Photodetektoren und Auslesekonzepte für 3D-Time-of-Flight-Bildsensoren in 0,35 μm-Standard-CMOS-Technologie

Dateibereich 24771

6,05 MB in einer Datei, zuletzt geändert am 28.08.2010

Dateiliste / Details

DateiDateien geändert amGröße
Spickermann_Andreas_Diss.pdf28.08.2010 10:04:596,05 MB
Ein Spezialgebiet der CMOS-Bildsensorik befasst sich mit der berührungslosen Distanzmessung basierend auf dem so genannten Time-of-Flight-(ToF)-Prinzip. Hierbei wird eine aktive Beleuchtung in Form von moduliertem Licht (gepulst oder kontinuierlich moduliert) genutzt, um direkt oder indirekt über die Laufzeit des reflektierten Lichtes den Abstand des Sensors vom Messobjekt zu bestimmen. Je nach Anwendungsgebiet (z.B. im Automobil) ergeben sich hohe Performanceanforderungen für einen solchen ToF-Sensor. Einer der Hauptschwerpunkte dieser Arbeit beschäftigt sich daher mit der ausgiebigen Untersuchung des am Fraunhofer IMS verfügbaren 0,35 μm-Standard-CMOS-Prozesses hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften und Realisierungsmöglichkeiten für die Laserpuls (NIR-Laser) basierte ToF-Sensorik. Anhand zahlreicher Photodetektorteststrukturen sind elektrische Parameter wie Dunkelströme und Kapazitätsbeläge, sowie mit der spektralen Empfindlichkeit und dem Quantenwirkungsgrad optische Kenngrößen experimentell bestimmt worden. Darüber hinaus sind Prozess- und Bauelementsimulationen mit den Synopsys®-TCAD-Tools für verschiedene Photogate (PG) und Pinned Photodiode (PPD) basierte Active Pixel (AP) Strukturen durchgeführt und deren Performanceeigenschaften analysiert worden. Eine Vergleichsanalyse von pn-Photodioden, Photogate und Pinned Photodioden basierten AP führt schließlich zu dem Ergebnis, dass Pinned Photodioden basierte AP für die ToF-Sensorik am besten geeignet sind. Allerdings haben TCAD-Bauelementsimulationen ebenso gezeigt, dass die Pinned Photodiode mit den derzeitigen, in der Technologie verfügbaren Implantationen, nicht realisierbar ist und somit nicht als Pixelstruktur für die ToF-Sensorik zur Verfügung steht. Eine deutliche Verbesserung zur pn-Photodiode stellt das Photogate AP dar, welches mit einem reduzierten kT/C-Rauschen und einer zum PPD AP minimal reduzierten spektralen Empfindlichkeit im NIR-Bereich die Performance eines ToF-Sensors nach dem Stand der Technik übertrifft. Experimentelle Untersuchungen haben anhand von PG AP-Teststrukturen jedoch Geschwindigkeitsprobleme beim Ladungstransport und der Auslese der photogenerierten Ladungsträger aufgedeckt. Lösungsmöglichkeiten zur Verbesserung der Transfer- und Auslesegeschwindigkeit sind theoretisch anhand von TCAD-Simulationen mit einem hochohmischen Photogate AP und einer Lateral Drift-Field Photodiode geliefert worden. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit besteht in der Realisierung eines Photogate basierten ToF-Sensors mit Inkaufnahme der nicht idealen Transfer- und Ausleseeigenschaften. Zunächst ist dazu ein neuartiges Pixel- und Auslesekonzept entwickelt worden, welches aus einem Photogate mit vier Transfer-Gates und vier zugehörigen Floating Diffusion-Ausleseknoten besteht. Mit Hilfe dieser Anordnung lässt sich der an einem 3D-Objekt zurück reflektierte Laserpuls entsprechend der Laufzeitverzögerung in zwei Floating Diffusions aufnehmen, in der dritten Floating Diffusion der Hintergrundlichtanteil bestimmen und zu allen anderen Zeitpunkten des Sensorbetriebes können unerwünschte Ladungsträger mit der vierten Floating Diffusion abgeführt werden. Auf Basis dieses Auslesekonzeptes ist schließlich ein 3D-Sensor in 0,35 μm-CMOS-Technologie gefertigt und hinsichtlich seiner Performance charakterisiert worden. Hierbei ist zudem untersucht worden, inwieweit sich die nicht idealen Transfereigenschaften auf die Distanzbestimmung auswirken können. Darüber hinaus ist die prinzipielle Funktionalität des neuartigen Auslesekonzeptes mit optimierter Hintergrundlichtunterdrückung erfolgreich nachgewiesen worden.
Lesezeichen:
Permalink | Teilen/Speichern
Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik » Elektronische Bauelemente und Schaltungen
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Beitragende:
Prof. Ph. D. Hosticka, Bedrich J. [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. -Ing. Vogt, Holger [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
12.05.2010
Dokument erstellt am:
30.08.2010
Promotionsantrag am:
26.10.2009
Dateien geändert am:
30.08.2010
Medientyp:
Text