Ziel der Entwicklung
Ziel des Forschungsvorhabens war es, Low Gain Avalanche Detektoren (LGAD) zu entwickeln und zu charakterisieren. Dabei sollte insbesondere die Strahlenhärte der LGAD durch Defektengineering-Maßnahmen erhöht werden, wobei die Entwicklung dieser Defektengineering-Maßnahmen selbst das zentrale Thema dieses Forschungsvorhabens darstellten. Das Problem bisheriger LGADs ist der Verlust der Verstärkung unter Bestrahlung. Zurückgeführt wird dieser Effekt auf eine Defektreaktion des Akzeptoratoms.
Vorteile und Lösungen
In einem umfassenden Versuch wurde die Strahlenhärte der Verstärkungsschicht der LGADs analysiert. Es wurden drei verschiedene Akzeptoren implantiert, wobei auch eine Co-Implantation mit vier verschiedenen Spezies durchgeführt wurde. Zur Analyse dieser Verstärkungsschichten wurden drei verschiedene Methoden eingesetzt: die 4-Spitzen Messmethode und die Tieftemperatur-Photolumineszenz-Spektroskopie (TTPL) jeweils zur Bestimmung der elektrisch aktiven Dotanden sowie die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) zur Bestimmung der absoluten Konzentration der Dotanden. Zur Analyse der Strahlenhärte wurden zwei Bestrahlungen, einmal mit Protonen und zum anderen mit Elektronen, durchgeführt. Dabei konnten strahlenharte Varianten von Akzeptoren und Co-Implantationsspezies identifiziert werden. Zudem wurde ein neuer Erklärungsansatz für den „acceptor removal“ zugrundeliegendem Defekt entwickelt. Es stellte sich heraus, dass das Phänomen auch mit Hilfe des BSi-Sii-Defektes erklärt werden kann. Dieser Erklärungsansatz macht den in der Literatur allgemein diskutierten Bi-Oi-Defekt obsolet. Dieser neue wissenschaftliche Ansatz wurde in mehreren Publikationen veröffentlicht. Weiterhin wurde mit zwei Prozessierungsdurchläufen ein LGAD Prozess etabliert. Im zweiten Prozessierungsdurchlauf konnte ein Verstärkungsfaktor von 10 bei 150 Volt erzielt werden. Diese Detektoren wurden umfangreich charakterisiert. Die Anstiegszeit dieser Detektoren liegt im Bereich weniger Nanosekunden und ist nur durch den Messplatz limitiert. Das Forschungsvorhaben wurde erfolgreich abgeschlossen. Defektengineering-Prozesse wurden erforscht und etabliert sowie neue Modelle zur Beschreibung der materialwissenschaftlichen Ursachen entwickelt. Die Ergebnisse des Projektes wurden im Rahmen von sechs Veröffentlichungen und Vorträgen publiziert.
Zielgruppe und Zielmarkt
Low Gain Avalanche Dioden (LGAD) kommen für verschiedene Einsatzszenarien in Frage und erfahren aufgrund Ihrer technischen Vorteile eine stetig wachsende Nachfrage. Hauptursache ist die im Vergleich zu alternativen Detektoren geringe bis moderate elektrische Betriebsspannung, wodurch die Systemgestaltung deutlich vereinfacht wird und auch Applikationen möglich werden, bei denen hohe Spannungen bisher zu technischen Konflikten führten. Ziel des Vorhabens war es, Technologien für besonders strahlenharte LGADs zu erreichen. Dies konnte demonstriert werden. Strahlenharte Detektoren sind insbesondere in Geräten und Anlagen von Vorteil, bei denen hochenergetische elektromagnetische Strahlung (UV, Röntgen, Gamma) oder Teilchenstrahlung auftreten oder genutzt werden. Dazu zählen:
• physikalische Großforschungseinrichtungen, wie zum Beispiel Beschleuniger am CERN, freie Elektronen-Laser, FAIR,
• Astronomische Anwendungen der Strahlungserfassung zum Beispiel ESO ALMA,
• Medizintechnik zum Beispiel Dosisüberwachung oder ortsauflösende Messungen von Protonen- oder Röntgenstrahlung und
• Materialforschungsgeräte wie zum Beispiel Rasterelektronenmikroskope, Röntgentomographie
Das CiS Forschungsinstitut entwickelt und fertigt bereits Detektoren für solche Anwendungen im Auftrag von Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen. Mit den Projektergebnissen aus LGAD kann die Technologiepalette erweitert und Detektoren mit technischen Vorteilen in den etablierten und neuen Anwendungen entwickelt werden.
