Der gestapelte Farbsensor

Rot-, blau- und grün-empfind­liche Farb­sensoren aufeinander­schichten anstatt sie mosaik­förmig aufreihen – mit diesem Prinzip könnten sich Bild­sensoren mit einer noch nie dagewesenen Auflösung und Licht­empfindlich­keit rea­lisieren lassen. Bislang gelang das aber in der Realität mehr schlecht als recht. Forscher vom schwei­zerischen Zentrum für Material­forschung Empa und der ETH Zürich haben nun einen Sensor­prototypen entwickelt, der das Licht nahezu ideal absorbiert.

Das menschliche Auge besitzt für die Farbwahr­nehmung drei verschiedene Arten von Sinnes­zellen: Rot-, grün- und blau-empfind­liche Zellen wechseln sich im Auge ab und fügen ihre Infor­mationen zu einem farbigen Gesamtbild zusammen. Bildsensoren, beispielsweise in Handy­kameras, funk­tionieren ähnlich: Wie bei einem Mosaik wechseln sich blaue, grüne und rote Sensoren ab. Intel­ligente Software­algorithmen berechnen aus den einzelnen Farbpixeln ein farblich hochauf­gelöstes Bild.
Das Prinzip bringt aber auch einige Limi­tationen mit sich: Da jeder einzelne Pixel nur einen kleinen Teil des darauf auftref­fenden Licht­spektrums absorbieren kann, geht ein großer Teil der Licht­menge verloren. Die Sensoren können zudem fast nicht mehr weiter minia­turisiert werden, und es können uner­wünschte Bild­störungen, die Farbmoiré-Effekte, auftreten, die mühsam wieder aus dem fertigen Bild heraus­gerechnet werden müssen.

Schon seit einigen Jahren beschäftigen sich Forscher daher mit der Idee, die drei Sensoren aufeinander­zustapeln statt sie neben­einander zu platzieren. Dies bedingt natürlich, dass die oben liegenden Sensoren die Licht­frequenzen, die sie nicht absor­bieren, zu den darunter liegenden Sensoren durchlassen. Ende der 1990er-Jahre gelang es erstmals, einen derar­tigen Sensor herzu­stellen: Er bestand aus drei aufeinander­gestapelten Silizium­schichten, die jeweils nur eine Farbe absorbieren.

Daraus entstand dann auch tat­sächlich ein kommerziell erhält­licher Bildsensor. Dieser konnte sich allerdings am Markt nicht durch­setzen: Da die Absorptions­spektren der verschiedenen Schichten nicht scharf genug abge­trennt waren, wird ein Teil des grünen und roten Lichts bereits in der blau-empfind­lichen Schicht absorbiert. Als Resultat verwischen die Farben, und die Licht­empfindlich­keit ist dadurch sogar tiefer als bei gewöhn­lichen Licht­sensoren. Zudem benötigte die Pro­duktion der absor­bierenden Silizium­schichten einen aufwändigen und teuren Herstellungs­prozess.

Nun ist es den Forschern nun gelungen, einen Sensor­prototypen zu entwickeln, der diese Probleme umgeht. Er besteht aus drei verschiedenen Arten von Perowskiten – einem halb­leitenden Materialtyp, der dank seinen heraus­ragenden elek­trische Eigen­schaften und seiner guten optischen Absorptions­fähigkeit seit einigen Jahren immer größere Bedeutung findet, etwa bei der Entwicklung neuer Solar­zellen. Je nach Zusammen­setzung dieser Perowskite können sie etwa einen Teilbereich des Licht­spektrums absorbieren, für den restlichen Bereich aber durchsichtig wirken. Dieses Prinzip nutzten die Forscher um Maksym Kovalenko, um einen Farb­sensor von der Größe gerade mal eines Pixels herzu­stellen. Den Forschern gelang es, damit sowohl einfache eindi­mensionale als auch realistischere zweidi­mensionale Bilder zu repro­duzieren – und zwar mit einer enorm hohen Farbtreue.

Die Vorteile dieses neuen Ansatzes liegen auf der Hand: Die Absorptions­spektren sind klar getrennt. Zudem sind die Absorptions­koeffizienten insbe­sondere für die Licht­anteile mit höheren Wellen­längen bei den Perows­kiten deutlich höher als bei Silizium. Dadurch können die Schichten deutlich kleiner gefertigt werden, was wiederum kleinere Pixel­größen ermöglicht. Dies ist bei gewöhn­lichen Kamera­sensoren nicht entscheidend. Für andere Analyse­technologien, etwa in der Spektro­skopie, könnte dies jedoch eine erheblich höhere räumliche Auflösung ermöglichen. Die Perowskite können zudem in einem vergleichs­weise günstigen Verfahren herge­stellt werden. Um diesen Proto­typen zu einem kommerziell nutzbaren Bildsensor weiterzu­entwickeln, ist allerdings noch einiges an Entwicklungs­arbeit nötig. Zentral sind etwa die Minia­turisierung der Pixel und Methoden, um eine ganze Matrix von solchen Pixeln in einem Schritt herzu­stellen.

Empa / JOL