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Die
Erfindung betrifft einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur
Verwendung in CT-Systemen, aufweisend ein zur Detektion verwendetes
Halbleitermaterial.
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Für die Detektion
von Gamma- und Röntgenstrahlung
werden, insbesondere in CT- und Dual-Energy-CT-Systemen, Szintillationsdetektoren
oder direktkonvertierende Halbleiterdetektoren verwendet. In den
Szintillationsdetektoren wird die einfallende Strahlung indirekt über die
Anregung von Elektronen und die Umwandlung in Photonen nachgewiesen. Dahingegen
sind die auf Halbleitermaterialien basierenden direktkonvertierenden
Detektoren in der Lage, einzelne Photonen zu zählen, folglich die Strahlung
direkt nachzuweisen. Zu diesen Halbleitermaterialien gehören Verbindungshalbleiter
mit hoher Kernladungszahl, wie zum Beispiel CdTe, CdZnTe, CdZnSe
und CdZnTeSe, aber auch Elementhalbleiter, wie zum Beispiel Ge,
welches eine besonders gute Energieauflösung bietet, oder Si, welches
aufgrund seiner Si-basierten Mikroelektronik besonders preisgünstig in
der Herstellung und Prozessierung ist.
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All
diese Materialien haben jedoch auch entscheidende Nachteile: Die
II-VI-Halbleiter des (Cd, Zn) (Te, Se)-Systems sind in der Regel
mechanisch empfindlich und vor allem besitzen die Löcher eine geringe
Ladungsträgerbeweglichkeit.
Die dadurch auftretende Polarisation verhindert, vor allem bei einer
für CT-Geräte notwendigen
hohen Flussdichte der Strahlung, deren Einsatz in der Praxis.
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Allgemein
wird unter Polarisation die Reduktion des elektrischen Feldes durch
ortsfeste Ladungen, die in der Regel an tiefe Störstellen gebunden sind, verstanden.
Diese tiefen Störstellen
können
die durch Strahlung erzeugten Ladungsträ ger einfangen und mit ihnen
rekombinieren, so dass eine deutlich geringere Intensität der Strahlung
suggeriert wird. Die Polarisation begrenzt also den maximal detektierbaren
Fluss eines direktkonvertierenden Detektors. Zusätzlich werden Elektron-Loch-Paare,
so genannte Exzitonen, an Dotanden oder Störstellen lokalisiert und gebunden
und tragen somit ebenfalls zur Reduktion der in Ladungsträger umgewandelten
detektierbaren Strahlung bei.
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Ge-basierte
Detektoren müssen
gekühlt
werden, da sie einen hohen Leckstrom aufgrund ihrer geringen Bandlückenenergie
besitzen. Dies schränkt die
Verwendung eines derartigen Materials, insbesondere bei CT-Geräten beim
Benutzer, aufgrund des erhöhten
Platzbedarfes und der höheren
Kosten stark ein.
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Si-basierte
Detektoren besitzen nur eine geringe Absorptionsstärke für hochenergetische
Strahlung, wie Röntgen-
oder Gammastrahlung. Dadurch wird die Konversionseffizienz, also
die Umwandlungsrate von Strahlung in elektrische Ladungen für eine definierte
Detektordicke, stark geschwächt.
Dies bedeutet, dass ein Si-basierter Detektor sehr viel dicker sein
müsste
als Detektoren aus Elementen oder Verbindungen mit höheren Kernladungszahlen,
da die Absorption zur dritten Potenz der Kernladungszahl des Detektormaterials
proportional ist. In der Praxis wäre es dann notwendig, sehr
viel größere Hochspannungen
an den Si-basierten Detektor zu legen, um derartig dicke Detektoren
zu betreiben. Das führt
zu zusätzlichen
Si-cherheits- und
Abschirmmaßnahmen
und damit zu einer deutlichen Kostensteigerung. Solche dicken Detektoren
hätten
weiterhin eine geringere laterale Auflösung zur Folge. Dies könnte durch
Kollimatoren auf dem Detektor zur Vermeidung von Streustrahlung
und durch hohe elektrische Felder, zur Vermeidung von ungerichteter
Ladungsträgerdiffusion
im Detektor, gesteuert werden. Problematisch wäre dann die große dafür benötigte Hochspannung
von 10 kV bis 100 kV. Die Materialkosten blieben für einen
derartigen Detektor wahrscheinlich trotz der Materialdicke aufgrund
des geringen Si-Preises noch un terhalb der Kosten für andere Halbleiter,
wie CdTe oder CdZnTe.
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Aus
den oben genannten Gründen,
wie Polarisation bei den II-VI-Halbleitern,
enormer Platzbedarf für
die Kühlung
von Ge-Halbleitern
oder hohe benötigte
Spannungswerte für
Si-basierte Detektoren, existieren noch keine direktkonvertierenden Strahlungsdetektoren
für hohe
Strahlungsdichten, wie sie zum Beispiel in der Computertomographie Anwendung
finden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung ein Material zu finden, welches
zur Detektion in einem direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor eingesetzt
werden kann, wobei ein derartiger Detektor für Hochfluss-Anwendungen, wie
zum Beispiel die Computertomographie, geeignet sein soll, und weder
zusätzliche
Kosten oder Platzbedarf erfordern soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass der Einsatz von Verbindungen aus Ga
und N als halbleitendes Detektormaterial in einem direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor
die bisher auftretenden Probleme, wie Polarisation und Überhitzung,
umgeht, also hohe Strahlungsdichten verlustfrei detektieren kann
und keine Kühlung,
also mehr Platz, erfordert. Um eine effizientere Strahlenkonversion
zu erreichen, ist weiterhin der Einsatz von InGaN halbleitendes
Detektormaterial möglich.
Da InN eine Bandlückenenergie
von 0,7 eV bei Raumtemperatur aufweist und ein derartiger Detektor
einen sehr hohen Leckstrom besäße, kann
die Komposition der ternären
Verbindung so gewählt
werden, dass die Bandlückenenergie
mindestens 1 eV beträgt.
Dies kann entweder durch Reduktion des Indium- oder Erhöhung des
Ga-Anteils erreicht werden. Beträgt
der In-Anteil an der Metallkomponente des InGaN 0% bis 40%, so dominiert
der niedrige Leckstrom bei gleichzeitig verbesserter Konversion
mit zunehmendem Indiumanteil. Erhöht man den In-Anteil auf 40% bis 80%,
so steigt zwar der Leckstrom etwas an, ist jedoch immer noch sehr
niedrig, ähnlich
wie CdZnTe. Gleichzeitig steigt die Konversionseffizienz. Ein höherer In-Anteil
als 80% hingegen führt
aufgrund der Bandlückenenergie
von deutlich weniger als 1 eV zu sehr hohen Leckströmen, so
dass der Betrieb bei Raumtemperatur nur mit hohen Verlustleistungen und
geringerer Energieauflösung
möglich
ist.
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Diese
Materialien wurden bisher in der Optoelektronik für LEDs,
Laserdioden oder Feldeffekttransistoren eingesetzt, sind allerdings
zur Verwendung als Detektormaterial, insbesondere für CT-Systeme, nicht
bekannt. GaN ist ein direkter III-V-Verbindungshalbleiter, der Strahlung
ohne durch Phononen verursachten Wärmeverlust in elektrische Ladung
umwandelt. Es besitzt eine mittlere Kernladungszahl seiner Komponente
Ga Z = 31. Dabei werden fast alle Röntgenquanten wegen der Potenzabhängigkeit
der Konversionseffizienz von der Kernladungszahl an dieser Komponente
konvertiert. Dadurch ist mit einer nur circa doppelt so dicken Schicht
wie bei einem CdTe-Detektor
eine vergleichbare Absorption von freien Ladungsträgern erzeugender
Strahlung, wie Gamma- oder Röntgenstrahlung,
realisierbar. Verwendet man InGaN mit einem hohen In-Anteil, dominiert
die Kernladungszahl von In Z = 49.
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Zusätzlich kann
das Problem der Polarisation über
das Anlegen einer externen Spannung nahezu beliebig ausgeschaltet
werden, da GaN mit > 100 kV/cm
eine deutlich höhere
Durchbruchsfeldstärke besitzt
als die bisher verwendeten Halbleiter. Die Driftgeschwindigkeit
der Ladungsträger
ist ebenfalls größer. Beides
führt zu
einer deutlich geringeren Transitzeit der Ladungsträger und
damit zu Signalen mit einer kleineren Halbwertsbreite. Diese schmaleren
Signale ermöglichen
zum einen die Linearität
der Signale bei sehr hohen Flussdichten, wie sie in CT-Systemen
vorkommen, und zum anderen ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Des
Weiteren kann aufgrund der hohen Felder auch eine gute laterale Auflösung erzielt
werden, da die Ladungsträgerbeweglichkeit
durch die Driftgeschwindigkeit bestimmt ist. Aufgrund der sehr hohen
Feldstärken,
wird eine isotrope Diffusion der Ladungsträger komplett ausgeschaltet.
Damit wird ein Aufweiten von Ladungsträgerwolken und ein somit mögliches Übersprechen auf
ein anderes Pixel unterdrückt.
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Da
die Verwendung von GaN und InGaN aus der Optoelektronik bereits
bekannt ist, ist auch die Herstellung derartiger Kristalle bereits
bekannt und optimiert. Es können
bereits Volumenkristalle und Schichten von einigen mm Dicke hergestellt
werden. Die jeweiligen Wachstums- und Dotierprozesse von GaN- und
InGaN-Kristallen sind gut verstanden, so dass beim Herstellen von
Detektoren aus diesen Materialien auf ein breites Wissen und große Erfahrung aus
der Optoelektronik aufgebaut werden kann.
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Weiterhin
sind GaN und InGaN den bisher verwendeten Halbleitermaterialien
aufgrund ihrer chemischen und mechanischen Robustheit überlegen.
Eine geringe Temperatur- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit ist insbesondere
bei dem Einsatz von Halbleitern in Strahlungsdetektoren in CT-Systemen wünschenswert.
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Demgemäß schlagen
die Erfinder vor, einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere
zur Verwendung in CT-Systemen, aufweisend ein zur Detektion verwendetes
Halbleitermaterial, dahingehend zu verbessern, dass das Halbleitermaterial
eine Verbindung aus Ga und N ist.
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Dabei
sind zum einen ein reiner GaN-Halbleiter und zum anderen eine InGaN-Verbindung
vorteilhaft. Günstig
ist in dieser ternären
Verbindung ein In-Anteil zwischen 0 und 40%, besonders günstig zwischen
40% und 80%. Je größer der
In-Anteil in der InGaN-Verbindung ist, umso größer wird die Konversionseffizienz
bei einem ebenfalls größer werdenden
Leckstrom, der aber zu vernachlässigen
ist.
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Des
Weiteren kann das Detektormaterial auch aus einem Verbundstapel
aus mindestens zwei Schichten bestehen, die entwe der nur aus GaN
oder nur aus InGaN bestehen. Weiterhin ist auch eine Schichtfolge
aus mindestens zwei Schichten mit mindestens einer GaN-Schicht und
mindestens einer InGaN-Schicht möglich.
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Abhängig von
der Materialzusammensetzung, vor allem abhängig vom In-Anteil, sollte
die Dicke des Halbleitermaterials, also auch die Gesamtdicke der
einzelnen Schichten, in einem bestimmten Bereich liegen. Für reines
GaN und InGaN mit einem In-Anteil von weniger als 40% ist eine Dicke
von 1,0 mm bis 7,0 mm, vorzugsweise 2,0 mm bis 6,0 mm, weiterhin
vorzugsweise von 2,8 mm bis 4,8 mm, vorteilhaft. Im Falle eines
In-Anteils von mehr
als 40% sollte die Dicke des vorgeschlagenen Detektormaterials 1,0
mm bis 5,0 mm, vorzugsweise 1,5 mm bis 4,0 mm, weiterhin vorzugsweise
von 2,0 mm bis 3,0 mm, betragen. Der Grund für die Einschränkungen
ist die starke Abhängigkeit
der Transitzeit der Ladungsträger
und der Absorptionsfähigkeit
des Detektors von der Dicke des Detektormaterials. Es gilt dabei,
je dünner
das Detektormaterial ist, umso geringer ist die Transitzeit und
umso höher
ist die Absorptionsfähigkeit.
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Zur
Erfindung zählt
auch ein CT-System, in welchem ein Röntgenstrahlungsdetektor vorgesehen ist,
wobei der Röntgenstrahlungsdetektor
vorteilhafterweise aus dem erfindungsgemäß ausgewählten Halbleitermaterial, also
entweder aus GaN oder aus InGaN oder einer Schichtfolge dieser Verbindungen, besteht.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Auswahl des
Detektormaterials ergeben sich die folgenden Vorteile in der Anwendung
in einem direktkonvertierenden Detektor:
- – Das Grundmaterial
GaN ist einfach verfügbar, da
dieses bereits aus vielfältigen
Anwendungen in der Optoelektronik bekannt ist, beispielsweise als LEDs.
- – Eingefahrene
Herstellungsprozesse, mindestens 4 Zoll große Kristalle und Waferlevelverarbeitung
für GaN-basierte Bauelement
sind bereits vorhanden und bekannt.
- – Die
Handhabung und Verarbeitung von GaN ist einfacher, da dieses fester
und härter
ist als die bislang favorisierten II-VI-Verbindungshalbleiter CdTe,
CdZnTe, CdTeSe und CdZnTeSe.
- – Die
Signalpulse besitzen eine schmalere Halbwertsbreite und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist
besser aufgrund seltener Laufzeitabweichungen der Ladungsträger wegen
der hohen Driftgeschwindigkeiten der Ladungsträger.
- – Die
Durchbruchfeldstärke
von GaN liegt bei über 100
kV/cm. Damit können
hohe Feldstärken
appliziert werden, um die Polarisation zu verringern, wenn nicht
gar komplett zu vermeiden.
- – Die
Linearität
der Signale kann auch bei höheren
Flussdichten gewährleistet
werden.
- – Der
auftretende Dunkelstrom bei den ohmschen Kontakten im Detektor ist
aufgrund der großen Bandlücke von
3,3 eV niedriger.
- – GaN
ist chemische inert und damit unter verschiedensten Bedingungen
einsetzbar.
- – Mögliche Dotanden
und Dotierverfahren sind erprobt und verfügbar.
- – GaN
kann mittels Volumenkristallzuchtverfahren, zum Beispiel Bridgman-Verfahren
oder Travelling Heat Method (THM), aber auch mittels Schichtenwachstum,
zum Beispiel Metallorganische Gasphasenepitaxie/-abscheidung (MOVPE),
Metallorganische Gasphasendeposition (MOCVD), Chemische Gasphasendeposition (CVD),
andere Methoden der Gasphasenepitaxie/-abscheidung (VPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE),
Atomic Layer Epitaxy (ALE)) und „Physical Vapor Transport”-Verfahren
(PVT, Multitube-PVT) hergestellt werden.
- – Einfacher
Nachweis durch Material- und Schliffanalysen, wie zum Beispiel Sekundärionen-Massenspektroskopie
(SIMS), Photolumineszenz (PL), Röntgenbeugung
(XRD).
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Beispieles
mit Hilfe der 1 näher beschrieben, wobei darauf
hingewiesen wird, dass nur die für
das unmittelbare Verständ nis
der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt sind. Hierbei werden
folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Halbleitermaterial; 2:
Elektroden; U: Spannung; y: Röntgen-
oder Gamma-Quant.
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In
der 1 ist der typische Aufbau eines Halbleiterdetektors
bestehend aus einem zur Strahlungsdetektion verwendeten Halbleitermaterial 1 und zwei
mit einer Spannung U beaufschlagten Elektroden 2 dargestellt.
Auf seinem Weg durch den Halbleiterkristall wechselwirkt ein Röntgen- oder
Gamma-Quant γ mit
der Materie und es bilden sich freie Elektronen, die wiederum ihre
kinetische Energie durch die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren
abgeben. Die Wechselwirkung des Röntgen- oder Gamma-Quants γ mit dem Festkörper findet über den Photoeffekt,
die Compton-Streuung und die Paarbildung statt. An dem Halbleiterkristall
wird eine Spannung U angelegt, die dafür sorgt, dass die erzeugten Elektron-Loch-Paare
aufgrund des elektrischen Feldes durch den Kristall driften und
auf den Elektroden Ladung induzieren, die über eine ladungs- oder stromempfindliche
Elektronik ausgelesen werden kann.
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In
der Praxis treten dabei die folgenden Probleme auf:
Die freien
Ladungsträger
rekombinieren aufgrund ihrer geringen Beweglichkeit, dies gilt insbesondere
für Löcher, mit
intrinsischen tiefen Störstellen.
Dadurch bildet sich einerseits eine Raumladungszone aus und andererseits
reduziert sich das elektrische Feld. Es entsteht also die so genannte
Polarisation.
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Durch
eine geeignete Wahl des zur Detektion verwendeten Halbleitermaterials 1,
also zum Beispiel erfindungsgemäß ein GaN-Kristall oder ein
InGaN-Kristall, kann die Polarisation durch eine höhere Beweglichkeit
der Ladungsträger
verringert beziehungsweise verhindert werden. Weiterhin ist aufgrund
der hohen Bandlücke
von GaN von 3,3 eV auch keine Kühlung
des Detektors notwendig, da nur ein geringer Leckstrom auftritt,
der zu einem Aufheizen des Detektormaterials führen kann. Dies gilt auch für InGaN
mit einem In-Anteil von maximal 80%, da in diesem Fall die Bandlückenenergie
mehr als 1 eV beträgt.
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Damit
ist ein derartiges Material beziehungsweise ein Detektor aus einem
derartigen Halbleitermaterial für
Hochflussanwendungen, wie sie zum Beispiel in der Computertomographie
vorkommen, geeignet.
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Insgesamt
betrifft die Erfindung einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor,
insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen, aufweisend ein zur Detektion
verwendetes Halbleitermaterial, wobei das Halbleitermaterial entweder
GaN oder InGaN oder eine Schichtfolge dieser Verbindungen ist.
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Weiterhin
zählt auch
ein CT-System, in welchem ein Röntgenstrahlungsdetektor
vorgesehen ist, der vorteilhafterweise aus dem erfindungsgemäßen ausgewählten Halbleitermaterial,
also entweder aus GaN oder aus InGaN oder aus einer Schichtfolge
dieser Verbindungen, besteht, zum Gegenstand der Erfindung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.