CMOS Image Sensors – CMOS-CCDs

Herkömmliche CCD-Technologien für optische Sensoren werden heutzutage hauptsächlich dort verwendet, wo höchste Anforderungen an den Sensor gestellt werden:

• Anwendungen, die ein extrem niedriges Dunkelsignal erfordern
• Anwendungen mit Time-Delay-Integration (TDI) (z. B. Weltraumdetektoren)

In der Regel wird für diese Art von Sensoren ein hochreines, defektarmes Silizium-Material als Basis genutzt, um so Kristalldefekte als Ursache für parasitäre Dunkelsignale zu minimieren. Der sehr große Dynamikbereich wird dadurch erreicht, dass die Betriebsspannung mit mehr als 10 V große Potentialunterschiede erlaubt und somit den Transport von großen Ladungspaketen ermöglicht.

Einer der entscheidenden Nachteile einer nicht in CMOS integrierten CCD besteht darin, dass die komplette Signalverarbeitung sowie die Sensoransteuerung extern stattfinden müssen. Dies sorgt für erhebliche parasitäre Effekte, wie zum Beispiel hohe Leitungswiderstände oder Bonddraht Induktivitäten. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Pixelwerte über ein sehr schnell getaktetes analoges CCD Schieberegister zum Ausgang befördert werden müssen. Die Verluste im Schieberegister sind hoch und damit ist die Leistungsaufnahme für eine herkömmliche CCD deutlich höher als für die CMOS-CCD.

Das Fraunhofer IMS hat einen Prozess entwickelt in dem CCDs so in den CMOS–Prozess integriert werden, dass die CMOS-CCDs die Vorteile beider Technologien nutzen:

1. Die Integration der CCDs in den CMOS-Prozess erlaubt die direkte parallele Signalverarbeitung und A/D-Wandlung auf dem Chip und minimiert somit parasitäre Störeffekte. Die Ausgabe der digitalisierten Sensordaten über mehrere Kanäle beseitigt den Flaschenhals beim Datentransfer.
2. Die Adaption des Prozesses an die in CCDs üblicherweise verwendeten Spannungen ermöglicht auch der CMOS-CCD die Verarbeitung großer Ladungspakete.
3. Eine speziell angepasste Gate-Struktur aus zwei sich überlappenden Polysilizium-Gates garantiert einen kontinuierlichen Potentialverlauf innerhalb der CMOS-CCD und ermöglicht insbesondere für kleine Signale einen verlustarmen Ladungstransport.
4. Durch eine tiefe Kanal-Implantation in der CMOS-CCD wird der Ladungstransport von Grenzflächen ferngehalten und gewährleistet so eine hohe Transfereffizienz.

Das Hauptanwendungsgebiet für die CMOS-CCDs ist im Bereich der TDI Weltraumdetektoren zu sehen. Für diese Anwendung werden Sensoren mit sehr hohen optischen Anforderungen benötigt, die gleichzeitig eine geringe Leistungsaufnahme aufweisen, um den Aufwand, das Gewicht und somit die Kosten für die Sensor-Klimatisierung gering zu halten.