Neuer Sensor für Kompaktkameras Farbbildsensor mit OPF

Auf der IEDM 2015 wurde ein Farbbildsensor für hochauflösende Kompakt-Farbbildkameras vorgestellt. Der RGB-empfindliche Sensor ist aus drei aufeinandergestapelten organischen photoleitenden Filmen (OPF) aufgebaut, verzichtet auf Farbfilter und Prismen und erreicht so einen hocheffizienten »light-use«.

Mit den neuesten Entwicklungen von High-Definition-Video- und -TV-Systemen werden zunehmend höhere Ansprüche an die technischen Voraussetzungen der elektronischen Bauelemente gestellt. Rasante Fortschritte in dieser Technik, wie die »8K Resolution«, bieten dem Zuschauer wirklichkeitsgetreue Sinnesempfindungen bedingt durch ultrahohes Auflösungsvermögen.

Infolge wachsender technischer Ansprüche bei den HD-Video- und TV-Systemen sinkt die Pixelgröße für Sensoren aus Metalloxid-Halbleitern auf wenige Mikrometer. Gleichzeitig nimmt durch die Verringerung der Pixelgröße auch die Menge an Licht ab, die von jedem einzelnen Pixel empfangen werden kann. Um die Effizienz der Pixel bezüglich des »light-use« zu steigern, wurde eine neue Art von Farbbildsensoren entwickelt, basierend auf organischen photoleitenden Filmen (OPF).

Im Unterschied zu herkömmlichen Sensoren aus Metalloxid-Halbleitern besteht der neue Farbbildsensor von Sakai et al. aus drei übereinander gestapelten organischen photoleitenden Filmen (Bild 1). Abgeschieden sind diese auf einem optisch-transparenten Auslesesystem.

Das Auslesesystem wird von Oxid-Dünnschicht-Transistor-Arrays (TFT) gebildet. Sakai et al. fokussierten sich auf die Entwicklung eines Sensors, der eine Farbseparation ohne Prisma oder Farbfilter vornimmt – im Unterschied zu den OPF-basierten Farbbildsensoren von Ihama und Mori, die beispielsweise Farbfilter-Arrays von Bayer verwenden. Bei dem neuen Farbbildsensor von Sakai et al. absorbiert vielmehr jeder einzelne Film selektiv eine Komponente des RGB-Lichts und überführt diese in Ladung. Die beiden anderen Lichtkomponenten werden durchgelassen. Durch die vertikale Anordnung der OPFs wird ein hocheffizienter »light-use« erzielt, da der Lichtempfangsbereich aller RGB-Pixel auf nahezu 100 % Absorptionsfläche ausgeweitet wurde. Außerdem muss bei OPF-basierten Farbbildsensoren kein »Demosaicing« vorgenommen werden, da ein Singlebild-Sensorchip verwendet wird, im Unterschied zum herkömmlich verwendeten Farbfilter-Arrays von Bayer.

Es wurden bereits technische Umsetzungen zur HD-Farbbildgebung unter Verwendung von OPFs getestet. In Gegenwart eines Elektronenstrahls weisen OPF-basierte Farbbildsensoren genügend Auflösung auf, so dass sie für High-Definition-TV-Betrieb (HDTV) verwendbar sind. Um ein Bild zu erhalten, werden die organischen photoleitenden Filme auf einer mit Indium-Zinn-Oxid beschichteten Glasblende im Vakuum mit Elektronen bestrahlt.