Puolijohdeilmaisimien kehitystyö ja tutkimus Fysiikan tutkimuslaitoksella

Puolijohteista valmistettuja ilmaisimia käytetään monilla eri elämän, yhteiskunnan, tieteen ja teollisuuden osa-alueilla. Tähän on monia syitä. Ehkäpä merkittävin tekijä on se, että puolijohdeilmaisimia, erityisesti piistä valmistettuja ilmaisimia, voidaan valmistaa suuressa mittakaavassa mikroelektroniikkateollisuuden erittäin kehittyneillä valmistusmenetelmillä. Näin yhden ilmaisimen yksikkökustannukset jäävät suhteellisen mataliksi. Ammattislangilla puolijohdeilmaisimia kutsutaan usein detektoreiksi tai sensoreiksi, mikä juontuu englannin kielen sanoista ”semiconductor detector / sensor”. Esimerkiksi kännykkäkameran kuvakennoa voidaan pitää eräänlaisena ilmaisimena.

Fysiikan tutkimuslaitoksella (HIP) on pitkät perinteet säteilynilmaisimien tutkimuksesta, kehittämisestä ja soveltamisesta. Akateemisena tutkimuslaitoksena kiinnostuksenkohteemme detektoritutkimuksessa ovat luonnollisesti tieteellisiä. Varmaan jokainen meistä on ottanut kännykkäkameralla tärähtäneitä kuvia, ja näin tapahtuu helposti etenkin huonoissa valaistusolosuhteissa. Tämä johtuu siitä että kännykän valokenno mittaa näkyvää valoa hyvin tarkasti, mutta tämäntyyppinen ilmaisin on perustavanlaatuisilta ominaisuuksiltaan hidas, vaikkakin halpa. Yksikköhinnaltaan muutamia kymmeniä euroja tai dollareita. Siksi onkin selvää, ettei  tämänkaltaista ilmaisinta voida käyttää esimerkiksi CERN:in Large Hadron Collider (LHC)-kiihdyttimen koeasemilla mittaamaan protonisuihkujen törmäyksissä syntyvien alkeishiukkasten ratoja. LHC on rakennettu tuottamaan erittäin harvinaisia alkeishiukkasten hajoamistapahtumia, ja protonisuihkuja pitää näin ollen törmäyttää 40 miljoonaa kertaa sekunnissa. Vertailun vuoksi, hyvänlaatuinen videokamera tuottaa noin 40 kuvaa sekunnissa.

HIP:sä ilmaisimiin liittyvää tutkimusta tehdään CMS Upgrade -projektin puitteissa. CMS tulee sanoista Compact Muon Solenoid ja se on yksi LHC -kiihdyttimen suurista koeasemista. Ryhmässämme on noin kymmenen tutkijaa, jotka sijoittuvat akateemisen urapolun eri vaiheille: gradu- ja diplomityön tekijöitä, tohtorikoulutettavia, tutkijatohtoreita (englanniksi postdoc)  sekä vanhempia tieteenharjoittajia. Ryhmämme on erittäin kansainvälinen. Suomalaisten lisäksi tutkijamme edustavat viittä eri kansallisuutta. Kansainvälisyys on muutenkin työllemme leimaa antavaa. CERN:in lisäksi teemme tiivistä tutkimusyhteistyötä muun muassa esimerkiksi Paul Scherrer Instituutin (PSI, Sveitsi), Ruđer Bošković Instituutin (RBI, Kroatia), DESY:n (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Saksa) ja Ioffe Instituutin (PTI, Venäjä) kanssa. Lisätietoa toiminnastamme ja tieteellisistä julkaisuistamme on löydettävissä verkkosivuiltamme.

Keskeinen tutkimuslinjamme on piistä valmistettujen ilmaisimien säteilynkeston (englanniksi radiation hardness) parantaminen. CMS:llä sekä muilla LHC -kiihdyttimen koeasemilla mitataan protonitörmäyksissä syntyneiden alkeishiukkasten ratoja piistä valmistetuilla nk. jälki-ilmaisimilla. Lähes valon nopeaudella lentävä hiukkanen menettää osan kineettisestä energiastaan läpäistessään detektorin, ja tästä syntyy puolijohteessa sähköinen varaus eli mitattavissa oleva signaali. Osa näiden mitattavien hiukkasten energiasta kuitenkin vaurioittaa puolijohteen herkkää kiderakennetta ja näin syntyy peruuttamaton säteilyvaurio. Tämä on hieman sama asia kuin että television kuva alkaisi vähitellen muuttua yhä rakeisemmaksi lopulta häviten kokonaan. CMS Upgrade -projekti on 2000 luvun alusta lähtien tehnyt tutkimustyötä ja kehitystä ilmaisimien säteilynkesto-ongelmien ratkaisemiseksi. Erityisenä mielenkiinnon kohteenamme on Atomikerroskasvatus (Atomic Layer Deposition, ALD) -teknologian soveltaminen säteilynilmaisimissa. ALD on 1970 -luvulla kehitetty suomalainen innovaatio, joka nykyään on laajasti käytössä mm. aurinkopaneeliteollisuudessa ja kulutuselektroniikkaa (muistipiirejä, mikroprosessoreita yms. ) valmistavassa mikroelektroniikkateollisuudessa. ALD -tekniikan kehittäjä ja pioneeri TkT Tuomo Suntola palkittiin vuonna 2018 Millenium Prize -palkinnolla. ALD -menetelmällä voidaan toteuttaa hyvin suuria kapasitanssi- ja resistanssitiheyksiä, mistä on merkittävää hyötyä myös säteilynilmaisimien kehitystyössä. Nykyisin käytössä olevien ilmaisimien signaalia keräävien elektrodien etäisyys on tyypillisesti 80-150 mikrometriä (μm) . Tulevaisuudessa, detektoreihin kuitenkin kohdistuu enemmän ja enemmän säteilyä LHC-kiihdyttimen toimiessa yhä tehokkaammin ja siten myös säteilyvauriot piin kiderakenteessa lisääntyvät.   Johtuen lisääntyneistä säteilyvaurioista, signaalia voidaan tällöin kerätä arviolta ainoastaan 30-50 μm:n matkalta, koska säteilyvauriot ikään kuin syövät signaalia. On siis pakko suunnitella detektorit siten, että elektrodien fyysinen etäisyys (alla olevassa kuvassa termi “pitch”) on vähintään puolta pienempi kuin nykyisten ratkaisujen. Tähän nimenomaan ALD -tekniikka antaa uusia mahdollisuuksia. Oheisessa kuvassa on hiljattain valmistamme pikselidetektori joka on prosessoitu ryhmämme toimesta Micronova Nanofabrication keskuksessa Espoon Otaniemessä.


Mikroskooppikuvassa näkyvän detektorin pikselien (elektrodien) etäisyys on 50 μm ja kuvassa sinisenä näkyvä materiaali on ALD -menetelmällä kasvatettua 52 nanometrin paksuista alumiinioksidia (Al2O3). Uusimmat tuloksemme julkaisimme hiljattain pidetyssä Vienna Conference on Instrumentation 2019 -tapahtumassa. Ryhmämme esityksen piti tohtorikoulutettava Jennifer “Jenni” Ott, joka palkittiin esityksestään Best Poster Award -palkinnolla. Palkintojenjakotilaisuus tietysti ikuistettiin valokuvin.

(kuva julkaistu Vienna conference of instrumentation 2019 sivuilla osoitteessa https://vci2019.hephy.at/home/ )
Kuvassa Jenni on kolmas henkilö vasemmalta. Oikealla puolella laitimmainen herrasmies on professori Manfred Krammer, joka nykyisin toimii CERN:n kokeellisen fysiikan osaston johtajana. Toimensa ohella professori Krammer on myös Fysiikan tutkimuslaitoksen tieteellisen neuvottelukunnan (Scientific Advisory Board, SAB) jäsen. Jennin palkitun julisteen (poster) voi käydä katsomassa tästä linkistä.

Paikkaherkkien hiukkasilmaisimien säteilynkeston tutkimisen ja parantamisen lisäksi toinen ryhmämme tutkimuksen johtava ajatus on soveltaa hiukkasfysiikan ja perustutkimuksen kehitystyötä ja innovaatioita muillekin yhteiskunnan osa-alueille. Esimerkkeinä kiinnostavista  soveltamiskohteista ovat esimerkiksi lääketieteellinen kuvantaminen ja säteilysuojelu, erityisesti siihen liittyvä dosimetria eli henkilön saaman säteilyannoksen mittaus. Ryhmämme vahvuuksia ovat detektorien simulaatiot ja suunnittelu, ilmaisimien valmistaminen Micronovassa Espoossa, erilaiset sähköiset mittaukset ja laadunvarmistus sekä mikroliitostekniikka, joka on oleellinen osa prosessia, jolla detektorien mittaamat signaalit saadaan siirrettyä tietokoneelle ja edelleen laskentakeskuksiin data-analyysiä varten. Esimerkiksi, ylemmässä kuvassa oleva pikseli-ilmaisin liitetään lukupiiriin allaolevassa kuvassa näkyvien, halkaisijaltaan 25 μm juotosnystyjen avulla. Tästä liitosteknologiasta käytetään termiä “ Bump bonding”, pallomaisten juostosnystyjen mukaan.


Tällaista elektronimikroskoopilla kuvattua lukupiiriä käytetään CMS -kokeessa. Lukupiiri on  on PSI instituutin suunnittelema ja IBM:n kaupallisesti tuottama mikropiiri (ns. CMOS Read Out ASIC, ROC). ROC on perusperiaatteeltaan melkein kuin audio/stereo -vahvistin. Levysoittimen yhteydessä täytyy olla vahvistin, muuten musiikki ei kuulu, tai kuuluu erittäin huonosti. Musiikki voidaan tässä tapauksessa ajatella signaalina, joka täytyy vahvistaa, jotta sen voi kuulla korvalla. Hiukkasfysiikan ROC-mikropiirien tehtävä on pitkälti sama eli signaali vahvistetaan, jotta se voidaan lukea esim. tietokoneen avulla. Oleellinen ero kuitenkin on se, että ROC:ssa on 4160 pikseliä eli kanavaa, kun taas audiovahvistimessa on kaksi kanavaa eli vasen ja oikea kaiutin.

Puolijohdemateriaalina pii on erittäin herkkä ja kustannustehokas hiukkasten ratojen mittaamiseen tai valon ihmissilmälle näkyvien aallonpituuksien ilmaisemiseen. Esimerkiksi lähes kaikki aurinkopaneeleissa olevat aurinkokennot on valmistettu piistä. Lääketieteellisessä kuvantamisessa tai syöpähoidoissa käytettävissä terapioissa kuitenkin käytetään suurenergisiä fotoneita eli röntgensäteilyä (englanniksi X-ray). Tällaisille fotoneille pii on lähes yhtä läpinäkyvää kuin ikkunalasi auringonvalolle. Säteilynilmaisimen toimintaedellytys on, että mitattava säteily absorboituu puolijohdemateriaalissa. Eräs tällainen puolijohdemateriaali, johon röntgensäteet absorboituvat,  on kadmiumtelluridi (CdTe). Viime aikoina ryhmämme on aktiivisesti tutkinut ja valmistanut CdTe pikseli-ilmaisimia, jotka on liitetty CMS-kokeessakin käytettyyn digitaaliseen lukupiiriin. Tätä lääketieteeseen ja säteilynsuojeluun tiiviisti liittyvää tutkimusta on rahoittanut Suomen Akatemia “Säteilyilmaisimet terveyden ja turvallisuuden edistämiseksi” (RADDESS) 2018-2021 -ohjelman puitteissa. CdTe on kuitenkin piihin verrattuna hyvin vaikea materiaali ja erityisesti sen prosessointi valmiiksi ilmaisimeksi on erittäin haastavaa. Esimerkiksi CdTe:in ei voida tehdä signaalia kerääviä pn-liitoksia kuten piihin ja useisiin muihin puolijohteisiin. Ryhmämme on tutkinut CdTe:in perusominaisuuksia mm. Transient Current Technique (TCT) menetelmällä.

Oheinen GIF animaatio visualisoi signaalin muodostumisen CdTe X-ray detektorissa ja samalla havainnollistuu materiaalin merkittävä epähomogeenisuus, mikä on yksi kriittisistä ongelmista tämän materiaalin kanssa. Jos ilmaisimen eri osassa signaalia muodostuu eri määrä, myös kuvan laatu vaihtelee. Tämä voi pahimmillaan tarkoittaa sitä, että jokin kriittinen osa kuvaa on huonompi, ja sen takia jää esimerkiksi alkava syöpäkasvain huomaamatta.  Mittauksen ja siihen liittyvän datan analyysin on tehnyt FT Matti Kalliokoski, joka työskentelee tällä hetkellä yhteistyökumppanimme Ruđer Bošković instituutin palveluksessa.

Micronova -keskuksessa olemme valmistaneet useita CdTe pikseli-ilmaisimia, jotka on myöhemmin liitetty ROC -lukupiireihin. Nk. kenttätestejä aitoa sairaalaympäristöä jäljittelevässä ympäristössäolemme tehneet jyhteistyössä Säteilyturvakeskuksen (STUK) kanssa. Tuloksista voi lukea yllä olevasta linkistä verkkosivuillemme.


Kuvassa on 1 cm2 kokoinen CdTe pikseli-ilmaisin  ryhmämme tohtorikoulutettavan Akiko Gäddan sormen päällä. Edellisen kerran esittelimme CdTe X-ray detektoreihin liittyviä  tuloksiamme Japanissa, Okinawan saarella järjestetyssä 11th International “Hiroshima” Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking detectors (HSTD11) konferenssissa joulukuussa 2017. Akiko Gäddan poster-esityksen voi katsoa tästä linkistä.

Panja Luukka & Jaakko Härkönen

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *