Kurzwelliger Infrarot-Bildsensor mit geringem Pixelabstand

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Einen Pixelabstand von nur 1,82 µm erreicht der Prototyp eines Bildsensors auf Basis eines Dünnfilm-Photodetektors. Künftig sollen sich auf Wafer-Ebene hohe Stückzahlen der Sensoren fertigen lassen.

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Der Dünnfilm-Photodetektor wurde monolithisch auf einer kundenspezifischen Si-CMOS-Ausleseschaltung integriert.
Der Dünnfilm-Photodetektor wurde monolithisch auf einer kundenspezifischen Si-CMOS-Ausleseschaltung integriert.
(Bild: Imec)

Einen Prototyp eines hochauflösenden Kurzwellen-Infrarot- (SWIR-)-Bildsensors mit einem Pixelabstand von 1,82 µm hat Imec präsentiert. Das Forschungsunternehmen ist weltweit führend für Nanoelektronik und digitale Technologien. Der Bildsensor basiert auf einem Dünnfilm-Photodetektor, der monolithisch auf einer kundenspezifischen Si-CMOS-Ausleseschaltung integriert ist.

Ein fab-kompatibler Prozessablauf ebnet den Weg zu einer Wafer-Level-Fertigung mit hohem Durchsatz. Die jetzt vorgestellte Technik soll laut Hersteller die Fähigkeiten aktueller InGaAs-basierter SWIR-Imager in Bezug auf Pixelabstand und Auflösung übertreffen.

Damit ebnet der SWIR-Bildsensor den Weg für neue Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung, der Landwirtschaft, der Automobilindustrie, der Überwachungsindustrie, den Biowissenschaften und schließlich auch der Unterhaltungselektronik.

Kurzwellige Infrarotsensoren für die Industrie

Das kurzwellige Infrarotfrequenband (SWIR) tastet mit Wellenlängen von etwa 1400 nm bis über 2000 nm ab. Damit bietet es im Vergleich zum sichtbaren (VIS) und nahen Infrarotband (NIR) einige Vorteile. Dazu gehört, dass die SWIR-Sensoren beispielsweise durch Rauch oder Nebel oder sogar durch Silizium hindurch sehen können. Das wiederum ermöglicht Anwendungen in der Inspektion- und in industriellen Machine-Vision-Anwendungen.

Aktuell entstehen SIWR-Sensoren durch eine hybride Herstellungstechnik. Hier wird ein III-V-basierter Photodetektor, meist auf InGaAs-Basis, mit einer Silizium-Ausleseschaltung Flip-Chip-Gebondet. Obwohl die Sensoren sehr empfindlich sein können, ist das hybride Verfahren bei großen Stückzahlen sehr teuer und begrenzt in der Größe der Pixel und der Anzahl der Pixel.

Monolithische Integration mit geringem Pixelabstand

SWIR-Bilder für drei verschiedene Pixelabstände. Die Bilder mit der höchsten Auflösung konnten mit dem kleinsten Pixelabstand von 1,82 µm aufgenommen werden.
SWIR-Bilder für drei verschiedene Pixelabstände. Die Bilder mit der höchsten Auflösung konnten mit dem kleinsten Pixelabstand von 1,82 µm aufgenommen werden.
(Bild: Imec)

Einen anderen Weg beschreitet Imec: Mithilfe einer monolithischen Integration eines Dünnfilm-Photodetektorstapels wird mit einem Si-CMOS-Ausleseschaltkreis ein Pixelabstand von unter 2 µm erreicht. Der Photodetektor-Pixelstapel implementiert eine dünne Absorberschicht wie PbS-Quantenpunkte mit 5,5 nm. Das entspricht einer Spitzenabsorption bei einer Wellenlänge von 1400 nm.

Die Peak-Absorptionswellenlänge lässt sich über die Größe der Nanokristalle abstimmen und ist auf Wellenlängen von über 2000 nm erweiterbar. Bei der maximalen SWIR-Wellenlänge wird eine externe Quanteneffizienz (EQE) von 18% erreicht. Über weitere Verbesserungen ist die Quanteneffizienz bis auf 50% möglich. Der Photodetektorstapel ist monolithisch mit einer kundenspezifischen Ausleseschaltung integriert, die in 130-nm-CMOS-Technologie gefertigt wurde. In dieser Ausleseschaltung wurde das Drei-Transistor-Pixeldesign für die Skalierung der Pixelgröße im zugänglichen 130-nm-Technologieknoten optimiert. Damit ergibt sich ein Pitch von 1,82 µm für den jetzt vorgestellten Prototyps.

Die SWIR-Sensoren im Einsatz

Die kurzwelligen Infrarotsensoren lassen sich beispielsweise in der industriellen Bildverarbeitung einsetzen. Beispielsweise für die Kontrolle von Photovoltaik-Panels, in der Landwirtschaft für die Inspektion und Sortierung, im Automobilbau, in der Überwachung oder in den Biowissenschaften für die linsenlose Bildgebung.

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