Photoinduzierte Stromverstärkung und intrinsische Frequenzmischung für Entfernungsmesser, 3D-Bildsensoren und Systeme der nächsten Generation - PICASSO

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Andreas Bablich, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561870720

Ziel dieses Projektes ist es, das grundlegende Leistungspotential und Leistungsgrenzen nichtlinearer IPD-Sensoren (IPD = Intrinsic Photomixing Detector) auf Basis amorphen Siliziums (a-Si:H) und amorphen Siliziumlegierungen (amorphes Siliziumgermanium und Siliziumcarbid) für höchstintegrierte und höchstpräzise Entfernungsmesser und 3D-Kamerassysteme nach dem Time-of-Flight Prinzip zu erforschen. Neben der Entwicklung bauteilspezifischer Modelle und Simulationen, wird die technologische Umsetzung innovativer IPD-Sensoren erarbeitet. Anhand entwickelter Modelle sollen IPD-Einzelpixel experimentell demonstriert und das erarbeitete physikalische Grundverständnis validiert und für rekursive Optimierungen der Konzepte genutzt werden. Es werden verschiedene Bauteilarchitekturen und Materialkompositionen erforscht, um I.) die Grenzfrequenz und damit erreichbare Tiefenauflösungen zu maximieren, II.) auch bei geringem Restlicht und starkem Streulicht eine robuste und präzise Distanzinformation/3D-Szenenerfassung zu demonstrieren sowie III.) maximale Empfindlichkeiten (Detektionsgrenzen) des IPD-Konzepts im infraroten Spektralbereich für eine augensichere Anwendbarkeit und ein breites Anwendungsspektrum zu demonstrieren. Aktuelle Time-of-Flight Sensoren weisen bezüglich erreichbarer Integrations-/Pixeldichten deutliche Defizite auf und sind in ihrem jetzigen Stadium für hochauflösende und gleichermaßen hochintegrierte 3D-Bildgebung nicht geeignet. Die technologische Basis des a-Si:H IPD bietet dabei die Möglichkeit zur direkten CMOS-kompatiblen Back-End-of-Line Integration und somit das Potential für eine massiv gesteigerte Pixeldichte und Auflösung. Zur Realisierung wird im Rahmen des PICASSO-Projektes ein umfassendes physikalisches Verständnis unterschiedlicher amorpher IPD-Sensoren-Konzepte erarbeitet. Dazu bedarf es der Modellierung und Entwicklung optimierter Bauteilkonzepte auf Basis einer fundierten Materialdatenbank, die messtechnisch aus elektro-optischen Dünnschichtcharakterisierungen und komplementären nanoanalytischen Methoden aufgebaut wird. Weiterhin umfasst das Projekt die Etablierung halbeitertechnologischer Prozessketten zur Herstellung der Sensoren sowie den Aufbau erforderlicher Messumgebungen für anwendungsspezifische Distanz-/3D-Szenenerfassung. Neben den zu Performancevorteilen des Sensorkonzepts ggb. dem Stand der Technik (massive Steigerung der spektralen Empfindlichkeit durch elektro-optisches Gating, bessere Tiefenauflösung und Messgenauigkeit), bietet die geplante a-Si:H Technologieplattform weiterhin signifikante Vorzüge, da sie ein Maximalmaß an Skalierbarkeit (geometrische Füllfaktoren bis zu 100 %), Technologiekompatibilität (Niedertemperatur PECVD Verfahren) und Anpassbarkeit an spezifische Distanzmessanforderungen ermöglicht (präzise Einstellbarkeit spektraler Empfindlichkeit durch Bandgap Engineering/Legierungen).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen