Sensoren am Limit

Die Sensoren des Halbleiterlabors sin empfindlich für elektromagnetische- und Teilchenstrahlung. Beide Arten von Strahlung interagieren mit Silizium und erzeugen Ladungsträger, die anschließend erfasst werden müssen.Bei unseren Entwicklungen versuchen wir ständig, die Limitierungen unserer Sensoren überwinden, um empfindlicher, genauer, schneller und vielseitiger zu werden. In manchen Fällen versuchen wir sogar all das gleichzeitig zu erreichen.

Einige der Grenzen und begrenzenden Faktoren unserer Sensoren sind:

Eintrittsfenster

Das Eintrittsfenster ist die Grenzfläche des Siliziums auf der Rückseite des Sensors. Es besteht aus einer unstrukturierten flachen p-Implant, das von einer Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid bzw. Siliziumoxid bedeckt ist.

Im optischen Bereich sorgt dies für eine hohe Quanteneffizienz (QE). Durch Modifizierung des Lagenaufbaus der Passivierungsschicht kann die QE für eine Wellenlänge weiter optimiert werden.

Die Quanteneffizienz für Röntgenphotonen wurde in den Kalibrierungskampagnen für XMM Newton [1] und eRosita [2] gemessen. Die beiden Kurven sind in Abbildung 2 links und rechts dargestellt. Der Sensor für XMM-Newton hatte eine Bulk-Dicke von 300 µm, was die QE im Hochenergiebereich einschränkte. Bei eRosita wurde die QE für hochenergetische Röntgenphotonen durch eine Bulk-Dicke von 450µm verbessert. Zusätzlich wurde eine dünne Aluminiumschicht auf die Passivierung aufgebracht, um eine Abschirmung gegen optische Photonen zu erreichen. Dies reduziert die Empfindlichkeit für optische Photonen um bis zu 6 Größenordnungen [2], während die QE für niederenergetische Röntgenphotonen nur geringfügig beeinflusst wird.

Im Gegensatz zu elektromagnetischer Strahlung, die punktförmige Ladungswolken erzeugt, entstehen bei Teilchenstrahlung Ladungsspuren im Silizium. Für hochenergetische Teilchen ist das Eintrittsfenster daher nicht so entscheidend. Niederenergetische Teilchen, die eine kurze Reichweite innerhalb des empfindlichen Volumens haben, benötigen jedoch ebenfalls ein dünnes Eintrittsfenster, um eine genaue Detektion zu gewährleisten.

Quanteneffizienz des Sensors vom UV bis zum nahen Infrarot. Die gemessene Kurve ist in blau, die theoretische Erklärung für den Passivierungsstapel in orange.

Abbildung 1

Quanteneffizienz des Sensors vom UV bis zum nahen Infrarot. Die gemessene Kurve ist in blau, die theoretische Erklärung für den Passivierungsstapel in orange.

QE des Sensors an Bord von XMM-Newton (links) und eRosita (rechts).

Abbildung 2

QE des Sensors an Bord von XMM-Newton (links) und eRosita (rechts).

Referenzen:

1)     L.Strüder et al., „The European Photon Imaging Camera on XMM-Newton: The pn-CCD Camera”, A&A 365, L18, 2000

2)     S. Ebermayer et al., “Quantum efficiency measurements of eROSITA pnCCDs”, Proc. SPIE 7742, 2010

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