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Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Substrat mit einer Photozelle gemäß Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einer Photozelle gemäß Anspruch 8.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von Photomultipliern bekannt. Beispielsweise ist aus
WO 2006/111883 A2 ein digitaler Silizium-Photomultiplier bekannt. Der Photomultiplier weist ein Array von Detektorpixeln auf, wobei jeder Detektorpixel ein Array von Detektorzellen enthält. Jede Detektorzelle beinhaltet eine Photodiode und eine digitale Schaltung, die mit der Photodiode gekoppelt ist. Die digitale Schaltung ist ausgebildet, um einen ersten digitalen Wert für einen Ruhezustand und einen zweiten digitalen Wert für den Nachweis eines Photons durch die Photodiode auszugeben.
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Die Photozelle ist auf einem Siliziumsubstrat angeordnet. Weiterhin ist jeder Photozelle eine elektronische Schaltung zum Auslesen der Signale zugeordnet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung mit einer Photozelle und einer elektrischen Schaltung bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und kostengünstig hergestellt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein kostengünstiges und einfaches Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einer Photozelle und einer elektrischen Schaltung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Anordnung weist den Vorteil auf, dass eine Photozelle mit einer elektrischen Schaltung auf einfache und kostengünstige Weise bauraumoptimiert hergestellt werden kann.
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Dies wird dadurch erreicht, dass die Anordnung ein Substrat aufweist, das auf einer Oberseite eine Photozelle aufweist. Im Substrat ist eine Durchkontaktierung vorgesehen, über die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Photozelle und einer Unterseite des Substrats hergestellt wird. Auf der Unterseite des Substrats ist ein Baustein mit einer elektronischen Schaltung angeordnet, die eine Verarbeitung des Signals der Photozelle durchführt. Durch die gewählte Anordnung kann ein kompakter Aufbau erreicht werden. Insbesondere wird durch die leitende Durchkontaktierung durch das Substrat eine kurze Leitungslänge zwischen der Photozelle und dem elektronischen Baustein ermöglichst. Zudem kann aufgrund der gewählten Ausführungsform ein einfach aufgebautes Substrat mit einer Photozelle verwendet werden, wobei eine weitere Signalverarbeitung in dem separaten Baustein durchgeführt wird. Somit ist eine aufwändige Integration der elektronischen Schaltungen in das Substrat selbst nicht erforderlich.
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Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung eines Photomultipliers mit einer elektronischen Schaltung zum Verarbeiten des Signals der Photozelle.
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In einer weiteren Ausführungsform sind auf der Unterseite des Substrats elektrische Kontakte vorgesehen, wobei die elektrischen Kontakte mit Kontakten eines weiteren Substrats elektrisch leitend in Kontakt stehen. Auf diese Weise kann eine raumsparende Anordnung des Substrats mit der Photozelle auf einem weiteren Substrat, beispielsweise einer Leiterplatte, hergestellt werden. Dadurch kann trotz der Anordnung des elektrischen Bausteins eine raumsparende Anordnung des Substrats auf dem weiteren Substrat ermöglicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Durchkontaktierung zwei Abschnitte auf, wobei ein erster Abschnitt, der von der Oberseite des Substrats eine festgelegte Tiefe in das Substrat reicht, einen kleineren Durchmesser als der zweite Abschnitt aufweist, der von der Unterseite des Substrats bis zum ersten Abschnitt geführt ist. Auf diese Weise wird die benötigte Fläche auf der Oberseite des Substrats, auf der die Photozellen angeordnet sind, klein gehalten und trotzdem ein niedriger elektrischer Widerstand der Durchkontaktierung erreicht. Beispielsweise liegen die Durchmesser des ersten Abschnitts im Bereich von 3 bis 10 µm und die Durchmesser des zweiten Abschnitts im Bereich von 20 bis 40 µm.
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Vorzugsweise sind die elektrischen Kontakte der Unterseite des Substrats, die mit den weiteren Kontakten des weiteren Substrats verbunden sind, in Form von Kugelkontakten ausgebildet. Auf diese Weise wird eine sichere Kontaktierung mit geringem elektrischem Widerstand ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine elektrische Schaltung, insbesondere ein Schalter einer Photozelle zugeordnet, wobei über die elektrische Schaltung, insbesondere über den Schalter, das Auslesen der Photozelle beeinflusst, insbesondere gesteuert werden kann. Als Schalter kann beispielsweise ein Transistor, insbesondere ein NMOS-Transistor, vorgesehen sein.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der Baustein beispielsweise als CMOS-ASIC-Baustein ausgeführt sein. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Verarbeitung des Signals der Photozelle mit einer bekannten Technologie ermöglicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist im Bereich der Durchkontaktierung auf der Oberseite und/oder der Unterseite des Substrats ein Kontaktfeld vorgesehen, das die Durchkontaktierung wenigstens teilweise umgibt und mit einem elektrisch leitenden Material der Durchkontaktierung elektrisch leitend verbunden ist. Durch das Vorsehen eines Kontaktfelds kann eine sichere und zuverlässige elektrisch leitende Verbindung mit der Durchkontaktierung mit einem geringen Ohmschen Widerstand hergestellt werden.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die Kontaktfläche auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite vor dem Auffüllen der Durchkontaktierung aufgebracht werden. Insbesondere können gleichzeitig mit den Kontaktflächen weitere Leitungsflächen vorgesehen werden, die beispielsweise zum elektrischen Anschließen des Bausteins oder der Photozelle verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform wird die Durchkontaktierung mit einem warmen flüssigen Material aufgefüllt, wobei nach einem Abkühlvorgang das flüssige Material in einen festen Zustand übergeht und die elektrisch leitende Durchkontaktierung darstellt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat wenigstens teilweise aus Silizium aufgebaut. Auf diese Weise wird eine einfache Herstellung der Photozellen ermöglicht.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Substrats mit einem Baustein;
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2 zeigt eine schematische Teildarstellung einer Draufsicht auf die Durchkontaktierungen;
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3 zeigt eine Anordnung mit einem Substrat, einem elektrischem Baustein, wobei das Substrat auf einem weiteren Substrat angeordnet ist;
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbilds einer Photozelle mit Schalter;
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5 bis 13 zeigen schematische Darstellungen von Verfahrensabschnitten zum Herstellen des Substrats mit dem elektrischen Baustein; und
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14 eine Auswerteschaltung für den Baustein.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein Substrat 1, das auf einer Oberseite eine aktive Schicht 2 mit Photozellen aufweist. Im Substrat 1 sind Durchkontaktierungen 3 vorgesehen, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einer Oberseite des Substrats 1 und einer Unterseite des Substrats 1 realisieren. Auf der Unterseite des Substrats 1 ist ein Baustein 4 angeordnet, der elektrisch leitend mit den Durchkontaktierungen 3 verbunden ist. Weiterhin sind auf der Unterseite seitlich versetzt an gegenüberliegenden Seiten zum Baustein 4 Kontakte 5 in Form von Kontaktkugeln angeordnet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann auf die Kontakte 5 verzichtet werden oder die Kontakte 5 können in Form einer anderen Geometrie ausgebildet werden.
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Die Kontakte 5 sind über nicht dargestellte weitere elektrische Leitungen mit Anschlüssen des Bausteins 4 und/oder mit wenigstens einem der Durchkontaktierungen 3 verbunden. Die in 1 nicht dargestellten Photozellen sind über elektrische Leitungen wenigstens mit einem der Durchkontaktierungen 3 elektrisch leitend verbunden. Zum elektrischen Anschließen der Photozellen sind entsprechende Leitungen oder Leitungsflächen auf der Oberseite des Substrats 1 vorgesehen, die mit wenigstens einer der Durchkontaktierungen 3 elektrisch verbunden sind.
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Die Durchkontaktierungen 3 sind in Form von elektrisch leitenden, beispielsweise senkrecht zur Oberfläche des Substrats 1 ausgebildeten Leitungskanälen ausgebildet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können für eine verbesserte elektrisch leitende Verbindung auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Substrats 1 Kontaktflächen 6, 7 angeordnet sein. Die Kontaktflächen 6, 7 sind aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt und grenzen wenigstens teilweise an Endstücke der Durchkontaktierungen 3 an. Vorzugsweise umgeben die Kontaktflächen 6, 7 Endstücke der Durchkontaktierungen 3 vollständig, beispielsweise in Form einer Ringfläche. Der Baustein 4 weist auf einer Oberseite Anschlüsse 8 in Form von leitenden Kontaktflächen auf, die mit weiteren zugeordneten Anschlüssen 9 des Substrats 1 oder direkt mit den Durchkontaktierungen 3 verbunden sind. Der Baustein 4 kann elektrische und/oder elektronische Schaltungen aufweisen, mit denen eine Verarbeitung des Signals der Photozellen, insbesondere eine Digitalisierung des Signals der Photozellen, durchgeführt wird und über die Anschlüsse, beispielsweise an die Kontakte 5, weitergeleitet wird. Die elektrische und/oder elektronische Schaltung des Bausteins 4 kann beispielsweise in Form einer CMOS-ASIC Schaltung ausgebildet sein. Abhängig von der verwendeten Ausführungsform kann der Baustein 4 auch in einer anderen Halbleitertechnologie ausgebildet sein.
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Die Durchkontaktierungen 3 weisen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Abschnitte 10, 11 auf. Ein erster Abschnitt 10 geht von der Oberseite des Substrats 1 bis zu einer festgelegten Tiefe in das Substrat 1. Der zweite Abschnitt 11 reicht von der Unterseite des Substrats 1 bis zum ersten Abschnitt 10. Der erste und der zweite Abschnitt 10, 11 weisen jeweils einen kreisförmigen Durchmesser auf, wobei der Durchmesser des zweiten Abschnitts 11 größer ist als der Durchmesser des ersten Abschnitts 10. Beispielsweise ist der Durchmesser des ersten Abschnitts 10 im Bereich von 3 bis 10 µm und der Durchmesser des zweiten Abschnitts 11 im Bereich von 20 bis 40 µm. Durch die gewählte Ausführungsform wird auf der Oberseite des Substrats 1 Fläche eingespart und trotzdem wird eine Durchkontaktierung mit einem geringen elektrischen Widerstand bereitgestellt. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die Durchkontaktierung auch einen konstanten Durchmesser aufweisen, der zudem nicht einen Durchmesser in Form einer Kreisscheibe besitzen muss. Die Durchkontaktierungen 3 weisen eine elektrisch leitendes Material beispielsweise SnAg (Zinn/Silber) auf und stehen direkt in Kontakt mit den ersten und zweiten Kontaktflächen 6, 7.
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Das Substrat ist beispielsweise wenigstens teilweise aus Silizium hergestellt, insbesondere in Form einer Siliziumschicht ausgebildet. Die Dicke des Substrats kann im Bereich von 100 μm liegen. Die Anordnung gemäß 1 stellt beispielsweise einen Silizium-Photomultiplier mit Avalanche-Photodioden dar.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teilausschnitt der Oberfläche des Substrats 1, wobei die Durchkontaktierungen 3 dargestellt sind. Die Durchkontaktierungen 3 sind seitlich versetzt zueinander angeordnet, wobei der erste Durchmesser 12 des ersten Abschnitts 10 in Form einer durchgezogenen Kreislinie und der zweite Durchmesser 13 in Form einer gestrichelten Linie in der 2 dargestellt sind.
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3 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung die Anordnung der 1, die auf einem weiteren Substrat 14 angeordnet ist. Dazu sind die Kontakte 5 auf dritte Kontaktflächen 15 des weiteren Substrats 14 aufgebracht und elektrisch und mechanisch mit den dritten Kontaktflächen 15 verbunden.
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Das weitere Substrat 14 kann beispielsweise weitere elektrische und/oder elektronische Schaltungen zur weiteren Verarbeitungen des Signals der Photozellen aufweisen oder auch nur in Form eines Trägers mit elektrischen Leitungen ausgebildet sein, über die das Signal des Bausteins weitergeleitet wird. Beispielsweise kann das weitere Substrat 14 auch als Träger für ein Gehäuse ausgebildet sein, mit dem das Substrat 1 abgedeckt wird.
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In 3 sind auf der Oberseite Signalleitungen 16 der aktiven Schicht 2 dargestellt, die jeweils mit einer Durchkontaktierung 3 verbunden sind. Die Signalleitungen 16 stehen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit mehreren Photozellen in Verbindung. Die einzelnen Photozellen können jedoch vorzugsweise über Schalter zum Auslesen eines Signals an die Signalleitung 16 aktiviert werden.
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4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Photozelle 17 mit einem Schalter 18 in Form eines Transistors. Die Photozelle 17 weist eine Photodiode 19 auf, die beispielsweise in Form einer Lawinenphotodiode ausgebildet ist. Die Photodiode 19 ist in Serie geschaltet mit einem Widerstand 20, der als Löschwiderstand dient. Die Photodiode 19 steht mit einer Versorgungsleitung 21 in Verbindung, an der eine positive Versorgungsspannung angelegt ist. Der Widerstand 20 ist wiederum an eine Masseleitung 22 angeschlossen. An eine Verbindungsleitung zwischen dem Widerstand 20 und der Photodiode 19 ist ein Steueranschluss 23 des Schalters 18 angeschlossen. Im dargestellten Beispiel ist ein Gate-Anschluss des Transistors mit der Verbindungsleitung zwischen dem Widerstand 20 und der Photodiode 19 angeschlossen. Der Schalter 18 ist zwischen Masse und der Signalleitung 16 angeordnet. Die Versorgungsspannung ist in Sperrrichtung an die Kathode der Photodiode 19 angelegt. Die Photozellen arbeiten im Geigermodus, d. h. die Versorgungsspannung ist eine Gleichspannung, die etwas höher ist als die Durchbruchsspannung der Photodiode. Trifft ein Photon auf die Photodiode, so wird ein Lawinenstrom in der Photodiode erzeugt, der erst durch ein Absenken der Vorspannung an der Photodiode abgebrochen wird. Das Absenken der Vorspannung bei Eintreffen eines Photons wird automatisch durch den Widerstand 20 erreicht. Der Vorgang des Lawinendurchbruchs erfolgt sehr schnell. Der Steueranschluss 23 des Schalters 18 ist hochohmig und erfasst die zwischen der Photodiode und dem Widerstand abfallende Vorspannung und gibt ein entsprechendes Signal an die Signalleitung 16. Abhängig von der gewählten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Schaltern 18 von Photozellen 17 an die Signalleitung 16 angeschlossen. Die Signalleitung 16 wird über die Durchkontaktierung 3 zum Baustein 4 geleitet, der abhängig vom Spannungssignal auf der Signalleitung 16 den Einfall eines Photons in die Photozelle erfasst und auswertet.
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Die Masseanschlüsse für die Schalter 18 und für die Masseleitung 22 und die Spannungsversorgung für die Versorgungsleitung 21 sind in den dargestellten Figuren nicht dargestellt. Dazu werden beispielsweise Durchkontaktierungen 3 verwendet.
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Die 5 bis 13 zeigen verschiedene Verfahrensabschnitte für ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Substrat 1 mit Photozellen 17 und einem Baustein 4 gemäß 1.
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In 5 wird ein Substrat 1 mit einer aktiven Schicht 2 mit einer Vielzahl von Photozellen, Schaltern, Steuerleitungen 16 und den weiteren Leitungen mit Anschlüssen gemäß 4 bereitgestellt. In der aktiven Schicht 2 wird eine Öffnung 30 eingebracht, so dass eine Oberseite des Substrats 1 freiliegt. Über die Öffnung 30 wird in die Oberseite ein erstes Loch 31, beispielsweise mit Hilfe eines Ätzvorgangs, eingebracht. Das erste Loch 30 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem ersten Durchmesser auf und erstreckt sich bis zu einer festgelegten Tiefe senkrecht zur Substratoberfläche in das Substrat 1. 6 zeigt das Substrat mit dem ersten Loch 31.
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Anschließend wird von der Unterseite des Substrats 1 her ein zweites Loch 32 in das Substrat 1 eingebracht, vorzugsweise geätzt. Das zweite Loch 32 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem zweiten Durchmesser auf, ist konzentrisch zum ersten Loch 31 angeordnet und bis zum ersten Loch 31 geführt. Der zweite Durchmesser des zweiten Lochs 32 ist größer als der erste Durchmesser des ersten Lochs 31. 7 zeigt das Substrat 1 mit dem zweiten Loch 32. Anschließend werden die Seitenwände des ersten und des zweiten Lochs 31, 32 mit einer elektrischen Isolationsschicht 33 bedeckt. Dieser Verfahrensstand ist in 8 dargestellt. In einem folgenden Verfahrensschritt wird auf die Oberseite des Substrats 1 angrenzend an das erste Loch 31 eine erste Kontaktfläche 6 aufgebracht. Die erste Kontaktfläche 6 besteht aus einem elektrisch leitenden Material. Dieser Verfahrensstand ist in 9 dargestellt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird auf die Unterseite des Substrats 1 eine zweite Kontaktfläche 7 angrenzend an die Öffnung des zweiten Lochs 32 aufgebracht. Zudem werden auf die Unterseite weitere Leiterbahnen 34 aufgebracht, die zur späteren elektrischen Verbindung des Bausteins 4 und der Kontakte 5 benötigt werden. Dieser Verfahrensstand ist in 10 dargestellt.
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Bei einem weiteren Verfahrensschritt wird der Baustein 4 an die Unterseite des Substrats 1 befestigt, wobei die Anschlüsse des Bausteins mit zugeordneten Anschlüssen, d. h. mit der weiteren Leiterbahn 34 und/oder der zweiten Kontaktfläche 7 des Substrats 1 elektrisch leitend verbunden werden. Zudem wird mit einer weiteren Isolationsschicht 36 die weitere Leiterbahn 34 teilweise abgedeckt. Der Baustein kann beispielsweise mit Hilfe eines elektrisch leitenden Polymers mit Hilfe einer Flip-Chip-Bondtechnik an der Unterseite des Substrats 1 befestigt werden. Dieser Verfahrensstand ist in 11 dargestellt.
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In einem folgenden Verfahrensschritt werden die Löcher 31, 32 mit einem elektrisch leitenden Material 35 aufgefüllt. Beispielsweise wird ein flüssiges Material in die Löcher 31, 32 eingefüllt und anschließend abgekühlt. Das abgekühlte Material stellt eine elektrisch leitende Durchkontaktierung 3 dar. Als elektrisch leitendes Material kann beispielsweise Lotmaterial beispielsweise SuAg verwendet werden. Beim Auffüllen werden die ersten und zweiten Kontaktflächen 6, 7 mit dem elektrisch leitenden Material 35 in Kontakt gebracht. Dieser Verfahrensstand ist in 12 dargestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt werden Kontakte 5 auf die Unterseite des Substrats 1 aufgebracht und mit der weiteren Leiterbahn 34 elektrisch leitend verbunden. Als Kontakte 5 können beispielsweise Lötkugeln verwendet werden. 13 zeigt nun eine Anordnung gemäß 1. Als Substrat 1 wird beispielsweise ein Siliziumsubstrat verwendet.
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Mit Hilfe der dargestellten Anordnung kann das Substrat 1 als Träger für den befestigten Baustein 4 verwendet werden. Zudem kann bei der Anbringung der Kontakte 5 das Substrat 1 mit einem weiteren Substrat befestigt werden.
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Das Substrat 1 kann beispielsweise eine Dicke von 250 µm aufweisen. Damit ergibt sich eine kurze Leitungslänge für die Durchkontaktierung 3 und damit eine geringe Leitungskapazität von beispielsweise > 5 pF. Somit wird ein schnelles zeitliches Ansprechen des Bausteins 4 als Auswerteschaltung für die Photozellen ermöglicht.
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Weiterhin wird durch eine symmetrische Leitungsführung der digitalen Leitungen, d. h. der Signalleitungen 16, eine große Uniformität des Signals unabhängig von der Lage der Photozelle erreicht. Zudem ermöglicht die beschriebene Anordnung den Aufbau eines Photodetektors in 3D-Integration. Somit ist eine matrixartige Aneinanderreihung von Anordnungen gemäß 1 zur Erstellung großflächiger Empfänger ohne merkliche Informationsverluste möglich, da die Spalte zwischen den einzelnen Anordnungen auf ein Minimum reduziert werden können, beispielsweise kleiner 50 µm. Weiterhin kommt der Aufbau ohne Zwischenträger aus, wodurch sowohl Systemkosten eingespart werden als auch die Leistung durch kurze elektrische Leitungen nicht beeinträchtigt wird.
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14 zeigt in einer schematischen Darstellung ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Verwendung der Photodioden zur Erfassung eines digitalen Zeitsignals und eines analogen Energiesignals. Dazu wird die Signalleitung 16 an einen ersten Eingang des Bausteins 4 geleitet, wobei der erste Eingang mit einem Diskriminator 41 und einer TDC-Schaltung 42 verbunden ist und auf diese Weise ein digitales Zeitsignal für das Auftreffen der Photonen erfasst und über einen ersten Ausgang 43 ausgibt. Weiterhin ist die Masseleitung 22 an einen zweiten Eingang 44 des Bausteins 4 angeschlossen, der über einen Verstärker 45, einen Formungsschaltung 46, eine Integratorsschaltung 47 und eine ADC-Schaltung 48 ein Energiesignal ermittelt und über einen zweiten Ausgang 49 ausgibt. Somit kann mit Hilfe des digitalen Signals sowohl der Zeitpunkt des Einfalls der Photonen und mit Hilfe des analogen Energiesignals der Energieinhalt der Photonen erfasst werden. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der Baustein auch andere und/oder weitere Auswerteschaltungen aufweisen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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