Solid-State Imaging in Standard CMOS Processes

Dateibereich 21494

7,75 MB in einer Datei, zuletzt geändert am 11.02.2009

Dateiliste / Details

DateiDateien geändert amGröße
durini_diss.pdf11.02.2009 13:47:377,75 MB
Das Hauptthema dieser Dissertation ist die Untersuchung vorhandener und neuer Photodetektoren für die CMOS-Bildsensorik, insbesondere in Bezug auf die technologischen und optoelektronischen Eigenschaften sowie das Rauschen. Durch die gründliche Charakterisierung vorhandener und neuer Photodetektoren und deren Ausleseschaltungen, hergestellt in den 0,5µm, 0,35µm und 1,0µm SOI Standard CMOS Prozessen, wurde das vorhandene Wissen vertieft und erweitert. Auf dieser Basis wurden neue Bauelemente für die 2D- und 3D-Bildsensorik entworfen und bereits vorhandene optimiert. Zum besseren Verständnis der Bauelementenstruktur, und um die Anzahl von Fertigungsdurchläufen für neuartige Photodetektorbauelementen zu reduzieren, wurde die Prozess- und Bauelemente-Simulationsumgebung (ISE-Synopsys) TCAD genutzt. Ziel dabei war es, neu entwickelte Bauelemente vor einer Fertigung bezüglich ihrer Schlüsselspezifikationen zu optimieren und qualitativ bewerten zu können. Ferner wurden passende Ausleseschaltungen für die Photodetektorbauelemente entwickelt. Somit konnte ein System aus Photodetektor und Ausleseschaltung optimal auf eine Anwendung abgestimmt werden. Um die Entwurfsicherheit von CMOS Photodetektoren und Ausleseschaltungen zu erhöhen, wurde zur Modellierung von Photodetektorbauelementen mit den Softwarepaketen MAPLE und Fortran eine Entwicklungsumgebung aufgebaut. Auf Basis der so gewonnenen Spezifikationen der Photodetektorstrukturen konnten die gesamten Pixel mit der Schaltungsentwicklungsumgebung CADENCE simuliert werden. Anschließend wurden diese Detektoren und Ausleseschaltungen in den 0,5µm und 0,35µm Standard CMOS Prozessen sowie in dem 1,0µm SOI CMOS Prozess hergestellt und getestet. Um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern, wurden verschiedenen Pixelkonfigurationen mit voneinander getrennten Photoaktiv- und Auslesegebieten untersucht, wie z.B. in den „Photogate“- oder „Buried-Photodiode“ Aktiv Pixelsensoren. Es wurde allerdings gezeigt, dass die Ladungskopplung, die für die Auslese bei solchen Pixel notwendig ist, bei keiner Kombination der Photodetektoren und der Auslesegebiete im 0,5µm Standard CMOS Prozess funktioniert. Anschließend wurden Untersuchungen von unterschiedlichen Pixelalternativen mit innovativen Ausleseprinzipien durchgeführt. Eines der neu entwickelten Ausleseprinzipien wurde am „Charge-Injection-Photogate-Pixel“ getestet. Durch dieses Ausleseprinzip entsteht eine große interne Verstärkung. Danach wurde dieses Ausleseprinzip auf einer SOI-Struktur angewendet. Dabei werden alle Vorteile eines Hochspannungs- und Hochtemperaturprozesses zusammen mit den Möglichkeiten genutzt, die ein Standard CMOS Prozess zur Integration der Ausleseelektronik auf dem selben Chip erlaubt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde darüber hinaus die Möglichkeit untersucht, die Indium-Zinn-Oxid (ITO) Schichten im 0,5µm Standard CMOS Prozess als Gate-Material einzusetzen. Dies bewirkt einen höheren Quantumwirkungsgrad im sichtbaren Wellenlängenbereich, wenn es bei Photogate-Pixel angewandt wird. Im Nah-Infrarot Wellenlängenbereich jedoch bringt es keine Vorteile gegenüber dem standardmäßig verwendeten Polysilizium. Anschließend wurden verschiedene Pixelstrukturen im 0,35µm Standard CMOS Prozess entworfen und simuliert. Dabei wurde gezeigt, dass zumindest theoretisch das Ladungskopplungsprinzip bei den auf „Photogates“ und auf „Buried-Photodioden“ basierenden Strukturen funktioniert.
Lesezeichen:
Permalink | Teilen/Speichern
Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
CMOS Imaging, standard CMOS Processes, Photodetectors, Pixel Structures, Noise, Optical Sensitivity, Characterization, Readout
Beitragende:
Prof. Ph. D. Hosticka, Bedrich J. [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. rer. nat. Jäger, Dieter [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
03.02.2009
Dokument erstellt am:
10.03.2009
Promotionsantrag am:
09.04.2008
Dateien geändert am:
11.03.2009
Medientyp:
Text