Weltweit konkurrenzloser Sensor aus hochreinem Silizium

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Neuartige selbstverstärkende Sensoren spüren hochpräzise den Ort von Photonen auf. Hergestellt werden die kleinen Wunder aus 1000-fach reinerem Silizium als herkömmliche Transistoren oder Speicherchips.

Ein hochempfindlicher Sensor zur präzisen Vermessung von Teilchenspuren soll Kollisionen von Elektronen und deren Antiteilchen, den Positronen, aufzeichnen. Mit diesen Experimenten gehen Wissenschaftler der Frage nach, warum es im heutigen Universum kein nennenswertes Vorkommen von Antimaterie gibt.

Um die Zerfallspuren der produzierten schweren Mesonen und deren Antiteilchen auszuwerten, ist die präzise Vermessung des Zerfallsortes – auch als Vertex bezeichnet – entscheidend. Zuständig für die Messungen ist der jetzt fertiggestellte, wegen seiner Eigenschaften weltweit konkurrenzlose Teilchensensor.

Hergestellt aus 1000-fach reinerem Silizium als herkömmliche Transistoren oder Speicherchips, integriert das Modul auf einer Fläche von acht Quadratzentimetern 200.000 DEPFET-Pixelzellen. DEPFET steht für für Depleted p-channel Field Effect Transistor. Er wurde am Halbleiterlabor (HLL) der Max Planck-Gesellschaft (MPG) erfunden und wird ausschließlich dort gefertigt.

Das DEPFET-Bauteil erlaubt den Nachweis von Photonen oder, so wie hier, von hochenergetischen Teilchen mit höchster Effizienz und Präzision. Der grundlegende Prozess ist dem, der in herkömmlichen Foto- oder Videokameras abläuft, sehr ähnlich. Jedoch ist das primäre Signal beim Nachweis von einzelnen Photonen oder Teilchen sehr viel kleiner.

Selbstverstärkender Teilchensensor

Hier kommt der große Vorteil des DEPFET zum Tragen: Das sehr kleine primäre Signal wird in dem Teilchensensor selbst verstärkt. Der DEPFET ist somit das Sensormaterial und die erste Verstärkerstufe in Einem. Durch die Anordnung vieler DEPFETs zu einer Matrix entsteht ein Bildsensor, mit dem man den Entstehungsort eines Teilchens mit einer Genauigkeit von etwa einem Hundertstel eines Millimeters bestimmen kann.

Die Ansteuerung der Pixel in einer Matrix und die schnelle Verarbeitung des DEPFET-Signals erfordert zusätzliche Elektronik, die in Kollaboration mit deutschen Universitäten entstanden ist. Diese Elektronik wird in Form von anwenderspezifischen Schaltkreisen (ASICs) direkt auf das Sensorsubstrat aufgebracht. Mit den ASICs lassen sich die Signale der Pixelmatrix digitalisieren und die Datenmenge verlustfrei reduzieren, um sie in höchster Geschwindigkeit (50.000 Bilder pro Sekunde) zu übertragen.

Komplexe Elektronik auf haarfeiner Siliziumfolie

Die DEPFET Matrix wird dadurch zu einem sehr komplexen Modul mit maximaler Integrationsdichte, das trotz aller Komplexität extrem dünn und leicht ist, um die Messung der Teilchenspuren nicht durch das Sensormaterial selbst zu verfälschen.

Die Technologie erlaubt es, extrem dünne und hoch integrierte Sensormodule herzustellen. Der sensitive Teil des Moduls, die DEPFET Matrix, wird dabei durch angepasste Ätzverfahren auf 75 Mikrometer verdünnt, was der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.

Ein monolithisch integrierter Rahmen mit der Auslese- und Steuerelektronik unterstützt die an sich biegsame „Folie“ aus Silizium. Die dünnen DEPFET Matrizen können zylinderförmig ohne jede weitere Unterstützung um den Wechselwirkungspunkt des Experiments angeordnet werden.

Teilchensensor (Bild: MPG)

Hochpräziser Teilchensensor mit komplexer Elektronik auf haarfeiner Siliziumfolie. (Bild: MPG).