Für Bildsensoren und Mikrodisplays

Organik-auf-Silizium-Photonik-Plattform

23. Januar 2023, 21:13 Uhr | Andreas Knoll
Anwendungsbeispiele für die neue Organik-auf-Silizium-Photonik-Plattform für Bildsensoren und Mikrodisplays
Anwendungsbeispiele für die neue Organik-auf-Silizium-Photonik-Plattform für Bildsensoren und Mikrodisplays
© Fraunhofer FEP, Finn Hoyer

Miniaturisierte optoelektronische Systeme mit Emitter- und/oder Sensorfunktionen auf einem Chip sind mit der OLED-auf-Silizium-Technologie realisierbar. Mithilfe dieser jetzt industriereifen Technologie entwickelten Fraunhofer-Wissenschaftler eine erweiterte Organik-auf-Silizium-Photonik-Plattform.

Die Plattform kann laut dem Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP neue Generationen von Bildsensoren und Mikrodisplays hervorbringen. Auf der Photonics West 2023, vom 31. Januar bis 2. Februar 2023 in San Francisco, werden die neuesten Forschungsergebnisse vorgestellt und aktuelle Demonstratoren präsentiert.

Seit über einem Jahrzehnt arbeiten Forscher am Fraunhofer FEP in Dresden an der OLED-auf-Silizium-Technologie. Hocheffiziente OLED-Schichten werden dabei monolithisch auf CMOS-Backplanes integriert. Damit lassen sich optoelektronische Bauelemente wie lichtemittierende Mikrodisplays für verschiedenste Anwendungen entwickeln, etwa in smarten AR-, VR- oder MR-Systemen oder anderen Wearables und Datenbrillen, aber auch Detektionskomponenten wie organische Photodioden (OPD). Gemeinsam mit einer On-Chip-Signalverarbeitung sind sie auch als Kombination auf einem einzigen Chip integrierbar.

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 sich mit einer organischen Frontplane auf einer integrierten CMOS-Backplane adressieren lassen. Auch Bildsensoren mit organischen Photodioden und nicht-bildgebende Anwendungen wie optische Sensoren können von der Technologie profitieren.

Auf der Photonics West 2023 stellen die Forscher des Fraunhofer FEP nun eine universelle Organik-auf-Silizium-Photonik-Plattform vor, mit der Bauelemente für solche Anwendungen standardisiert und damit auch kostengünstig entwickelt und realisiert werden können. Dazu präsentieren die Wissenschaftler die neuesten Ergebnisse der verschiedenen Backplanes, mit denen OPD-Bildsensoren, OLED-auf-Silizium-Mikrodisplays oder auch ein Sauerstoffsensor umgesetzt wurden.

Bernd Richter, stellvertretender Bereichsleiter für Mikrodisplays und Sensoren am Fraunhofer FEP, erläutert die Plattform: »Unsere neue Photonik-Plattform besteht aus einer organischen Frontplane auf einer integrierten Si-CMOS-Backplane. Sie ermöglicht verschiedenste Anwendungen und die kostengünstige Umsetzung von Variationen vom Mikrodisplay über Bildaufnehmer bis zu optischen Sensoren. So lassen sich beispielsweise Mikrodisplays mit niedriger und hoher Leuchtdichte und verschiedenen Farbschemata herstellen, die von monochrom über ausgewählte Farbschemata bis hin zu RGB/RGBW-Vollfarbe reichen. Anwendungsspezifische Anpassungen können durch die Implementierung anderer Technologien vorgenommen werden, etwa bezüglich 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 ermöglicht.«

Die technischen Fähigkeiten der Plattform wurden an drei Anwendungsszenarien anhand erster Demonstratoren gezeigt:

Die erste Anwendung ist ein Bildsensor unter Verwendung eines gestapelten Ansatzes 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 (Auflösung 800 x 600 Pixel) mit einer aktiven Fläche von 12,8 x 9,6 mm², einer Bildsensorgröße von 0,61 Zoll und einer Pixelgröße von 16 × 16 µm².

Als zweites wurde eine anwendungsspezifische Mikrodisplay-Modifikation 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 wurde noch eine zweifarbige RGRG-Version entwickelt, die zu einer erheblichen Erhöhung der Leuchtdichte führt. Dieser Ansatz lässt sich weiter in Effizienz und Helligkeit optimieren. 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 im Bereich 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.

All diese Anwendungen profitieren von der technologischen Entwicklung der OLED-auf-Silizium-Technologie, die nun auf die neue Organik-auf-Silizium-Plattform übertragen wurde und somit effizientere Entwicklungszyklen ermöglicht.

Fraunhofer FEP auf der SPIE Photonics West: Stand 4515, auf der SPIE AR VR MR 2023: Stand 206

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