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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einen Halbleiterdetektor zur Spektroskopie von Röntgen- oder Gammastrahlung, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
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Unter Röntgenstrahlung bezeichnet man elektromagnetische Wellen mit Photon- oder Quantenenergien in der Regel zwischen 100 eV und bis zu einigen MeV, entsprechend Wellenlängen zwischen ungefähr 10–8 m (10 nm) und 10–12 m (0,001 nm). Unter Gammastrahlung bezeichnet man elektromagnetische Wellen mit Photon- oder Quantenenergien in der Regel von mehr als 200 keV, entsprechend Wellenlängen von weniger als ungefähr 5 × 10–12 m (0,005 nm); die Spektren von Röntgenstrahlung und Gammastrahlung überschneiden sich demnach, ebenso wie sich das energiemäßig untere Ende des Spektrums von Röntgenstrahlung mit dem energiemäßig oberen Ende des Spektrums von Ultraviolett-(UV-)strahlung überschneidet.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen werden beispielsweise in der Röntgenspektroskopie eingesetzt. So werden etwa in der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX oder EDS) Atome einer Probe durch einen Elektronen- oder Röntgenstrahl zum Aussenden von Röntgenstrahlung angeregt, wobei die Quanten der ausgesendeten Röntgenstrahlung eine für das jeweilige chemische Element der Probe charakteristische Energie aufweisen. Aus der ausgesendeten Röntgenstrahlung und insbesondere aus der Energie der Quanten der ausgesendeten Röntgenstrahlung kann daher die Zusammensetzung der Probe ermittelt werden.
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Aus der
US 3569704 A , der
DE 82 32 076 U1 und der
US 4788581 A sind jeweils Vorrichtungen bekannt, die auf einer Metall-Oxid-Halbleiter(MOS)-Struktur basieren und bei denen durch die Bestrahlung Defekte im Gateoxid eines Feldeffekttransistors erzeugt werden, durch welche die Kennlinie des Feldeffekttransistors verändert wird, was anschließend als Sensorsignal ausgewertet wird.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung weist einen Halbleiterkörper mit einem Strahlungseintrittsfenster auf, über welches die Röntgenstrahlung in den Halbleiterkörper eintreten kann. In dem Halbleiterkörper wird die Röntgenstrahlung mindestens teilweise absorbiert und erzeugt dabei Ladungsträgerpaare, d. h. Paare aus jeweils einem Elektron und einem Loch. Die Anzahl der erzeugten Ladungsträgerpaare entspricht dabei der Energie eines absorbierten Röntgenquants; beispielsweise kann ein einzelnes Röntgenquant Hunderte von Ladungsträgerpaaren erzeugen.
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Aus der
DD 208 013 A1 ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist ein Strahlungseintrittsfenster auf, in dessen Bereich die stark p-dotierte Oberfläche des ansonsten n-dotierten Halbleiterkörpers ganzflächig mit einer Aluminiumelektrode kontaktiert ist. Lateral ist das Strahlungseintrittsfenster von einer Passivierungsschicht aus anodischoxidiertem Siliziumoxid der Dicke 500 nm begrenzt. Auf diese außerhalb des Strahlungseintrittsfensters angeordnete Passivierungsschicht ist eine Metallschicht aufgebracht, an die eine negative Spannung anlegbar ist, um die Ausbildung einer Inversionsschicht in dem an das Strahlungseintrittsfenster lateral anschließenden n-dotierten Halbleiterkörper zu erreichen.
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Um eine möglichst hohe Energieauflösung der Röntgenstrahlung und damit eine möglichst genaue Bestimmung der Zusammensetzung der Probe zu erreichen, ist es einerseits wichtig, dass die gesamte Röntgenstrahlung in dem Halbleiterkörper absorbiert wird, und andererseits, dass alle durch die Absorption der Röntgenstrahlung entstandenen Ladungsträgerpaare einen Beitrag zu dem elektrischen Signal der Vorrichtung liefern. Um die letztgenannte Voraussetzung zu erfüllen, ist es wichtig, dass möglichst wenig durch Absorption der Röntgenstrahlung entstandene Ladungsträger verloren gehen, beispielsweise rekombinieren, bevor sie einen Beitrag zu dem elektrischen Signal der Vorrichtung liefern können.
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Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einen Halbleiterdetektor zur Spektroskopie von Röntgen- oder Gammastrahlung, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung bereitzustellen, mit dem dauerhaft eine verbesserte Energieauflösung erreichbar ist.
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Das Problem ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung sowie das im nebengeordneten Anspruch bestimmte Verfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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In einer Ausführungsart betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einen Halbleiterdetektor zur Spektroskopie von Röntgen- oder Gammastrahlung, wobei die Vorrichtung einen Halbleiterkörper aufweist, in dem die elektromagnetische Strahlung mindestens teilweise absorbierbar ist und dabei Ladungsträgerpaare erzeugbar sind, und wobei die Vorrichtung ein Strahlungseintrittsfenster mit einer dielektrischen Schicht aufweist, über welche die Strahlung in den Halbleiterkörper eintreten kann; die Vorrichtung weist eine im Bereich der dielektrischen Schicht angeordnete Kompensationselektrode auf zum Anlegen eines elektrischen Potentials, mittels dem in der dielektrischen Schicht ein elektrisches Feld erzeugbar ist, das den Einfluss von in der dielektrischen Schicht vorhandenen Störstellen auf die Ladungsträger in der oberflächennahen Schicht des Halbleiterkörpers mindestens teilweise kompensiert.
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Untersuchungen haben ergeben, dass durch eine solche Kompensationselektrode der Einfluss von Störstellen in der dielektrischen Schicht wesentlich reduziert werden kann. Bei den Störstellen kann es sich beispielsweise um Strahlenschäden handeln, die durch das Bestrahlen der Vorrichtung und damit auch der dielektrischen Schicht mit der Röntgen- oder Gammastrahlung auftreten. Eine weitere Möglichkeit für solche Störstellen sind ortsfeste und/oder bewegliche Ladungen, beispielsweise Oxidladungen in einer oxidhaltigen dielektrischen Schicht, die auch bereits bei der Herstellung in die dielektrische Schicht eingebaut worden sein können.
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Solche Störstellen können dazu führen, dass durch Absorption im Halbleiterkörper entstandene Ladungsträger in Richtung auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers abgelenkt werden und dort rekombinieren, und dadurch nicht mehr zu dem elektrischen Signal der Vorrichtung beitragen können und demzufolge die Energieauflösung der Vorrichtung herabgesetzt ist. Die dielektrische Schicht kann unmittelbar an die oberflächennahe Schicht des Halbleiterkörpers angrenzen. Die Kompensationselektrode kann unmittelbar an die dielektrische Schicht angrenzen.
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In einer Ausführungsart besteht der Halbleiterkörper aus einkristallinem Silizium. Der Halbleiterkörper kann insbesondere plattenförmig sein, beispielsweise die Form eines Halbleiterchips aufweisen.
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Der Halbleiterkörper kann eine Länge und/oder Breite aufweisen, die mehr als das Fünffache, insbesondere mehr als das Zehnfache und vorzugsweise mehr als das 15-fache seiner Dicke beträgt. Die dielektrische Schicht kann siliziumoxidhaltig sein oder vollständig aus Siliziumoxid bestehen.
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In einer Ausführungsart ist die Vorrichtung als pn-Diode oder pin-Diode (positive intrinsic negative diode) mit einer zwischen der p- und n-dotierten Schicht angeordneten schwach oder undotierten Schicht; beim Anlegen einer Sperrspannung kommt es zur Ausbildung einer Raumladungszone mit einer größeren Erstreckung als bei der klassischen pn-Diode. Alternativ hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auch als Drift-Detektor, insbesondere Silizium-Drift-Detektor, pn-CCD (Charge-Coupled-Device), Streifenzähler oder DePFET (depleted p-channel field-effect transistor) ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsart ist die Kompensationselektrode durch eine elektrisch leitfähige Schicht gebildet. Durch die elektrisch leitfähige Schicht liegt das elektrische Potenzial im Bereich des Strahlungseintrittsfensters definiert an. Durch eine geringe Schichtdicke der Kompensationselektrode von beispielsweise weniger als 100 nm ist eine hohe Transmission für die elektromagnetische Strahlung erreichbar.
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Die Kompensationselektrode kann aus jedem Werkstoff hergestellt sein, der eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit bereitstellt. Da in der Regel keine hohen Ströme fließen, können auch Werkstoffe mit einer gegenüber Metallen vergleichsweise geringen elektrischen Leitfähigkeit eingesetzt werden. Die Verwendung von Metallen für die Kompensationselektrode bietet den Vorteil, dass bereits geringe Schichtdicken die Bereitstellung eines definierten elektrischen Feldes gewährleisten. Die Verwendung von Aluminium erlaubt den Einsatz verschiedener Beschichtungstechnologien wie Aufdampfen, Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder dergleichen. Vorzugsweise ist die Kompensationselektrode durch Strukturierung einer ursprünglich ganzflächig aufgetragenen Schicht hergestellt.
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Die Kompensationselektrode kann auch durch mehrere Lagen gebildet sein, wobei die einzelnen Lagen aus demselben oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen können. Für den Fall, dass auch niederenergetische elektromagnetische Strahlung detektiert werden soll, beispielsweise ultraviolette (UV-)Strahlung, kann für die Kompensationselektrode auch ein Werkstoff verwendet werden, der in dem entsprechenden Wellenlängenbereich im Wesentlichen transparent ist, beispielsweise Indium-Zinn-Oxid-Schichten (ITO).
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In einer Ausführungsart beträgt die Dicke der Kompensationselektrode weniger als 120 nm, insbesondere weniger als 80 nm und vorzugsweise weniger als 50 nm. Dadurch kann ein großer Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung die Kompensationselektrode durchdringen und erst im Halbleiterkörper absorbiert werden. Soll elektromagnetische Strahlung mit verhältnismäßig geringen Quantenenergien detektiert werden, kann die Schichtdicke auch weniger als 30 nm, insbesondere weniger als 20 nm und vorzugsweise weniger als 10 nm betragen. Umgekehrt kann für die Detektion elektromagnetischer Strahlung mit verhältnismäßig hoher Quantenenergie auch eine Schichtdicke von mehr als 100 nm, insbesondere mehr als 200 nm und vorzugsweise mehr als 300 nm verwendet werden.
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In einer Ausführung Art ist die Kompensationselektrode auf der dem Halbleiterkörper gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Schicht angeordnet, vorzugsweise unmittelbar auf der dem Halbleiterkörper gegenüberliegenden Oberfläche der dielektrischen Schicht.
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Die Kompensationselektrode kann dabei mindestens abschnittsweise ganzflächig aufgebracht sein oder mit einem Muster aufgebracht sein, beispielsweise mit einem Streifenmuster. In einer Ausführungsart kann die Kompensationselektrode im Zentrum des Strahlungseintrittsfensters ganzflächig aufgebracht sein und in einem randnahen Abschnitt des Strahlungseintrittsfensters mit einem Muster aufgebracht sein.
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In einer Ausführungsart erstreckt sich die Kompensationselektrode im Wesentlichen über den gesamten strahlungsempfindlichen Bereich des Strahlungseintrittsfensters. Ausgenommen hiervon ist gegebenenfalls der Rand der Kompensationselektrode, um die Kompensationselektrode von den angrenzenden elektrisch leitfähigen Strukturen zu isolieren.
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In einer Ausführungsart ist eine unterhalb der dielektrischen Schicht angeordnete oberflächennahe Schicht des Halbleiterkörpers mit Störstellen von einem ersten Leitungstyp dotiert. Diese oberflächennahe, dotierte Schicht ist mit einer ersten Elektrode kontaktierbar. Die erste Elektrode kann eine der Anschlusselektroden der Vorrichtung bilden, beispielsweise die Anode oder die Kathode. Die erste Elektrode kann eine metallische Elektrode sein, insbesondere durch eine metallische Schicht gebildet sein.
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Zwischen der ersten Elektrode und der oberflächennahen Schicht kann eine mit Störstellen des ersten Leitungstyps hochdotierte erste Kontaktschicht angeordnet sein. Die erste Elektrode und die Kompensationselektrode können auf einer gemeinsamen Seite der Vorrichtung angeordnet sein, insbesondere auf einer gemeinsamen Seite des Halbleiterkörpers.
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In einer Ausführungsart ist das elektrische Feld, das den Einfluss von in der dielektrischen Schicht vorhandenen Störstellen auf die Ladungsträger in der oberflächennahen Schicht des Halbleiterkörpers kompensiert, durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Kompensationselektrode und der ersten Elektrode erzeugbar. Dadurch kann der Einfluss der Störstellen unabhängig von der Betriebsspannung der Vorrichtung kompensiert werden.
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In einer Ausführungsart ist der Halbleiterkörper in einem Bereich, der von der dem Strahlungseintrittsfenster zugewandten Oberfläche des Halbleiterkörpers beanstandet ist und insbesondere tiefer im Inneren des Halbleiterkörpers liegt, mit Störstellen von einem zweiten Leitungstyp dotiert. Dieser Bereich mit den Störstellen des zweiten Leitungstyps ist mit einer zweiten Elektrode kontaktierbar. Der Bereich des Halbleiterkörpers, der mit den Störstellen des ersten Leitungstyps dotiert ist, insbesondere der oberflächennahe Bereich des Halbleiterkörpers unterhalb der dielektrischen Schicht, kann eine um einen Faktor vom mehr als 10, insbesondere um einen Faktor vom mehr als 100, und vorzugsweise um einen Faktor von mehr als 1000, höhere Dotierung aufweisen als der Bereich mit den Störstellen des zweiten Leitungstyps.
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Zwischen der zweiten Elektrode und dem Bereich mit den Störstellen des zweiten Leitungstyps ist ein mit Störstellen des zweiten Leitungstyps hochdotierter Bereich angeordnet, der eine niederohmige Kontaktierung des Bereichs des zweiten Leitungstyps gewährleistet.
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Die zweite Elektrode kann auf einer der Kompensationselektrode und/oder der ersten Elektrode gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung angeordnet sein, insbesondere auf einer der Kompensationselektrode und/oder der ersten Elektrode gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Der Bereich mit den Störstellen des zweiten Leitungstyps kann durch das Substrat des Halbleiterkörpers gebildet sein mit einer Dotierkonzentration von beispielsweise weniger als 1016 cm–3, insbesondere weniger als 1014 cm–3, und vorzugsweise weniger als 1012 cm–3.
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In einer Ausführungsart weist die dielektrische Schicht eine siliziumoxidhaltige Schicht auf oder ist durch eine siliziumoxidhaltige Schicht gebildet. Die dielektrische Schicht kann durch mehrere Lagen übereinstimmender oder unterschiedlich zusammengesetzter dielektrischer Schichten gebildet sein. Eine oder mehrere Lagen der dielektrischen Schicht kann aus Siliziumoxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) bestehen. Jedenfalls die an den Halbleiterkörper angrenzende Schicht kann eine siliziumoxidhaltige Schicht sein oder aus Siliziumoxid bestehen. Die dielektrische Schicht kann auch durch eine einzige Lage gebildet sein, beispielsweise bestehend aus Siliziumoxid (SiO2). Die Dicke der dielektrischen Schicht kann weniger als 100 nm betragen, insbesondere weniger als 80 nm und vorzugsweise weniger als 60 nm. In einer Ausführungsart beträgt die Dicke der dielektrischen Schicht zwischen 10 und 60 nm.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zum Betrieb eines Halbleiterdetektors zur Spektroskopie von Röntgen- oder Gammastrahlung, wobei die Vorrichtung einen Halbleiterkörper aufweist, in dem durch mindestens teilweise Absorption der elektromagnetischen Strahlung Ladungsträgerpaare erzeugt werden, und wobei die Vorrichtung ein Strahlungseintrittsfenster mit einer dielektrischen Schicht aufweist, über welche die Strahlung in den Halbleiterkörper eintritt. An eine im Bereich der dielektrischen Schicht angeordnete Kompensationselektrode wird ein elektrisches Potential angelegt, durch das in der dielektrischen Schicht ein elektrisches Feld erzeugt wird, das den Einfluss von in der dielektrischen Schicht vorhandenen Störstellen auf die Ladungsträger in der oberflächennahen Schicht des Halbleiterkörpers mindestens teilweise kompensiert.
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Das elektrische Potenzial kann mittels einer Spannung angelegt werden, die zwischen der Kompensationselektrode und einer der beiden Elektroden der Vorrichtung angelegt wird, beispielsweise zwischen der Kompensationselektrode und der Anode oder der Kathode der Vorrichtung. Die Spannung kann regelbar sein, so dass sie im Betrieb der Vorrichtung nachgeregelt werden kann, beispielsweise um einen optimalen Arbeitspunkt einstellen zu können.
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Das elektrische Potenzial kann konstant sein. In einer Ausführungsart kann einer das elektrische Potenzial bereitstellenden Gleichspannung auch ein Wechselspannungsanteil überlagert werden, mittels dem beispielsweise die Kapazität des die dielektrische Schicht einschließenden Schichtaufbaus messbar ist. In einer Ausführungsart kann das elektrische Potenzial um 2 bis 30 V, insbesondere 4 bis 22 V und vorzugsweise 6 bis 14 V von dem elektrischen Potenzial der oberflächennahen Schicht des Halbleiterkörpers abweichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt einem Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die 1 zeigt einem Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung 2. Es handelt sich dabei insbesondere um einen Halbleiterdetektor zur Spektroskopie von Röntgen- oder Gammastrahlung. Die Vorrichtung 1 weist einen Halbleiterkörper 10 auf, in dem die elektromagnetische Strahlung 2 mindestens teilweise absorbierbar ist und dabei Ladungsträgerpaare erzeugt, deren Auftreten an den Anschlusselektroden der Vorrichtung 1 elektrisch messbar ist.
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Die Vorrichtung 1 ist als pin-Diode ausgebildet und weist auf einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 eine hochdotierte p-leitende Schicht 12 auf, die mit einer die Kathode 20 der Vorrichtung 1 bildenden metallischen Schicht 22 einer Dicke von etwa 1 μm elektrisch kontaktierbar ist. An die hochdotierte p-leitende Schicht 12 schließt sich eine schwach n-leitende Schicht 14 an, die durch ein den Halbleiterkörper 10 bildendes plattenförmiges Siliziumsubstrat gebildet ist. Auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 ist eine hochdotierte n-leitende Schicht 16, mittels welcher die n-leitende Schicht 14 elektrisch kontaktierbar ist und die mit einer die Anode 30 der Vorrichtung 1 bildenden metallischen Schicht 24 mit einer Dicke von etwa 1 μm elektrisch kontaktierbar ist.
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Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird zwischen der Kathode 20 und Anode 30 eine Spannung von beispielsweise –100 V angelegt, so dass die pin-Diode in Sperrrichtung betrieben wird. Dadurch bildet sich eine Raumladungszone 26 aus, die im Wesentlichen frei von beweglichen Ladungsträgern ist. Die Raumladungszone 26 erstreckt sich entsprechend den Dotierverhältnissen im wesentlichen in die schwach n-leitende Schicht 14 hinein.
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In der Raumladungszone 26 herrscht ein elektrisches Feld, so dass die in der Raumladungszone 26 erzeugten Ladungsträger getrennt werden. Die erzeugten Elektronen erfahren eine Kraft in Richtung der Anode 30 und die erzeugten Löcher erfahren eine Kraft in Richtung der Kathode 20, so dass die erzeugten Ladungsträger an den Anschlusselektroden der Vorrichtung 1 elektrisch messbar sind. Die Höhe des elektrischen Signals enthält die Information über die Energie des absorbierten Röntgenquants. Um eine genaue Energieinformation zu erhalten, müssen die erzeugten Ladungsträger möglichst vollständig an der Kathode 20 bzw. Anode 30 gesammelt werden, insbesondere bevor sie wieder rekombinieren können.
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Auch in der hochdotierten p-leitenden Schicht 12 kann beispielsweise aufgrund eines Dotiergradienten ein elektrisches Feld herrschen, das auf die in der hochdotierten p-leitenden Schicht 12 erzeugten oder aus der Raumladungszone 26 stammenden Ladungsträger wirkt. Die hochdotierte p-leitende Schicht 12 bildet dabei mindestens abschnittsweise die erste Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 und ist dort mit einer dielektrischen Schicht 6 abgedeckt, die im Ausführungsbeispiel durch Siliziumoxid (SiO2) gebildet ist. Randseitig ist die dielektrische Schicht 6 durch die umlaufende metallische Schicht 22 begrenzt, die damit auch das Strahlungseintrittsfenster 4 definiert.
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Im Bereich der dielektrischen Schicht 6 weist die Vorrichtung 1 eine Kompensationselektrode 8 auf, die im Ausführungsbeispiel durch eine dünne Aluminiumschicht mit einer Dicke von etwa 50 nm gebildet ist. Zwischen der Kompensationselektrode 8 und der Kathode 20 kann im Betrieb der Vorrichtung 1 eine elektrische Spannung U von etwa 10 V angelegt werden, wobei die Kompensationselektrode 8 dabei negativ gegenüber der Kathode 20 vorgespannt wird. Dadurch wird in der dielektrischen Schicht 6 ein elektrisches Feld erzeugt, mittels dem der Einfluss von Störstellen in der dielektrischen Schicht 6, beispielsweise von Oxidschäden aufgrund der Strahlenbelastung, auf die Ladungsträger mindestens teilweise kompensierbar ist. Dadurch werden die Elektronen in der hochdotierten p-leitenden Schicht 12 von der Grenzfläche zu der dielektrischen Schicht 6 ferngehalten. Damit ist eine unerwünschte Rekombination der Ladungsträger verhindert und die Energieauflösung des Detektors verbessert.
