Ziel der Entwicklung

Elektronendetektoren werden in medizinisch/radiologischen Anlagen und insbesondere in Rasterelektronenmikroskopen verwendet und sind somit ein wichtiges Werkzeug in nahezu allen technologischen und lebenswissenschaftlichen Bereichen. Niederenergetisch Elektronen (< 1 keV) tragen Informationen der Struktur und Materialzusammensetzung der oberflächennahen Schichten, welche in vielen Fällen ausschlaggebend ist. Die Detektion solcher niederenergetischen Elektronen ist jedoch nicht trivial, da diese nur wenige Nanometer in die üblichen Detektormaterialen eindringen und nur wenige freie Ladungen im Material freisetzen. Das bedeutet, dass in der Regel nur sehr schwache Signale vorliegen, welche aus dem Grundrauschen von Detektor und elektronischer Versorgungsschaltung selektiert werden müssen. Innovative Detektoren mit interner Vorverstärkung nach dem Low-Gain-Avalanche-Dioden (LGAD) sind zwar bereits bekannt, erfordern aber, dass die durch Licht oder andere Strahlung generierten freien Ladungen im Detektor in einer gewissen Tiefe (typischerweise einige 100 nm) erzeugt werden. Für niederenergetische Elektronen sind solche am Markt verfügbaren Detektoren darum ungeeignet.
Vor diesem Hintergrund war das Ziel der durchgeführten Entwicklung die Konzeption, Simulation, Herstellung und Charakterisierung neuartiger, sehr flacher LGADs, die speziell für die Detektion von niederenergetischen Elektronen optimiert werden sollten.
Ein wesentlicher Bestandteil des Projekts war die Methodenentwicklung und der Aufbau eines zeitaufgelösten Photolumineszenzmessplatzes (TRPL). Dieser Messplatz diente der Charakterisierung von Ausgangsmaterialien sowie der Bewertung der optischen und elektronischen Eigenschaften der entwickelten LGADs. Die TRPL-Methode ermöglicht Messungen mit einer Zeitauflösung im Pikosekundenbereich, wodurch die Untersuchung schneller Rekombinationsprozesse und Defektzustände möglich wurde – ein entscheidender Aspekt für die Optimierung der Detektorleistung.
Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Untersuchung verschiedener Akzeptor-Elemente (Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium), die für die Verstärkungszone eingesetzt werden können. Durch diese Variation sollte die Strahlungsresistenz der LGADs verbessert werden, da sich gezeigt hat, dass bestimmte Dotanden weniger anfällig für das sogenannte „Akzeptor-Verschwinden“ unter Teilchenbestrahlung sind. Für jeden Akzeptor wurden geeignete Implantationsenergien und -dosen festgelegt, die zu vergleichbaren Tiefenprofilen führen, und anschließend experimentell durch SIMS-Analysen überprüft.

Vorteile und Lösungen

Das Ziel der Entwicklung – die Herstellung neuartiger, oberflächensensitiver Low-Gain-Avalanche-Detektoren – wurde durch eine Kombination aus Simulation, gezielter Prozessentwicklung und experimenteller Charakterisierung erreicht. Die gesteckten technischen Projektziele konnten an realisierten Demonstratoren noch übertroffen werden.
Das schrittweise Vorgehen zur Erreichung der Ziele lässt sich wie folgt skizzieren:
Zunächst wurde ein zeitaufgelöster Photolumineszenzmessplatz (TRPL) aufgebaut. Mit diesem Messplatz lässt sich das Verhalten von Materialien nach Lichtanregung im Pikosekundenbereich beobachten. Das bedeutet, man kann genau messen, wie schnell Ladungsträger im Material entstehen und wieder rekombinieren. Diese Informationen sind entscheidend, um die Qualität des verwendeten Siliziums und die Wirkung von Dotierungen oder Defekten zu bewerten. Der TRPL-Messplatz war somit die Grundlage, um die entwickelten Materialien und Strukturen präzise zu charakterisieren und die Prozessschritte gezielt anzupassen.
Der nächste zentrale Schritt war die Simulation der physikalischen Vorgänge im Detektor. Mit spezieller Simulationssoftware (SRIM und Silvaco Atlas) wurde berechnet, wie sich verschiedene Dotanden im Silizium verteilen und wie sie das elektrische Feld im Inneren des Detektors beeinflussen. Das elektrische Feld ist entscheidend für die Funktion der LGADs: Es sorgt dafür, dass geladene Teilchen, die im Silizium erzeugt werden, beschleunigt und dadurch verstärkt werden. In bisherigen LGADs liegt dieses Feld relativ tief im Material. Der Lösungsansatz bestand also darin, das elektrische Feld und damit die Verstärkungszone näher an die Oberfläche zu verlagern. Zusätzlich wurde die Oxidschicht auf die niederenergetische Röntgenstrahlung angepasst.
Ein weiterer Lösungsansatz war die Untersuchung verschiedener Akzeptor-Elemente, die für die Verstärkungszone verwendet werden. Normalerweise wird Bor eingesetzt, doch andere Elemente wie Aluminium, Gallium, Indium oder Thallium haben unterschiedliche atomare Eigenschaften. Manche von ihnen reagieren weniger empfindlich auf Strahlung, wodurch der Detektor langlebiger und stabiler wird. Durch Simulationen und anschließende Experimente wurden geeignete Implantationsenergien bestimmt, mit denen jedes dieser Elemente in der gewünschten Tiefe im Silizium eingebracht werden konnte.
Im Anschluss erfolgte die Herstellung der Detektoren auf Siliziumwafern. Die fertigen Detektoren wurden dann elektrisch und optisch charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass sich durch die neu entwickelten Verfahren die Dunkelströme reduzieren ließen und eine stabile Verstärkung erreicht wurde. Besonders im Bereich niederenergetischer Elektronen erzielten die Detektoren eine hohe Quanteneffizienz (bis zu 600 %) und eine deutliche Verstärkung des Signals (bis zum Faktor 21,5). Die Projektziele wurden damit sogar noch übertroffen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die entwickelte Technologie mit interner Verstärkung oberflächennah-generierter freier Ladungsträger eignet sich für die Detektion von UV-Licht, Elektronen und anderer Strahlungsarten.
Primäre Zielgruppe mit bereits bekundetem Interesse an den entwickelten Demonstratoren sind Hersteller von Rasterelektronen- und Tunnelelektronenmikroskopen (REM und TEM) und deren Zulieferer. Nach Überführung der Projekt-Demonstratoren in eine serientaugliche Lösung können die entwickelten LGAD in solchen Geräten als Detektoren für z.B. Sekundär-Elektronen eingesetzt werden und dank ihrer Verstärkungsfunktion verbesserte Informationen zur Nanostruktur und Materialzusammensetzung der Probenoberfläche erzeugen. REM und TEM sind für viele FuE-Themenfelder und auch Fragestellungen des Qualitätsmanagements von zunehmender Bedeutung und sind in den Bereichen der Lebenswissenschaften und Hochtechnologien von essenzieller Bedeutung. Wir streben an, auf Basis der Projektergebnisse kundenspezifische Detektoren mit und für REM/TEM-Hersteller zu entwickeln und die Ergebnisse somit in die Industrie zu überführen.
Die Projektergebnisse lassen sich darüber hinaus auch auf andere Anwendungen übertragen wie beispielsweise die Detektion schwachen UV-Lichts oder schwacher radioaktiver Strahlung (Alpha- und Beta-Strahlung). Der Einsatz der realisierten LGADs wäre beispielsweise auch in Fluoreszenzmikroskopen oder für die Detektion natürlicher Strahlung z.B. für Anwendungen in der Arbeitssicherheit vorstellbar. Die Funktionalität für solche Anwendungsfelder muss dafür zunächst in Folgeprojekten demonstriert werden.