oe 13.1 Übersicht über die vorlesung ss 2008image sensor market passes $6 billion but the market...

Universität Karlsruhe (TH)Research University � founded 1825

OE 13.1SS 2008Übersicht über die Vorlesung

I. EinleitungII. Physikalische Grundlagen der OptoelektronikIII. HerstellungstechnologienIV. HalbleiterleuchtdiodenV. Optik in HalbleiterbauelementenVI. LaserdiodenVII. Betrieb von Leucht- und LaserdiodenVIII. Quantendetektoren

VIII.1 pn-PhotodiodenVIII.2 pin-PhotodiodenVIII.3 Avalanche PhotodiodenVIII.4 PhotowiderständeVIII.5 Photomultiplier

IX. Thermische DetektorenX. Nachweisgrenzen und RauschenXI. Bildsensoren


OE 13.2SS 2008

Image Sensor Market Passes $6 Billion but the Market Shares Are Shifting, Says StrategiesUnlimited

MOUNTAIN VIEW, Calif. -- The image sensor market reached $6 billion in 2006, a jump of over 30% over2005, with sales expected to grow another 14% in 2007, according to a new market report from StrategiesUnlimited. The market will gradually slow in the next several years, but the year-over-year growth will still provide large opportunities and challenges as the leading players jockey for position.While the overall market is becoming more predictable, cameraphones and digital cameras continue to exceed expectations. Strong growth is also expected in security cameras and in digital radiography. Automotive applications are moving slowly but steadily into production, but the segment remains small fornow.

The top five suppliers continue to hold about 2/3 of the total market share, but membership in the top fivehas changed. Sony and Micron are nearing $1 billion each in annual revenues. Overall, there are about 50 suppliers, about twice the number in 1997, but unchanged in the last few years. That is, for every Atmel orESS Technology that sells or closes its image sensor business, there is a Planet82 or a ProMOSTechnologies that enters.CMOS image sensors now dominate both unit and revenue share, mostly owing to the continued rise of the cameraphone market. Micron has shot to the top position in CMOS arrays, with other semiconductormanufacturers such as ST, MagnaChip, and Samsung also showing strong gains. While CCDs continue to grow in dollar value, there is some consolidation in the market share, with the possibility that Sanyo Electric will exit the business.

Image Sensor Market Passes $6 Billion but the Market Shares Are Shifting, Says StrategiesUnlimited

MOUNTAIN VIEW, Calif. -- The image sensor market reached $6 billion in 2006, a jump of over 30% over2005, with sales expected to grow another 14% in 2007, according to a new market report from StrategiesUnlimited. The market will gradually slow in the next several years, but the year-over-year growth will still provide large opportunities and challenges as the leading players jockey for position.While the overall market is becoming more predictable, cameraphones and digital cameras continue to exceed expectations. Strong growth is also expected in security cameras and in digital radiography. Automotive applications are moving slowly but steadily into production, but the segment remains small fornow.

The top five suppliers continue to hold about 2/3 of the total market share, but membership in the top fivehas changed. Sony and Micron are nearing $1 billion each in annual revenues. Overall, there are about 50 suppliers, about twice the number in 1997, but unchanged in the last few years. That is, for every Atmel orESS Technology that sells or closes its image sensor business, there is a Planet82 or a ProMOSTechnologies that enters.CMOS image sensors now dominate both unit and revenue share, mostly owing to the continued rise of the cameraphone market. Micron has shot to the top position in CMOS arrays, with other semiconductormanufacturers such as ST, MagnaChip, and Samsung also showing strong gains. While CCDs continue to grow in dollar value, there is some consolidation in the market share, with the possibility that Sanyo Electric will exit the business.

Märkte im Bereich Bildsensoren


OE 13.3SS 2008

-sowohl MOS-Kapazitäten als auch pn-Photodioden können als Photopixel bei CCD und CMOS-Technolgie eingesetzt werden-MOS-Kapazitäten erlauben höhere Füllfaktoren

MOS-Kapazitäten vs Photodioden


OE 13.4SS 2008MOS-Kapazität bei starker Verarmung

MOS - Metal-Oxide-Semiconductor

MOS-Kapazität mit positiv vorgespanntem Gate (Metall) gegen (geerdetes) p-Si-Substrat (NA = 1015 cm-3) mit ca. 100 nm dicker, isolierender SiO2-Schicht dazwischen

Positives Gatepotential VG verdrängt Löcher von der Grenzschicht und schafft eine an freien Trägern verarmte Schicht mit raumfesten, negativen Raumladungen der Akzeptoren; Spannungsabfall hauptsächlich über Verarmungsrandschicht:

MOS - Metal-Oxide-Semiconductor

MOS-Kapazität mit positiv vorgespanntem Gate (Metall) gegen (geerdetes) p-Si-Substrat (NA = 1015 cm-3) mit ca. 100 nm dicker, isolierender SiO2-Schicht dazwischen

Positives Gatepotential VG verdrängt Löcher von der Grenzschicht und schafft eine an freien Trägern verarmte Schicht mit raumfesten, negativen Raumladungen der Akzeptoren; Spannungsabfall hauptsächlich über Verarmungsrandschicht:

G OX S

G S A S OX

OX G S S

V

V 2 eN / C

hier : V

= Φ + Φ

− Φ = ε Φ

Φ = − Φ


OE 13.5SS 2008MOS-Kapazität mit schwacher Inversion

Werden freie Elektronen der Grenzschicht zugeführt, z.B. durch inneren Photoeffekt, kompensieren diese teilweise die positive Ladung auf dem Gate – es sind weniger kompensierende negative Akzeptoren notwendig

Spannungsabfall über Oxidschicht wächst, Spannungs-abfall über Halbleiter sinkt,

Verarmungsschicht wird schmaler,

Verarmungsschicht wirkt als Speicher für freie Elektronen

HF-Kapazität erhöht sich mit steigender Bestrahlungs-stärke wegen abnehmender Breite der Verarmungsschicht

kann als aktives Element für CMOS und CCD dienen

CCD - Verkettung von MOS-Kapazitäten ermöglicht Ladungsträgertransport - charge coupled device

Werden freie Elektronen der Grenzschicht zugeführt, z.B. durch inneren Photoeffekt, kompensieren diese teilweise die positive Ladung auf dem Gate – es sind weniger kompensierende negative Akzeptoren notwendig

Spannungsabfall über Oxidschicht wächst, Spannungs-abfall über Halbleiter sinkt,

Verarmungsschicht wird schmaler,

Verarmungsschicht wirkt als Speicher für freie Elektronen

HF-Kapazität erhöht sich mit steigender Bestrahlungs-stärke wegen abnehmender Breite der Verarmungsschicht

kann als aktives Element für CMOS und CCD dienen

CCD - Verkettung von MOS-Kapazitäten ermöglicht Ladungsträgertransport - charge coupled device


OE 13.6SS 2008BCCD – buried channel CCD

a)und b): SCCD (surface CCD) –Potentialverlauf ohne freie Elek-tronen bzw. mit freien unter der Oberfläche gespeicherten Elek-tronen

c) und d): BCCD –ohne bzw. mit freien Elektronen –oberflächliche n-Dotierung im p-Substrat so gewählt, dass ohne freie Elektronen die n-Schicht völlig verarmt ist an Elektronen; nicht kompensierte positive Ionen heben das Potentialmaximum ΦCh im Si-Bulk über die Gate-Spg. VG.

a)und b): SCCD (surface CCD) –Potentialverlauf ohne freie Elek-tronen bzw. mit freien unter der Oberfläche gespeicherten Elek-tronen

c) und d): BCCD –ohne bzw. mit freien Elektronen –oberflächliche n-Dotierung im p-Substrat so gewählt, dass ohne freie Elektronen die n-Schicht völlig verarmt ist an Elektronen; nicht kompensierte positive Ionen heben das Potentialmaximum ΦCh im Si-Bulk über die Gate-Spg. VG.

Beim BCCD liegt das Potentialmaximum nicht an der Grenzfläche sondern tiefer im Bulk!Die Speicherung freier Elektronen im BCCD verkleinert ΦCh und bringt sie näher der Oberfläche; Ladungen nicht völlig gespeichert im „vergrabenen“ Kanal, sondern auch unter Oberfläche.

Beim BCCD liegt das Potentialmaximum nicht an der Grenzfläche sondern tiefer im Bulk!Die Speicherung freier Elektronen im BCCD verkleinert ΦCh und bringt sie näher der Oberfläche; Ladungen nicht völlig gespeichert im „vergrabenen“ Kanal, sondern auch unter Oberfläche.


OE 13.7SS 2008MOS-Kapazitäten

- photoempfindliches Array vonMOS-Kapazitäten

- semitransparente Elektroden aus gasphasenabgeschiedenempoly-Silizium


OE 13.8SS 2008Speicherfähigkeit einer MOS-Kapazität -Sättigungsladung

a) El. Ersatzschaltbild eines SCCD-ElementsMaximal unter der Oberfläche speicherbare Ladung:

a) El. Ersatzschaltbild eines SCCD-ElementsMaximal unter der Oberfläche speicherbare Ladung:

n,sat ox G TQ C (V V )= −

VT Gate-Spannung, bei der die Minoritätsträgerdichte in der Inversionszone - erreichbar mit freien Ladungsträgern (hier Elektronen) unter der Oberfläche - gleich der Majoritätsdichte im Bulk wird

VT Gate-Spannung, bei der die Minoritätsträgerdichte in der Inversionszone - erreichbar mit freien Ladungsträgern (hier Elektronen) unter der Oberfläche - gleich der Majoritätsdichte im Bulk wird

b) El. Ersatzschaltbild eines BCCD-Elements. Maximale Ladung, die auf der Oxidkapazität Cox und der seriellen Kapazität CD1 der oberen Verarmungsschicht gespeichert werden kann:b) El. Ersatzschaltbild eines BCCD-Elements. Maximale Ladung, die auf der Oxidkapazität Cox und der seriellen Kapazität CD1 der oberen Verarmungsschicht gespeichert werden kann:

ox D1

n,sat G T

ox D1

C CQ (V V )

C C= −

+kleiner ca. um den Faktor 3 als beim SCCD!kleiner ca. um den Faktor 3 als beim SCCD!


OE 13.9SS 2008Blooming bei CCDs

Sättigung: Wird die Photodiodensperrschichtkapazität CD auf eine Sperrspannung US geladen, so ist die maximal auf ihr speicherbarePhotoladung QS = CD US. QS heißt Sättigungsladung. Z.B.: CD = 1 pF, US = 2 V ⇒ QS = 2 pC = 12 500 000 e

Blooming: Wird die maximale Ladung eines Pixels überschritten, so können Elektronen in benachbarte Zellen abfliessen. Dies führt dort zu falschen Werten. Durch Anti-Blooming-Gateskönnen diese Ladungsenabfliessen, allerdings reduziert sich dadurch wieder der Füllfaktor.


OE 13.10SS 2008CCD vs CMOS

- Eimerkettenprinzip für Ladungstransfer bei CCD- direkte Matrixadressierung bei CMOS, Wandlung von Ladung in analoge Spannung direkt am Pixel


OE 13.11SS 2008Ladungstransport längs einer CCD (charge coupled device)

Transport von Minoritätsträgern in einer CCD durch Folge digitaler Pulse – Mehr-phasentakt – an den CCD-Gates

Beachte: Während des Ladungstransports unter den 4 Elektroden bleiben Gate 1 und Gate 4 auf demselben Potential, damit keine Überlagerung mit anderen Ladungspaketen und keine Verluste auftreten.

Transport bestimmt durch

• thermische Diffusion von Ladungsträgern

• selbst induzierte el. Felder aufgrund von Trägerdichtegradienten

• aufgeprägte laterale Streufelder (fringingfields) erzeugt durch die Gate-Spannungs-folgen und abhängig von der Gate-Geometrie

Transport von Minoritätsträgern in einer CCD durch Folge digitaler Pulse – Mehr-phasentakt – an den CCD-Gates

Beachte: Während des Ladungstransports unter den 4 Elektroden bleiben Gate 1 und Gate 4 auf demselben Potential, damit keine Überlagerung mit anderen Ladungspaketen und keine Verluste auftreten.

Transport bestimmt durch

• thermische Diffusion von Ladungsträgern

• selbst induzierte el. Felder aufgrund von Trägerdichtegradienten

• aufgeprägte laterale Streufelder (fringingfields) erzeugt durch die Gate-Spannungs-folgen und abhängig von der Gate-Geometrie


OE 13.12SS 2008Optimierung des lateralen elektrischen Feldes

Potentialverläufe in p-Si in verschiedenen Abständen von dem SiO2-Si Interface

Das minimale laterale el. Feld unter einer Elektrode wird in einer gewissen Tiefe (B) maximal!

Dies (Waldner und Esser 1972) führte zur BCCD, buriedchannel CCD mit tiefer gelegenen Speicherorten.

Vorteilhaft auch weniger Verluste durch Oberflächen-Trapping.

Potentialverläufe in p-Si in verschiedenen Abständen von dem SiO2-Si Interface

Das minimale laterale el. Feld unter einer Elektrode wird in einer gewissen Tiefe (B) maximal!

Dies (Waldner und Esser 1972) führte zur BCCD, buriedchannel CCD mit tiefer gelegenen Speicherorten.

Vorteilhaft auch weniger Verluste durch Oberflächen-Trapping.

BCCD im Vergleich zum SCCD: höhere Transporteffizienz, potentiell höhere Taktfre-quenzen, geringeres Rauschen (weniger Ladungsaustausch mit Oberflächenzuständen)BCCD im Vergleich zum SCCD: höhere Transporteffizienz, potentiell höhere Taktfre-quenzen, geringeres Rauschen (weniger Ladungsaustausch mit Oberflächenzuständen)


OE 13.13SS 2008Auslesemodi bei CCD


OE 13.14SS 2008Matrix-Bildsensor mit Frame-transfer (FT)

2-dimensionale Frame-Transfer Bildsensoren werden mit MOS-Kapazitäten aufgebaut, mit lichtempfindlichen CCD-Zeilen zur Bildaufnahme und gleich langen, gleich vielen vor Einstrahlung geschützten CCD-Zeilen als Zwischenspeicher sowie einem horizontalen CCD-Schieberegister zum seriellen Auslesen.

2-dimensionale Frame-Transfer Bildsensoren werden mit MOS-Kapazitäten aufgebaut, mit lichtempfindlichen CCD-Zeilen zur Bildaufnahme und gleich langen, gleich vielen vor Einstrahlung geschützten CCD-Zeilen als Zwischenspeicher sowie einem horizontalen CCD-Schieberegister zum seriellen Auslesen.


OE 13.15SS 2008Frame-transfer CCD - Timing

a) Bildaufnahme (zeitliche Integration von Bestrahlungsstärken): Alle MOS-Kapazi-täten des Bildbereichs werden für eine gewisse Bildaufnahmezeit vorgespannt zur Ladungsintegration – CCD-Phasen auf hohem Pegel wechseln sich mit solchen niedrigen (positiven) Potentials ab.

b) Zwischenspeicherung: Photoladungen bestrahlter CCD-Zeilen werden mit einem schnellen Takt in die CCD-Zeilen des Speicherbereichs nacheinander übertragen.Zahl der vertikalen Schiebetakte = Zahl der CCD-Zeilen im Aufnahmebereich. Nach dem Bildtransfer beginnt schon wieder die neue Bildaufnahme.

c) Vertikales Schieben jeweils einer Speicherzeile ins serielle Schieberegister bzw. in die nächste Speicherzeile

d) Horizonales, sequentielles Schieben der Inhalte des seriellen Ausgangsschiebe-registers auf den Videoausgang

Verschmieren des Bildes durch gleichzeitiges Auslesen und Aufnehmen des Bildes. Große Bildaufnahmefläche; aber zusätzlicher Speicher auf dem Chip erforderlich! Zur Vermeidung von (starkem) Smearing benötigt der Full frame-transfer, bei dem der Bildzwischenspeicher fehlt, einen Shutter, der beim Auslesen geschlossen ist.

a) Bildaufnahme (zeitliche Integration von Bestrahlungsstärken): Alle MOS-Kapazi-täten des Bildbereichs werden für eine gewisse Bildaufnahmezeit vorgespannt zur Ladungsintegration – CCD-Phasen auf hohem Pegel wechseln sich mit solchen niedrigen (positiven) Potentials ab.

b) Zwischenspeicherung: Photoladungen bestrahlter CCD-Zeilen werden mit einem schnellen Takt in die CCD-Zeilen des Speicherbereichs nacheinander übertragen.Zahl der vertikalen Schiebetakte = Zahl der CCD-Zeilen im Aufnahmebereich. Nach dem Bildtransfer beginnt schon wieder die neue Bildaufnahme.

c) Vertikales Schieben jeweils einer Speicherzeile ins serielle Schieberegister bzw. in die nächste Speicherzeile

d) Horizonales, sequentielles Schieben der Inhalte des seriellen Ausgangsschiebe-registers auf den Videoausgang

Verschmieren des Bildes durch gleichzeitiges Auslesen und Aufnehmen des Bildes. Große Bildaufnahmefläche; aber zusätzlicher Speicher auf dem Chip erforderlich! Zur Vermeidung von (starkem) Smearing benötigt der Full frame-transfer, bei dem der Bildzwischenspeicher fehlt, einen Shutter, der beim Auslesen geschlossen ist.


OE 13.16SS 2008Matrix-Bildsensor mit Interline-transfer (IL)

Folge vertikaler Pixel-Spalten und speichernder CCD-Schieberegister kombiniert mit einem horizontalen Ausgangsausleseregister

Timing: a) Bildaufnahme; b) Zwischenspeicherung der Photoladungen einer Pixelspalte in der benachbarten CCD-Spalte, danach Beginn einer neuen Bildaufnahme; c) zeilenweises Über-tragen der Inhalte der vertikalen CCD-Schieberegister in das horizonale Ausgangsregister;d) serielles Auslesen des Ausgangsregisters. Wieder: Parallel Bildaufnahme und Auslesen!Smearing durch Diffusion gestreuter Photoelektronen und Streulicht ins benachbarte CCD.

Folge vertikaler Pixel-Spalten und speichernder CCD-Schieberegister kombiniert mit einem horizontalen Ausgangsausleseregister

Timing: a) Bildaufnahme; b) Zwischenspeicherung der Photoladungen einer Pixelspalte in der benachbarten CCD-Spalte, danach Beginn einer neuen Bildaufnahme; c) zeilenweises Über-tragen der Inhalte der vertikalen CCD-Schieberegister in das horizonale Ausgangsregister;d) serielles Auslesen des Ausgangsregisters. Wieder: Parallel Bildaufnahme und Auslesen!Smearing durch Diffusion gestreuter Photoelektronen und Streulicht ins benachbarte CCD.


OE 13.17SS 2008


OE 13.18SS 2008MOS-XY Bildsensor

Einzelnes Pixel – Photodiode - über MOS-FET, die von digitalen Schieberegistern angesteu-ert werden, gezielt (und programmierbar) addressierbar und sequentiell schaltbar auf die Vi-deo-Line (Ausgangsleitung). Es entsteht ein pulsierender Strom von Ladungen der ausgele-senen Bildelemente. Alle Pixel haben verschiedenen Beginn und Ende der Integrationszeit.Vorteil: Wahrer Random Access – unnütze Information wird nicht ausgelesen.Nachteil: Fixed pattern noise und Rücksetzrauschen sind relativ groß.

Einzelnes Pixel – Photodiode - über MOS-FET, die von digitalen Schieberegistern angesteu-ert werden, gezielt (und programmierbar) addressierbar und sequentiell schaltbar auf die Vi-deo-Line (Ausgangsleitung). Es entsteht ein pulsierender Strom von Ladungen der ausgele-senen Bildelemente. Alle Pixel haben verschiedenen Beginn und Ende der Integrationszeit.Vorteil: Wahrer Random Access – unnütze Information wird nicht ausgelesen.Nachteil: Fixed pattern noise und Rücksetzrauschen sind relativ groß.


OE 13.19SS 2008Lineares NMOS Photodiodenarray

Photodioden: n-diffundierte Streifen im p-Substrat

Addressschalter: n-Kanal MOS-FET; Source verbunden mit Photodiode, Gate mit digitalem Schieberegister und Drain mit der Videoleitung

Photodioden: n-diffundierte Streifen im p-Substrat

Addressschalter: n-Kanal MOS-FET; Source verbunden mit Photodiode, Gate mit digitalem Schieberegister und Drain mit der Videoleitung

Im Strom-Mode wird bei Addressierung die betreffende Photodiode wieder in Sperrrichtung aufgeladen (rückgesetzt); der zeitlich integrierte Wiederaufladestrom beinhaltet die Photoladung. Im Strom-Mode wird bei Addressierung die betreffende Photodiode wieder in Sperrrichtung aufgeladen (rückgesetzt); der zeitlich integrierte Wiederaufladestrom beinhaltet die Photoladung.

νν


OE 13.20SS 2008Ersatzschaltbild der Videosignalerfassung, Sensorsättigung

Wird jeder Photodiode eine (abgedeckte, benachbarte) Dummy-Photodiode zugeordnet und gleichzeitig addressiert, so ist die erfasste Differenz von Hellladung und Dunkelladung weitgehend frei vom DC-Anteil des Dunkel-signals!

Wird jeder Photodiode eine (abgedeckte, benachbarte) Dummy-Photodiode zugeordnet und gleichzeitig addressiert, so ist die erfasste Differenz von Hellladung und Dunkelladung weitgehend frei vom DC-Anteil des Dunkel-signals!

Sättigung: Wird die Photodiodensperrschichtkapazität CD auf eine Sperrspannung US geladen, so ist die maximal auf ihr speicherbare Photoladung QS = CD US. QS heißt Sättigungsladung. Z.B.: CD = 1 pF, US = 2 V ⇒ QS = 2 pC = 12 500 000 eDynamik = QS / QN , QN = rauschäquivalente Ladung ≈ 103 e für NMOS Photodiodenzeile

Sättigung: Wird die Photodiodensperrschichtkapazität CD auf eine Sperrspannung US geladen, so ist die maximal auf ihr speicherbare Photoladung QS = CD US. QS heißt Sättigungsladung. Z.B.: CD = 1 pF, US = 2 V ⇒ QS = 2 pC = 12 500 000 eDynamik = QS / QN , QN = rauschäquivalente Ladung ≈ 103 e für NMOS Photodiodenzeile


OE 13.21SS 2008Erhöhung der Empfindlichkeit I


OE 13.22SS 2008Erhöhung der Empfindlichkeit II

- rückseitige Beleuchtung durch gedünnten Si-Wafer


OE 13.23SS 2008Farb-Bildsensoren

3-Chip-Lösung (keine großekommerzielle Bedeutung)

1-Chip


OE 13.24SS 2008

www.foveon.com

Der Foveon-Chip


OE 13.25SS 2008CCD vs. CMOS


OE 13.26SS 2008CCD vs. CMOS

Mature technology

Specific technology

High production cost

High power consumption

Higher fill rate

Blooming

Sequential readout

Recent technology

Standard IC technology

Cheap

Low power

Less sensitive

Per pixel amplification

Random pixel access

Smart pixels

On chip integration with other components

Marc PollefeysQuelle: S. Thrun, Stanford

oe 13.1 Übersicht über die vorlesung ss 2008image sensor market passes $6 billion but the market...

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