DE102011083532A1

DE102011083532A1 - Wandlerschicht für Strahlungsdetektoren

Info

Publication number: DE102011083532A1
Application number: DE201110083532
Authority: DE
Inventors: Björn Kreisler; Fabrice Dierre; Matthias Strassburg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wandlerschicht (3) aus einem halbleitenden Strahlungsdetektionsmaterial für einen Strahlungsdetektor (10), die eine erste Seite für das Aufbringen einer Pixelelektrode (11) mit individuellen Elektrodenelementen (A) und eine zweite Seite für das Aufbringen einer Gegenelektrode (12) aufweist, wobei die Wandlerschicht in einem an die individuellen Elektrodenelemente (A) angrenzenden Bereich eine Anzahl von Feldverzerrungselementen (6) umfasst, die so ausgebildet sind, dass sie ein über Elektroden an die Wandlerschicht angelegtes elektrisches Feld auf die Bereiche der individuellen Elektrodenelemente (A) fokussieren. Die Erfindung betrifft ferner ein Detektorelement (1) mit einer solchen Wandlerschicht, einen Strahlungsdetektor (10) und ein medizintechnisches Gerät (20) mit einem solchen Detektorelement (1) bzw. Strahlungsdetektor (10), sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer Wandlerschicht (3) sowie eines Detektorelements (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Wandlerschicht aus einem halbleitenden Strahlungsdetektionsmaterial für einen Strahlungsdetektor, ein Detektorelement mit einer solchen Wandlerschicht, einen Strahlungsdetektor und ein medizintechnisches Gerät mit einem solchen Detektorelement bzw. Strahlungsdetektor, sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer Wandlerschicht sowie eines Detektorelements.
Strahlungsdetektoren, insbesondere direktkonvertierende Strahlungsdetektoren, ermöglichen eine quantitative und energieselektive Erfassung einzelner Photonen, beispielsweise einer hochenergetischen Strahlung wie z. B. Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung. In direktkonvertierenden Strahlungsdetektoren erzeugt jeweils ein Photon einer Strahlung in einer Wandlerschicht aus einem speziellen Halbleitermaterial freie Ladungsträger in der Form von Elektronen-Loch-Paaren. 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, der dann über eine Verstärkerelektronik als Strom- oder Spannungspuls nachgewiesen wird.
Zur Detektion von hochenergetischen Strahlungen eignen sich beispielsweise Halbleitermaterialien in Form von II-VI-Halbleitern oder III-V-Halbleitern mit hohen Atomzahlen, insbesondere Cadmiumtelluride oder Cadmiumselenide oder Galliumarsenide oder Galliumantimonide. Diese Materialien eignen sich auf Grund einer hohen Röntgenabsorption insbesondere für die Energiebereiche der medizinischen Bildgebung.
Einer der Nachteile ist jedoch der schlechte Lochtransport in dem Halbleitermaterial. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde beim Stand der Technik die Ausbildung von Streifen, Pixeln und anderen Strukturen der jeweiligen Sammelelektrode, herkömmlicherweise der Anode, vorgeschlagen. Alle diese Oberflächenstrukturen nutzen den so genannten „small-pixel-effect“. Dieser beruht darauf, dass bei im Vergleich zur Wandlerschichtdicke sehr kleinen pixelierten Elektroden das elektrische Feld erst in unmittelbarer Nähe der pixelierten Elektroden stark ansteigt. Dies führt dazu, dass der größte Teil des Ladungssignals erst entsteht, wenn die Ladungsträger die Nähe der Elektrode erreichen. Diesen Effekt kann man zum Beispiel ausnutzen, um den Beitrag des durch Löcher induzierten Signals zu reduzieren. Dabei korreliert die Effizienz des „small-pixel-effects“ direkt mit dem Verhältnis zwischen der Pixelgröße und der Wandlerschichtdicke. Der „small-pixel-effect“ wirkt sich insbesondere auf einer Entfernung von etwa 100 µm aus. Darüber verlaufen die Feldlinien wieder nahezu parallel.
Bei den herkömmlichen Wandlerschichten mit einer solchen Pixelelektrode machen sich jedoch gerade bei einer hohen Strahlungsintensität insbesondere auf Seiten der Pixelelektrode, die gewöhnlich die Anode ist, einzelne Störstellen, wie z. B. Vakanzen oder Zwischengitteratome, bemerkbar. Auf Grund dieser Störstellen werden die freigesetzten Ladungsträger verlangsamt oder eingefangen, wodurch die mittlere Verweildauer der Ladungsträger im Halbleitermaterial ansteigt. Gleichzeitig gibt es zwischen den Pixeln einen feldfreien Raum (siehe 1), in dem Ladungsträger eingefangen und „gespeichert“ werden können. Diese stehen dann nicht mehr dem Puls zur Verfügung und generieren ein dem äußeren Feld entgegen gerichtetes Feld. Das führt zu sogenannten Polarisationseffekten, durch welche das zwischen der Gegenelektrode und der Pixelelektrode ausgebildete elektrische Feld abgeschwächt wird. Polarisationseffekte vermindern dadurch die Trennungseffizienz der im Halbleitermaterial erzeugten Ladungsträger und führen somit zu einer Verbreiterung des detektierten elektrischen Signals. Hierdurch besteht die Gefahr, dass Signale von zeitlich dicht hintereinander eintreffenden Quanten so überlagert werden, dass eine Trennung der Ereignisse nicht mehr möglich ist. Daher kommt es in den herkömmlichen Systemen immer wieder zu einer Fehlinterpretation des beobachteten Signals, so dass Zählrate und Energiezugehörigkeiten verfälscht werden.
Als eine Möglichkeit zur Verhinderung der Polarisationseffekte wurde bisher das Erzeugen eines vollständig intrinsischen Halbleiters, z. B. CdTe, ohne kompensierende Dotierstoffe erachtet. Solche nahezu intrinsischen CdTe-Kristalle erhält man beispielsweise beim Wachstum von Kristallen mittels einer THM-Methode („travelling heater method“) bei Verwendung hochreiner Ausgangsmaterialien und sehr geringen Temperaturen. Dieses Verfahren führt jedoch zu Kristallen mit geringem elektrischem Widerstand, die allenfalls kleine Detektorvolumen erlauben.
Um die Polarisation auf andere Art und Weise zu reduzieren bzw. zu unterdrücken, kann die am Detektor angelegte äußere Spannung erhöht werden oder es kann eine gepulste Vorspannung angelegt werden. Dies führt aber zu anderen unerwünschten Eigenschaften, oder diese Verfahren sind nicht unter normalen Betriebsbedingungen wie etwa Raumtemperatur anwendbar. Zum Beispiel führt eine Steigerung der angelegten äußeren Spannung zwar zu einer Erhöhung der Ladungsträgerdriftgeschwindigkeiten (bei den üblicherweise angelegten Feldern von kleiner als 10kV/cm) und somit zu einer leichten Reduzierung der Polarisation, aber die Ansammlung von Ladungsträgern in den feldfreien Räumen kann nicht verhindert werden. Letztendlich kommt es auch zu einer Reduzierung des elektrischen Feldes an der Anodenseite, insbesondere bei Ohmschen Detektoren, d. h. bei Detektoren, in denen die Elektronen in beide Richtungen, d. h. vom Halbleiter ins Metall und umgekehrt, beinahe ungehindert fließen können.
In der deutschen Patentanmeldung DE 2009 1004 8276 ist eine Wandlerschicht für einen Strahlungswandler zur direkten Wandlung einer eintreffenden Strahlung in elektrische Ladungsträger beschrieben, in der in einem Halbleitermaterial Partikel mit einer speziellen Größe und in einer speziellen Verteilung angeordnet sind. Die in dem Halbleitermaterial angeordneten Partikel erzeugen dabei in dem Halbleitermaterial Gitterdefekte, durch welche sich bei Strahlungseinfall und vorhandenem elektrischen Feld lokale Raumladungen ausbilden können. Weiterhin ist in diesem Stand der Technik beschrieben, dass diese Partikel sich selbst aufladen und es damit zu einer Feldüberhöhung an den Oberflächen und Kanten der Partikel und zu einer Erhöhung der Feldliniendichte im Bereich der Elektroden kommt. Dadurch kommt es zu einem vergleichsweise schmalen Signal mit einer hohen Signalamplitude des auf den Elektroden influenzierten Signals. Die Effekte lassen sich jedoch nur mit speziell einzuhaltenden Verteilungen der Partikel im Halbleiter erzielen, so dass für alternative Möglichkeiten Bedarf besteht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, alternative Wandlerschichten für Strahlungsdetektoren, sowie Detektorelemente, direktkonvertierende Strahlungsdetektoren und medizintechnische Geräte mit solchen Wandlerschichten, insbesondere für den Einsatz bei hohen Strahlungsintensitäten, sowie Herstellungsverfahren dafür zu liefern.
Diese Aufgabe wird zum einen durch eine Wandlerschicht nach Anspruch 1, ein Detektorelement nach Anspruch 9, einen Strahlungsdetektor nach Anspruch 12 sowie ein medizintechnisches Gerät nach Anspruch 13 und zum anderen durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Wandlerschicht nach Anspruch 14 und ein Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements nach Anspruch 15 gelöst.
Die erfindungsgemäße Wandlerschicht umfasst dabei ein halbleitendes Strahlungsdetektionsmaterial für einen Strahlungsdetektor und weist eine erste Seite für das Aufbringen einer Pixelelektrode mit individuellen Elektrodenelementen und eine zweite Seite für das Aufbringen einer Gegenelektrode auf.
Unter halbleitendem Strahlungsdetektionsmaterial versteht man ein Material, in dem einfallende Photonen direkt oder indirekt erfasst werden können. Dafür wird die Wandlerschicht zwischen zwei Elektroden, einer Kathode und einer Anode, angeordnet. 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 hin beschleunigt (Elektronen zur Anode, Löcher zur Kathode) und influenzieren bei ihrem Eintreffen Pulse auf der jeweiligen Elektrode, die dann über eine Verstärkerelektronik als Strom- bzw. Spannungspuls nachgewiesen werden. Da die Löcher ca. 10 bis 100 mal langsamer sind als die Elektronen, erzeugen die Elektronen einen klaren Puls, während die Löcher zeitlich stark verschmiert sind. Deswegen werden meist die Elektronen für die Pulserzeugung genutzt.
Beispiele für direktkonvertierende Halbleiterverbindungen, die in einer erfindungsgemäßen Wandlerschicht eingesetzt werden können, sind II-VI-Halbleiterverbindungen oder III-V-Halbleiterverbindungen, insbesondere Selenide, Telluride, Arsenide oder Antimonide wie zum Beispiel Materialsysteme auf Basis von CdSe, CdZnTe, CdTeSe, CdZnTeSe, CdMnTeSe, GaInAs, GaInAsSb oder AlGaInSb. Bevorzugt können Halbleiterverbindungen aus 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) oder Al_xGa_1-xIn_ySb_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1) ausgewählt werden.
Unter einer ersten Seite für das Aufbringen einer Pixelelektrode mit individuellen Elektrodenelementen versteht man im Sinne der Erfindung, dass die Oberfläche der Wandlerschicht auf der ersten Seite, bevorzugt auf der Anodenseite, eine Oberflächenstruktur besitzt, welche die Oberfläche in einzelne definierte Pixel unterteilt. Die Form und Gestalt der Pixel kann beliebig gewählt sein, wobei die Seitenlänge oder der Durchmesser der einzelnen Pixel im Vergleich zu der Schichtdicke der Wandlerschicht bevorzugt klein ist, um den so genannten "small-pixel-effect" zu erzielen. Bevorzugte Strukturen sind kreisförmige oder viereckige und insbesondere quadratische Pixel mit einer definierten Pixelgröße, d. h. mit einer definierten Pixelfläche an der Oberfläche der Pixelelemente. Dabei sind in einer vorteilhaften Variante die Ecken der Pixelstrukturen abgerundet. Beispielhafte Durchmesser bzw. Kantenlängen der Pixel sind kleiner oder gleich 10 mm, bevorzugt, kleiner oder gleich 5 mm, weiter bevorzugt zwischen 50 µm und 500 µm, beispielhaft 200 µm. Zwischen den einzelnen Pixelelementen werden bevorzugt Zwischenräume, z. B. in Form von Hohlräumen bzw. Furchen, ausgebildet, die eine elektrische Abschottung der einzelnen, auf den Pixelelementen anzuordnenden individuellen Elektrodenelemente gewährleisten. Diese Hohlräume alleine können schon Feldverzerrungselemente darstellen, wenn sie geeignet sind, dass sie das elektrische Feld auf die individuellen Elektrodenelemente hin fokussieren können. Im Folgenden wird eine solche Elektrodenanordnung aus mehreren pixelierten Elektrodenelementen, die auf einer Wandlerschicht mit strukturierter Oberfläche aufgebracht sind, auch als Pixelelektrode bezeichnet.
Die zweite Seite der Wandlerschicht, d. h. der Bereich der Wandlerschicht, auf den die Gegenelektrode aufgebracht ist und der in der Regel gegenüber der Pixelelektrode liegt, kann beispielsweise aus einer unstrukturierten, durchgängigen Schicht aufgebaut sein. Die darauf aufgebrachte Gegenelektrode ist bevorzugt die Kathode, zu der die im Halbleitermaterial generierten Löcher wandern.
Erfindungsgemäß umfasst die Wandlerschicht in einem an die individuellen Elektrodenelemente der Pixelelektrode, bevorzugt die Anode, angrenzenden Bereich eine Anzahl von Feldverzerrungselementen (d.h. eines oder mehrere solcher Elemente), die so ausgebildet sind, dass sie ein über Elektroden (d.h. die Pixelelektrode und die Gegenelektrode) an die Wandlerschicht angelegtes elektrisches Feld auf die Bereiche der individuellen Elektrodenelemente fokussieren. Unter einem Fokussieren des elektrischen Feldes ist zu verstehen, dass die elektrischen Feldlinien gebündelt werden und von den Zwischenräumen zwischen den individuellen Elektrodenelementen zur Mitte der Elektrodenelemente hin abgelenkt werden. Dadurch wird eine lokale Verstärkung des elektrischen Feldes im Bereich der Elektrodenelemente der Pixelelektrode, an der die Ladungsträger gesammelt werden, erzielt. Für Ohmsche Detektoren ist die größte Reduzierung des elektrischen Feldes auf Grund der vorstehend beschriebenen Polarisationseffekte in der Regel gleich oberhalb der Pixelelektrode bzw. der individuellen Elektrodenelemente. Deshalb wirkt die Fokussierung des elektrischen Feldes gerade in diesem Bereich, d.h. dem an die Elektrodenelemente angrenzenden Bereich in der Wandlerschicht vorteilhaft entgegen.
In der erfindungsgemäßen Wandlerschicht verzerren die Feldverzerrungselemente zielgerichtet die Feldlinien des elektrischen Feldes in Richtung der Pixelelektrode, so dass sie gebündelt auftreffen. Die freien Ladungsträger, bei einer pixelierten Anode die Elektronen, werden auf Grund dieser Fokussierung des elektrischen Feldes im Vergleich zu den herkömmlichen Wandlerschichten stärker beschleunigt und influenzieren dadurch auf den Pixelelektroden kürzere und stärkere Ströme. Dadurch können vergleichsweise schmale Signale mit einer hohen Signalamplitude detektiert werden.
Die Feldverzerrungselemente sind zum Beispiel passive Feldverzerrungselemente, die auf Grund der Material- oder Struktureigenschaften eine Verzerrung bewirken. Somit besteht ein weiterer Vorteil der in der Wandlerschicht selbst vorgesehenen Feldverzerrungselemente, dass keine steuerungstechnischen Vorrichtungen erforderlich sind.
Durch diesen Fokussierungseffekt der Feldverzerrungselemente in einer solchen erfindungsgemäßen Wandlerschicht eignet sie sich zur Herstellung eines Detektorelements für Strahlungsdetektoren. Ein erfindungsgemäßes Detektorelement umfasst eine wie vorstehend beschriebene Wandlerschicht mit einer Anzahl von Feldverzerrungselementen, eine Pixelelektrode mit einer Anzahl von individuellen Elektrodenelementen und eine Gegenelektrode. „Anzahl“ heißt in diesem Sinne mindestens eines, bevorzugt aber zwei oder mehrere Feldverzerrungselemente bzw. Elektrodenelemente. Weitere Vorteile sind ein geringerer Ladungsverlust zwischen den Elektroden auf Grund der Feldverzerrungselemente, wodurch eine homogenere Detektorleistung, insbesondere in Bezug auf eine zeitliche Veränderung der Zählrate, zu den herkömmlichen Detektorelementen erzielt wird.
Durch die homogenere Detektorleistung der erfindungsgemäßen Detektorelemente eignen sie sich zur Herstellung von Strahlungsdetektoren und medizintechnischen Geräten, die solche Strahlungsdetektoren umfassen. Ein erfindungsgemäßer Strahlungsdetektor umfasst ein wie vorstehend beschriebenes, erfindungsgemäßes Detektorelement, das eine Wandlerschicht mit Feldverzerrungselementen, eine Pixelelektrode und eine Gegenelektrode umfasst. Die erfindungsgemäßen Strahlungsdetektoren haben aufgrund der vorstehend erwähnten Vorteile der erfindungsgemäßen Wandlerschichten eine homogenere Detektorleistung und insbesondere eine geringere Variation des elektrischen Feldes im Betrieb des Detektors. Deshalb haben sie eine weitgehend konstante Zählratenerfassung, d.h. lediglich eine geringe Abweichung der Zählrate mit der Zeit, und sind deshalb für die Bestrahlung unter extrem hohen Flüssen, insbesondere bei Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung (zum Beispiel in der Computertomographie), auch bei Strahlungsintensitäten von mehr als 1 × 10⁸ Photonen/(mm²s) oder höher, insbesondere 1 × 10⁹ Photonen/(mm²s) geeignet. 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 Homogenität und der konstanten Zählrate sowie der geringen 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.
Die erfindungsgemäße Wandlerschicht kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, welches den Schritt des Ausbildens einer Anzahl von Feldverzerrungselementen in einem Bereich der Wandlerschicht umfasst, der für die Ausbildung von individuellen Elektrodenelementen bestimmungsgemäß vorgesehen ist, wobei die Feldverzerrungselemente so ausgebildet sind, dass sie ein über die Elektroden an die Wandlerschicht angelegtes elektrisches Feld auf die Bereiche der individuellen Elektrodenelemente fokussieren. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass für die Erzeugung der Feldverzerrungselemente in der Wandlerschicht Standardprozesse für die Herstellung von Halbleitern, wie zum Beispiel fotolithografische Prozesse, Ätztechniken, Abscheidungsverfahren (z. B. Oxidabscheidungen) usw., eingesetzt werden können. Auch die Morphologie und Zusammensetzung der Feldverzerrungselemente sowie ihre Dicke und Struktur können mit herkömmlichen Untersuchungsmethoden kostengünstig identifiziert werden, zum Beispiel um die Verwendbarkeit der Wandlerschichten für den jeweiligen Einsatz zu bestimmen. Anwendbare Untersuchungsmethoden sind zum Beispiel optische Mikroskopie, Sekundärelektronenmikroskopie (SEM), Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) oder elektrische Feldmessungen mittels, z. B. des Pockelseffekts.
Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen einer Wandlerschicht ermöglicht die Herstellung eines Detektorelements, mit dem eine Reduzierung des Polarisationseffekts im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden kostengünstig möglich ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Detektorelements mit einer erfindungsgemäßen Wandlerschicht umfasst die Schritte des Aufbringens einer Pixelelektrode mit einer Anzahl von individuellen Elektrodenelementen auf eine erste Seite der Wandlerschicht und des Aufbringens einer Gegenelektrode auf eine zweite Seite der Wandlerschicht.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass das erfindungsgemäße Detektorelement, der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor, das erfindungsgemäße medizintechnische Gerät und die erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Wandlerschicht oder ein Detektorelement auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen für eine Wandlerschicht weitergebildet sein können und umgekehrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wandlerschicht umfasst das Feldverzerrungselement einen Hohlraum, der zwischen den individuellen Elektrodenelementen in einem Teil der Wandlerschicht ausgebildet ist. Der Hohlraum ist dabei bevorzugt in einem Bereich der Wandlerschicht ausgebildet, der nicht von den Elektrodenelementen abgedeckt ist. Dabei kann der Hohlraum sich auch von den Zwischenbereichen der Elektrodenelemente aus noch in die Bereiche erstrecken, die im Bereich der für die individuellen Elektrodenelemente vorgesehenen Strukturelemente zwischen der Seite der Pixelelektrode und der Gegenelektrode liegen. Durch diese Hohlräume wird eine strukturierte Oberfläche gebildet, auf welche die Elektrodenelemente für die Pixelelektrode aufgebracht werden können. Die Hohlräume dienen gleichzeitig als Trennstrukturen für die individuellen Elektrodenelemente, so dass eine Ladungstrennung zwischen den einzelnen Elektrodenelementen im Vergleich zu den herkömmlichen unstrukturierten Wandlerschichtoberflächen verhindert wird.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wandlerschicht kann der Hohlraum vollständig oder teilweise mit einem Feldverzerrungsmaterial ausgefüllt sein, welches den Effekt der Fokussierung des elektrischen Feldes auf die individuellen Elektrodenelemente noch verstärkt. Durch dieses Feldverzerrungsmaterial kann gleichzeitig auch eine verbesserte Ladungstrennung zwischen den auf der Wandlerschicht ausgebildeten individuellen Elektrodenelementen erzeugt werden.
In einer Weiterbildung oder einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wandlerschicht umfasst das Feldverzerrungselement vollständig oder teilweise ein Feldverzerrungsmaterial, das durch Umwandlung des Strahlungsdetektionsmaterials in ein Feldverzerrungsmaterial ausgebildet worden ist. Für die Umwandlung des halbleitenden Strahlungsdetektionsmaterials kann dabei eine Dotierung des Halbleitermaterials mit Fremdatomen, zum Beispiel eine Ionenimplantation, oder ein chemisches Verfahren zur Umwandlung des Halbleitermaterials in das entsprechende Oxid, Sulfid oder Nitrid des Wandlermaterials eingesetzt werden. Solche Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich aus der Herstellung von Halbleiterelementen bekannt.
Bevorzugte Materialien für das Feldverzerrungsmaterial sind beispielsweise ein Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als das des umgebenden Strahlungsdetektionsmaterials. Alternativ oder zusätzlich zu einem Material mit höherem Widerstand kann das Feldverzerrungsmaterial ein Material mit einer geringeren dielektrischen Konstante als die des umgebenden Strahlungsdetektionsmaterials umfassen.
Beispielhafte Materialien mit einem höheren Widerstand und/oder einer höheren dielektrischen Konstante sind z. B. generell Aluminiumoxide bzw. Aluminiumnitride. Diese können je nach Herstellungsverfahren Abweichungen von der Stöchiometrie haben und auch als gemischte Oxynitride vorliegen. So werden zum Beispiel generell AlN, aber auch AlNO als hochohmige Passivierungsschicht und Schutzschicht bei der Hybridisierung (z.B. soldering) mit einem ASIC (der Ausleseelektronik) verwendet. Beispielhafte Verbindungen sind AlN, AlNO, AlO, Al₂O₃, CdS, TeO₂, SiO₂, oder Si₃N₄. Solche Oxide, Mischoxide, Nitride oder Sulfide können zum Beispiel mittels Nassoxidationsprozessen oder ähnlichen Herstellungsprozessen hergestellt und dann in die Hohlräume der Wandlerschicht eingefüllt werden, oder sie können aus dem Halbleitermaterial selbst in situ erzeugt werden. Ebenfalls sind Abscheidungen mittels Sputtern bzw. Plasmasputtern oder Verdampfen möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wandlerschicht kann eine Passivierungsschicht an wenigstens einem Teil von Wänden eines Hohlraums oder der Oberfläche eines Feldverzerrungselements ausgebildet sein. Die Passivierungsschicht kann dabei bevorzugt aus dem gleichen Material ausgebildet sein, aus dem die Feldverzerrungselemente bestehen. Beispielhafte Materialien sind die gleichen wie in der vorstehenden Ausführungsform verwendeten Materialien, wie z. B. Oxide, Mischoxide, Nitride oder Sulfide der in der Wandlerschicht eingesetzten Halbleitermaterialien, insbesondere z. B. AlN, AlNO, AlO, Al₂O₃, CdS, TeO₂, SiO₂, oder Si₃N₄.
In einer Weiterbildung der Wandlerschicht kann das Feldverzerrungselement in einem Bereich von 0 bis etwa 20 % der Schichtdicke der Wandlerschicht und/oder in einer Tiefe von 1 µm bis 400 µm von der ersten Seite der Wandlerschicht aus angeordnet sein. Ein Feldverzerrungselement ist dabei bevorzugt in einem Bereich der Oberfläche oder nahe der Oberfläche der ersten Seite der Wandlerschicht, d.h. der Seite für die Pixelelektrode, ausgebildet und erstreckt sich bevorzugt nicht weiter als 20 % der gesamten Wandlerschicht in die Wandlerschicht hinein. Bevorzugt sind die Feldverzerrungselemente in einem Bereich bis etwa 15 %, weiter bevorzugt bis etwa 10 % innerhalb der Wandlerschicht angeordnet. Bevorzugte Tiefen für die Feldverzerrungselemente sind 10 µm bis 200 µm, weiter bevorzugt von 50 µm bis 150 µm. Unter Tiefe versteht man hierbei die Eindringtiefe des Feldverzerrungselements bzw. der Feldverzerrungselemente in die Wandlerschicht von der Oberfläche der Seite für die Pixelelektrode aus in Richtung der Oberfläche der Seite für die Gegenelektrode.
Eine solche erfindungsgemäße Wandlerschicht mit einer Anzahl von Feldverzerrungselementen wie sie vorstehend beschrieben worden ist kann mit einer Pixelelektrode auf der ersten Seite der Wandlerschicht und einer Gegenelektrode auf der zweiten Seite versehen werden, so dass ein erfindungsgemäßes Detektorelement entsteht. Bevorzugt ist die Kathodenseite die Seite, auf der die Strahlung auf die Wandlerschicht auftritt und die Anodenseite die Pixelelektrode. Der Grund dafür ist, dass die Elektronenbeweglichkeit im Vergleich zur Löcherbeweglichkeit in den meisten Halbleitermaterialien größer ist und daher die Sammelelektrode bevorzugt die Anode, zu der die Elektronen wandern, ist. Wie vorstehend schon erläutert, wirkt insbesondere bei Ohmschen Detektoren die Fokussierung des elektrischen Feldes gerade in dem an die Elektrodenelemente der Sammelelektrode angrenzenden Bereich in der Wandlerschicht, den Polarisationseffekten entgegen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Detektorelements ist mindestens eines der Feldverzerrungselemente in der Wandlerschicht zumindest teilweise in einem zwischen den individuellen Pixelelementen der Pixelelektrode und der Gegenelektrode liegenden Bereich angeordnet. Da die Feldverzerrungselemente, welche das elektrische Feld fokussieren, nicht nur zwischen den Pixelelementen angeordnet sind, sondern auch zum Teil innerhalb des Einfangbereichs für die Ladungsträger auf Seiten der Pixelelemente angeordnet sind, verringert sich der Einfangbereich für die Ladungsträger noch weiter. Dadurch kommt es zu einer weiteren Fokussierung des elektrischen Feldes auf den mittleren Bereich der individuellen Elektrodenelemente der Pixelelektrode, meist der Anode. Somit kann das elektrische Feld in der Wandlerschicht im an die Pixelelektrodenelemente angrenzenden Bereich lokal noch weiter verstärkt werden, was zu schnelleren und höheren Pulsen und somit zu einer Verbesserung der zeitlichen und räumlichen Auflösung der Detektorelemente führt.
In einer bevorzugten Weiterbildung des vorstehend erwähnten Detektorelements deckt das mindestens eine der Feldverzerrungselemente in einer Projektion auf die individuellen Elektrodenelemente höchstens etwa 50 %, bevorzugt etwa 10 bis 30 % der individuellen Elektrodenelemente ab. Die in der Projektion von den Feldverzerrungselementen abgedeckten Bereiche der individuellen Elektrodenelemente liegen weiter bevorzugt am Rand der individuellen Elektrodenelemente, so dass die Mitte der Elektrodenelemente nicht von diesen abgeschirmt ist. Dadurch ergibt sich ein Fokussierungseffekt des elektrischen Feldes auf die Mitte eines jeden Elektrodenelementes mit den vorstehend schon erläuterten vorteilhaften Effekten auf die Gesamtleistung eines solchen Detektorelements.
Durch den guten Fokussierungseffekt des elektrischen Feldes und dadurch auch der Ladungsträger auf die individuellen Elektrodenelemente einer Pixelelektrode eignen sich die erfindungsgemäßen Wandlerschichten und Detektorelemente hervorragend für die Anwendung in Strahlungsdetektoren, insbesondere für die Anwendung bei hohen Stromflüssen, beispielsweise bei Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung (z. B. in der Computertomographie). Die erfindungsgemäßen Strahlungsdetektoren umfassen dabei eine vorstehend im Detail erläuterte Wandlerschicht sowie eine Pixelelektrode auf der ersten Seite und eine Gegenelektrode auf der zweiten Seite. Sowohl die Pixelelektrode als auch die Gegenelektrode können dabei durch eine Metallisierung direkt auf der Wandlerschicht aufgebracht werden oder vorgefertigte Kontaktschichten können mit der Wandlerschicht kontaktiert werden, so dass erfindungsgemäße Detektorelemente entstehen. Alternativ kann eine Anzahl erfindungsgemäßer Detektorelemente in diesen Strahlungsdetektoren eingesetzt werden.
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 einzelner 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. Ein Strahlungsdetektor mit einer pixelierten Elektrode wie er hier beschrieben ist, kann als ein alternatives Bauelement zu einem solchen Detektorarray angesehen werden und ermöglicht neben einer zeitlichen auch eine örtlich aufgelöste Erfassung der in das Strahlungsdetektionsmaterial eingestrahlten Photonen.
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.
Ein Herstellungsverfahren für solche Strahlungsdetektoren mit einer Wandlerschicht, einer Pixelelektrode auf der ersten Seite der Wandlerschicht und einer Gegenelektrode auf der zweiten Seite der Wandlerschicht, umfasst die Schritte der Herstellung einer Wandlerschicht mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sowie das Aufbringen von Pixelelementen auf der ersten Seite der Wandlerschicht und das Aufbringen einer Gegenelektrode auf der zweiten Seite der Wandlerschicht. Die Elektroden können zum Beispiel durch Metallisierung direkt auf der Wandlerschicht erzeugt werden oder sie können vorab gefertigt und mit der Wandlerschicht kontaktiert werden.
Aufgrund ihrer verbesserten Leistung hinsichtlich der Homogenität der Wandlerschicht, insbesondere der hervorragenden Verminderung bzw. Verhinderung des Ladungsaustauschs der einzelnen individuellen Elektrodenelemente untereinander, und der dadurch erreichten Verbesserung der Gesamtdetektorleistung, insbesondere der Verbesserung der Polarisationseffekte an der Pixelelektrode, sind die erfindungsgemäßen Strahlungsdetektoren für die Anwendung in einem medizintechnischen Gerät mit Anwendung von Röntgen- und/oder Gammastrahlung mit hohen Flussdichten geeignet. Ein solches erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät umfasst demgemäß einen vorstehend im Detail erläuterten Strahlungsdetektor und ein Röntgensystem, Gammastrahlensystem, CT-System oder Radionuklid-Emissions-Tomographiesystem wie z. B. PET-System oder SPECT-System.
In solchen Geräten ist die Messung von hohen Strahlenflüssen, wie sie insbesondere in der Computertomographie vorkommen, aufgrund der verringerten Veränderung des elektrischen Feldes in der Wandlerschicht während des Betriebs möglich. Somit kann ohne großen apparatetechnischen Aufwand eine konstante Zählrate bei hohen Strahlenflüssen erzielt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Daher sollen die Zeichnungen lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung dienen, aber die Erfindung soll nicht darauf eingeschränkt werden. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Detektorelements mit Pixelelektrode,
2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Detektorelements,
3 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Detektorelements,
4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors,
5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen medizintechnischen Geräts.
In der 1 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen Detektorelements mit einer Wandlerschicht 3, einer Pixelelektrode 11 und einer Gegenelektrode 12 gezeigt.
Die Wandlerschicht 3 ist aus einem halbleitenden Strahlungsdetektionsmaterial, z. B. einem II-VI-Halbleiter oder III-V-Halbleiter, ausgebildet und hat zwei unstrukturierte Seiten. Auf der einen Seite der Wandlerschicht 3 ist die Pixelelektrode 11, hier die Anode, aufgebracht und auf der gegenüberliegenden Seite ist die Gegenelektrode 12, hier die Kathode, aufgebracht. Zwischen Kathode und Anode ist im Betrieb eine Spannung angelegt, die ein elektrisches Feld mit Feldlinien 17 in der Wandlerschicht ausbildet. Die in der Wandlerschicht durch Strahlungseinfang erzeugten Ladungsträger, d.h. die Elektronen und Löcher (in den Figuren nicht gezeigt), wandern entlang des elektrischen Feldes entweder in Richtung der Kathode (Löcher) oder in Richtung der Anode (Elektronen). Die Einstrahlrichtung der Strahlung R ist in dem in 1 gezeigten Detektorelement von Seiten der Kathode.
Die Stärke des elektrischen Feldes (Dichte der Feldlinien ist ein Maß für die Stärke des elektrischen Feldes) im Bereich nahe der Pixelelektrode ist nicht konstant, sondern ist im Bereich der individuellen Elektrodenelemente A (auch Pixelelemente genannt) etwas verstärkt. Dies ist in 1 durch ein Verbiegen der Feldlinien im Bereich der Pixelelemente A zu diesen hin veranschaulicht. Dadurch kann die durch Polarisation erzeugte Reduzierung des elektrischen Feldes in diesem Bereich zwar etwas ausgeglichen werden („small-pixeleffect“), jedoch reicht dies gewöhnlich nicht bei Verwendung von Ohmschen Kontakten aus, um zuverlässige Detektorelemente bereitzustellen.
Die 2 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Detektorelements 1 mit einer Wandlerschicht 3, einer Pixelelektrode 11 mit individuellen Pixelelementen A und einer Gegenelektrode 12. Zwischen zwei der Pixelelementen A ist innerhalb der Wandlerschicht 3 jeweils ein Feldverzerrungselement 6 angeordnet, welches das elektrische Feld auf die individuellen Elektrodenelemente A fokussiert. Deutlich erkennbar ist der Fokussierungseffekt der innerhalb der Wandlerschicht 3 angeordneten Feldverzerrungselemente 6 an Hand der Veränderung der Dichte der Feldlinien 17 und der Bündelung der Feldlinien schon weit innerhalb der Wandlerschicht. Gerade im Vergleich der Feldlinienkrümmungen in den herkömmlichen Detektorelementen (1) und den erfindungsgemäßen Detektorelementen (2) erkennt man, dass im Gegensatz zu der Verwendung von Pixelelektroden ohne Feldverzerrungselemente eine Bündelung des elektrischen Feldes unter gleichzeitiger Ausrichtung auf die Mitte der Elektrodenelemente hin durch die in der Wandlerschicht angeordneten Feldverzerrungselemente erfolgt. Diese zusätzliche Fokussierung verbessert nicht nur die Ladungstrennung der einzelnen individuellen Pixelelemente A, sondern ermöglicht auch einen verbesserten Ladungsverstärkungseffekt im Bereich der Pixelelektrode zur Verringerung oder Vermeidung der Polarisationseffekten und zur Homogenisierung der Detektorcharakteristik.
Die Feldverzerrungselemente 6, wie sie in 2 gezeigt sind, können beispielsweise über ein Plasmaätzverfahren, ein chemisch unterstütztes Plasmaätzverfahren, einen Nassätzprozess oder eine Kombination daraus hergestellt werden. Während des Ätzprozesses werden die Elektrodenelemente A der Pixelelektrode 11 sowie alle anderen nicht zu ätzenden Seiten des Detektorelements mit einer geeigneten Schutzschicht (z.B. einem Photoresist oder einem Wachs) versehen. Die nicht geschützten Stellen, d.h. die Zwischenräume zwischen den individuellen Elektrodenelementen, werden physikalisch oder chemisch abgetragen, so dass Hohlräume 6 in der Wandlerschicht 3 zurückbleiben. Die Form der Hohlräume 6 kann entweder eine parallel zu den individuellen Elektrodenelementen verlaufende Furche oder eine Aushöhlung zwischen den Elektrodenelementen sein, die sich vom Rand der Elektrodenelemente A in Form von bauchigen bzw. konkaven Seitenwänden, d.h. mit einer Hinterschneidung 16 hinter die Elektrodenelemente (in 2 oberhalb der Elektrodenelemente A gelegen), erstreckt. Diese Hinterschneidungen 16 können in einem Maße von höchsten etwa 50 % der Fläche des individuellen Elektrodenelementes ausgebildet werden. Bevorzugt liegt das Maß der Hinterschneidungen, gemessen an Hand der Projektionsfläche der Hinterschneidung auf ein individuelles Elektrodenelement, bei höchstens etwa 40%, 30%, 20%, weiter bevorzugt bei etwa 0 bis etwa 10%.
Die Tiefe der Feldverzerrungselemente innerhalb der Wandlerschicht 3 liegt bei den in der 2 dargestellten Elementen bei nicht mehr als etwa 20 %, bevorzugt bei weniger als etwa 15 %, weiter bevorzugt bei etwa 5 bis 10 % der Gesamtdicke der Wandlerschicht. Die absolute Tiefe liegt dabei bei etwa 10 µm bis 200 µm, in einer bevorzugten Ausführungsform bei etwa 50 µm bis 150 µm.
In der 2 sind die erzeugten Hohlräume vollständig mit einem Feldverzerrungsmaterial ausgefüllt, wobei alternativ die Hohlräume auch nur teilweise, z.B. in einer Anzahl der Hinterschneidungen 16, ausgefüllt sein könnten. Das verwendete Material ist ein Material, das die Oberfläche des Hohlraums passiviert und dabei gleichzeitig die Elektroden elektrisch gegeneinander abtrennt. Beispielhafte Materialien sind Aluminiumoxide und -nitride, Cadmiumsulfid, Telluroxide, Siliziumoxide und -nitride, etc. Diese Materialien sollten bevorzugt einen höheren elektrischen Widerstand als das Strahlungsdetektionsmaterial und/oder eine geringere dielektrische Konstante als dieses haben.
In der 3 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Detektorelements 1 gezeigt, welches im Wesentlichen den gleichen Gesamtaufbau wie das in 2 gezeigte Detektorelement aufweist, jedoch eine andere Struktur der Feldverzerrungselemente 6 besitzt. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Die Hohlräume 9 werden hier mittels eines Ätzverfahrens im Wesentlichen zwischen den individuellen Elektrodenelementen A in dem an die Pixelelektrode angrenzenden Bereich der Wandlerschicht erzeugt. Es werden in dieser Ausführungsform im Wesentlichen also keine Hinterschneidungen ausgebildet. Die Hohlräume 9 bzw. Furchen entlang der individuellen Pixelelemente sind eher rechteckig, d.h. mit im Wesentlichen geraden, senkrecht in die Wandlerschicht eindringenden Seitenwänden, ausgeführt.
Über diese Hohlräume 9 bzw. Furchen in der Wandlerschicht kann mittels eines chemischen Prozesses oder einer eher physikalischen Methode, z. B. mittels eines Ätzverfahrens oder eines Ionenimplantationsverfahrens, ausgehend von den Seitenwänden der Hohlräume Feldverzerrungselemente in der Wandlerschicht ausgebildet werden. Diese Bereiche sind ähnlich zu den Hinterschneidungen 16 aus 2 in der Wandlerschicht angeordnet und dienen ebenfalls zur Verbesserung der Fokussierung des elektrischen Feldes im Betrieb eines solchen Detektorelements. Beispielhafte chemische Reaktionen zur Erzeugung der Feldverzerrungselemente 6 in den Seitenwänden sind Oxidationsreaktionen, Sulfid- oder Nitridbildungsreaktionen etc. Je nach Halbleitermaterial in der Wandlerschicht 3 bilden sich ein entsprechendes Oxid, Sulfid, Nitrid, Mischoxid, Oxynitrid oder ähnliche chemische Verbindungen. Diese Verbindungen haben in der Regel einen höheren elektrischen Widerstand bzw. eine niedrigere dielektrische Konstante als das ursprüngliche Halbleitermaterial und fokussieren daher das elektrische Feld auf die individuellen Elektrodenelemente A.
Optional kann zusätzlich eine Passivierungsschicht 8 an Teilen oder an den gesamten Oberflächen der Hohlräume 9 ausgebildet werden. Die bevorzugt nach der Erzeugung der Feldverzerrungselemente ausgebildete Passivierungsschicht 8 kann aus den gleichen Materialien wie die Feldverzerrungselemente 6 ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, die Passivierungsschicht 8 gleichzeitig mit der Erzeugung der Feldverzerrungselemente 6 auszubilden. Die Passivierungsschicht 8 dient unter anderem einer besseren elektrischen Trennung der individuellen Elektrodenelemente A.
Optional kann nach Erzeugung der Feldverzerrungselemente 6 und der Passivierungsschicht 8 der Hohlraum 9 gefüllt werden, um der Wandlerschicht 3 mit einer strukturierten ersten Seite eine verbesserte Stabilität zu verleihen. Inaktive Materialien oder Materialien mit Feldverzerrungseigenschaften sind für diese Füllung denkbar. Alternativ kann das gleiche Material wie für die Feldverzerrungselemente als Füllmaterial eingesetzt werden. Der Vorteil von dieser Ausführungsform ist, dass die Form und Größe der Hinterschneidungen 16 bzw. der zwischen den individuellen Elektrodenelementen und der Gegenelektrode gelegenen Bereiche der Feldverzerrungselemente gezielt gesteuert werden kann. Auch ist bei diesem Prozess keine Ausbildung einer Hinterschneidung 16 in Form eines Hohlraumes erforderlich, so dass es zu weniger mechanischen Defekten an den empfindlichen Pixelstrukturen kommt, aber der gleiche oder zumindest ein ähnlicher Fokussierungseffekt erzielt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Hohlräume 9 auch mechanisch erzeugt werden können bzw. Wandlerschichten mit einer vorgefertigten strukturierten ersten Seite eingesetzt werden können, so dass die Erzeugung eines Hohlraumes mittels eines Ätzschrittes nicht durchgeführt werden muss. Dadurch kann man den Herstellungsprozess vereinfachen und kostengünstiger gestalten. Bei der Auswahl des Halbleitermaterials ist man in einem solchen Fall auch nicht auf entsprechend ätzbare Materialien eingeschränkt, sondern kann auch Materialien einsetzten, die gegenüber Ätzprozessen empfindlich sind.
Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor 10, welcher hier mit einer Auswerteelektronik 13 ausgestattet ist. Zur Ausbildung des Detektors ist hier eine erfindungsgemäße Wandlerschicht 3 mit einer Kathode 11 und einer pixelierten Anode 12 (in der 4 ist nur ein Ausschnitt der Wandlerschicht mit ein paar wenigen Pixelelementen A dargestellt) gezeigt. 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 Pixelelement A einen Vorverstärker 14 aufweist, um ein in diesem Pixelelement A detektiertes 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 5 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 Wandlerschichten, Detektorelementen, Strahlungsdetektoren und medizintechnischen Geräten 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 alternatives Herstellungsverfahren für die Feldverzerrungselemente in der Wandlerschicht im Bereich der ersten Seite, d.h. im Bereich der individuellen Elektrodenelemente für die Pixelelektrode verwendet wird. Ionenimplantationstechniken, Ätztechniken und Verfahren zur chemischen Umwandlung (z. B. Oxidation oder Nitridierung) von Oberflächenstrukturen in Teilbereichen sind dem Fachmann aus dem Bereich der Halbleiterherstellung bekannt und können hier alternativ angewendet 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 schließen die Begriffe „Element“, „Einrichtung“ oder „Vorrichtung“ als Bauteile nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 200910048276 [0008]

Claims

Wandlerschicht (3) aus einem halbleitenden Strahlungsdetektionsmaterial für einen Strahlungsdetektor (10), die eine erste Seite für das Aufbringen einer Pixelelektrode (11) mit individuellen Elektrodenelementen (A) und eine zweite Seite für das Aufbringen einer Gegenelektrode (12) aufweist, wobei die Wandlerschicht in einem an die individuellen Elektrodenelemente (A) angrenzenden Bereich eine Anzahl von Feldverzerrungselementen (6) umfasst, die so ausgebildet sind, dass sie ein über die Elektroden (11, 12) an die Wandlerschicht angelegtes elektrisches Feld (17) auf die Bereiche der individuellen Elektrodenelemente (A) fokussieren.
Wandlerschicht nach Anspruch 1, wobei das Feldverzerrungselement (6) einen Hohlraum (9) umfasst, der zwischen den individuellen Elektrodenelementen (A) in einem Teil der Wandlerschicht (3) ausgebildet ist.
Wandlerschicht nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hohlraum (9) vollständig oder teilweise mit einem Feldverzerrungsmaterial ausgefüllt ist.
Wandlerschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feldverzerrungselement (6) vollständig oder teilweise ein Feldverzerrungsmaterial umfasst, das durch Umwandlung des Strahlungsdetektionsmaterials in ein Feldverzerrungsmaterial ausgebildet worden ist.
Wandlerschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feldverzerrungsmaterial ein Material mit einem höheren elektrischen Widerstand als das des umgebenden Strahlungsdetektionsmaterials umfasst.
Wandlerschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feldverzerrungsmaterial ein Material mit einer geringeren dielektrischen Konstante als die des umgebenden Strahlungsdetektionsmaterials umfasst.
Wandlerschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Passivierungsschicht (8) an wenigstens einem Teil von Wänden eines Hohlraums (9) oder der Oberfläche eines Feldverzerrungselements (6) ausgebildet ist.
Wandlerschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feldverzerrungselement (6) in einem Bereich von 0 bis etwa 20 % der Schichtdicke der Wandlerschicht und/oder in einer Tiefe von 10 µm bis 200 µm, bevorzugt von 50 µm bis 150 µm von der ersten Seite der Wandlerschicht aus angeordnet sind.
Detektorelement (1) mit einer Wandlerschicht (3) mit einer Anzahl Feldverzerrungselementen (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche, einer Pixelelektrode (11) mit einer Anzahl von individuellen Elektrodenelementen (A) und einer Gegenelektrode (12).
Detektorelement nach Anspruch 9, wobei mindestens eines der Feldverzerrungselemente (6) in der Wandlerschicht (3) zumindest teilweise in einem zwischen den individuellen Pixelelelementen (A) der Pixelelektrode (11) und der Gegenelektrode (12) liegenden Bereich angeordnet ist.
Detektorelement nach Anspruch 10, wobei mindestens eines der Feldverzerrungselemente (6) in ihrer Projektion auf die Elektrodenelemente höchstens etwa 50 % der individuellen Elektrodenelemente (A), bevorzugt in etwa 10 bis 30 %, abdeckt.
Strahlungsdetektor (10) mit einer Anzahl von Detektorelementen (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 und optional mit einer Auswerteelektronik (14) zum Auslesen eines Detektorsignals.
Medizintechnisches Gerät (20) mit einem Strahlungsdetektor (10) nach Anspruch 12.
Verfahren zum Erzeugen einer Wandlerschicht (3) aus einem halbleitenden Strahlungsdetektionsmaterial für einen Strahlungsdetektor (1), die eine strukturierte erste Seite für das Aufbringen einer Pixelelektrode (11) mit einer Anzahl von individuellen Elektrodenelementen (A) und eine zweite Seite für das Aufbringen einer Gegenelektrode (12) aufweist, umfassend den Schritt des Ausbildens einer Anzahl von Feldverzerrungselementen (6) in einem Bereich der Wandlerschicht, der für die Ausbildung von individuellen Elektrodenelementen (A) bestimmungsgemäß vorgesehen ist, welche so ausgebildet sind, dass sie ein über die Elektroden (11, 12) an die Wandlerschicht angelegtes elektrisches Feld auf die Bereiche der individuellen Elektrodenelemente (A) fokussieren.
Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements (1) mit einer Wandlerschicht (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte des Aufbringens einer Pixelelektrode (11) mit einer Anzahl von individuellen Elektrodenelementen (A) auf eine erste Seite der Wandlerschicht (3) und des Aufbringens einer Gegenelektrode (12) auf eine zweite Seite der Wandlerschicht (3).