CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH


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Geförderte Projekte: 37


Entwicklung von Siliziumphotomultiplier(SPM)


Das Photoelektronen-Histogramm-Spektrum von einem SiPM-Chip bei blauer LED (λ=430nm) mit 3V überspannung.
Das Photoelektronen-Histogramm-Spektrum von einem SiPM-Chip bei blauer LED (λ=430nm) mit 3V überspannung.

Projektidee

In den vergangen Jahren wurde eine Reihe von Untersuchungen an Lawinenphotodioden (APD) gemacht, wo ein Photodetektor auf Silizium mit einer Vergrößerung wie beim Photomultiplier realisiert wurde. Die APD kann in normalem Modus mit einer Vergrößerung von 100 bis 1000, wo die Spannung unter dem Durchbruch liegt, oder im Geiger-Modus mit einer Vergrößerung von 105 bis 106, wo die Spannung über dem Durchbruch liegt, arbeiten. Eine in normalem Modus betriebene APD hat das von stochastischen Lawinen verursachte Rauschen. Lawinendioden werden im Geiger-Modus als Photodioden zum Zählen einzelner Photonen eingesetzt. Dazu werden sie beispielsweise mit einem großen Vorwiderstand in Sperrrichtung betrieben. Durch die hohe Feldstärke reicht ein einziges Photon, das ein Elektron-Loch-Paar freisetzt, das durch das Feld in der Sperrschicht beschleunigt, einen Lawineneffekt auszulösen (sog. Durchbruch). Der Widerstand verhindert, dass die Diode durchgebrochen bleibt (passives Quenching). Die Diode geht dadurch wieder in den gesperrten Zustand über. Der Vorgang wiederholt sich selbstständig und die Stromimpulse können gezählt werden. Da es sich um stochastische Effekte handelt und auch eine Erholungspause vorhanden ist, ist die Quanteneffizienz kleiner als Eins. Die in Geiger-Modus arbeitende APD kann nur zeigen ob Photonen detektiert worden sind, aber nicht die Anzahl der Photonen.
Ein neues Konzept für Photomultiplier aus Silizium wurde vorgeschlagen [1], in dem man eine große Anzahl von kleinen, mit Quenching- Widerständen gekoppelten APD (Mikrozelle, oder manchmal als Pixel definiert) parallel in einem gemeinsamen Si-Substrat unterbringt.

Das Abmaß der einzelnen Zelle liegt zurzeit von 25µm bis 200µm. Die Mikrozellendichte kann deswegen bis zu 1000 pro Quadratmillimeter erreichen. Jede APD im SiPM arbeitet im Geiger-Modus und alle sind miteinander durch Polysilizium Quenching-Widerstand gekoppelt. Obwohl die Mikrozellen im Digital/Schalter arbeiten, ist der SiPM ein analogisches Bauelement. Weil alle Mikrozellen parallel ausgelesen werden, ist es möglich ein Signal mit einem Dynamikbereich von ein einzigen Photon bis 1000 Photonen aus einem SiPM mit einer Fläche von einem Quadratmillimeter zu generieren[2]. Die Versorgungsspannung hängt von der Technologie ab, sie liegt typischerweise zwischen 30V bis 70V, deswegen ist sie 30- bis 50-mal niedriger als die Betriebsspannung der konventionellen Photomultiplierröhre.

Die Entwicklung vom SiPM Strukturen steht noch am Beginn ihrer Entwicklung. Bisweilen haben weltweit nur wenige Halbleiterhersteller und Institute die Prototypen von SiPM produziert, es gibt noch keine echten kommerziellen Produkte. Unter anderen wurden SiPM-Prototypen von Hamamatsu Photonics K.K, Japan; MEPhI/Pulsar, Moscow; Dubna/Micron, Moscow; ITC-irst, Italien hergestellt. Jedoch ist der Bedarf an dieser Technik bei Benutzern aus medizinischer Diagnostik und für das Hochenergieteilchenexperiment sehr groß, und die Erwartung dementsprechend hoch. Neue Forschungen und Entwicklungen zeigen das Potential, welches der SiPM als Photodetektor mit hoher Geschwindigkeit und hoher innerer Vergrößerung auf dem Markt darstellt. Gleichzeitig gibt es noch eine Reihe von Nachteilen, von denen man manche im jetzigen Rahmen optimieren kann, aber manche andere technologische Innovation braucht.
Kern des Vorhabens ist die Entwicklung eines anwendungstauglichen Siliziumphotomultipliers (SiPM) für die Detektion von sehr schwachem Licht für die nuklearmedizinische Diagnostik wie PET (kurzwellig) und für das Hochenergieteilchenexperiment wie Kalorimeter, TOF und Cerenkovstrahlen. Eine neue Technologie für den Quenchingwiderstand der Lawine und eine Technologieinnovation für die zuverlässige Miniaturisierung von Mikrozellen werden entwickelt mit dem Ziel den Integrationsgrad der Mikrozelle zu erhöhen, und den Temperaturkoeffizient zu reduzieren. Um die Dunkelrate zu reduzieren, wird eine optimierte Silizium-Epi-Schicht als Substrat benutzt und eine Vorderseite-Getten-Technologie für die Reduzierung der tiefen Defekte entwickelt. Ausführliche Technologie- und Bauelement-Simulationen führen zu dem Entwurf von zwei SiPM- Arten, die Eine mit einer großen Anzahl von Mikrozellen für die medizinische Anwendung, die Andere mit einer kleinen Dunkelrate, einer kurzen Erholungszeit (recovery time) und einer großen Photodetektionseffizienz für Kalorimeter.

[1] P. Buzhan, B. Dolgoshein, L. Filatov, A. Ilyin, V. Kantzerov, V. Kaplin, A. Karakash, F. Kayumov, S. Klemin, E. Popova, S. Smirnov, „Silicon photomultiplier and its possible applications „, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 504 (2003), 48-52.
[2] A G Stewart, E Greene-O'Sullivan, D J Herbert, V Saveliev, F Quinlan, L Wall, P J Hughes, A Mathewson and J C Jackson, „Study of the Properties of New SPM Detectors“, Proceedings of SPIE: Semiconductor Photodetectors III, Vol. 6119 (2006).

Kundennutzen

Eine geplante Anwendung der SiPM ist die PET (Positronen-Emissions-Tomographie), wobei die SiPMs an LYSO-Kristalle gekoppelt sind, um die von LYSO aus Gamma-Strahlung umgewandelten blauen Photonen zu detektieren. Weil das blaue Licht aus LYSO einen Spektralbereich von 420-450 nm hat, wurde ein passendes Antireflexschichtsystem auf Silizium, das kompatibel zu unserer Technologie ist, entworfen. Eine numerische Simulation zeigt, dass 150nm Siliziumoxid plus 150nm Siliziumnitrid diesen Zweck erfüllen können.
Der SiPM ist in p-epi-Silizium-Wafern hergestellt worden. Ein flacher n+-p-übergang und eine darauf liegende Antireflexionsschicht können eine gute Quantenausbeute für die Blaulicht-Photonen ermöglichen. Weil der SiPM im Geiger-Modus arbeitet, ist ein möglichst gleich verteiltes elektrisches Feld im Sensor sehr wichtig. Die Feldverteilung bei der Durchbruchspannung ist simuliert worden, wobei ein Schutzring neben dem Rand des PN-übergangs dazu beigetragen hat, die elektrische Feldstärke am Rand zu reduzieren. Als eine Variante wurden flache Gräben zwischen die Mikrozellen eingeätzt, das kann das optische übersprechen reduzieren.
Die SiPM-Sensoren haben eine Fläche von 1mm? und beinhalten eine Matrix von bis zu 1024 Mikrozellen. Jede Mikrozelle besteht aus einem n+-p-übergang und einem in Serie geschalteten Polysilizium-Quenchwiderstand. Die Mikrozellen sind durch einen Aluminiumbus parallel angeschlossen.
Eine systematische Charakterisierung ist durchgeführt und die Durchlass- und Sperrkennlinien der SiPMs sind getestet worden und zeigen das erwartete PN-übergangsverhalten. Aus der Kennlinie kann man der Quenchwiderstand errechnen, der im MOhm-Bereich liegt. Die Dunkelrate wird durch einen Diskriminator und einen Zähler bestimmt, welcher ausgelöst wird, sobald der Signalimpuls den Schwellwert überschreitet. Die Dunkelrate und der Dunkelstrom als Funktion der überspannung für einen SiPM bei Raumtemperatur sind gemessen. Die Dunkelrate hängt von den Materialeigenschaften und den Prozessbedingungen ab. Die kleine Dunkelrate des SiPM-Chips weist darauf hin, dass die Defektdichte im Lawinengebiet klein gehalten wurde. Unter einer blauen LED wurde ein Photoelektronspektrum für den SiPM gemessen, Abb. 1 zeigt, dass bis zu 7 Photonen aufgelöst werden können. Weil die Verstärkung zu der überspannung proportional ist, kann die Durchbruchspannung aus den Photoelektronen-Histogramm-Spektren bei unterschiedlichen Vorspannungen extrahiert werden. Die Verstärkung ist proportional zum Abstand des ersten Photoelektronen-Peaks zum Pedestal. Eine lineare Anpassung dieses Abstands vs. die Vorspannung ergibt die Durchbruchspannung als Schnittpunkt mit der Spannungsachse. Die Durchbruchspannung des CiS-SiPM liegt bei 22V.

Ausblick

Siliziumbasierte Photomultiplier mit normaler Spannungsversorgung und kleinem Volumen erleichtern die Instrumentierung vieler auf Fluoreszenzspektrometer basierender Messverfahren und bietet zusätzlich eine hohe Auflösung. Viele schwer zugängliche biologische Vorgänge können untersucht und überwacht werden. Die Unempfindlichkeit gegenüber dem magnetischen Feld ermöglicht die hybride Messung von PET und Kernspintomographie. Die CMOS- Technologiekompatibilität ermöglicht die Integration der Signalbearbeitungen und der Auslesen, das wird wiederum einen technischen Fortschritt darstellen.
Mit einer derartigen Detektorentwicklung wird CiS einen technischen Vorsprung bei der Photodetektion erlangen. Die wirtschaftliche Zielsetzung ist es, mit dem zu entwickelnden SiPM, den Markt der medizinischen Diagnostik, der biologischen und biotechnologischen Sensoren und Instrumente zu erschließen, und die Photomultiplierröhren in Kalorimeter durch SiPM zu ersetzen. Weil viele biologische und chemische Vorgänge nur bis zu ein Paar Photonen emittieren, würde der als Photonzähler einsetzbare SiPM einen Baustein für die Entwicklung einer Reihe von chemischen und biologischen Sensoren bilden.
Die Ergebnisse zeigen, dass der erste Prototyp schon Single-Photoelektron-Auflösung hat und eine kleine Dunkelrate aufweist. Ein Spicemodell ist für den CiS-SiPM erstellt worden. Das Modell kann benutzt werden, um die optimalen Arbeitsbedingungen zu finden, und um mögliche technologische Verbesserungen zu analysieren.
Die Weiterentwicklung und Verbesserung der SiPMs sind im Gang und es wird eine direkte Anwendung in der PET erprobt.

Stand: 03.04.2013
Projektdaten aktualisiert: 04.12.2012

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