UV-Konversionsbeschichtung für CCD/CMOS-Sensoren

Siliziumbasierte Sensoren weisen im tiefen UV eine deutlich geringere Quanteneffizienz auf. Unsere UV-Konversionsbeschichtung absorbiert UV-Photonen und emittiert sichtbares Licht (fluoreszente Down-Conversion mit Stokes-Verschiebung), das der Sensor wesentlich effizienter registriert. Ergebnis: ein deutlich gesteigertes Nutzsignal im UV-Bereich.

Unsere Methode zur UV-Konversionsbeschichtung wurde von uns im Rahmen öffentlich geförderter Forschungsprojekte entwickelt und wird vollständig inhouse durchgeführt. Wir beschichten hiermit eine große Bandbreite an CCD/CMOS-Sensoren – Line-Scan und Area, front- und back-illuminated – wahlweise direkt auf dem Sensor (nach Deckglasentfernung) oder auf den optischen Fenstern.

• Absorption → Emission: UV-aktive Konverter absorbieren Photonen unterhalb ~350 nm und geben sie spektral nach „sichtbar“ wieder ab.

• Anpassung: Rezeptur und Schichtdicke werden so gewählt, dass Emissionsspektrum und laterale Lichtausbreitung optimal zur Sensorarchitektur passen.

Funktionsprinzip im Detail

Kurzwellige Strahlung – insbesondere tiefblaues Licht und UV – wird bei frontseitig beleuchteten CCD/CMOS-Sensoren häufig bereits in den obersten Strukturen des Aufbaus absorbiert und trägt daher kaum zum Ausgangssignal bei. Mit abnehmender Wellenlänge sinkt die wirksame Sensitivität deutlich.

Es gibt zwei etablierte Wege, Sensoren für UV-Strahlung nutzbar zu machen. Erstens backside-illuminated (BSI) Sensoren: Dabei wird das Silizium bis zur epitaktischen Schicht ausgedünnt und von der Rückseite belichtet. Diese Technologie liefert die besten Ergebnisse und die höchste Auflösung, ist jedoch kostenintensiv. 

Zweitens UV-zu-VIS-Konversionsschichten: Der Sensor wird mit einer dünnen, fluoreszierenden Schicht versehen, die UV-Photonen absorbiert und in sichtbares Licht emittiert (Down-Conversion). Da Silizium sichtbares Licht effizient detektiert, lässt sich so die UV-Detektivität deutlich steigern. Nahezu jedes einfallende UV-Photon kann in ein sichtbares Photon umgewandelt werden; aufgrund der statistisch isotropen Emissionsrichtung erreicht jedoch typischerweise nur etwa die Hälfte dieser Photonen den aktiven Bereich des Sensors.

Für alle die es genau wissen wollen

Die Konversionsschicht besteht aus einer Dünnschicht von 1-Naphthalenecarboxaldehyd, 2-hydroxy-, [(2-hydroxy-1-naphthalenyl)methylen]hydrazon (9CI), abgeschieden mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD). Das Material zeigt für Anregungswellenlängen unter 450nm bis hinunter zu 100nm eine sehr hohe Quantenausbeute (nahezu 100%). Oberhalb von 480nm weist die Schicht eine hohe Transmission auf; dadurch bleibt die Sensorantwort im sichtbaren und nahinfraroten Bereich sehr gut. Wie bei kristallinen Beschichtungen üblich, ist die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) bei sehr hohen Ortsfrequenzen geringfügig reduziert.

Hinweis: Der reale Gewinn hängt stark von Wellenlänge, Sensoraufbau (Front/Back-Illumination, Pixelgröße, Mikrolinsen) und Schichtparametern ab. Wir empfehlen eine kurze Vorab-Evaluation.

Der nutzbare Anregungsbereich der Konversionsschicht liegt typischerweise zwischen 150nm und 450nm. Die Emission erstreckt sich von 500nm bis 650nm mit einem Maximum bei ca. 530nm; die Fluoreszenzabklingzeit beträgt einige Nanosekunden, eine messbare Phosphoreszenz ist nicht signifikant. In der praktischen Anwendung entspricht die effektive Quanteneffizienz im genannten Anregungsband typischerweise etwa 40% der Quanteneffizienz bei 530nm des ursprünglichen, unbeschichteten Geräts (z. B. Sensors).

Hinweis bei Mikrolinsen

Bei Sensoren mit Mikrolinsen verringert sich die Menge des erfassten Fluoreszenzlichts, da die Richtungsempfindlichkeit des Aufnahmesystems stark vom Einfallswinkel abhängt. Die Emission der Konversionsschicht erfolgt jedoch weitgehend isotrop; ein signifikanter Anteil der Photonen trifft daher außerhalb des bevorzugten Akzeptanzkegels der Mikrolinsen ein.

In der Praxis liegt die typische effektive Quanteneffizienz im nutzbaren Anregungsbereich zwischen ca. 15% und 40% der Quanteneffizienz bei 530nm des ursprünglichen, unbeschichteten Geräts. Der genaue Wert hängt insbesondere von der Geometrie der Mikrolinsen (z. B. Apertur, Füllfaktor, Pitch) und der Schichtdicke der Konversion ab. Für Systeme mit hohen Anforderungen an den Wirkungsgrad empfehlen wir eine applikationsspezifische Vorab-Evaluation (z. B. mit Referenzmustern).

Die Entwicklung der Beschichtung sowie der Technik für deren Aufbringung auf Bildsensoren wurde vom Zentralen Innovationsprogramm des Mittelstandes (ZIM) gefördert. Im Rahmen eines weiteren BMBF-Projektes konnte dann zusätzlich noch eine eigene Zeilenkamera-Familie entwickelt, die u.a. auch die beschichteten Sensoren nutzt. Das Hauptanwendungsgebiet für diese Systeme liegt zur Zeit in der Spektroskopie.

Nähere Informationen rund um dieses Thema finden Sie auch in unserem PDF-Dokument UV-Beschichtung von Bildsensoren.