本發(fā)明涉及一種tof距離傳感器，具有像素區(qū)。

背景技術(shù)：

由現(xiàn)有技術(shù)已知了tof(飛行時間)距離傳感器，其探測發(fā)出到物體上的且由該物體反射的、經(jīng)調(diào)制的光的相移并由此推導(dǎo)出到物體的距離。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提供一種改進(jìn)的距離傳感器。

該目的——從開頭所述類型的距離傳感器出發(fā)——通過根據(jù)權(quán)利要求1的距離傳感器實現(xiàn)。有利的設(shè)計方案在另外的從屬權(quán)利要求中給出。

根據(jù)本發(fā)明的距離傳感器是一種tof距離傳感器，用于檢測到物體的距離，通過接收由物體反射的輻射，該輻射來自利用調(diào)制頻率調(diào)制的發(fā)射源。其具有像素矩陣，用于記錄像素圖像。該像素矩陣由解調(diào)像素組成，該解調(diào)像素用于在背面接收輻射。解調(diào)像素具有轉(zhuǎn)換區(qū)域，用于從接收到的輻射產(chǎn)生載流子，以及分隔器件，用于根據(jù)調(diào)制頻率分隔載流子，以及屏障，用于關(guān)于載流子將轉(zhuǎn)換區(qū)域與分隔器件隔離，以及屏障孔，用于使載流子從轉(zhuǎn)換區(qū)域通過進(jìn)入分隔器件中。優(yōu)選地，tof距離傳感器可以這樣設(shè)計，即每至少兩個解調(diào)像素形成公共的屏障孔。

公共的屏障孔可以形成以下優(yōu)點，即解調(diào)像素的靈敏性提高并且距離傳感器更高效。公共的屏障孔也可以具有以下優(yōu)點，即像素尺寸可以設(shè)計得更小。像素矩陣可以形成以下優(yōu)點，產(chǎn)生圖像、特別是3d圖像。

用于在背面接收輻射的解調(diào)像素的設(shè)計方案表明，輻射射入轉(zhuǎn)換區(qū)域中的過程在背對分隔器件和評估區(qū)域的一側(cè)進(jìn)行。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換區(qū)域由薄的、例如50um厚的半導(dǎo)體層形成，該半導(dǎo)體層在其正面上形成例如ccd技術(shù)的分隔器件。

優(yōu)選地，公共的屏障孔形成封閉的周部。

優(yōu)選地，解調(diào)像素分別具有電子的評估區(qū)域，其中，每至少兩個解調(diào)像素形成空間上公共的評估區(qū)域。

這可以形成以下優(yōu)點，即公共的評估區(qū)域的部分可以被共同使用并且因此減少評估區(qū)域的部分。

優(yōu)選地，每四個解調(diào)像素形成公共的屏障孔。優(yōu)選地，每四個解調(diào)像素形成空間上公共的評估區(qū)域。優(yōu)選地，屏障孔和評估區(qū)域形成棋盤圖案。優(yōu)選地，像素矩陣基本上分別關(guān)于公共的屏障孔點對稱。優(yōu)選地，像素矩陣基本上分別關(guān)于公共的評估區(qū)域點對稱。

這可以形成以下優(yōu)點，即在解調(diào)像素下方的區(qū)域中的那些載流子到達(dá)恰好該解調(diào)像素的分隔器件。這可以形成以下優(yōu)點，即載流子關(guān)于單獨的解調(diào)像素保持其位置信息。這可以提高像素矩陣的分辨率。

優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換區(qū)域具有摻雜的基底。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換區(qū)域具有透明的背面電極。優(yōu)選地，基底是半導(dǎo)體基底。優(yōu)選地，基底被弱n-型摻雜。

這可以形成以下優(yōu)點，即轉(zhuǎn)換區(qū)域可以貧化，從而在其中可以通過輻射形成光電效應(yīng)。

優(yōu)選地，分隔器件具有漂移柵/門，其位于基底的頂側(cè)上，用于將載流子從轉(zhuǎn)換區(qū)域吸引到分隔區(qū)域中。優(yōu)選地，漂移柵也可以由多個漂移柵形成，其特別是朝向調(diào)制柵具有越來越強的電勢/電位以吸引載流子。優(yōu)選地，漂移柵可以這樣設(shè)計，即兩個調(diào)制柵可以布置在相對的位置。在必要時漂移柵可以通過該一個或多個調(diào)制柵形成，例如當(dāng)該一個或多個調(diào)制柵被加載類似于漂移柵的額外的、恒定的電勢時。

優(yōu)選地，分隔器件具有至少一個、特別是兩個調(diào)制柵，其位于基底的頂側(cè)上、特別是位于漂移柵的相對位置，用于相應(yīng)于調(diào)制頻率交替地將載流子從漂移柵向調(diào)制柵引導(dǎo)。

優(yōu)選地，分隔器件具有至少一個、特別是兩個存儲柵，其位于基底的頂側(cè)上，分別配屬于一調(diào)制柵或該調(diào)制柵，用于收集向配屬的調(diào)制柵引導(dǎo)的載流子。

優(yōu)選地，分隔器件具有至少一個、特別是兩個傳輸柵，其位于基底的頂側(cè)上，分別配屬于一存儲柵或該存儲柵，用于將在存儲柵上收集的載流子間歇地轉(zhuǎn)送到浮動擴散區(qū)。

優(yōu)選地，分隔器件具有至少一個、特別是兩個浮動擴散區(qū)，其位于基底的頂側(cè)中，特別是作為n+型摻雜阱，分別配屬于一傳輸柵或該傳輸柵，用于接納由傳輸柵轉(zhuǎn)送的載流子以及用于將該載流子作為電壓饋送到評估區(qū)域中。

優(yōu)選地，通過不導(dǎo)電層將所述柵和基底分隔。優(yōu)選地，解調(diào)像素在屏障與柵、特別是在屏障與調(diào)制柵、存儲柵和傳輸柵之間形成可通過柵控制的、用于載流子的傳導(dǎo)通道。優(yōu)選地，柵按照ccd類型控制傳導(dǎo)通道中的載流子。傳導(dǎo)通道能實現(xiàn)便利的背面照明，這提高了解調(diào)像素的效率。

優(yōu)選地，分隔器件具有漂移柵，用于將載流子從轉(zhuǎn)換區(qū)域吸引到分隔區(qū)域中，其中，形成公共的屏障孔的解調(diào)像素分別形成至少一個公共的漂移柵。優(yōu)選地，公共的漂移柵以基本上相同的范圍遮蓋公共的屏障孔的區(qū)域。優(yōu)選地，公共的漂移柵由配屬于單獨的像素的單獨配屬漂移柵補充。優(yōu)選地，調(diào)制柵配屬于單獨配屬的漂移柵。優(yōu)選地，公共的漂移柵由多個公共的漂移柵組成。

這可以形成以下優(yōu)點，即tof距離傳感器更高效。

優(yōu)選地，屏障具有基底中的埋入層。優(yōu)選地，埋入層是p+摻雜的psub(p襯底)層。

這可以形成以下優(yōu)點，即產(chǎn)生的電極由層可靠地鎖住。

優(yōu)選地，屏障孔形成封閉的凹槽。

這可以形成以下優(yōu)點，即像素尺寸可以設(shè)計成特別小。

結(jié)型fet(場效應(yīng)管)效應(yīng)可能導(dǎo)致：屏障孔關(guān)于基底厚度不能設(shè)計成任意小。通過組合成公共的屏障孔，對于給定的最小開口，與單獨的屏障孔的情況相比，像素尺寸可以設(shè)計得更小。

優(yōu)選地，評估區(qū)域具有至少源極跟隨器、重置開關(guān)和選擇晶體管。

本發(fā)明的其它特征在附圖中給出。

分別提出的優(yōu)點也可以對于特征組合在其未提到的相互關(guān)系中實現(xiàn)。

附圖說明

在附圖中示出本發(fā)明的實施例并在下面詳細(xì)描述。各個附圖中相同的附圖標(biāo)記在此標(biāo)注彼此相對應(yīng)的元件。其中:

圖1示出tof距離傳感器系統(tǒng)連同物體

圖2在示意性側(cè)面剖視圖中示出解調(diào)像素

圖3在俯視圖中示出解調(diào)像素

圖4示出具有公共的屏障孔的四個解調(diào)像素

圖5示出由6x6解調(diào)像素組成的像素矩陣。

具體實施方式

圖1示出tof距離傳感器系統(tǒng)10以及物體22。

物體22與tof距離傳感器系統(tǒng)10隔開。發(fā)射源20例如是led或多個led的排列布置。發(fā)射源由電子裝置13操控，其利用調(diào)制頻率以強度調(diào)制的方式操縱發(fā)射源。發(fā)射源例如發(fā)出單色光21，該單色光在物體上被漫反射并作為反射的輻射23投射到tof距離傳感器40上。接收到的輻射在tof距離傳感器中產(chǎn)生感應(yīng)的光電子的值曲線，進(jìn)而產(chǎn)生用于接收到的輻射的信號曲線。

電子裝置13和tof距離傳感器10被集成在芯片上并且以組合的cmos/ccd方法設(shè)計。芯片和發(fā)射源20被布置在公共的載體11上并由殼體12圍繞。發(fā)射源和接收裝置分別具有圖中未示出的透鏡裝置/光學(xué)裝置，該透鏡裝置朝向一空間——將要確定在該空間中(與)物體的距離——的方向聚焦。

發(fā)出的輻射21具有860nm的波長并以20mhz的正弦信號或矩形信號波動。由tof距離傳感器10接收的反射的輻射保持以20mhz的正弦信號或矩形信號波動并相對于由發(fā)射源20發(fā)出的輻射的調(diào)制信號以光程的時間進(jìn)行相移。在發(fā)出的與接收的矩形信號之間的相移相當(dāng)于在tof距離傳感器與物體之間的距離的兩倍。

圖2在示意性側(cè)面剖視圖中示出解調(diào)像素50。

側(cè)面剖視圖以不按比例的方式遵循圖3的俯視圖的切線52。

解調(diào)像素50具有大約50微米厚的、n型摻雜的浮區(qū)硅(floatzonesilizium)半導(dǎo)體基底61，其具有特殊的、大于或等于2000歐姆〃厘米的表面電阻率。在半導(dǎo)體基底的表面上，在基底上在不導(dǎo)電的sio分隔層77的上方布置有漂移柵71，并在兩側(cè)以對稱布置的形式并分別彼此間隔開地分別布置有調(diào)制柵73、存儲柵74、傳輸柵75，并在基底內(nèi)部布置有浮動擴散區(qū)76。對此適用的層和觸點未示出。屏障80被布置在柵與透明的背面觸點之間并相對于射入的反射的輻射23屏蔽存儲柵、傳輸柵和浮動擴散區(qū)連同位于相應(yīng)的柵下面的半導(dǎo)體基底，其中，屏障在漂移柵下方的區(qū)域中具有屏障孔81。半導(dǎo)體基底至少在漂移柵下面，特別是整體上貧化。漂移柵被加載正電勢并在半導(dǎo)體基底中形成空間電荷區(qū)。

分隔器件70包括漂移柵、調(diào)制柵、存儲柵、傳輸柵、分隔層、浮動擴散區(qū)、屏障、屏障孔以及位于屏障與柵之間的基底，該基底與轉(zhuǎn)換區(qū)域60中的半導(dǎo)體基底61類型相同。轉(zhuǎn)換區(qū)域60包括半導(dǎo)體基底61、背面電極62和屏障80?；拙哂写蠹s50微米的厚度。

通過透明的背面電極62在漂移柵下面侵入半導(dǎo)體基底61中的反射的ir輻射23在半導(dǎo)體基底中感應(yīng)電極-空穴對24。光電子通過由漂移柵71形成的空間電荷區(qū)被引向漂移柵。漂移柵具有大約4v的電勢。被吸引的光電子的數(shù)量與接收到的輻射強度成比例。

調(diào)制柵73可以被加載經(jīng)調(diào)制的電勢，其最大值在漂移柵71的電勢與存儲柵74的電勢之間并且其最小值低于漂移柵的最小值。調(diào)制柵73的電勢大約調(diào)制在值0v和5v之間。兩個調(diào)制柵相對彼此以逆電勢運行，也就是說，如果其中一個調(diào)制柵的電勢是正的，則另一個調(diào)制柵的電勢為0v并且反之亦然。則其中一個調(diào)制柵始終具有0v的電勢，而另一個調(diào)制柵始終具有5v的電勢。電勢最小值——在此也就是0v——導(dǎo)致對于在漂移柵下面的光電子的勢壘，從而沒有光電子能夠到達(dá)配屬于該調(diào)制柵的存儲柵。電勢最大值——在此也就是5v——引起漂移柵下面的光電子流出，經(jīng)過調(diào)制柵并流入其配屬的存儲柵中。

通過為兩個調(diào)制柵分別加載一電勢——該電勢分別相應(yīng)于互逆的正弦信號或矩形信號，使得通過接收的輻射強度產(chǎn)生的光電子的流動相應(yīng)于轉(zhuǎn)換器(weiche)轉(zhuǎn)向。在漂移柵下面的該光電子的如此產(chǎn)生的流動對應(yīng)于倍增，也就是說相應(yīng)的正弦信號或矩形信號與接收的輻射信號的相關(guān)性。正弦信號或矩形信號在此具有相關(guān)信號的特性并在此被稱為相關(guān)信號。

存儲柵74被加載比漂移柵71高的電勢并且相應(yīng)于調(diào)制柵73的狀態(tài)交替地在存儲柵74下面收集光電子25。存儲柵74具有大約10v的電勢。在存儲柵下面通過光電子收集的電荷相當(dāng)于相關(guān)值。相關(guān)值因此處于電荷域中。在相應(yīng)的存儲柵下面的光電子的收集相當(dāng)于相關(guān)信號和所接收的輻射信號的上述相關(guān)性的時間整合/瞬時整合(zeitlichenintegration)。

為了探測在存儲柵74下面收集的光電子25，一方面將調(diào)制柵73的電勢設(shè)置為0v，以便朝向漂移柵71形成用于光電子的勢壘。另一方面將傳輸柵的電勢提高到平均值、例如6v，以便實現(xiàn)光電子朝向浮動擴散區(qū)76的有限制的流出。

現(xiàn)在借助于時間斜坡并行地降低兩個存儲柵74的大約10v的正電勢。施加到存儲柵上的降低的正電勢和在其下面的電荷的負(fù)電勢的相加的電勢確定了：電荷是否能經(jīng)過傳輸柵75流出。下降過程在此分為三個階段。在時間斜坡的第一階段中，所述相加的電勢對于兩個存儲柵來說相對于傳輸柵的恒定且相等的正電勢是更正的并且沒有電荷流出。在時間斜坡的隨后的第二階段中，與傳輸柵的恒定且相等的正電勢相比，所述相加的電勢對于一個存儲柵來說是更正的并且對于另一個存儲柵來說是更負(fù)的。由此，電荷在存儲柵下面以正的相加的電勢經(jīng)過配屬的傳輸柵流出到配屬的浮動擴散區(qū)中，從而相加的電勢又等于相應(yīng)的傳輸柵的電勢。在時間斜坡的最后的第三階段中，兩個存儲柵的所述相加的電勢高于恒定且相等的電勢。由此電荷在兩個存儲柵下面經(jīng)過分別配屬的傳輸柵流出到分別配屬的浮動擴散區(qū)中。一旦第三階段開始，停止時間斜坡，也就是說，存儲柵的電勢不繼續(xù)降低，從而基本上僅來自第二階段的電荷流出是重要的。被充有電荷的浮動擴散區(qū)中的現(xiàn)有的電荷量因此相當(dāng)于兩個存儲柵的電荷量之差。時間斜坡也就執(zhí)行兩個存儲柵下面的電荷量的相減。

其中一個被裝載的浮動擴散區(qū)的電荷量在執(zhí)行上述時間斜坡之后等于在發(fā)出的輻射21和反射的輻射23之間的相位差的值。

其中一個被裝載的浮動擴散區(qū)的電荷量現(xiàn)在借助于源極跟隨器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓并被繼續(xù)處理。源極跟隨器是解調(diào)像素的評估區(qū)域的一部分。評估區(qū)域除了源極跟隨器之外也還包括重置開關(guān)和選擇晶體管。

由相應(yīng)的電壓可以通過一種方法計算出到物體的距離。這種方法例如在申請人的文獻(xiàn)ep2743724a1中描述。

圖3在俯視圖中示出解調(diào)像素50。屏障孔81由具有近似相同形狀的第一漂移柵72覆蓋。第二漂移柵71以電隔離的方式與第一漂移柵交疊。第二漂移柵和第一漂移柵如同單個漂移柵地起作用，其中，第二漂移柵被加載比第一漂移柵更高的電勢，從而光電子被促使從第一漂移柵前往第二漂移柵。解調(diào)像素在第二漂移柵的一個端部上在相對的位置處具有兩個調(diào)制柵73。存儲柵74分別與第二漂移柵相對地布置在調(diào)制柵旁邊。在存儲柵的一個邊緣上分別布置有一個傳輸柵75。浮動擴散區(qū)76分別與存儲柵相對地布置在傳輸柵旁邊。浮動擴散區(qū)與評估區(qū)域及其源極跟隨器連接。

切線52示出圖2的側(cè)面剖視圖的示意性的、不按比例的曲線。

圖4示出具有公共的屏障孔82的四個解調(diào)像素50。圍繞公共的屏障孔82布置的解調(diào)像素50恰好相當(dāng)于在圖3中示出的解調(diào)像素50并分別轉(zhuǎn)動90°。在公共的屏障孔82上以相同形狀疊置公共的中央漂移柵72。幾何結(jié)構(gòu)相同的繪出物體相當(dāng)于圖3的相應(yīng)的裝置。

圖5示出由6x6解調(diào)像素50組成的像素矩陣41。除了公共的屏障孔82之外，所述布置也形成公共的評估區(qū)域91。在公共的屏障孔82上疊置分別一個公共的中央漂移柵。幾何結(jié)構(gòu)相同的繪出物體相當(dāng)于圖4的相應(yīng)的裝置。

參考:

一種用于評估tof距離傳感器的方法在dieterhuber，markusledergerber，相同申請人的文獻(xiàn)ep2743724a1中描述。

另一種用于評估tof距離傳感器的方法在robertlange，peterseitz，alicebiber，stefanlauxtermann:在用于飛行時間測距的ccd和cmos技術(shù)中的解調(diào)像素，ist/spie關(guān)于電子成像的國際專題討論會，關(guān)于傳感器、攝像機和用于科學(xué)/工業(yè)申請ii的系統(tǒng)的討論會，proc.spie，vol.3965a，sanjose，usa，2000年1月24日-25日中描述。

背面電極可以借助于電勢隧道通過半導(dǎo)體基底61接觸。一種用于借助于電勢隧道接觸tof距離傳感器的背面電極62的裝置在martinpopp，beatdecoi，marcoannese，相同申請人的文獻(xiàn)us8,901,690b2中描述。

解調(diào)像素可以在模擬式ccd技術(shù)中設(shè)計，而評估區(qū)域可以在數(shù)字式cmos技術(shù)中設(shè)計。一種用于共同制造解調(diào)像素(ccd)和評估區(qū)域(cmos)的方法在martinpopp，beatdecoi，marcoannese，相同申請人的文獻(xiàn)us8,802,566b2中描述。

一種用于在作為系統(tǒng)芯片的芯片上共同設(shè)計解調(diào)像素(ccd，模擬式)和評估區(qū)域(cmos，數(shù)字式)的方法在decoi，martinpopp，相同申請人的文獻(xiàn)ep2618180b1中描述。

附圖標(biāo)記列表：

10tof距離傳感器系統(tǒng)

11載體

12殼體

13電子裝置

20發(fā)射源

21發(fā)出的輻射

22物體

23反射的輻射

24電極-空穴對

25光電子

40tof距離傳感器

41像素矩陣

50解調(diào)像素

51邊界

52切線

60轉(zhuǎn)換區(qū)域

61半導(dǎo)體基底

62背面電極

70分隔器件

71漂移柵

72公共的漂移柵

73調(diào)制柵

74存儲柵

75傳輸柵

76浮動擴散區(qū)

77分隔層

80屏障

81屏障孔

82公共的屏障孔

90評估區(qū)域

91公共的評估區(qū)域