Charged Coupled Devices

pn-CCDs im Halbleiterlabor

pn-CCDs, die am Max-Planck-Halbleiterlabor entwickelt und produziert werden, sind Sensoren für die Licht- und Teilchendetektion. Die pnCCD-Entwicklung am Halbleiterlabor begann in den späten 80er Jahren. Ausgelöst wurde sie durch den Einsatz von Satelliten für die Röntgenastronomie, für die neue Halbleitersensoren benötigt wurden, um die Nachweisschwelle für weiche Röntgenstrahlung zu senken.

pn-CCDs sind für die Röntgendetektion besonders vorteilhaft. Sie können auf die Bedürfnisse der Röntgenspektroskopie und der Röntgenphotonenzählung zugeschnitten werden. In ihnen sind die Speicherkondensatoren mit pn-Übergängen anstelle von MOS-Strukturen aufgebaut. Dadurch entfällt die empfindliche Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche, wodurch ein pn-CCD intrinsisch strahlungshärter ist.

In den letzten drei Jahrzehnten haben wir viele Versionen von pn-CCDs entwickelt und produziert, hauptsächlich für die Anwendungsgebiete der satellitengestützten Röntgenspektroskopiekameras (XMM-Newton, eRosita, EinsteinProbe) und der Materialwissenschaften (CAMP, LAMP).

Wesentliche Vorteile von pn-CCDs im Vergleich zu herkömmlichen MOS-CCDs

  • pn-Dioden anstelle von MOS-Registern -> bessere Strahlungshärte gegen Röntgenstrahlen und Elektronen
  • Ladungstransfer in einer Tiefe von mehreren Mikrometern -> hohe Übertragungsgeschwindigkeit auch bei größeren Pixeln.
  • n-CCDs haben eine weitgehend unstrukturierte Rückseite, die als Signaleintrittsfenster dient und an die Bedürfnisse des Experiments angepasst werden kann.
  • pnCCDs sind schneller, da sie paralleles Spaltenauslesen verwenden

MOS-CCD vs. pn-CCD

Die in Abbildung 1 gezeigten Querschnitte der Oberflächenbereiche verdeutlichen die gemeinsamen und die unterschiedlichen Funktionsprinzipien der beiden Typen. Die Ladungsverschiebung erfolgt von links nach rechts durch Anlegen von drei periodischen Spannungstakten (1,2,3) an die Metallregister (schwarz - MOS-CCD) bzw. p-Implantate (rot - pn-CCD). Drei Register, die zu einem Tripel verbunden sind, bilden ein Pixel (3-Phasen-CCD). Die Registertaktung formt das Potential im Silizium so, dass in jedem Pixel eine treppenförmige Potentialverteilung entsteht (Animation pn-ccd 2), die die Elektronen zu den integrierten Vorverstärkern verschiebt. Im Gegensatz zu Standard-MOS-CCDs, bei denen ein Vorverstärker ein ganzes Array oder Subarray auslesen muss, hat jede pn-CCD-Pixelspalte einen eigenen Ausleseverstärker, was zu einer deutlich erhöhten Auslesegeschwindigkeit führt. Abbildung 1 zeigt auch, dass die Transfertiefe bei beiden Bauelementen recht unterschiedlich ist.

Abbildung 1: Schematische Querschnitte von MOS-CCD (links) und pn-CCD (rechts)
Animation pn-ccd1: Ladungstransfer in einem pn-CCD: Die Animation zeigt die Potentiale von 6 Pixeln an der Oberfläche eines pn-CCDs beim Takten der Registerspannung. Die erhöhten Potentiale im Hintergrund sind die angelegten Registerspannungen (Ansicht aus der Tiefe des CCDs). In den entstandenen Potentialminima unterhalb der Oberfläche werden Elektronen gespeichert. Der Inset im Vordergrund zeigt, wie die in der Tiefe des Silizium-Bulk erzeugte Elektronenladung in das rechte Pixel driftet und durch peristaltisch wechselnde Potentiale auf das linke Pixel übertragen wird. (simuliert mit TeSCA /1/)

MOS-CCDs mit vergrabenem Kanal transferieren die Signalladung in einer Tiefe von weniger als 1µm unter der Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche. Die Ladungstransfertiefe bei pn-CCDs beträgt typischerweise 7µm. Eine tiefere Transfertiefe ist vorteilhaft für ein schnelles Auslesen größerer Pixel, reduziert aber die maximale Ladungsmenge (Charge Handling Capacity), die in einem Pixel gespeichert werden kann. Für weltraumbasierte Röntgenteleskope ist dies jedoch eine ideale Kombination. Pixelgrößen im Bereich von ca. 50µm sind in diesem Anwendungsbereich meist ausreichend, da die Röntgenspiegel - begrenzt durch Größe und Gewicht - eine feinere Positionsauflösung ohnehin nicht liefern können. Bei der Spektroskopie muss nur eine relativ kleine, durch einzelne Röntgenphotonen erzeugte Ladung gemessen werden.

Wenn die Ladung von mehreren Photonen in einem Pixel gesammelt werden, würde die spektroskopische Information verloren gehen. Um das zu vermeiden, ist ein schneller Ladungstransfer und eine schnelle Signalverstärkung gerade bei der Beobachtung von hellen Objekten zwingend erforderlich.

Animation pn-ccd2: Ladungstransfer im high dynamic range mode basierend auf 3d-Simulationen mit Oskar3 von K. Gärtner (WIAS-Berlin) /3/. In der Simulation wird Elektronenladung zwischen zwei benachbarten Registern eines 51µm großen Pixels hin und her transferiert. Die Pixelspalte im Vordergrund zeigt den Transfer einer kleinen Ladungsmenge von ca. 10.000 Elektronen, der in einer Tiefe von 7µm erfolgen kann. In der Spalte im Hintergrund werden ca. 700.000 Elektronen transferiert. Zunächst befinden sich die Elektronen in der tiefen Speicher- und Transferregion gespeichert. Wenn die Speicherkapazität überschritten ist, erstreckt sich die Speicherregion in Richtung der Oberfläche direkt unter der p-Register-Dotierung in eine Tiefe von weniger als 1µm. Beachte: In beiden Fällen findet der Ladungstransfer einer in der Tiefe von ca. 7µm statt.

Abbildung 1 zeigt auch das Halbleitersubstrat und die Rückseite der CCDs. pn-CCDs werden auf schwach  n-dotierten Siliziumscheiben mit einem typischen spezifischen Widerstand von etwa 5kΩcm hergestellt. Die p-dotierte Schicht auf der Rückseite (Abbildung 1) und das n-dotierte Substrat bilden eine Diode, die den gesamten Wafer bei moderater Spannung vollständig von Elektronen verarmt. Das gesamte Wafervolumen wird somit sensitiv für einfallende Photonen. Die auf der Rückseite erzeugte Ladung driftet durch das Verarmungsfeld zur Vorderseite, wo eine hochenergetische Phosphorimplantation ein begrenztes Potentialminimum für Elektronen erzeugt. Das Maximum des Dotierungsprofils definiert die Speicher- und Transfertiefe des CCDs. Durch die vollständige Verarmung des Wafers können auch höherenergetische Röntgenphotonen mit größerer Absorptionslänge nachgewiesen werden. Das Konzept der vollständigen Verarmung des Wafers ist aber auch sehr vorteilhaft für die Detektion von niederenergetischer (weicher) Röntgenstrahlung, deren Absorptionslänge in Silizium im Nanometerbereich liegt. Die Sensorrückseite kann als Strahlungseintrittsfenster genutzt werden. Im Gegensatz zur Vorderseite, auf der sich alle für den CCD-Betrieb notwendigen Leitbahnen, Deckschichten und Implantationen befinden, wird die Rückseite nur durch eine unstrukturierte p-dotierte Schicht mit sehr geringer Eindringtiefe gebildet. Durch Aufbringen zusätzlicher optischer Filterschichten kann das Eintrittsfenster auf die Bedürfnisse bestimmter Experimente zugeschnitten werden.

Positionsauflösung für Röntgenaufnahmen

Bei spektroskopischen Messungen bestimmt die Pixelgröße, auf wieviele Pixel sich die in einem dicken absorbierenden Material gebildete Ladungswolke aufteilt. Wenn die Positionsauflösung von untergeordneter Bedeutung ist, ergeben große Pixel mit geringer Ladungsteilung die beste Energieauflösung und die niedrigste Detektionsschwelle. In diesem Fall sind meist Pixelgrößen zwischen 50 und 150µm optimal.

Wenn neben Energie- und Zeitauflösung auch eine sehr genaue Positionsauflösung erforderlich ist, hängt die optimale Pixelgröße von der Photonenenergie, der Sensordicke und der elektrischen Feldstärke ab, die zusammen die Größe der Ladungswolke bestimmen. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die Ladung über 2-3 Pixel in jeder Richtung verteilt ist. Aus Summe der in den Pixeln gespeicherten Elektronen ergibt die Energie des Photons, während die einzelnen Beträge eine Positionsgenauigkeit ergeben, die viel kleiner ist als die Pixelgröße und hauptsächlich durch die richtige Kalibrierung und das Ausleserauschen begrenzt wird. Die optimale Pixelgröße in dieser Anwendung liegt zwischen 20 und 50 µm bei einer Waferdicke von 0,5mm und einem starken elektrischen Feld mit schneller Ladungssammlung.

Die kleinste von uns bisher realisierte Pixelgröße beträgt 36µm. Basierend auf dem Wissen, dass solche Ladungswolken inhärent gaußförmig sind, können durch geschickte Interpolationsmethoden Positionsauflösungen im µm-Bereich erreicht werden. Für ein CCD mit 36µm Pixelgröße wurden  1,5µm erzeilt /2/.

Betriebsmodus mit hohem Dynamikbereich

Eine andere Implikation, die sich aus der tiefen Ladungsspeicherung ergibt, ist eine eher kleine Kapazität und damit eine deutliche Limitierung der speicherbaren Ladungsmenge in einem Pixel. Dies ist normalerweise kein Problem für den Betrieb im spektroskopischen Modus, aber im Bereich der Materialwissenschaft begrenzt es die Anzahl der Photonen, die gezählt werden können, und damit den Dynamikbereich. Dieses scheinbar ein grundsätzliche Problem von pn-CCDs, kann mit einfachen Mitteln gelöst werden. Durch Anlegen einer größeren Rückseitenspannung wird die Potentialbarriere, die die Ladung in der tiefen Speicherregion einschließt, abgesenkt und die Elektronen können in Richtung des p-dotierten Registerimplants fließen. Das Ladungsspeichergebiet wird vertikal fast in die gleiche Tiefe ausgedehnt wie in einem Buried Channel MOS-CCD. Dieser Mechanismus wird durch die Animation pn-ccd2 veranschaulicht. Durchgeführte Messungen an einem pn-CCD mit 75x75µm² Pixelgröße zeigen eine große Steigerung der Speicherfähigkeit von 300000 auf etwa 2,8 Millionen Elektronen /4 / pro Pixel.   


External links:

Photoeffect                            https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect

CCD                                     https://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device

MOS                                    https://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET                   

Spectroscopy                        https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_spectroscopy

active pixel sensors               https://en.wikipedia.org/wiki/Active-pixel_sensor

 

Internal links:

radiation entrance window        

Simulation                              https://www.hll.mpg.de/2970734/Simulation

XMM-Newton

eRosita

EinsteinProbe

CAMP

 

Literature

/1/ H. Gajewski et al, TeSCA – Two Dimensional Semiconductor Analysis Package, Manual, WIAS, Berlin, 1997

/2/ F. Schopper, et al., High resolution X-ray imaging with pnCCDs, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A (2017), https://doi.org/10.1016/j.nima.2017.10.004.

/3/ K.Gärtner, J. Griepentrog and Th. Koprucki, User documentation Oskar3, Wias-Berlin, 2011

/4/ J. Schmidt et al., Extending the dynamic range of fully depleted pnCCDs

JINST 9 P10008; DOI:10.1088/1748-0221/9/10/P10008

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