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Die Erfindung betrifft einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen, zumindest aufweisend ein zur Detektion von Röntgenstrahlung verwendetes Halbleitermaterial, sowie ein CT-System mit einem Röntgenstrahlungsdetektor.
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Für die Detektion von Gamma- und Röntgenstrahlung werden, insbesondere in CT- und Dual-Energy-CT-Systemen, Szintillationsdetektoren oder direktkonvertierende Halbleiterdetektoren verwendet. In den Szintillationsdetektoren wird die einfallende Strahlung indirekt über die Anregung von Elektronen und die Umwandlung in Photonen nachgewiesen. Dahingegen sind die auf Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel CdTe, CdZnTe, CdZnSe und CdZnTeSe, basierenden direktkonvertierenden Detektoren in der Lage, einzelne Photonen zu zählen, folglich die Strahlung direkt nachzuweisen.
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Allerdings kann bei diesen Detektoren eine Antwort des Detektors durch Streustrahlung und/oder direkt einfallende Lichtstrahlung, zum Beispiel IR-, VIS-, UV- oder EUV-Strahlung, verändert werden, welche über die Oberfläche des Halbleitermaterials eindringt, beispielsweise an den Kanten und/oder Seitenflächen. Hierdurch wird bei Szintillationsdetektoren ein lichtstrahlungsbedingtes Rauschen bzw. bei Halbleiterdetektoren eine Zunahme des Kriechstromes bewirkt, wodurch wiederum die Rauschempfindlichkeit und Genauigkeit des Detektors reduziert wird. Für bei Raumtemperatur arbeitende Detektoren ist die Reduktion des Rauschens daher besonders wichtig, sobald sie zur präzisen Messung der Strahlungsintensität und -energie eingesetzt werden, beispielsweise bei CT-Systemen für die klinische Bildgebung.
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Bei Szintillationsdetektoren wurde dieses Problem bisher gelöst, indem das Detektormaterial durch Metall gegenüber Lichtstrahlung abgeblendet wurde. Für Halbleiterdetektoren ist dies jedoch nicht möglich. Zudem würde in diesem Fall bei mit hohen Spannungen beaufschlagten Halbleiterdetektoren ein zusätzlicher Leckstrom auftreten. Eine Lösung des Problems für Halbleiterdetektoren ist bisher nicht bekannt.
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Aus der
EP 2 242 115 A2 ist ein lichtdichter Silizium-Strahlendetektor bekannt, welcher ein Silizium-Substrat mit einem sensitiven Volumen zur Detektion von ionisierender Strahlung und einen Gleichrichterkontakt, durch welchen die ionisierende Strahlung eintreten kann, umfasst. Eine diffundierte oder mit Bor positiv p-dotierte Schicht kann als Gleichrichterelektrode und als Eintrittsfenster für das sensitive Volumen dienen. Eine auf dem Eintrittsfenster abgeschiedene erste Schicht aus Titannitrid verhindert, dass Licht in das sensitive Volumen gelangt, und erhöht die Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit des Detektors. Alternativ kann eine Titannitridschicht direkt auf dem Silizium-Substrat abgeschieden werden, wobei die Schicht als eine Oberflächenbarriere oder als ein Schottky-Barriere-Gleichrichterkontakt dient. Eine Schicht aus Titannitrid kann auf dem Rückseitenkontakt abgeschieden werden, wobei diese Titannitridschicht als ohmscher Kontakt dient. Die zweite Schicht kann ferner als ein leitender Kontakt für die Oberflächenmontage-Verbindungen genutzt werden.
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Aus der
US 2003/0 098 427 A1 ist ein Sensor bekannt, welcher eine leitfähige Schicht auf der Ausleseseite aufweist. Die leitfähige Schicht weist eine Ladungspaare generierende Elektrode, welche durch eine Mehrzahl von bandförmigen Elektroden ausgebildet ist auf. Ferner weist die leitfähige Schicht eine Elektrode, welche keine Ladungspaare generiert und durch eine Mehrzahl von bandförmigen Elektroden ausgebildet, auf, wobei die Ladungspaare generierende und nichtgenerierende Elektrode alternierend angeordnet sind.
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Aus der
US 2008/0 203 310 A1 ist die Unterdrückung der Generierung von Residuumbildern durch Ladungsverluste bekannt.
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Ein Strahlungsdetektor umfasst eine obere, planare Elektrode, welche die Bildinformation aufweisenden elektromagnetischen Wellen transmittiert. Der Strahlungsdetektor umfasst eine ladungsgenerierende Schicht, welche bei Bestrahlung mit den elektromagnetischen Wellen elektrische Ladungen generiert. Der Strahlungsdetektor weist ferner eine Mehrzahl von unterteilten Elektroden zur Sammlung der generierten Ladungen auf.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten direktkonvertierenden Strahlungsdetektor aus einem Halbleitermaterial zu schaffen, bei dem ein Lichtrauschen sowie ein Leckstrom zumindest verringert sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die Erfinder haben erkannt, dass die vorstehend genannte Aufgabe gelöst werden kann, indem das Eindringen von Lichtstrahlung in das Halbleitermaterial auf mehreren von der Röntgenstrahlung abgewandten Seiten verhindert wird. Hierzu kann auf mehreren Seiten, Seitenflächen und/oder Kanten des Halbleitermaterials eine lichtstrahlungsundurchlässige, das heißt opake, Beschichtung aufgetragen werden. Diese Beschichtung weist ein spiegelähnliches Verhalten auf und/oder bewirkt eine vollständige Absorption der Strahlung, sodass das Eindringen der Lichtstrahlung in den Halbleiter größtenteils verhindert werden kann, bis hin zu einer vollständigen Vermeidung. Um die Opazität des Halbleitermaterials an den Seitenflächen und/oder Kanten zu erhöhen, können diese mit einem stark isolierenden Material beschichtet werden. Die Beschichtung kann unterschiedlich ausgebildet werden, beispielsweise hinsichtlich der verwendeten Materialien oder der Art der Beschichtung. Zum Beispiel kann die Beschichtung mehrere einzelne Schichten umfassen. Ausschlaggebend ist hierbei, dass die Beschichtung als geschlossene, durchgehende Beschichtung aus einem opaken Material vorliegt, um jeweils eine gesamte Seitenfläche und/oder Kante abzudecken.
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Zum einen ist eine direkte Ablagerung einer einzelnen Schicht eines opaken Materials auf der Oberfläche des Halbleiters möglich. Hierzu eignen sich besonders opake Materialien aus Polymerverbindungen, beispielsweise einem Epoxid oder einem farbigen Epoxid, oder aus Erzoxid-Lösungen, beispielsweise Titanoxid. Diese Materialien können direkt auf den Halbeiter aufgebracht werden, zum Beispiel mittels Drehverfahren, Eintauchverfahren, Sprühverfahren, Druckverfahren, Aufbürstverfahren oder dergleichen. Die verwendeten Materialien sind entweder bereits ausgehärtet oder härten bei dem Verdampfen der flüchtigen Bestandteile aus, wie beispielsweise Verbindungen mit Titanoxid. Die hierfür verwendeten Materialien werden insbesondere nach ihren Eigenschaften, wie dem spezifischen Widerstand und/oder der Durchbruchspannung ausgewählt, wobei für beide Eigenschaften gilt, je größer desto besser. Polymerverbindungen und Titanoxid können beispielsweise einen spezifischen Widerstand von 100 GΩ·cm und mehr aufweisen.
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Zum anderen können auf dem Halbleiter mehrere Schichten, das heißt mindestens zwei Schichten, aufgebracht werden. Diese Schichten können aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgeführt werden, wobei eine zufällige oder periodische Abfolge der unterschiedlichen Schichten möglich ist. Die Zusammensetzung und Dicke der Schichten kann so gewählt werden, dass die Schichten die einfallende Lichtstrahlung reflektieren und ein spiegelähnliches Verhalten zeigen, also opak sind, und/oder die einfallende Strahlung absorbieren. Hierfür eigenen sich besonders unterschiedliche Schichten aus Materialien, wie SiO2 und Si3N4, oder Verbindungen aus Ag- oder Al-Basis. Um eine möglichst hohe Widerstandsfähigkeit an der Oberfläche des Detektors zu erzeugen, kann direkt auf dem Halbleiter eine erste Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand aufgetragen werden. Als eine weitere Schicht kann dann ein möglichst isolierendes Material, insbesondere mit einer sehr geringen Leitfähigkeit, auf der ersten Schicht aufgetragen werden. Das Material der weiteren Schicht, welches nicht im direkten Kontakt mit der Halbleiteroberfläche steht, kann weiterhin einen geringeren spezifischen Widerstand besitzen als das Material der ersten Schicht. Jedoch kann das Material der weiteren Schicht ebenfalls ähnlich hochohmig sein wie das Material der ersten Schicht.
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Das Material der einzelnen Schichten ist beispielsweise amorph, semi-amorph oder kristallin. Die verwendeten Materialien sind einfach in der Handhabung und es sind keine aufwendigen und teuren Verfahren für deren Aufbringen auf dem Halbleiter notwendig. Weiterhin können die opaken Materialschichten auf beliebigen Oberflächen bzw. Oberflächenbereichen des Halbleiters aufgebracht werden. Zusätzlich zu der erfindungsgemäß erhöhten Opazität des Halbleiters ist ein mechanischer Schutz der Oberflächen gegeben.
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Demgemäß schlagen die Erfinder vor, einen direktkonvertierender Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen, zumindest aufweisend ein zur Detektion von Röntgenstrahlung verwendetes Halbleitermaterial, dahingehend zu verbessern, dass mehrere von der Röntgenstrahlung abgewandte Seiten des Halbleitermaterials eine Beschichtung aufweisen, um ein Eindringen von Strahlung in das Halbleitermaterial zu verhindern. Bei einem derartigen Röntgenstrahlungsdetektor wird erfindungsgemäß verhindert, dass Lichtstrahlung, beispielsweise direkt einfallende Strahlung und/oder Streustrahlung, in das Halbleitermaterial eindringt. Bevorzugt kann das Eindringen von Lichtstrahlung vollständig vermieden werden. Hierzu sind mehrere von der Röntgenstrahlung abgewandte Seiten beschichtet. Bevorzugterweise ist eine der Röntgenstrahlung zugewandte Seite des Halbleitermaterials unbeschichtet, weist also keine Beschichtung auf, um die Detektion der Röntgenstrahlung zu ermöglichen. Indem das Halbleitermaterial gegen das Eindringen der Lichtstrahlung mittels der Beschichtung abgeschirmt wird, kann wiederum eine Zunahme des Kriechstromes des Detektors verhindert werden, sodass die Rauschempfindlichkeit und Genauigkeit erhalten bleibt.
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Die Beschichtung ist erfindungsgemäß auf mehreren von der auf das Halbleitermaterial einfallenden Röntgenstrahlung abgewandten Seiten bzw. Seitenflächen und/oder Kanten auf dem Halbleitermaterial ausgeführt. Erfindungsgemäß ist die der Röntgenstrahlung zugewandte Seite unbeschichtet. Vorzugsweise ist auf mehreren Seiten und/oder Kanten des Halbleitermaterials eine Beschichtung ausgeführt, um eine möglichst vollständige Abschirmung gegenüber der einfallenden Lichtstrahlung zu gewährleisten. Entsprechend ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Beschichtung opak ausgeführt, das heißt möglichst vollständig lichtundurchlässig bzw. undurchsichtig. Um eine flächen- bzw. kantendeckende Abschirmung zu gewährleisten, ist die Beschichtung bevorzugt geschlossen und durchgehend, also ohne Ausbildung von Lücken, auf dem Halbleitermaterial ausgebildet. Die Beschichtung kann zum Beispiel aus unterschiedlichen Materialien und/oder unterschiedlichen Materialverbindungen ausgeführt sein. Weiterhin weist die Beschichtung bevorzugt eine Dicke von mindestens 100 nm pro Schicht auf, um eine Absorption bzw. Reflektion der einfallenden Strahlung in einem ausreichenden Maße zu ermöglichen. Hierfür ist die Schicht bevorzugt zusammenhängend und durchgehend, das heißt ohne Lücken, ausgebildet. Vorzugsweise ist eine Gesamtdicke der Schichten kleiner als 500 μm, bevorzugt kleiner als 150 μm, weiter bevorzugt kleiner als 50 μm. Hierdurch wird zum einen eine platzsparende Ausgestaltung des Halbleiterdetektors sowie eine große aktive Halbleiteroberfläche bei aneinander gereihten Detektoren ermöglicht. Zum anderen bleibt hierdurch eine hohe Dosiseffizienz der Detektoren erhalten.
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Zur Abschirmung des Halbleitermaterials und damit zur Ausbildung der Beschichtung eignen sich vor allem Materialien mit einem hohen spezifischen Widerstand sowie einer hohen Durchbruchspannung. Bei beiden Materialeigenschaften gilt, je höher desto besser. Daher ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Material der Schicht/Beschichtung einen spezifischen Widerstand von mindestens 5 GΩ·cm, bevorzugt mindestens 10 GΩ·cm, weiter bevorzugt mindestens 50 GΩ·cm und am meisten bevorzugt mindestens 100 GΩ·cm aufweist.
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Die Beschichtung umfasst vorzugsweise mindestens eine Schicht. Vorteilhafterweise können einzelne Schichten und die Beschichtung als solche unterschiedlich ausgeführt werden. Dies gilt zum einen hinsichtlich einer Anzahl an auf das Halbleitermaterial aufgebrachten Schichten als auch hinsichtlich des jeweiligen Materials der Schichten und deren Eigenschaften, wie spezifischer Widerstand, Leitfähigkeit, Durchbruchspannung, und/oder Dicke. In einer Ausführungsform des Röntgenstrahlungsdetektors umfasst die Beschichtung daher genau eine Schicht. In anderen Ausführungsformen umfasst die Beschichtung mehrere, also mindestens zwei Schichten. Bei mehreren Schichten ist eine Abfolge von unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in den jeweiligen Schichten beispielsweise zufällig oder periodisch ausgeführt.
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Bevorzugt sind zwei aufeinander folgende Schichten jeweils aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgebildet. Eine erste, direkt auf das Halbleitermaterial aufgebrachte Schicht weist dabei vorteilhafterweise einen höheren spezifischen Widerstand auf als eine auf der ersten Schicht aufgetragene, zweite Schicht. Hierdurch kann ein hoher spezifischer Widerstand an der Oberfläche des Halbleitermaterials erhalten werden. In einer Ausführungsform mit mehreren Schichten kann eine transparente erste Schicht mit einem hohem spezifischen Widerstand von einer opaken zweiten Schicht mit geringerem spezifischen Widerstand abdeckt werden. Insgesamt ist die Beschichtung somit vorteilhafterweise opak und die Oberfläche des Halbleitermaterials wird durch die Schichten isoliert.
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Das Material der Schichten ist beispielsweise amorph, semi-amorph und/oder kristallin. Es eignen sich Materialien bzw. Materialverbindungen wie Polymerverbindungen, insbesondere Epoxid und/oder farbiges Epoxid; Erzoxid-Lösungen, insbesondere Titanoxid; SiO2 und Si3N4, sowie Verbindungen basierend auf Ag oder Al. Diese Materialien sind vorzugsweise opak und weisen einen hohen spezifischen Widerstand und eine hohe Durchbruchspannung auf. Vorteilhafterweise können durch die Auswahl des Materials einer Schicht oder der Auswahl mehrerer Materialien von mehreren Schichten spiegelähnliche Eigenschaften der Oberfläche des Halbleitermaterials erzeugt werden. Zum Aufbringen der Schichten auf dem Halbleitermaterial können beispielsweise die folgenden Verfahren angewandt werden: Drehverfahren, Eintauchverfahren, Sprühverfahren, Druckverfahren und/oder Aufbürstverfahren sowie Sputtern, Verdampfen und Abscheiden aus einer Lösung.
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Weiterhin zählt zum Rahmen der Erfindung auch ein CT-System, in welchem ein Röntgenstrahlungsdetektor aus mindestens einem Detektorelement, vorteilhafterweise mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung auf dem zur Detektion verwendeten Halbleitermaterial, verwendet werden kann, mit dem tomographische Aufnahmen eines Untersuchungsobjektes erstellt werden können.
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Insgesamt bietet die Erfindung die folgenden Vorteile: Die als Beschichtung geeigneten Materialien sind vorteilhafterweise einfach in der Handhabung und können mittels einfacher standardisierter und kostengünstiger Verfahren auf das Halbleitermaterial aufgebracht werden. Hierdurch können gezielt einzelne und/oder mehrere Bereich der Halbleiteroberfläche opak ausgestaltete werden, beispielsweise Seitenflächen und/oder Kanten. Zusätzlich zu der erfindungsgemäß erzeugten Opazität des Halbleitermaterials ist das Halbleitermaterial durch die aufgebrachten Schichten mechanisch geschützt. Das Vorliegen weiterer Materialien auf dem Halbleitermaterial kann mittels einfacher chemischer oder mechanischer Verfahren nachgewiesen werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: B: Beschichtung; C1: CT-System; C2: erste Röntgenröhre; C3: erster Detektor; C4: zweite Röntgenröhre (optional); C5: zweiter Detektor (optional); C6: Gantrygehäuse; C7: Patient; C8: Patientenliege; C9: Systemachse; C10: Rechen- und Steuereinheit; HL: Halbleitermaterial; Prg1 bis Prgn: Computerprogramme; S: Seitenfläche; 1: erste Schicht; 2: zweite Schicht; 3: dritte Schicht.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1 eine schematische Darstellung eines CT-Systems mit Recheneinheit;
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2 schematisch ein Halbleitermaterial mit einer Beschichtung auf einer Seitenfläche; und
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3 schematisch das Halbleitermaterial mit einer Beschichtung auf der Seitenfläche in einer anderen Ausführungsform.
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Die 1 zeigt ein beispielhaftes CT-System C1. Das CT-System C1 umfasst ein Gantrygehäuse C6, in dem sich eine hier nicht näher dargestellte Gantry befindet, an der eine erste Röntgenröhre C2 mit einem gegenüberliegenden ersten Detektor C3 befestigt sind. Optional ist ein zweite Röntgenröhre C4 mit einem zweiten gegenüberliegenden Detektor C5 vorgesehen. Ein Patient C7 befindet sich auf einer in Richtung der Systemachse C9 verschiebbaren Patientenliege C8, mit der er während der Abtastung mit der Röntgenstrahlung kontinuierlich oder sequentiell entlang der Systemachse C9 durch ein Messfeld zwischen den Röntgenröhren C2 und C4 und den jeweils zugeordneten Detektoren C3 und C5 geschoben werden kann. Dieser Vorgang wird durch eine Rechen- und Steuereinheit C10 mit Hilfe von Computerprogrammen Prg1 bis Prgn gesteuert. Erfindungsgemäß sind die Detektoren C3 und C5 als direktkonvertierende Röntgenstrahlungsdetektoren ausgebildet, welche ein zur Detektion der Röntgenstrahlung verwendetes Halbleitermaterial HL (siehe 2 und 3) aufweisen.
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Die 2 und 3 zeigen jeweils schematisch ein Halbleitermaterial HL mit einer Beschichtung B auf einer Seitenfläche S, wobei die Beschichtung unterschiedlich ausgeführt ist. Es ist in den 2 und 3 jeweils ein quaderförmiger Ausschnitt des als direktkonvertierender Rontgenstrahlungsdetektor verwendeten Halbleitermaterials HL gezeigt. Gemäß dem jeweils gezeigten Ausschnitt ist die Beschichtung B auf einer von der einfallenden Röntgenstrahlung abgewandten Seitenfläche S des Halbleitermaterials HL aufgebracht. Eine der Röntgenstrahlung zugewandte Seite des Halbleitermaterials HL ist beschichtungsfrei. Gemäß den Ausführungsformen der 2 und 3 umfasst die Beschichtung B jeweils eine unterschiedliche Anzahl an Schichten 1, 2, 3. Die einzelnen Schichten 1, 2, 3 unterschieden sich wiederum bezüglich der verwendeten Materialien und deren Eigenschaften. Beide 2 und 3 zeigen jeweils noch eine Vergrößerung einer Draufsicht eines Randbereiches der Schichten 1 bzw. 1, 2 und 3.
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Die Schicht 1 (siehe 2) bzw. die Schichten 1, 2 und 3 (siehe 3) sind erfindungsgemäß opak und verhindern so das Eindringen von Streustrahlung und direkt auf die Seitenfläche S einfallender Lichtstrahlung in das Halbleitermaterial HL. Somit kann bei derartigen Röntgenstrahlungsdetektoren eine Zunahme des Kriechstromes verhindert werden, um die Rauschempfindlichkeit und Genauigkeit des Detektors zu erhalten. Die hierzu verwendeten Materialien sind insbesondere stark isolierend. Unabhängig von der Anzahl der Schichten 1, 2, 3 liegen diese als durchgehende, geschlossene Beschichtung B auf der Seitenfläche S vor, um eine möglichst vollständige Abschirmung des Halbleitermaterials HL zu gewährleisten.
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In der 2 ist eine einzelne Schicht 1 auf der ausschnittsweise gezeigten Seitenfläche S ausgebildet. Diese Schicht 1 kann direkt auf die Seitenfläche S abgelagert werden, beispielsweise mittels eines Eintauchverfahrens. Eine einzelne Schicht 1 ist beispielsweise aus opaken Materialien, wie Polymerverbindungen, beispielsweise aus einem Epoxid oder einem farbigen Epoxid, oder aus Erzoxid-Lösungen, beispielsweise Titanoxid, ausgebildet. Beim Aufbringen der Schicht 1 auf die Seitenfläche S sind die Materialien entweder bereits ausgehärtet oder sie härten während des Aufbringens aus, beispielsweise durch Verdampfen der flüchtigen Bestandteile. Die verwendeten opaken Materialien weisen einen hohen spezifischen Widerstand, beispielsweise mindestens 50 GΩ·cm, und eine hohe Durchbruchspannung auf.
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Gemäß der Ausführungsform der 3 ist auf der ausschnittsweise gezeigten Seitenfläche S des Halbleiters HL eine Beschichtung B aus drei Schichten 1, 2, 3 ausgebildet, wobei die Schichten 1, 2, 3 jeweils einzeln auf das Halbleitermaterial HL aufgebracht sind, beispielsweise mittels eines Sprühverfahrens. Die Schichten 1, 2, 3 sind aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgebildet. In der hier gezeigten Ausführungsform wissen die drei Schichten 1, 2, 3 jeweils die gleiche Dicke auf. Die Abfolge der einzelnen Schichten 1, 2, 3 ist zufällig gewählt. Insgesamt weisen die Schichten 1, 2, 3 aufgrund ihrer Materialzusammensetzungen und der Materialeigenschaften ein spiegelähnliches Verhalten auf, um das Eindringen von Licht an der beschichteten Seitenfläche S zu verhindern. Die erste, direkt auf dem Halbleitermaterial HL aufgebrachte Schicht 1 weist einen höheren spezifischen Widerstand auf als die beiden anderen, auf der ersten Schicht 1 aufgetragenen Schichten 2 und 3, wobei die dritte, äußerste Schicht 3 weniger leitfähig als die beiden anderen Schichten 1 und 2 ist, vorzugsweise stark isolierend. Hierdurch wird zum einen eine möglichst hohe Widerstandsfähigkeit an der Oberfläche des Detektors erzeugt und zum anderen ist das Halbleitermaterial HL durch die Beschichtung B möglichst isoliert.
