Sinnesorgane für unsere digitalen Helfer

„Siri – muss ich heute einen Regenschirm mitnehmen?“. – „Alexa, zeig mir, wie dieses Make-up an mir aussieht!“ Die Digitalisierung unseres Alltags schreitet unaufhaltsam und mit rasanter Geschwindigkeit voran. Neue Geräte und Funktionen, die wir gestern noch als technische Wunder bestaunten, nutzen wir heute schon völlig selbstverständlich – und die nächsten großen Innovationen stehen bereits in den Startlöchern. Wir müssen zwar immer noch einen Großteil der Hausarbeit selbst erledigen und fliegen noch nicht mit „Jetpacks“ zur Arbeit. Aber einzelne Aufgaben daheim wie das Staubsaugen und Fensterputzen werden schon jetzt vielerorts von spezialisierten Robotern übernommen – und selbst vernetzte, pilotenlose Flugtaxis scheinen plötzlich nicht mehr reine Science-Fiction zu sein. 

Selbstlernende Systeme sowie künstliche Intelligenz sind dabei Technologien, die uns revolutionäre Anwendungen eröffnen können. Doch diese Systeme können immer nur so gut sein wie die Sensoren, mit denen sie ihre Umwelt wahrnehmen.

„Sensoren sind die Sinnesorgane der Maschinen, ihre Augen, Nasen und Ohren.“

„Sensoren sind die Sinnesorgane der Maschinen, ihre Augen, Nasen und Ohren“, erklärt Prof. Dr. Michael Heuken, Vice President Corporate Research and Development bei AIXTRON und Professor an der RWTH Aachen University. „Sie liefern die Rohdaten, mithilfe derer die Algorithmen sich ein Bild von der Welt verschaffen, die Basis, auf der sie Entscheidungen treffen und die es ihnen gestattet, zu tun, was der Anwender von ihnen erwartet.“

Dank hochkompakter Laser in die dritte Dimension

Laser wie VCSEL sind zentrale Bestandteile dieser fortschrittlichen „Sinnesorgane“ – optischer Sensorsysteme, die das Tor zu einer Vielzahl völlig neuer Anwendungen öffnen. Das Akronym VCSEL steht für „Vertical Cavity Surface Emitting Laser“ und bezeichnet das Prinzip, Licht äußerst präzise gebündelt sowie senkrecht aus der Oberfläche eines Chips abzustrahlen. Eine Vielzahl solch sehr kleiner VCSEL erzeugt ein präzises Punktemuster auf Objekten. Die entstehenden Reflexionen werden per Kamera gemessen und interpretiert. So liefert das System faszinierend exakte dreidimensionale Modelle von Objekten. Genutzt wird diese 3D-Sensorik beispielweise in der Automobilindustrie, um Assistenzsystemen oder autonom steuernden Fahrzeugen blitzschnell ein Bild der aktuellen Straßenlage zu vermitteln, Hindernisse zu erkennen oder Abstände zu messen.

Dank seiner ultrakompakten Bauweise kommen optische Sensorsysteme, die mit VCSEL arbeiten, sogar in mobilen Endgeräten wie Smartphones zum Einsatz, z. B. für die Identifizierung von Benutzern per Gesichtserkennung. Denkbar sind auch Anwendungen, die Körper oder Räume scannen –, als Datenbasis für virtuelle Umkleideräume oder für Einsatzzwecke, die Bemaßungsfunktionen erfordern. 

Das Produktionsverfahren: Made in Germany

Nur wenige Anwender, die heute voller Faszination die vielen neuen Möglichkeiten z. B. der aktuellen Mobilgerätegeneration nutzen, wissen, dass die Basis dafür zu einem guten Teil aus der Region Aachen stammt: 

Eine wesentliche Grundlage für die Produktion der VCSEL-Bauelemente ist das Herstellungsverfahren MOCVD („Metal Organic Chemical Vapor Deposition“), an dessen Entwicklung und Vermarktung AIXTRON seit mehr als 30 Jahren maßgeblich beteiligt ist. Anders als bei Mikrochips auf Siliziumbasis, werden bei der MOCVD-Technologie mehrere unterschiedliche Elemente der Gruppen III und V des Periodensystems auf ein Trägermaterial aufgebracht, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Für diesen hochkomplexen Vorgang, mit extremen Ansprüchen an Präzision und Qualität, hat AIXTRON den sogenannten Planetenreaktor entwickelt.
 

„Die Kammer für die Abscheidung der Materialien ist das Herzstück unserer Planetary Reactor®-Technologie.“

„Die Kammer für die Abscheidung der Materialien ist das Herzstück unserer Planetary Reactor®-Technologie“, so Prof. Dr. Heuken. „Hier findet der vom Kunden gewünschte Beschichtungsprozess statt – je nachdem, welche konkreten Anforderungen an die zu produzierenden Verbindungshalbleiter erfüllt werden müssen.“

Im Inneren der Kammer werden Halbleiterschichten bei Temperaturen, die je nach Ausgangsmaterial bis zu 1.600 Grad betragen können, auf das Trägermaterial – die sogenannten Wafer – aufgetragen. Die für den Beschichtungsprozess erforderlichen Materialien werden dazu in der Mitte der Kammer in gasförmigem Zustand eingelassen und durch eine Pumpe am Rand extrahiert, sodass sie gradlinig und gleichmäßig über die heißen Wafer zu den Kammerrändern strömen. Die Chemikalien spalten sich auf und nur die erwünschten Atome diffundieren durch die Gasphase auf die Oberfläche des Wafers – wohl sortiert atomare Schicht auf atomare Schicht.

„Die Leistungsfähigkeit der fertigen Laser-Bauelemente hängt ganz entscheidend von diesem ersten Produktionsschritt ab“, erläutert Prof. Dr. Heuken. „Unser MOCVD-Verfahren sichert die hohe Qualität der Verbindungshalbleiter und damit die Güte und Zuverlässigkeit der späteren Anwendungstechnologie.“

"Unser MOCVD-Verfahren sichert die hohe Qualität der Verbindungshalbleiter und damit die Güte und Zuverlässigkeit der späteren Anwendungstechnologie."

Wohin geht die Reise?

„Augmented Reality“ – das Erweitern unserer Wahrnehmung der Welt durch Informationen und digitale Elemente – oder das Eintauchen in vollständig künstliche Welten („Virtual Reality“) sind Technologien, die kurz davorstehen, die Schwelle zum Massenmarkt zu überschreiten – für diese Anwendungsszenarien sind präzise Umgebungssensoren und leistungsstarke Lichtquellen unabdingbar. In der professionellen Nutzung wie etwa Medizin und Produktdesign gehören sie ohnehin längst zum festen Instrumentarium. VCSEL gestatten es, die sichtbare Welt so detailliert und dreidimensional zu erfassen, dass statt der einfachen Überlagerung der realen Umgebung durch virtuelle Objekte ein echtes Verschmelzen von Wirklichkeit und digitaler Welt möglich wird.

Weltweit arbeiten sowohl Startups als auch etablierte, global operierende Konzerne an Innovationen, die VCSEL als Kerntechnologie für neue Anwendungsszenarien nutzen. Die 3D-Sensorik beflügelt die Fantasie der Entwickler. Bessere Fokussierungsmethoden für Film und Fotografie, alternative, das Deuten menschlicher Mimik, um Gemütszustände zu erkennen und unzählige weitere Ideen, an die wir noch gar nicht zu denken wagen: Das Potenzial von VCSEL-Systemen für die Unterhaltungselektronik ebenso wie für Aufgaben in Forschung, Technik und Entwicklung ist kaum zu überschätzen. Dank der vielseitigen Einsatzmöglichkeiten, die die 3D-Sensorik bietet, wächst der Bedarf in den unterschiedlichsten Branchen stetig.

So spielen wir vielleicht bald Squash im eigenen Wohnzimmer– und der virtuelle Ball prallt von der echten Zimmerwand ab. Oder gönnen uns ein digitales Haustier, das es sich auf dem realen Sofa gemütlich macht, auf Regale springt und verblüffend echt mit uns interagiert. Auch alternative Benutzerinterfaces, wie die berührungslose und dennoch hochpräzise Steuerung von Geräten und Software durch Gesten, sind dank der 3D-Sensorik denkbar.

Der Siegeszug der 3D-Sensorik basierend auf der VCSEL-Technologie hat gerade erst begonnen - Und bleibt spannend: AIXTRON widmet sich auch in Zukunft mit Leidenschaft der Evolution des Fertigungsverfahrens sowie der kontinuierlichen Entwicklung einer Vielzahl weiterer innovativer Komponenten. Getreu dem Unternehmensmotto: Our technology. Your future.

MOCVD - die Details