Innovative Detektorfor­schung: Neuer organischer Phototransistor erkennt und speichert schwaches Licht

Forschende am Institut für Angewandte Physik der TU Dresden, dem Zentrum für Technologieentwicklung am Deutschen Zentrum für Astrophysik (DZA) in Görlitz sowie der TH Mittelhessen haben gemeinsam einen neuen organischen Phototransistor entwickelt. Dieser kann schwaches Licht besonders effizient detektieren und gleichzeitig speichern. Der neuartige Ansatz bildet den Auftakt für die erfolgreiche Kooperation zwischen den Einrichtungen und eröffnet spannende Perspektiven im Bereich der Detektorforschung. Damit liefert er einen wichtigen Impuls für die zukünftige Entwicklung moderner Lichtsensorik. Die Ergebnisse wurden nun im renommierten Fachjournal „Nature Photonics“ veröffentlicht.

Jonas Schröder, Erstautor der Studie und Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe „Organic sensors and solar cells (OSENS)“ am Institut für Angewandte Physik (IAP) der TU Dresden, freut sich über das Forschungsergebnis: „Unsere Transistoren ermöglichen besonders kompakte Lichtsensoren, da sie ohne komplexe Zusatzschaltungen auskommen. Ein wesentliches Merkmal des neuartigen Bauelements ist der integrierte Speichermechanismus. Dadurch eröffnen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten – etwa in der multispektralen Bildgebung oder in kosteneffizienten Sensorsystemen, die auch bei geringer Lichtintensität zuverlässig arbeiten. Das stellt einen bedeutenden Fortschritt für zukünftige Bildsensorarchitekturen dar.“

Photodetektoren sind eine Schlüsselkomponente in vielen modernen Technologien. Sie werden unter anderem in Kameras, sensorgesteuerten Fahrsystemen, Sicherheitssystemen oder auch in Weltraumdetektoren eingesetzt. Ein interdisziplinäres Forschungsteam aus Dresden, Görlitz und Gießen hat nun eine völlig neue Technologie für Photodetektoren vorgestellt. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen nutzen dafür erstmalig sogenannte OPBTs (Organic Permeable Base Transistors), eine spezielle Klasse von vertikalen Transistoren auf Basis organischer Halbleiter. Diese besonderen Bauteile lassen sich energieeffizient betreiben, dünn auftragen und gezielt anpassen.

© KI-generiert, Jonas Schröder

Dr. Johannes Benduhn, Leiter der OSENS-Gruppe und gleichzeitig auch der Arbeitsgruppe „Detektorforschung“ am Deutschen Zentrums für Astrophysik (DZA) betont den zukunftsweisenden Charakter der Entwicklung: „Wir konnten zeigen, dass diese Transistoren das Signal von selbst verstärken, nicht durch klassische Hochfeld-Ladungsträgerlawinen, sondern durch die gezielte Ladungsspeicherung im Transistoraufbau. Diese Innovation vereinfacht die Herstellung und den Betrieb der Lichtsensoren stark und ermöglicht neue Betriebsmodi, die sich besonders für die Detektion sehr schwacher Lichtsignale – beispielsweise für astrophysikalische Anwendungen – eignet.“ Durch den neuartigen Aufbau erreichen die OPBTs eine außergewöhnlich hohe Lichtempfindlichkeit mit Responsivitäten von bis zu 10⁹ A/W (Ampere pro Watt). Das ist ein Wert, der weit über dem typischer organischer Photodetektoren liegt. Zusätzlich lässt sich durch die gezielte Auswahl der eingesetzten Materialien einstellen, auf welche Wellenlängen (Lichtfarben) die Bauteile besonders ansprechen. Lichtbereiche wie UV-Licht oder Infrarotlicht, die das menschliche Auge nicht erkennen kann, werden so sichtbar.

Aktuell wird die Technologie im Rahmen des Validierungsprojekts OPTICUS weiterentwickelt. Ziel ist es, den technologischen Reifegrad (TRL) zu erhöhen und konkrete Anwendungsfelder zu identifizieren.

Originalpublikation:

Jonas Schröder, Amric Bonil, L. Conrad Winkler, Jan Frede, Ghader Darbandy, Juan Wang, Karl Leo, Hans Kleemann und Johannes Benduhn. Organic permeable base transistors for high-performance photodetection with photo-memory effect. Nature Photonics, DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-025-01740-y

Hintergrund:

Arbeitsgruppe „Organische Sensoren und Solarzellen“ (OSENS)

Sensoren sind Schlüsselelemente zukünftiger intelligenter Elektronik und finden breite Anwendung in nahezu allen Technikbereichen. In der OSENS-Gruppe wirken Forschende aus den Bereichen Physik, Materialwissenschaft und Ingenieurwissenschaften eng an einem breiten Themenspektrum zusammen. Das reicht von Bauteilphysik, Bauteilentwicklung, Materialentwicklung bis hin zur grundlegenden Photophysik neuartiger Halbleiter. Die Gruppe ist an der Professur für Optoelektronik (Prof. Karl Leo) angesiedelt und wird von Dr. Johannes Benduhn geleitet.

Zentrum für Technologieentwicklung am Deutschen Zentrum für Astrophysik

Die Detektorentwicklung bildet einen zentralen wissenschaftlichen Pfeiler am Deutschen Zentrum für Astrophysik (DZA). Sie ermöglicht die Entwicklung hochpräziser und energieeffizienter Technologien, die in der astrophysikalischen Forschung unter anderem zur Detektion und Analyse extrem schwacher kosmischer Signale eingesetzt werden sollen. Die Arbeitsgruppe „Detektorforschung“ ist Teil des Zentrums für Technologieentwicklung (ZTE) am DZA, welches von Prof. Dr. Martin Roth geleitet wird. Bis zur Gründung befindet sich das DZA in einer Aufbauphase, finanziert im Rahmen einer Projektförderung an die TU Dresden und das Deutsche Elektronensynchrotron DESY vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).

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Institut für Angewandte Physik (IAP)
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Dr. Johannes Benduhn
Leiter der Arbeitsgruppe „Organic sensors and solar cells“ (IAP, TUD)
Leiter der Arbeitsgruppe „Detektorforschung“ am Zentrum für Technologieentwicklung (ZTE) am Deutschen Zentrum für Astrophysik (DZA)
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