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TFA-Sensor
TFA-Sensoren sind auf CMOS-ASICs basierende elektrische Schaltkreise, die als optische Sensoren, z. B. Bildgeber eingesetzt werden können.
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Grundidee und Funktionsweise
TFA-Sensoren sind elektrische Schaltkreise auf Basis von CMOS-ASICs, die als optische Sensoren eingesetzt werden können, zum Beispiel als Bildgeber. CMOS-ASIC bedeutet hier ein speziell hergestellter integrierter Schaltkreis, auf dem zusätzliche optische Schichten aufgebaut werden. Der Name TFA kommt von „thin film on asic“, also einer Dünnschicht auf einem ASIC.
Die Grundidee geht auf die Erfindung der Multispektral-Photodiode der Universität Siegen im Jahr 1994 zurück. Eine Photodiode ist ein Bauelement, das Licht in elektrische Signale umwandelt. TFA-Sensoren sind wichtig, weil sie optische Erfassung und elektronische Verarbeitung eng miteinander verbinden können.
Aufbau
Bei der Herstellung wird auf einen zuvor gefertigten ASIC eine Dünnschicht aus amorphem Silizium aufgedampft. Amorphes Silizium ist Silizium ohne regelmäßige Kristallstruktur. Diese optisch aktive Mehrfachschicht bildet eine Photodiode und macht den ASIC sehr lichtempfindlich.
Die TFA-Technologie ermöglicht eine kostengünstige Fertigung leistungsfähiger Bildsensoren. Außerdem eignet sie sich gut für die Integration von Pixelelektronik, also elektronischen Funktionen direkt in oder nahe bei den einzelnen Bildpunkten. Dadurch lassen sich intelligente Bildsensoren realisieren, die Bildinformationen nicht nur aufnehmen, sondern teilweise auch direkt vorverarbeiten können.
Weiterentwicklungen erfolgten durch die frühere Firma Silicon Vision. Diese wurde 2003 nach Insolvenz von Infineon aufgekauft.
Anwendungen
Für kommerzielle TFA-Bildsensoren in der patentierten NIPIN-Schichtenfolge gibt es derzeit weltweit keinen Anbieter. Diese NIPIN-Schichtenfolge ist für Farbrezeption nötig, also für das Erfassen von Farben.
Die grundlegende Technologie, amorphes hydrogenisiertes Silizium (aSi:H) auf CMOS-Sensoren aufzubringen, wird jedoch erfolgreich bei Röntgensensoren eingesetzt. Dort wird eine einfacher strukturierte Dünnschicht, NIP, für monochrome Aufnahmen verwendet. Monochrom bedeutet, dass keine Farbinformation, sondern nur Helligkeitsinformation erfasst wird.
Weitere Anwendungen gibt es im Bereich der Mikrofluidtechnik, also bei Techniken, die sehr kleine Flüssigkeitsmengen in feinen Strukturen steuern oder untersuchen.
Vorteile
Ein wichtiger Vorteil gegenüber herkömmlichen Technologien wie CCDs ist die 3D-Integration von Photodetektoren sowie die Bildvorverarbeitung im ASIC. Photodetektoren sind Bauelemente, die Licht erfassen. Durch diese Integration kann bei gleicher Funktionalität eine größere Pixelzahl erreicht werden, weil nur ein Pixel für alle Farben benötigt wird.
Die Materialien der TFA-Schicht erlauben außerdem eine wesentlich höhere Dynamik als CCDs oder reine CMOS-Sensoren. Dynamik meint hier die Fähigkeit, sehr schwache und sehr starke Lichtsignale sinnvoll zu erfassen.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Trennung von zwei Prozessschritten und Prozesstechnologien. Dadurch können die optisch aktive TFA-Schicht und die darunterliegende Elektronik leichter unabhängig voneinander angepasst werden. Die TFA-Schicht kann gezielt auf optische Randbedingungen optimiert werden.
Nachteile und Grenzen
Ein Nachteil bei Farbbildern ist, dass die drei Farben nacheinander belichtet und ausgelesen werden müssen. Dadurch wird die maximale Zahl der Bilder pro Sekunde, die frame rate, begrenzt.
Wegen des amorphen Siliziums als lichtempfindlicher Schicht sind TFA-Sensoren außerdem empfindlich gegenüber dem Staebler-Wronski-Effekt. In amorphem Silizium gibt es viele Strukturfehler in Form offener Bindungen, sogenannte „dangling bonds“. Normalerweise sind diese durch Wasserstoffatome gesättigt.
Einige Photonen im sichtbaren Licht haben jedoch genug Energie, um Silizium-Wasserstoff-Bindungen aufzubrechen. Mit zunehmender Strahlungsmenge steigt deshalb der Leckstrom der Sensoren. Leckstrom ist ein unerwünschter elektrischer Strom, der die Messung stören kann. Bei starken Lichtquellen kann dies so weit gehen, dass sie sich „einbrennen“.
Auszeichnung
Für die Erfindung der TFA-Sensoren wurde Prof. Dr. Markus Böhm von der Universität Siegen im Jahr 1996 mit dem Phillip-Morris-Preis ausgezeichnet.