High-Speed-CMos-Sensoren für schnelle Aufnahmen
Ein neues optoelektronisches Bauteil beschleunigt das Auslesen von lichtschwachen Anwendungen wie Fluoreszenz-Messungen.
Längst haben CMos-Bildsensoren in der Digitalfotografie den Markt erobert. In der Herstellung, Stromverbrauch und Handhabung sind sie alten Sensoren überlegen. Doch die optischen Halbleiterchips stoßen mitunter an ihre Grenzen: Während die Miniaturisierung in der Unterhaltungselektronik zu immer kleineren Pixelgrößen von etwa 1 Mikrometer führt, sind bei bestimmten Anwendungen größere Pixel von mehr als 10 Mikrometer gefragt. Besonders in Bereichen, in denen nur wenig Licht zur Verfügung steht, wie in der Röntgenfotografie oder in der Astronomie, gleicht die größere Pixelfläche den Lichtmangel aus.
Abb.: Hier kommen die High-Speed-CMOS-Sensoren zum Steuern von Produktionsmaschinen zum Einsatz. (Bild: Fraunhofer IMS)
Für die Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Impulse sorgen Pinned-Photodioden (PPD). Diese optoelektrischen Bauelemente sind für die Bildverarbeitung wesentlich und werden in die CMos-Chips eingebaut. Doch wenn die Pixel eine bestimmte Größe überschreiten, haben die PPD ein Geschwindigkeitsproblem. Denn meistens erfordern lichtschwache Anwendungen hohe Bildraten. Dafür ist die Auslesegeschwindigkeit mit PPD jedoch zu gering.
Für dieses Problem haben Fraunhofer-Forscher jetzt eine Lösung gefunden: Die Wissenschaftler haben ein neues optoelektronisches Bauelement entwickelt, LDPD genannt – Lateral drift field Photodetector. Darin wandern die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträger mit High-Speed zum Ausgang. Bei der PPD diffundieren die Elektronen lediglich zum Ausleseknoten. Ein vergleichsweise langsamer Prozess, der für viele Anwendungen ausreicht. „Indem wir aber innerhalb des photoaktiven Bereichs ein elektrisches Spannungsfeld in das Bauelement integriert haben, konnten wir diesen Vorgang bis zum hundertfachen beschleunigen“, sagt Werner Brockherde, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS.
Um das neue Bauelement herzustellen, erweiterten die Fraunhofer-Forscher den derzeit verfügbaren 0,35 µm-Standard-CMos-Prozess zur Herstellung der Chips: Das zusätzliche LDPD-Bauelement darf die Eigenschaften der restlichen Bauteile nicht beeinträchtigen. Mithilfe von Simulationsberechnungen gelang es den Experten, diesen Anforderungen zu genügen – ein Prototyp der neuen High-Speed-CMos-Bildsensoren ist bereits verfügbar.
Die High-Speed-CMos-Sensoren sind ideale Kandidaten für Anwendungen, in denen großflächige Pixel und eine hohe Auslesegeschwindigkeit erforderlich sind: Nicht nur in der Astronomie, bei der Spektroskopie oder in der modernen Röntgenfotografie könnten sie zum Einsatz kommen. Sie eignen sich auch hervorragend als 3D-Sensoren, die nach dem Time-of-Flight-Verfahren arbeiten.
Dabei senden Lichtquellen kurze Impulse aus, die von den Objekten reflektiert werden. Die Laufzeit des Lichts wird dann von einem Sensor erfasst und ergibt ein ganzheitliches 3D-Bild. Diese Technologie ist etwa beim Thema Aufprallschutz von Interesse. Denn die Sensoren können das Umfeld dreidimensional exakt erfassen.
Fraunhofer IMS / PH
