Direktes Wachstum von CdTe Detektor - Schichten auf einer CMOS basierten Auslese - Elektronik

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Fiederle
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 173047358

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines Verfahrens zur direkten Abscheidung von polykristallinen CdTe-Schichten auf einer Siliziumelektronik für den Einsatz als Röntgendetektor. Um dies zu erreichen wurden CdTe-Schichten direkt auf einer Pixelauslese-Elektronik über die Gasphase in einer modifizierten MolekularstrahlEpitaxie Anlage aufgewachsen. Neben dem direkten Wachstum auf der AusleseElektronik wurden CdTe Schichten auf strukturierten und nicht strukturierten, thermisch oxidierten Siliziumwafern abgeschieden, um aussagekräftige Messungen (beispielsweise Photoelektronenspektroskopie, elektrische Messungen) an übertragbaren einfachen Schichtstrukturen zu erhalten. Ein Schwerpunkt der Arbeiten lag in der Entwicklung dicker Schichten, um die Effizienz der Detektoren auch für höhere Röntgenenergien zu erhöhen. Hier zeigte sich aber, dass die Herstellung von Schichten mit mehr als 100 µm nicht realisierbar war. Die Haftung der dicken Schichten auf der Siliziumelektronik war zu gering, um Schichtdicken mit mehr als 150 µim mit einer Langzeitstabilität zu realisieren. Als Auslese - Elektronik wurde der Medipix2 Auslesechip (photonenzählender Pixeldetektor) der Medipix Collaboration des CERN verwendet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Medipix2 Auslese-Elektronik eine Temperatur von 375°C über mehrere Stunden standhält und danach problemlos funktioniert. Durch die vielen Experimente zum Wachstum der CdTe Schichten wurden wichtige Erkenntnisse zur Abscheidung von polykristallinen Filme gewonnen werden. Es konnte die Abhängigkeit der Korngrößen von Temperatur, Substrat und Wachstumsrate ermittelt werden. Dadurch gelang es Filme mit sehr feiner Körnung und hoher struktureller Qualität herzustellen. Als größere Herausforderung für die Herstellung von komplexen Detektormodulen haben sich die elektrischen Eigenschaften der CdTe-Schichten erwiesen. Bedingt durch die polykristalline Struktur ist die Defektdichte in den Filmen sehr hoch. Dies führt zu einem geringeren spezifischen Widerstand und zu einem deutlich kleinerem Ladungsträgerlebensdauer-Beweglichkeit-Produkt (µτ-Produkt). Um dies zu verbessern, wurden Ansätze aus der Herstellung von CdTe Solarzellen angepasst und für die Abscheidung und weitere Prozessierung der dicken Filme verwendet. Dadurch gelang es funktionsfähige Detektoren auf der Medipix2-Elektronik herzustellen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Direct growth of CdTe thick films on the Medipix2 pixel detector chip, Journal of Applied Physics 108 (9), 094504-094504-4, 2010
  R. Sorgenfrei, A. Zwerger, C. Disch, K.H. Bachem, M. Fiederle
  
• High resolution x-ray imaging detector based on polycrystalline CdTe thick films, Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC), 2010 IEEE, 3716-3718
  R. Sorgenfrei, A. Zwerger, C. Disch, M. Fiederle
  
• Pixel sensitivity variations in a CdTe-Medipix2 detector using poly-energetic X-rays, Journal of Instrumentation 6 (01), C01059, 2010
  R. Aamir, S.P. Lansley, R. Zainon, M. Fiederle, A. Fauler, D. Greiffenberg
  
• Direct deposition of polycrystalline CdTe films on the Medipix readout chip, evaluation of layer quality and imaging results, Nuclear Science Symposium 2014 Conference Record, 2014 IEEE
  A. Vogt, S. Schütt, F. Fischer, C.Disch, S.Procz, Y.Lu, M. Fiederle