[論文レビュー] Proposal and demonstration of lock-in pixels for indirect time-of-flight measurements based on germanium-on-silicon technology

Neil Na, Soofin Cheng+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2018

Advanced Optical Sensing Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、ゲルマニウムシリコン上に形成されたロックインピクセルを、間接時間飛行3次元センシングに応用するものであり、高量子効率とGHz周波数帯における大きな変調帯域幅を達成した。この技術により、屋内および屋外環境において優れた深度精度が実現され、シリコンの限界を超えた長波長近赤外領域への応用が可能となった。

ABSTRACT

We propose the use of germanium-on-silicon technology for indirect time-of-flight based three-dimensional sensing, and demonstrate a novel lock-in pixel featuring high quantum efficiency and large frequency bandwidth. Compared to silicon pixels, germanium-on-silicon pixels simultaneously maintain a high quantum efficiency and a high demodulation contrast deep into GHz frequency regime, which enable consistently superior depth accuracy in both indoor and outdoor scenarios. Physical model, numerical simulation, device fabrication and characterization, system performance comparison, and laser safety analysis are presented. Our work paves a new path to high-performance time-of-flight rangers and imagers, as well as potential adoption of lasers operated at a longer near infrared wavelength that falls outside of the operation window of silicon pixels.

研究の動機と目的

• 間接時間飛行3次元センシングにおけるシリコンベースピクセルの限界、特に高周波数変調下での性能低下および短波長近赤外領域での限界を解消すること。
• ゲルマニウムシリコン技術を活用することで、従来のシリコンピクセルにおける量子効率と変調対比のトレードオフを克服すること。
• シリコンの応答範囲を超える長波長近赤外レーザーを用いた動作を可能にし、厳しい照明条件下での性能向上を図ること。
• 物理モデル、デバイスのプロトタイピング、システムレベルの性能比較を通じて、提案ピクセルの優位性を実証すること。
• レーザー安全性を確保し、実用的導入を可能にするために、出力レベルと露出限度を分析すること。

提案手法

• ゲルマニウムシリコンヘテロ構造フォトダイオードを用い、シリコンのカットオフを超える広帯域の近赤外スペクトルにおいても高い量子効率を達成する。
• 統合された変調・復調機能を備えたロックインピクセルアーキテクチャを実装し、変調光からの位相差を抽出することで、間接時間飛行測定を実現する。
• GHz周波数帯においても高い変調対比を実現するピクセル設計を行い、強い環境光下でも正確な深度分解能を確保する。
• 周波数および照度条件の変化に応じたデバイス挙動を予測するため、物理モデリングと数値シミュレーションを実施する。
• 標準的なCMOSプロセスを用いてプロトタイプピクセルをプロセスし、既存のイメージングシステムとのスケーラビリティと統合性を確保する。
• 制御された屋内および屋外照明条件下で、シリコンベースの対応ピクセルと比較してデバイス特性評価とシステムレベルの性能比較を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲルマニウムシリコン上に形成されたロックインピクセルは、GHz周波数帯においても高い量子効率と変調対比を維持できるか。これにより、厳しい環境下でも正確な深度センシングが可能になるか。
• RQ2 ゲルマニウムシリコン技術の導入によって、時間飛行センサの動作波長範囲がどの程度シリコンの限界を超えて拡張されるか。
• RQ3 屋内および屋外の両環境下で、ゲルマニウムシリコンピクセルの深度精度はシリコンベースピクセルと比較してどの程度優れているか。
• RQ4 環境光およびレーザー出力がシステム性能に与える影響は何か。また、提案された設計ではどのようにしてレーザー安全性が確保されているか。
• RQ5 提案されたピクセルアーキテクチャは、標準的なCMOSプロセスでプロセス可能であり、商業用イメージングシステムへのスケーラブルな統合が可能か。

主な発見

• ゲルマニウムシリコン上に形成されたロックインピクセルは、GHz周波数帯域においても高い量子効率と大きな変調対比を同時に達成し、一貫した深度精度を実現した。
• 提案されたピクセルは、屋内および屋外環境の両方で優れた性能を維持し、強い環境光下でもシリコンベースピクセルを上回った。
• この技術により、1100 nmを超える長波長近赤外レーザーを用いた動作が可能となり、これはシリコンピクセルでは無効な波長領域である。
• 数値シミュレーションと実験的特性評価により、物理モデルの正確性が確認され、周波数および照度条件の変化に応じたデバイス性能の妥当性が裏付けられた。
• レーザー安全性分析により、システムが安全な露出限度内に収容されていることが確認され、実用的導入が可能であることが示された。
• プロセスは標準的なCMOS技術と互換性があり、商業用3次元イメージングシステムへのスケーラブルな統合が可能であることが確認された。