(57)【要約】  本発明は変調された光子束（５０）を復調する光電子センサ、および少なくとも１つのそのような光電子センサを備えた特に３次元距離測定用の測定デバイスに関する。本発明の光電子センサは、半導体領域（１０）内に組み込まれ、例えば、半導体領域内で拡散され、半導体領域（１０）と逆にドープされた少なくとも２つの収集領域（２０、２２）を備える。前記収集領域（２０、２２）を用いて変調された光子電流（５０）の進入によって生じる少数担体が収集かつタップされる。さらに少なくとも２つの制御領域（３２、３４）が半導体領域（１０）内に組み込まれ、前記制御領域は制御領域（３２、３４）に印加することのできる制御電圧に従ってドリフト領域を生成する。前記制御領域（３２、３４）は半導体領域（１０）と同様にドープされている。
2007506269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調された光子束（５０）を復調する光電子センサであって、
半導体領域（１０）と、
前記半導体領域（１０）内に存在し、変調された光子束（５０）が前記半導体領域（１０）内に進入するときに少数担体（１１）を収集かつタップ・オフするために働く少なくとも２つの収集領域（２０、２２）と、
前記半導体領域（１０）内に導入され、制御領域（３２、３４）に印加することのできる制御電圧に依存するようにドリフト領域を生成するために働き、前記半導体領域（１０）と同じドープ型である少なくとも２つの制御領域（３２、３４）と
を備えた光電子センサ。
【請求項２】
前記半導体領域（１０）は、前記半導体領域（１０）よりも高濃度にドープされた半導体基板（１２）の上または中に位置する請求項１に記載の光電子センサ。
【請求項３】
前記半導体領域（１０）は、誘電体（１２）の上に塗布される請求項１に記載の光電子センサ。
【請求項４】
前記制御領域（３２、３４）は、前記センサの中間地点から前記収集領域（２０、２２）よりも離れた距離にある請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電子センサ。
【請求項５】
前記半導体領域（１０）は、ｐ型にドープされている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電子センサ。
【請求項６】
前記収集領域（２０、２２）は拡散され、前記半導体領域（１０）に対して逆にドープされた請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電子センサ。
【請求項７】
前記収集領域（２０、２２）は、前記半導体領域（１０）内の局所的な電荷移送によって生成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電子センサ。
【請求項８】
変調された光子束（５０）を復調する光電子センサであって、
半導体領域（１０）と、
前記半導体領域（１０）の表面に存在し、変調された光子束（５０）が前記半導体領域（１０）内に進入するときに生じる少数担体（１１）を収集かつタップ・オフするために働く少なくとも２つの収集領域（２０、２２）と、
結合されたＡＣ電圧に依存するようにドリフト領域を生成するＡＣ電圧で容量結合する少なくとも２つの容量素子（３５、３６；３７、３８）とを備え、前記収集領域（２０、２２）が前記容量素子（３５、３６；３７、３８）の間に配置される
光電子センサ。
【請求項９】
前記容量素子（３５、３６）は、コンデンサまたはショットキー・ダイオードである請求項８に記載の光電子センサ。
【請求項１０】
前記容量素子（３７、３８）は、前記半導体領域（１０）に対して逆にドープされた領域を含む請求項８に記載の光電子センサ。
【請求項１１】
前記収集領域（２０、２２）は、ショットキー・ダイオードとして形成される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電子センサ。
【請求項１２】
前記半導体領域（１０）において、２つ以上の収集領域対が２つの制御領域（３２、３４）の間または２つの容量素子（３５、３６；３７、３８）の間に埋め込まれた請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電子センサ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の少なくとも１つの光電子センサと、
所定の相を有する変調された光子束を生成する光送信機と、
制御電圧を生成するデバイス（６０）であって、前記制御電圧の相が前記送信機によって生成された前記光子束の相と固定された関係であるデバイス（６０）と、
前記収集領域（２０、２２）に割り当てられ、前記変調された光子束の振幅および相を前記制御電圧の相に関して決定するために働く評価デバイス（４０、４２）と
を備えた特に３次元距離測定用の測定デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変調された光子束を復調する光電子センサ、および少なくとも１つの電子センサを備え、かつ変調された光子束の伝搬時間を決定することによって３次元距離測定のために働く測定デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元オブジェクト測定のための方法およびデバイスはよく知られている。このため、ドイツ連邦共和国特許第１９７  ０４  ４９６  Ｃ２号は特に、受動的なオブジェクトを測定するのに用いることのできる光ミキサ・デバイス（ＰＭＤ）を記載している。この光ミキサ・デバイスは少なくとも２つの感光性変調光ゲートが上に配設されたｐ型にドープされたシリコン基板を含む。ｐ型にドープされたシリコン基板上に同じく配設された蓄積ゲートが変調光ゲートに割り当てられる。この変調光ゲートは変調プッシュプル電圧を用いて動作される。ｐ型にドープされたシリコン基板に入射する強度変調光が変調プッシュプル電圧の影響下で蓄積ゲートへとドリフトする少数の電荷担体を生成し、蓄積ゲートに電荷担体が集積される。オブジェクト測定のための必要条件は、所定の位相関係がプッシュプル電圧の相と送信機によって放出される強度変調光の相との間に存在しているということである。このような光ミキサ・デバイスの１つの不利は、変調光ゲートおよび蓄積ゲートがシリコン基板上に塗布されるので光ミキサ・デバイスの光センサ領域が制限されるということにみることができる。さらに、変調光ゲートがシリコン基板上に配設された基板内に一定のドリフト領域を生成することは不可能である。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許第１００  ４７  １７０  Ｃ２号は送信機によって放出され光ミキサ・デバイスによって受け取られる強度変調された光波の強度だけでなく伝搬時間も測定することのできるＰＭＤシステムを開示している。しかし、その特許明細書は光ミキサ・デバイスの実現に関するものではない。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許第１９８  ２１  ９７４  Ａ１号は光ミキサ検出器を用いて電磁波の相および振幅を検出するデバイスおよび方法を開示している。ドイツ連邦共和国特許第１９７  ０４  ４９６  Ｃ２号による光ミキサ検出器と同様の様式で、変調光ゲートおよび蓄積ゲートが半導体基板上に位置している。ドイツ連邦共和国特許第１９７  ０４  ４９６  Ｃ２号による変調光ゲートおよび蓄積ゲートとは対照的に、ドイツ連邦共和国特許第１９８  ２１  ９７４Ａ１号の変調光ゲートおよび蓄積ゲートも細長く狭い平行なストリップの形態を有する。
【０００５】
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許第１９７  ０４  ４９６  Ｃ２号
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許第１００  ４７  １７０  Ｃ２号
【特許文献３】ドイツ連邦共和国特許第１９８  ２１  ９７４Ａ１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明はセンサ領域がゲートによって影にならず、実質的に均一なドリフト領域を生成することのできる光電子センサを提供するという目的に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の中心的概念は、強度変調された光子束を復調するのに要するドリフト領域がセンサの半導体領域において直接生成されるという事実にみることができる。このようにして均一なドリフト領域を生成することができる。同時に、半導体領域の上の光センサ領域は電極が無いので、その光学的特性の点で最適化され得る。
【０００８】
上記問題は変調された、特に強度変調された光子束を復調する光電子センサを用いてまず解決される。
【０００９】
この目的のために、光電子センサは好適にはｐ型にドープされた半導体領域を有する。例えば半導体領域まで拡散され、半導体領域に対して反対にドープされた少なくとも２つの収集領域が半導体領域内に導入される。収集領域は、変調された光子束が半導体領域内へと進入するときに生成される少数担体を収集し、タップ・オフするために働く。さらに、少なくとも２つの制御領域が半導体領域内に導入され、この制御領域は制御領域に印加され得る制御電圧に依存するようにドリフト領域を生成することができ、半導体領域と同じドープ型である。
【００１０】
別の場合には、収集領域は半導体領域内の局所的な電荷移送によっても生成され得る。
【００１１】
従属請求項は有利な開発に関する。
【００１２】
半導体領域を担持するか、または含み、半導体領域よりも高濃度にドープされた半導体基板が便宜的に提供される。
【００１３】
より高濃度にドープされた基板の代替例として、半導体領域は誘電体上に半導体層として塗布されてもよい。
【００１４】
収集領域近傍で十分に強力なドリフト領域を生成することができるように、制御領域はセンサの中間地点から収集領域よりもさらに離れた距離にある。ドリフト領域はこのように収集領域にわたっている。
【００１５】
上記技術的問題は特に３次元距離測定のために働くことのできる測定デバイスを用いて同様に解決される。
【００１６】
この測定デバイスは請求項１〜１２の１つに請求された少なくとも１つの光電子センサを有する。さらに、変調された、特に強度変調された、所定の相を有する光子束を生成かつ放出するために働く光送信機が提供される。さらに、制御電圧を生成するデバイスが提供され、この制御電圧の相は送信機によって生成される光子束の相と固定された関係にある。変調された光子束の振幅および相を制御電圧の相に関して決定するように設計された評価デバイスが収集領域に割り当てられる。原理上光電子センサは、例えばカメラ・チップの画素に相当し得る光ミキサ検出器であることに留意されたい。半導体領域において、２つ以上の収集領域対が２つの制御領域の間に埋め込まれている場合、光電子センサは多画素センサとして機能することもできる。このように、二次元の画素アレイを複数の収集領域対の配置にわたって形成することができる。
【００１７】
別の場合には、半導体領域と、半導体領域の表面に存在し、変調された光子束が半導体領域内に進入するときに生じる少数担体を収集かつタップ・オフするために働く少なくとも２つの収集領域と、ドリフト領域を生成するＡＣ電圧で容量結合する少なくとも２つの容量素子とを備えた変調された光子束を復調する光電子センサが提供され得る。
【００１８】
容量素子はコンデンサまたは逆バイアスのショットキー・ダイオードであってよい。
【００１９】
別の場合には、容量素子は半導体領域に対して反対にドープされ、かつ半導体領域に対して、動作中に逆にバイアスされるｐｎ接合を形成する領域を含んでよい。
【００２０】
収集領域は便宜的には、動作中に逆にバイアスされるショットキー・ダイオードとして形成される。
【００２１】
本発明を例示的実施形態に基づいて添付図面とともに以下により詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は光電子検出器とも呼ぶことのできる光電子センサを示している。光電子センサは半導体領域、この場合には半導体層１０を有しており、これは本例ではｐ型にドープされている。２つのｐ型にドープされた領域３２、３４が半導体層１０内へと拡散しており、前記ｐ型にドープされた領域は以下制御領域と呼ぶ。さらに、２つのｎ型にドープされた領域２０、２２が半導体層１０内へと拡散しており、前記ｎ型にドープされた領域は以下収集領域と呼ぶ。収集領域２０および２２ならびに制御領域３２および３４も半導体層の表面から半導体層１０内へと延在している。制御領域３２および３４は、センサの想像上の中間地点に対して、収集領域２０および２２よりもさらに外方向に位置している。制御可能な電圧源６０が制御領域３２および３４に接続されており、以下でさらに詳細に説明するように、この電圧源は半導体層１０において均一なドリフト領域を生成するためにドリフト電圧とも呼ばれる制御電圧（図３ｃに示す）を生成する。さらに、収集領域２０および２２には評価デバイスが割り当てられ、わかり易いようにこれを２つの電荷計４０および４２により単に象徴的に図示している。電荷計４０は収集領域２０に接続され、収集領域２０においてタップ・オフされることのできる集積された電流を測定する。集積された電流の一時的な形状を図３ｄに示す。電荷計４２は収集領域２２に接続されており、収集領域２２においてタップ・オフされることのできる集積された電流を測定する。集積された電流の一時的な形状を図３ｅに示す。
【００２３】
図２は制御領域３２および３４に印加される電圧源６０の極性を入れ替えただけの図１に示した光電子センサを示している。
【００２４】
図１および図２に示したように、半導体層１０は、例えば誘電体１２上に塗布される。
【００２５】
以下の文ではオブジェクト（図示せず）に関する３次元距離測定用の測定デバイスに関連して光電子センサの機能を説明する。
【００２６】
光子源とも呼ばれる光送信機（図示せず）は強度変調された光子束を生成および放出するものと仮定する。強度変調された光子束の形状を３ａに示す。強度変調された光子束は、例えば被測定オブジェクトにて反射され、図３ａに示した特定の光子飛行時間の後、図１および図２に示すように、光電子センサのアクティブなセンサ領域上に光子束５０として衝突する。一時的に遅延された光子束５０を図３ｂに示す。半導体層１０に進入する光子束５０は、半導体層１０において電荷担体対を生成し、電荷担体対のうち少数担体として機能する電子１１のみを示している。制御電圧の相に対して光子束５０の振幅および相を測定することができるように、制御電圧がｐ型にドープされた制御領域３２および３４に印加される。制御電圧の形状を図３ｃに示している。図１および図２に示すように、電圧源６０を電子的に切り替えることによって制御電圧を生成することができる。オブジェクト測定のための重要な必要条件は、図３ａおよび図３ｃに示した曲線形状によって示すように、光送信機にて放出される光子束の相が制御電圧の相と固定的な関係にあるということである。ｐ型にドープされた制御領域３２および３４に印加される制御電圧は、半導体層１０の収集領域２０と２２との間で実質的に均一に走るドリフト領域を半導体層１０内にもたらす。このドリフト領域の方向は、制御領域３２および３４に印加される制御電圧に依存するように変えられる。このように、半導体層１０内で生成された少数担体１１はまず収集領域２０に向かって加速され、次に収集領域２２向かって加速される。ｎ型にドープされた収集領域２０および２２の下で飛行するとき、電子１１は誘発された空間電荷領域によって取り込まれ、収集領域２０および２２に収集され、測定可能な電流として評価デバイス４０、４２によってタップ・オフされる。図３ｃに示した制御電圧の形状のために、正の制御電圧中に、変調された光子束５０がセンサ表面に衝突する場合に、発生した電子１１を収集領域２０へと移動させるドリフト領域が確実に生成される。したがって、正の制御電圧中に、電子１１は収集領域２０にて収集され、その結果として電流は収集領域２０にてタップ・オフされ得る。さらに、図３ｃに示したような制御電圧の形状のために、負の制御電圧中に、強度変調された光子束５０がセンサ表面に衝突する場合、発生した電子１１を収集領域２２へと移動させるドリフト領域が確実に生成される。したがって、負の制御電圧中に、電子１１は収集領域２２にて収集され、その結果として電流は収集領域２２にてタップ・オフされ得る。衝突する光子束５０および制御電圧に応じて収集領域２０に生じる集積された電流の形状を図３ｄに示し、衝突する光子束５０および制御電圧に応じて収集領域２２に生じる集積された電流の形状を図３ｅに示す。
【００２７】
評価デバイス４０、４２は、収集領域２０および２２においてタップ・オフされ得る集積された電流の合計を求めることができるように形成される。この合計は光子束５０の振幅の尺度である。同じく、評価デバイス４０、４２は、収集領域２０にてタップ・オフされ得る集積された電流と収集領域２２にてタップ・オフされ得る集積された電流との比を決定することができる。この比は、図３ｃに示した制御電圧形状の相に対するセンサに衝突する光子束５０の相の尺度である。図３ａおよび図３ｃに示すように、送信機によって生成される光子束の相が電圧源６０によって生成される制御電圧の相に等しい場合、収集領域２０および２２にてタップ・オフされ得る集積された電流の比が被測定オブジェクトからセンサに衝突するまでの光子の飛行時間の尺度であり、したがって光子がカバーする距離の尺度である。
【００２８】
図４は光電子センサを示しているが、制御領域３２および３４の代わりに、半導体領域においてドリフト領域を生成するＡＣ電圧がＡＣ電圧源６５を用いて印加される半導体領域１０の表面上にコンデンサ３５および３６がそれぞれ塗布されているという点で、図１に示した光電子センサとは異なっている。コンデンサ３５および３６は収集領域２０および２２から空間的に分離されており、収集領域２０および２２はコンデンサ３５と３６との間に配設されている。このコンデンサの代わりに、逆にバイアスされたショットキー・ダイオードを用いることも可能である。
【００２９】
図５は光電子センサを示しているが、ｐ型にドープされた制御領域３２および３４の代わりに、半導体領域１０においてｐｎ接合を形成し、逆にバイアスされる形態で動作されるｎ型にドープされた領域３７および３８が導入されているという点で、図１に示した光電子センサとは異なっている。ＡＣ電圧がｎ型にドープされた領域３７および３８にＡＣ電圧源６５を用いて印加され、収集領域２０と２２との間にドリフト領域を生成するために働く。収集領域２０および２２はｎ型にドープされた領域３７および３８から空間的に分離され、領域３７と３８との間に配設される。
【００３０】
その他に関して、図４および図５に示した光電子センサの構成は、図１および図２に関して記載したセンサの構成に相当する。したがって、同じ参照符号は同じフィーチャも表す。
【００３１】
また、光電子センサの収集領域２０および２２はショットキー・ダイオードとして形成されてもよいことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】概略的に示した接続された評価デバイスを備え、所定の極性の制御電圧が制御領域に印加された光電子センサを示す断面図である。
【図２】極性を逆転した制御電圧が制御領域に印加された図１の光電子センサを示す断面図である。
【図３】ａ．送信機によって放出された強度変調された光子束の形状を示すグラフである。ｂ．図１の光電子センサに衝突する光子束の形状を示すグラフである。ｃ．ドリフトすなわち制御電圧の形状を示すグラフである。ｄ．収集領域２０にてタップ・オフされた集積された電流の形状を示すグラフである。ｅ．収集領域２２にてタップ・オフされた集積された電流の形状を示すグラフである。
【図４】概略的に示した接続された評価デバイスと制御電圧で半導体領域内に容量結合する２つのコンデンサとを備えた光電子センサを示す断面図である。
【図５】概略的に示した接続された評価デバイスと制御電圧で半導体領域内に容量結合する逆にバイアスされた２つのダイオードとを備えた光電子センサを示す断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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