Ziel der Entwicklung
Avalanche Photodioden (APD) weisen durch die internen Verstärkungseffekte eine sehr hohe Empfindlichkeit für sehr schwache Lichtsignale auf. Die am Markt verfügbaren APD sind spektral für den grünen bis roten Spektralbereich ausgelegt. Für den blauen bis (ultra)violetten Bereich existieren bisher noch keine hocheffizienten und rauscharmen APDs. Benötigt werden solche Detektoren auf Siliziumbasis für den rasant wachsenden Markt der Biodiagnostik, zum Beispiel für die Bewertung von Fluoreszenzlichtsignalen im Bereich der Mikroskopie. Dieses Verfahren kommt innerhalb der Labordiagnostik an biologischen Proben bei der Entwicklung von Pharmazeutika oder bei der medizinischen Diagnostik zum Einsatz. Blaue und violette Photonen weisen eine deutlich kleinere Eindringtiefe in das Silizium auf. In konventionellen APD wird darum nur ein kleiner Teil der internen Verstärkungszone genutzt. Um dennoch blaues und violettes Licht damit messen zu können, wird eine überhöhte elektrische Vorspannungen erforderlich, die wiederum ein nachteiliges erhöhtes Grundrauschen der Ausgangssignale verursacht. Die Folge sind ungünstige Signal-zu-Rausch-Verhältnisse der erfassten Signale, welche die Messzeiten erhöhen und/oder die Nachweisgrenzen des Messsystems begrenzen können. Für die Entwicklung der verbesserten APD für den kürzeren Wellenlängenbereich steht darum die Realisierung einer sehr flachen, oberflächennahen Verstärkerungszone innerhalb des Siliziumbauelements im Fokus der Projektarbeit. Zudem spielt auch die Reinheit der oberen Grenzfläche (Grenzflächenrekombination) eine ausschlaggebende Rolle für das erreichbare Grundrauschen. Im Rahmen des Projektes BVAPD wurden hierfür neue Technologien entwickelt und an Demonstratoren erprobt.
Vorteile und Lösungen
Da die innerhalb der Verstärkungszone stattfindende Stoßionisation immer mit einer statistischen Abweichung verbunden ist, ist ein Rauschen der Ausgangssignale unvermeidlich. Die gleichzeitige Erhöhung der Verstärkung und Verringerung des Rauschens von Avalanche-Photodioden erfordert eine genaue physikalische Analyse des Multiplikationsprozesses der Stoßionisation der Ladungsträger. Schlüsselelement der Bauteilentwicklung ist ein passgenau optimierter, für den angezielten Spektralbereich ausgelegter Verlauf der Verstärkungszone nahe der Oberfläche des Siliziums. Um diese einzustellen, wurde ein optimiertes Tiefenprofil von Fremdatomen (Dotierung) entworfen und realisiert, welches sowohl sehr flach und dennoch gleichzeitig spannungsfest sein muss. Auf diese Weise kann die Verstärkungszone auf den Bereich der tatsächlichen Lichteindringtiefe beschränkt werden, wodurch keine überhöhten Betriebsspannungen (im Vergleich zum Stand der Technik) mehr erforderlich sind. Die Quanteneffizienz wird durch eine technologische Optimierung dieser Konversionszone sowie durch eine Antireflexionsbeschichtung zusätzlich erhöht. Die Betriebsspannung wurde darüber hinaus durch eine geschickte Kombination von Maskenentwurf und Dotierung zusätzlich reduziert. Eine Grabenstruktur um die aktiven Gebiete herum verhindert die Ausdehnung der Feldgebiete in den Randbereich des Chips, wodurch weitere Rauschquellen unterdrückt werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Im Ergebnis dieser Entwicklung liegen verbesserte APDs für den blauen und violetten Spektralbereich vor. Mit moderaten elektrischen Betriebsspannungen (um 210 – 220 V) kann für den Spektralbereich von zirka 300 nm bis 550 nm (Maximum um 400 nm) ein interner Verstärkungsfaktor deutlich über 100 erreicht werden. Damit stehen Geräte- und Sensorentwicklern ein neuer Baustein zur Verfügung, mit dem lichtschwache Effekte, wie zum Beispiel Fluoreszenz, messbar gemacht werden können. Zielmarkt beziehungsweise Anwendungen sind vor allem in der Fluoreszenzmikroskopie zu finden, welche ein wichtiges Instrument bei der Entwicklung von Pharmazeutika, für die medizinische Diagnostik und anderen „life Science“ Forschungs- und Entwicklungsfeldern darstellt. Aber auch in Bereichen der Umweltsensorik sowie bei der industriellen Prozessüberwachung kommen solche Detektoren zum Einsatz. Für die Hersteller solcher Systeme steht das CiS Forschungsinstitut als Entwicklungspartner sowie für eine spätere (Klein-)Serienfertigung zur Verfügung. In Kombination mit den anderen Technologien im Haus, zum Beispiel Design mit großen geometrischen Gestaltungsräumen der Dioden, Waferprozessierung, Aufbau- und Verbindungstechnik, können die Projektergebnisse schnell in kundenspezifische Lösungen überführt werden.
