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Wissen BSI-Sensoren

Um mit immer kleineren Pixeln eine akzeptable Bildqualität zu erreichen, setzten immer mehr Firmen auf Backside-Illumination-(BSI-)CMOS-Sensoren. Bei herkömmlichen Sensoren reduzieren Leiterbahnen und Schaltungen die lichtempfindliche Fläche der Pixel. Wird der Sensor dagegen von der Rückseite beleuchtet (BSI), kann die gesamte Oberfläche genutzt werden.

Anfang des Jahres kamen die ersten Kompaktkameras mit einer neuen Genera­tion von CMOS-Sensoren (BSI) auf den Markt. Diese neuen CMOS werden mit der Rückseite nach vorne in die Digitalkameras eingebaut und durch diese Rückseite belichtet. Im Idealfall ist die gesamte Rück­seite eines CMOS lichtempfindlich. Für die Vorderseite gilt dies nicht mal im Ansatz, da auf der Vorderseite die gesamte Verdrah­-tung der Pixel inklusive der Transistoren im Lichtweg sitzt und Teile des Sensors abschattet.

Als ersten Herstellern ist es Sony und Omnivision gelungen, effiziente Fertigungsprozesse großtechnisch umzusetzen (siehe ColorFoto 10/08), die einen wirtschaftlichen Einsatz von BSI-CMOS-Sensoren ermöglichen. Da BSI vor allem bei kleinen Pixeln Vorteile hat und die Fertigung verglichen mit herkömmlichen CMOS-Sensoren aufwendiger ist, wird die Technologie derzeit nur für Kompaktkameras (Sony) und Handykameras (Omnivision) eingesetzt.

Links: Einfallendes Licht wird in größerer Entfernung zur Oberfläche von der Photodiode (218) in  Ladungsträger umgewandelt, zusätzliche Dotierungen (206, 208), die von der Vorderseite einge- bracht wurden, verhindern Diffusion der Ladungsträger nur unzureichend. Rechts: zusätzliche Dotierungen (506, 508), die von der Rückseite eingebracht wurden, führen zu einer guten Isolation des Pixels. (Omnivision Patentanmeldung)
Links: Einfallendes Licht wird in größerer Entfernung zur Oberfläche von der Photodiode (218) in Ladungsträger umgewandelt, zusätzliche Dotierungen (206, 208), die von der Vorderseite einge- bracht wurden, verhindern Diffusion der Ladungsträger nur unzureichend. Rechts: zusätzliche Dotierungen (506, 508), die von der Rückseite eingebracht wurden, führen zu einer guten Isolation des Pixels. (Omnivision Patentanmeldung)

Bildqualität wie bei CCDs?

Mit dem Einsatz von BSI-Sensoren in Kompaktkameras ist dabei vor allem das Ziel verbunden, ähnlich wie bei DSLRs mit konventionellen CMOS, die Bildqualität von CCD-Sensoren zu erreichen oder zu übertref­fen. CMOS-Sensoren ermöglichen  schnel­le­re Serienbildgeschwindigkeiten und die Integration weiterer Funktionen, die zum Bei­spiel für qualitativ hochwertiges Video nötig sind. Zudem sind CCD-Sensoren teuer in der Herstellung, was aber auch für einige CMOS-Sensoren gilt.

Mittlerweile sind einige Kameras mit BSISensoren am Markt verfügbar, so dass eine Einordnung der Technologie möglich ist. Es zeigt sich, dass zwar eine deutliche Verbesserung der Bildqualität gegenüber herkömm­lichen CMOS-Sensoren erzielt wurde, vergleichbare CCD-Sensoren aber nach wie vor eine bessere Bildqualität ermöglichen. So er­gibt zum Beispiel ein Vergleich zwischen der Sony HX5 mit BSI-CMOS-Sensor und Canon G11, die einen CCD verwendet, deutliche Unterschiede. Der Sensor der G11 ist zwar größer, dies erklärt aber die Unterschiede nur zum Teil.

Vergleich zwischen Canon G11 (ISO 100, oben) und Sony HX5 (ISO 125, unten). Von links nach rechts: Ausschnittvergrößerung, hohe Frequenzen (0–3 Pixel), Farbkanäle (verstärkt). Auffällig ist ein geringerer Informationsgehalt bei der Sony HX5. Feine Details wirken bei der Sony weniger scharf, darüber hinaus zeigt sich Rauschen in den Farb-informationen.
Vergleich zwischen Canon G11 (ISO 100, oben) und Sony HX5 (ISO 125, unten). Von links nach rechts: Ausschnittvergrößerung, hohe Frequenzen (0–3 Pixel), Farbkanäle (verstärkt). Auffällig ist ein geringerer Informationsgehalt bei der Sony HX5. Feine Details wirken bei der Sony weniger scharf, darüber hinaus zeigt sich Rauschen in den Farb-informationen.

Die Bilder der Sony HX5 und Ricoh CX3, die den gleichen Sensor verwenden, weisen eine deutliche Unschärfe und Bildrauschen auf. Auch in der Nikon P100 wird dieser Sensor verwendet, hier zeigt sich ein leicht anderes Bild. Bildrauschen unterdrückt Nikon relativ effektiv, allerdings wirken die Bilder in einigen Bereichen sehr stark gefiltert und zu stark geschärft. Es liegt also der Verdacht nahe, dass die Ursachen für diese Probleme beim Sensor und der Signalverarbeitung zu suchen sind.

Probleme bei feinen Strukturen

Im Vergleich fallen zwar die Messwerte der Sony HX5 bezüglich der Texturwiedergabe (Kurtosis) schlechter aus als die der Canon G11, der Unterschied in den Bildern ist aber eher noch deutlicher. Ein genauerer Vergleich zeigt, dass die Sony sowohl feine Details (hohe Frequenzen, Texturmessung) als auch grobe Strukturen (niedrige Frequenzen) deutlich unschärfer wiedergibt. Dar-über hinaus stört deutlich mehr Bildrauschen.

Eine Erklärung für dieses Ergebnis ist, dass der Rauschfilter von Sony relativ undifferenziert eingreift und hohe wie niedrige Frequenzen gleichermaßen weichzeichnet. Auch in der Auflösungsmessung finden sich weitere Indizien, so ist der Kontrast der Sony HX5 und Ricoh CX3 bei niedrigen Frequenzen deutlich geringer als der der Nikon P100 oder Canon G11, deren Rauschfilter anscheinend selektiver eingreifen. Bei hohen Frequenzen zeigen dagegen alle drei Kameras, die den Sony-Sensor verwenden, einen geringeren Kontrast als die Canon G11. Dies trägt zu einem unschärferen Bildeindruck bei.

Auflösung, Weitwinkel ISO 100 bzw. 125 Bildmitte. Bei hohen Frequenzen ist der Kontrast der Canon G11 deutlich höher. Das Objektiv spielt hierbei zwar eine Rolle, auffällig ist aber, dass  alle drei Kameras mit dem Sony- BSI-Sensor den gleichen Effekt zeigen.
Auflösung, Weitwinkel ISO 100 bzw. 125 Bildmitte. Bei hohen Frequenzen ist der Kontrast der Canon G11 deutlich höher. Das Objektiv spielt hierbei zwar eine Rolle, auffällig ist aber, dass alle drei Kameras mit dem Sony- BSI-Sensor den gleichen Effekt zeigen.

Doch warum erreichen BSI-CMOS-Sensoren (noch) nicht die erhofft hohe Bildqualität? Prinzipiell sollte die Lichtempfindlichkeit eines BSI-CMOS gleich oder sogar bes­­ser als die eines vergleichbaren CCD sein. Auf der anderen Seite sind CMOS- Sensoren generell anfälliger für Rauschen. Bei BSI-Sensoren betrifft dies insbesondere den Dunkelstrom (Dunkelrauschen, Wissen­artikel in diesem Heft), der zu einem Signal führt, ohne dass Licht auf den Sensor fällt. Durch den Fertigungsprozess ist die Rückseite von BSI-Sensoren oft mit kleinen Defekten behaftet, die zu Dunkelstrom führen. Dieses Problem wird meist durch Nachbehandlung der Rückseite behoben. Ein weiteres Problem ist, dass es bei BSI-Sensoren zu erheblichem Übersprechen (cross talk) zwi­schen den Pixeln kommen kann. Hierbei gibt es sowohl optische als auch elektrische Ursachen (siehe Kasten). Übersprechen zwi­schen den Pixeln führt dabei zu einer generellen Unschärfe des Bilds, schlechterer Farbwiedergabe und zufälligem Rauschen. Eine Korrektur der Unschärfe und Farbwiedergabe verstärkt dabei üblicherweise im Bild vorhandenes Rauschen. Sowohl Sony als auch Omnivision diskutieren in aktuellen Konferenzbeiträgen diese Probleme.

Änderungen im Sensordesign

Bezüglich des elektrischen Übersprechens ergeben sich zwei Design-Kompromisse. Zum einen spielt die Tiefe des Sensors eine entscheidende Rolle. Je tiefer der Sensor, desto höher die Empfindlichkeit für grünes und rotes Licht. Gleichzeitig bedeutet ein tieferer BSI-Sensor aber auch ein erhöhtes Risiko, dass Ladungsträger in Nachbarpixel diffundieren.

Eine Gegenmaßnahme sind zusätzliche Do­tierungen, die Barrieren zwischen den Pixeln erzeugen. Fertigt man diese Strukturen von der Vorderseite, ergeben sich relativ breite, ineffiziente Barrieren, die den lichtempfindlichen Bereich des Pixels verkleinern. Eine aufwendigere, von Omnivision vorgeschlagene Lösung ist, die Barrieren von der Rückseite zu fertigen (siehe Bild).

Sony hat vor Kurzem eine überarbeitete BSI-Pixel-Architektur präsentiert, die ironischerweise über Metallmaskierungen auf der Rückseite verfügt, die ja eigentlich der Vergangenheit angehören sollten. Die Maskierungen verhindern, dass Licht, das die Randbereiche des Farbfilters passiert, in das Pixel gelangt. Dabei geht es  besonders um einen Kompromiss zwischen hohem Füllfaktor und geringem Übersprechen.

Um elektrische Ursachen für Übersprechen abzustellen, wurde die Verdrahtung an der Vorderseite optimiert, sowie entsprechende Barrieren/Dotierungen zwischen den Pixeln eingebracht. Des Weiteren wurden Vorder- und Rückseite speziellen thermischen Behandlungen unterzogen, um Dunkelströme auf ein Minimum zu reduzieren. Die veröffentlichten Messdaten deuten auf sehr geringes Rauschen und Übersprechen und eine sehr gute Winkelabhängigkeit hin. Gute Winkelabhängigkeit meint: Schräge Rand­strahlen werden nicht nur erfasst, sondern die auftreffenden Photonen erzeugen auch im richtigen Pixel die Ladung. Es wird sich zeigen, wie viel diese Ergebnisse in der Praxis wert sind.

Fazit: Insgesamt lässt sich festhalten, dass kleine Pixelgrößen auch mit BSI-Sensoren große Herausforderungen darstellen. BSI-Sensoren stellen ganz sicher einen interessanten Ansatz dar. Weitere Entwicklungen erscheinen aber nötig, um die theoretischen Vorteile wirklich in der Praxis nutzbar zu machen. Noch liefern BSI-Sensoren nicht die von vielen erhoffte Abbildungsleistung. Grundsätzlich bieten CMOS-Sensoren gegenüber CCDs allerdings einige typischen Vorteile, wie eine hohe Serienbildgeschwindigkeit und gute Videofunktionalität. 

Bezüglich des Übersprechens (cross talk) zwischen Pixeln sind prinzipiell zwei Mechanismen zu unterscheiden, die beide bei ständig kleiner werdenden Pixeln immer relevanter werden. Erstens besteht die Möglichkeit von optischem „cross talk“, dabei passiert das Licht den Farbfilter eines Pixel, wird aber im Nachbarpixel absorbiert (siehe Skizze). Begünstigt wird dies bei kleinen Pixeln durch im Vergleich zur Pixelbreite große Zwischenräume zwischen Photodiode und Farbfilter. Eine weitere Ursache ist die recht unpräzise Fertigung von kleinen Farbfiltern sowie deren unterschiedliche Tiefe. Der zweite Aspekt ist elektrischer „cross talk“, hierbei diffundieren die vom einfallenden Licht erzeugten Ladungsträger in das Nachbarpixel und, im Fall von BSI-Sensoren, eventuell in die Schaltungen „unter“ dem Pixel. Problematisch ist dabei ferner, dass bei BSI-Sensoren die Photodiode an der Vorderseite des Sensors liegt. Dadurch dringt das Licht auf der der Photodiode gegenüberliegenden Seite ein, dort entstandene Ladungsträger müssen somit einen weiteren Weg bis in die Photodiode zurücklegen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Ladungsträger in ein Nachbarpixel diffundieren.
 
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