Optoelektronische Systeme Universelle Plattform für Bildsensoren, Mikrodisplays und Sensoren

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Fraunhofer-Forscher präsentieren eine universelle Plattform für optoelektronische Systeme wie Emitter- und Sensorfunktionen auf einem Chip. Umgesetzt hat man das mit der OLED-auf-Silizium-Technologie.

Mehrfarbiges OLED-Mikrodisplay: Dank einer Plattform aus Organik-auf-Silizium-Photonik lassen sich miniaturisierte Anwendungen entwickeln.
Mehrfarbiges OLED-Mikrodisplay: Dank einer Plattform aus Organik-auf-Silizium-Photonik lassen sich miniaturisierte Anwendungen entwickeln.
(Bild: Fraunhofer FEP. Fotografin: Claudia Jacquemin)

Seit über einem Jahrzehnt arbeiten Forscher am Fraunhofer FEP in Dresden an der OLED-auf-Silizium-Technologie. Dabei integrieren die Forscher hocheffiziente OLED-Schichten monolithisch auf CMOS-Backplanes. Damit lassen sich optoelektronische Bauelemente wie lichtemittierende Mikrodisplays für Anwendungen in smarten AR-, VR- oder MR-Systemen oder Wearables und Datenbrillen entwickeln. Außerdem kann man mit der Technik Detektionskomponenten entwickeln, wie organische Photodioden (OPD). Gemeinsam mit einer On-Chip-Signalverarbeitung können sie auch als Kombination auf einem einzigen Chip integriert werden.

Die OLED-auf-Silizium-Technologie hat inzwischen Industriereife für OLED-Mikrodisplays als Displays für AR-/VR-Datenbrillen erreicht. Man findet sie in Sportbrillen, genauso wie in Helmen zur Navigationsanzeige oder auch in militärischen Anwendungen. Dennoch gibt es eine Vielzahl weiterer Anwendungen, die mit einer organischen Frontplane auf einer integrierten CMOS-Backplane adressiert werden können. Auch Bildsensoren mit organischen Photodioden und nicht-bildgebende Anwendungen wie optische Sensoren können von dieser Technologie profitieren.

Eine universelle Plattform

Eine universelle Plattform aus hochintegrierten OLED-Schichten auf einem monolithischen CMOS-Backplane. Damit lassen sich Bildsensoren, Mikrodisplays und Sensoren bauen.
Eine universelle Plattform aus hochintegrierten OLED-Schichten auf einem monolithischen CMOS-Backplane. Damit lassen sich Bildsensoren, Mikrodisplays und Sensoren bauen.
(Bild: Fraunhofer FEP, Fotograf: Finn Hoyer)

Mit einer universellen Organik-auf-Silizium-Photonik-Plattform lassen sich Bauelemente für solche verschiedenen Anwendungen standardisieren und kostengünstig entwickeln. Zu den aktuellen Entwicklungen gehören verschiedene Backplanes, mit denen OPD-Bildsensoren, OLED-auf-Silizium-Mikrodisplays oder auch ein Sauerstoffsensor umgesetzt werden können.

„Unsere neue Photonik-Plattform besteht aus einer organischen Frontplane auf einer integrierten Si-CMOS-Backplane. Sie ermöglicht Anwendungen wie Variationen vom Mikrodisplay über Bildaufnehmer bis zu optischen Sensoren. So können Mikrodisplays mit niedriger und hoher Leuchtdichte und verschiedenen Farbschemata hergestellt werden, die von monochrom über ausgewählte Farbschemata bis hin zu RGB/RGBW-Vollfarbe reichen.

Anwendungsspezifische Anpassungen können durch die Implementierung anderer Technologien vorgenommen werden, beispielsweise in Bezug auf Spektrum, Intensität oder Modulation, Lichtemission, OPD-Empfindlichkeit durch Stack-Design oder Materialauswahl sowie Implementierung von Filtern oder Quantendots. Dabei muss die CMOS-Backplane nicht verändert werden, was die Kosten enorm senkt und eine hohe Flexibilität bietet“, sagt Bernd Richter, stellvertretender Bereichsleiter für Mikrodisplays und Sensoren am Fraunhofer FEP.

Bildsensor mit OPD-Frontplatte

Ein Anwendungsbeispiel ist ein Bildsensor mit einem gestapelten Ansatz einer OPD-Frontplane auf einer CMOS-Backplane für einen erweiterten Spektralbereich. Der integrierte Bildsensor nutzt eine OPD-Frontplane, die vollständig im Vakuum prozessiert wird und eine höhere Empfindlichkeit als herkömmliche CMOS Bildsensoren im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich erreicht. Entstanden ist ein SVGA-Bildsensor mit einer Auflösung von 800 x 600 Pixel und einer aktiven Fläche von 12,8 mm x 9,6 mm, einer Bildsensorgröße von 0,61 Zoll und einer Pixelgröße von 16 µm x 16 µm.

Modifiziertes OLED-Mikrodisplay

Als zweites wurde eine anwendungsspezifische Mikrodisplay-Modifikationen unter Verwendung verschiedener OLED-Frontplanes mit einer universellen 720p-CMOS-Backplane realisiert. Die Version RGBW nutzt die volle Leistungsfähigkeit der Backplane. Es wurde eine weiße OLED mit Farbfiltern verwendet – der Standardansatz für OLED-Mikrodisplays.

Diese Entwicklung zeigt die Möglichkeiten der Technologieplattform durch die Integration mehrerer Filter. Außerdem wurden noch eine zweifarbige RGRG-Version entwickelt, die zu einer erheblichen Erhöhung der Leuchtdichte führen. Dieser Ansatz kann weiter in Effizienz und Helligkeit optimiert werden.

Eine dritte Version befasste sich mit der Implementierung eines monochromen Stacks für besonders hohe Helligkeiten sowie der Möglichkeit einer verdoppelten Auflösung. Weiterhin wurde mit der OLED-auf-Silizium-Plattform eine dritte Anwendungsmöglichkeit in der chemischen Sensorik umgesetzt. Hier wird die OLED als Anregungslichtquelle verwendet und ein integrierter optischer Phosphoreszenz-Sensor realisiert. Als Beispiel wurde dieses Verfahren an einem optischen Sauerstoffsensor gezeigt.

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