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Sensorgeflüster: Schwarzes Silizium

Die technische Entwicklung scheint sich auf den ersten Blick stetig zu beschleunigen; dauernd wird irgendetwas erfunden, das die Welt revolutionieren könnte. Bis eine neue Technologie aber wirklich marktreif ist – falls das überhaupt jemals passiert –, vergeht jedoch meist eine ganze Weile, wie auch beispielsweise „Schwarzes Silizium“ zeigt.

Gerade im Bereich der Technologien für Bildsensoren werden immer neue Innovationen verkündet, und in den Fotoforen werden solche Nachrichten begierig aufgegriffen. Wenn ein Hersteller ein Patent anmeldet oder erteilt bekommt, erwarten viele, dass Produkte auf Basis solcher Erfindungen unmittelbar vor der Tür stehen würden, aber so schnell geht es selten. Ich verfolge diese Entwicklungen ja nun schon seit langer Zeit. Über das Produktionsprinzip eines organischen Sensors beispielsweise habe ich zuerst vor rund 10 Jahren geschrieben – damals auf Basis von Forschungen in Fujis Laboren –, und für das Ende des nächsten Jahres hat Panasonic nun erstmals eine Videokamera mit einem organischen Sensor angekündigt. Über Sensoren aus „schwarzem Silizium“ habe ich vor neun Jahren berichtet, und nun endlich gibt es ein vermarktbares Produkt mit einem „schwarzen“ CMOS-Sensor, auch wenn es für Fotografen weniger interessant sein dürfte.

Sensorgeflüster: Schwarzes Silizium
Die SiOnyx Aurora ist eine Kombination aus Actioncam und Nachtsichtgerät. Ihr 1-Zoll-CMOS-Sensor mit 0,9 Megapixel besteht aus schwarzem Silizium. (Bild: SiOnyx)

Was ist schwarzes Silizium? Ich zitiere mich der Bequemlichkeit halber aus meinem 2009 im fotoMAGAZIN erschienenen Artikel: „Schwarzes Siliziums entsteht in einem Verfahren zur Dotierung, also der gezielten Verunreinigung eines Siliziumkristalls durch Fremdatome, die ihm bestimmte gewünschte Eigenschaften verleihen. Dazu wird das Silizium in einer Schwefelhexafluorid-Atmosphäre mit Lichtimpulsen eines Femtosekundenlasers beschossen, wodurch eine große Zahl von Schwefelatomen in die Oberfläche des Siliziums gepresst und in der vom Laser aufgerauten Kristallstruktur eingekapselt wird. Das so behandelte Grundmaterial für die Sensorproduktion absorbiert das Licht fast vollständig, weshalb es als schwarzes Silizium bezeichnet wird. Die Firma SiOnyx, ein kommerzieller Ableger der Harvard University, will das aus der Grundlagenforschung hervorgegangene Herstellungsverfahren nun bis zur industriellen Reife entwickeln.“

Sensorgeflüster: Schwarzes Silizium
Schwarzes Silizium absorbiert Licht schon nahe der Oberfläche des Chips, auch langwelliges Licht bis in den Bereich des nahen Infrarots hinein. (Bild: SiOnyx)

Der wesentliche Vorteil des schwarzen Siliziums soll in seiner hohen Quanteneffizienz liegen – die Umwandlung von Licht in Elektrizität ist besonders effektiv. Die Absorption des Lichts nahe der Oberfläche des Chips bietet zudem den Vorteil, dass in schrägem Winkel einfallende Lichtstrahlen nicht bis zu benachbarten Sensorpixeln vordringen können, bevor das Licht registriert wird. Die hohe Infrarotempfindlichkeit dieses Materials ist für den Einsatz in der bildmäßigen Fotografie ein Problem, denn Infrarot würde die Farben verfälschen, weshalb es herausgefiltert werden muss. Schwarzes Silizium ist aber für Nachtsichtgeräte geeignet, bei denen es vor allem darauf ankommt, dass sie überhaupt ein erkennbares Bild liefern. Das erste Produkt von SiOnyx ist daher eine Kombination aus Nachtsichtgerät und Actioncam für rund 800 US-Dollar. Die Aurora ist mit einem 1-Zoll-CMOS-Sensor aus schwarzem Silizium ausgestattet, der zwar nur 0,9 Millionen Pixel auflöst, aber extrem lichtstark ist. Selbst in mondlosen Nächten sollen damit noch Standbild- und Videoaufnahmen möglich sein. Zu diesem Zweck wird dann auch die IR-Empfindlichkeit des Sensors ausgenutzt.

Gewöhnliche Kameras für die bildmäßige Fotografie werden aber wohl auf absehbare Zeit keine Sensoren aus schwarzem Silizium nutzen. Im Bereich des sichtbaren Lichts ist schließlich auch die Quanteneffizienz konventioneller Sensoren recht gut. Eine Absorption aller Photonen schon an der Oberfläche des Sensors wäre zwar attraktiv, aber diesen Vorteil versprechen auch organische Bildwandler und Quantenfilm-Sensoren – beide entlasten den Siliziumchip von der Aufgabe der photoelektrischen Konvertierung, so dass er nur noch die dabei entstehenden elektrischen Ladungen speichern und am Ende digitalisieren muss.

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Michael J. Hußmann

Michael J. Hußmann gilt als führender Experte für die Technik von Kameras und Objektiven im deutschsprachigen Raum. Er hat Informatik und Linguistik studiert und für einige Jahre als Wissenschaftler im Bereich der Künstlichen Intelligenz gearbeitet.

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