Multi-Pixel Optische Abstandssensoren

Die Pixel-Fläche optischer Abstandssensoren mit PN- und PIN-Fotodioden muss groß sein, um genügend optische Empfangsleistung für ein großes Signal-Rausch-Verhältnis und eine gute Messgenauigkeit zu erreichen. Deshalb sind maximal 1000-4000 Bildpunkte auf einem Chip möglich. Single-Photon Avalanche Fotodioden (SPADs) benötigen breite Schutzringe, um Randdurchbruch zu vermeiden, was zu einem geringen Füllfaktor führt. Ferner, ist ihre Nachweiswahrscheinlichkeit auf Grund ihrer dünnen Verarmungszone gering. Weitere Nachteile der Avalanche-Fotodioden sind Betriebsspannungen von einigen 10V, ihre Dunkelzählrate (besonders bei höherer Temperatur) und ihre Totzeit. Fototransistoren besitzen wie Avalanche-Fotodioden eine Signalverstärkung. In konventionellen IC Technologien ist ihre Verarmungszone jedoch ebenfalls dünn, was ihre Signalverstärkung auf wenige (1-3)A/W begrenzt. Die ausgezeichnete Erfahrung des Antragstellers mit PIN-Fotodioden-technologien, wird ausgenutzt, um innovative PIN-Fototransistoren zu untersuchen. Diese neuartigen Fototransistoren besitzen mit der dicken, niedrig dotierten (intrinsischen) - in der PIN-Fotodioden- technologie verfügbaren - Schicht eine dicke Basis-Kollektor- Verarmungsschicht. Deshalb besitzen die PIN-Fototransistoren eine viel höhere Fotoempfindlichkeit von 70- 90A/W auch im roten und nahen infraroten Spektralbereich. Diese ist um Faktoren von 100 bis 200 höher als die der PIN-Fotodiode. Die zugehörige Quanteneffizienz der PIN-Fototransistoren sollte im Bereich von 8000% bis 16000% liegen. Diese exzellente Signalverstärkung wird ausgenutzt, um die Fotodetektorfläche zu reduzieren. Eine lichtempfindliche Fläche von 10*10m sollte denselben Fotostrom wie eine PIN-Fotodiode mit 100*100m ergeben. Ein Rauschmodell für die Fototransistoren wird entwickelt. Ein weiteres Ziel des Projektes ist die Reduktion der Chip-Fläche der signalverarbeitenden Schaltungen, um die Pixel-Anzahl auf bis zu 256*256, d. h. 65536, zu erhöhen, was mit einer Pixel-Fläche von 40*40m möglich wird. Neue Pixel-Schaltungen werden untersucht, um die minimale Pixel-Fläche und die maximale Pixel-Anzahl zu bestimmen. Die elektrische Verlustleistung wird reduziert, um Erwärmungsprobleme zu vermeiden. Ferner wird das elektronische Rauschen reduziert und die Unempfindlichkeit der Pixel-Schaltungen gegenüber Hintergrundlicht, Störungen auf den Versorgungsleitungen und im Substrat erhöht. Diese Schaltungen werden auch mit kleineren Fotodetektoren kombiniert. Testdetektoren und -schaltungen werden im Application Specific Integrated Circuit (ASIC) Verfahren hergestellt, um die innovativen Ansätze für Entfernungen bis zu 15m experimentell zu verifizieren. Ein physikalisches LED (light emitting diode) Modell zur Beschreibung und Kompensation der Temperaturabhängigkeit der ausgestrahlten optischen Leistung und der Anstiegs/Abfallzeit wird entwickelt und eine Lichtquelle inklusive Treiberschaltung wird für die Charakterisierung der Multi-Pixel-Abstand-Test-Chips mit Messgenauigkeiten im Zentimeterbereich aufgebaut. Zusammenfassend werden innovative Fototransistoren und neuartige, kleinflächige Pixelschaltungen untersucht, um die Pixel-Anzahl eines Chips um eine Faktor von 20 bis 60 zu erhöhen.

Es wurden neuartige - die PIN Photodiodentechnologie ausnutzende - Phototransistoren in 0,6m, 0,35m und 0,18m CMOS untersucht. Dabei wurde die dicke, niedrig dotierte intrinsische Zone der PIN Photodiode verwendet, um die Basis-Kollektor-Raumladungszone der Phototransistoren und damit ihre Photoempfindlichkeit erheblich zu vergrößern. Die im Projekt erreichten Werte von 98A/W für die Photoempfindlichkeit und von bis zu 125MHz für die Grenzfrequenz dieser sogenannten PNP PIN Phototransistoren übertreffen die im Projektantrag genannten Ziele erheblich und ragen um mehr als eine Größenordnung über den Stand der Technik und Wissenschaft hinaus. Ferner wurden innovative Pixel-Schaltungen für die optische Abstandsmessung mittels eines Laufzeitverfahrens genauer: Phasenkorrelationsverfahren - untersucht. Es konnte ein ultra-kleines Pixel mit einer Fläche von 18.512.5 m realisiert werden, das in 0,18m CMOS einen 3D-Sensor mit 512512 Pixeln auf einem einzigen Chip ermöglicht. Einzel-Pixel und ein 6448 Multi-Pixel Sensor Testchip mit PIN Photodioden in 0,35m CMOS erzielten eine einzigartige Messgenauigkeit von 2-3 mm bei unübertroffener Hintergrundlichtunterdrückung. Damit wurde gezeigt, dass PIN Photodioden trotz der hohen Verstärkung von Phototransistoren bessere Abstandssensoren ermöglichen. Der wichtigste Grund dafür ist der größere Dynamikbereich der PIN Photodioden. Ein entwickeltes Rauschmodell bestätigte diese experimentellen Ergebnisse. In diesem Projekt wurden zusätzlich modulierbare leistungsstarke Lichtquellen, Charakterisierungsmethoden für Phototransistoren und optische Multi-Pixel Abstandssensoren sowie ein FPGA-Programm und Auswertesoftware entwickelt bzw. untersucht. Außerdem wurden Methoden zur Korrektur von Fehlern, die durch die Temperaturabhängigkeit der LED-Lichtquellen entstehen, untersucht und neu entwickelt. Zum einen wurde a Referenz-Pixel und ein Referenzpfad mit einer Glasfaser bekannter Länge untersucht. Zum anderen dienten die Verzerrungen des gemessenen Signales zur Korrektur der Temperaturabhängigkeit. Des Weiteren wurde eine analytische Korrekturfunktion abgeleitet und im FPGA programmiert, um die mit reduzierter Zahl von Phasenschritten zunehmenden systematischen Messfehler zu kompensieren.Zusammenfassend wurden innovative Phototransistoren und kleinflächige, sehr präzise messende Pixel-Schaltungen entworfen, die nach Herstellung als ASICs, experimentell charakterisiert und verifiziert wurden.