Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine hochsensitive Labordiagnostik, um geringste Probenmengen bei der Entwicklung von Pharmazeutika, für die medizinische Diagnostik und anderen „Life Sciences“ Forschungs- und Entwicklungsfeldern zu untersuchen. Zur Detektion des Fluoreszenzlichtes entwickelte ein Forschungsteam aus dem CiS Forschungsinstitut hochempfindliche rauscharme Blauviolett Avalanche Photodioden mit sehr geringem Rauschen. Avalanche Photodioden (APD) weisen durch die internen Verstärkungseffekte eine sehr hohe Empfindlichkeit für sehr schwache Lichtsignale auf. Am Markt verfügbare APD sind spektral für den grünen bis roten Spektralbereich ausgelegt. Für den blauen bis (ultra)violetten Bereich existieren bisher noch keine hocheffizienten und rauscharmen APDs. Zudem weisen blaue und violette Photonen eine deutlich kleinere Eindringtiefe in das Silizium auf. In konventionellen APD wird daher nur ein kleiner Teil der internen Verstärkungszone genutzt. Um dennoch blaues und violettes Licht messen zu können, wird eine überhöhte elektrische Vorspannungen benötigt, die wiederum ein erhöhtes Grundrauschen der Ausgangssignale verursacht. Die Folge sind ungünstige Signal-zu-Rausch-Verhältnisse der erfassten Signale, die Messzeiten erhöhen und/oder die Nachweisgrenzen des Messsystems begrenzen können.
Im Fokus des Projektes BVAPD stand eine technologische Entwicklung, die eine sehr flache oberflächennahe Verstärkungszone innerhalb des Siliziumbauelementes erzeugt. Schlüsselelement der Bauteilentwicklung war ein passgenau optimierter, für den angezielten Spektralbereich ausgelegter Verlauf der Verstärkungszone nahe der Oberfläche des Siliziums. Dazu wurde ein optimiertes Tiefenprofil von Fremdatomen (Dotierung) entworfen und realisiert, welches sowohl sehr flach und dennoch gleichzeitig spannungsfest ist. Auf diese Weise kann die Verstärkungszone auf den Bereich der tatsächlichen Lichteindringtiefe beschränkt werden und keine überhöhten Betriebsspannungen (im Vergleich zum Stand der Technik) mehr erforderlich sind. Zusätzlich wird die Quanteneffizienz durch eine technologische Optimierung dieser Konversionszone sowie einer Antireflexionsbeschichtung erhöht. Die Betriebsspannung wurde darüber hinaus durch eine geschickte Kombination von Maskenentwurf und Dotierung reduziert. Weiteres Rauschquellen wird durch eine Grabenstruktur um die aktiven Gebiete unterdrückt.
Die entwickelten BVAPDs mit moderaten elektrischen Betriebsspannungen (um 210 – 220 V) sind für den Spektralbereich von ca. 300 nm bis 550 nm (Maximum um 400 nm) geeignet und erreichen einen internen Verstärkungsfaktor deutlich über 100. Damit stehen Geräte- und Sensorentwicklern ein neuer Baustein zur Verfügung, mit dem lichtschwache Effekte (wie z.B. Fluoreszenz) messbar gemacht werden können.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Hochempfindliche rauscharme Blauviolett-APD“ (BVAPD) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
FKZ: 49MF200098
