04 Jul Silizium-Fotodioden für kostengünstige IR-Messtechnik
Im sichtbaren Bereich bestehen heute nahezu alle Fotodioden aus Silizium, da dieses Material als Standard in der Halbleiterbranche besonders günstig hergestellt werden kann. Doch im nahen Infrarotbereich stoßen siliziumbasierte Fotodioden aufgrund der zu geringen Empfindlichkeit bisher an ihre Grenzen. Daher werden in diesem Bereich Materialien wie Indiumgalliumarsenid (InGaAs) genutzt. Dieses Material erfordert jedoch eigene Herstellungsprozesse, die nicht mit der Silizium-Halbleitertechnik kompatibel und deshalb teuer sind. Zudem werden im Herstellungsprozess schädliche Schwermetalle wie Arsen verarbeitet.
Im Rahmen des neuen Forschungsprojekts ‚Messi – Erforschung von dünnen Metallschichten auf strukturierten Siliziumsubstraten‘ werden Forschende des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS nun erstmals empfindliche, siliziumbasierte Fotodioden entwickeln, die sich kostengünstig herstellen lassen.
Silizium neu strukturiert
„Die Innovation beruht auf der Implementation einer neuen Struktur in unserer Fotodiode“, erklärt Projektkoordinator Michael Müller vom Fraunhofer IPMS. „Statt der bisher üblichen planaren Bauelementtopografie verwenden wir neuartige Pyramidal- und Ringstrukturen, die wie ein Lichtsammelbecken funktionieren. Mittels einer sehr dünnen Metallschicht im Schottky-Übergang erhöhen wir die interne Quanteneffizienz – also die Anzahl der durch Licht generierten Ladungsträger im Halbleiter.“
Diese beiden Neuerungen sollen die Empfindlichkeit nach Angabe der Forschenden entscheidend steigern und erstmals Anwendungen im nahen Infrarot mit Silizium-Fotodioden ermöglichen. Der neue Ansatz soll nicht nur ökonomische Vorteile durch die Nutzung etablierter Silizium-Halbleitertechnologien bieten, sondern auch ökologische Vorteile, da der Einsatz von Schwermetallen vermieden werden kann. Dies trägt entscheidend zur Nachhaltigkeit in der Halbleiterbranche bei.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der zylindrischen Pyramidalstrukturen der Silizium-Fotodioden. Bild: Fraunhofer IPMS
Anwendungen von Lidar bis zur Spektroskopie
Silizium-Fotodioden können in Zukunft eine Reihe neuer Anwendungen im nahen Infrarotbereich ermöglichen, besonders in preissensiblen Volumenmärkten, so die Forschenden. Ein Beispiel ist das autonome Fahren, das neue Lidar-Sensoren und Nebelkameras für eine effektive Umfeldüberwachung benötigt. Besonders wichtig ist dies bei Sichtbehinderungen durch Rauch oder Nebel, wenn Kameras im sichtbaren Bereich versagen. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Anwendungen in der chemischen und medizinischen Bildgebung sowie der Spektroskopie. Insbesondere in der Prozessmesstechnik der pharmazeutischen und chemischen Industrie wird die hyperspektrale Bildgebung im nahen Infrarot zur Erkennung und Analyse organischer Materialien und Materialgemischen eingesetzt.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt Messi mit 566.000 Euro für eine Laufzeit von drei Jahren.
Weitere Informationen zum Projekt
Quelle und Bild: www.ipms.fraunhofer.de
