@PhdThesis{duepublico_mods_00022801,
  author = 	{Spickermann, Andreas},
  title = 	{Photodetektoren und Auslesekonzepte f{\"u}r 3D-Time-of-Flight-Bildsensoren in 0,35 $\mu$m-Standard-CMOS-Technologie},
  year = 	{2010},
  month = 	{Aug},
  day = 	{30},
  abstract = 	{Ein Spezialgebiet der CMOS-Bildsensorik befasst sich mit der ber{\"u}hrungslosen 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 {\"u}ber die Laufzeit des reflektierten Lichtes den Abstand des Sensors vom Messobjekt zu bestimmen. Je nach Anwendungsgebiet (z.B. im Automobil) ergeben sich hohe Performanceanforderungen f{\"u}r einen solchen ToF-Sensor.

Einer der Hauptschwerpunkte dieser Arbeit besch{\"a}ftigt sich daher mit der ausgiebigen Untersuchung des am Fraunhofer IMS verf{\"u}gbaren 0,35 $\mu$m-Standard-CMOS-Prozesses hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften und Realisierungsm{\"o}glichkeiten f{\"u}r die Laserpuls (NIR-Laser) basierte ToF-Sensorik. Anhand zahlreicher Photodetektorteststrukturen sind elektrische Parameter wie Dunkelstr{\"o}me und Kapazit{\"a}tsbel{\"a}ge, sowie mit der spektralen Empfindlichkeit und dem Quantenwirkungsgrad optische Kenngr{\"o}{\ss}en experimentell bestimmt worden. Dar{\"u}ber hinaus sind Prozess- und Bauelementsimulationen mit den Synopsys®-TCAD-Tools f{\"u}r verschiedene Photogate (PG) und Pinned Photodiode (PPD) basierte Active Pixel (AP) Strukturen durchgef{\"u}hrt und deren Performanceeigenschaften analysiert worden. Eine Vergleichsanalyse von pn-Photodioden, Photogate und Pinned Photodioden basierten AP f{\"u}hrt schlie{\ss}lich zu dem Ergebnis, dass Pinned Photodioden basierte AP f{\"u}r die ToF-Sensorik am besten geeignet sind. Allerdings haben TCAD-Bauelementsimulationen ebenso gezeigt, dass die Pinned Photodiode mit den derzeitigen, in der Technologie verf{\"u}gbaren Implantationen, nicht realisierbar ist und somit nicht als Pixelstruktur f{\"u}r die ToF-Sensorik zur Verf{\"u}gung 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 {\"u}bertrifft. Experimentelle Untersuchungen haben anhand von PG AP-Teststrukturen jedoch Geschwindigkeitsprobleme beim Ladungstransport und der Auslese der photogenerierten Ladungstr{\"a}ger aufgedeckt. L{\"o}sungsm{\"o}glichkeiten 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. Zun{\"a}chst ist dazu ein neuartiges Pixel- und Auslesekonzept entwickelt worden, welches aus einem Photogate mit vier Transfer-Gates und vier zugeh{\"o}rigen Floating Diffusion-Ausleseknoten besteht. Mit Hilfe dieser Anordnung l{\"a}sst sich der an einem 3D-Objekt zur{\"u}ck reflektierte Laserpuls entsprechend der Laufzeitverz{\"o}gerung in zwei Floating Diffusions aufnehmen, in der dritten Floating Diffusion der Hintergrundlichtanteil bestimmen und zu allen anderen Zeitpunkten des Sensorbetriebes k{\"o}nnen unerw{\"u}nschte Ladungstr{\"a}ger mit der vierten Floating Diffusion abgef{\"u}hrt werden. Auf Basis dieses Auslesekonzeptes ist schlie{\ss}lich ein 3D-Sensor in 0,35 $\mu$m-CMOS-Technologie gefertigt und hinsichtlich seiner Performance charakterisiert worden. Hierbei ist zudem untersucht worden, inwieweit sich die nicht idealen Transfereigenschaften auf die Distanzbestimmung auswirken k{\"o}nnen. Dar{\"u}ber hinaus ist die prinzipielle Funktionalit{\"a}t des neuartigen Auslesekonzeptes mit optimierter Hintergrundlichtunterdr{\"u}ckung erfolgreich nachgewiesen worden.},
  url = 	{https://duepublico2.uni-due.de/receive/duepublico_mods_00022801},
  file = 	{:https://duepublico2.uni-due.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00024771/Spickermann_Andreas_Diss.pdf:PDF},
  language = 	{de}
}