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 M ₀ 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 (p _var verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von (p _var = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet. Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal S _pi mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = fo + (p _var aus. Dieses Signal S _pi 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 + (p _Va r + Df(ίi_) als Empfangssignal S _P 2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M ₀ mit dem empfangenen Signal S _p 2 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 S _P 2 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 Phasenverschiebungp _var 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