03 Juli Pixel-Farbfilter aus Perowskit: mehr Licht, höhere Auflösung
Die meisten Bildsensoren bestehen aus Silizium. Um daraus RGB-Sensoren zu bauen, muss das einfallende Licht gefiltert werden. Pixel für Rot enthalten Filter, die Grün und Blau blockieren. Dasselbe Prinzip gilt für grüne und blaue Pixel. Jeder Pixel in einem Silizium-Bildsensor erhält so nur rund ein Drittel der gesamten einfallenden Lichtmenge.
Forschende an der Schweizer Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) und der Empa, dem interdisziplinären Forschungsinstitut des ETH-Bereichs für Materialwissenschaften und Technologie, haben eine neue Lösung vorgeschlagen, mit der eine Kamera das gesamte Licht für die Farbaufzeichnung verwenden kann. Seit bald zehn Jahren forschen sie nach eigenen Angaben dafür an Bildsensoren aus Perowskit.
Gestapelte Filter, chemisch abgestimmt auf die Wellenlänge
Grundlage für den Bildsensor ist Bleihalogenid-Perowskit. Dieses kristalline Material ist ein Halbleiter. Im Gegensatz zu Silizium lässt es sich laut den Forschenden aber besonders einfach verarbeiten – und seine physikalischen Eigenschaften variieren mit seiner genauen chemischen Zusammensetzung. Genau das machen sich die Forschenden bei der Herstellung von Perowskit-Bildsensoren zunutze.
Enthält das Perowskit etwas mehr Jod-Ionen, absorbiert es rotes Licht. Für Grün fügen die Forschenden mehr Brom hinzu, für Blau mehr Chlor – ganz ohne Filter. Für die anderen Wellenlängen bleiben die Perowskit-Pixelschichten transparent, lassen sie also durch. Somit können die Pixel für Rot, Grün und Blau im Bildsensor übereinandergestapelt werden, anders als bei Silizium-Bildsensoren, wo die Pixel nebeneinander liegen.
Dank dieser Anordnung können Bildsensoren auf Perowskit-Basis auf derselben Fläche theoretisch dreimal so viel Licht einfangen wie herkömmliche Bildsensoren – und das bei dreimal besserer Auflösung. Bereits vor einigen Jahren konnte das Team unter Leitung von Maksym Kovalenko ihre Funktionsweise demonstrieren, zunächst mit einzelnen überdimensionalen Pixeln aus millimetergroßen Perowskit-Kristallen. Nun berichten sie erstmals über zwei funktionierende Dünnschicht-Bildsensoren aus Perowskit.
Perowskit-Bildsensoren können auf derselben Fläche theoretisch dreimal so viel Licht einfangen wie herkömmliche Silizium-Bildsensoren – bei dreimal höherer Auflösung. Bild: Sergii Yakunin / ETH Zürich / Empa)
Vom Prototypen zum Bildsensor
„Wir entwickeln die Technologie weiter von einem groben Proof of Concept hin zu einer Dimension, in der sie tatsächlich zum Einsatz kommen könnte“, erklärt Kovalenko. Die Perowskit-Bildsensoren stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Mit zwei Prototypen können die Forschenden jedoch zeigen, dass sich die Technologie miniaturisieren lässt. Hergestellt mit in der Industrie üblichen Dünnschichtverfahren, haben die Sensoren zumindest in der Vertikale ihre Zielgröße erreicht, so die Forschenden. „Es gibt natürlich immer Optimierungspotenzial“, sagt der beteiligte Wissenschaftler Sergii Yakunin.
Die beiden Prototypen, die sich in der Auslese-Technologie unterscheiden, haben die Forschenden sorgfältig experimentell untersucht. Ihre Ergebnisse belegen die Stärken von Perowskit: Die Sensoren sind lichtempfindlicher, geben die Farben präziser wieder und können eine deutlich höhere Auflösung bieten als die herkömmliche Silizium-Technologie. Dadurch, dass jeder Pixel das gesamte Licht einfängt, entfallen zudem einige Artefakte der Digitalfotografie, etwa das Demosaicing und der Moiré-Effekt.
Optimale Filter für hyperspektrale Bildgebung
Digitalkameras werden nicht das einzige Anwendungsgebiet für Perowskit-Bildsensoren sein. Aufgrund der Eigenschaften von Perowskit eignen sie sich auch besonders gut für Anwendungen im Bereich des maschinellen Sehens, betonen die Forschenden. Der Fokus auf Rot, Grün und Blau ist dem menschlichen Auge geschuldet: Die Bildsensoren arbeiten im RGB, weil unsere Augen im RGB-Modus sehen. Für spezifische Aufgaben lohnt es sich aber, abweichende Wellenlängenbereiche zu definieren, die von einem Computer ausgelesen werden. Häufig sind es mehr als drei – man spricht von der sogenannten hyperspektralen Bildgebung.
Für diese Art der Bildgebung haben Perowskit-Sensoren einen entscheidenden Vorteil. Die Wellenlängenbereiche, die sie absorbieren, können die Forschenden für jede Schicht sehr präzise steuern. „Mit Perowskit können wir zahlreiche Farbkanäle definieren, die sich klar voneinander unterscheiden“, sagt Yakunin. Silizium, mit seinem breiten Absorptionsspektrum, benötigt dafür zahlreiche Filter und aufwändige Computeralgorithmen. „Das ist bereits bei einer relativ kleinen Anzahl Farben sehr unpraktisch“, so Kovalenko. Hyperspektrale Bildsensoren aus Perowskit könnten etwa im Bereich medizinischer Analysen oder bei der automatisierten Überwachung der Landwirtschaft und der Umwelt zum Einsatz kommen.
Kleinere Pixel und mehr davon
In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden ihre Perowskit-Bildsensoren weiter verkleinern und gleichzeitig die Anzahl Pixel erhöhen. Ihre beiden Prototypen haben Pixelgrößen zwischen 0,5 mm und 1 mm. Pixel in kommerziellen Bildsensoren befinden sich im Mikrometerbereich. „Es sollte sogar möglich sein, aus Perowskit noch kleinere Pixel zu machen als aus Silizium“, so Yakunin. Auch müssen die elektronischen Anschlüsse und die Verarbeitungstechniken für die neue Technologie angepasst werden. „Die heutige Ausleseelektronik ist für Silizium optimiert. Perowskit ist aber ein anderer Halbleiter, mit anderen Materialeigenschaften“, sagt Kovalenko.
Originalpublikation:
[S. Tsarev, D. Proniakova, X. Liu, E. Wu, G. Matt, K. Sakhatskyi, L. Ferraressi, R. Kothandaraman, F. Fu, I. Shorubalko, S. Yakunin, MV. Kovalenko; Vertically stacked monolithic perovskite colour photodetectors; Nature, DOI: 10.1038/s41586-025-09062-3.]
Quelle: ethz.ch
Bild: ETH Zürich /Empa