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Neuer Sensor für Kompaktkameras

Farbbildsensor mit OPF

14. März 2016, 11:46 Uhr | T. Sakai und Verena Winkler

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Praktische Umsetzung

In Folge der erfolgreichen technischen Umsetzung eines OPF-basierten HDTV-Bildes realisierten Sakai et al. schrittweise die Herstellung des hochauflösenden Sensors. Für die Konzeption von hochauflösenden Kompakt-Farbbildkameras ist vor allem eine Verringerung der Pixelgröße anzustreben. Eine Möglichkeit, die Pixelgröße zu minimieren, besteht darin, den räumlichen Abstand der vertikal gestapelten OPFs so gering wie möglich zu gestalten. Bei einer Pixelneigung von 5 µm ist eine Brennweite von maximal 20 µm zulässig.

Erste konzeptionelle Umsetzungsversuche zur Herstellung von hochauflösenden Sensoren sind in Bild 2 gezeigt. Es wurden zunächst ungestapelte OPF-basierte Test-Bildsensorelemente konstruiert. Die optisch-transparenten Auslesesysteme (TFT Array) jedes OPFs enthalten hier Zinkoxid im aktiven Kanal, abgeschieden auf einem Glassubstrat. Bild 3 zeigt die Lichtempfindlichkeit der einzelnen OPFs ohne Stapelung.

Um die Test-Sensorelemente zu stapeln, wurden die OPFs auf einem dicken Glassubstrat abgeschieden. Der Abstand zwischen jedem OPF war 0,7 mm. Die große räumliche Distanz der Sensorelemente erzeugte Probleme im Bezug auf die Brennweite. Um diese in den Griff zu bekommen, wurde zunächst ein Zweischichtsensor mit einem deutlich dünneren Aufbau konzipiert. Die Herstellung erfolgte mit Hilfe eines Tieftemperatur-Fertigungsprozesses bei Temperaturen unter 123 K. Es wurden dünne Isolator-Zwischenschichten aus AlOx/TiOx innerhalb der gestapelten OPFs eingebracht. Die TFTs befinden sich über den OPFs und können durch Wärmezufuhr einfach zerstört werden. Im aktiven Kanal der TFTs wurde amorphes In-Ga-Zn-O (a-IGZO) eingesetzt, welches bei tiefen Temperaturen eine relativ hohe Gängigkeit besitzt. Die elektronenmikroskopische Darstellung in Bild 4 zeigt den Querschnitt des beschriebenen Zweischichtsensors, bestehend aus zwei gestapelten OPFs (sensitiv für Rot und Grün), einer Isolatorzwischenschicht und IGZO-TFTs.

Für die Herstellung des neuen RBG-Farbsensors mit verringerter Pixelgröße wurde auf Basis des Zweischichtsensors ein OPF-basierter Farbsensor mit einer Pixelneigung von 50 µm und drei übereinander gestapelten OPFs konzipiert (Bild 5). Der B-sensitive OPF wird durch eine Mischung von Coumarin 30 und Fulleren »C60« als Elektronenakzeptor- beziehungsweise -donor gebildet. Um einen elektrischen Kurzschluss beim Abscheiden der ITO-Zählelektrode auf dem OPF zu vermeiden, ist der blau-empflindliche Film außerdem mit zwei Pufferschichten aus tris(8-hydroxyquinolin) Aluminium (Alq3) und Naphthalin tetracarboxy Anhydrid (NTCDA) ausgestattet. Die R-Schicht besteht aus Zink-Phthalocyanin. Der G-sensitive Film, bestehtend aus 2,7-bis(carbazol-9-yl)9,9-spirobifluoren, Chinacridon und Alq3, wurde auf der Isolatorschicht (AlOx/TiOx) abgeschieden, die sich zwischen der R- und G-Schicht befindet. Auf beiden organischen Filmen wurde analog zum B-sensitiven OPF eine Zählelektrode installiert. Zwei Glassubstrate umrahmen sowohl den B-sensitiven Film als auch die zu einer Schicht zusammengefassten R- und G-empfindlichen Filme. Die Dicke der Zweischichtstruktur konnte durch SiN anstelle von SU-8 auf circa 3 µm reduziert werden. Dadurch wird ein maximaler Abstand von weniger als 20 µm zwischen der Oberkante der B-Schicht und der Unterkante der R-Schicht erzielt.