Infrarot-Detektor für Smartphones und autonome Fahrzeuge

Jülicher Forscher haben gemeinsam mit italienischen und deutschen Kollegen
einen besonders preiswerten Infrarot-Detektor entwickelt, der sich gut in
bestehende Kamerachips und Smartphones integrieren lässt. Der neue Sensor
macht gleich zwei technisch wichtige Bereiche der Infrarot-Strahlung
sichtbar, die bisher von konventionellen Photodioden nicht abgedeckt
wurden. Die Ergebnisse wurden im Fachblatt ACS Photonics vorgestellt.

Die Welt erscheint klarer in kurzwelligem Infrarot, kurz SWIR: Kameras,
die in diesem Bereich des Spektrums arbeiten, liefern Bilder in Graustufen
– üblicherweise gestochen scharf. Denn durch Regen, Nebel oder Dunst
können solche Fotochips einfach hindurchsehen. Sichtbares Licht wird durch
kleine Wassertröpfchen in der Luft gestreut – was sich als Schleier auf
dem Bild bemerkbar macht, der die Sichtweite und Detailerfassung begrenzt.
Dieser Effekt spielt aber für Licht im SWIR-Bereich keine Rolle. Daher
bieten sich solche Kameras für Anwendungen an, wo eine freie Sicht
unabdingbar ist, zum Beispiel für autonom fahrende Pkw oder die
Luftfahrtsicherheit.

Herkömmliche Kamera-Chips aus Silizium können den SWIR-Bereich jedoch nur
sehr eingeschränkt abbilden. „Es gibt bereits andere Kameras, die für
diese Zwecke genutzt werden. Die sehr hohen Kosten verhindern jedoch
oftmals den Einsatz im Alltag“, erläutert Dan Buca vom Forschungszentrum
Jülich. Die Verwendung von Materialien, die sich nur schwer mit Standard-
Schaltkreisen aus Silizium verbinden lassen, macht die Integration in
einen Chip komplex und damit teuer: „Unser Detektor füllt daher eine
Lücke: Er deckt einen Bereich des Spektrums ab, für den bisher keine
preiswerten Sensoren existierten. Die Wahl von Legierungen und Elementen,
die gut mit Silizium verträglich sind, ermöglicht es uns nun,
vergleichsweise einfache Herstellungsprozesse mit Standard-Werkzeugen
anzuwenden. So können wir sehr günstige Kamerachips konstruieren, die in
jedem Smartphone genauso wie in heutigen Kameras verbaut werden können“,
ergänzt Dan Buca.

Die Basis für den neuen Detektor bildet eine dünne Schicht aus Silizium,
dem Standardmaterial für Computerchips. Darauf werden weitere Lagen von
Halbleitermaterialien abgeschieden, welche die Elemente Germanium und Zinn
enthalten, im Periodensystem alle in derselben Hauptgruppe stehen wie
Silizium.

„Die Germanium-Zinn-Halbleiter wurden in Jülich entwickelt“, erläutert
Prof. Giovanni Isella vom Polytechnikum Mailand, der die Entwicklung des
neuen Bauteils gemeinsam mit Dan Buca geleitet hat. „Es hat beinahe zehn
Jahre gedauert, bis alle Parameter optimiert waren. Aber jetzt lassen sich
diese Halbleiterschichten in jeder Chipfabrik mit etablierter Technik
aufbauen.“ Dadurch ist es möglich, sie besonders preiswert herzustellen.
Und weil sie auf Silizium basieren, lassen sie sich auch ohne größere
Probleme auf bestehenden Chips integrieren.

So kann man aus den verschiedenen Halbleiter-Schichten Pixel auf Fotochips
für Digitalkameras fertigen – die dann in der Lage sind, die gleichen
Bilder in verschiedenen Bereichen des Infrarot-Spektrums aufzunehmen. Das
lässt manche Objekte – im wahrsten Sinn des Wortes – in einem anderen
Licht erscheinen: „Bei Gemälden zum Beispiel können wir damit durch
Farbschichten hindurchblicken und erkennen, was der Künstler darunter
gemalt hat“, sagt Giovanni Isella. Und bestimmte Druckfarben, die als
Sicherheitsmerkmal für Geldscheine genutzt werden, scheinen zu
verschwinden, wenn sie unter IR-Licht betrachtet werden. Mit dem Jülicher
Detektor ließe sich die Echtheit der Banknoten daher leicht überprüfen.

Zwischen verschiedenen Wellenlängen umschaltbar

Eine Besonderheit des Detektors ist dabei: er ist für zwei verschiedene
Bereiche des infraroten Spektrums empfänglich. Dazu muss die Vorspannung,
die an ihm anliegt, einfach nur umgepolt werden – und schon schaltet das
Bauteil vom Nahen Infrarot (NIR) auf Kurzwelliges Infrarot (SWIR) um.
„Damit erweitern wir den Anwendungsbereich des Sensors“, sagt Giovanni
Isella.

Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, verschiedene Flüssigkeiten
und Gase zu unterscheiden, die NIR- und SWIR-Strahlung unterschiedlich
stark absorbieren. Das konnte das Forscherteam am Beispiel der
Lösungsmittel Isopropanol und Toluol demonstrieren. Mithilfe des
schaltbaren Detektors lassen sich die für das menschliche Auge farblosen
Flüssigkeiten eindeutig auseinanderhalten. Das ist nicht nur für
Anwendungen im Chemielabor nützlich, sondern auch für vielfältige andere
Alltagsanwendungen interessant.

Die in ACS Photonics veröffentlichten Ergebnisse sind nur der erste
Schritt, um das Anwendungspotenzial des NIR/SWIR-Doppelbanddetektors zu
erschließen. Die beteiligten Forschungsteams setzen ihre Zusammenarbeit
fort, mit dem Ziel, ein kommerzielles Produkt zu entwickeln.