Möglichkeiten von Quantenpunkten Silizium und alternative Halbleiter für bessere Bildsensoren

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Silizium ist eines der am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien für sichtbare Photodetektoren. Oberhalb von 1.100 nm werden Silizium-Read-Out-ICs verwendet. Heterogene Materialien sollen als alternative Halbleiter dienen.

Aufgrund ihrer nanoskaligen Abmessungen weisen Quantenpunkte Quanteneinschlusseffekte auf, die zu optischen und elektrischen Eigenschaften führen. Sowohl die photolumineszenten als auch die elektrolumineszenten Eigenschaften von Quantenpunkten (QD) können in verschiedenen Anwendungen mit unterschiedlichem Grad an Marktreife genutzt werden.

Die Eigenschaften von Quantenpunkten können durch die Partikelgröße, das Material und die Zusammensetzung angepasst werden. QD-Materialien wie Cd-basierte, In-basierte, PbS, Perowskite sowie die neuen Quantenpunkte aus CuInS₂, InAs und ZnTeSe haben unterschiedliche Bandlücken und damit Absorptions- und Emissionsspektren. Diese Fähigkeit zur Feinabstimmung hat dazu geführt, dass Quantenpunkte ein beträchtliches Anwendungspotenzial haben, vor allem in Displays, Bildsensoren, Photovoltaik, Beleuchtung und verschiedenen anderen Anwendungsfällen.

Vom Display zum Sensor

Quantenpunkte sorgen als Quantenpunkt-Farbkonverter in OLED- und Mikro-LED-Displays für eine besser Qualität der Darstellung. Eine neue Anwendung sind QDs in Bildsensoren, die in Digitalkameras, Smartphones und zahllosen anderen Geräten zu finden sind und für die Erfassung und Umwandlung von Licht in elektronische Signale zuständig sind, aus denen schließlich Bilder entstehen.

Als das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist Silizium eine gängige Wahl für sichtbare Photodetektoren. Je nach Anwendung können auch längere Wellenlängen wie das nahe Infrarot (NIR) oder das kurzwellige Infrarot (SWIR) erforderlich sein. Für NIR- und SWIR-Sensoren, insbesondere oberhalb von 1.100 nm, die die Möglichkeiten von Silizium übersteigen, wird nach wie vor der integrierte Silizium-ROIC (Silizium-Read-Out-IC) verwendet, während für Photodetektoren nach alternativen Halbleitern gesucht werden muss. Die Kombination von Silizium-ROIC und Photodetektor mit heterogenen Materialien kann auf drei Wegen erreicht werden.

Heterogenes Hybridisierungsverfahren

Der gängige III-V-Bildsensor wird nach dem sogenannten heterogenen Hybridisierungsverfahren hergestellt, das unter anderem für Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) und HgCdTe gilt. Die alternative Herstellungsmethode ist das monolithische Wachstum von Photodetektoren (wie Germanium) auf Silizium-ROIC.

QD und andere in eine Anwendung verarbeitbare Materialien können die Integrationsherausforderung von anorganischen Photodetektorsystemen wie GaAs überwinden. Dies liegt daran, dass sie durch monolithische Abscheidung direkt auf den ROIC-Schaltkreis aufgebracht werden können.

Bleisulfid-QDs (PbS) haben den Vorteil, dass sie über einen breiten Wellenlängenbereich durchstimmbar sind, wodurch sie sich für NIR- oder SWIR-Sensoranwendungen eignen. Eine interessante Möglichkeit ergibt sich, wenn sie mit einem Silizium-ROIC kombiniert werden, um einen hybriden QD-Si-NIR/SWIR-Bildsensor zu bilden. In diesem Fall kann das Sensorelement als Photodiode, Photoleiter oder Phototransistor ausgeführt sein.

Hochauflösende NIR/SWIR-Sensoren auf Siliziumbasis

Diese neuartige Integration stellt einen potenziellen Weg zu hochauflösenden NIR/SWIR-Sensoren auf Siliziumbasis mit kleinen Pixeln dar, wodurch die Notwendigkeit einer teuren und komplizierten heterogenen Hybridisierung von InGaAs-Sensoren mit Si ROIC entfällt. Kostengünstige hybride Bildsensoren auf QD-Basis können nicht nur Anwendungen adressieren, die traditionell mit InGaAs-SWIR-Bildsensoren realisiert werden, sondern auch dazu beitragen, neue Anwendungen zu erschließen.

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