Ziel der Entwicklung
Sensoren aus hochohmigem Silizium, die als Strahlungsdetektoren eingesetzt werden, weisen häufig sehr hohe Dunkelströme in Sperrrichtung auf, ohne dass die genaue Ursache dafür bekannt ist. Dabei kann die Generation der Ladungsträger aus dem p- oder n-Gebiet der Raumladungszone, der sie umgebenden Diffusionszonen oder aus einem der verschiedenen Oberflächen und Grenzflächen stammen. Unabhängig vom Dunkelstrom weisen manche Sensoren ein hohes Rauschen auf, das sich im Oszilloskop deutlich vom Schrotrauschen abhebt. Dieses Rauschen ist insbesondere bei energieauflösenden Strahlungsdetektoren von Nachteil, da es die Energieauflösung verschlechtert.
Parallel dazu sollte eine Kennzahl gefunden werden, die das Dunkelstromverhalten hochohmiger Strahlungsdetektoren in Sperrrichtung beschreibt.
Vorteile und Lösungen
Bei herkömmlichen Strahlungsdetektoren wird der pn-Übergang durch einen Diffusions- oder Implantationsschritt hergestellt. Dabei grenzen das hochohmige Substratgebiet und das hochdotierte Silizium unmittelbar aneinander. Dieses Übergangsgebiet ist aufgrund der hier vorhandenen Kristallstörungen eine mögliche Ursache für hohe Dunkelströme. Durch eine konsequente Trennung der beiden den pn-Übergang konstituierenden p- und n-Typ-Gebiete konnte die genannte Ursache für hohe Dunkelströme eliminiert werden. Die Trennung erfolgte in zwei Technologieschritten. Zuerst wurde auf das hochohmige Siliziumsubstrat ein dünnes Barriereoxid thermisch aufgewachsen. Danach wurde ein 200 nm dickes Polysilizium abgeschieden und über Bor-Implantation oder Phosphordiffusion niederohmig dotiert. Die Aktivierung erfolgte anschließend über einen Temperprozess.
Parallel wurde ein tieferes Verständnis der Ursache der Dunkelströme in Sperrrichtung für den Fall einer Halbleiterdiode mit einem abrupten pn-Übergang gewonnen, indem jedem einzelnen Bereich („Segment“) des Sensors ein eindimensionales Randwertproblem zugeordnet wurde, das analytisch gelöst werden konnte. Auf diese Weise lassen sich komplexe Strukturen auf einfache zurückführen, so dass die Grundlage für eine zukünftige Versuchsplanung zur Verfügung steht.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der Zielmarkt bewegt sich im technischen Umfeld der hochenergetischen Strahlung und Detektoren zu deren Erfassung. Anwendungsseitig ist das z.B. die Medizintechnik (Röntgenbildgebung, Strahlentherapie, Dosimetrie), Umweltsensorik (Monitoring natürlicher Strahlung), die Atomenergiebranche und in der Kernforschung (DESY, CERN, andere Forschungseinrichtungen) erforderlich.
Das Projekt InOxA schafft die Grundlagen für ein besseres Verständnis für neue Passivierungstechnologien sowie damit verbesserte Strahlungsdetektoren. Zur Zielgruppe zählen Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die in den genannten Anwendungen und mit solchen verbesserten Strahlungsdetektoren neue Geräte, Anlagen und Forschungsexperimentanordnungen entwickeln. Naheliegende Akteure der freien Wirtschaft sind beispielsweise Hersteller von Messgeräten und Warnsystemen.
Diese Transferunternehmen profitieren von den Projektergebnissen, da Detektoren mit höherer Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit insbesondere für sehr schwache Signale möglich werden. Durch das geschärfte Modellverständnis zu den Effekten, die zum unerwünschten Dunkelstrom der Detektoren beitragen, können zukünftig anwendungsspezifische Detektorlösungen schneller und mit weniger Entwicklungszyklen erreicht werden. Das CiS Forschungsinstitut steht den Transferunternehmen als Entwicklungsdienstleister solcher kundenspezifischen Lösungen zur Seite und kann neben Prototypen auch die Kleinserienfertigung im Haus abbilden.
