Das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitpixel betrifft 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 19704496 C2 beschrieben sind. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein.

Es zeigen schematisch,

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Aufbau,

Figur 2 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Aufbaus,

Figur 3 einen Querschnitt und eine Potenzialverteilung des erfindungsgemäßen Aufbaus.

Kernidee der Erfindung ist, ein Lichtlaufzeitpixel mit modifiziertem Transferbereich zwischen Mischer- und Speicherbereich vorzusehen, der durch die Modulationsgatespannung selbst aufgesteuert bzw. gesperrt werden kann. Die vorgeschlagene Konstruktion des Sensorelements ermöglicht die Demodulation und Abführung von gewünschten photogenerierten Ladungsträgern in den Ladungsspeicher und die gezielte Abführung unerwünschter photogenerierter Ladungsträger in einen Verwerfknoten. Dies wird anhand definierter Spannungspegel an den Photogates realisiert. Durch die Kombination verschiedener Funktionen auf das Photogate wird eine deutliche Reduzierung des Platzbedarfs erreicht.

Die in der Absorberschicht photogenerierten Ladungsträger werden je nach Bedarf in ein Speichergebiet geführt und dort für die Auslese zwischengespeichert, oder in einen Verwerfknoten in Form einer Diode geführt und damit verworfen. Durch Verwendung spezieller Implants unter den Photogates GA und GB im Übergang von Mischer- zum Speicherbereich wird ein steuerbarer Widerstand (Transferbereich TA/TB) implementiert. Dieser steuerbare Widerstand kann als integrierter Transistor betrachtet werden, mit dem der Zugang zum Speicherbereich aktiv aufgesteuert oder gesperrt werden kann.

Damit ist mit der vorliegenden Erfindung ein sehr schneller Wechsel zwischen Speicherung und Verwerfen der Ladungsträger bei gleichzeitig minimalem Platzbedarf für die Photogates möglich. Entspricht die Spannung an den Modulationsgates der Modulationsspannung (Vmod,high oder Vmod, low) werden die Ladungsträger entsprechend der Ladungsträgerschaukel in die Speichergebiete geleitet. Durch Anlegen des hohen Potentials (Vmod, high) wird gleichzeitig der vorliegende Transferbereich unter dem Modulationsgate aufgesteuert (niederohmig). Durch Anlegen eines geringen Potentials (Vmod, low) bleibt der entsprechende Transferbereich unter dem Modulationsgate geschlossen (hochohmig) und verhindert damit das Sammeln der Ladungsträger in den Speicherknoten. Wird an beiden Modulationsgates ein geringes/hohes Potential (geringer als oder gleich wie Vmod, low/ höher als Vmod, high) angelegt werden die photogenerierten Elektronen in Richtung Draindiode abgeführt und damit verworfen. Damit ist es möglich über eine frei wählbare Dauer Lichtpulse aktiv auszublenden (sog. pulse skipping).

Der prinizipielle Aufbau ist in Figur 1 dargestellt. Das Pixel baut sich aus folgenden Bestandteile auf:

• eine aktive Siliziumfläche innerhalb von STI

• Gestrichelte eingerahmte Fläche: Polysiliziumgates

• Schraffierte Fläche: lokal begrenzter Bereich unter Polysiliziumgates, die die vorliegende Erfindung beschreibt.

Die Komponenten sind wie folgt bezeichnet:

• DA / DB= Integrationsdiode, Diode über die die Ladungen ausgelesen werden.

• DD= Draindiode, Verwerfknoten

• GA / GB= Polysiliziumgate über photoaktivem Bereich zur gezielten Auslenkung von photogenerierten Ladungsträgern

• SGA / SGB= Polysiliziumgate als Speichergate ausgeführt, zur Zwischenspeicherung von photogenerierten Ladungsträgern

• DG= Draingate, Polysiliziumgate und Teil des Verwerfknotens

• TA / TB= Transferbereich und steuerbarer Widerstand im Übergang von Mischerbereich zum Speicherbereich.

Auf einem Halbleitersubstrat werden zwei Photogates GA und GB aufgebracht, die den photoaktiven Mischerbereich abdecken und photogenerierte Ladungsträger in die angrenzenden Speicherbereiche SGA/SGB lenken. In vertikaler Richtung befindet sich das Draingate (DG), welches den Mischerbereich direkt mit der Draindiode DD (Verwerfknoten) verbindet. Der steuerbare Transferbereich TA, TB der Photogates GA/GB, welcher an den Speicherbereichen SGA und SGB grenzt, werden derart dotiert, dass in diesen Transferbereichen TA, TB ein steuerbarer Widerstand entsteht. Der so entstehende steuerbare Widerstand im Transferbereich TA, TB zwischen Photogates GA, GB und Speicherbereich SGA, SGB kann als integrierter Transistor betrachtet werden. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild ist in Figur 2 gezeigt.

Dieser integrierte Transistor wird so eingestellt, dass der Kanal durch die angelegte Modulationsgatespannung entweder aufgesteuert (Photoelektronen werden in den Speicherbereich transferiert), oder gesperrt wird (Photoelektronen werden nicht in den Speicherbereich transferiert). Der Implant zur Definition des Transferbereichs kann entweder als n- oder p-lmplant ausgeführt werden. Die Dotierkonzentration, Implantationstiefe und lokale Ausdehnung des Implants muss derart eingestellt werden, dass in Abhängigkeit der anliegenden Modulationsspannung der Transferbereich öffnet oder schließt und ist vom individuellen Layout des Pixels abhängig.

Die Modulationsgates haben somit zwei wesentliche Funktionen: Einerseits die Demodulation der photogenerierten Ladungsträger und andererseits das Öffnen und Sperren des im Grenzbereich zum Speicherbereich SG integrierten Transferbereichs TA, TB. Für Letzteres ist grundsätzlich keine zusätzliche Spannung notwendig. Für die Demodulation und das Aufsteuern bzw. Sperren des Transferbereichs können ausschließlich die Modulationsspannungen verwendet werden. Die Verwendung dedizierter Gates für das Öffnen und Sperren des Speicherbereichs ist damit nicht notwendig, womit eine platzsparende Alternative zu bekannten Designs vorgestellt wird. Es gilt grundsätzlich:

Ron « Rdrain « Roff

Die Möglichkeit die Zugänge zu den Speicherbereichen SGA und SGB zu sperren, und damit während des Betriebs die Sammlung photogenierter Ladungsträger vollständig zu unterbinden, ermöglicht es darüber hinaus zeitlich definiert, photogenierte Ladungsträger zu verwerfen, d.h. diese in einen Verwerfknoten zu führen. Ein solcher Verwerfknoten bildet das Draingate DG und die Draindiode DD die auf einem definierten Potential gehalten werden. Der Aufbau ist sowohl für eine Vorderseitenbeleuchtung als auch für eine Rückseitenbeleuchtung des Pixels anwendbar.

Figur 2 zeigt das Ersatzschaltbild der vorgeschlagenen Erfindung. Die Teilbereiche TA, TB der Photogates GA, GB können als Transistor betrachtet werden, die durch die Modulationsgatespannung hoch- bzw. niederohmig geschaltet werden können. Source und Drain des Transistors entsprechen dem photoaktiven Bereich unter GA/GB und dem Speicherbereich unter SGA/SGB. Der Verwerfknoten (Draingate und Draindiode) entspricht in diesem Schaubild einem festen Widerstand, da die DD- und DG-Spannungen während der Integration nicht variiert werden. Die folgenden Bedingungen bezüglich der Widerstände gelten während der Nutzung R(TA,TB) _on « Rdrain ^<< R(TA,TB)off.

Figur 3 zeigt den Potentialverlauf für die zwei Phasen Integration (Sammlung von photogenerierten Ladungsträgern unter SGA/SGB) und Hold/Drain (keine Sammlung unter SGA/SGB) für die Schnitte quer durch GA/GB in Richtung SGA/SGB und vertikal durch DG. Im Folgenden soll anhand der Potentialverläufe die grundlegende Funktionalität beschrieben werden.

Während der Integration werden die Modulationsgates mit der Modulationsspannung betrieben. Dabei wird bei hoher Spannung (Vmod,high) ein durch spezielle Implants vorliegender Transferbereich / integrierter Transistor (TA/TB) unter dem Modgate (an der Grenze zum Speichergate SG) aufgesteuert (in Figur 3 für Bereich TB dargestellt, R(TB) niederohmig). Damit öffnet sich ein Kanal, in dem die photogenerierten Ladungsträger in das Speichergebiet transferiert werden können. Gleichzeit bleibt bei niedriger Modulationsgatespannung (Vmodjow) der Transistorkanal gesperrt und verhindert damit, dass photogenierierter Ladungsträger in den Kanal gelangen bzw. in das Speichergebiet abgeführt werden (in Figur 3 für Bereich TA dargestellt, R(TA) hochohmig). Durch das Aufsteuern und Sperren des unter den Modulationsgates integrierten Transistors kann maßgeblich der Demodulationskontrast gesteigert werden.

Gleichzeitig bleibt während der Integration das Draingate auf mittlerem Potential. Das Potential wird so eingestellt, dass bei der Demodulation und Abführung der Ladungsträger in die Speichergebiete vernachlässigbar wenige Ladungsträger in die Draindiode gelangen (siehe Figur 3 Querschnitt).

Im Haltemodus werden beide Photogates GA und GB auf niedrigem Potential gehalten. Die Transferbereiche von TA/TB unter den Modulationsgates bleiben entsprechend gesperrt, womit verhindert wird, dass photogenerierte Ladungsträger in die Speicherbereiche gelangen (siehe Figur 3, Drain/Hold). Das Draingate bleibt wie bei der Integration auf mittlerem Potential und ermöglicht durch die Verbindung des Mischerbereichs mit der Draindiode die Abführung der überschüssigen Ladungsträger. Ein Schalten des Draingates ist nicht notwendig, da die Abführung von Ladungsträgern in die Speicherbereiche ausgeschlossen wird (siehe Abbildung 3 Querschnitt). Dieser Modus findet Anwendung in der gezielten Abführung von photogenerierten Ladungsträgern während der Integration (sog. Pulse skipping, d.h. gezieltes Ausblenden von detektiertem Licht). Gleichzeitig lässt dieser Aufbau das Verwerfen von Ladungsträgern während der Matrixauslese zu, womit die Funktionalität nach dem Prinzip der korrelierten Doppelabtastung (correlated double sampling, CDS) bei gleichzeitiger globaler elektronischer Blende (global shutter, GS) ermöglicht wird. Das Schalten der Modulationsgates erfolgt bei hoher Frequenz, womit ein schneller Wechsel zwischen der Integration und dem Drain/Hold-Fall möglich ist, ohne das zusätzliche Signale benötigt werden.