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Large area CMOS photosensors for time-resolved measurements

Poklonskaya, Elena

Viele Industrieanwendungen benötigen lineare Photosensoren, die eine hohe Empfindlichkeit besitzen und geringes Rauschen verursachen. Die Atom-Emissionsspektroskopie ist eine dieser Anwendungen. Dieses spektroskopische Verfahren ergibt Informationen über die qualitative und quantitative Zusammensetzung eines Analyten. Seit 1960 sind Photoelektronenverfielfacher (photomultiplier tubes, PMT) als Standarddetektoren im Bereich der Spektrometrie im Einsatz, da sie eine kurze Reaktionszeit und niedrigen Dunkelstrom aufweisen. In der jüngeren Zeit sind Feststoffliniensensoren als vielversprechende Alternative zu den Photoelektronenverfielfachern ins Augenmerk gerückt. Neuerdings auch in hybriden Emissionspektrometern im Einsatz, sind CCD-Liniensensoren in der Lage, im Ultraviolett gelegene (für Wellenlängen über ca. 250 nm), sichtbare und nah-infrarote Spektralbereiche zu registrieren, die von einem Lichtgitter mit geringer Bandbreite an diese gesendet werden. Jedoch gibt es mit der CCD-Technologie keine Möglichkeit, zufällige Pixel zu adressieren, nichtlöschend auszulesen und Daten nach der Zeit aufgelöst erfassen, was zur Notwendigkeit führt, den gesamten Sensor mehrere Male auszulesen, um die erforderliche Ladungssammelzeit einzustellen, welche dafür benötigt wird, um zwischen benachbarten Zeilen im Spektrographen zu unterscheiden. Das braucht sehr viel Messzeit, fügt überdies Reset-Rauschen hinzu und vermindert das Signal-Rausch-Verhältnis. Der Einsatz von CMOS kann eine gute Alternative zu CCD darstellen. Ein in dieser Arbeit entwickelter und optimierter, auf einem Lateral Drift-Field Photodetector (LDPD) basierender CMOS-Zeilensensor eröffnet die Möglichkeit eines sogenannten Time-Gating und die Besonderheit eines nichtlöschenden Auslesens und einer Ladungssammlung über mehrere Zyklen, ohne, dass dabei eine Reset-Phase vonnöten ist. Große fotoaktive Bereiche von bis zu 1 mm sind, gleich wie schneller Ladungstransfer und niedriger Dunkelstrom, entscheidende Anforderungen an Sensoren, die in der optischen Emissionspektroskopie eingesetzt werden. Dies sind damit auch die Hauptziele, die mit den in dieser Arbeit eingebrachten Strukturen zu erreichen sein müssten. Der Transfer der Pixelladung vom fotoaktiven Bereich in den Sensorknoten wird in dieser Arbeit im Detail analysiert. Es werden verschiedene Mechanismen des Ladungstransports studiert. Der Dunkelstrom im LDPD-Pixel wird durch die Verwendung verschiedener Pixelstrukturen analysiert. Außerdem wird ein neuartiges Pixeldesign präsentiert, durch welches der Tranfer von Pixelladungen effizienter erfolgt. Es werden verschiedene Pixeltypen vorgeschlagen und eingehend charakterisiert. Schließlich wird die am besten geeignete Pixelstruktur herangezogen, um den Prototypen eines Zeilensensors herzustellen, dessen Arbeitscharakteristika ebenso im Detail untersucht werden.

Many industrial applications require linear photosensors, which exhibit high sensitivity and low noise. The atomic emission spectroscopy is one of such applications. This spectroscopic method delivers the information about the qualitative and quantitative composition of an analyte. Since 1960 photomultiplier tubes (PMT) were used as standard detectors in the field of spectrometry due to their high speed of response and low dark current. Recently, solid-state line sensors have established themselves as a promising alternative to the photomultiplier tubes. Newly used in hybrid emission spectrometers, CCD line sensors are able to detect the part of the spectra in the ultra-violet (for wavelengths longer than some 250 nm), visible, and near infra-red ranges sent to them by a narrow bandwidth optical grid. However, CCD technology does not have the ability of random pixel addressing, non-destructive readout and time-resolved measurements, which causes the necessity of reading out the complete sensor several times to adjust the necessary charge collection period required to be able to distinguish between neighbouring lines in the spectrograph. This consumes a lot of measuring time and also adds additional reset noise and diminishes the signal-to-noise ratio after each readout. A CMOS approach can be a good alternative to CCD. Developed and optimized in this thesis, a lateral drift-field photodetector (LDPD) based CMOS line sensor offers the possibility for the so called time-gating together with the feature of non-destructive readout and charge accumulation over several cycles without the need for the reset phase. Large photoactive areas of up to 1 mm as well as fast charge transfer and low dark currents are all dominant requirements for the sensors used in optical emission spectroscopy. These are the main goals that should be achievable with the structures proposed in this thesis. Pixel charge transfer from the photoactive area into the sense node is examined in detail in this work. Different mechanisms of the charge transport are studied. Dark current in the LDPD pixel is analysed on using varied pixel structures. A novel pixel design to enhance the charge transfer efficiency is presented. Different pixel types are proposed and thoroughly characterized. Finally, the best pixel structure is used to fabricate a prototype line sensor, the operating characteristics of which are also examined in detail.

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Poklonskaya, Elena: Large area CMOS photosensors for time-resolved measurements. 2015.

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