用于飞行时间测量的半导体器件和方法技术

一种半导体器件包括：电磁辐射的发射器(2)；光电检测器(10)，其能够检测特定波长的电磁辐射；滤光片(11)，其具有包括特定波长的通带，所述滤光片布置在光电检测器上，所述发射器和/或所述滤光片可电调谐到特定波长；以及电路(14)，所述电路配置成确定由发射器发射并随后由光电检测器接收的信号的发射与接收之间经过的时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于飞行时间测量的半导体器件和方法本公开适用于飞行时间测量领域。飞行时间(TOF)摄像头或传感器用于通过测量光信号的发射与同一光信号在物体处反射后的接收之间经过的时间来确定物体的距离。通过光电检测器，特别是SPAD(单光子雪崩二极管)来检测反射信号的到达，并且必须防止环境光干扰所述检测。通常使用带通滤光片来屏蔽来自光电检测器的环境光。如果使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为发射器，则生产公差不允许将波长限定在非常小的范围内，因此滤光片的通带不能像所需的那样窄，以屏蔽大部分环境光。已经开发了各种类型的电可调谐VCSEL。取决于液晶的厚度，内腔液晶VCSEL(LC-VCSEL)的调谐范围可高达75nm，并且能够通过施加电压进行连续调谐。这种VCSEL包括有源区和液晶层，所述有源区在阳极层与该阳极层的一侧的阴极层之间，所述液晶层在该阳极层与该阳极层相对的另外的阴极层之间。LC-VCSEL具有纯电调谐的优点，因此不受振动的影响。具有微机电系统(MEMS)的MEMS-VCSEL也是可电调谐的。谐振腔的纵向延伸由固定的底部镜和可移动悬挂的顶部镜限制。包括与镜位置成固定空间关系的电容器板的静电致动器用于控制谐振腔的长度。当电容器板被充电以产生静电力时，镜之间的距离减小并且谐振波长变短。通过以特殊形状的电压波形驱动致动器，能够及时扫描激光波长。悬臂VCSEL(c-VCSEL)是可电调谐VCSEL的另外的示例。它包括：承载底部n-DBR(分布式布拉格反射器)、具有有源区的谐振腔和顶部镜的衬底，所述顶部镜包括p-DBR、气隙和顶部n-DBR，所述顶部镜自由悬挂在谐振腔上方并通过悬臂结构支撑。激光驱动电流通过p-DBR注入。谐振腔上方的氧化物孔提供有效的电流引导和光学指数(index)引导。顶部调谐触点布置在顶部n-DBR上。悬臂VCSEL的类型可以包括具有不同悬臂长度的悬臂或不同几何形状的VCSEL和悬臂。可调谐VCSEL的另外的类型是具有不同孔径的多台面VCSEL、具有提供不同长度谐振腔以产生不同波长辐射的层的多台面VCSEL、发射不同波长的多台面VCSEL阵列和高对比度光栅VCSEL(HCG-VCSEL)。本专利技术的目的是促进TOF器件在室外条件下，尤其是在具有100kLux或更高的日光下的使用。所述目的是通过根据权利要求1所述的半导体器件和根据权利要求11或18所述的飞行时间测量方法来实现的。实施例和变型源自从属权利要求。除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。半导体器件包括：电磁辐射的发射器；能够检测特定波长的电磁辐射的光电检测器；具有包括特定波长的通带的滤光片，所述滤光片布置在光电检测器上；可电调谐到特定波长的发射器和/或滤光片；以及电路，所述电路配置成确定由发射器发射并随后由光电检测器接收的信号的发射与接收之间经过的时间。能够选择窄的通带，尤其是比5nm窄的通带，以屏蔽尽可能多的环境光。5nm的范围表示通带的最大波长比通带的最短波长大5nm。在半导体器件的实施例中，光电检测器包括至少一个单光子雪崩二极管(SPAD)。在半导体器件的另一实施例中，发射器配置为发射限定的持续时间的信号以进行飞行时间测量。在半导体器件的另一实施例中，发射器是电可调谐垂直腔面发射激光器。半导体器件的另一实施例包括：光电检测器器件，其包括光电检测器；载体、光电检测器器件和安装在所述载体上的发射器；盖，其具有形成光电检测器和发射器的孔的窗口；以及电连接，其位于光电检测器器件和发射器之间。半导体器件的另一实施例包括：参考光电检测器，其布置成监测来自发射器的电磁辐射；以及另外的滤光片，其具有包括特定波长的通带，另外的滤光片布置在参考光电检测器上，位于载体与盖之间。具有另外的滤光片的参考光电检测器尤其能够布置在载体与盖之间。一方面，飞行时间测量方法包括使用电可调谐发射器以产生电磁辐射的信号，限制信号的持续时间以进行飞行时间测量，并将信号的产生调谐到特定波长。发射的信号，通过具有包括特定波长的通带的滤光片检测由发射的信号的反射产生的接收的信号，以及确定信号的发射与接收之间经过的时间。能够选择较窄的通带，尤其是比5nm窄的通带，以屏蔽尽可能多的环境光。电信号能够用于调谐信号的产生。电信号尤其可以是施加到用作发射器的电可调谐垂直腔面发射激光器的调谐电压。在所述方法的一种变型中，在一系列调谐条件下连续地调谐信号的产生；确定产生所述接收的信号的最大强度的调谐条件；以及通过应用确定的调谐条件将所述信号的产生调谐到特定波长。在所述方法的另一种变型中，通过带有另外的滤光片的参考光电检测器监测来自电可调谐发射器的电磁辐射，所述另外的滤光片具有包括所述特定波长的通带。在所述方法的另一种变型中，用设置有滤光片的光电检测器检测所述接收的信号，使得光电检测器的视场取决于入射辐射的波长。将所述信号的产生附加地调谐到与所述特定波长不同的另外的至少一个特定波长，从而对不同的视场执行测量。在另一方面，飞行时间测量方法包括：使用发射器来发射电磁辐射的信号，限制所述信号的持续时间以进行飞行时间测量，通过具有包括特定波长的通带的电可调谐滤光片来检测接收的信号，所述接收的信号是由所述发射的信号的反射产生的，以及将滤光片调谐到所述特定波长，并且确定信号的发射与接收之间经过的时间。以下是结合附图对半导体器件和方法的示例的详细描述。图1示出了包括电可调谐发射器和光电检测器的半导体器件。图2示出了包括电可调谐发射器和光电检测器的另外的半导体器件。图3是调谐电压的扫描和接收的信号的相应幅度的图。图4示出了光电检测器的视场与辐射波长的关系。图1以横截面示出了用于TOF测量的半导体器件的布置。该半导体器件包括：光电检测器器件1，其包括光电检测器10和滤光片11；以及电可调谐发射器2，所述电可调谐发射器尤其可以是电可调谐垂直腔面发射激光器。光电检测器器件1和电可调谐发射器2布置为使得由电可调谐发射器2发射并由外部反射物体8反射的辐射能够被光电检测器10接收和检测。光电检测器器件1可以是任何半导体光电检测器器件，并且例如尤其可以包括光电二极管或光电二极管阵列。例如，光电检测器可以包括单光子雪崩二极管或单光子雪崩二极管的阵列。能够将用于处理和/或评估测量的电路14的部件集成在光电检测器器件1中、电可调谐发射器2中，或光电检测器器件1和电可调谐发射器2两者中。电路14的部件可以替代地或附加地由另外的半导体芯片，尤其是ASIC芯片或由布置在图1所示的器件外部的部件来提供。光电检测器器件1和电可调谐发射器2尤其能够安装在载体3上，所述载体例如可以是包括布线的印刷电路板。可以应用在光电检测器10和电可调谐发射器2上方具有窗口5的盖4以形成容纳光电检测器器件1和电可调谐发射器2的空腔。盖4可以包括不透明的材料以屏蔽环境光。仅在图1中示意性地由键合线6表示的电连接设置为将光电检测器器件1和电可调谐发射器2彼此连接，并且可选地与外部端子连接。电路14配置成根据滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体器件，其包括：/n电磁辐射的发射器(2)，/n光电检测器(10)，其能够检测特定波长的电磁辐射，/n滤光片(11)，其具有包括所述特定波长的通带，所述滤光片(11)布置在所述光电检测器(10)上，/n所述发射器(2)和/或所述滤光片(11)能够电调谐到所述特定波长，以及/n电路(14)，其配置成确定由所述发射器(2)发射并随后由所述光电检测器(10)接收的信号的发射与接收之间经过的时间。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170817 EP 17186665.01.一种半导体器件，其包括：
电磁辐射的发射器(2)，
光电检测器(10)，其能够检测特定波长的电磁辐射，
滤光片(11)，其具有包括所述特定波长的通带，所述滤光片(11)布置在所述光电检测器(10)上，
所述发射器(2)和/或所述滤光片(11)能够电调谐到所述特定波长，以及
电路(14)，其配置成确定由所述发射器(2)发射并随后由所述光电检测器(10)接收的信号的发射与接收之间经过的时间。


2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述发射器(2)能够电调谐到所述特定波长。


3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中，所述滤光片(11)能够电调谐到所述特定波长。


4.根据权利要求1至3之一所述的半导体器件，其中，所述光电检测器(10)包括至少一个单光子雪崩二极管。


5.根据权利要求1至4之一所述的半导体器件，其中，所述滤光片(11)包括比5nm窄的通带。


6.根据权利要求1至5之一所述的半导体器件，其中，所述发射器(2)配置为发射限定的持续时间的信号以进行飞行时间测量。


7.根据权利要求1至6之一所述的半导体器件，其中，所述发射器(2)是电可调谐垂直腔面发射激光器。


8.根据权利要求1至7之一所述的半导体器件，还包括：
参考光电检测器(12)，其布置成监测来自所述发射器(2)的电磁辐射，和
另外的滤光片(13)，其具有包括所述特定波长的通带，所述另外的滤光片(13)布置在所述参考光电检测器(12)上。


9.根据权利要求1至7之一所述的半导体器件，还包括：
光电检测器器件(1)，其包括所述光电检测器(10)，
载体(3)，所述光电检测器器件(1)和所述发射器(2)安装在所述载体(3)上，
盖(4)，其具有形成所述光电检测器(10)和所述发射器(2)的孔的窗口(5)，以及
电连接(6)，其位于所述光电检测器器件(1)和所述发射器(2)之间。


10.根据权利要求9所述的半导体器件，还包括：
参考光电检测器(12)，其布置在所述载体(3)与所述盖(4)之间，以监测来自所述发射器(2)的电磁辐射，和
另外的滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁·闵采尔，彼得·特拉蒂勒，
申请(专利权)人：AMS有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT