KMU-innovativ Entwicklung eines Herstellungsprozesses für Siliziumkarbid (SiC) Avalanche Photodioden (APD) für die UV-Flammen- und Feuerdetektion (SiC4Flame)

Problemstellung
In der Flammenüberwachung in Heizbrennern kann die UV-Strahlung der Flamme als eindeutiges Signal für die Aktivität des Brenners und zur Kontrolle des Verbrennungsvorgangs genutzt werden. Bisher werden zur Detektion der schwachen UV-Strahlung von Flammen technisch veraltete Gasentladungsröhren eines japanischen Herstellers verwendet. Ein Ersatz durch Siliziumkarbid (SiC)-Photodioden bietet große Vorteile in Hinblick auf die Haltbarkeit, Miniaturisierung, Bedienbarkeit und Kosten, jedoch mit dem bisherigen Nachteil einer geringeren Empfindlichkeit. Diese Aktivität befindet sich zudem im Kontext der aktuell gesellschaftlich relevanten Fragestellung der Energiewende. Alle Hersteller von Heizbrennern planen, bis 2025 erste serienreife reine Wasserstoff-Brenner (H2-Brenner) auf den Markt zu bringen, welche UV-Strahlungsdetektoren benötigen.

Zielsetzung
Im Rahmen des KMU-innovativ Projekts SiC4Flame soll eine SiC-basierte, sogenannte Avalanche Photodiode (APD) entwickelt und mittels der Herstellung von Prototypen evaluiert und optimiert werden. Die APD soll dabei den Photostrom durch den Lawineneffekt (engl. avalanche effect) verstärken und weist im Gegensatz zur einer herkömmlichen SiC-Photodiode eine deutlich höhere Empfindlichkeit auf. Mit einer solchen APD kann der große und attraktive Markt der UV-Feuererkennung erschlossen werden, welche als Flammenüberwachung in Heizbrennern den Einsatz finden sollen.

Vorgehensweise
Basierend auf einer Literaturstudie werden die notwendigen Eigenschaften einer SiC-APD erarbeitet und die dazugehörigen Spezifikationen festgelegt. Die APD wir mittels Computergestütztem Design (TCAD) modelliert und entwickelt, und die benötigten Fertigungsschritte, inklusive der notwendigen Charakterisierungen, festgelegt. Das Fertigungskonzept der APD wird in der Protypenfertigung umgesetzt und voll beschaltet zur Überprüfung der Empfindlichkeit von weiteren elektrischen Parametern, wie beispielsweise Photostrom und Verstärkungsfaktor, vermessen und iterativ angepasst.

Ergebnisse und Anwendungspotential
Der Markt der Wasserstoff-Flammenüberwachung wird zukünftig einen Bedarf von einigen 10.000 SiC-APDs pro Jahr haben, da im Zuge der Dekarbonisierung der Heizbrenner alle Brenner H2-tauglich gemacht werden müssen. Weitere Absatzgebiete sind die automatische Feuererkennung, z. B. bei Waldbränden, oder Chemolumineszenz-Messungen zur Detektion bestimmter Spurengase oder Verbindungen. Die Entwicklung neuer Prozesstechnologien schafft die Grundlage für die breitere Nutzung von SiC-Technologien für weitere KMU aus anderen Branchen und Anwendungen, wie z. B. in der Leistungselektronik und in der Medizintechnik.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• sglux SolGel Technologies GmbH