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Imec

Integration von »Pinned« Photodiode in Dünnfilm-Infrarot-Sensoren

17. August 2023, 7:55 Uhr | Iris Stroh

Imec konnte erfolgreich eine »Pinned« Photodiodenstruktur in Dünnschicht-Bildsensoren integrieren. Das eröffnet eine Möglichkeit, die Absorptionseigenschaften von Dünnschicht-Bildsensoren - jenseits von 1 µm Wellenlänge - jetzt kostengünstig zu nutzen.

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Die Detektion von Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs, z. B. Infrarotlicht, hat eindeutige Vorteile. Zu den möglichen Applikationen gehören Kameras in autonomen Fahrzeugen, die durch Rauch oder Nebel »sehen« können, oder Kameras, die ein Smartphone per Gesichtserkennung entsperren. Während sichtbares Licht mit siliziumbasierten Imagern erfasst werden kann, sind für längere Wellenlängen, wie etwa kurzwelliges Infrarot (SWIR), andere Halbleiter erforderlich.

Die Verwendung von III-V-Materialien kann diese Detektionsgrenzen überwinden. Allerdings ist die Herstellung dieser Absorber teuer, was ihre Anwendung einschränkt. Neuerdings sind Sensoren mit Dünnschichtabsorbern (z. B. Quantenpunkte) als vielversprechende Alternative aufgekommen. Sie haben bessere Absorptionseigenschaften und können in herkömmliche Auslese-Schaltungen, sprich CMOS-basiert, integriert werden. Allerdings haben derartige Infrarotsensoren ein schlechteres Rauschverhalten, was zu einer minderwertigeren Bildqualität führt.

Bereits in den 1980er Jahren wurde die »Pinned Photodiode«-Struktur (PPD) für Silizium-CMOS-Bildsensoren vorgestellt. Aufgrund des geringeren Rauschens und der verbesserten Leistung dominieren PPDs den Consumer-Markt für siliziumbasierte Bildsensoren. Außerhalb der Silizium-Bildgebung war die Integration dieser Struktur bisher nicht möglich, weil es schwierig war, zwei verschiedene Halbleitersysteme zu integrieren.

Jetzt hat das imec zum ersten Mal die erfolgreiche Integration einer PPD-Struktur in den Ausleseschaltkreis von Dünnschicht-basierten Bildsensoren demonstriert. Ein SWIR-Quantenpunkt-Photodetektor wurde monolithisch mit einem IGZO-Dünnschichttransistor (IGZO: Indium-Gallium-Zinkoxid) zu einem PPD-Pixel hybridisiert. Dieses Array wurde anschließend auf einer CMOS-Ausleseschaltung zu einem verbesserten Dünnschicht-SWIR-Bildsensor prozessiert. Laut Nikolas Papadopoulos, Projektleiter 'Thin-Film Pinned Photodiode' bei imec, zeichnet sich der Prototyp durch ein außergewöhnlich geringes Ausleserauschen im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren aus. Das heißt, dass damit Infrarotbilder mit weniger Rauschen, Verzerrungen oder Störungen und mit höherer Genauigkeit und Detailtreue aufgenommen werden können.

Pawel Malinowski, imec Program Manager 'Pixel Innovations' fügt hinzu: »Bei imec sind wir dank unserer gebündelten Expertise in den Bereichen Dünnschicht-Photodioden, IGZO, Bildsensoren und Dünnschichttransistoren führend bei der Verknüpfung von Infrarot und Bildsensoren. Mit dem Erreichen dieses Meilensteins haben wir die bisherigen Grenzen der Pixelarchitektur überwunden und einen Weg aufgezeigt, den leistungsstärksten Quantenpunkt-SWIR-Pixel mit einer erschwinglichen Fertigung zu kombinieren. Zukünftige Schritte werden die Optimierung dieser Technologie in verschiedenen Arten von Dünnschicht-Photodioden sowie die Anwendung in Sensoren außerhalb der Silizium-Bildgebung sein. Wir freuen uns darauf, diese Innovationen in Zusammenarbeit mit Industriepartnern weiterzuentwickeln.«