Organische Photodioden OPD-on-silicon-Array mit SVGA-Auflösung

Bildsensor basierend auf organischen Photodioden auf Silizium in einer typischen Kameraanwendung. Hintergrund: NIR-Bild.
Bildsensor basierend auf organischen Photodioden auf Silizium in einer typischen Kameraanwendung. Hintergrund: NIR-Bild.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts FEP haben eine neue Generation organischer Photodioden auf Silizium (OPD-on-silicon) vorgestellt. Erstmals erreicht ein solches Bauelement eine Auflösung von 600 x 800.

CMOS-Bildsensoren dienen in der Industrie als einfache und preiswerte Lösung für die automatisierte Bildverarbeitung, in der Medizintechnik kommen sie in bildgebenden Diagnoseverfahren zum Einsatz, und das autonome Fahren wird in Zukunft für weiteres Potential sorgen.

Herkömmliche, siliziumbasierte CMOS-Bildsensoren…

...sind jedoch technologiebedingt auf einen eingeschränkten Wellenlängenbereich begrenzt; sie sind üblicherweise auf den sichtbaren Teil des Lichts eingestellt.

Möchte man nun aber Licht im nahen Infrarot (NIR) detektieren, wird meist auf Hybridlösungen wie etwa die Kombination von Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) auf CMOS zurückgegriffen. Allerdings ist die Herstellung solcher Hybridlösungen deutlich teurer und fehleranfälliger als die Fertigung im Standard-CMOS-Prozess.

Eine Alternative stellen organische Photodioden dar....

...Die organischen Schichten sind einfach auf Waferlevel integrierbar und daher kostengünstig. Gleichzeitig haben sie je nach Materialsystem auch außerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs eine hohe Sensitivität.

Das Fraunhofer-Institut…

...für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP hat bereits langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Integration organischer Schichten auf CMOS-Wafer. Nun warten die Wissenschaftler mit einer neuen Generation dieser Bauteile auf.

»Auf dem SEMI European Imaging & Sensors Summit 2017 haben wir erstmals ein Array von organischen Photodioden mit SVGA-Auflösung vorgestellt – das sind 800 × 600 Pixel, die zur Detektion zur Verfügung stehen«, erläutert Philipp Wartenberg, Abteilungsleiter IC- und Systemdesign am Fraunhofer FEP. »Wir haben mit dem Exponat nachgewiesen, dass es grundsätzlich möglich ist, eine hochaufgelöste organische Photodiodenmatrix in dieser Größenordnung zu fertigen. Sie ist im Wellenlängenbereich bis 1000 Nanometer empfindlich. Mit entsprechenden Materialanpassungen können wir auf dieser Grundlage applikationsspezifische organische Photodioden entwickeln und deren Eigenschaften auf den konkreten Anwendungsfall hin optimieren.« 

Der ausgestellte Bildsensor…

...wurde komplett auf Waferlevel gefertigt und ist daher bereits produktionsnah. Mit seinem erweiterten Empfindlichkeitsbereich deckt er die gesamte Bandbreite herkömmlicher Anwendungen in der Industrie, dem Auto oder in der Medizin ab. So könnte er beispielsweise bei der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln, als Fingerabdrucksensor oder bei biomedizinischen Tests genutzt werden. »Langfristig haben OPD-on-silicon das Potential, deutlich teurere und prozesstechnisch aufwendigere Hybridlösungen beispielsweise im NIR-Bereich zu ersetzen«, resümiert Wartenberg. »Dort werden derzeit InGaAs-Sensoren eingesetzt.«

Die Wissenschaftler stellen die neue Technologie…

...nun Industriepartnern zur Verfügung, um gemeinsam mit ihnen optimierte organische Photodioden und -arrays als Bildsensoren für die jeweilige Anwendung in der Praxis zu entwickeln und herzustellen.