15.04.2011

Forschungsverbund Berlin e.V.

UV-Photodioden schließen Lücke in internationalen Märkten

UV-Photodioden auf der Basis von Siliziumcarbid (SiC) sind zentrale Komponenten in einer Vielzahl von Anwendungen, von der Prozessüberwachung bis zu biomedi-zinischen Analysen. Durch die enge Zusammenarbeit von Forschung und Industrie ist es gelungen, eine wichtige Lücke in der Versorgung mit diesen Chips zu schließen. Die nun verfügbaren SiC-UV-Photodioden gehören zu den weltweit leistungsfähigsten.

SiC-basierte Photodetektoren liefern vor Ort wichtige qualitative und quantitative Informationen über die eingesetzte UV-Strahlung. Sie werden unter anderem bei der Überwachung und Steuerung von Anlagen zur UV-Desinfektion eingesetzt, um etwa Luft oder Wasser zu entkeimen, zur UV-Flammenüberwachung sowie zur Härtung von Lacken und Klebstoffen. Die im Rahmen einer Kooperation des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenz¬technik (FBH) und des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ) mit dem Berliner Unternehmen sglux Sol Gel Technologies GmbH entwickelten SiC-UV-Photodioden gehören zu den leistungsfähigsten derzeit erhältlichen Halbleiter-Detektoren im UV-Bereich von 200 nm bis 380 nm. Sie zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe „visible blindness“ von >1010 aus – damit sind sie unempfindlich für sichtbare Strahlung. Mit ihrem sehr niedrigen Dunkelstrom von <5 fA sind sie selbst für empfindliche Messungen exzellent geeignet.

Dunkelstrom fließt auch bei Abwesenheit von UV-Strahlung und ist deshalb bei geringer Bestrahlung störend. Die Dioden zeigen darüber hinaus eine große Strahlungsfestigkeit, das heißt sie bleiben auch bei langer Bestrahlung stabil. Zudem schließen sie eine wichtige Lücke, die entstanden war, als der weltweit einzige kommerzielle Hersteller derartiger Photodioden seine Produktion einstellte. Damit stand international kein gleichwertiger Ersatz zur Verfügung.

Im Rahmen des Berliner Förderprogrammes Transfer BONUS wurde nun der Herstellungsprozess der UV-SiC-Photodioden erfolgreich von 2- auf 3-Zoll-Wafer übertragen. Dies wurde notwendig, weil 2-Zoll-Wafer nicht mehr kommerziell verfügbar sind und ermöglicht gleichzeitig, höhere Stückzahlen kosteneffizient zu produzieren. Durch die bereits heute sehr große Nachfrage erwartet sglux für das laufende Jahr signifikante Umsatzsteigerungen und wachsende Mitarbeiterzahlen. Diese Entwicklung ist zugleich ein Beispiel für erfolgreichen Technologietransfer.

Die Technologie im Detail
Eine Photodiode ist ein Halbleiter-Bauelement, welches Licht – hier im ultravioletten Spektralbereich – durch den inneren Photoeffekt in elektrische Spannung oder elektrischen Strom umwandelt. Dieser Effekt basiert auf einem durch Kristallwachstum (Epitaxie) erzeugten p-n-Übergang. Ein solcher Materialübergang entsteht in Halbleiterkristallen zwischen Bereichen mit verschiedener Dotierung. Bei der Dotierung werden unterschiedliche Fremdatome in das Halbleitermaterial eingebracht, die die Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials gezielt verändern. Die spektrale Empfindlichkeit einer Photodiode hängt von der elektronischen Struktur des verwendeten Halbleitermaterials ab. Für einen Einsatz im Bereich von 200 nm bis 380 nm ist einkristallines SiC besonders gut geeignet.

Die Entwicklung der SiC-Photodioden wurde vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand ZIM, KF2194601DB9) gefördert. Dazu wurden Epitaxieschichten am IKZ auf n-dotierten SiC-Substraten gewachsen. Die Schichtdicken lagen zwischen 0,15 µm und 5 µm und wurden mit einer homogenen, schichtspezifischen p- und n-Dotierung zunächst auf 2-Zoll-Wafern abgeschieden. Dieser Epitaxieprozess wurde im nun abgeschlossenen Folgeprojekt auf 3-Zoll-Wafer übertragen. Anschließend wurden die 2- bzw. 3-Zoll-Wafer am FBH prozessiert und durch sglux aufgebaut. Die besonderen Herausforderungen am FBH bestanden in der Entwicklung von Strukturierungsverfahren und der elektrischen Kontaktierung von p- und n-dotierten SiC-Schichten. Es wurden Ätzrezepte sowohl für flache Ätzungen (zur Entfernung der p+-Deckschicht) wie auch für tiefe Ätzungen (zur elektrischen Isolation der Bauelemente) entwickelt.

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