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Neues optoelektronisches Bauteil für High-Speed-CMOS-Sensoren
Archiv | 07.01.2012 | Herkömmliche CMOS-Bildsensoren sind für lichtschwache Anwendungen wie Fluoreszenz kaum brauchbar. Denn große, in einer Matrix angeordnete Pixel erlauben keine raschen Auslesegeschwindigkeiten. Ein neues optoelektronisches Bauteil beschleunigt diesen Prozess. Es ist bereits zum Patent angemeldet.
Längst haben CMOS-Bildsensoren in der Digitalfotografie den Markt
erobert. In der Herstellung sind sie wesentlich günstiger als bisherige
Sensoren. Auch in Sachen Stromverbrauch und Handhabung sind sie
überlegen. Deshalb verbauen die großen Hersteller von Handy- und
Digitalkameras fast ausschließlich nur noch CMOS-Chips in ihre Produkte.
Das schont den Akku – und die Kameras werden immer kleiner. 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. 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«, erklärt Werner Brockherde, Abteilungsleiter am
Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS.
Denn meistens erfordern lichtschwache Anwendungen hohe Bildraten.
»Dafür ist die Auslesegeschwindigkeit mit PPD jedoch zu gering«, sagt
Brockherde.
Für dieses Problem haben die Fraunhofer-Forscher jetzt eine Lösung
gefunden – sie ist bisher einzigartig und bereits patentiert: 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«, erklärt der Forscher. 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.«
Um das neue Bauelement realisieren zu können, 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«, sagt Brockherde. Mithilfe von Simulationsberechnungen
gelang es den Experten, diesen Anforderungen zu genügen – ein Prototyp
der neuen High-Speed-CMOS-Bildsensoren ist bereits verfügbar. »Die
Freigabe für die Serienfertigung erwarten wir für nächstes Jahr«, so
Brockherde.
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
reflektierten 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. Für die TriDiCam GmbH haben die
Fraunhofer-Forscher bereits einen solchen Flächensensor mit der
einzigartigen Pixelanordnung entwickelt.
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