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Beschleunigte Auslesegeschwindigkeit durch neue High-Speed-CMOS-Sensoren

Fraunhofer-Forscher haben ein neues optoelektronisches Bauelement entwickelt. Genannt wird es "Lateral Drift Field Photodetector" (LDPD). Darin sollen die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträger mit Hochgeschwindigkeit zum Ausgang wandern, berichtet die Fraunhofer-Gesellschaft. Herkömmliche Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS)-Bildsensoren sind für lichtschwache Anwendungen wie Fluoreszenz kaum brauchbar. Denn große, in einer Matrix angeordnete Pixel erlauben keine raschen Auslesegeschwindigkeiten. Das neue optoelektronische Bauteil beschleunigt diesen Prozess. Es wurde bereits zum Patent angemeldet. Von Interesse könnten diese High-Speed-CMOS-Sensoren beispielsweise auch für den Aufprallschutz im Automobil sein.

Pinned-Photodioden (PPD) sorgen für die Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Impulse. 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.

Mit diesem Problem haben sich die Fraunhofer-Forscher beschäftigt und das LDPD entwickelt. Darin sollen die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträger mit Hochgeschwindigkeit zum Ausgang wandern. Bei der PPD diffundieren die Elektronen zum Ausleseknoten, was ein vergleichsweise langsamer Prozess ist, der aber für viele Anwendungen ausreicht. Indem aber innerhalb des photoaktiven Bereichs ein elektrisches Spannungsfeld in das Bauelement integriert werde, könne der Vorgang bis zum Hundertfachen beschleunigt werden.

Um das neue Bauelement realisieren zu können, erweiterten die Wissenschaftler 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", betont Brockherde. Mithilfe von Simulationsberechnungen sei es gelungen, diesen Anforderungen zu genügen - ein Prototyp der neuen High-Speed-CMOS-Bildsensoren ist bereits verfügbar.

Die High-Speed-CMOS-Sensoren sollen nicht nur für Anwendungen, in denen großflächige Pixel und eine hohe Auslesegeschwindigkeit erforderlich sind, geeignet sein. So könnten in der Astronomie, bei der Spektroskopie oder in der modernen Röntgenfotografie könnten sie zum Einsatz kommen. Aber sie eignen sich auch als dreidimensionale (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.
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