Mit High-Speed-CMOS-Sensoren sieht man besser

Foto: High-Speed-CMOS-Sensoren

Während man in der Digitalfotografie die Pixelgröße immer weiter zu verringern versucht, 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. Denn meistens erfordern lichtschwache Anwendungen hohe Bildraten. „Dafür ist die Auslesegeschwindigkeit mit PPD jedoch zu gering“, fügt er hinzu.

Die Wissenschaftler haben nun 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 Brockherde. 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 wie in der Astronomie, bei der Spektroskopie oder in der modernen Röntgenfotografie könnten sie zum Einsatz kommen.

COMPAMED.de; Quelle: Fraunhofer Gesellschaft