Perowskit-Bildsensoren Schärfere Bilder dank übereinandergestapelter Pixel

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Mithilfe neuer Bildsensoren aus dem Halbleitermaterial Perowskit sollen sich mit weniger Licht bessere Bilder erstellen lassen. Der an der ETH Zürich entwickelte Sensor ist lichtempfindlicher, gibt Farben präziser wieder und bietet eine höhere Auflösung als Silizium-Sensoren.

Die Sensortechnik ist eines der zentralen Themenfelder der Elektronikentwicklung und maschineller Bildverarbeitung. Traditionelle Siliziumsensoren stoßen dabei immer wieder an ihre physikalischen und technischen Grenzen. Gerade bei schwachen Lichtverhältnissen oder Anwendungen, die präzise Farbwiedergabe wie medizinische Diagnostik oder automatisierte Landwirtschaft verlangen, zeigen sie deutliche Schwächen.

Jetzt könnten Forschende der ETH Zürich mit einer bahnbrechenden Entwicklung auf Basis des Halbleitermaterials Perowskit eine technische Wende einleiten: Die neuartigen Bildsensoren nutzen auftreffendes Licht weitaus effizienter, ermöglichen so eine höhere Farbtreue und erreichen deutlich geringere Bildartefakte. Gleichzeitig verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis.

Perowskit-Sensoren lassen mehr Licht durch

Im Gegensatz zu konventionellen RGB-Siliziumsensoren, bei denen Farbfilter bis zu zwei Drittel des eintreffenden Lichts abschwächen, lässt der Perowskit-basierte Sensor deutlich mehr Licht durch. Somit profitieren Entwickler von schärferen und detaillierteren Bildern, wobei gleichzeitig der Energieaufwand und die Komplexität des Gesamtsystems reduziert werden.

Forscher um Maksym Kovalenko, die sowohl an der ETH Zürich als auch an der Empa arbeiten, haben einen neuen Ansatz vorgestellt, mit der eine Kamera das gesamte Licht für die Farbaufzeichnung verwenden kann. Seit bald zehn Jahren forschen sie an Bildsensoren aus Perowskit.

Pixel für Rot, Grün und Blau liegen übereinander

Grundlage für des Bildsensors ist Bleihalogenid-Perowskit. Dieses kristalline Material ist ein Halbleiter. Im Gegensatz zu Silizium lässt es sich aber besonders einfach verarbeiten. Seine physikalischen Eigenschaften variieren mit seiner genauen chemischen Zusammensetzung. Genau das machen sich die Forschenden bei der Herstellung von Perowskit-Bildsensoren zunutze.

Enthält das Perowskit etwas mehr Jod-Ionen, absorbiert es rotes Licht. Für Grün fügen die Forscher mehr Brom hinzu, für Blau mehr Chlor. Alles ganz ohne Filter. Für die anderen Wellenlängen bleiben die Perowskit-Pixelschichten transparent, lassen sie also durch. Somit können die Pixel für Rot, Grün und Blau im Bildsensor übereinandergestapelt werden, anders als bei Silizium-Bildsensoren, wo die Pixel nebeneinander liegen.

Dank dieser Anordnung können Bildsensoren auf Perowskit-Basis auf derselben Fläche theoretisch dreimal so viel Licht einfangen wie herkömmliche Bildsensoren. Gleichzeitig ist die Auflösung dreimal besserer. Bereits vor einigen Jahren konnte Kovalenkos Team ihre Funktionsweise demonstrieren, zunächst mit einzelnen überdimensionalen Pixeln aus millimetergroßen Perowskit-Kristallen. Nun haben sie erstmals zwei funktionierende Dünnschicht-Bildsensoren aus Perowskit gebaut.

Die Anwendungen im Fokus

Die Einsatzmöglichkeiten der Sensortechnik sind breit gefächert und versprechen unmittelbare Vorteile:

• Maschinelles Sehen und Automatisierung: Präzisere Farberkennung und verlässlichere Bildverarbeitung auch bei schlechten Lichtverhältnissen. Damit eignen sie optimal für Robotik und Qualitätssicherung in der industriellen Fertigung.

• Medizintechnik: Höhere Detailgenauigkeit unterstützt medizinische Diagnoseverfahren, etwa in der Dermatologie oder der bildgebenden Diagnostik.

• Automatisierte Landwirtschaft und Umweltüberwachung: Die verbesserte Verarbeitung schwacher Lichtquellen eröffnet neue Möglichkeiten in der Analyse von Wachstumsverhältnissen und in automatisierten Überwachungssystemen.

Noch am Anfang der Entwicklung

Die Perowskit-Bildsensoren stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Mit den zwei Prototypen konnten die Forschenden jedoch zeigen, dass die Technologie sich miniaturisieren lässt. Hergestellt mit in der Industrie üblichen Dünnschicht-Verfahren, haben die Sensoren zumindest in der Vertikale ihre Zielgröße erreicht. „Es gibt natürlich immer Optimierungspotenzial“, sagt Mitautor Sergii Yakunin aus Kovalenkos Forschungsgruppe.

Die beiden Prototypen, die sich in der Auslese-Technologie unterscheiden, haben die Forscher ausgiebig in Experimenten untersucht. Ihre Ergebnisse belegen die Stärken von Perowskit: Die Sensoren sind lichtempfindlicher, geben die Farben präziser wieder und können eine deutlich höhere Auflösung bieten als die herkömmliche Silizium-Technologie. Jeder Pixel fängt das gesamte Licht ein, womit einige Artefakte der Digitalfotografie entfallen, etwa das Demosaicing und der Moiré-Effekt.

Wellenlängen lassen sich präzise steuern

Für diese Art der Bildgebung haben Perowskit-Sensoren einen entscheidenden Vorteil. Die Wellenlängen, die sie absorbieren, können die Forscher für jede Schicht sehr präzise steuern. „Mit Perowskit können wir zahlreiche Farbkanäle definieren, die sich klar voneinander unterscheiden“, sagt Yakunin. Silizium, mit seinem breiten Absorptionsspektrum, benötigt dafür zahlreiche Filter und aufwendige Computeralgorithmen. „Das ist bereits bei einer relativ kleinen Anzahl Farben sehr unpraktisch“, betont Kovalenko. Hyperspektrale Bildsensoren aus Perowskit könnten etwa bei medizinischen Analysen oder bei der automatisierten Überwachung der Landwirtschaft und der Umwelt zum Einsatz kommen.

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher ihre Perowskit-Bildsensoren weiter verkleinern und gleichzeitig die Anzahl Pixel erhöhen. Ihre beiden Prototypen haben Pixelgrössen zwischen 0,5 und 1 mm. Pixel in kommerziellen Bildsensoren befinden sich zwischen 1 µm bis 0.001 mm.

„Es sollte sogar möglich sein, aus Perowskit noch kleinere Pixel zu machen als aus Silizium“, sagt Yakunin. Auch müssen die elektronischen Anschlüsse und die Verarbeitungstechniken für die neue Technologie angepasst werden. „Die heutige Auslese-Elektronik ist für Silizium optimiert. Perowskit ist aber ein anderer Halbleiter, mit anderen Materialeigenschaften“, sagt Kovalenko. Die Forscher sind jedoch überzeugt, diese Herausforderungen zu meistern. (heh)

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