DE102011081322A1

DE102011081322A1 - Detektorelement, Strahlungsdetektor und medizinisches Gerät mit solchen Detektorelementen und Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements

Info

Publication number: DE102011081322A1
Application number: DE102011081322A
Authority: DE
Inventors: Fabrice Dierre; Matthias Strassburg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: CN102956740A; US20130049146A1; DE102011081322B4; CN102956740B; US9052402B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Detektorelement mit einem halbleitenden Konverterelement und darauf angeordneten Metallkontakten für wenigstens eine Anode und wenigstens eine Kathode, wobei wenigstens einer der Metallkontakte eine Kontaktschicht aus einem Kontaktmaterial auf Edelmetallbasis und Ruthenium als Mischungsbestandteil umfasst. Außerdem betrifft die Erfindung einen Strahlungsdetektor mit einem solchen Detektorelement mit einer Rutheniumhaltigen Kontaktschicht und optional mit einer Auswerteelektronik zum Auslesen eines Detektorsignals, sowie ein medizintechnisches Gerät mit einem solchen Strahlungsdetektor. Weiterhin wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements beschrieben, welches den Schritt des Aufbringens eines Kontaktmaterials wenigstens eines der Metallkontakte auf dem Konverterelement umfasst, wobei das Kontaktmaterial eine Edelmetallbasis mit Ruthenium als Mischungsbestandteil umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Detektorelement mit einem halbleitenden Konverterelement und darauf angeordneten Metallkontakten für Strahlungsdetektoren, einen Strahlungsdetektor, ein medizintechnisches Gerät und Verfahren zum Erzeugen eines solchen Detektorelements.
Für die Detektion von ionischer Strahlung, insbesondere von Gamma- und Röntgenstrahlung, werden im Allgemeinen Szintillationsdetektoren oder direktkonvertierende Strahlungsdetektoren auf Basis von Halbleitermaterialien eingesetzt. In den Szintillationsdetektoren wird die einfallende Strahlung indirekt über die Anregung von Elektronen und die Umwandlung in Photonen anderer Wellenlänge ungewandelt. Diese Photonen werden dann von Photodetektoren erfasst, deren Ausgangssignal ein Maß für die einfallende Strahlung ist. Davon unterscheiden sich die direktkonvertierenden Strahlungsdetektoren, die in der Lage sind, die ionisierende Strahlung in ein auslesbares Signal direkt umzuwandeln. Durch ein spezielles Halbleitermaterial können die direktkonvertierenden Strahlungsdetektoren dabei auch einzelne Photonen zählen.
Direktkonvertierende Strahlungsdetektoren weisen hierfür üblicherweise Detektorelemente auf, die zusätzlich zu dem zur Detektion von ionischer Strahlung verwendeten Strahlungsdetektionsmaterial mindestens zwei Metallkontakte für wenigstens eine Anode und eine Kathode aus einem geeigneten Kontaktmaterial aufweisen. Das Strahlungsdetektionsmaterial und das Kontaktmaterial sollten dabei jeweils eine spezifische Anregungsenergie der Ladungsträger aufweisen und im idealen Fall sollte an der Grenzfläche ein ohmscher Kontakt zwischen beiden Materialien bestehen. Denn über die Elektroden, d.h. die Anode bzw. Kathode, mit den Metallkontakten, wie zum Beispiel Platin- oder Goldkontakten, wird das Strahlungsdetektionsmaterial elektrisch leitend mit der Ausleseelektronik und der Spannungsversorgung des Detektors verbunden.
Die bisherigen direktkonvertierenden Strahlungsdetektoren basieren auf Strahlungsdetektionsmaterialien aus Halbleiterverbindungen, wie zum Beispiel CdTe, CdZnTe, CdZnSe und CdZnTeSe. Allerdings kommt es bei diesen Strahlungsdetektionsmaterialien, insbesondere unter Röntgen- und/oder Gammabestrahlung mit hohen Flussdichten, wie sie zum Beispiel in Computertomographiegeräten üblich bzw. notwendig sind, zur Ausbildung einer Raumladungszone im Strahlungsdetektor durch langsame Löcher bzw. durch ortsfeste Ladungen, die in der Regel an tiefe bzw. sogenannte intrinsische Störstellen gebunden sind. Diese tiefen Störstellen (mit einer Tiefe bis zur Hälfte der Bandlückenenergie) können die durch Strahlung erzeugten Ladungsträger einfangen und mit ihnen rekombinieren. Die dadurch erzeugte Raumladungszone sowie die Reduzierung der Beweglichkeit aller Ladungsträger bewirken eine Reduktion des von außen angelegten elektrischen Feldes und damit eine Reduktion der Pulshöhe, so dass eine deutlich geringere Intensität der Strahlung suggeriert wird. Das heißt, das Spektrum wird energetisch zu geringeren Werten verschoben. Diesen Effekt nennt man Polarisation, welche den maximal detektierbaren Fluss eines direktkonvertierenden Strahlungsdetektors begrenzt.
Zusätzlich zu den Veränderungen des internen elektrischen Feldes durch den Polarisationseffekt stellen die Kontakte in den herkömmlichen Systemen jedoch regelmäßig keine idealen ohmschen Kontakte dar, weil sie regelmäßig an der Grenzfläche zwischen Metallkontakt und Halbleitermaterial unterschiedliche Anregungsenergien der Ladungsträger aufweisen. So kommt es je nach Abscheidemethode beispielsweise zur Injektion von Löchern bei Platin-Kontakten und zur Injektion von Elektronen bei Indium-Kontakten. Diese durch die aufgebrachten Metallkontakte erzeugte Raumladung behindert auch die Trennung und den Abtransport der durch Bestrahlung entstandenen Ladungsträger. Durch die sich ändernden Ladungsträgertransporteigenschaften, ändern sich auch die Detektoreigenschaften. Die Raumladung führt also zu einer Verstärkung des Effektes der Polarisation.
Um die Polarisation zu reduzieren, kann die am Detektor angelegte äußere Spannung erhöht werden. Das verhindert jedoch nicht die Veränderung des elektrischen Feldes im Halbleiter. Um die Polarisation zu minimieren wird ebenso versucht, an der Grenzfläche zwischen Metall und Halbleitermaterial einen elektrisch leitfähigen Übergang, idealerweise einen ohmschen Übergang, zwischen Metall und Halbleitermaterial zu erzeugen, damit die Ladungsträger ohne großen Widerstand die Grenzfläche passieren können.
Die DE 10 2009 018 877 A1 beschreibt hierfür zum Beispiel einen Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in einem Computertomographie-System, mit einem Halbleitermaterial und einem Kontaktmaterial, die jeweils eine spezifische Anregungsenergie der Ladungsträger aufweisen. Dieser Röntgenstrahlungsdetektor zeichnet sich dadurch aus, dass die Anregungsenergie herkömmlicher Kontaktmaterialien (z.B. Pt, Au, Ir oder Pd) der Anregungsenergie des Halbleitermaterials (z.B. CdTe, CdZnTe, CdTeSe und CdZnTeSe) entspricht.
Für bestimmte Anwendungen reichen jedoch die herkömmlichen Kontaktmaterialien nicht aus. Dies gilt insbesondere dann, wenn die direktkonvertierenden Halbleitermaterialien höhere Fremdionenanteile bzw. eine reduzierte Anzahl freier Ladungsträger aufweisen, zum Beispiel um den Strahlungskonverter für einen anwendungsrelevanten energetischen Bereich anzupassen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Detektorelemente mit halbleitenden, bevorzugt direktkonvertierenden, Konverterelementen und darauf angeordneten Metallkontakten zur Detektion von ionischer Strahlung zu finden, die insbesondere eine elektrisch leitfähigeren Übergang zwischen Metall und Kontaktschicht aufweisen. Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, Strahlungsdetektoren und medizintechnische Geräte mit solchen Detektorelementen sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Detektorelemente zu finden.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Detektorelement nach Anspruch 1, durch einen Strahlungsdetektor nach Anspruch 8 und ein medizintechnisches Gerät nach Anspruch 9 und zum anderen durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.
Das erfindungsgemäße Detektorelement umfasst dabei ein halbleitendes Konverterelement und darauf angeordnete Metallkontakte für wenigstens eine Anode und eine Kathode. Das halbleitende Konverterelement besteht dabei aus einem Strahlungsdetektionsmaterial, in dem die in das Material einfallenden Photonen direkt oder indirekt erfasst werden können. Bei einem direktkonvertierenden Material kann durch die Erzeugung von Ladungsträgern in dem Strahlungsdetektionsmaterial die einfallende Strahlung über eine Zählratenerfassung direkt nachgewiesen werden. Die durch die Röntgenphotonen erzeugten Ladungsträgerpaare (Elektronen-Loch-Paare) werden durch das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes zur jeweiligen Elektrode beschleunigt (Elektronen zur Anode, Löcher zur Kathode) und influenzieren bei ihrem Eintreffen einen Puls auf der jeweiligen Elektrode, die dann über eine Verstärkerelektronik als Strom- oder Spannungspuls nachgewiesen werden.
Das erfindungsgemäße Detektorelement umfasst zudem auf dem Konverterelement angeordnete Metallkontakte für wenigstens eine Anode und wenigstens eine Kathode. Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe umfasst wenigstens einer der Metallkontakte eine Kontaktschicht aus einem Kontaktmaterial auf Edelmetallbasis und Ruthenium als Mischungsbestandteil. Unter „Edelmetallbasis“ versteht man in diesem Zusammenhang, dass die Grundkomponente des Kontaktmaterials neben der Rutheniumkomponente aus einem oder einer Mischung mehrerer Edelmetalle, insbesondere der Metalle der 8. bis 11. Nebengruppe des Periodensystems, besteht. Weitere Mischungsbestandteile bzw. Legierungsbestandteile aus anderen Edelmetallen, weniger edlen Metallen oder auch Nichtmetallen können enthalten sein, solange sie die elektrische Kontaktierung zwischen dem Konverterelement und dem Kontaktmaterial nicht wesentlich beeinflussen. Die Edelmetallbasis und die Rutheniumkomponente können dabei in beliebigen Anteilen vorliegen, wobei der Begriff „Edelmetallbasis“ nicht heißen soll, dass die Edelmetallkomponente zwangsläufig anteilsmäßig größer ist als die Rutheniumkomponente.
Unter die vorstehende Definition des Detektorelements fällt auch, dass nur auf der Anodenseite oder nur auf der Kathodenseite ein Rutheniumhaltiger Metallkontakt auf dem Konverterelement ausgebildet ist, wobei es bevorzugt ist, dass sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite ein solcher Metallkontakt ausgebildet ist. Der Vorteil der Rutheniumhaltigen Metallkontakte ist, dass das Energieniveau des mit dem Strahlungsdetektorelement in Kontakt stehenden Metallkontakts durch den Anteil des Rutheniums variiert werden kann. Hierbei kann man insbesondere die Austrittsarbeit der Ladungsträger in dem Rutheniumhaltigen Metallkontakt über den Anteil des Rutheniums so anpassen, dass ein verbesserter elektrisch leitfähiger Übergang idealerweise ein ohmscher Übergang zwischen Metall und Halbleitermaterial erzeugt wird.
Von einem ohmschen Kontakt spricht man, wenn der Kontaktwiderstand zwischen Metall und Halbleiter vernachlässigbar ist im Vergleich zum Widerstand des Halbleitermaterials. Dabei kommt es aber nicht alleine auf die Fermi-Niveaus der beiden zu kontaktierenden Materialien an, sondern auch auf die bei der Herstellung der Kontaktierungen auftretenden Mikroprozesse in den an den Übergang angrenzenden Grenzschichten. In 4 ist zum Beispiel eine Bandstrukturskizze des realen stofflichen Verlaufs zwischen Palladium (Pd) auf semi-isolierendem p-CdTe nach direkter Kontaktierung, z.B. Abscheidung mittels Sputtern oder Verdampfen, gezeigt. Obwohl die Fermi-Niveaus beider Materialien auf gleicher Höhe liegen, z.B. unter der Annahme einer Austrittsarbeit der Ladungsträger in Pd von 5,2 eV und einem Fermi-Niveau von CdTe von 0,7 eV unterhalb des Valenzbandabstands vom Vakuum (E_VB = 5,9 eV), ist dieser Kontakt kein ohmscher Kontakt, denn er besitzt eine hohe Barriere für den Ladungsträgerübergang vom Halbleiter in den Metallkontakt, die so genannte „eingebaute Spannung V_bi“.
Bei einem ohmschen Kontakt können die Elektronen aus dem fast unendlichen Reservoir des Metalls in den Halbleiter strömen und umgekehrt, so dass die Weiterleitung der in dem Strahlungsdetektionsmaterial erzeugten Ladungsträger, z.B. Elektronen, an die Elektroden nicht gehemmt wird. Da ein ohmscher Kontakt nur den Idealfall darstellt und dieser in der Praxis nur schwer zu erreichen ist, wird im Folgenden von quasi ohmschen Kontakten gesprochen, wenn der Übergang weitgehend barrierefrei ausgestaltet ist.
Da die gewöhnlich in Metallkontakten eingesetzten Edelmetalle wie zum Beispiel Gold (Au), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir) hohe Austrittsarbeiten bei Raumtemperatur (nach Michaelson bei ca. 25 °C) von etwa 5,2 eV oder höher haben, eignen sie sich nur für wenige Halbleitermaterialsysteme. In letzter Zeit haben sich die Anforderungen an das Konverterelement jedoch derart geändert, dass das Fermi-Niveau von relevanten halbleitenden Konvertern, zum Beispiel in CdZnTe-Halbleitersystemen oder ähnlichen Systemen unterhalb der Austrittsarbeit dieser Metalle liegt bzw. gegenüber den üblichen Metallkontakten aus Gold, Platin oder Palladium die eingebaute Spannung auf Grund der geladenen Fehlstellen, insbesondere Cadmium-Fehlstellen, im mittleren Bandlückenbereich zu hoch ist. Deshalb kann mit den herkömmlichen Metallkontakten, wie zum Beispiel Platin- oder Goldkontakten, keine hinreichende Angleichung der Energiebänder des Metalls und des Halbleitermaterials erzielt werden.
In intensiven Untersuchungen haben die Erfinder herausgefunden, dass sich die Austrittsarbeit der für Metallkontakte verwendeten Edelmetalle mit Beimischungen von Ruthenium, das eine Austrittsarbeit von etwa 4,7 eV aufweist, absenken lässt. Bevorzugt liegt in Rutheniumhaltigen Metallkontakten die Austrittsarbeit unterhalb von 5,6 eV, bevorzugt auch im Bereich von 5,0 bis 5,5 eV, noch bevorzugter im Bereich von 5,0 bis 5,4 eV. Durch die Variation des Rutheniumanteils in dem Metallkontakt kann die Austrittsarbeit des Metallkontakts an das an der Grenzfläche vorhandene lokale Fermi-Niveau der Zwischenschicht verschiedenartiger Halbleiterverbindungen derart angepasst werden, dass die eingebaute Spannung klein ist (bevorzugterweise kleiner als die thermische Aktivierung der Ladungsträger), so dass diese von den Ladungsträgern überwunden werden kann. Dadurch können Kontakte mit einem quasi ohmschen Verhalten zwischen dem Strahlungsdetektionsmaterial und dem Material des Metallkontaktes in den erfindungsgemäßen Detektorelementen auf der Anoden- und/oder Kathodenseite erzielt werden. Insbesondere ist mit der Beimischung von Ruthenium und einer entsprechenden Anpassung des Rutheniumanteils eine Anpassung, insbesondere eine Absenkung, der Austrittsarbeit des Metallkontakts an das jeweilige für den Übergang erforderliche Energieband des Halbleiterelements fast beliebig möglich.
Diese und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Detektorelements machen es für den Einsatz in Strahlungsdetektoren und insbesondere in Detektoren zur Zählratenerfassung von Röntgen- und/oder Gammabestrahlung geeignet. Deshalb richtet sich die Erfindung auch auf einen Strahlungsdetektor mit einer Anzahl von erfindungsgemäßen Detektorelementen. Optional kann der Strahlungsdetektor auch über eine Auswerteelektronik zum Auslesen eines Detektorsignals verfügen, die z. B. direkt als ein Bestandteil des Strahlungsdetektors ausgebildet sein kann. Alternativ kann die Auswerteelektronik auch als separates, mit dem Strahlungsdetektor verbindbares System ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäßen Strahlungsdetektoren eignen sich auf Grund der vorstehend erläuterten Vorteile und insbesondere wegen der Verbesserung der Raumladungseffekte bzw. der Polarisationseffekte auch bei gewöhnlichen Einsatzbedingungen für den Einsatz in medizintechnischen Geräten und insbesondere in Geräten mit einer Zählratenerfassung unter Röntgen- und/oder Gammabestrahlung, insbesondere mit höherer Strahlungsintensität. Deshalb richtet sich die Erfindung auch auf ein medizintechnisches Gerät mit einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor. Besonders bevorzugte Beispiele hierfür sind Röntgensysteme, Gammastrahlensysteme, CT-Systeme oder Radionuklid-Emissions-Tomographiesysteme wie z. B. PET-Systeme oder SPECT-Systeme.
Das Detektorelement kann erfindungsgemäß durch ein Verfahren erzeugt werden, welches zumindest den Schritt des Aufbringens wenigstens eines der Metallkontakte aus einem Kontaktmaterial, umfassend eine Edelmetallbasis und Ruthenium als Mischungsbestandteil umfasst.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor, das erfindungsgemäße medizintechnische Gerät und das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen zum Detektorelement weitergebildet sein können und umgekehrt.
In einer ersten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Detektorelement ein halbleitendes Konverterelement mit einem Strahlungsdetektionsmaterial, das aus Halbleiterverbindungen und insbesondere Halbleiterverbindungen mit direktkonvertierenden Eigenschaften aufgebaut ist. Beispiele für direktkonvertierende Halbleiterverbindungen, die in den erfindungsgemäßen Detektorelementen eingesetzt werden können, sind II-VI- oder III-V-Halbleiterverbindungen, insbesondere Selenide, Telluride, Antimonide, Nitride, Arsenide und Phosphide, wie zum Beispiel Materialsysteme auf Basis von CdSe, CdZnTe, CdTeSe, CdZnTeSe, CdMnTeSe, GaSb, GaInSb, GaInAsSb, GaInPSb, AlInSb, AlInAsSb, GaN, GaInN, GaAsN, GaInAsN und InP. Bevorzugt können Halbleiterverbindungen aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden:
Cd_xZn_1-xTe_ySe_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1),
Cd_xMn_1-xTe_ySe_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1),
Ga_xIn_1-xAs_ySb_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1),
Al_xIn_1-xAs_ySb_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1),
Ga_xIn_1-xP_ySb_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1),
Al_xIn_1-xP_ySb_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1),
Ga_xIn_1-xSb_yN_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1), und
Ga_xIn_1-xN_yP_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1).
Ein besonders bevorzugtes Halbleitermaterial ist auf Grund der Position der Energiebänder entweder CdTe oder CdZnTe, wobei die Bandlücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband mit steigendem Zn-Anteil von 1,5 eV (4,45 eV bis 5,95 eV unterhalb des Vakuumniveaus für CdTe) auf höhere Werte ansteigt. So hat Cd_0,9Zn_0,1Te zum Beispiel eine Bandlücke von 1,65 eV (4,3eV bis 5,95 eV unterhalb des Vakuumniveaus). Je nach Anzahl an freien Ladungsträgern, die bei einer p-Dotierung reduziert sind, liegt das Fermi-Niveau innerhalb dieses Bandlückenbereiches, wobei etwas oberhalb der Bandlückenmitte die p-Leitung in n-Leitung umschlägt. Falls wenige freie Ladungsträger vorhanden sind, liegt das Fermi-Niveau in etwa in der Mitte, das heißt bei etwa 5,1 bis 5,4 eV für p-dotiertes Cd_0,9Zn_0,1Te und bei etwa 5,2 bis 5,4 eV für p-dotiertes CdTe.
Andere Halbleiterverbindungen verhalten sich analog zu dem vorstehend beispielhaft erläuterten CdTe-System, so dass die Erfindung mit diesem Wissen auch auf diese übertragen werden kann. Außerdem können die vorstehend aufgeführten Halbleiterverbindungen zusätzlich mit weiteren Dotierstoffen dotiert sein. Solche Dotierstoffe, wie z.B. Halogenide und Gruppe III Elemente für II-VI Verbindungen, Chalkogene (Gruppe VI Elemente), Gruppe IIa und IIb Elemente, Gruppe IV Elemente für III-V Verbindungen, etc., sind dem Fachmann ebenfalls bekannt.
Erfindungsgemäß umfasst das Detektorelement ein Strahlungsdetektionsmaterial mit einem Fermi-Niveau im Bereich von etwa 5,0 bis etwa 5,6 eV, bevorzugt im Bereich von etwa 5,1 bis etwa 5,4 eV und insbesondere bevorzugt von etwa 5,2 bis etwa 5,4 eV. Für diese Systeme ist die Austrittsarbeit (auch „workfunction“ genannt) von reinen Platin- oder Palladiumkontakten, die eine Austrittsarbeit (nach Michaelson bei Raumtemperatur von etwa 25 °C) von etwa 5,6–5,8 eV (für Platin) und etwa 5,4–5,6 eV (für Pd). Da im Bulk des Halbleiters (CdTe und CdZnTe) der Abstand des Valenzbandes zum Vakuumniveau 5,95 eV beträgt, ergibt sich bei direktem Kontakt eine hohe eingebaute Spannung, die die Ausbildung eines ohmschen Kontaktes verhindert. Es kommt daher gewöhnlich zu Raumladungseffekten, insbesondere durch positive Löcher durch Cadmiumfehlstellen nahe der Kontaktfläche, und deshalb zu einer Polarisation an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Metallkontakt.
Durch die beschriebenen Rutheniumhaltigen Metallkontakte kann die Austrittsarbeit je nach Rutheniumanteil auf den gewünschten Wert abgesenkt werden, so dass die erfindungsgemäßen Detektorelemente verbesserte elektrische Kontakte zwischen den vorstehend aufgeführten Halbleiterelementen und dem Metallkontakt ausbilden. Durch die Variation des Rutheniumanteils kann die Austrittsarbeit relativ gut auf das benötigte Niveau eingestellt werden, da Ruthenium wie erwähnt eine Austrittsarbeit von nur etwa 4,7 eV (nach Michaelson bei RT) aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektorelements umfasst das Strahlungsdetektionsmaterial in einem an die Kontaktschicht angrenzenden Bereich des Konverterelements eine Anzahl von Fehlstellen, welche den Kontaktwiderstand zwischen Metall und Halbleiter verglichen mit einer direkten Kontaktierung der beiden Werkstoffe verringern. Solche Fehlstellen können zum Beispiel durch einen Austausch von Cadmiumatomen im Grenzflächennahen Bereich durch Metallatome, z.B. Rutheniumatome, oder durch andere Dotierstoffe erzielt werden. Bevorzugt können diese zusätzlichen Fehlstellen in den Bereichen bei der Herstellung der Kontakte erzeugt werden. Zum Beispiel haben die Erfinder in Untersuchungen herausgefunden, dass solche Austauschreaktionen bei der stromlosen Abscheidung von Rutheniumhaltigen Metallkontakten auf den Halbleiterelementen stattfinden. Je nach verwendeter Rutheniumverbindung können auch andere Fremdatome in das Halbleitergitter and der Grenzfläche eingebaut werden. Die Konzentration an Fremdatomen und damit an Fehlstellen ist Verfahrensbedingt an der Grenzfläche zwischen Metallkontakt und Halbleitermaterial am höchsten und nimmt mit zunehmender Eindringtiefe in das Halbleiterelement sukzessive ab.
Bei der stromlosen Abscheidung von Metallen, wie z.B. Pt, Au, Ru, Pd kommt es zur Ausbildung einer Zwischenschicht zwischen dem eigentlichen Elektrodenmaterial und dem Halbleiter. Diese Zwischenschicht zeichnet sich dadurch aus, dass die eingebaute Spannung des Übergangs erniedrigt wird. Dadurch ist es möglich, quasiohmsche Übergänge zwischen Materialien zu erhalten, die sonst aufgrund der hohen Barriere für die Ladungsträger, der eingebauten Spannung, blockierende Kontakte darstellen. Diese Zwischenschicht zeichnet sich durch Oberflächenzustände aus, so dass man nur noch lokal von einem Ferminiveau in dieser Zwischenschicht sprechen kann. Durch die Variation des Rutheniumanteils in dem Metallkontakt kann die Austrittsarbeit des Metallkontakts an das lokale Fermi-Niveau der Zwischenschicht verschiedenartiger Halbleiterverbindungen derart angepasst werden, dass die eingebaute Spannung klein und bevorzugt kleiner als die thermische Aktivierung der Ladungsträger ist, so dass diese von den Ladungsträgern überwunden werden kann. Dadurch können Kontakte mit einem quasi ohmschen Verhalten zwischen dem Strahlungsdetektionsmaterial und dem Material des Metallkontaktes in den erfindungsgemäßen Detektorelementen auf der Anoden- und/oder Kathodenseite erzielt werden. Insbesondere ist mit der Beimischung von Ruthenium und einer entsprechenden Anpassung des Rutheniumanteils eine Anpassung, insbesondere eine Absenkung, der Austrittsarbeit des Metallkontakts an das jeweilige für den Übergang erforderliche Energieband des Halbleiterelements fast beliebig möglich.
Der Vorteil gegenüber einem direkten Abscheiden, bei dem in der Regel eine relativ große eingebaute Spannung (im Wesentlichen der Unterschied zwischen Valenzbandoberkante des Halbleiters und der Austrittsarbeit des Metalls) verbleibt, liegt in der guten Variierbarkeit der Bänder über die erzeugten Zwischenschichten. Dabei können über die Zwischenschichten oder Oberflächenzustände die Bänder lokal so modifiziert werden, dass den Ladungsträgern Möglichkeiten gegeben wird, in diese hineinzugelangen. Dies gelingt zum Beispiel weil lokale Barrieren klein sind oder auch ein Tunneln ermöglicht wird.
Ein weiterer Vorteil der Ausbildung einer solchen Zwischenschicht mit Fehlstellen in dem Grenzflächennahen Bereich des Konverterelements liegt in einem Ausgleich der Cadmiumfehlstellen und einer Verringerung der Polarisationseffekte an der Grenzfläche. Dadurch verringert sich auch die eingebaute Spannung V_bi, da die für die Leitfähigkeit am Übergang verantwortlichen Energiebänder in Richtung des Fermi-Niveaus des Metallkontakts „verbogen“ werden und damit die Leitfähigkeit erhöht wird. Unter „Verbiegen“ versteht man, dass sich auf Grund der Fehlstellen in der Halbleiterschicht mehrere Zwischenniveaus ausbilden, welche die Energiebänder sukzessive mit der Eindringtiefe in das Konverterelement verändern. Je nach Anzahl der Fehlstellen kann das für den Ladungsträgerübergang verantwortliche Energieniveau bzw. Energieband an das Fermi-Niveau des Metallkontakts angepasst werden, so dass die eingebaute Spannung V_bi minimiert wird. Im Idealfall kann die eingebaute Spannung vernachlässigbar klein werden, so dass ein quasi ohmscher Kontakt ausgebildet ist.
Bevorzugte Beispiele für in einem an die Kontaktschicht angrenzenden Bereich des Konverterelements vorhandene Fehlstellen sind Halogen-, Sauerstoff- oder Metallbasierte Fehlstellen. Diese bilden sich zum Beispiel bei einer stromlosen Abscheidung von Metallkontakten aus Halogenhaltigen oder Sauerstoffhaltigen Rutheniumverbindungen oder Palladiumverbindungen, z.B. aus einer wässerigen Lösung.
Das Kontaktmaterial kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine Edelmetall-Legierung umfassen. Bevorzugte Legierungen sind Pd/Pt, Pd/Ru, Pt/Ru und Pd/Pt/Ru. Aber auch Gold- oder andere Edelmetalle können für das Kontaktmaterial eingesetzt werden. Wird eine Legierung eingesetzt, die selbst kein Ruthenium als Legierungsbestandteil aufweist, kann die Rutheniumkomponente auch in anderer Form, z. B. als Mischkomponente, in einem gemäß der Erfindung aufgebauten Metallkontakt vorliegen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kontaktmaterial Palladium, Platin oder eine Mischung aus diesen Metallen, da diese schon relativ nah bei den entsprechenden Fermi-Niveaus der eingesetzten Halbleitermaterialien und den auf ihnen während des stromlosen Abscheidungsprozess erzeugten Zwischenschichten liegen, aber meist eine etwas zu hohe Austrittsarbeit haben, so dass die eingebaute Spannung bzw. die Raumladungszone meist zu hoch für einen guten elektrischen Übergang sind.
Je nach Kombination des halbleitenden Konverterelements und der Edelmetallbasis des Kontaktmaterials ist der Konzentrationsbereich für die Ruthenium-Beimengungen sehr weiträumig. So kann es bei einem relativ hoch liegenden Fermi-Niveau schon reichen, eine relativ kleine Ruthenium-Beimengung der Edelmetallbasis hinzuzufügen, um deren Austrittsarbeit auf das jeweilige Fermi-Niveau des Halbleitermaterials weitgehend anzugleichen.
Beispielsweise kann der Rutheniumanteil in dem Kontaktmaterial von etwa 1 × 10¹⁵ Atomen/cm³ bis etwa 1 × 10²⁰ Atomen/cm³ liegen, wenn ein Halbleitersystem mit relativ hoher p-Leitfähigkeit eingesetzt wird, da das Fermi-Niveau des Halbleiters nahe der Valenzbandkante liegt. Dies gilt insbesondere für die II-VI Halbleiter hoch p-leitendes CdTe, CdZnTe, CdSeTe, CdMnTe.
Steigt die energetische Position des Fermi-Niveaus, kann es vorteilhaft sein, dass der Rutheniumanteil in dem Kontaktmaterial in einem Bereich von etwa 0.1% bis etwa 10% liegt. Dies ist zum Beispiel bei Halbleitersystemen mit einem höheren Fremdionenanteil zweckmäßig.
Bei semiisolierenden Systemen, z.B. aufgrund einer Fremddotierung oder Dotierung durch Eigendefekte, die dass Fermi-Niveau in der Nähe der Bandlückenmitte pinnen (z. B. im CdTe-, CdZnTe-, CdMnTe, CdTeSe, CdMnTeSe-Systemen) kann ein Rutheniumanteil in dem Kontaktmaterial von größer als etwa 10% bis etwa 50% zweckmäßig sein, da die Verbiegung der Bänder in der Umgebung und in der Zwischenschicht hier so stark ist, dass die hohe eingebaute Spannung deutlich reduziert wird.
Zusätzlich kann über die Zwischenschicht aufgrund ihrer Dicke und Zusammensetzung auch der Grad der Absenkung der eingebauten Spannung eingestellt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektorelements kann eine Kontaktschicht an wenigstens einem der Metallkontakte aufweisen, die zwei oder mehrere Schichten umfasst. Die Anzahl der Schichten kann beliebig gewählt werden, solange keine oder nur geringe Leitungsverluste dadurch entstehen. Um einen weitgehend idealen ohmschen Kontakt an der Grenzschicht zum Halbleitermaterial zu schaffen, ist es zweckmäßig, dass zumindest das Kontaktmaterial der mit dem halbleitenden Konverterelement in Kontakt stehenden Schicht Ruthenium umfasst. Die weiteren Schichten können Rutheniumfrei sein oder ebenfalls Ruthenium-Beimengungen haben. Eine bevorzugte weitere Schicht hat einen Goldanteil, um einen Kontakt zu einem häufig aus Gold gefertigten Ableiter zur Anode bzw. Kathode zu verbessern.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors umfasst eines der vorstehend im Detail erläuterten bevorzugten Detektorelemente mit einem Rutheniumhaltigen Metallkontakt und optional eine Auswerteelektronik zum Auslesen eines Detektorsignals.
Erfindungsgemäße Strahlungsdetektoren können als Schottky-Detektoren oder als Ohmsche Detektoren ausgeführt werden. Bei einem Schottky-Detektor findet ein Übergang vom Halbleiter zum Metall (Elektrode) nur in einer Richtung statt, d. h. ein solcher Detektor sperrt in einer Richtung. Bei einem ohmschen Detektor können die Elektronen in beide Richtungen fließen, d. h. vom Halbleiter ins Metall und umgekehrt. Ein ohmscher Detektor hat also nicht diesen Sperreffekt wie ein Schottky-Detektor.
Ein solcher Strahlungsdetektor kann als singuläres Element oder als kombiniertes Element aus zwei oder mehreren einzelnen Detektoren ausgeführt werden. Bei mehreren Detektoren spricht man gewöhnlich auch von einem Detektorarray, welches häufig aus einem einzelnen Halbleitergrundelement aufgebaut ist, das mit Septen als isolierenden Sperrelementen und Elektroden versehen worden ist. In einem solchen Detektorarray erfolgt der Einfall der Bestrahlung bevorzugt von Seiten der Kathode, die auf das Halbleitergrundelement aufgebracht bzw. aufgedampft worden ist. In einem singulären Detektorelement ist die Einstrahlungsrichtung grundsätzlich unabhängig von der Ausbildung der Elektroden und kann auch seitlich oder ebenfalls von der Seite der Kathode oder der Anode erfolgen.
Bei der Anwendung eines vorstehend im Detail erläuterten bevorzugten Strahlungsdetektors in einem medizintechnischen Gerät ist die Messung von hohen Strahlenflüssen, wie sie insbesondere in der Computertomographie vorkommen, aufgrund der Vermeidung bzw. Verringerung der Polarisation an den Grenzflächen zwischen Konverterelement und Metallkontakt(en) möglich. Somit kann ohne großen apparatetechnischen Aufwand auch bei Umgebungstemperatur eine gute Energieauflösung bei hohen Strahlenflüssen erzielt werden. Ein weiterer Vorteil der Anwendung von Detektorelementen mit Rutheniumhaltigen Metallkontakten gemäß der Erfindung liegt darin, dass unter anderem durch die Vermeidung von Ladungsträgerwolkendispersion auf Grund von Raumladungszonen kürzere Pulsdauern als bei herkömmlichen Geräten möglich sind.
Die in den erfindungsgemäßen Detektorelementen eingesetzten Rutheniumhaltigen Metallkontakte können wie vorstehend erwähnt im Allgemeinen durch ein Verfahren hergestellt werden, welches den Schritt des Abscheidens eines Rutheniumhaltigen Kontaktmaterials wenigstens eines der Metallkontakte auf dem Konverterelement umfasst. Durch die Variation des Rutheniumanteils in dem abgeschiedenen Metallkontakt kann die Austrittsarbeit des Metallkontakts an die eingebaute Spannung und dem Fermi-Niveau verschiedenartiger Halbleiterverbindungen besser angepasst werden. Dadurch können Kontakte mit einem verbesserten elektrischen Übergang, einem quasi ohmschen Verhalten zwischen dem Strahlungsdetektionsmaterial und dem Material des Metallkontaktes, in den erfindungsgemäßen Detektorelementen auf der Anoden- und/oder Kathodenseite erzielt werden, wie vorstehend schon erläutert wurde.
In einer bevorzugten Ausführungsform und einer Variante des Abscheidens wird das Kontaktmaterial auf Edelmetallbasis mit Ruthenium und/oder Palladium als Mischungsbestandteil aus einer Lösung einer Edelmetallverbindung und einer Rutheniumverbindung und/oder Palladiumverbindung zusammen oder getrennt voneinander stromlos abgeschieden. Dabei kann die Edelmetallverbindung aus einer beliebigen Anzahl von Edelmetallverbindungen von einem oder auch mehreren Metallen oder Metallkationen bestehen. Analog kann die Rutheniumverbindung bzw. die Palladiumverbindung eine oder mehrere unterschiedliche Verbindungen umfassen. Insbesondere können ionische und/oder kovalente Edelmetallverbindungen, Rutheniumverbindungen oder Palladiumverbindungen für das Abscheiden eingesetzt werden, solange sie sich stromlos auf der Halbleiteroberfläche in Form einer Kontaktschicht abscheiden lassen.
Das gleiche Prinzip des Verbiegens der Energiebänder im Halbleiterelement auf das Fermi-Niveau des Metallkontakts hin kann nicht nur bei Rutheniumverbindungen, sondern auch bei Palladiumkontakten beobachtet werden, wenn diese stromlos auf das Halbleiterelement abgeschieden werden. Dabei bilden sich entsprechende Fehlstellen, z.B. aus Palladiumatomen oder Halogen- bzw. Sauerstoffatomen, in der Nähe der Grenzschicht aus. Der Zustand des Verbiegens des Valenzbandes auf das Fermi-Niveau des Metallkontakts bei Palladium ist in der 5 gezeigt. Hier sieht man, dass die eingebaute Spannung bei der stromlosen Abscheidung von Palladium auf das CdTe-Halbleiterelement und der Ausbildung von Palladium-Fehlstellen nahe der Grenzfläche im Vergleich zu dem Energiezustand bei der Direktkontaktierungsmethode (4) verringert ist. Deshalb betrifft die Erfindung auch Detektorelemente mit Palladiumhaltigen Metallkontakten, in denen sich Fehlstellen durch das stromlose Abscheiden von Palladiumkontakten auf dem Konverterelement in einem Bereich nahe der Grenzfläche ausbilden.
Durch die stromlose Abscheidemethode kann die Polarisation weiter reduziert oder minimiert werden. Denn durch den Austausch von Atomen des Konverterelements, z. B. von Cd-Atomen, durch Metallatome, insbesondere Ruthenium und/oder Palladiumatome, der Kontaktschicht kann die Anzahl der geladenen Vakanzen (hier z. B. der Cd-Vakanzen, wie Cd²⁺), die an der Grenzfläche als Akzeptoren wirken, verringert werden. Falls schon Cd-Vakanzen in dem Strahlungsdetektionsmaterial an der Grenzfläche zum Metallkontakt vorhanden sind, werden bei der Abscheidung leicht Metallatome oder Atome aus den zum Abscheiden verwendeten Verbindungen in einem an die Kontaktschicht angrenzenden Bereich eingebaut. Insbesondere sind dies, je nach verwendeter Ausgangsverbindung, Halogen-, Sauerstoff- oder Metallatome. Diese bilden dann in dem an die Kontaktschicht angrenzenden Bereich Halogen-, Sauerstoff- oder Metallbasierte Fehlstellen, insbesondere innerhalb der Bandlücke des Halbleiterelements, aus. Dabei liegt die Cd²⁺-Vakanz energetisch fast in der Mitte der Bandlücke, wobei durch Auffüllen der Vakanz oder Neutralisation durch Donatoren in der Nähe, diese energetisch erniedrigt werden kann, so dass sie sich näher an der Valenzbandoberkannte befindet.
Durch diese gezielt in den Kristall eingebrachten Fehlstellen kann ein verbesserter elektrisch leitfähiger Übergang, bevorzugt ein quasi ohmscher Kontakt, zwischen Metall und Halbleiter erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil dieser stromlos hergestellten Kontakte ist, dass diese Kontakte einen geringen Leckstrom und damit ein geringes Rauschen besitzen.
Bei der stromlosen Abscheidemethode findet, wie vorstehend schon angesprochen, an der Grenzfläche ein Austausch von Halbleiteratomen und Metallatomen und/oder Halogen- und/oder Sauerstoffatomen statt. Dadurch kann neben der Ausbildung eines quasi ohmschen Kontaktes, auch ein verbesserter mechanisch fester Übergang erzeugt werden, so dass die Lebenszeit des Detektorelements verbessert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieser stromlosen Abscheidemethode wird das Metall mit dem höchsten elektrochemischen Potential, bevorzugt Ruthenium, als erstes abgeschieden, bevor das Metall mit dem nächst höheren elektrochemischen Potential, z.B. Palladium oder Platin, abgeschieden wird (das heißt das chemisch edelste Material wird als letztes abgeschieden). Ebenso wie bei der Metallisierung des Halbleitermaterials kommt es auch bei der Abscheidung von z. B. Platin auf schon abgeschiedenes Ruthenium zu einem partiellen Austausch der zuerst abgeschiedenen Rutheniumatome durch Platinatome. Durch die Prozessführung kann dieser Austausch beeinflusst werden, so dass die Zusammensetzung der Kontaktschicht des Metallkontaktes in jedem beliebigen Mischungsverhältnis eingestellt werden kann. Parameter, welche die Zusammensetzung der Kontaktschicht bei der Abscheidung des zweiten Metalls mit einem niedrigeren elektrochemischen Potential auf dem ersten Metall beeinflussen können, sind zum Beispiel die Temperatur oder der pH-Wert der metallhaltigen Lösung, die Konzentration der Lösung und/oder die Abscheidedauer. Damit dieser Austausche der Metallatome in gewünschter Weise möglich ist, dürfen die Schichtdicken der abgeschiedenen Metallschichten nicht so dick sein, dass der Atomaustausch nur in einem Bereich an der Oberfläche der jeweiligen Schicht stattfindet, ohne die darunterliegende Schicht zu beeinflussen. Deshalb liegt die Dicke der Kontaktschicht des Metallkontakts bevorzugt in einem Bereich von wenigen Atomlagen, z. B. weniger als 100, bevorzugt weniger als 50 oder weiter bevorzugt weniger als 10 Atomlagen.
Insbesondere durch das bei dieser stromlosen Abscheidemethode einstellbare Mischungsverhältnis des Metallmaterials der Kontaktschicht kann die Austrittsarbeit des Metalls auf einfache Weise so eingestellt werden, dass sie an die eingebaute Spannung und das Fermi-Niveau des Halbleiters angepasst ist. Das heißt, dass durch eine Veränderung der Zusammensetzung der Metallisierung dieser Kontaktschicht ein Metallkontakt auf verschieden dotierten und/oder auf verschiedenen Halbleiterverbindungen abgeschieden werden kann, der einen quasi ohmschen Kontakt darstellt. Die Variabilität dieser Methode ist dabei von Vorteil.
In der stromlosen Abscheidemethode werden bevorzugt kommerziell verfügbare Lösungen verwendet. Diese Lösungen umfassen in einer Ausführungsform als Edelmetallverbindungen Metallsalze, bevorzugt Halogenide, Cyanide, Chlorometallsäuren, von Edelmetallen. Als Rutheniumverbindungen umfassen diese Lösungen zum Beispiel Rutheniumsalze, bevorzugt Halogenide, Cyanide, Chlorometallsäuren, die je nach dem elektrochemischen Potential getrennt von den eingesetzten Edelmetallen oder optional zusammen mit diesen abgeschieden werden können.
Bevorzugte Beispiele von Platinverbindungen sind H₂PtCl₆, PtI₂ oder PtBr₂. Beispielhafte Palladiumverbindungen sind unter anderem PdCl₂, PdBr₂ oder PdI₂. Diese Salze liegen in Lösung meistens als Komplexverbindungen mit weiteren Donatoren, wie zum Beispiel Wasser, Tetrahydrofuran oder weiteren Komplex- bzw. Chelatbildnern, vor.
Bevorzugte Beispiel für Rutheniumverbindungen sind RuCl₃, RuBr₃, RuI₃ oder deren Komplexverbindungen mit beispielsweise Wasser, Tetrahydrofuran oder weiteren Komplex- bzw. Chelatbildnern.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfassen die Lösungen der Edelmetallverbindungen und/oder Rutheniumverbindungen Wasser und/oder organische Lösungsmittel. Bevorzugte Beispiel für organische Lösungsmittel sind Lösungsmittel mit einem niedrigeren Siedepunkt im Bereich von nicht mehr als 180 °C, bevorzugt nicht mehr als 125 °C, wie zum Beispiel Ethylenglykol, Aceton, usw.
Eine solche stromlose Abscheidemethode erlaubt eine Metallisierung der Halbleitermaterialien in einem hohen Umsatz, da es eine rein chemische, in Lösung stattfindende Methode mit relativ kurzen Abscheidedauern ist. Eine Abscheidung aus Lösung hat zusätzlich den Vorteil, dass in der Regel keine Reinraumbedingungen vorliegen müssen.
Ein weiterer Vorteil der stromlosen Abscheidemethode ist, dass sich der Nachweis der Metallisierungsstruktur, insbesondere der Zusammensetzung der Kontaktschicht, relativ einfach bestimmen lässt. So kann zum Beispiel eine Tiefenprofilanalyse der Zusammensetzung mittels spektroskopischer Methoden, wie etwa Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS), Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBS), Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICPMS), durch chemische Analysen oder auch durch eine Schliffanalyse erfolgen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei sollen die Zeichnungen lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung dienen, aber die Erfindung soll nicht darauf eingeschränkt werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der elektronischen Verhältnisse in einem n⁺-Halbleiter,
2 eine schematische Darstellung der elektronischen Verhältnisse in einem p⁺-Halbleiter,
3 eine schematische Darstellung der elektronischen Verhältnisse in einem p-Halbleiter,
4 eine schematische Darstellung der elektronischen Bandstrukturverhältnisse in einem Kontakt zwischen einem p-CdTe-Halbleiter und einer Pd-Kontaktschicht eines Metallkontakts in einem Detektorelement nach dem Stand der Technik, hergestellt durch direktes Kontaktieren (Sputtern) des Metalls auf den Halbleiter,
5 eine schematische Darstellung der elektronischen Bandstrukturverhältnisse in einem Kontakt zwischen einem p-CdTe-Halbleiter und einer stromlos abgeschiedenen Pd-Kontaktschicht eines Metallkontakts in einem erfindungsgemäßen Detektorelement mit quasi ohmschen Kontakt,
6 eine schematische Darstellung der elektronischen Bandstrukturverhältnisse in einem quasi ohmschen Kontakt zwischen einem CdTe-Halbleiter und einer Ru-Kontaktschicht eines Metallkontakts in einem erfindungsgemäßen Detektorelement,
7 eine schematische Darstellung der Austrittsarbeiten verschiedener Edelmetalle und eines CdTe-Halbleiters (nach Michaelson),
8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors und
9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen medizintechnischen Geräts.
Die 1, 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen der elektronischen Verhältnisse in einem n⁺-Halbleiter (1), einem p⁺-Halbleiter (2) und einem p-Halbleiter (3). In allen Figuren liegt das Fermi-Niveau E_F eines Halbleiterelements, z. B. CdTe, zwischen der Energie des Valenzbandes E_VB und der des Leitungsbandes E_CB. Auf der Energieachse E ist jeweils die Verteilung der freien Ladungsträger in den Energiebändern veranschaulicht.
In der 1 ist ein n-leitender Halbleiter mit einer hohen Dichte an freien Ladungsträgern (Verteilung C) in dem Leitungsband E_CB gezeigt (n⁺-Halbleiter). Die Dichte der freien Ladungsträger (Verteilung V) im Valenzband ist dabei deutlich niedriger. Das Fermi-Niveau E_F liegt hier in der Nähe des Leitungsbandes E_CB.
In der 2 ist ein p-leitender Halbleiter mit einer hohen Dichte an freien Ladungsträgern (Verteilung V) in dem Valenzband E_VB gezeigt (p⁺-Halbleiter). Die Dichte an freien Ladungsträgern (Verteilung C) in dem Leitungsband E_CB ist dagegen deutlich kleiner. Das Fermi-Niveau E_F liegt daher in der Nähe des Valenzbandes E_VB.
In der 3 ist ein p-Halbleiter mit einem Fermi-Niveau in einem für die erfindungsgemäße Anwendung interessanten Bereich gezeigt. Denn der hier gezeigte Halbleiter hat eine reduzierte Anzahl an freien Ladungsträgern, so dass dieser Halbleiter ein verbessertes intrinsisches Verhalten aufweist. Insbesondere die Verteilung V ist gegenüber dem Halbleiter in 2 deutlich kleiner. Durch dieses intrinsische Verhalten ist der Halbleiter für einen Strahlungsdetektor besonders geeignet, da weitgehend die Strahlungsinduzierten Ladungsträger gemessen werden. Das Fermi-Niveau E_F liegt relativ mittig zwischen dem Leitungsband E_CB und dem Valenzband E_VB.
In der 4 ist eine schematische Darstellung der Verhältnisse der elektronischen Bandstruktur in einem Kontakt zwischen einem p-CdTe-Halbleiter und einer Pd-Kontaktschicht eines Metallkontakts in einem herkömmlichen Detektorelement nach dem Stand der Technik gezeigt, das durch direktes Kontaktieren (Sputtern) des Metalls auf den Halbleiter hergestellt wurde. Vergleichbare Bandstrukturen würden mit einer Gasphasenabscheidung erzielt werden. Selbst wenn das Fermi-Niveau des Metalls (entsprechend der Austrittsarbeit WF der Elektronen) auf der gleichen Höhe wir das Fermi-Niveau von p-CdTe (hier z.B. 5,2 eV) liegt, wie in dieser Bandstruktur gezeigt ist, ist für die Ladungsträger die die eingebaute Spannung V_bi relativ groß. Die Spannung V_bi ist dabei die Barriere, welche die Ladungsträger bei einem Übergang vom Halbleiterelement in den Metallkontakt oder umgekehrt überwinden muss. Nachdem bei den bevorzugten Halbleiterelementen, die für die Ladungsträgerübertragung verantwortlichen Fehlstellen zum Teil in der Mitte der Bandlücke liegen, ist die eingebaute Spannung zum Teil so hoch, dass kein ohmscher Kontakt vorliegt, da die Fermi-Niveaus des Konverterelements und des Metallkontakts im isolierten Zustand auf gleicher Höhe liegen. Insbesondere bei Barrieren von größer als 100 meV ist grundsätzlich eine Blockade bei Raumtemperatur zu erwarten.
In der 5 ist eine schematische Darstellung der elektronischen Bandstrukturverhältnisse in einem Kontakt zwischen einem p-CdTe-Halbleiter und einer stromlos abgeschiedenen Pd-Kontaktschicht eines Metallkontakts in einem Detektorelement mit einem quasi ohmschen Kontakt gezeigt. Die eingebaute Spannung ist hier durch den vorstehenden Einbau von Metall-, Halogen- oder Sauerstoffatomen in das Halbleiterelement im Bereich der Zwischenschicht IL zum Fermi-Niveau des Metallkontakts, hier aus Pd, hin verbogen. In dieser Zwischenschicht liegt kein einheitliches Fermi-Niveau vor, sondern die Anzahl der Fehlstellen und besetzten Oberflächenzustände in dem jeweiligen Schichtbereich gibt das Maß der Verbiegung und auch das lokal existierende Fermi-Niveau vor. Dadurch wird die eingebaute Spannung stark erniedrigt, so dass eine Verringerung des Leckstroms im Vergleich zum Direktkontaktverfahren ein quasiohmsches Verhalten des stromlos abgeschiedenen Kontakts ermöglicht. Ein geringerer Leckstrom bewirkt auch ein geringeres Rauschen. Prinzipiell ist das Konzept des Erzeugens von Fehlstellen in einer Zwischenschicht des Konverterelements an der Grenzfläche zwischen Halbleiterschicht und Metallschicht durch stromlosen Abscheiden des Metallkontakts auf dem Halbleiterelement, wie hier gezeigt ist, nicht auf Rutheniumhaltige Kontakte beschränkt, sondern es ist auch auf, zum Beispiel, Palladiumkontakte übertragbar.
Die 6 zeigt analog die Verhältnisse bei einer stromlosen Abscheidung von Ruthenium auf p-CdTe. Die 6 ist eine schematische Darstellung der elektronischen Bandstrukturverhältnisse in einem Kontakt zwischen einem p-CdTe-Halbleiter und einer Ru-Kontaktschicht eines Metallkontakts in einem erfindungsgemäßen Detektorelement. Auch hier wurde die Ru-Kontaktschicht stromlose aus einer wässerigen Rutheniumchloridlösung abgeschieden. Dadurch weist das Konverterelement in der Zwischenschicht IL Fehlstellen im CdTe-Halbleitergitter auf, die mit Ruthenium-, Halogen-, und Sauerstoffatomen gefüllt sind. Die Bandstruktur wird durch diese Fehlstellen zum Fermi-Niveau des Rutheniumhaltigen Metallkontakts hin verbogen, so dass sich für die eingebaute Spannung V_bi ein Wert ergibt, der bevorzugt nicht größer als 100 meV und weiter bevorzugt nicht größer als 25 meV ist.
Durch eine Variation der Konzentration an Fehlstellen bzw. durch eine weitere Variation des Fermi-Niveaus des Metallkontakts, z.B. durch Erniedrigung des Rutheniumanteils in dem Metallkontakt, kann die eingebaute Spannung weitgehend minimiert werden.
Die 7 zeigt eine schematische Darstellung der Austrittsarbeiten WF verschiedener Edelmetalle im Vergleich zu den elektrischen Verhältnissen in einem CdTe-Halbleiter vom p-Halbleitertyp. Alle Werte sind nach einer Methode nach Michaelson (bei RT) gemessen. Rechts neben dem Balken für den CdTe-Halbleiter ist die Valenzbandenergie E_VB und die des Leitungsbandes E_CB angeben. Der Pfeil am Leitungsband E_CB gibt die Absenkrichtung Z an, in der sich das Energieniveau des Leitungsbandes mit zunehmendem Fremdatomanteil (z. B. Zn in CdZnTe-Halbleitersystem) absenkt und damit die Bandlücke vergrößert. Der für Strahlungsdetektoren interessante Bereich D_rel. des Fermi-Niveaus ist links dieses Balkens angegeben und liegt im Bereich von etwa 5,0 eV bis etwa 5,6 eV. Sowohl die Austrittsarbeit von Pd als auch von Pt sind höher als dieser Bereich, so dass mit den reinen Edelmetallkontakten kein idealer ohmscher Kontakt erzielt werden könnte. Mit den erfindungsgemäßen Metallkontakten mit entsprechender Rutheniumbeimengung kann die Austrittsarbeit der Kontaktschicht jedoch in den interessanten Bereich, d. h. an die mittels Zwischenschicht auf dem Halbleiter eingestellte eingebaute Spannung, wunschgemäß eingestellt werden (entsprechend den elektronischen Verhältnissen aus 5).
Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor 10, welcher hier mit einer Auswerteelektronik 13 ausgestattet ist. Zur Ausbildung des Detektors sind hier erfindungsgemäß halbleitende Konverterelemente 3 mit einem Metallkontakt aus einer Rutheniumhaltigen Kontaktschicht 6 sowohl auf Seiten der Anode A als auch der Kathode K matrixartig (in 6 ist nur ein Ausschnitt einer Reihe dieses Detektors dargestellt) nebeneinander angeordnet und durch Septen 4 voneinander getrennt. Der Strahlungsdetektor 10 weist eine Kathodenanordnung 11 und eine Anodenanordnung 12 auf, so dass jedes Konverterelement 3 auf einer Kathodenseite mit einer Kathode K und auf einer Anodenseite mit einer Anode A versehen ist. Die zu detektierende ionisierende Strahlung, z. B. Röntgenstrahlung R, trifft hier auf die Kathodenseite des Strahlungsdetektors 10. Grundsätzlich kann ein erfindungsgemäßer Strahlungsdetektor aber auch so ausgebildet sein, dass die zu detektierende Strahlung R von einer anderen Einfallsrichtung aus auf den Strahlungsdetektor fällt, beispielsweise, dass der Strahlungsdetektor so ausgerichtet ist, dass die Kathodenseite und die Anodenseite parallel zur Einfallsrichtung der Strahlung liegen.
Der Strahlungsdetektor 10 ist hier mit einer Auswerteelektronik 13 versehen, welche für jedes Konverterelement 3 einen Vorverstärker 14 aufweist, um ein in diesem Konverterelement 3 entstehendes Signal zunächst vorzuverstärken. Die Kopplung der Vorverstärker 14 an die Anoden A ist in der Figur sehr vereinfacht dargestellt. Dem Fachmann sind die grundsätzlichen Methoden, wie Signale von einem Strahlungsdetektor ausgelesen und weiterverarbeitet werden können, bekannt. Die Vorverstärker 14 sind mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 15 verbunden, in der die Signale weiter verarbeitet und dann z. B. an eine Auswerteeinheit (nicht dargestellt) weitergegeben werden.
Die 9 zeigt ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel für ein medizintechnisches Gerät 20, hier ein Röntgensystem 20. Dieses weist einen Röntgenstrahler 21, einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor 10 mit einer Auswerteelektronik 13 sowie eine Systemsteuereinrichtung 22 auf. Der Röntgenstrahler 21 und der Strahlungsdetektor 10 sind im Betrieb so einander gegenüberliegenden angeordnet, dass die Abstrahlrichtung des Röntgenstrahlers 21 in Richtung des Strahlungsdetektors 10 weist. Ein Untersuchungsobjekt P, beispielsweise ein Patient bzw. ein Körperteil des Patienten, wird dann passend zwischen dem Röntgenstrahler 21 und dem Strahlungsdetektor 10 positioniert, um zur Aufnahme eines Röntgenbildes mit dem Strahlungsdetektor 10 die vom Röntgenstrahler 21 ausgesendete und durch das Untersuchungsobjekt P abgeschwächte Röntgenstrahlung R ortsaufgelöst zu erfassen. Die Ansteuerung des Röntgenstrahlers 21 erfolgt hier mittels einer sehr vereinfacht dargestellten Systemsteuereinrichtung 22, welche auch die von der Auswerteelektronik 13 verarbeiteten Detektorsignale zur weiteren Bearbeitung übernimmt, um beispielsweise ein Bild aus den Detektorsignalen zu rekonstruieren und einem Benutzer auszugeben oder in einem Speicher zu hinterlegen.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Detektorelementen, Strahlungsdetektoren, medizintechnischen Geräten und Verfahren zur Erzeugung von Detektorelementen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedener Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Insbesondere können die gleichen oder zumindest ähnlichen Effekte erzielt werden, wenn ein Rutheniumhaltiger Metallkontakt lediglich auf der einen Seite, entweder der Anoden- oder der Kathodenseite, eines solchen Detektorelements eingesetzt wird. Außerdem kann das allgemeine erfindungsgemäße Konzept und insbesondere die Vorteil des Verbiegens der Energiebänder und das Absenken der eingebauten Spannung auch auf Palladiumkontakte ohne Ruthenium übertragen werden. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Element“ als Bauteil nicht aus, dass dieses aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009018877 A1 [0007]

Claims

Detektorelement (1) mit einem halbleitenden Konverterelement (3) und darauf angeordneten Metallkontakten für wenigstens eine Anode (A) und wenigstens eine Kathode (K), wobei wenigstens einer der Metallkontakte eine Kontaktschicht (6) aus einem Kontaktmaterial auf Edelmetallbasis und Ruthenium als Mischungsbestandteil umfasst.
Detektorelement nach Anspruch 1, wobei das halbleitende Konverterelement (3) ein Strahlungsdetektionsmaterial umfasst, das aus Halbleiterverbindungen aufgebaut ist, welche bevorzugt aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Cd_xZn_1-xTe_ySe_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1), Cd_xMn_1-xTe_ySe_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1), Ga_xIn_1-xAs_ySb_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1), Al_xIn_1-xAs_ySb_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1), Ga_xIn_1-xP_ySb_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1), Al_xIn_1-xP_ySb_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1), Ga_xIn_1-xSb_yN_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1), und Ga_xIn_1-xN_yP_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1).
Detektorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Strahlungsdetektionsmaterial in einem an die Kontaktschicht (6) angrenzenden Bereich (IL) des Konverterelements (3) eine Anzahl von Fehlstellen umfasst, welche den Kontaktwiderstand zwischen Metall und Halbleiter verglichen mit einer direkten Kontaktierung der beiden Werkstoffe verringern.
Detektorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche wobei das Strahlungsdetektionsmaterial in einem an die Kontaktschicht (6) angrenzenden Bereich (IL) des Konverterelements (3) eine Anzahl von Halogen-, Sauerstoff- oder Metallbasierten Fehlstellen umfasst.
Detektorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktschicht (6) wenigstens eines der Metallkontakte zwei oder mehrere Schichten umfasst, wobei zumindest ein Kontaktmaterial der mit dem halbleitenden Konverterelement (3) in Kontakt stehenden Schicht Ruthenium umfasst.
Detektorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kontaktmaterial eine Edelmetall-Legierung umfasst.
Detektorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kontaktmaterial Palladium, Platin oder eine Mischung aus diesen Metallen umfasst.
Strahlungsdetektor (10) mit einer Anzahl von Detektorelementen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und optional mit einer Auswerteelektronik (13) zum Auslesen eines Detektorsignals.
Medizintechnisches Gerät (20) mit einem Strahlungsdetektor (10) nach Anspruch 8.
Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements (1) mit einem halbleitendem Konverterelement (3) und darauf angeordneten Metallkontakten für wenigstens eine Anode (A) und wenigstens eine Kathode (K), umfassend den Schritt des Aufbringens wenigstens eines der Metallkontakte aus einem Kontaktmaterial, umfassend eine Edelmetallbasis und Ruthenium als Mischungsbestandteil, auf das Konverterelement (3).
Verfahren insbesondere nach Anspruch 10, wobei das Kontaktmaterial auf Edelmetallbasis mit Ruthenium und/oder Palladium als Mischungsbestandteil aus einer Lösung einer Edelmetallverbindung und einer Rutheniumverbindung und/oder einer Palladiumverbindung zusammen oder getrennt voneinander stromlos abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Metall mit dem höchsten elektrochemischen Potential, bevorzugt Ruthenium, als erstes abgeschieden wird, bevor das Metall mit dem nächst höchsten elektrochemischen Potential abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Edelmetallverbindungen Metallsalze, bevorzugt Halogenide, von Edelmetallen und/oder die Rutheniumverbindungen Rutheniumsalze, bevorzugt Halogenide, sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Lösungen der Edelmetallverbindungen und/oder Rutheniumverbindungen Wasser und/oder organische Lösungsmittel umfassen.