Ziel der Entwicklung

Mit der Entwicklung und wachsenden Verfügbarkeit von neuen miniaturisierten Strahlungsquellen, besonders UV Lichtemittierende Dioden, werden für Systeme in den potentiellen Marktfeldern auch zunehmend neue Detektorlösungen nachgefragt. Deshalb zielte das Vorhaben auf die Entwicklung von Technologien und Design Rules zur Herstellung eines monolithischen, chipgroßen Hybridsensors aus poly kristallinem Diamant und Silizium zur gleichzeitigen und unabhängigen Lichtdetektion zweier angrenzender Spektralbereiche ab. Die Entwicklung war so angelegt, dass der Sensor flexibel auf die konkreten Anforderungen seitens unterschiedlicher Applikationen angepasst werden kann. Die Trennung der beiden Spektralbereiche entspricht der Bandkante des Diamanten von 225 Nanometer und ermöglicht die unabhängige Messung von UV und sichtbarem Licht. Vielfältige neue Anwendungen in der biologischen Analytik, Hygiene, Umwelttechnik und Medizin lassen sich so erschließen.

Vorteile und Lösungen

Ein Nachteil von Silizium bei der Erfassung von UV-Licht ist, dass es auch für langwelligeres Licht zum Beispiel Umgebungslicht und Fluoreszenzanregungen empfindlich ist. Für sensorische Aufgaben muss darum das erfasste Licht umständlich gefiltert und auf mehrere Kanäle aufgeteilt werden. Durch den gewählten Hybridaufbau kann hingegen die Stärke des anregenden und des fluoreszierenden Lichts gleichzeitig und unabhängig im selben Strahlengang gemessen werden, falls die UV Anregung und die Fluoreszenzantwort Wellenlängen haben, die kleiner beziehungsweise größer als ungefähr 230 Nanometer sind. Damit können eine Reihe von Applikationsfeldern erschlossen werden. Besonders biologische Fluoreszenzuntersuchungen von Krebszellen und in der Umwelttechnik zum Beispiel Reinigung von Wasser mit UV-Licht. Es gelang auf 100 Millimeter großen Siliziumwafern eine Siliziumfotodiode und einen darüber liegenden strukturierten ungefähr 20 Mikrometer dicken Diamantsensor monolithisch aufzubauen. Dazu wurde ein Prozessschritt entwickelt, der einerseits das Substrat mit der aktiven Dioden Struktur vor der Diamantprozessierung schützt, andererseits aber das einfache Freilegen der Kontakte für die Siliziumdiode nach der Diamantprozessierung ermöglicht. Der Diamantabscheideprozess mittels Mikro Wellengestützte chemische Gasphasenabscheidung wurde auf 100 Millimeter großen Siliziumwafern mit ungefähr 20 Mikrometer dicken Schichten ohne Abplatzungen realisiert. Weiterhin wurden intensiv verschiedene Diamantstrukturierungsmethoden untersucht. Es gelang, mittels einer 100 Nanometer dicken Aluminiummaske, die ungefähr 20 Nanometer dicken Diamantschichten durch Sauerstoff Plasmaätzen zu strukturieren, ohne dass das frei geätzte Substrat sichtbar geschädigt wurde. Des Weiteren wurde ein Metallisierungsverfahren basierend auf dem Kathodenzerstäuben eines Titan Gold Schichtsystems etabliert. Die ermöglicht auf den relativ rauen Diamantoberflächen eine ausreichend gute Haftung mit einem geringen Kontaktwiderstand. Dabei zeigte sich, dass die Diamantschicht für Wellenlängen oberhalb der Bandlücke größer als 227 Nanometer ausreichend transparent ist, also wenige absorbierende Farbzentren aufweist. Die darunterliegende Silizium Fotodiode liefert einen ausreichenden Fotostrom und ist damit als Optosensor für das weiche UV und den sichtbaren Spektralbereich empfindlich.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die innovativen UV Visible Spectroscopy Sensoren werden für Lösungen zur Kontrolle und Bewertung von anregender, reflektierter, rückgestreuter oder abgeschwächter transmittierter UV Strahlung, applikationsspezifisch angepasst. Dabei ist es auch sinnvoll beziehungsweise notwendig, Informationen zu Licht im sichtbaren Bereich zu erhalten. Die vorgestellten optimierten Verfahren fließen in die Entwicklung und Herstellung von Siliziumdetektoren für die verschiedensten Applikationen, besonders Positionserfassung, Lageerfassung und Abstandserfassung sowie Nachweis spektraler Eigenschaften oder Lichtmenge ein. Anwender von biologischen Fluoreszenzuntersuchungen, der Überwachung und Abtötung von Keimen über UV Strahlung und UV Reinigung von Wasser insbesondere Trübung in den Bereichen Hygiene und Umwelttechnik sowie in der Medizintechnik mit verschiedenen UV basierten Diagnose und Analysemethoden, zeigen großes Interesse an den neu entwickelten Lösungen. Darüber hinaus können vielfältige multispektrale Ansätze in der Automatisierungstechnik, Prozessmesstechnik und weiteren Anwendungen in der Umwelttechnik, besonders bei der Sortierung im Recycling, erschlossen werden. Die Möglichkeiten zur Kombination von verschiedenen sensorischen Komponenten zum Beispiel optoelektronischen Wandlern und dreidimensionalen Elementen unterschiedlicher Funktionalität zum Beispiel mikrooptisch und mikromechanisch führen zu innovativen Kunden, respektive applikationsspezifischen Lösungen. Zudem erlaubt die Verbindung von verbesserten Sensorparametern, wie Wandlereffizienz, elektrische Parameter und Zeitverhalten mit der Erzeugung scharf begrenzter und homogener Mehrfachstrukturen eine Vielzahl anwendungsspezifisch optimierter sensorischer Lösungen. Vorwiegend Anwendungen, die kurze Ansprechzeiten für schnelle, hintereinander folgende Beleuchtungswechsel erfordern, profitieren von den entwickelten technologischen Lösungen. Die Business to Business Vermarktung der Projektergebnisse und eines Entwicklungsangebots stützt sich vor allem auf Messeauftritte, wie Hannover Messe Industrie, Sensor und Test, electronica, compamed und weiterer fachspezifischer Messen, Workshops, Firmenpräsentationen sowie der Nutzung von Social Media.