Müller, MauriceMauriceMüller2026-06-022026-06-022026https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/9282Imaging is a leading instrumentation technique for a vast range of applications. Among others, it is used for scene recognition in autonomous driving, robotics, the medical sector and in smartphones. Besides classical color imaging of two-dimensional (2D) planes, precise and accurate distance ranging is one advancing imaging modality, expanding imaging towards three dimensional (3D) depth sensing. Beyond image quality, high density integration of these image sensors into miniaturized systems, even on a single chip, is a major driver of ongoing development. State-of-the-art distance ranging and 3D imaging techniques are Time-of-Flight (ToF) and Triangulation. Both techniques face challenges in terms of small scale integration capabilities. Typical triangulation-based systems require a specific baseline distance in the cm-range, which is not suitable for monolithic chip integration. ToF-systems can be integrated on a single chip, but its principle requires high precision timings in the sub-ns range, advanced beam steering or complex circuity. Here, developments and achievements on photodetectors based on hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) capable for distance ranging and future 3D imaging are presented. The a-Si:H manufacturing technology at temperatures < 300°C is compatible with the standard CMOS. This approach enables the integration of sensors directly on top of a chip in the back end of line with high geometrical fill factors. The distance ranging operation exploits the nonlinear device behavior with respect to the optical excitation scenario. Based on simulations and subsequent experimental validations, two nonlinear mechanisms and their respective physics are systematically investigated, analyzed and developed towards individual distance ranging techniques. The a-Si:H Focus-Induced Photoresponse (FIP) measures nonlinear current response variations originating from an amplitude-modulated monochromatic optical excitation. The distance is acquired by a frequency selective readout of the nonlinear, focus-dependent sensor signal. Distance resolutions down to 540 μm are achieved, allowing for precise ranging at low measurement and integration effort. The a-Si:H Intrinsic Photomixing Detector (IPD), utilizes an envelope mixing process of two amplitude modulated optical excitations. Thereby, the Time-of-Flight information is transferred to a lower frequency domain, enabling a read-out. This mixing takes place intrinsically within the detector and decreases the measurement complexity. Distance measurements are shown at > 70 m with depth resolutions down to 23 mm, which is comparable with commercial systems. Developments on advanced device concepts are studied and discussed. These concepts systematically improve the sensitivity, spectral bandwidth and speed of the detectors.Bildgebung ist eine führende Technik mit einer Vielzahl an Anwendungen. Unter anderem wird sie im autonomen Fahren, in der Robotik, dem medizinischen Bereich und in Smartphones genutzt. Neben der klassischen zweidimensionalen (2D) Farbbildgebung, ist eine präzise und genaue Entfernungsmessung eine weiterführende Bildgebungsmodalität, die zur dreidimensionalen (3D) Tiefenerfassung erweitert wird. Über die Bildqualität hinaus ist eine hohe Integrationsdichte in miniaturisierten Systemen, bis hin zu einzelnen Chips, ein hauptsächlicher Treiber für die Entwicklung. Aktuelle Techniken zur Entfernungsmessung und 3D-Bildgebung sind das Time-of-Flight (ToF) und die Triangulation. Beide Techniken stehen vor der Herausforderung der Integration auf kleinsten Skalen. Typische Triangulationssysteme benötigen einen Basisabstand im cm-Bereich, wodurch für eine Chipintegration verhindert wird. Obwohl ToF-Systeme auf einzelnen Chips integriert werden können, erfordert ihr Prinzip hochpräzise sub-ns Zeitmessungen, Strahlsteuerungen oder komplexe Schaltungen. Diese Arbeit stellt Entwicklungen von Photodetektoren basierend auf amorphem Silizium (a-Si:H) vor, die für Entfernungsmessungen und 3D-Bildgebung geeignet sind. Die a-Si:H Fertigungstechnologie bei Temperaturen von < 300°C sind kompatibel mit herkömmlichem CMOS. Dieser Ansatz ermöglicht die Integration der Sensoren direkt auf einem Chip in der back end of line mit hohem geometrischen Füllfaktor. Die Entfernungsmessung nutzt nichtlineares Bauteilverhalten in Bezug auf dessen optische Anregung. Basierend auf Simulationen und anschließenden experimentellen Validierungen wurden zwei nichtlineare Mechanismen und deren jeweilige Physik systematisch untersucht, analysiert und zu Entfernungsmessverfahren entwickelt. Die a-Si:H Focused-Induced Photoresponse (FIP) misst Veränderungen in der nichtlineare Stromantwort, die durch ein amplitudenmoduliertes Signal angeregt werden. Die Distanz wird durch ein frequenzselektives Auslesen des Fokusabhängigen Detektorsignals ermittelt. Tiefenauflösungen bis zu 540 μm wurden erreicht, was präzise Entfernungsmessungen mit geringem Mess- und Integrationsaufwand ermöglicht. Der a-Si:H Intrinsischer Photomisch-Detektor (IPD), nutzt eine Hüllkurvenmischung von zwei nmodulierten optischen Anregungen. Dadurch wird die Information der Lichtlaufzeit zu niedrigeren Frequenzbereich übertragen. Dieses Mischen findet intrinsisch innerhalb des Detektors statt und verringert die benötigte Messkomplexität. Distanzmessungen bis zu > 70 m mit Tiefenauflösungen von 23 mm wurden erreicht, was vergleichbar mit kommerziellen Systemen ist. Entwicklungen zu fortgeschrittenen Detektoren werden untersucht. Diese verbessern systematisch deren Empfindlichkeit, spektrale Bandbreite und Geschwindigkeit.en621.3 Elektrotechnik, Elektronika-Si:HAmorphous siliconDistance rangingPhotodetector3D imagingAmorphes SiliziumEntfernungsmessungFotodetektor3D-Bildgebunga-Si:HDoctoral ThesisBolívar, Peter Haringurn:nbn:de:hbz:467-92829