Ultra-sensitive nichtlineare Fotodetektoren aus amorphem Silizium für 3D-Bildgebung der Zukunft (ULTRA-SENSE 3D)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Andreas Bablich, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Peter Haring Bolívar
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512532998

Ziel dieses Projektes ist es, das grundlegende Potential und die Grenzen nichtlinearer FIP Sensoren (FIP = Focus-Induced Photoresponse) auf Basis amorphen Siliziums (a-Si:H) und a-Si:H Legierungen für hochintegrierte 3D-Kamerassysteme zu erforschen. Neben der Entwicklung bauteilspezifischer Modelle und Simulationen müssen die technologischen Grundlagen für die Entwicklung leistungsstarker 3D-Sensoren erarbeitet werden. Anhand dieser entwickelten Modelle und Grundlagen sollen experimentell Einzelpixel sowie Pixelarrays demonstriert und das grundlegende Verständnis validiert werden. Es werden unterschiedliche Bauteilarchitekturen und Materialkompositionen erforscht, um 1.) elektrische Bandbreiten und damit Signal-Rauschabstände zu maximieren (Minimierung 1/f Rauschen), 2.) maximale Empfindlichkeiten (Detektionsgrenzen) zu erzielen um auch bei geringem Restlicht eine robuste 3D-Szenenerfassung zu demonstrieren und 3.) Tiefenauflösungen distanzspezifisch durch ein systematisches Defekt- und Feld-engineering zu optimieren. Aktuelle FIP Konzepte weisen deutliche Defizite auf und sind in ihrem jetzigen Stadium für hochempfindliche, schnelle 3D-Bildgebung mit gleichzeitig hoher Tiefenauflösung nicht geeignet. Die im Rahmen der beantragten Forschungsförderung deklarierten Ziele sind: 1.) die Erarbeitung eines umfassenden physikalischen Verständnisses der FIP in a-Si:H Photodetektoren, 2.) die systematische Sondierung der Potentiale nichtlinearer Effekte in diesem Materialsystem, 3.) die Demonstration eines hochempfindlichen Infrarot FIP-Sensors und 4.) die Demonstration der 3D-Messfähigkeit und Erforschung fundamentaler Leistungsgrenzen a-Si:H basierter FIP Pixel. Unser übergeordnetes Forschungsziel besteht in der Entwicklung und Herstellung hochempfindlicher, nichtlinearer Einzelpixel und eines Zeilensensorarrays mit mind. 100 Pixeln sowie der erstmaligen Demonstration einer hochauflösenden 3D-Szenenerfassung in diesem Materialsystem bei maximaler Empfindlichkeit und Tiefenauflösung. Um eine umfassende Erforschung der nichtlinearen Konzepte und deren Anwendbarkeit für 3D-Messungen zu ermöglichen, bedarf es neben weitreichender elektro-optischer Simulationen und Modellierung der Entwicklung optimierter Bauteilkonzepte, der Etablierung halbeitertechnologischer Prozessketten sowie des Aufbaus erforderlicher Messumgebungen. Neben den aufgeführten Performancevorteilen der Sensorstruktur (Sensitivitäten, Tiefenauflösungen, Messgeschwindigkeiten) bietet die geplante a-Si:H Technologieplattform weiterhin signifikante Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, da sie ein Maximalmaß an Reproduzierbarkeit, Skalierbarkeit, Integrationsfähigkeit (Füllfaktoren von 100 %) und Anpassbarkeit an spezifische Distanzmessanforderungen ermöglicht. Die Weiterentwicklung und Nutzung der erforschten Sensoren in Megapixel 3D-Kamerasystemen soll in industriellen Kooperationen, basierend auf und im Anschluss an diesen grundlegenden Forschungsantrag, fortführend bearbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen