Infrarot-Photodioden aus Silizium

Photodioden finden sich als Bildsensor in Kameras, die in der Prozesstechnik Oberflächen inspizieren, oder innerhalb der Messtechnik in Spektroskopie­systemen. Im sichtbaren Bereich bestehen heute nahezu alle Photodioden aus Silizium, da dieses Material als Standard in der Halbleiterbranche besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Doch im nahen Infrarotbereich, der für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, 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 sind und deshalb in hohen Kosten resultiert. Zudem werden im Herstellungs­prozess Schwermetalle wie Arsen verarbeitet. Dies steht einer ökologischen Mikroelektronik­herstellung entgegen.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS verfolgt nun erstmals einen neuen Forschungsansatz, um kostengünstige Silizium-Fotodioden zu einer ausreichenden Empfind­lichkeit im nahen Infrarot zu verhelfen. „Die Innovation beruht auf der Implemen­tation einer neuen Struktur in unserer Photodiode“, erklärt Projekt­koordinator Michael Müller. „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 entscheidend steigern und erstmals Anwendungen im nahen Infrarot mit Silizium-Fotodioden ermöglichen.“

Der neue Ansatz bietet nicht nur ökonomische Vorteile durch die Nutzung etablierter Silizium-Halbleiter­technologien, sondern auch ökologische Vorteile, da der Einsatz von Schwermetallen vermieden werden kann. Dies trägt entscheidend zur Nachhaltigkeit in der Halbleiter­branche bei. Silizium-Photodioden können in Zukunft eine Reihe neuer Anwendungen im nahen Infrarot­bereich ermöglichen, besonders in preissensiblen Volumen­märkten. Ein Beispiel ist das autonome Fahren, welches neue LiDAR-Sensoren und Nebelkameras für eine effektive Umfeldüberwachung benötigt. Besonders wichtig ist dies bei Sicht­behinderungen durch Rauch oder Nebel, wenn Kamers im sichtbaren Bereich versagen. 

Davon würde auch die Sicherheits­technik profitieren, deren Anwendungen vom Schutz kritischer Infra­strukturen bis in den Privatbereich reichen. 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.

Fh.-IPMS / JOL