Umweltfreundliche Infrarotkameras

Eine bleifreie Quantenpunkt-Photodiode ist hier in einen kurzwelligen Infrarot-Optosensor integriert. Die Technologie lässt sich in zahlreichen Anwendungen einsetzen: in der Robotik, der Automobilindustrie, AR/VR und der Unterhaltungselektronik.

© Imec

Ein neuer kurzwelliger Infrarot-Bildsensor demonstriert, dass es eine umweltfreundliche Alternative zu den bleihaltigen Quantenpunkten der ersten Generation gibt, deren Herstellung aufgrund ihrer Toxizität eingeschränkt war. Der Sensor auf Basis von Indiumarsenid-Quantenpunkt-Photodioden liefert 1.390-nm-Bildgebungsergebnisse. Dieser Machbarkeitsnachweis ist ein wichtiger Schritt in Richtung Infrarotbildgebung für den Massenmarkt mit kostengünstigen und ungiftigen Fotodioden.

Durch die Erkennung von Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Spektrums sorgen kurzwellige Infrarotsensoren (SWIR) für einen besseren Kontrast und mehr Details, da Materialien in diesem Bereich unterschiedlich reflektieren. Die Sensoren unterscheiden Objekte, die für das menschliche Auge identisch erscheinen, und durchdringen Nebel oder Dunst. Daher eignen sie sich für Anwendungen wie Gesichtserkennung oder Blickverfolgung in der Unterhaltungselektronik und der autonomen Fahrzeugnavigation. Während aktuelle Versionen teuer und auf High-End-Anwendungen beschränkt sind, verspricht die Wafer-Level-Integration einen breiteren Zugang.

Indiumarsenid als Alternative

Quantenpunkte (QDs) sind nanoskalige Halbleiterpartikel, die so konstruiert werden, dass sie Licht in bestimmten Wellenlängenbereichen emittieren und absorbieren. Sie sind auf den SWIR-Bereich abgestimmt und bieten kostengünstige Absorber, da sie in CMOS-Schaltkreise und bestehende Fertigungsprozesse integriert werden können. Allerdings enthalten QDs der ersten Generation oft giftige Schwermetalle wie Blei und Quecksilber. Das belgische Entwicklungs­zentrum Imec und seine Partner (siehe Kasten) präsentieren nun einen SWIR-Bildsensor mit einer bleifreien Quantenpunkt-Alternative als Absorber: Indiumarsenid (InAs). Der Proof-of-Concept-Sensor, der sowohl auf Glas- als auch auf Siliziumsubstraten getestet wurde, war der erste, der 1.390-nm-Bildgebungsergebnisse lieferte. Während QDs von Natur aus als zerbrechlich gelten, führte die Auswahl der Stapelmaterialien zu einer Luftstabilität von >300 Stunden, was sie für die Fabrikfertigung kompatibel macht. Die Pixelarchitektur lässt sich in die CMOS-Technologie für Bildsensor­anwendungen einbinden, ermöglicht aber auch die Integration in Flachbildschirme.

Pawel Malinowski, Technologiemanager und Bereichsleiter für Bildgebung bei Imec, erklärt die Bedeutung dieses Durchbruchs: „Die erste Generation von QD-Sensoren war entscheidend, um die Möglichkeiten dieser flexiblen Plattform aufzuzeigen. Wir arbeiten nun an einer zweiten Generation, die als Wegbereiter für die Massenproduktion dienen wird – mit dem Ziel einer kostengünstigen und umweltfreundlichen Fertigung.“