Fraunhofer-Forscher beschleunigen CMOS-Sensoren um den Faktor 100

Ein neues Bauteil namens "Lateral Drift Field Photodetector" bewirkt die Verbesserung. Er transportiert Ladungsträger schneller als herkömmliche PPDs. Zum Einsatz kommen die schnellen CMOS-Sensoren zunächst in Industrie, Medizin und Forschung.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS haben ein optoelektronisches Bauelement entwickelt, mit dem sich die Auslesegeschwindigkeit von CMOS-Sensoren auf das Hundertfache erhöhen lässt. Das „Lateral Drift Field Photodetector“ (LDPD) genannte Bauteil ist zum Patent angemeldet. Es soll die bisher für die Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Impulse zuständigen Pinned-Photodioden (PPD) zunächst in Bereichen ersetzen, in denen eine hohe Bildrate und eine größere Pixelfläche gefragt ist.

Bei einer PPD diffundieren die Elektronen lediglich zum Ausleseknoten. Für die meisten Anwendungsfälle in der Digitalfotografie reicht das aus. Im LDPD wandern die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträger dagegen mit hoher Geschwindigkeit zum Ausgang. Die Verbesserung haben die Fraunhofer-Experten erreicht, indem sie innerhalb des photoaktiven Bereichs ein elektrisches Spannungsfeld in das Bauelement integrierten.

Die vom Fraunhofer IMS optimierten CMOS-Sensoren im Einsatz bei der Steuerung einer Produktionsmaschine (Bild: Fraunhofer-Institut IMS).
Die vom Fraunhofer IMS optimierten CMOS-Sensoren im Einsatz bei der Steuerung einer Produktionsmaschine (Bild: Fraunhofer-Institut IMS).

Während die Miniaturisierung in der Unterhaltungselektronik zu immer kleineren Pixelgrößen von rund einem Mikrometer führt, sind bei bestimmten Anwendungen, wo nur wenig Licht zur Verfügung steht, etwa bei Röntgenfotografie, Spektroskopie oder in der Astronomie, Pixel von über 10 Mikrometer gefragt: Die größere Pixelfläche gleicht dort den Lichtmangel aus. „Doch wenn die Pixel eine bestimmte Größe überschreiten, haben die PPD ein Geschwindigkeitsproblem“, so Werner Brockherde, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS.

Um das neue Bauelement zu realisieren, erweiterten die Fraunhofer-Forscher den derzeit verfügbaren 0,35 Mikrometer-Standard-CMOS-Prozess zur Herstellung der Chips. Ein Prototyp der neuen High-Speed-CMOS-Bildsensoren ist verfügbar. Die Freigabe für die Serienfertigung erwartet Brockherde innerhalb der kommenden zwölf Monate.

Laut Brockherde eignen sich die Chips auch 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 von einem Sensor erfasst und ergibt ein 3D-Bild. Diese Technologie sei etwa beim Aufprallschutz von Interesse. Gemeinsam mit der Duisburger TriDiCam GmbH haben die Fraunhofer-Forscher bereits einen solchen Flächensensor entwickelt.

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