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Technologie-Trends bei CMOS-Bildsensoren

CMOS-Bildsensoren dominieren heute vor allem in der Unterhaltungselektronik. In den letzten zehn Jahren haben sie die CCDs weit überholt. Auslöser ist die erstaunliche Entwicklung der Kameras für Mobiltelefone: Kostendruck und Wettlauf zu immer höheren Auflösungen führen zu kleineren Pixelformaten und zwingen die Sensor-Hersteller, Chips in fortschrittlichen CMOS-Technologien zu entwickeln – mit spezifischer Anpassung der Fertigungsprozesse.

Der Durchbruch der CMOS-Technologie in der Bildverarbeitung kam mit Einführung der Pinned-Photodioden und der Vier- Transistor-Pixel (4T-Pixel): Damit gelang es, die Leistung von CCD-Sensoren zu erreichen^[1]. Mit Pixel-Sharing wurden Pixel mit Kantenlängen von 2,2 μm und darunter^[2] möglich. Die Höhe des optischen Stacks oberhalb des Pixels wurde drastisch verringert, um die Winkelempfindlichkeit dieser kleineren Pixel zu reduzieren^[3]. Die Beleuchtung von der Rückseite wurde in Bildwandlern für Konsumelektronik allgemein eingeführt, um die Empfindlichkeit bei Pixelgrößen von 1,4 μm und kleiner zu erhalten^{[4, 5]}.

Alle diese technologischen Fortschritte wurden zunächst in proprietären Prozessen für diese Bildwandler realisiert und werden jetzt allmählich für den breiteren Einsatz in CMOS-Bildwandlern verfügbar. Das treibt auch die Entwicklung von speziellen Bildwandlern für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Applikationen an, deren Anforderungen sich stark vom Endkunden-Marktsegment unterscheiden.

So verlangen industrielle Applikationen neben höheren Bildwechselfrequenzen oft Pixel mit Global-Shutter- Charakteristik. Wissenschaftliche Anwendungen bedingen geringes Rauschen und hohe Quanteneffizienz; einige professionelle Einsätze erfordern großflächige Bildwandler oder auch Wandler mit extrem hoher Auflösung.

Alles das ist nun auch mit CMOS-Bildwandlern möglich – durch neue Technologien, Architekturen und Baustein- Spezifikationen. Nachfolgend werden Innovationen auf der Pixel- Ebene und Verbesserungen der Quanteneffizienz bei langen und kurzen Wellenlängen beschrieben, wie sie jetzt mit modernen Fertigungstechniken für Bildwandler möglich sind.

Global-Shutter mit korreliertem Doppel-Sampling

Pinned-Photodioden sind in 4T-Pixel- Architekturen gebräuchlich. Die 4TPixel- Struktur wird nach der Methode des Correlated Double Sampling (CDS) ausgelesen – das beseitigt das Reset- oder kTC-Rauschen, ähnlich dem Ausleseschema bei CCDs. Allerdings werden die Pixel hier im Prinzip des Rolling Shutter ausgelesen, also zeilen- oder spaltenweise. Dies bedeutet, dass nicht alle Pixel zeitgleich erfasst werden. Als Ausweg wurden Global-Shutter-Pixel mit gepinnten Dioden vorgeschlagen, allerdings erlaubt das im Allgemeinen nicht den Einsatz von CDS. Das Resultat: ein beträchtlich höheres Ausleserauschen.

Cmosis 

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Bild 1. Struktur des neu entwickelten Acht-Transistor-Global-Shutter-Pixels.

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Cmosis

Bild 1. Struktur des neu entwickelten Acht-Transistor-Global-Shutter-Pixels.

Seit Kurzem sind aber neue Pixelstrukturen bekannt, die CDS und Global-Shutter kombinieren. Die Struktur des von Cmosis entwickelten CMOS-Pixels mit Global-Shutter ist in Bild 1 gezeigt^[6]. Jedes Pixel enthält zwei Sampling-Kondensatoren (C₁ und C₂), die zum Abtasten des Reset- und des Signalpegels eingesetzt werden. Weiterhin bezieht das Pixel eine Photodiode und ein Transfer- Gate (TX) mit ein. Am Ende des Belichtungsintervalls setzt der Reset-Transistor (RST) die Floating-Diffusion-Ladung im Pixel zurück; der Reset-Pegel dieser Floating Diffusion wird an C₂ über den im Pixel integrierten Source-Follower und die Schalter SAMPLE1 und SAMPLE2 abgetastet. Anschließend werden die integrierten Photoladungen zur Floating Diffusion transferiert, wobei die Spannung an der Floating Diffusion proportional zur Größe der Photoladungen abfällt. Diese Spannung wird an C₁ gesampelt.

Während des Auslesens des Bildes werden C₂ und C₁ nacheinander ausgelesen und die Differenz zwischen beiden Auslesewerten wird on-chip errechnet – gleichbedeutend mit einem CDS. Diese Differenz ist frei vom Reset-Rauschen der Floating Diffusion.

Diese Technik erzielt einen Wert von weniger als 10 e^- rms für das Ausleserauschen in einem Global-Shutter CMOS-Pixel. Die Kapazitäten C₁ und C₂ werden als Gate-Kondensatoren aus Standard NMOS-Transistoren realisiert; sie sind unempfindlich gegenüber Lichteinfall. Dieses Prinzip stellt auch die hohe Effizienz des Shutters sicher, also geringe Empfindlichkeit des Global-Shutter-Signals gegenüber parasitärem Licht.

Obwohl diese Pixel-Struktur viel mehr Einzelkomponenten enthält als ein Standard-Rolling-Shutter-Pixel, kann sie auf kleinerer Grundfläche ausgelegt werden. Bildwandler mit Pixeln von 5,5 μm Kantenlänge lassen sich so realisieren und in einem 0,18-μm-CMOS-Prozess herstellen. Der Rauschpegel beträgt 10 e^- rms, die Full-Well-Ladung liegt bei 13 500 e^-. Das ergibt einen Dynamikbereich von 62 dB. Die parasitäre Lichtempfindlichkeit der Speicher-Nodes innerhalb der Pixel ist geringer als 1/50 000. Der Spitzenwert der Quanteneffizienz liegt zwischen 500 und 600 nm bei etwa 45 %.

1. Teil: Technologie-Trends bei CMOS-Bildsensoren
2. Teil: Quanteneffizienz bei großen und kurzen Wellenlängen
3. Teil: Professionelle Bildverarbeitung profitiert von Unterhaltungselektronik

Weiterführende Links:

• Bildverarbeitung: Dynamikerweiterung bei CMOS-Bildsensoren
• CMOS-Bildsensoren mit Global Shutter: Verzerrungseffekte gehören der Vergangenheit an
• Bildaufnehmer-Geschäftsfeld wechselt den Besitzer: On Semi kauft CMOS-Bildsensor-Sparte von Cypress
• Fraunhofer IMS ergänzt das CMOS-Fertigungsverfahren um einen neuen Prozessschritt: UV-transparente Schutzschicht für CMOS-Bildsensoren
• 7,6 Mrd. Dollar Umsatz im Jahr 2015: Beschleunigtes Wachstum bei CMOS-Bildsensoren