Ziel der Entwicklung

In einigen optisch anspruchsvollen Anwendungen verursacht Lichtreflexion des sensitiven Elementes – oftmals eine Photodiode – störende Effekte im System. Besonders bei der Untersuchung sehr lichtschwacher Effekte oder bei der Analyse der räumlichen Lichtverteilung können solche parasitären Effekte die Messung verfälschen oder den Kalibrierungsaufwand erheblich erhöhen. Solche empfindlichen Messungen finden beispielsweise in Streulicht-Partikelmesssystemen oder in Laborgeräten auf Grundlage von Licht-Polarisation (Polarimeter) statt.
Mit diesen Impulsen aus der Wirtschaft war es das Ziel dieses Entwicklungsprojektes, einen Silizium-Photodetektor zu entwickeln, welcher nahezu reflexionsfreie Messungen ermöglicht. Dieses Ziel sollte durch eine Kombination aus Oberflächen-Mikrotextur und für die jeweilige Anwendung optimierte dielektrische Beschichtungen (Antireflexionsbeschichtungen) erreicht werden. Zusätzlich wurden Demonstratoren von segmentierten Photodioden realisiert, welche Zugang zur räumlichen Verteilung des Lichts ermöglichen.
In einer erweiterten Variante wurde eine so entspiegelte Photodiode mit einem Durchbruch versehen. Ein solcher Detektor ermöglicht beispielsweise das selektive Erfassen von gestreuten oder aufgeweiteten Lichtstrahlanteilen („Randstrahlen“) bei gleichzeitiger Durchführung des Hauptstrahls, was insbesondere bei laserbasierten Anwendungen Vorteile generiert und Zugang zu zusätzlichen Messinformationen ermöglicht.

Vorteile und Lösungen

Ein Schwerpunkt im Projekt lag in der Entwicklung eines technologisch kompatiblen Verfahrens zur Erzeugung einer mikro-texturierten Oberfläche, welche als Lichtfalle wirkt und neben den angestrebten optischen Eigenschaften auch die Weiterverarbeitung zu aktiven Photodioden erlaubt. Hierzu wurden verschiedene nasschemische und Plasma-gestützte Ätzverfahren erprobt und damit behandelte Silizium-Waferoberflächen zu Photodioden weiterverarbeitet. Neben der angestrebten Reflexionsreduzierung zeigen die hergestellten Photodioden im visuellen Spektralbereich eine gegenüber unstrukturierten Photodioden erhöhte Sensitivität.
Das durch die Strukturierung der Oberfläche veränderte Reflexionsverhalten ermöglicht den Aufbau von Detektorbaugruppen mit Lichtfalle, welche gegenüber Aufbauten ohne Oberflächenstrukturierung deutlich verbesserte Kennwerte aufweisen. Die optimierten Lichtfallen zeigen eine höhere Gesamtsensitivität bei gleichzeitiger Verringerung der Rückreflektion um rund 15 Prozent.
Durch die Texturierung und die damit einhergehende Vergrößerung und Schädigung der Siliziumgrenzfläche, sind Dunkelströme gegenüber der untexturierten Referenz leicht erhöht. Dieser Nachteil konnte auch mit alternativen Passivierungsbeschichtungen im Rahmen der Projektarbeit nicht vollständig kompensiert werden. Die Vergrößerung der effektiven Oberfläche bewirkt zudem einen Anstieg der elektrischen Kapazitäten, was die erreichbare Dynamik (Grenzfrequenz) solcher Bauteile im Vergleich zur planaren Referenz reduziert.
Es entstanden Messplätze, mit denen die Anteile der Gesamtreflexion (spekular und diffus) bei verschiedenen Wellenlängen erfasst werden können. Ein weiterer Messplatz ermöglicht die Erfassung der Winkelverteilung reflektierten Lichtes bei verschiedenen Einfallswinkeln (Azimut und Neigung). Der mechanische Aufbau und die realisierte Ansteuerung mit Benutzeroberfläche ermöglicht reproduzierbare Messungen von Proben mit verschiedenen Winkelauflösungen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zur Zielgruppe zählen Unternehmen, welche anspruchsvolle optische Sensoren und/oder Messgeräte entwickeln und vermarkten. Hierzu zählen Laborgerätehersteller, mit deren Geräten sehr viele verschiedene Branchen ihre FuE-Aktivitäten, Analytik sowie Qualitäts- und Produktionsüberwachung realisieren können. Darunter fallen beispielsweise Anwendungen der Life Sciences (Medizin, Bio-, Pharma-, Lebensmittel-Branche) aber auch Hersteller von Messsonden und Sensoren, welche unter anderem direkt in Prozessanlagen integriert oder als Baugruppe in Handgeräten eingesetzt werden können.
Diese Transferunternehmen profitieren von der hier entwickelten Technologie, indem die Grundlagen für applikationsspezifisch optimierte Photoempfänger mit besonders geringer Lichtreflexion gelegt werden konnten. Mit den erreichten Ergebnissen wird die Leistungsfähigkeit der Technologie demonstriert und die technischen und wirtschaftlichen Risiken für einen Transfer in eine serientaugliche Fertigung deutlich reduziert.
Angestrebt wird die Überführung der Projektergebnisse in neue Photodioden für unsere Partner und Kunden, welche in den oben beschriebenen Märkten und Forschungsgebieten aktiv sind. Hierdurch entstehen dem CiS Forschungsinstitut sowie auch den Nutzern unserer Photodioden technische Vorteile und Alleinstellungsmerkmale, welche wiederum die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten aller Beteiligten beflügeln.