10 Okt. Dünnschicht-Fotodioden in NIR-Bildsensoren
Imec, ein Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien in Leuven/Belgien, hat eigenen Angaben zufolge eine Pinned-Fotodiodenstruktur in Dünnschicht-Bildsensoren integriert. Mithilfe der Diode und eines Transfergates können die überragenden Absorptionseigenschaften von Dünnschicht-Bildsensoren jenseits von 1 µm Wellenlänge jetzt genutzt werden, um Licht jenseits des sichtbaren Spektrums kostengünstig zu erfassen.
Die Detektion von Wellenlängen beispielsweise im Infrarot ist vorteilhaft für Kameras in autonomen Fahrzeugen, die Objekte durch Rauch oder Nebel erfassen können sowie für Kameras, die ein Smartphone per Gesichtserkennung entsperren. Während sichtbares Licht mit siliziumbasierten Bildwandlern erfasst werden kann, erfordern größere Wellenlängen, wie kurzwelliges Infrarot (SWIR), andere Halbleiter. Hier kommen sogenannte III-V-Materialien infrage. Die Herstellung dieser Absorber ist jedoch teuer, was ihre Anwendungen einschränkt.
Neuerdings haben sich Sensoren mit Dünnschichtabsorbern, etwa Quantenpunkten, als vielversprechende Alternative erwiesen. Sie zeigen gute Absorptionseigenschaften und können in herkömmliche (CMOS-) Ausleseschaltungen integriert werden. Allerdings beeinträchtigt ihr Rauschverhalten die Bildqualität.
Bereits in den 1980er-Jahren wurde die Pinned Photo Diode (PPD) für Silizium-CMOS-Bildsensoren vorgestellt. Sie ist durch ein zusätzliches Transistor-Gate und eine besondere Fotodiodenstruktur gekennzeichnet, durch die die Ladungen vollständig abgeleitet werden können, bevor die Integration beginnt – was einen Reset-Betrieb ohne kTC-Rauschen und ohne Auswirkungen des vorhergehenden Bilds ermöglicht. Aufgrund des geringeren Rauschens und der verbesserten Leistung dominieren PPDs daher den Consumer-Markt für siliziumbasierte Bildsensoren. Außerhalb der Silizium-Bildgebung war die Integration dieser Struktur bisher nicht möglich, weil es schwierig war, zwei unterschiedliche Halbleiter zu integrieren.
Jetzt hat Imec die Integration einer PPD-Struktur in den Ausleseschaltkreis von Dünnschicht-Bildsensoren demonstriert: Ein SWIR-Quantenpunkt-Fotodetektor wurde monolithisch mit einem Indium-Gallium-Zinkoxid-Dünnschichttransistor (IGZO) zu einem PPD-Pixel hybridisiert. Dieses Array wurde anschließend in einer CMOS-Ausleseschaltung zu einem Dünnschicht-SWIR-Bildsensor verarbeitet. Der Prototyp des 4T-Bildsensors wies laut Imec ein bemerkenswert geringes Ausleserauschen von 6,1 e– auf, verglichen mit >100 e– für den herkömmlichen 3T-Sensor, was für seine überlegene Rauschleistung spricht. Somit können Infrarotbilder mit weniger Rauschen, Verzerrungen oder Störungen und mit höherer Genauigkeit und Detailtreue aufgenommen werden. Nach Ansicht der Forscher wurden die bisherigen Grenzen der Pixelarchitektur überwunden und ein Weg aufgezeigt, den leistungsstärksten Quantenpunkt-SWIR-Pixel mit einer erschwinglichen Fertigung zu kombinieren. Zukünftige Schritte sollen die Optimierung dieser Technologie in verschiedenen Arten von Dünnschicht-Fotodioden sowie die Anwendung in Sensoren außerhalb der Silizium-Bildgebung sein.
Fakten zu Imec
Imec ist eigenen Angaben zufolge ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien. Das Imec nutzt eine hochmoderne F&E-Infrastruktur und verfügt über ein Team von mehr als 5 500 Mitarbeitern und Spitzenforschern für F&E. Forschungsbereiche sind fortgeschrittene Halbleiter und Systemskalierung, Silizium-Photonik, künstliche Intelligenz, 5G-Kommunikation und Sensortechnologien sowie Anwendungsbereiche wie Gesundheit und Biowissenschaften, Mobilität, Industrie 4.0, Agrofood, intelligente Städte, nachhaltige Energie, Bildung und mehr. Das Imec vereint weltweit führende Unternehmen der Halbleiter-Wertschöpfungskette, in Flandern ansässige und internationale Technologie-, Pharma-, Medizin- und IKT-Unternehmen, Start-ups sowie Hochschulen und Wissenszentren. Imec hat seinen Hauptsitz in Leuven (Belgien) und verfügt über Forschungsstandorte in ganz Belgien, in den Niederlanden und in den USA sowie über Vertretungen auf drei Kontinenten. Im Jahr 2021 sollen sich die Einnahmen (GuV) von Imec auf 732 Millionen Euro belaufen haben.
Originalpublikation
[E. Georgitzikis et al.: Thin-film image sensors with a pinned photodiode structure; Nature Electronics 2023 6(8):1-9, DOI: 10.1038/s41928-023-01016-9]