-
Die
Erfindung betrifft den Aufbau eines halbleitenden, bildgebenden
Röntgendetektormoduls
mit interner Polarisationskompensation.
-
In
der Materialanalyse, der Sicherheitstechnik und der Medizintechnik
werden bildgebende Röntgengeräte mit einer
Vielzahl von Röntgendetektormodulen
eingesetzt, die zunehmend auch halbleitende, die Röntgenstrahlung
direkt in einen Photostrom konvertierende Detektoren verwenden.
Hierfür kommen
insbesondere die gut absorbierenden Halbleiter Kadmiumtellurid (CdTe)
oder Kadmiumzinktellurid (CdZnTe) aus chemischen Elementen hoher Ordnungszahl
in Frage.
-
Die 1 zeigt
einen solchen Detektor 1 mit zwei einzelnen Detektorelementen 2, 3,
der einen Halbleiterkörper 10 und
Metallelektroden 20, 23, 30 und 33 aufweist.
Die Elektrodenpaare 20, 23 und 30, 33 bilden
je eines der hier beispielhaft dargestellten zwei Detektorelemente 2, 3. Üblicherweise
trägt ein Halbleiterkörper 10 zahlreiche
solcher Detektorelemente. Zwischen den Elektroden der Oberseite
und der Unterseite des Halbleiterkörpers 10 wird eine Spannung
U von mehreren hundert Volt angelegt, um die im Halbleiterkörper 10 durch
optische Anregung generierten Elektron-Loch-Paare zu den Elektroden zu
ziehen und dabei als Photostrompuls zu detektieren. Die Elektroden
auf einer Seite des Halbleiterkörpers 10,
beispielsweise die Elektroden 20 und 30, können als
zusammenhängende
Metallisierung ausgeführt
sein (hier nicht dargestellt), da strukturierte Einzelelektroden
auf der anderen Seite des Halbleiterkörpers 10 für die laterale
Ortsauflösung
hinreichend sind. Die Elektroden 23, 33 sind dann
mit einer entsprechenden Ausleseelektronik verbunden (nicht dargestellt).
-
Die
Dicke d des Halbleiterkörpers 10 muss
je nach Energie der zu detektierenden Röntgenstrahlung dimensioniert
werden. Um beispielsweise Röntgenstrahlung
der medizinischen Diagnose mit Quantenenergien im Bereich 60–100 keV
vollständig
zu absorbieren sind Detektordicken bis zu d = 2 mm erforderlich.
Mit steigender Detektordicke gewinnen auch schon geringe Dichten
von ionisierten Störstellen
einen erheblichen, eventuell störenden
Einfluss auf den Verlauf des elektrischen Feldes E zwischen Kathode
und Anode.
-
Der
Verlauf des elektrischen Feldes wird durch die Poisson-Gleichung dE/dz = –ρ/εε0 beschrieben,
wobei E das elektrische Feld senkrecht zum Halbleiterkörper 10 zwischen
den Elektroden, z die Ortskoordinate in Richtung der Verbindungslinie zwischen
sich gegenüber
liegenden Elektroden, ρ die Raumladungsdichte
und εε die Permittivität des Materials
bezeichnen. In dünnen
Halbleiterbauelementen kann der Potenzialverlauf somit durch Dotierungen
im Bereich 1016 bis 1017 Donatoren
oder Akzeptoren pro cm3 gezielt eingestellt
und die Funktion des Bauelementes technologisch definiert werden.
-
Die 2 zeigt
exemplarisch zwei Diagramme, wobei im linken Diagramm das Potenzial
U im Halbleiterkörper 10 in
Abhängigkeit
vom Abstand z zur Kathode, bspw. zur Elektrode 20, aufgetragen
ist. Im rechten Diagramm ist das entsprechende elektrische Feld
E ebenfall in Abhängigkeit
vom Abstand z zur Kathode 20 aufgetragen. Die in den beiden
Diagrammen dargestellten Verläufe
des elektrischen Potenzials U und der elektrischen Feldstärke E wurden für einen
1,5 mm dicken Kadmiumtelluriddetektor zwischen der Kathode und der
Anode bei homogen verteilter, positiver Raumladung von 3·1011 Elementarladungen pro cm3 berechnet.
Dabei wurde eine Spannung von 450 Volt angenommen.
-
Beim
Röntgendetektor
besteht das Problem darin, die prozesstechnisch bedingte, eingebaute Störstellendichte
bei der Herstellung unter 1011 bis 1012 pro cm3 abzusenken,
um feldfreie, bei der Ladungstrennung inaktive Bereiche wie beispielsweise vor
der Anode zu vermeiden. Störstellen
halten eingefangene Ladungen je nach Lage des Energieniveaus unterschiedlich
lange. Bei Belichtung mit Röntgenstrahlung
stellt sich entsprechend dem im Halbleitermaterial generierten Photostrom
mit Zeitkonstanten von bis zu einigen Minuten ein dynamisches Gleichgewicht
ein, das zu charakteristischer Raumladungsverteilung und Feldverzerrungen
führt.
Diese strahlungsabhängige
Aufladung, auch als Polarisation bezeichnet, macht den Detektor
gegenüber
wechselnden Röntgenflüssen träge.
-
Grundsätzlich kann
durch eine gemessen an der Detektordicke d überhöhte Betriebsspannung U der
Polarisation entgegen gewirkt werden. Aus technischen Gründen wie
beispielsweise sicherer Isolation und Netzteilkosten sind hier jedoch
Grenzen gesetzt.
-
Ein
konventioneller, seit Jahrzehnten und bis heute verfolgter Lösungsansatz
besteht in der Verbesserung des Materials des Halbleiters bezüglich der
Störstellendichte
durch Optimierung der Kristallzüchtung.
Dieser Ansatz beinhaltet jedoch erhebliche Schwierigkeiten und konnte
bis heute keine zufrieden stellende Lösung bereit stellen.
-
Für höhere Quantenenergien,
beispielsweise 500 keV-Gammastrahlung, werden Detektordicken im
Bereich von 10 mm benötigt,
sodass die Defektdichte nochmals um einen Faktor 10 gegenüber einem
1 mm Detektor gesenkt werden müsste.
Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wurden einzelne Detektoren ohne
laterale Teilung in Bildelemente übereinander zu einem Mehrlagen-Detektor
gestapelt.
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Röntgendetektormodul
vorzuschlagen, in dem sich die Problematik der Polarisation nicht
auf die Leistungsfähigkeit
des Moduls auswirkt.
-
Diese
Aufgabe wird durch die in dem unabhängigen Anspruch angegebene
Erfindung gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das durch Raumladung deformierte Potenzial U mit
Hilfe einer oder mehrerer, zwischen Kathode und Anode des Halbleiters
liegender Elektroden in die Nähe
des raumladungsfreien, linearen Verlaufs gezogen. Bei gegebener
Gesamtdicke d des Halbleiters wird dieser mit Hilfe einer oder mehrerer
Zwischenebenen bzw. Zwischenelektrodenebenen in mehrere Einzellagen
geringerer Dicke und folglich geringer Empfindlichkeit gegenüber Polarisation
unterteilt. Hierdurch wird letztlich erreicht, dass das elektrische
Feld E innerhalb des Halbleiters nicht mehr auf einen Wert 0 absinkt,
sondern überall
einen Wert aufweist der größer als
ein Minimum ist.
-
Das
erfindungsgemäße Röntgendetektormodul
weist 1. mehrere separate Halbleiterlagen zur Detektion von Röntgenstrahlung
auf. Zwischen zwei Halbleiterlagen ist jeweils eine Zwischenebene
angeordnet. Dabei ist die Zwischenebene eine hoch dotierte Halbleiterschicht,
welche insbesondere höher dotiert
ist als die Halbleiterlagen.
-
Vorteilhafterweise
besteht die Zwischenelektrodenebene aus dem selben Material wie
die Halbleiterlagen.
-
Das
Röntgendetektormodul
ist dabei idealerweise ein monolithischer Block.
-
Weiterhin
ist die Zwischenebene vorteilhafterweise derart dünn ausgebildet,
dass eine durch Absorption von Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung,
in einer der Halbleiterlagen entstehende Ladungswolke weitestgehend
ungestört
durch die Zwischenebene hindurchtreten kann.
-
Hierzu
wird eine Dicke der Zwischenebene gewählt, die geringer ist als die
Diffusionslänge
der Elektronen n und/oder der Löcher
p der Ladungswolke.
-
Auf
der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Röntgendetektormoduls ist jeweils
zumindest eine strukturierte elektrische Kontaktfläche angeordnet,
wobei die Kontaktflächen
derart strukturiert und zueinander angeordnet sind, dass das Röntgendetektormodul
eine laterale Ortsauflösung
aufweist. Hierfür
sind die Kontaktflächen
bspw. streifenartig, gekreuzt oder als zweidimensional strukturierte
Flächen
wie etwa Kreise oder Quadrate ausgebildet.
-
Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren wird
zur Herstellung eines derartigen Röntgendetektormoduls ein Epitaxieverfahren
oder ein Ionenimplantationsverfahren eingesetzt.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
weist ein Röntgendetektormodul
mehrere separate Halbleiterlagen zur Detektion von Röntgenstrahlung
auf, wobei zwischen zwei Halbleiterlagen jeweils eine Zwischenelektrodenebene
angeordnet ist. Dabei sind auf der Oberseite und auf der Unterseite
der Halbleiterlagen jeweils zumindest eine elektrische Kontaktfläche angeordnet,
wobei diejenigen Kontaktflächen
an den sich gegenüberliegenden
Oberflächen
zweier benachbarter Halbleiterlagen über die Zwischenelektrodenebene
elektrisch miteinander verbunden sind.
-
Die
Zwischenelektrodenebene ist vorzugsweise eine Platine mit insbesondere
gelöteten
Durchkontaktierungen, wobei die Durchkontaktierungen die Kontaktflächen an
den sich gegenüberliegenden Oberflächen zweier
benachbarter Halbleiterlagen elektrisch miteinander verbinden.
-
Vorzugsweise
sind die Kontaktflächen
an den sich gegenüberliegenden
Oberflächen
zweier benachbarter Halbleiterlagen und/oder die Durchkontaktierungen über entsprechende Zuleitungen
auf ein mittleres elektrisches Potential UM gelegt.
-
Auf
der Oberseite und auf der Unterseite des Röntgendetektormoduls ist jeweils
zumindest eine strukturierte elektrische Kontaktfläche angeordnet, wobei
die Kontaktfläche
der Oberseite auf ein erstes elektrisches Potential U1 und
die Kontaktfläche
der Unterseite auf ein zweites elektrisches Potential U2 gelegt
sind mit U1 < U2 und wobei
für das
mittlere Potential UM gilt U1 < UM < U2.
-
Die
Kontaktflächen
sind derart strukturiert und zueinander angeordnet, dass das Röntgendetektormodul
eine laterale Ortsauflösung
aufweist. Hierfür
sind die Kontaktflächen
bspw. streifenartig, gekreuzt oder als zweidimensional strukturierte
Flächen,
beispielsweise Kreise oder Quadrate, ausgebildet.
-
Zusammenfassend
betrifft die Erfindung den Aufbau eines halbleitenden, bildgebenden
Röntgendetektormoduls
mit interner Polarisationskompensation. Das Röntgendetektormodul weist in
einer ersten Ausführungsform
mehrere semiisolierende Halbleiterlagen zur Detektion von Röntgenstrahlung
auf, wobei zwischen zwei Halbleiterlagen jeweils eine ganzflächig hoch
dotierte Schicht als Zwischenebene angeordnet ist. Das Röntgendetektormodul
ist dabei als monolithischer Block ausgebildet. Die Zwischenebene
ist so dünn,
dass die durch Absorption eines Röntgenquants entehenden Ladungswolken
weitgehend ungestört
durch sie hindurchtreten und im Feld der anschließenden Detektorlage
weiter driften können.
Dadurch wird erreicht, dass eine pixellierte bzw. strukturierte
Ausleseelektronik nur auf der Endfläche des Detektormoduls erforderlich
ist und die Zwischenelektroden nur auf solche konstanten Potentiale
gelegt werden müssen,
dass eine Potentialverbiegung entlang der Gesamtdicke des Moduls
(„Polarisation”) unterdrückt wird.
In einer alternativen, nicht-monolithischen Ausführungsform sind auf der Oberseite
und auf der Unterseite der semiisolierenden Detektorlagen jeweils
metallische Kontaktflächen
angeordnet. Diejenigen Kontaktflächen,
die sich an gegenüberliegenden
Oberflächen
zweier benachbarter Detektorlagen befinden, sind dabei über ein
dielektrisches Substrat, bspw. eine Platine, elektrisch miteinander
verbunden. Diese Kontaktflächen sind
wie in der monolithischen Version über entsprechende Zuleitungen
auf ein mittlere elektrische Potentiale gelegt und mit Elektronik
zum pixelweisen Auslesen der Detektorsignale verbunden.
-
Das
Problem der Polarisation wird demnach im Gegensatz zum Stand der
Technik durch die Verbesserung der Struktur des Detektors gelöst. Insbesondere
verspricht die erfindungsgemäße Integration einer
hoch dotierten Zwischenebene zwischen zwei Halbleiterlagen des Röntgendetektormoduls
eine an die Transistortechnik angelehnte Funktionsweise. Dies bietet
eine Reihe von Vorteilen:
- – Aktive Einstellung des Potenzialverlaufs
durch äußere Spannung;
- – Unterdrückung feldfreier,
inaktiver Detektorzonen;
- – Unterdrückung der
Polarisation und somit kurze Ansprechzeit des Detektors;
- – reduzierte
Anforderungen an Halbleiterqualität mit Wirkung auf die Herstellungskosten;
- – niedrigere
benötigte
Spannungen an den Einzelschichten, d. h. geringere Anforderungen
an die Spannungsversorgung; und
- – Möglichkeit
der alternierenden, mehrlagigen Anordnung aus intrinsischen Detektorschichten
und dotierten Elektrodenschichten zur Einstellung eines gegebenenfalls
auch nicht linearen Potenzialverlaufs.
-
Insbesondere
bei metallischen, strukturierten und einzeln ausgelesenen Zwischenelektrodenebenen
stehen höherem
aufbautechnischem Aufwand weitere Vorteile gegenüber:
- – Dünnere Detektorlagen,
die bei konstantem Pixelvolumen breitere Pixel oder bei gleicher
Pixelgröße höhere Zählraten
zulassen;
- – integrierte
Energieauflösung
aufgrund der energieabhängigen
Eindringtiefe der Röntgenquanten.
-
Hierdurch
wird es möglich,
die notwendige Elektronik zu vereinfachen.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der
Zeichnungen.
-
Dabei
zeigt:
-
1 ein
Röntgendetektormodul
nach dem Stand der Technik,
-
2 den
Verlauf der elektrischen Potentials U und des elektrischen Feldes
E in einem Röntgendetektormodul
nach dem Stand der Technik,
-
3 ein
erfindungsgemäßes Röntgendetektormodul
in einer ersten Ausführungsform,
-
4 ein
erfindungsgemäßes Röntgendetektormodul
in einer zweiten Ausführungsform,
-
5 den
Verlauf der elektrischen Potentials U und des elektrischen Feldes
E in einem erfindungsgemäßen Röntgendetektormodul.
-
In
den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche,
Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit den selben
Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Die 3 zeigt
ein erfindungsgemäßes Röntgendetektormodul 1 mit
zwei semiisolierenden Halbleiterlagen 10, 11 sowie
einer Zwischenelektrodenebene 40. Die beiden Halbleiterlagen 10, 11,
die jeweils wie einer der oben eingeführten Halbleiterkörper ausgebildet
sein können,
besitzen auf ihren jeweiligen Ober- und Unterseiten strukturierte
Elektroden bzw. Kontaktflächen 20, 21, 22, 23 bzw. 30, 31, 32, 33,
durch die die laterale Ortsauflösung
des Detektors definiert ist.
-
Diejenigen
Kontaktflächen 21, 31, 22, 32,
die sich an den sich gegenüber
liegenden Oberflächen 12, 13 der
beiden Halbleiterlagen 10, 11 befinden, sind durch
gelötete
Durchkontaktierungen 24, 34 in der Zwischenelektrodenebene 40 elektrisch
miteinander verbunden. Die Zwischenelektrodenebene 40 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
eine strahlenharte, für
Röntgenstrahlung
gering absorbierende Platine aus zwei Lagen 41, 42.
Bspw. kann die Platine 40 aus Glas gefertigt sein. Zwischen
den Lagen 41 und 42 der Platine 40 befinden
sich Zuleitung 43 zu den Kontaktflächen 21, 22 bzw. 31, 32 bzw.
zu den Durchkontaktierungen 24, 34. über die
Zuleitungen 43 werden die Kontaktflächen des Röntgendetektormoduls auf ein
geeignetes, mittleres, konstantes Potenzial gelegt. Darüber hinaus
werden die durch die Röntgenstrahlung
ausgelösten
Photostrompulse durch kapazitive Kopplung an ladungsempfindliche
Vorverstärker
ausgelesen (nicht dargestellt).
-
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in der 4 dargestellt. Das hier gezeigte
Röntgendetektormodul 1 besteht
wie das Röntgendetektormodul 1 der 3 aus
zwei Halbleiterlagen 10, 11 sowie einer hoch dotierte
Zwischenebene 50, die zwischen den Halbleiterlagen 10, 11 angeordnet
ist.
-
Die
Zwischenebene 50 besteht aus einem dünnen, hochdotierten Halbleitermaterial,
wobei vorzugsweise das selbe Material verwendet wird, welches auch
zur Herstellung der Halbleiterlagen 10, 11 verwendet
wurde. Anstatt das selbe Material zu verwenden kann grundsätzlich auch
ein anderes Material zum Einsatz kommen, welches jedoch zumindest hinsichtlich
seiner Gitterkonstanten an das Material der Halbleiterlagen angepasst
ist.
-
Das
Röntgendetektormodul 1 mit
den Halbleiterlagen 10, 11 und der Zwischenebene 50 ist
idealerweise monolithisch, d. h. die Halbleiterlagen 10, 11 und
die Zwischenebene 50 bilden einen monolithischen Block.
Zur Herstellung eines solchen monolithischen Moduls 1 kann
bspw. ein Epitaxieverfahren wie etwa die Flüssigphasenepitaxie zum Einsatz kommen.
Alternativ kann ein erfindungsgemäßes monolithisches Röntgendetektormodul 1 auch
mit Hilfe der Ionenimplantation hergestellt werden.
-
Auf
der Oberseite und der Unterseite des Röntgendetektormoduls 1 befinden
sich auch in diesem Ausführungsbeispiel
Kontaktflächen 20, 30, 23, 33.
Wie bereits im Zusammenhang mit der 1 erwähnt, ist
es zum Erreichen einer lateralen Ortsauflösung ausreichend, wenn bpsw.
die Elektroden 20, 30 nicht wie dargestellt als
separate Elektroden auszuführen,
sondern als zusammenhängende
metallischer Schicht (hier nicht dargestellt). Die Elektroden 23, 33 werden
wie dargestellt als strukturierte Elektroden ausgeführt, die
zum Auslesen und Auswerten der durch einfallende Röntgenstrahlung
erzeugten Signale mit einer entsprechenden Ausleseelektronik 60 verbunden
sind. Eine entsprechende Ausleseelektronik ist selbstverständlich auch
in der Ausführungsform
der 4 vorgesehen, dort aber nicht dargestellt.
-
Die
Dicke d der hoch dotierten Schicht 50 wird in Abhängigkeit
von der Diffusionslänge
L der durch Röntgenstrahlung
im Detektor 1 bzw. in den Halbleiterlagen 10, 11 erzeugten
Ladungsträger
dimensioniert: Die aus der Absorption von Röntgenquanten in den Halbleiterlagen 10, 11 entstehenden Ladungswolken
können
sich dann ohne wesentliche Störung
durch die Zwischenebene 50 bewegen, wenn diese dünner ist
als die Diffusionslänge
L der Ladungsträger
der Ladungswolken. Die Diffusionslänge L ist abhängig von
der Beweglichkeit μ und
der Lebensdauer τ der
Elektronen n und Löcher
p in den Ladungswolken. Für
typische Werte μn = 1100 cm2/(V·s), μp =
100 cm2/(V·s), τn =
3·10–6 s, τp =
2·10–6 s
und L = √ μ·τ·(k·T/e) ergibt sich Ln = 92 μm
und Lp = 23 μm für die Diffusionslängen der
Elektronen n und Löcher
p. Da in der Regel die Elektronen ausgelesen werden, sollte die
dotierte Schicht nicht dicker als etwa 90 μm sein. Bspw. wäre mit den
obigen Werten eine Dicke von 50 μm
günstig.
-
Relativ
zum undotierten Material der Halbleiterlagen 10, 11 führt die
höhere
Dotierung der Zwischenebene 50 zu einer Bandverbiegung
von etwa der halben Bandlücke,
das heißt
für Kadmiumtellurid etwa
0,7 Volt. Diese Bandverbiegung ist jedoch gegenüber der insgesamt anliegenden
Spannung zu vernachlässigen.
Schichten wechselnder Dotierung können bei epitaktischer Herstellung
des Detektors beispielsweise mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen
werden. Wie im Falle der Basis eines konventionellen Transistors
können
sich auch die in den Halbleiterlagen 10, 11 aus
der Absorption von Röntgenstrahlung
entstehenden Ladungswolken ohne große Störung durch die dotierte Zwischenebene 50 bewegen,
wenn die Dicke der Zwischenebene 50 dünner ist als die Diffusionslängen der
Ladungsträger.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
der 3 können
deshalb eine laterale Strukturierung der Dotierschicht und eine
pixelweise Verbindung zu einer nicht dargestellten Ausleseelektronik
entfallen.
-
Die 5 zeigt
schließlich
in Analogie zur 2 zwei Diagramme, in denen der
Verlauf des elektrischen Potenzials U und der elektrischen Feldstärke E in
einem 1,5 mm dicken Kadmiumtelluriddetektor zwischen Kathode und
Anode bei homogen verteilter, positiver Raumladung von 3·1011 Elementarladungen pro cm3 dargestellt
ist. Die angelegte Spannung beträgt
450 Volt und es befindet sich eine zusätzliche Zwischenebene in der
Mitte zwischen Kathode und Anode, die auf ein Potential von 225 Volt
gelegt ist. Deutlich zu erkennen ist insbesondere im rechten Diagramm,
dass das elektrische Feld E aufgrund der Zwischenelektrodenebene 40 bzw. 50 nicht
mehr auf Null abfällt,
sondern zunächst
von einem Maximalwert bei z = 0 abfällt und an der Stelle, an der
die Zwischenelektrodenebene angeordnet ist, sprungartig wieder auf
den Maximalwert ansteigt. Damit wird letztlich erreicht, dass das
elektrische Feld E an keiner Stelle unter einen bestimmten Minimalwert
fällt,
im gezeigten Beispiel fällt
das elektrische Feld E nicht unter einen Wert von 140 V/mm.
