ist vorgesehen, dass jede der Pixelzellen oder zumindest eine oder mehrere der Pixelzellen als vorstehend genannte Pixelzelle(n) ausgebildet ist/sind.
  • 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 Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln subsumiert werden soll.
  • Bevorzugt weist der Sensor weiterhin eine gemeinsame Halbleiterbasis der Pixelzellen auf.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem Lichtlaufzeitsensor der vorstehend genannten Art. Derartige Lichtlaufzeitkamerasysteme betreffen insbesondere alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der DE 197 04 496 C2 beschrieben und von der Firma 'ifm electronic GmbH’ oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
  • 1 eine Pixelzelle für einen mehrere Pixel aufweisenden Lichtlaufzeitsensor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 eine Abwandlung der Pixelzelle der 1 in einer Draufsicht,
  • 3 die Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 die Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 5 die Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
  • 6 die Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Pixelzelle 10 bzw. ein PMD-Pixel für einen Lichtlaufzeitsensor. Die Pixelzelle 10 weist eine (im Wesentlichen p-dotierte Silizium-)Halbleiterbasis 12 und eine eine Modulations- und Akkumulationsstruktur 16, 18, 20 bildende Strukturierung an der Oberfläche der Basis 12 auf. Die Modulations- und Akkumulationsstruktur 16, 18, 20 weist ihrerseits einen zentralen Modulationsteil 16 und zwei den Modulationsteil 16 beidseitig umgebende Akkumulationsteile 18, 20 auf. Die Akkumulationsteile 18, 20 sind mit einer Maskierung 23 vor einem direkten Lichteinfall geschützt und befinden sich somit in einem lichtunempfindlichen Bereich 21. Der Modulationsteil 16 ist transparent ausgestaltet und bilden einen lichtempfindlichen Bereich 22 des Pixels in dem durch von außen eingestrahltes Licht photogenerierte Ladungsträger (Photoelektronen e–/Löcher h+) erzeugbar sind. Der Modulationsteil 16 weist mehrere (hier drei) Modulationsphotogates A, B, C auf, die insbesondere lichtdurchlässig ausgestaltet sind. Jeder der beiden Akkumulationsteile 18, 20 umfasst je eine pinned Diode 24, 26. In den maskierten Bereichen 21 sind ferner ein Transfergate 28, 30 und einen Ausleseanschluss (FD: Floating Diffusion) 32, 34 zum Auslesen der an den pinnend Dioden 24, 26 akkumulierten Ladungen angeordnet. Jede der pinned Dioden 24, 26 besteht aus einer n-Wanne mit einem p-Implantat an der Oberfläche und entspricht von der Grundstruktur einer „pinned photo diode“, wird erfindungsgemäß jedoch nicht als solche betrieben. Das Potential des p-Implantats ist gleich dem Potential der Halbleiterbasis 12. Jeder der Ausleseanschlüsse 32, 34 ist ein Ausleseanschluss zum Anschluss an eine (in 4 gezeigte) Schaltungsanordnung 40, 42.
  • Es ergibt sich folgende Funktion:
    Licht dringt von Oben in den lichtempfindlichen Bereich der Pixelzelle 10 ein. Durch das von außen eingestrahlte Licht werden in diesem Bereich photogenerierte Ladungsträger erzeugt. Die Ladungsträger werden nun mittels der Modulationsphotogates A, B, C des Modulationsteils 16 in Richtung der pinned Dioden 24, 26, der Akkumulationsstruktur bewegt. Die Ladungsträger werden in den pinned Dioden 24, 26 gesammelt und anschließend über die schaltbaren Transfergates 28, 30 zu den Ausleseanschlüssen 32, 34 geleitet und über diese Ausleseanschlüsse 32, 34 dann ausgelesen.
  • Die pinned Dioden zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur eine fest definierte Menge an Ladungen aufnehmen können und im Falle der Auslese vollständig entleert werden können. Weiterhin wird durch das P-Implantat erreicht, dass die Akkumulation von Ladungen räumlich von der Oberfläche entkoppelt wird. Diese Eigenschaften führen beispielsweise mit Hilfe von korrelierter Doppelabtastung zu einer rauschminimierte Auslese.
  • In den weiteren Figuren wurde der Übersicht halber die Maskierung 23 der Akkumulationsteile 18, 20 nicht eingezeichnet. Grundsätzlich sind auch in den weiteren Ausführungsformen alle Akkumulationsteile 18, 20 als auch Schaltungsanordnungen maskiert und nur der Modulationsteil 16 unmaskiert und lichtempfindlich.
  • Die Maskierung 23 weist typischerweise einen Isolator und eine lichtdichte Beschichtung auf und kann beispielsweise als lichtdicht metallisierte SiO2-Schicht aufgebaut sein. Schematisch ist in 1 die Isolationsschicht der Maskierung 23 schraffiert und die lichtdichte Beschichtung geschwärzt dargestellt.
  • Die 2 zeigt eine Abwandlung der in 1 gezeigten Pixelzelle 10 in einer Draufsicht. Dabei ist gut erkennbar, dass die gezeigte Struktur eine Hauptachse 44 aufweist, auf der die Akkumulations- bzw. Modulationsteile 18, 20, 16 bzw. die pinned Dioden 24, 26 sowie die einzelnen Modulationsgates A, B, C aufgereiht angeordnet sind. Um nun einen großen Bereich einer Pixelzeile als lichtempfindliche Zone 22 beziehungsweise als Mischerregion nutzen zu können, sind die Tansfergates 28, 30 sowie die Reset-Transistoren RST der Schaltungsanordnungen 40, 42 zum Auslesen der pinned Dioden seitlich außerhalb dieser Hauptachse 44 auf der Basis 12 angeordnet. Eine derartige Pixelzelle 10 ist also Füllfaktor-optimiert.
  • In den 3–6 sind weitere Ausführungsformen der Pixelzelle 10 eines mehrere Pixel aufweisenden Lichtlaufzeitsensors gezeigt, die den Ausführungsformen der 1 und 2 im Wesentlichen entsprechen, sodass im Weiteren nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
  • Die 3 zeigt eine Ausführungsform der Pixelzelle 10, bei der ein vergrabener n-dotierter Kanal (BC: burried channel) 46 unterhalb der Modulationsphotogates A, B, C angeordnet ist. Dieser Kanal 46 unterbindet unerwünschte Interaktionen der photogenerierten Ladungsträger den Modulationsphotogates A, B, C bzw. mit der Oberfläche der Zelle 10.
  • Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Pixelzelle 10, die die zwei bereits erwähnten Schaltungsanordnungen 40, 42 zum Auslesen der pinned Dioden 24, 26 zeigt. Jede der Schaltungsanordnungen 40, 42 ist eine prinzipiell bekannte Auslese-Schaltungsanordnung mit einem Reset-Transistor RST, einem Source-Follower-Transistor SF und einem Select-Transistor SEL. Die Schaltungsanordnungen 40, 42 der einzelnen Pixelzellen 10 des Lichtlaufzeitsensors sind dann über entsprechende Leitungen BUS miteinander vernetzt. Die gezeigte Pixelzelle 10 weist weiterhin nur zwei Modulationsphotogates A, B auf.
  • Die 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Pixelzelle 10, bei der zwischen dem Modulationsteil 16 mit den Modulationsphotogates A, B, C und den den Modulationsteil 16 umgebenden pinned Dioden 24, 26 je ein Separationsgate 48, 50 angeordnet ist. Derartige Separationsgates 48, 50 sind im Zusammenhang mit Pixelzellen 10 von Lichtlaufzeitsensoren prinzipiell bekannt. Sie sind statische Gates, die eine Entkopplung der Modulationsgates A, B zu den pinned Dioden 24, 26 vornehmen. Diese Anordnung verhindert zusätzlich ein Übersprechen des Modulationssignals auf die pinned Dioden 24, 26. Auch bei dieser Ausführungsform ist ein vergrabener Kanal (BC: burried channel) 46 unterhalb der Modulationsphotogates A, B, C angeordnet.
  • Die 6 zeigt schließlich eine Variante der in 5 gezeigten Pixelzelle 10, bei der wieder Separationsgates 48, 50, jedoch nur zwei Modulationsphotogates A, B vorgesehen sind.
  • Eine Hauptanwendung für derartige Lichtlaufzeitsensoren sind Lichtlaufzeitkamerasysteme.
  • Im Folgenden seien Ausführungsformen der Erfindung noch einmal mit anderen Worten beschrieben:
    In den 1 bis 6 sind Pixel wenigstens ein Pixel umfassenden Lichtlaufzeitsensors dargestellt, wobei bei dem jeweiligen Pixel die photogenerierten Ladungsträger mittels Modulationsgates A, B, C separiert und jeweils mittels pinned Dioden 24, 26 gesammelt werden.
  • Die Erfindung betrifft dementsprechend einen Lichtlaufzeitsensor mit wenigstens einem Pixel wobei bei den einzelnen Pixel die photogenerierten Ladungsträger mittels Modulationsgates A, B, C separiert und jeweils mittels pinned Dioden 24, 26 gesammelt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Pixelzelle
    12
    Halbleiterbasis
    16
    Modulationsteil
    18
    Akkumulationsteil
    20
    Akkumulationsteil
    21
    maskierter, lichtunempfindlicher Bereich
    22
    lichtempfindlicher Bereich
    23
    Maskierung
    24
    pinned Diode
    26
    pinned Diode
    28
    Transfergate (TG)
    30
    Transfergate (TG)
    32
    Ausleseanschluss (FD: floating diffusion)
    34
    Ausleseanschluss (FD: floating diffusion)
    36 38 40
    Schaltungsanordnung
    42
    Schaltungsanordnung
    44
    Hauptachse
    46
    Kanal, vergraben
    48
    Separationsgate
    50
    Separationsgate
    A
    Modulationsphotogate
    B
    Modulationsphotogate
    C
    Modulationsphotogate
    RST
    reset transistor
    SF
    source follower
    SEL
    select transistor
    BUS
    Leitung
  • 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
    • US 2009/0224139 [0003]
    • DE 19704496 C2 [0009, 0019]

Claims (9)

  1. Pixelzelle (10) für einen Lichtlaufzeitsensor, mit einer Modulations- und Akkumulationsstruktur (16, 18, 20), die ein photonisches Mischelement (10) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulationsstruktur (18, 20) mehrere pinned Dioden (24, 26) zur Akkumulation von Ladungsträgern in einem maskierten Pixelbereich (21) aufweist.
  2. Pixelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsstruktur (16) mehrere Modulationsphotogates (A, B, C) aufweist.
  3. Pixelzelle nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Ausleseanschlüsse (32, 34), wobei jeder der pinned Dioden (24, 26) je ein Ausleseanschluss (32, 34) zugeordnet ist.
  4. Pixelzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Transfergates (28, 30), wobei jeder der pinned Dioden (24, 26) je ein Transfergate (28, 30) zugeordnet ist.
  5. Pixelzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch je eine Schaltungsanordnung (40, 42) zum Auslesen der pinned Dioden (24, 26).
  6. Pixelzelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulations- und Akkumulationsstruktur (16, 18, 20) eine Hauptachse (44) aufweist, auf der die pinned Dioden (24, 26) angeordnet sind, wobei zumindest eines der Tansfergates (28, 30) und/oder zumindest ein Element (RST) der Schaltungsanordnung (40, 42) zum Auslesen der pinned Dioden (24, 26) seitlich außerhalb dieser Hauptachse (44) angeordnet ist.
  7. Pixelzelle nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen vergrabenen Kanal (46), der im Bereich der Modulationsphotogates (A, B, C) unter der Oberfläche der Pixelzelle (10) angeordnet ist.
  8. Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln, der je eine Pixelzelle (10) pro Pixel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Pixelzellen (10) oder zumindest eine der Pixelzellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
  9. Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem als Lichtlaufzeitsensor ausgebildeten Sensor nach Anspruch 8.
DE102016211053.5A 2015-06-22 2016-06-21 Pixelzelle für einen Lichtlaufzeitsensor sowie entsprechender Lichtlaufzeitsensor Ceased DE102016211053A1 (de)

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