Ein wichtiger Parameter von Bildsensoren mit entscheidendem Einfluss auf die Empfindlichkeit ist der Füllfaktor. Dieser beschreibt den Anteil der lichtempfindlichen Fläche an der Gesamtfläche und somit den Anteil der auftreffenden Photonen, die detektiert werden können. Besonders SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) -basierte Sensoren enthalten üblicherweise sehr komplexe elektronische Schaltungen innerhalb der Pixel, die den lichtempfindlichen Bereich und damit den Füllfaktor  beschränken. Durch die vertikale Anordnung von aktiven Sensorelementen und der Schaltung (3D-Integration) kann bereits eine Verbesserung erzielt werden, dennoch wird die Pixelgröße immer noch durch die Größe der Ausleseschaltung bestimmt.

Mikrolinsen, die Photonen auf die lichtempfindlichen Flächen des Sensors fokussieren, können diese Limitierung überwinden und so eine entscheidende Leistungssteigerung bewirken. Im Rahmen des Fraunhofer-internen Projektes „SPAD im Fokus“ wurden in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) angepasste Mikrolinsenarrays entwickelt, die direkt auf dem 64 x 48 Pixel Sensor CSPAD αlpha aufgebracht wurden und den effektiven Füllfaktor signifikant erhöhen. Auf Basis der Sensorarchitektur wurde dazu ein optimiertes Linsendesign entworfen und simuliert. Unter Einsatz von Fotolithographie und Reflow von Fotoresist wurden die Mikrolinsenarrays angepasst an das CSPAD αlpha-Waferlayout im Wafer-Maßstab gemastert und anschließend auf ein Replikationswerkzeug übertragen. Bei dem Abformprozess wird flüssiges Polymer auf den Sensorwafer aufgetragen und mithilfe des Replikationswerkzeugs in die gewünschte Form gebracht. Durch selektives Aushärten mit UV-Licht können die Bereiche außerhalb der aktiven Sensorfläche frei von Polymer gehalten werden.

Die Sensoren können anschließend standardmäßig vereinzelt, in ein Gehäuse aufgebaut und betrieben werden. Die elektrooptische Charakterisierung durch homogene definierte Bestrahlung zeigt eine Erhöhung der Photonendetektionseffizienz um den Faktor 7. Die Linsen fangen demnach ohne negativen Einfluss auf den Sensor eine 7-fach höhere Anzahl Photonen ein und fokussieren sie auf die lichtempfindlichen Bereiche der SPADs. Durch die Möglichkeit der Replikation auf Wafer-Level lassen sich durch dieses Verfahren kostengünstig hohe Stückzahlen von Sensoren mit Mikrolinsenarrays ausstatten und deutlich verbessern. Die Kombination aus dem hochsensiblen Sensorbauelement SPAD und der erhöhten Empfindlichkeit durch angepasste Mikrolinsenarrays ermöglicht eine leistungsfähige Einzelphotonendetektion für bildgebende Anwendungen wie z.B. LiDAR und Quantum Imaging.

Das Fraunhofer IMS arbeitet fortlaufend an der Entwicklung und Optimierung SPAD-basierter Sensoren und sucht Partner für Anwendungen dieser Technologie. Sprechen Sie uns gerne an!

 

 

 

 

 

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Über das Fraunhofer IMS

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg ist eine weltweit anerkannte anwendungsorientierte Forschungseinrichtung für die Entwicklung marktfähiger Technologien und Verfahren in den Bereichen der Mikroelektronik und Sensorik. Insbesondere in den Schlüsselbereichen »Health, Industry, Mobility, Space and Security« arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler intensiv und interdisziplinär an der Entwicklung zukunftsrelevanter Lösungen für Industrie, Dienstleistungssektor und Gesellschaft – seit über 30 Jahren.

Die Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Deutschland ist die weltweit führende Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Mit ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien sowie auf die Verwertung der Ergebnisse in Wirtschaft und Industrie spielt sie eine zentrale Rolle im Innovationsprozess. Als Wegweiser und Impulsgeber für innovative Entwicklungen und wissenschaftliche Exzellenz wirkt sie mit an der Gestaltung unserer Gesellschaft und unserer Zukunft. Die 1949 gegründete Organisation betreibt in Deutschland derzeit 75 Institute und Forschungseinrichtungen. Rund 29 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 2,8 Milliarden Euro. Davon fallen 2,4 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich Vertragsforschung.

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