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entdeckt_02_2014

TITEL// DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 18 19 Durch die Störstellen in exakt definierter Tiefe können die Eigenschaften des Halbleiters gezielt verändert werden. Bernd Schmidt: „Meist nutzen wir dafür Phosphor-Ionen, aber auch Bor-Ionen sind möglich.“ Der Grund: Phosphor hat ein Außenelektron mehr als das vierwertige Silizium. Es bringt demnach eine zusätzliche negative Ladung mit sich, die nicht im Silizium-Kristallgitter benötigt wird und somit frei beweg- lich ist. Bor besitzt hingegen nur drei äußere Elektronen – also eines weniger. In der Siliziumstruktur taucht demnach ein positives „Loch“ auf, das ebenfalls frei beweglich ist. Eine Lawine von Ladungsträgern Über freie Elektronen und Löcher kann in den dotierten Schichten Ladung transportiert werden. Es fließt also Strom – allerdings nur, solange die anliegende, äußere Spannung gleich gepolt ist. Bei umgekehrter Polung, der Sperrspannung, werden kaum Ladungen transportiert. „Erst ab einer sehr ho- hen Sperrspannung kommt es wieder zu einem schlagartigen Stromanstieg, dem ‚Durchbruch‘ der Diode. Der ist in anderen Halbleitern oftmals nicht erwünscht, doch bei Silizium-Photo- multipliern kann der Effekt für die Verstärkung kleinster photo- elektrischer Effekte genutzt werden“, erklärt der Forscher. Ein einziges einfallendes Photon löst dann eine Kettenreaktion in der Silizium-Diode aus: In der elektrischen Feldzone des Materials werden die Photoelektronen derart beschleunigt, dass diese ihrerseits weitere elektrisch geladene Teilchen ge- nerieren. Es entsteht eine Ladungsträger-Lawine, weshalb der ausgelöste, steile Strom-Anstieg auch Avalanche-Durchbruch genannt wird. Der Wissenschaftler: „Mit der Hochenergie- Implantation können wir sehr genau bestimmen, bei welcher Sperrspannung der Durchbruch einsetzt und sie zudem auch niedrig halten.“ Nur so können die KETEK-Dioden für die Photon-Messung in einem exakt definierten Bereich über der Durchbruchsspannung betrieben werden. Mit der Implantations-Technologie lassen sich die dotierten Schichten zudem in verschiedenen Tiefen strukturieren. „Wir tragen dazu eine zusätzliche Schicht auf die Siliziumoberflä- che auf, die als Implantationsmaske dient“, so Bernd Schmidt. Die eingeschossenen Ionen müssen so einen längeren Weg zurücklegen und das Oberflächenmuster der Maske wird in tieferen Dotierschichten abgebildet. Solche Anpassungen sind besonders wichtig in den Randbereichen der Diode. „Würde man dort das elektrische Feld nicht auf eine solche Weise maßschneidern, ließe sich die Durchbruchsspannung nur schwer kontrollieren“, erläutert der Physiker. Einsatz bei bildgebenden Verfahren in der Medizin Eigentlich ist Bernd Schmidt seit mehreren Monaten im Ruhe- stand, aber nach über 37 Jahren am Institut für Ionenstrahlphy- sik und Materialforschung des HZDR zieht es ihn weiterhin an seinen früheren Arbeitsplatz. Der erfahrene Wissenschaftler beteiligt sich dort an der Optimierung von Implantations- und Halbleitertechnologien. Auch mit KETEK verbindet ihn eine lan- ge Geschichte: „Schon Anfang der 1980er Jahre habe ich den Firmengründer Josef Kemmer kennengelernt. Damals haben wir nämlich an ähnlichen Technologien zur Herstellung von Silizium- Detektoren geforscht. Nach der Gründung seiner Firma KETEK 1989 kam es rasch zu einer Zusammenarbeit mit unserem Forschungszentrum in Dresden. Und die hält bis heute an.“ Die von KETEK gefertigten Silizium-Photomultiplier werden auch bereits am HZDR getestet: An der ELBE – dem Zent- rum für Hochleistungs-Strahlenquellen – wollen Dresdner Wissenschaftler herausfinden, wie solche Sensoren beim Nachweis von Neutronen helfen könnten. Darüber hinaus bieten die KETEK-Sensoren auch Vorteile für den Einsatz in der Medizintechnik, denn sie werden nicht von Magnetfeldern beeinflusst. Deshalb eignen sie sich gut als Detektoren für kombinierte bildgebende Verfahren. Die starken Felder eines Magnetfeld-Resonanz-Tomographen (MRT) waren hier bislang ein Hindernis. Mit den neuen Photomultipliern kann man nun viel einfacher einen MRT mit einem Positronen-Emissions- Tomographen kombinieren. Und auch bei der derzeit am HZDR erforschten Gamma-Kamera zur Überwachung der Protonen- Krebstherapie kommen Silizium-Detektoren vergleichbarer Bauart zum Einsatz. Photoelektrischer Effekt Bei diesem Effekt wird ein Elektron durch die Wechselwirkung eines Lichtteilchens mit Materie aus einer Bindung herausgelöst. Die in Halbeitern auftretende Art des Effekts wird innerer Photo- effekt genannt: Hierbei können Elektronen einen elektrischen Strom verursachen. Es kommt zur Um- wandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Dieser photoelektrische Effekt wird beispielsweise auch bei Solarzellen genutzt. KONTAKT _HZDR Innovation GmbH Dr. Bernd Schmidt bernd.schmidt@hzdr.de www.hzdr-innovation.de SIGNAL: Experimente mit Elektronen an der ELBE dienen dem Ziel, bessere Detektoren herzustellen. Bild: Matthias Rietschel _KETEK GmbH Dr. Reinhard Fojt reinhard.fojt@ketek.net www.ketek.net

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