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Hauptarbeitsgebiete des Themenschwerpunkts Optoelektronische Halbleiterbauelemente und Mikrosensorik des ZESS und des Instituts für Halbleiterelektronik (IHE) sind Multispektraldioden, ASIC-Entwicklung (Application Specific Integrated Circuit) und intelligente optische Sensorsysteme in TFA-Technologie (Thin Film on ASIC). Außerdem liegt ein Schwerpunkt der Aktivitäten auf dem Gebiet der Photovoltaik, wo Solarzellen auf der Basis amorphen Siliziums hergestellt und charakterisiert werden.

Schwerpunkte sind:

• Multispektral-Photodioden
• TFA-Technologie
• Photovoltaik

Themenüberblick

Hauptarbeitsgebiete des Themenschwerpunkts Optoelektronische Halbleiterbauelemente und Mikrosensorik des ZESS und des Instituts für Halbleiterelektronik (IHE) sind Multispektraldioden, ASIC-Entwicklung (Application Specific Integrated Circuit) und intelligente optische Sensorsysteme in TFA-Technologie (Thin Film on ASIC). Außerdem liegt ein Schwerpunkt der Aktivitäten auf dem Gebiet der Photovoltaik, wo Solarzellen auf der Basis amorphen Siliziums hergestellt und charakterisiert werden.

Multispektral-Photodioden:
Am IHE wurden neuartige Multispektraldioden auf der Basis amorphen Siliziums entwickelt. Die amorphen Schichten werden mittels PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) erzeugt, wobei der gesamte Prozeß in einer institutseigenen UHV-Clusteranlage (Ultrahochvakuum) abläuft. Das herausragende Merkmal der Multispektraldioden im Vergleich zu konventionellen Photodioden ist ihre steuerbare spektrale Empfindlichkeit. Dadurch kann erstmals eine Separation der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau in einem einzigen Bauelement stattfinden. Im Gegensatz zu bisherigen Farbsensoren, für die drei bzw. vier Detektoren pro effektivem Bildpunkt (Pixel) benötigt wurden, reicht mit der neuen Technologie ein einziger Detektor aus, wodurch prinzipiell höhere Auflösungen ermöglicht werden. Die Entwicklung wurde 1995 mit dem Innovationspreis des Landes NRW ausgezeichnet. 

TFA-Technologie:
Intelligente Bildsensoren liefern nicht nur rohe Bilddaten, sondern führen einen Teil der Bildverarbeitung bereits auf dem Sensorchip, im Idealfall in jedem einzelnen Bildpunkt durch. Dadurch wird eine geringere Datenmenge und höhere Rechengeschwindigkeit möglich, und die Leistungsaufnahme einer Kamera sowie deren Fertigungskosten können gesenkt werden. Die TFA-Technologie ermöglicht eine kostengünstige Fertigung leistungsfähiger Bildsensoren und ist besonders geeignet für die Integration von Pixelelektronik zur Realisierung intelligenter Bildsensoren. Im Gegensatz zu bisherigen Technologien (z.B. CCDs, Charge Coupled Devices) beinhaltet TFA eine 3D-Integration von Photodetektoren auf der Basis amorphen Siliziums und Bildverarbeitung im ASIC. Dies ermöglicht bei gleicher Funktionalität eine größere Pixelzahl als bei anderen Technologien. Außerdem können die beiden Komponenten unabhängig voneinander optimiert werden. Aufgrund dieser Vorteile ist die TFA-Technologie prädestiniert für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung, z.B. für die Fertigungstechnik, Automobiltechnik und Telekommunikation. Auf dem Gebiet der digitalen Photographie sind TFA-Sensoren mit Multispektraldioden eine attraktive Alternative zu den bisher verwendeten CCDs. Für die Entwicklung der TFA-Technologie erhielt Prof. Böhm 1996 den Philip Morris Forschungspreis.

Zahlreiche Prototypen von TFA-Sensoren sind am IHE entwickelt und gefertigt worden. Dabei standen unterschiedliche Optimierungskriterien im Vordergrund. Für den Einsatz bei der Fahrzeugführung wurde bespielsweise ein TFA-Sensor entwickelt, der Unterschiede in der Beleuchtungsstärke von über 120 dB, wie sie in natürlichen Szenen vorkommen können, verarbeiten kann. Zu diesem Zweck verfügt jedes Pixel über eine umfangreiche Elektronik, durch die es individuell an die herrschende Beleuchtungsintensität angepaßt werden kann. Andere TFA-Sensoren sind für eine minimale Pixelfläche und damit möglichst hohe Auflösung, für die Erkennung von extrem geringen Beleuchtungsstärken in Weltraumanwendungen oder zur Erzeugung und Speicherung von drei Farbsignalen in einem Pixel im Zusammenhang mit der Multispektraldiode ausgelegt.

Aufgrund des großen Erfolgs der TFA-Technologie und des enormen wirtschaftlichen Potentials wurde 1996 eine Mitarbeitergesellschaft gegründet, die Silicon Vision GmbH, die in Zusammenarbeit mit europäischen und amerikanischen Firmen, darunter AGFA-Gevaert, Opel und Delphi Automotive Systems TFA-Produkte entwickelt. Außerdem wurde am Technologiezentrum in Siegen ein Dünnschicht-Servicezentrum eingerichtet, in dem TFA-Prototypen hauptsächlich für die mittelständische Industrie entwickelt werden können.

Photovoltaik:
Dünnschicht-Solarzellen auf der Basis amorphen Siliziums können ähnlich wie Photodetektoren im PECVD-Verfahren bei niedrigen Temperaturen großflächig auf Fremdsubstraten (z.B. Glas oder Stahl) abgeschieden werden, was einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber kristallinen Bauelementen bedeutet. Darüber hinaus kann dieses Verfahren kontinuierlich - „am laufenden Meter“ - durchgeführt werden. Eine Prototypanlage zur Serienfertigung von Dünnschichtsolarmodulen auf 10 cm breiten Stahlbändern wird zur Zeit am IHE in Betrieb genommen. Durch eine in den Prozeß integrierte Laserstrukturierung können Solarmodule mit Serienverschaltung hergestellt werden, wodurch beliebige Anschlußwerte für Strom und Spannung möglich sind. Diese Aktivitäten werden von der AG-Solar des Landes NRW und den Hoesch Siegerlandwerken gefördert.
 
 

	In einer Hochvakuumanlage wird auf den fertiggestellten Mikrochips ein Dünnschichtsystem abgeschieden, das als optischer Detektor dient. Mit einer ähnlichen Anlage werden am IHE neuartige kostengünstige und umweltfreundliche Solarzellen hergestellt.
	Hochreine Siliziumscheiben (Wafer) dienen als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Mikrochips. Moderne Fertigungsprozesse ermöglichen Strukturgrößen, die unterhalb von einem Mikrometer liegen.
	Dieser am IHE entwickelte TFA-Sensor für Automobilanwendungen kann gleichzeitig auftretende Beleuchtungsintensitäten von 0,1 Lux bis 100.000 Lux verarbeiten. Auf dem ca. 4 mm x 3 mm großen Sensorchip sind über 100.000 Transistoren integriert.

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