Amorpher Siliziumsensor

Definition und Grundprinzipien

Amorphe Siliziumsensoren sind optoelektronische Bauelemente, die einen wasserstoffhaltigen amorphen Silizium-Dünnfilm (a-Si:H) zur Umwandlung von Licht in elektrische Signale nutzen. Im Gegensatz zu kristallinem Silizium fehlt amorphem Silizium eine langfristige atomare Ordnung, was zu einer hohen Dichte lokalisierter elektronischer Zustände in der Bandlücke führt. Diese besondere Struktur ermöglicht eine großflächige Fertigung, Kompatibilität mit flexiblen Substraten und einzigartige Photogating-Effekte, die insbesondere für Bildgebung, Photometrie und Lichtentfernungsmessung vorteilhaft sind.

Wesentliche Merkmale:

• p-i-n (p-Typ/intrinsisch/n-Typ)-Diodenstruktur.
• Aktive Schicht: wasserstoffhaltiges amorphes Silizium (Bandlücke 1,7–1,9 eV).
• Hergestellt durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD).
• Abscheidung auf Glas-, Kunststoff- oder Metallfoliensubstraten möglich.
• Kompatibel mit Dünnschichttransistor-(TFT-)Matrixarrays.

Typische Anwendungen sind Flachdetektoren für Röntgenaufnahmen (medizinische Bildgebung), industrielle Photometrie, 3D-Bildgebung (Time-of-Flight/ToF LiDAR), tragbare Sensoren und Umweltüberwachung.

Physikalische und elektronische Funktionsweise

Materialeigenschaften

• Amorphes Silizium (a-Si:H): Ungeordnete Struktur, durch Wasserstoff stabilisiert zur Reduzierung von Dangling Bonds und elektronischen Defekten.
• Bandlücke: 1,7–1,9 eV (vs. 1,1 eV bei kristallinem Silizium), optimiert für Sichtlichtdetektion.
• Ladungsträgermobilität: Niedriger als bei kristallinem Silizium (0,1–1 cm²/Vs für Elektronen).
• Defektdichte: Hoch, was zu einzigartigen Photogating- und nichtlinearen Mischeffekten führt.
• Wasserstoffgehalt: 10–15 at%, entscheidend für die elektrische Leistungsfähigkeit.

Referenz: Amorphes Silizium

Photodiodenstruktur und Funktion

Eine typische a-Si:H-Photodiode besteht aus folgendem Schichtaufbau:

• Substrat (Glas/Kunststoff/Metallfolie)
• Untere transparente Elektrode (ITO o.ä.)
• p-Typ a-Si:H (~10–30 nm)
• Intrinsisches a-Si:H (~0,5–1,5 μm)
• n-Typ a-Si:H (~20–50 nm)
• Obere transparente Elektrode (ITO)

Eintreffende Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare im intrinsischen Bereich. Das eingebaute elektrische Feld trennt und sammelt diese Ladungsträger, wodurch ein Photostrom erzeugt wird. Die Integration mit TFTs ermöglicht großflächige, hochauflösende Sensorarrays.

Photogating-Effekt und nichtlineare Mischung

Die hohe Dichte lokalisierter Zustände in a-Si:H ermöglicht den Photogating-Effekt, bei dem gefangene Ladungen das lokale elektrische Feld und die Ladungsträgersammlung modulieren. Dies steigert die Quanteneffizienz und erlaubt nichtlineare Mischung: Bei Beleuchtung mit zwei modulierten Lichtquellen unterschiedlicher Frequenz erzeugt der Sensor Summen- und Differenzfrequenzkomponenten im Ausgangssignal. Diese Eigenschaft wird für die intrinsische Hüllkurvendetektion in Time-of-Flight (ToF)-3D-Bildgebung und optischer Entfernungsmessung genutzt.

Referenzen:

• Amorphe Silizium Photomixing-Detektor für optische Entfernungsmessung
• Photogating und Quanteneffizienz in a-Si:H-Photodioden (Nature, 1999)

Herstellung und Integration

PECVD-Abscheidung

• Prozess: Plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) verwendet Silan (SiH₄) und Wasserstoffgase, die im Plasma bei 100–300°C zersetzt werden.
• Vorteile: Ermöglicht großflächige, kostengünstige Fertigung auf temperatur-empfindlichen Substraten; präzise Kontrolle von Schichtdicke und Zusammensetzung.
• Industrieller Maßstab: Für Paneele bis zu mehreren Quadratmetern eingesetzt.

Referenz: PECVD

Integration mit TFT-Arrays und Substraten

• TFT-Arrays: Dünnschichttransistoren (häufig a-Si:H oder IGZO) werden zusammen mit den Photodioden gefertigt und ermöglichen pixelgenaues Schalten und Auslesen.
• Substratarten: Glas (starr, optisch klar), Kunststoffe (flexibel, leicht), Metallfolien (robust, flexibel).
• Strukturierung: Fotolithografie und Ätzen definieren Pixel und Verbindungen; Verkapselung schützt vor Feuchtigkeit.

Referenz: Dünnschichttransistor

Leistungsmerkmale

Empfindlichkeit und spektrale Antwort

• Quanteneffizienz: Maximum (60–90 %) im Blau-Grün-Bereich (450–550 nm); kann unter Photogating/Mischung über 100 % betragen.
• Spektralbereich: 400–700 nm; durch Legierung bis ~900 nm erweiterbar.
• Dunkelstrom: Höher als bei kristallinem Silizium aufgrund von Defekten; durch Wasserstoffpassivierung minimiert.
• Rauschen: Bestimmt durch Schrottrauschen und Flickerrauschen (1/f) infolge von Fang- und Lösevorgängen.

Bandbreite und zeitliches Verhalten

• Typische Bandbreite: Bis zu >1 MHz (Antwortzeiten im Sub-Mikrosekundenbereich möglich).
• Limitierende Faktoren: Ladungsträgermobilität, Dicke der intrinsischen Schicht, Gerätekapazität, Fangdynamik.
• Hüllkurvenmischung: Ermöglicht Frequenzmischung im MHz-Bereich für ToF und schnelle Bildgebung.

Tiefen- und Ortsauflösung

• Pixelgrößen: <100 μm Standard.
• Medizinische Bildgebung: 3–5 Linienpaare/mm Ortsauflösung.
• ToF-Tiefensensorik: <44 mm Tiefenauflösung bei Entfernungen bis zu 25 m nachgewiesen.

Kosten, Skalierbarkeit und Füllfaktor

• Kosten: Gering, durch großflächige Niedertemperatur-PECVD und günstige Substrate.
• Skalierbarkeit: Fertigungslinien ermöglichen Meter-große Paneele; Großserienproduktion ist üblich.
• Füllfaktor: Bis zu 100 % durch monolithische Photodioden/TFT-Integration.

Anwendungsbereiche

Photometrie und Lichtmessung

a-Si:H-Sensoren werden in industriellen, wissenschaftlichen und Umwelt-Photometern zur Messung von Sichtlicht, Umgebungslicht und Prozessüberwachung eingesetzt, dank spektraler Anpassung und großflächiger Abdeckung.

Medizinische Bildgebung (Flachdetektoren)

Dominierende Technologie für digitale Röntgendetektoren in der medizinischen und dentalen Radiographie. Der a-Si:H-Sensor ist mit einem Szintillator (z. B. CsI:Tl) gekoppelt, der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt.

Optische Entfernungsmessung und LiDAR

Die intrinsische Photomixing-Fähigkeit ermöglicht direkte Hüllkurvendetektion für Time-of-Flight (ToF)-3D-Bildgebung und LiDAR und damit hochpräzise, einfach aufgebaute Entfernungsmessung.

Industrie- und Unterhaltungselektronik

Einsatz in großflächigen Lichtsensoren, flexiblen Wearables und Umweltmonitoren dank skalierbarer, kostengünstiger, konformer Fertigung.

Vergleichende Analyse

Amorphes Silizium vs. amorphes Selen

Amorphes Silizium vs. kristallines Silizium

Amorphes Silizium vs. neue Materialien

• Organische Photodioden: Flexibel, abstimmbar, aber geringere Stabilität und QE.
• Perowskit-Photodetektoren: Hohe Empfindlichkeit, Potenzial für günstige flexible Geräte, aber Stabilitäts- und Toxizitätsprobleme bestehen.

Vergleichstabelle

Beispiele und Anwendungsfälle

• Medizinische Bildgebung: Digitale Röntgenpanels.
• Industrielle Photometrie: Lichtmessgeräte, Sensoren für Prozessüberwachung.
• 3D-Bildgebung: ToF-Kameras für Robotik, Automotive-LiDAR.
• Wearables: Flexible Fitness- und Umweltsensoren.
• Umweltüberwachung: Großflächige Sonnenlicht- und UV-Sensoren.

Grenzen und Zukunftsperspektiven

• Grenzen: Geringere Mobilität und höherer Dunkelstrom im Vergleich zu kristallinem Silizium; begrenzte Nahinfrarot-Empfindlichkeit; moderate Reaktionsgeschwindigkeit.
• Fortschritte: Legierung (z. B. mit Ge), verbesserte Defektpassivierung, hybride Integration mit organischen oder Perowskit-Schichten zur Erweiterung des Spektralbereichs.
• Zukunftstrends: Stärkere Integration mit flexibler Elektronik, fortschrittliche ToF-Arrays und weitere Kostenreduktion durch verbesserte PECVD.

Literatur und weiterführende Quellen

• Amorphes Silizium – Wikipedia
• Flachdetektor – Wikipedia
• Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition – Wikipedia
• Dünnschichttransistor – Wikipedia
• Time-of-Flight-Kamera – Wikipedia
• Bablich, A. et al., „Amorphous silicon intrinsic photomixing detector for optical ranging,” Communications Engineering 2, Article 85 (2023).
• Main, P.C. et al., „Photogating and quantum efficiency in a-Si:H photodiodes,” Nature 397, 49–51 (1999).
• IEC 62220-1: Medizinische elektrische Geräte – Eigenschaften digitaler Röntgenbildgebungssysteme.

Dieser Glossareintrag fasst fundierte Erkenntnisse aus wissenschaftlicher Literatur und internationalen Normen zusammen. Für weitere Details siehe die Quellen oder kontaktieren Sie Experten für Sensortechnologie.