Herkömmliche Strahlungsdetektoren setzen bei der Herstellung des pn-Übergangs-, Diffusions- oder Implantationsschritte ein. Dabei entsteht eine direkte Verbindung zwischen dem hochreinen Substratgebiet und dem hochdotierten Silizium. Diese Grenzfläche ist häufig von Kristallstörungen durchsetzt und oft eine Hauptursache für hohe Dunkelströme im Detektor. In dem Vorlaufforschungsprojekt wurde die Struktur des pn-Übergangs neu konzipiert: Die p- und n-Typ Gebiete wurden konsequent getrennt, sodass die Übergangszone verringert und damit der Dunkelstrom signifikant reduziert wurde. Dazu wurde erfolgreich ein Tunnel- bzw. Barriereoxid auf das Silizium und anschließend eine weitere Schicht aus hochdotiertem Polysilizium aufgewachsen. So entstand eine Passivierung, die zugleich als elektrischer Kontakt dient. Diese Architektur ist aus der Photovoltaik als TOPCon-Technologie bekannt – wurde bisher aber nicht für Detektoren genutzt.
Parallel dazu wurden die Ursache von Dunkelströmen im Sperrrichtung bei abrupten pn-Übergängen untersucht. Den Strompfaden wurden eindimensionale Randwertprobleme zugeordnet und analytisch gelöst. Dieser Ansatz ermöglicht die Rückführung komplexer Strukturen auf einfachere, eindimensionale Randwertproblem und bildet die Grundlage für ein zukünftiges Verhaltensmodell, das Vorhersagen über die IV-Kennlinien von Strahlungsdetektoren und Photodioden in Durchlass- und Sperrrichtung trifft. Darüber hinaus sind die erzielten Forschungsergebnisse ein Baustein für ein tieferes Verständnis neuer Passivierungstechnologien und Voraussetzung für die Entwicklung leistungsfähigerer Strahlungsdetektoren in der Medizintechnik (Röntgenbildgebung, Strahlentherapie, Dosimetrie), Umweltsensorik (Messung der ionisierenden Strahlung) und in der Kernforschung (DESY, CERN).
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Innovative Oxidaufbauten für die Passivierung der Grenzflächen von Silizium“ (InOxA) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
FKZ: 49VF220049
