TFA-Sensor

TFA-Sensoren sind auf CMOS-ASICs basierende elektrische Schaltkreise, die als optische Sensoren, z. B. Bildgeber eingesetzt werden können. Der Name leitet sich her von dem englischen Begriff "thin film on asic".^[1] Sie geht zurück auf die Erfindung der Multispektral-Photodiode der Universität Siegen im Jahre 1994.^[2]

Durch Aufdampfen einer Dünnschicht aus amorphem Silizium wird auf einem zuvor hergestellten ASIC eine optisch aktive Mehrfachschicht erzeugt, welche eine Photodiode darstellt. Hierdurch werden die ASICs äußerst lichtempfindlich. Die TFA-Technologie ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung leistungsfähiger Bildsensoren und ist gleichzeitig gut geeignet für die Integration von Pixelelektronik zur Realisierung intelligenter Bildsensoren.^[3] Weiterentwicklungen erfolgten durch die ehemalige Firma Silicon Vision.^[4] Diese wurde jedoch im Jahre 2003 nach Insolvenz durch Infineon aufgekauft.^[5]

Derzeit gibt es weltweit keinen Anbieter für kommerzielle TFA-Bildsensoren in der patentierten NIPIN-Schichtenfolge, die zur Farbrezeption nötig ist. Die Technologie als solche (amorphes hydrogenisiertes Silizium (aSi:H) auf CMOS-Sensoren) wird jedoch erfolgreich bei Röntgensensoren eingesetzt. Dort kommt eine einfach strukturierte Dünnschicht (NIP) für monochrome Aufnahmen zum Einsatz.^[6] Ferner existieren Anwendungen im Bereich der Mikrofluidtechnik.^[7]

Für die Erfindung der TFA-Sensoren wurde Prof. Dr. Markus Böhm von der Universität Siegen im Jahre 1996 mit dem Phillip-Morris-Preis ausgezeichnet.^[8]

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Technologien, wie z. B. CCDs, ermöglicht die TFA-Technologie eine 3D-Integration von Photodetektoren sowie die Bildvorverarbeitung im ASIC. Dies ermöglicht – bei gleicher Funktionalität – eine größere Pixelzahl, da nur ein Pixel für alle Farben benötigt wird. Allerdings müssen die 3 Farben nacheinander belichtet und ausgelesen werden, was die maximale Zahl der Bilder pro Sekunde (frame rate) limitiert.^[9]

Die als TFA-Schicht verwendeten Materialien lassen eine wesentlich höhere Dynamik zu, als z. B. bei CCDs oder reine CMOS-Sensoren.^[10] Durch die Verwendung zweier Prozessschritte und Prozesstechnologien können die beiden Komponenten leichter unabhängig voneinander eingestellt werden; so kann die optisch aktive TFA-Schicht gezielt auf optischer Randbedingungen hin optimiert werden.^[11]

Aufgrund der Verwendung amorphen Siliziums als lichtempfindliche Schicht sind diese Sensoren jedoch gegenüber dem Staebler-Wronski-Effekt empfindlich.^[12] Ähnlich, wie bei Kristallfehlern in einem soliden Halbleiterkristall, existiert auch in amorphem Silizium eine große Zahl von Strukturfehlern, die in Form offener Bindungen (sogenannter "dangling bonds") bestehen. Diese sind zwar üblicherweise durch Wasserstoffatome gesättigt, jedoch besitzen auch im Bereich des sichtbaren Lichts einige Photonen eine ausreichende Energie, um diese Silizium-Wasserstoff-Bindungen aufzubrechen. Mit zunehmender Strahlungsmenge steigt daher der Leckstrom der Sensoren. Dies kann soweit führen, das sich starke Lichtquellen „einbrennen“.

• Webseite des Erfinders (Lehrstuhl)
• Patent US7701023B2: TFA image sensor with stability-optimized photodiode. Angemeldet am 19. Oktober 2007, veröffentlicht am 20. April 2010, Anmelder: ST Microelectronics NV, Erfinder: Peter Rieve et al.‌

1. ↑ M. Böhm, F. Blecher, A. Eckhardt, B. Schneider, S. Benthien: High Dynamic Range Image Sensors in Thin Film on ASIC Technology for Automotive Applications. In: Advanced Microsystems for Automotive Applications 98. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1998, ISBN 978-3-662-38795-5, S. 157–172, doi:10.1007/978-3-662-39696-4_15 (englisch, springer.com [abgerufen am 18. Juni 2021]). 
2. ↑ Q. Zhu, H. Stiebig, P. Rieve, H. Fischer, M. Böhm: A Novel α-Si(C):H Color Sensor Array. In: MRS Proceedings. Band 336. Springer, 1. Dezember 1994, ISSN 0272-9172, S. 843, doi:10.1557/PROC-336-843 (englisch, springer.com [abgerufen am 18. Juni 2021]). 
3. ↑ Juergen Schuhmacher: programmierbare TFA-Kamera für Dünnschichtsensoren. In: Universität Siegen. ZESS, 1. Juni 1997, abgerufen am 18. Juni 2021. 
4. ↑ Silicon Vision AG. In: halbleiter-scout.de. 1. Januar 1999, abgerufen am 18. Juni 2021. 
5. ↑ Torge Löding: Infineon übernimmt Werk der insolventen Silicon Vision AG. Der Halbleiterhersteller Infineon übernimmt die Fabrik der insolventen Silicon Vision AG in Boxdorf bei Dresden. heise online, 17. Januar 2003, abgerufen am 18. Juni 2021. 
6. ↑ M. Despeisse, G. Anelli, P. Jarron, J. Kaplon, D. Moraes: Hydrogenated Amorphous Silicon Sensor Deposited on Integrated Circuit for Radiation Detection. In: IEEE Transactions on Nuclear Science. Band 55, Nr. 2, April 2008, ISSN 1558-1578, S. 802–811, doi:10.1109/TNS.2008.918519 (ieee.org [abgerufen am 18. Juni 2021]). 
7. ↑ Heiko Schäfer: Integrierte optische Detektoren auf Basis amorphen Siliziums und flüssige Lichtwellenleiter für mikrofluidische Anwendungen. In: Dissertation. Uni Siegen, 9. Juli 2008, abgerufen am 18. Juni 2021. 
8. ↑ Digitale Bildsensoren Prof. Dr. Markus Böhm. Preisträger 1996. Philip Morris Stiftung, abgerufen am 19. Juli 2019. 
9. ↑ Helmut Fischer, Tarek Lule, Bernd Schneider, Juergen Schulte, Markus Boehm: Analog image detector in thin film on application-specific integrated circuit (ASIC) technology. In: Sensors and Control for Automation. Band 2247. International Society for Optics and Photonics, 9. November 1994, S. 282–291, doi:10.1117/12.193939 (englisch, spiedigitallibrary.org [abgerufen am 18. Juni 2021]). 
10. ↑ Jürgen Sterzel, Frank Blecher, Matthias Hillebrand, Bernd Schneider, Markus Böhm: TFA Image Sensors for Low Light Level Detection. In: MRS Proceedings. Band 715, 2002, ISSN 0272-9172, doi:10.1557/PROC-715-A7.1 (springer.com [abgerufen am 18. Mai 2023]). 
11. ↑ Helmut Fischer: Ein analoger Bildsensor in TFA (Thin Film on ASIC)-Technologie - PDF Kostenfreier Download. achbereich Elektrotechnik und Informatik. In: Dissertation. Universität Gesamthochschule Siegen, 18. April 1996, abgerufen am 18. Juni 2021. 
12. ↑ Andrzej Kolodziej: Staebler-Wronski effect in amorphous silicon and its alloys. In: Opto-electronics Review. www.researchgate.net/, 1. März 2004, abgerufen am 17. Juni 2021 (englisch).