DE102008048303B3 - Strahlungswandler, Strahlungsdetektor und Strahlungserfassungsgerät - Google Patents

Strahlungswandler, Strahlungsdetektor und Strahlungserfassungsgerät Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Strahlungswandler (8) mit einer Wandlerschicht (9) zur direkten Wandlung von Röntgen- (R) und/oder Gammastrahlung in elektrische Ladungen und mit einer Vielzahl an Pixelelektroden (11), welche auf einer Wandlerschicht (9) abgewandten Seite jeweils eine Lotbenetzungsfläche (19) aufweisen. Um qualitativ besonders hochwertige Lotverbindungen mit den Pixelelektroden (11) sicherzustellen ist die laterale Erstreckung der Lotbenetzungsfläche (19) jeweils kleiner als die laterale Gesamterstreckung der jeweiligen Pixelelektrode (11) und in lateraler Richtung durch ein Lotstoppmaterial (17) begrenzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft insbesondere einen sog. direkt konvertierenden Strahlungswandler, d. h. einen Strahlungswandler mit einer Wandlerschicht zur direkten Wandlung von Röntgen- und/oder Gammastrahlung in elektrische Ladungen. Auf einer Wandlerschichtoberfläche ist eine Vielzahl an Pixelelektroden angeordnet, durch welche einzelne Pixel bzw. Bildpunkte des Strahlungswandlers definiert werden.
  • Über die Pixelelektroden können die elektrischen Ladungen in Form elektrischer Signale abgegriffen werden.
  • Üblicherweise werden die Pixelelektroden in einem Lötprozess direkt mit einer Auswerteelektronik, beispielsweise einem ASIC (Anwendungsspezifische elektronische Schaltung), verbunden. Dazu wird auf die Pixelelektroden zunächst ein Lotdepot, z. B. in Form von Lotkugeln oder durch Bedrucken, aufgebracht. Dann wird die Auswerteelektronik aufgesetzt und Signaleingangskontakte der Auswerteelektronik werden mit den Pixelelektroden verlötet.
  • Damit eine effektive Erfassung der Röntgen- oder Gammastrahlung möglich ist, sind insbesondere an die Lötverbindungen zwischen Pixelelektroden und Signaleingangskontakten hohe Anforderungen im Hinblick auf mechanische und elektrische Qualität und Zuverlässigkeit gestellt. Bei dem aus der WO 2006/018767 A2 bekannten direkt konvertierenden Strahlungswandler wird die elektrische Verbindung zwischen den Pixelelektroden und den Signaleingangskontakten beispielsweise mittels einer elektrisch leitfähigen Membran hergestellt, welche elastisch ausgeführt ist, so dass eine störungsfreie Kontaktierung auch bei Temperaturschwankungen oder bei Beschleunigungen durch Rotation einer den Strahlenwandler tragenden Gantry in einem CT-Gerät gegeben ist.
  • Von entscheidender Bedeutung ist dabei nicht nur der Aufbau der Pixelelektroden, die sog. UBM (engl. Under Bump Metallization), sondern auch weitere Faktoren wie laterale Ausdehnung der Pixelelektroden und deren Abstand, sowie der Abstand zwischen Pixelelektroden und den Signaleingangskontakten spielen eine wesentliche Rolle.
  • Allerdings sind die genannten weiteren Faktoren in der Regel technisch bedingten Randbedingungen unterworfen, und können nicht ohne weiteres frei verändert werden. Beispielsweise ist die jeweils optimale Größe der Pixelelektroden u. a. abhängig von der gewünschten Ortsauflösung, der Quantenflussrate und der Leistungsfähigkeit der Auswertelektronik. Der Abstand zwischen Pixelelektroden und Signaleingangskontakten, der zur Vermeidung unnötiger parasitärer Widerstände und zugunsten eines besonders vorteilhaften Signal-zu-Rauschverhältnisses besonders klein sein sollte, wird unter anderem bestimmt durch das verwendete Lötverfahren, beispielsweise durch den Durchmesser auf die Pixelelektroden aufgebrachter Lotkugeln.
  • Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen direkt konvertierenden Strahlungswandler bereitzustellen, welcher Pixelelektroden aufweist, die in mechanischer und elektrischer Hinsicht qualitativ besonders hochwertige und zuverlässige Lotverbindungen ermöglichen. Ferner sollen ein Strahlungsdetektor und ein Strahlungserfassungsgerät bereitgestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 17 und 18. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Strahlungswandler zur direkten Wandlung von Röntgen- und/oder Gammastrahlung in elektrische Ladungen. Der Strahlungswandler umfasst eine Wandlerschicht und auf einer Wandlerschichtoberfläche eine Vielzahl an Pixelelektroden. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass Elemente oder Bestandteile der Pixelelektroden in die Wandlerschicht hineinreichenden, was im Weiteren jedoch nicht weiter thematisiert wird.
  • Die Pixelelektroden weisen auf der Wandlerschicht abgewandten Seite jeweils eine durch eine Oberfläche eines Lotbenetzungsmaterials ausgebildete Lotbenetzungsfläche auf. Zweck des Lotbenetzungsmaterials, und damit der Lotbenetzungsfläche, ist es, eine für ein jeweils verwendetes Lotmaterial benetzende Kontaktfläche bereitzustellen, über welche eine elekt risch leitende Lotverbindung mit einem korrespondierenden Signaleingangskontakt eines der Signalverarbeitung dienenden elektronischen Bauelements hergestellt werden kann.
  • Indem die Lotbenetzungsfläche jeweils an der Wandlerschicht abgewandten Seite der Pixelelektroden ausgebildet ist, kann das Lotmaterial, beispielsweise durch Bekugeln oder Screen-Printing, d. h. durch Aufdrucken des Lotmaterials unter Verwendung einer Schablone, unmittelbar aufgebracht werden.
  • Die räumlich laterale Erstreckung einer jeden Lotbenetzungsfläche, d. h. die räumliche Erstreckung in einer Richtung parallel zur Wandlerschichtoberfläche, ist jeweils kleiner als die laterale Gesamterstreckung der jeweiligen Pixelelektrode.
  • Jede Pixelelektrode weist ferner ein Lotstoppmaterial auf, welches lateral an die jeweilige Lotbenetzungsfläche angrenzt. Dabei soll der Begriff ”Angrenzen” insbesondere die Fälle umfassen, bei welchen das Lotstoppmaterial lateral allseitig oder lediglich abschnittsweise an der Lotbenetzungsfläche vorgesehen ist.
  • Unter einen Lotstoppmaterial soll ein Material verstanden werden, welches nicht mit einem zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen den Pixelkontakten und Signaleingangskontakten eines der Signalverarbeitung dienenden elektronischen Bauelements verwendeten Lotmaterials legiert. Insoweit kann ein Auslaufen bzw. Verlaufen des Lotmaterials in lateraler Richtung zumindest dort vermieden werden, wo Lotstoppmaterial an die Lotbenetzungsfläche angrenzt. Die Lötverbindung wird insoweit in lateraler Richtung auf die Lotbenetzungsfläche beschränkt, was der mechanischen und elektrischen Qualität zuträglich ist.
  • Dadurch, dass die Lotbenetzungsfläche in lateraler Richtung kleiner als die jeweilige Gesamterstreckung der Pixelelektrode ist und die Lotbenetzungsfläche zumindest abschnittsweise durch das Lotstoppmaterial begrenzt ist, kann erreicht wer den, dass die Lotverbindung zwischen Pixelelektrode und Signaleingangskontakten im Wesentlichen unabhängig von der lateralen Erstreckung der jeweiligen Pixelelektrode ist. Das bedeutet, dass die Lötverbindung im Wesentlichen unabhängig von der lateralen Gesamterstreckung der Pixelelektroden optimiert werden kann. Insbesondere ist es möglich, den Abstand zwischen Lotbenetzungsflächen und Signaleingangskontakten dahingehend zu optimieren, dass eine Beeinträchtigung der Signalqualität durch parasitäre Widerstände und Erhöhung des Signalrauschens verringert werden kann. Ferner kann durch Beschränkung der legierungsfähigen Fläche durch das Lotstoppmaterial eine deutlich verbesserte Formstabilität eines auf die legierungsfähige Fläche, d. h. die Lotbenetzungsfläche, aufgebrachten Lotdepots erreicht werden. Die Gesamtheit der vorgenannten Vorteile und vorteilhaften Wirkungen führt dazu, dass elektrisch und mechanisch besonders hochwertige und zuverlässige Lotverbindungen hergestellt werden können.
  • Für den Fall, dass die Erstreckung der Lotbenetzungsflächen jeweils in allen lateralen Richtungen kleiner ist als die Gesamterstreckung der jeweiligen Pixelelektroden, ist es von besonderem Vorteil, wenn das Lotstoppmaterial derart vorgesehen ist, dass die Lotbenetzungsflächen vom Lotstoppmaterial eingegrenzt, d. h. lateral von Lotstoppmaterial umgeben, sind. Dadurch kann ein Auslaufen bzw. ein Verlaufen des Lotmaterials in allen lateralen Richtungen eingedämmt werden. Einhergehend damit kann die Formstabilität des Lotmaterials verbessert werden, was sich Vorteilhaft auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Lotverbindung auswirkt.
  • Für die relative Lage von Lotstoppmaterial zu Lotbenetzungsmaterial gibt es verschiedene Möglichkeiten. Unter anderem besteht eine Möglichkeit darin, dass das Lotstoppmaterial bei jeder Pixelelektrode eine separate Lotstoppschicht ausbildet. In diesem Fall kann Lotstoppschicht eine über die laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode verlaufende, zusammenhängende Schicht ausbilden. Auf diese Lotstoppschicht kann Wandlerschicht abgewandt jeweils das Lotbenetzungsmaterial, beispielsweise in Form einer Lotbenetzungsschicht, aufgebracht sein/werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Lotstoppmaterial und das Lotbenetzungsmaterial einer jeden Pixelelektrode in einer, sich vorzugsweise über die laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode erstreckenden, Kombinationsschicht angeordnet sind. Dabei bilden das Lotbenetzungsmaterial und das Lotstoppmaterial einzelne Abschnitte der Kombinationsschicht aus. Weitere, im Rahmen der Erfindung liegende Möglichkeiten sind denkbar, wobei insbesondere auf die Ausführungsbeispiele verwiesen wird. Bei den zwei genannten Möglichkeiten kann ein Auslaufen des Lotmaterials über die Lotbenetzungsfläche hinaus durch das Lotstoppmaterial vermieden werden.
  • Abgesehen von Schichten, die durch das Lotstoppmaterial und/oder das Lotbenetzungsmaterial ausgebildet werden, können die Pixelelektroden einen Schichtaufbau mit weiteren Schichten aufweisen. Beispielsweise können die Pixelelektroden unmittelbar auf der Wandlerschichtoberfläche eine Haftschicht aufweisen, um eine verbesserte mechanische und elektrische Verbindung zwischen Pixelelektrode und Wandlermaterial zu vermitteln. Die Haftschicht kann zugleich die Funktion einer Barrierewirkung aufweisen, die verhindern soll, dass Materialien der Pixelelektroden in die Wandlerschicht diffundieren und umgekehrt, so dass die Wandlungseffizienz auf hohem Niveau gehalten werden kann. Unmittelbar auf der Haftschicht kann eine, sich vorzugsweise über die laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode erstreckende, Kontaktschicht aufgebracht sein. Der Zweck der Kontaktschicht besteht u. a. darin, einen guten Wärmekontakt bereitzustellen und eine gute elektrische Anbindung zu ermöglichen. Bei der Wahl mechanisch vergleichsweise weicher Materialien kann erreicht werden, dass, insbesondere innere, Verspannungen der Pixelelektroden entgegengewirkt werden kann. Davon abgesehen kann die Kontaktschicht bei geeigneter Materialwahl Eigenschaften aufweisen, welche einem Eindiffundieren oder Einlegieren von Pixelelektrodenmaterialien, insbesondere von Metallen, in die Wandlerschicht unterbinden. Damit kann vermieden werden, dass die Wandlungseffizienz der Wandlerschicht durch Eindiffundieren bzw. Einlegieren von Pixelelektrodenmaterialien herabgesetzt wird.
  • Zur Vermeidung von Beeinträchtigungen der Wirkungsweise des Lotstoppmaterials bzw. des Lotbenetzungsmaterials durch Einlegieren oder Eindiffundieren von Materialien oder Substanzen der Kontaktschicht kann es von Vorteil sein, wenn unmittelbar auf der Kontaktschicht eine Barriereschicht angeordnet ist. Zweck der Barriereschicht ist es also, das Eindiffundieren bzw. Einlegieren von Materialien oder Substanzen der Kontaktschicht in das Lotstoppmaterial bzw. das Lotbenetzungsmaterial zu unterbinden.
  • Eine besonders hohe Effektivität der Barriereschicht kann mit Schichtdicken, gemessen in Richtung des Schichtaufbaus der Pixelelektroden, d. h. senkrecht zur Wandlerschichtoberfläche, von 600 nm, vorzugsweise 100 nm, vorzugsweise 20 nm bis 1 μm erreicht werden.
  • Durch die Kontaktschicht und gegebenenfalls die Barriereschicht kann erreicht werden, dass der Schichtaufbau der Pixelelektroden und deren elektrische Leitfähigkeit, weitestgehend erhalten bleibt. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Zuverlässigkeit der Pixelelektroden in ihrer Funktion als Vermittler eines elektrischen Kontakts zwischen Wandlerschicht und Signaleingangskontakten erreicht werden. Das ist insbesondere erforderlich, um die jeweils erforderlichen elektrischen Anforderungen im Hinblick auf Signalbreite und Signal-zu-Rauschverhältnis zu gewährleisten.
  • Die Wandlerschicht kann aus einem, im Wesentlichen beliebigen, zur direkten Wandlung von Röntgen- und/oder Gammastrahlung geeigneten Halbleitermaterial hergestellt sein. Insbesondere kommen Halbleitermaterialien der Zusammensetzung Zn1-xCdxSe1-yTey mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 in Frage. Dabei bezeichnen Zn, Cd, Se und Te die Elemente Zink, Cadmium, Selen und Tellur. Solche Halbleitermaterialien eignen sich beson ders gut zur direkten Wandlung von Röntgen- und/oder Gammastrahlung.
  • Für die vorweg konkret genannten Halbleitermaterialien, und insbesondere für Strahlungswandler für die Röntgen-Computertomographie, haben sich für die Haftschicht als besonders vorteilhaft die Elemente Platin (Pt) und Titan (Ti) erwiesen, die insbesondere in einer Abfolge einzelner Schichten aus Pt oder Ti vorgesehen sein können. Für die Kontaktschicht hat sich das Element Gold (Au) als besonders vorteilhaft erwiesen. Insbesondere für die vorgenannten Elemente haben sich für die Barriereschicht als besonders vorteilhaft die Elemente Kupfer (Cu) und Titan (Ti) erwiesen, die beispielsweise in einer Abfolge von Schichten aus Cu und Ti angeordnet sein können.
  • Bei dem Lotstoppmaterial kann es sich insoweit um ein beliebiges Material handeln, als durch dieses eine Benetzung mit Lotmaterial verhindert werden kann, oder dieser zumindest erheblich entgegengewirkt. Erwähnt sei, dass es sich bei dem Lotstoppmaterial sowohl um elektrisch nicht leitfähige als auch um elektrisch leitfähige Materialien handeln kann. Als elektrisch leitfähiges Material kommt insbesondere das Element Nickel (Ni) in Betracht, bei welchem natürlich ausgebildete Oxidschichten benetzungsmindernd wirken. Das Element Ni ist insbesondere für zinnhaltige Lotmaterialien geeignet. Solche Lotmaterialien sind wegen ihres vergleichsweise geringen Schmelzpunkts, z. B. von weniger als 180°C, besonders gut geeignet für temperatursensitive Wandlermaterialien wie CdTe oder CdZnTe und ähnliche Halbleitermaterialien.
  • Als bevorzugtes Lotbenetzungsmaterial kommt das Element Gold (Au) nicht nur wegen vorteilhafter elektrischer Leitfähigkeitseigenschaften in Betracht. Zumindest für die meisten Lotmaterialien kann mit dem Element Gold als Lotbenetzungsmaterial eine sehr gute elektrische und mechanische Verbindung erreicht werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Lotbenetzungsmaterial eine Schicht ausbildet, dessen Dicke, gemessen in senkrechter Richtung zur Wandlerschichtoberfläche, zwischen 500 nm, vorzugsweise 100 nm, vorzugsweise 50 nm bis 1 μm, liegt.
  • Der Strahlungswandler kann ein der Signalverarbeitung dienendes elektronisches Bauelement mit einer der Anzahl der Pixelelektroden entsprechenden Anzahl an Signaleingangskontakten umfassen. Bei einem derartigen Strahlungswandler kann jeder Signaleingangskontakt mittels einer, vorzugsweise zinnhaltigen und im Wesentlichen nickelfreien, Lotverbindung mit jeweils einer durch das Benetzungsmaterial ausgebildeten Lotbenetzungsfläche elektrisch verbunden sein.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit zumindest einem Strahlungswandler nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Wegen Vorteilen und vorteilhaften Wirkungen des Strahlungsdetektors wird auf die Ausführungen zum ersten Aspekt der Erfindung verwiesen. Hervorgehoben werden soll insbesondere die hohe Zuverlässigkeit der Lotverbindungen, die sich unmittelbar auf den Strahlungsdetektor überträgt.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Strahlungserfassungsgerät, insbesondere ein Röntgen-Computertomografiegerät, umfassend einen Strahlungsdetektor nach dem zweiten Aspekt der Erfindung. Vorteile und vorteilhafte Wirkungen zum dritten Aspekt der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungen zum ersten und zweiten Aspekt der Erfindung.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch ein Röntgen-Computertomografiegerät als Beispiel eines Strahlungserfassungsgeräts;
  • 2 eine Schnittdarstellung eines Strahlungswandlers nach dem ersten Aspekt der Erfindung;
  • 3 einen Abschnitt des Strahlungswandlers der 2 mit einer aus Veranschaulichungszwecken vergrößert dargestellten Pixelelektrode einer ersten Ausgestaltung;
  • 4 einen Querschnitt einer Pixelelektrode einer zweiten Ausgestaltung;
  • 5 einen Querschnitt einer Pixelelektrode einer dritten Ausgestaltung und
  • 6 einen Querschnitt einer Pixelelektrode einer vierten Ausgestaltung.
  • In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente durchwegs mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu und Maßstäbe zwischen den Figuren können variieren. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung nachfolgend anhand der Röntgen-Computertomografie beschrieben.
  • 1 zeigt schematisch ein Röntgen-Computertomografiegerät 1, umfassend einen Patientenlagerungstisch 2 zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten 3. Das Röntgen-Computertomografiegerät 1 umfasst ferner eine Gantry 4, mit einem um eine Systemachse 5 in Azimutalrichtung drehbar gelagerten Röhren-Detektor-System. Das Röhren-Detektor-System wiederum umfasst eine Röntgenröhre 6 und einen dieser gegenüber liegend angeordneten Röntgendetektor 7.
  • Im Betrieb des Röntgen-Computertomografiegeräts 1 geht von der Röntgenröhre 6 Röntgenstrahlung R in Richtung des Röntgendetektors 7 aus und kann vom Röntgendetektors 7 erfasst werden. Zur Erfassung der Röntgenstrahlung R weist der Röntgendetektor 7 mehrere Strahlungswandler 8 auf.
  • 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Strahlungswandlers 8. Der Strahlungswandler 8 umfasst eine Wandlerschicht 9 zur direkten Wandlung der Röntgenstrahlung R in elektrische Ladungen. Die Wandlerschicht ist aus einem Halbleitermaterial der Zusammensetzung Zn1-xCdxSe1-yTey mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 hergestellt. Insoweit kann es sich bei dem Halbleitermaterial um CdTe oder um CdZnTe handeln.
  • Zur Erfassung der elektrischen Ladungen sind auf gegenüberliegenden Seiten der Wandlerschicht 9 Elektroden aufgebracht. Bei der in der Darstellung der 2 an der Oberseite der Wandlerschicht 9 angebrachten Elektrode handelt es sich um eine Flächenelektrode 10. Bei den in der Darstellung der 2 an der Unterseite der Wandlerschicht 9 angebrachten Elektroden handelt es sich um Pixelelektroden 11, die, was nicht explizit dargestellt ist, auf der Unterseite matrixartig verteilt angeordnet sind.
  • Die Pixelelektroden 11 bewirken eine Pixelierung der Wandlerschicht, d. h. eine fiktive Zergliederung der Wandlerschicht 9 in einzelne Bildpunkte. im Hinblick auf die Erfassung der Röntgenstrahlung R ermöglicht die Pixelierung eine ortsaufgelöste Erfassung der Röntgenstrahlung R.
  • Zwischen der Flächenelektrode 10 und den Pixelelektroden 11 ist im Betrieb des Strahlungswandlers 8 eine Spannung angelegt. Durch die Spannung werden die elektrischen Ladungen, bei welchen es sich wegen der aus einem Halbleitermaterial hergestellten Wandlerschicht um Elektronen und Löcher handelt, entsprechend ihres Ladungszustands zur Flächenelektrode 10 bzw. zu einer der Pixelelektroden 11 beschleunigt.
  • In der Regel ist die Spannung so gepolt, dass die Elektronen zu den Pixelelektroden 11 und die Löcher zur Flächenelektrode 10 beschleunigt werden. Die Flächenelektrode 10 bildet eine Gegenelektrode zu den Pixelelektroden 11 und muss nicht zwingend als Flächenelektrode ausgebildet sein.
  • Infolge der durch die Spannung bewirkten Ladungstrennung induzieren die elektrischen Ladungen elektrische Signale auf die Pixelelektroden 11.
  • Zur Verarbeitung oder Vorverarbeitung der elektrischen Signale weist der Strahlungswandler 8 ein elektronisches Bauelement 12, beispielsweise einen ASIC, auf.
  • Das elektronische Bauelement 12 umfasst eine der Anzahl und geometrischen Anordnung der Pixelelektroden 11 korrespondierende Anzahl an Signaleingangskontakten 13. Die Pixelelektroden 11 sind mit jeweils einem Signaleingangskontakt 13 über jeweils eine Lotverbindung 14 elektrisch leitend verbunden, so dass die elektrischen Signale an das elektronische Bauelement 12 übertragen werden können.
  • Für Wandlermaterialien wie CdTe und CdZnTe, bei welchen bei Temperaturen ab ca. 160°C eine Beeinträchtigung der Wandlungseffizienz zu erwarten ist, sind niedrig schmelzende Lotmaterialien, wie z. B. zinnhaltige Lotmaterialien, mit Schmelzpunkten unter 180°C von besonderem Vorteil.
  • Für die Qualität der Übertragung der elektrischen Signale an das elektronische Bauelement 12 sind u. a. Eigenschaften der Lotverbindungen 14 und der Pixelelektroden 11 von entscheidender Bedeutung. Dabei liegt der Erfindung u. a. die Erkenntnis zu Grunde, dass die, insbesondere mechanische und elektrische, Qualität der Lotverbindungen 14 und deren Zuverlässigkeit wesentlich durch die Eigenschaften der Pixelelektroden 11 mitbestimmt wird. Jedoch kann die Qualität der Lotverbindung für ein vorgegebenes Lotmaterial nur insoweit beeinflusst werden als dies über eine Anpassung und Optimierung des Aufbaus der Pixelelektroden 11 möglich ist.
  • Da das Lotmaterial, beispielsweise wegen temperaturempfindlicher Wandlermaterialien, nicht beliebig variiert werden kann, liegt der Ansatz darin, einen optimalen Aufbau der Pixelelektroden 11 bereitzustellen.
  • 3 zeigt einen Abschnitt des Strahlungswandlers der 2 mit einer – aus Veranschaulichungszwecken vergrößert dargestellten – Pixelelektrode 11 einer ersten Ausgestaltung. Die Pixelelektrode 11 der ersten Ausgestaltung weist, insbesondere unter dem Aspekt einer hohen mechanischen und elektrischen Qualität der Lotverbindungen 14, einen besonders vorteilhaften Aufbau auf, worauf im Folgenden näher eingegangen werden soll. Dabei wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einem Wandlermaterial der Zusammensetzung Zn1-xCdxSe1-yTey mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ausgegangen.
  • Die Pixelelektrode 11 weist, ausgehend von der Wandlerschicht 9, eine Haftschicht 15 aus Platin oder Titan oder einer Schichtabfolge derselben Elemente, eine Kontaktschicht 16 aus Gold, eine Lotstoppschicht 17 aus Nickel und eine Lotbenetzungsschicht 18 aus Gold auf. Die Funktionen der einzelnen Schichten sind wie folgt:
    Durch die Haftschicht 15 kann, durch Ausbildung eines Halbleiter-Metall-Kontakts, eine den jeweiligen Anforderungen gerecht werdende mechanische und elektrisch leitende Verbindung mit der Wandlerschicht hergestellt werden. Ferner kann durch die Haftschicht 15 zumindest weitgehend vermieden werden, dass eine Interdiffusion von Materialien der Pixelelektroden 11 und der Wandlerschicht 9 erfolgt. D. h. einer Diffusion und dgl. von Materialien der Pixelelektroden 11 in die Wandlerschicht 9 und ungekehrt kann entgegengewirkt werden.
  • Durch die Haftschicht 15 wird gleichzeitig die an der Wandlerschicht 9 gemessene laterale Gesamterstreckung einer Pixelelektrode 11 festgelegt. Hierbei soll bemerkt werden, dass die Größe der Bildpunkte der Wandlerschicht u. a. durch die laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode 11 und den Abstand benachbarter Pixelelektroden 11, auch bekannt als Pitch, beeinflusst wird.
  • Durch die Kontaktschicht 16 wird – zumindest weitestgehend – vermieden, dass Metalle in die Wandlerschicht 9 eindiffundieren bzw. einlegieren. Ein Eindiffundieren bzw. Einlegieren von Metallen in die Wandlerschicht 9, kann eine erhebliche Beeinträchtigung der Wandlungseffizienz nach sich ziehen. Des Weiteren kann durch die Kontaktschicht 16 eine besonders vorteilhafte elektrische Anbindung der Pixelelektrode 11 an die Wandlerschicht erreicht werden.
  • Die Lotstoppschicht 17 weist zumindest an ihrer frei liegenden Oberfläche eine durch natürliche Oxidation des Nickels ausgebildete Nickeloxidschicht auf. Diese Nickeloxidschicht verhindert, dass die Lotstoppschicht 17 von dem für die Lotverbindung 14 verwendeten Lotmaterial benetzt wird. Folglich kann ein laterales Auslaufen bzw. Verlaufen des Lotmaterials bei der Herstellung der Lotverbindung 14 vermieden werden.
  • Die Lotbenetzungsschicht 18 weist auf ihrer von der Wandlerschicht 9 abgewandten Seite eine Lotbenetzungsfläche 19 auf, die im Gegensatz zur Lotstoppschicht 17 vom Lotmaterial benetzt wird. Die Lotbenetzungsschicht 18 dient somit als Kontaktschicht zum Lotmaterial.
  • Im Gegensatz zur Haftschicht 15, Kontaktschicht 16 und Lotstoppschicht 17, ist die laterale Erstreckung der Lotbenetzungsschicht 18 kleiner als die laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode 11.
  • Durch das Zusammenwirken der Lotstoppschicht 17 und der Lotbenetzungsschicht 18, wird die Lotverbindung 14 lateral auf die Größe der Lotbenetzungsfläche 19 eingeschränkt. Es kann eine Art Selbstjustierung und Zentrierung der Lotverbindung 14 erreicht werden. Die Lotverbindung 14 ist also im Wesentlichen auf die Größe der Lotkontaktfläche 19 beschränkt, wobei mechanisch und elektrisch qualitativ besonders hochwertige und zuverlässige Lotverbindungen 14 erreicht werden können.
  • Beispielhaft erwähnt sei hier der Fall einer lateralen Gesamterstreckung der Pixelelektrode von 190 μm und einer lateralen Erstreckung der Lotbenetzungsschicht 18 bzw. der Lotbenetzungsfläche 19 von etwa 90 μm. Wird auf eine solche Lotbenetzungsfläche 19 eine Lotkugel mit etwa demselben Durchmesser, beispielsweise durch Screen-Printing oder Bekugeln aufgebracht, so kann zwischen Lotbenetzungsfläche 19 und Signaleingangskontakt 13 ein Abstand von unter 100 μm, beispielsweise im Bereich von ca. 90 μm, erreicht werden, wobei sich die Lotverbindung 14 nahezu über die gesamte Lotbenetzungsfläche 19 hinweg erstreckt. Der angegebene Abstand von weniger als 100 μm zwischen Lotbenetzungsfläche 19 und Signaleingangskontakten 13 ist von besonderem Vorteil, da parasitäre Widerstände verringert und eine Beeinträchtigung des Signal-zu-Rauschverhältnisses vermieden werden können.
  • Mit dem angegebenen Aufbau der Pixelelektroden 11 ist es möglich, dass die laterale Geometrie der Lotverbindungen 14 unabhängig von der lateralen Geometrie und Größe der Pixelelektrode 11 zu gestalten. Das bedeutet insbesondere einen größeren Gestaltungsfreiraum für die in der Regel vorgegebene Größe der Pixelelektroden 11. Ferner kann die laterale Geometrie der Lotbenetzungsschicht 18 unabhängig von der lateralen Geometrie der Pixelelektroden gewählt werden. Damit können die Lotbenetzungsflächen 19 im Wesentlichen unabhängig von der lateralen Geometrie der Pixelelektroden 11 an die Form der Signaleingangskontakte 13 angepasst werden. Für die Lotbenetzungsfläche 19 kommen kreisförmige Geometrien, rechteckige und quadratische Geometrien, jeweils auch mit abgerundeten Ecken, und jeweils geeignete, beliebige andere Formen in Betracht.
  • 4 zeigt einen Querschnitt einer Pixelelektrode 11 einer zweiten Ausgestaltung. Im Unterschied zur Pixelelektrode 11 der ersten Ausgestaltung umfasst die Pixelelektrode 11 der zweiten Ausgestaltung eine zwischen der Lotstoppschicht 17 und der Kontaktschicht 16 angeordnete Barriereschicht 20. Die Barriereschicht 20 kann beispielsweise aus Kupfer oder Titan, insbesondere aus einzelnen Schichten aus Cu oder Ti, hergestellt sein und eine Dicke von 100 nm bis 600 nm aufweisen. Zweck der Barriereschicht 20 ist es, ein Legieren des Lotmaterials mit der aus Gold hergestellten Kontaktschicht 16 zu vermeiden. So kann vermieden werden, dass der gewünschte Schichtaufbau der Pixelelektroden 11 durch Legierungsprozesse und dgl. maßgeblich verändert wird. Es kann ein in sich stabiler Aufbau der Pixelelektroden 11 erreicht werden, wodurch mit dem Aufbau angestrebte, vorteilhafte Signalbreiten und Signal-zu-Rauschverhältnisse erreicht werden können.
  • Hinsichtlich der Wirkungen der restlichen Schichten wird auf die Ausführungen zur ersten Ausgestaltung verwiesen, die im Falle der zweiten Ausgestaltung in analoger Weise gelten.
  • 5 zeigt einen Querschnitt einer Pixelelektrode 11 einer dritten Ausgestaltung. Im Vergleich zur zweiten Ausgestaltung weist die Pixelelektrode 11 der dritten Ausgestaltung Unterschiede im Bereich der Lotstoppschicht 17 und der Lotbenetzungsschicht 18 auf. Im vorliegenden Fall sind das Lotstoppmaterial und das Lotbenetzungsmaterial in einer einzelnen Kombinationsschicht 21 enthalten. Bei dieser Ausgestaltung ist ein besonders kompakter Aufbau der Pixelelektrode 11 möglich. Das Lotstoppmaterial ist nach Art eines lateral um das Lotbenetzungsmaterial umlaufenden Lotstopprings ausgebildet. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Lotstoppring in lateraler Richtung zumindest etwa halb so breit ist, wie die Erstreckung der durch das Lotbenetzungsmaterial ausgebildeten Lotbenetzungsfläche 19.
  • 6 zeigt einen Querschnitt einer Pixelelektrode 11 einer vierten Ausgestaltung. Bei der vierten Ausgestaltung erstrecken sich die Haftschicht 15 und die Kontaktschicht 16 über die laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode 11, während die Erstreckung der Barriereschicht 20 und der Lotbenetzungsschicht 18 in lateraler Richtung kleiner ist als die laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode 11. Das Lotstoppmaterial ist, ähnlich wie bei der dritten Ausgestaltung, als Lotstoppring ausgebildet, der sich im Unterschied zur dritten Ausgestaltung in Richtung des Schichtaufbaus der Pixelelektrode 11 sowohl über die Barriereschicht 20 als auch über die Lotbenetzungsschicht 18 erstreckt.
  • Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der Lotstoppring – in lateraler Richtung betrachtet – vom Rand der Pixelelektrode 11 beabstandet. Allerdings ist es auch möglich, dass der Lotstoppring bis an den Rand der Pixelelektrode 11 reicht. Bei der vierten Ausgestaltung ergeben sich durch Zusammenwirken des Lotstoppmaterials, d. h. des Lotstopprings, und der Lotbenetzungsschicht 18 die im Zusammenhang mit den vorangehenden Ausführungsbeispielen genannten Vorteile.
  • Die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele zeigen insbesondere, dass die Geometrie der Pixelelektrode in unterschiedlichster Weise ausgebildet, und in einfacher Weise an unterschiedlichste Anforderungen angepasst werden kann.
  • Insgesamt, und insbesondere durch die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele, wird deutlich, dass die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst wird.

Claims (18)

  1. Strahlungswandler (8) umfassend eine Wandlerschicht (9) zur direkten Wandlung von Röntgen- (R) und/oder Gammastrahlung in elektrische Ladungen und auf einer Wandlerschichtoberfläche eine Vielzahl an Pixelelektroden (11), welche auf ihrer der Wandlerschicht (9) abgewandten Seite jeweils eine durch eine Oberfläche eines Lotbenetzungsmaterials ausgebildete Lotbenetzungsfläche (19) aufweisen, deren laterale Erstreckung jeweils kleiner ist als die laterale Gesamterstreckung der jeweiligen Pixelelektrode (11), wobei jede Pixelelektrode (11) ein Lotstoppmaterial aufweist, welches in lateraler Richtung an die jeweilige Lotbenetzungsfläche (19) angrenzt.
  2. Strahlungswandler (8) nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Lotbenetzungsflächen (19) lateral durch das Lotstoppmaterial eingegrenzt sind.
  3. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Lotstoppmaterial jeweils eine Lotstoppschicht (17) ausbildet, auf welcher von der Wandlerschicht (9) abgewandt das jeweilige Lotbenetzungsmaterial, vorzugsweise schichtartig, aufgebracht ist.
  4. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Lotstoppmaterial und das Lotbenetzungsmaterial einer jeden Pixelelektrode (11) in einer Kombinationsschicht (21) angeordnet sind.
  5. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pixelelektroden (11) jeweils einen Schichtaufbau aufweisen, mit jeweils einer auf der Wandlerschichtoberfläche aufgebrachten Haftschicht (15) und einer darauf aufgebrachten Kontaktschicht (16).
  6. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pixelelektroden (11) jeweils einen Schichtaufbau aufweisen, mit jeweils einer auf der Wandlerschichtoberfläche aufgebrachten Haftschicht (15), einer darauf aufgebrachten Kontaktschicht (16) und einer darauf aufgebrachten Barriereschicht (20).
  7. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wandlerschicht (9) aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, vorzugsweise der Zusammensetzung Zn1-xCdxSe1-yTey mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1.
  8. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Haftschicht (15) aus Platin und/oder Titan, insbesondere einer Schichtabfolge aus Platin und Titan, hergestellt ist.
  9. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Kontaktschicht (16) aus Gold hergestellt ist.
  10. Strahlungswandler (8) nach Anspruch 6, wobei die Barriereschicht (20) aus Kupfer oder Titan hergestellt ist.
  11. Strahlungswandler (8) nach einem der Anspruche 1 bis 10, wobei es sich bei dem Lotstoppmaterial um ein elektrisch leitfähiges Material, vorzugsweise Nickel, handelt.
  12. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei es sich bei dem Lotstoppmaterial um ein elektrisch nicht leitendes Material handelt.
  13. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei es sich bei dem Lotbenetzungsmaterial um das Element Gold handelt.
  14. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 6 oder 7 bis 13 wenn abhängig von Anspruch 6, wobei die Barriereschicht (20) in Richtung des Schichtaufbaus eine Dicke von 600 nm, vorzugsweise 100 nm, vorzugsweise 20 nm bis 1 μm aufweist.
  15. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Lotbenetzungsmaterial eine Schicht ausbildet, welche in senkrechter Richtung zur Wandlerschichtoberfläche eine Dicke zwischen 500 nm, vorzugsweise 100 nm, vorzugsweise 50 nm bis 1 μm aufweist.
  16. Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend des Weiteren ein der Signalverarbeitung dienendes elektronisches Bauelement (12) mit einer der Anzahl der Pixelelektroden (11) entsprechenden Anzahl an Signaleingangskontakten (13), wobei jeder Signaleingangskontakt (13) mittels einer, vorzugsweise zinnhaltigen und im Wesentlichen nickelfreien, Lotverbindung (14) mit jeweils einer durch das Benetzungsmaterial ausgebildeten Lotbenetzungsfläche (19) elektrisch verbunden ist.
  17. Strahlungsdetektor (7), umfassend zumindest einen Strahlungswandler (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
  18. Strahlungserfassungsgerät, insbesondere Röntgen-Computertomografiegerät (1), umfassend einen Strahlungsdetektor (7) nach Anspruch 17.
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