[发明专利]用于飞行时间测量的半导体器件和方法

说明书

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。

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)。

本发明的目的是促进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。