Warum ein gestapelter Sensor Farben besser erkennen kann

| Redakteur: Hendrik Härter

Ein roter, grüner und blauer Sensor werden aufeinander gestapelt. Damit konnten Forscher eine höhere Auflösung erreichen und auch die Lichtempfindlichkeit hatte sich verbessert.
Ein roter, grüner und blauer Sensor werden aufeinander gestapelt. Damit konnten Forscher eine höhere Auflösung erreichen und auch die Lichtempfindlichkeit hatte sich verbessert. (Bild: pixabay / CC0)

Forschern ist es gelungen, jeweils einen roten, blauen und grünen Farbsensor übereinander zu stapeln. Damit erreichten sie eine bessere Auflösung. Auch die Lichtempfindlichkeit verbesserte sich. Dabei ist der Sensor günstig herzustellen.

Das menschliche Auge verfügt für die Farbwahrnehmung drei verschiedene Arten von Sinneszellen: Rot-, grün- und blau-empfindliche Zellen wechseln sich im Auge ab und fügen ihre Informationen zu einem farbigen Gesamtbild zusammen. Bildsensoren, wie in Handykameras, funktionieren ähnlich: Wie bei einem Mosaik wechseln sich blaue, grüne und rote Sensoren ab. Softwarealgorithmen berechnen aus den einzelnen Farbpixeln ein farblich hochaufgelöstes Bild.

Vorteil von gestapelten Sensoren

Das Prinzip hat jedoch einige Einschränkungen: Da jeder einzelne Pixel nur einen kleinen Teil des darauf auftreffenden Lichtspektrums absorbieren kann, geht ein großer Teil der Lichtmenge verloren. Die Sensoren können zudem fast nicht mehr weiter miniaturisiert werden, und es können unerwünschte Bildstörungen, so genannte Farbmoiré-Effekte, auftreten, die mühsam wieder aus dem fertigen Bild herausgerechnet werden müssen.

Schon seit einigen Jahren beschäftigen sich Forscher daher mit der Idee, die drei Sensoren aufeinanderzustapeln statt sie nebeneinander zu platzieren. Dies bedingt natürlich, dass die oben liegenden Sensoren die Lichtfrequenzen, die sie nicht absorbieren, zu den darunter liegenden Sensoren durchlassen. Ende der 1990er-Jahre gelang es erstmals, einen derartigen Sensor herzustellen: Er bestand aus drei aufeinandergestapelten Siliziumschichten, die jeweils nur eine Farbe absorbieren.

Daraus entstand tatsächlich ein kommerziell erhältlicher Bildsensor. Allerdings setzte er sich am Markt nicht durch: Da die Absorptionsspektren der verschiedenen Schichten nicht scharf genug abgetrennt waren, wird ein Teil des grünen und roten Lichts bereits in der blau-empfindlichen Schicht absorbiert – als Resultat verwischen die Farben, und die Lichtempfindlichkeit ist dadurch sogar tiefer als bei gewöhnlichen Lichtsensoren. Zudem benötigte die Produktion der absorbierenden Siliziumschichten einen aufwändigen und teuren Herstellungsprozess.

Farbsensor ist ein Pixel groß

Die Forscher von Empa konnten einen Sensorprototypen entwickeln, der diese Probleme umgeht. Er besteht aus drei verschiedenen Arten von Perowskiten. Dabei handelt es sich um einem halbleitenden Materialtyp, der dank seinen herausragenden elektrische Eigenschaften und seiner guten optischen Absorptionsfähigkeit seit einigen Jahren immer größere Bedeutung findet, etwa bei der Entwicklung neuer Solarzellen. Je nach Zusammensetzung dieser Perowskite können sie etwa einen Teilbereich des Lichtspektrums absorbieren, für den restlichen Bereich aber durchsichtig wirken.

Dieses Prinzip nutzten die Forscher um Maksym Kovalenko von der Empa und der ETH Zürich, um einen Farbsensor von der Größe gerade mal eines Pixels herzustellen. Den Forschern gelang es, damit sowohl einfache eindimensionale als auch realistischere zweidimensionale Bilder zu reproduzieren – und zwar mit einer enorm hohen Farbtreue.

Farben werden besser erkannt

Die Vorteile des neuen Ansatzes liegen auf der Hand: Die Absorptionsspektren sind klar getrennt – die Farberkennung ist also massiv präziser als bei Silizium. Zudem sind die Absorptionskoeffizienten insbesondere für die Lichtanteile mit höheren Wellenlängen von grün und rot bei den Perowskiten massiv höher als bei Silizium. Dadurch können die Schichten deutlich kleiner gefertigt werden, was wiederum kleinere Pixelgrößen ermöglicht. Dies ist bei gewöhnlichen Kamerasensoren nicht entscheidend; für andere Analysetechnologien, etwa in der Spektroskopie, könnte dies jedoch eine erheblich höhere räumliche Auflösung ermöglichen. Die Perowskite können zudem in einem vergleichsweise günstigen Verfahren hergestellt werden.

Um diesen Prototypen zu einem kommerziell nutzbaren Bildsensor weiterzuentwickeln, ist allerdings noch einiges an Entwicklungsarbeit nötig. Zentral sind etwa die Miniaturisierung der Pixel und Methoden, um eine ganze Matrix von solchen Pixeln in einem Schritt herzustellen. Laut Kovalenko soll das aber mit bereits existierenden Techniken möglich sein.

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