Siliziumbasierte Fotodioden Höhere Empfindlichkeit im nahen Infrarot dank einer neuartigen Struktur

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Treston Deutschland GmbH

Forscher wollen neuartige Silizium-Fotodioden entwickeln, die im nahen Infrarotspektrum eine hohe Empfindlichkeit bieten. Damit sollen kostengünstige Alternativen zu bisherigen Materialien eröffnet. Der Einsatz von Schwermetallen lässt sich vermeiden.

Fotodioden finden sich überall – als Bildsensor in Kameras, die in der Prozesstechnik Oberflächen inspizieren oder innerhalb der Messtechnik in Spektroskopiesystemen. Im sichtbaren Licht bestehen heute nahezu alle Fotodioden aus Silizium, da dieses Material als Standard in der Halbleiterbranche besonders kostengünstig hergestellt werden kann.

Doch im nahen Infrarotbereich, der für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, stoßen siliziumbasierte Fotodioden aufgrund der zu geringen Empfindlichkeit bisher an ihre Grenzen. Daher werden Materialien wie Indiumgalliumarsenid (InGaAs) genutzt. Dieses Material erfordert jedoch eigene Herstellungsprozesse, die nicht mit der Silizium-Halbleitertechnik kompatibel sind und deshalb in hohen Kosten resultiert. Zudem werden im Herstellungsprozess Schwermetalle wie Arsen verarbeitet.

Nahes Infrarot mit Silizium-Fotodioden

Das Fraunhofer IPMS verfolgt nun erstmals einen neuen Forschungsansatz, um kostengünstige Silizium-Fotodioden zu einer ausreichenden Empfindlichkeit im nahen Infrarot zu verhelfen. „Die Innovation beruht auf der Implementation einer neuen Struktur in unserer Fotodiode.“ erklärt Projektkoordinator Michael Müller vom Fraunhofer IPMS. „Statt der bisher üblichen planaren Bauelementtopografie verwenden wir neuartige Pyramidal- und Ringstrukturen, die wie ein Lichtsammelbecken funktionieren. Mittels einer sehr dünnen Metallschicht im Schottky-Übergang erhöhen wir die interne Quanteneffizienz – also die Anzahl der durch Licht generierten Ladungsträger im Halbleiter. Diese beiden Neuerungen sollen die Empfindlichkeit entscheidend steigern und erstmals Anwendungen im nahen Infrarot mit Silizium-Fotodioden ermöglichen.“

Dieser neue Ansatz bietet erhebliche ökonomische und ökologische Vorteile. Durch die Verwendung etablierter Silizium-Halbleitertechnologien können die Herstellungskosten gesenkt und der Einsatz von Schwermetallen vermieden werden, was die Nachhaltigkeit in der Halbleiterbranche fördert. Das Projekt „MesSi“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 566.000 Euro über drei Jahre gefördert.

Günstige Fotodioden für autonomes Fahren

Die verbesserte Empfindlichkeit von Silizium-Fotodioden im NIR-Bereich eröffnet zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in preissensiblen Volumenmärkten. Ein prominentes Beispiel ist das autonome Fahren, wo Lidar-Sensoren und Nebelkameras für eine effektive Umfeldüberwachung benötigt werden. Dies ist besonders bei Sichtbehinderungen durch Rauch oder Nebel wichtig, wo herkömmliche Kameras versagen.

Auch die Sicherheitstechnik könnte von diesen Entwicklungen profitieren, von der Überwachung kritischer Infrastrukturen bis hin zu Anwendungen im privaten Umfeld. In der chemischen und medizinischen Bildgebung sowie der Spektroskopie bieten die neuen Fotodioden ebenfalls großes Potenzial. Insbesondere in der Prozessmesstechnik der pharmazeutischen und chemischen Industrie kann die hyperspektrale Bildgebung im NIR-Bereich zur Erkennung und Analyse organischer Materialien und Materialgemische genutzt werden.

(heh)

Interview Robert Feurle, AMS Osram

„Wir wollen unsere Vorreiterrolle bei Lidar behaupten und weiter ausbauen“

(ID:50099289)