Optische Detektoren sind heute allgegenwärtig: Sie stecken in Smartphones, Fahrzeugas­sis­­tenz­systemen und medizinischen Geräten. Industriell gefertigt ermög­lichen sie präzise Erfassung einzelner Lichtquanten und bilden die Grundlage vieler moderner Sensorsysteme. Doch während Massenprodukte auf hohe Stückzahlen und standardisierte Designs setzen, braucht die Industrie zunehmend individuell angepasste Lösungen. 

Am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS entstehen maßgeschneiderte digitale SiPMs, die speziell auf die Anforderungen moderner Industrie-, Medizin- und Forschungsanwendungen zugeschnitten sind. Mit seiner neuen SiPM-Technologieplattform schafft das Institut die Grundlage für die nächste Generation hochpräziser Photonendetektion.

»Unsere Plattform vereint jahrzehntelange Erfahrung in der Detektorentwicklung mit modernster 200-mm-Halbleiterfertigung«, erklärt Dr. Jennifer Ruskowski, Leitung Mobility am Fraunhofer IMS. »Damit können wir digitale und analoge SiPMs herstellen, die in Empfindlichkeit, Zeitauflösung und Robustheit neue Maßstäbe setzen und zugleich individuell auf den jeweiligen Einsatz zugeschnitten sind. So entstehen Lösungen, die von der Medizintechnik bis zur Fahrzeugautomation einen echten Unterschied machen.« 

Ein zentrales Anwendungsfeld sind Positron-Emissions-Tomographen (PET), die zur Erkennung von Tumoren, Metastasen oder in der Alzheimerforschung eingesetzt werden. Auch in der Kosmologie, Quantentechnologie oder Biodiagnostik, also überall dort, wo schwächste Lichtsignale bis hinunter zum einzelnen Photon detektiert werden müssen, eröffnen digitale SiPMs neue Möglichkeiten.

Maßgeschneiderte Photonenmessung mit industrieller Qualität

Die am IMS entwickelte Technologieplattform integriert Fotodioden und Ausleseelektronik (ASIC) in enger 3D-Struktur mittels Wafer-to-Wafer-Bonding. Mikro-Durchkontaktierungen (µTSVs) verbinden die Schichten direkt auf Pixelebene: ein quasi-monolithischer Aufbau, der besonders geringe Signalverluste und extrem präzises Zeitverhalten ermöglicht. 

Diese Kombination aus wissenschaftlicher Präzision und industrieller Fertigungstiefe ist einzigartig: Das Fraunhofer IMS betreibt eine 200-mm-CMOS-Fertigung mit Qualitätsmanagement und automatisiertem elektro-optischem Wafer-Test. Über 1 Million SiPMs wurden bereits für industrielle Kunden produziert und das mit den weltweit niedrigsten Dunkelzählraten von nur 180 kHz/mm².

Spitzentechnologie für industrielle Anwendungen 

»Mit unserer Plattform machen wir Spitzentechnologie für individuelle industrielle Anwendungen verfügbar«, ergänzt Ruskowski. »Wir wollen zeigen, dass präzise optische Detektion nicht nur etwas für Forschungslabore ist, sondern ein zentraler Enabler für die Industrie von morgen.« 

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