DE102012215041A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes eines direktkonvertierenden Röntgendetektors - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes eines direktkonvertierenden Röntgendetektors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterelementes eines direktkonvertierenden Röntgendetektors, wobei auf einer Halbleiterschicht (HL) mindestens eine Zwischenschicht (ZS1–ZS3) und mindestens eine Kontaktschicht (KS) auf einer freiliegenden Zwischenschicht durch chemische stromlose Abscheidung eines Kontaktmaterials jeweils aus einer Lösung aufgebracht wird. Erfindungsgemäß werden die Materialien für die einzelnen Schichten derart gewählt, dass das elektrochemische Potential der Materialien der mindestens einen Zwischenschicht (ZS1–ZS3) größer ist als das elektrochemische Potential mindestens eines Elements der Halbleiterschicht (HL) und das elektrochemische Potential des Kontaktmaterials der Kontaktschicht (KS) größer ist als das elektrochemische Potential der Materialien der Zwischenschichten (ZS1–ZS3). Zum Rahmen der Erfindung zählen auch Halbleiterelemente für direktkonvertierende Röntgendetektoren, die nach dem zuvor geschilderten Verfahren hergestellt wurden, ein Röntgendetektor mit solchen Halbleiterelementen, ein Röntgensystem mit einem solchen Röntgendetektor und auch ein CT-System mit einem solchen Röntgendetektor.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes eines direktkonvertierenden Röntgendetektors, wobei eine Halbleiterschicht auf der Basis von Elementen der Gruppen II bis VI (enthaltend die Gruppen IIA, IIB, IIIA, IIIB, IVA, IVB, VA, VB, VIA, VIB nach CAS beziehungsweise die Gruppen 2–6 und 12–16 nach IUPAC) erzeugt wird, mindestens eine Zwischenschicht durch chemische stromlose Abscheidung des Materials der Zwischenschicht aus einer Lösung, mit der die Halbleiterschicht benetzt wird, aufgebracht wird und auf einer letzten Zwischenschicht eine Kontaktschicht durch chemische stromlose Abscheidung eines Kontaktmaterials aus einer Lösung, mit der das Halbleitersubstrat benetzt wird, abgeschieden wird. Im Übrigen betrifft die Erfindung auch Halbleiterelemente eines direktkonvertierenden Röntgendetektors, die durch ein solches Verfahren hergestellt werden und ebenso einen Röntgendetektor mit solchen Halbleiterelementen, ein Röntgensystem mit einem solchen Röntgendetektor und ein CT-System mit einem solchen Röntgendetektor.
  • Solche Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen für direktkonvertierende Röntgendetektoren sind allgemein bekannt. Ein Problem bei solchen Halbleiterelementen für direktkonvertierende Röntgendetektoren besteht im Wesentlichen darin, dass noch keine optimale Homogenität und Stabilität der Detektorantwort über die Zeit erreicht wurde.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen für direktkonvertierende Röntgendetektoren zu finden, durch welches die Homogenität und Stabilität der Detektorantwort über die Zeit solcher Detektoren verbessert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
  • Um die elektronischen Vorteile von direktkonvertierenden Detektoren wie II-VI-Verbindungshalbleitern, beispielsweise CdxZn1-xTeySe1-y mit 0 ≤ x, y ≤ 1, oder CdxMn1-xTeySe1-y mit 0 ≤ x, y ≤ 1, ausnutzen zu können, müssen auf dem Halbleiter Ohmsche Kontakte aufgebracht werden, welche bei der Verwendung der Halbleiter in Detektoren einen niedrigen Leckstrom, einen erweiterten elektrischen Feldverlauf und höhere Detektoreffizienz erzeugen. Die Leistung der auf II-VI-Verbindungshalbleitern basierenden direktkonvertierenden Detektoren hängt zum Einen von den elektrischen Eigenschaften der Halbleiter und zum Anderen von den Ohmschen Kontakten auf dem Halbleiter sowie vor allem von der Grenzfläche zwischen dem Kontaktmaterial und dem Halbleiter ab. Durch geschickte Auswahl günstiger Kontaktmaterialien können die Eigenschaften der Ohmeschen Kontakte derart beeinflusst werden, sodass diese entweder Ladungsträger injizieren oder Ladungsträger blockieren. Ebenso beeinflusst jedoch auch die verwendete Methode der Aufbringung des Kontaktmaterials die Zusammensetzung einer Grenzschicht beziehungsweise Zwischenschicht zwischen dem Kontaktmaterial und dem Halbleiter.
  • Im Vergleich zu anderen physikalischen Abscheidemethoden, wie Sputtern oder thermischem Aufdampfen, kann eine stärkere chemische Bindung zwischen einem metallischen Kontaktmaterial und einem Halbleiter erzeugt werden, wenn eine chemische stromlose Abscheidung zur Aufbringung des Kontaktmaterials als Ohmscher Kontakt verwendet wird. Die chemische stromlose Abscheidung weist bislang gegenüber den anderen Abscheidemethoden bestimmte Vorteile auf, und zwar: diese Methode ist einfach und schnell, das heißt innerhalb weniger Minuten, ausführbar; Verunreinigungen können vermieden werden und die Ausbildung von Oxidschichten vor der Abscheidung des Kontakts kann reduziert werden; es können injizierende Kontakte erzeugt werden, mit denen das Problem der Polarisation gelöst werden kann; es entstehen lediglich geringe Kosten; und die Leistung der Detektoren wird verbessert.
  • Die chemische stromlose Abscheidung ist einfacher durchzuführen als physikalische Abscheidemethoden und erzeugt ohne die Notwendigkeit des Aushärtens eine stärkere chemische Bindung zwischen einer Kontaktschicht und einer Halbleiterschicht, die beispielsweise aus CdTe bestehen kann. Allerdings sind bisher lediglich die vier Kontaktmaterialien Au, Pt, Pd und In bekannt, wobei Au, Pt und Pd injizierende p-Typ-Kontakte beziehungsweise blockierende n-Typ-Kontakte erzeugen, und In blockierende p-Typ-Kontakte beziehungsweise injizierende n-Typ-Kontakte erzeugt.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass auch andere interessierende Einfachelemente beziehungsweise Materialien mittels einer stromlosen Abscheidung abgeschiedenen werden können, wenn das Redoxpotential der abgeschiedenen Elemente beziehungsweise Materialien ausgenutzt wird, um entsprechende Zwischenschichten zwischen der Halbleiterschicht und der außen liegenden Schicht zu schaffen, so dass ein zwischen-diffundierendes Mehrschichtensystem entsteht, also mindestens zwei Schichten auf dem Halbleiter aufgebracht werden. Diese Mehrschichtensysteme haben die Besonderheit, dass die einzelnen Schichten relativ zueinander ein anderes elektrochemisches Potential (=Austrittsarbeit der Elektronen) aufweisen als der Halbleiter und die Einfachelemente selbst. Das führt zu anderen Eigenschaften der Kontakte und bewirkt potenziell eine Verbesserung der Leistung des Detektors.
  • Momentan werden Untersuchungen an Halbleitern, wie CdxZn1-xTeySe1-y mit 0 ≤ x, y ≤ 1, und CdxMn1-xTeySe1-y mit 0 ≤ x, y ≤ 1, durchgeführt, wobei lediglich Au, Pt, Pd und In als Kontaktmaterialien verwendet werden. Weiterhin werden auch andere Abscheidemethoden, wie Sputtern oder Aufdampfen, eingesetzt, um gestapelte oder mehrschichtige Kontakte herzustellen. Allerdings weisen die mit diesen Methoden erzeugten Kontakte nicht die gleichen Eigenschaften auf wie die, mit der chemischen stromlosen Abscheidemethode erzeugten Kontakte.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass ein Mehrschichtensystem mittels einer chemischen stromlosen Abscheidemethode erzeugt werden kann, wenn bei der Auswahl des Kontaktmaterials und der mindestens einen zwischen Halbleiter und Kontaktschicht liegenden Zwischenschicht das elektrochemische Potential des Kontaktmaterials, der mindestens einen Zwischenschicht und des Halbleiters, berücksichtigt wird, sodass die Leistung des Detektors verbessert wird.
  • Um zu beeinflussen, welche Elemente auf dem Halbleiter oder/und einer zuvor abgeschiedenen Schicht abgeschiedenen werden, wird das Redoxpotential der während des Abscheidens ablaufenden chemischen Reaktionen berücksichtigt. Das Redoxpotential E0 umschreibt dabei die Bereitschaft eines Stoffes zu reduzieren beziehungsweise zu oxidieren. Die in der verwendeten, stromlosen Lösung enthaltenen Ionen, beispielsweise AuCl4 – für Au oder PtCl6 2– für Pt, welche starke Oxidationsmittel sind beziehungsweise stark oxidierend wirken, werden mit dem stärksten Reduktionsmittel aus dem Halbleiter reagieren, was zur Ausfällung und zum Abscheiden des Kontaktmaterials führt. Diese Reaktion kann in einem Schritt – also direkt – oder in mehreren Schritten erfolgen.
  • Hierbei ist auch die Wahl des pH-Wertes der Lösung nicht unwesentlich. Beispielsweise gilt bei CdTe, dass bei einem sauren pH-Wert, das Reduktionsmittel hauptsächlich Cd ist, und bei einem alkalischen pH-Wert das Reduktionsmittel hauptsächlich Te ist. Dieses Verhalten ist in der thermodynamischen Gleichung für eine Standard-Wasserstoffelektrode beschrieben. So kann die typische, direkte Abscheidung von Au auf CdTe mit der folgenden Gleichung umschrieben werden: 2AuCl – / 4 + 3Cd(s) → 2Au(s) + 8Cl– + 3Cd2+ mit ΔE0 = +1,40V, wobei ∆E0 die Differenz des Redoxpotentials der jeweiligen Reduktions- und Oxidationsmittel, hier Au und Cd, ist. Die positive Differenz des Redoxpotentials bedeutet, dass die Reaktion vollständig und entsprechend stark in eine Richtung beziehungsweise zu einem Reduktionsmittel hin verschoben erfolgt.
  • Gleichermaßen kann die schrittweise Abscheidereaktion von Pt mit den folgenden Gleichungen umschrieben werden: PtCl 2– / 6 + Cd = PtCl 2– / 4 + 2Cl– + Cd2+ mit ΔE0 = +1,08V, 2PtCl 2– / 6 + Te + 60H– = 2PtCl 2– / 4 + 4Cl– + TeO 2– / 3 + 3H2O mit ΔE0 = +1,25V, PtCl 2– / 4 + Cd = Pt + 4Cl– + Cd2+ mit ΔE0 = +1,16V, und 2PtCl 2− / 4 + Te + 60H– = 2Pt + 8Cl– + TeO 2– / 3 + 3H2O mit ΔE0 = +1,32V.
  • Der Aufbau der Schichten auf einem Halbleitersubstrat kann beispielsweise als eine Abfolge von Schichten mit den folgenden Merkmalen erzeugt werden: Bei der ersten Zwischenschicht, die unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat aufliegt, kann sofern die verwendete Lösung oxidierende Ionen A enthält, deren Redoxpotential größer sein als das Redoxpotential der Elemente Cd und/oder Te. Die Ionen A werden dann mit den Atomen aus der Halbleiterschicht reagieren, z.B. mit den Cd-Atomen. Dabei werden die Atome der Halbleiterschicht, z.B. die Cd-Atome, durch die A-Atome substituiert, wobei das Reduktionsmittel, z. B die Cd-Atome, in Lösung geht und die Ionen A aus der Lösung, z.B. die Platin-Ionen, als erste Zwischenschicht an der Oberfläche des Halbleiters abgeschieden werden.
  • Zur Erzeugung der nachfolgenden Schichten kann der Halbleiter jeweils in eine andere chemische Lösung eingetaucht werden, wobei die Lösung ein oxidierendes Element B enthält, welches ein größeres Redoxpotential als das Element A aufweist. Die Ionen B werden dann mit den festen Ionen A der ersten Schicht auf dem Halbleiter reagieren, wobei An+-Ionen in der Lösung verbleiben und die Ionen B auf dem Halbleiter beziehungsweise dem Kontakt ausfallen. Dieser bevorzugte Ausfall von B auf A führt zu Ausbildung von Fehlstellen von A an der Oberfläche des Detektors und folglich zu einer gemischten Schicht aus beiden Elementen A und B, wodurch eine neue, als Legierung ausgebildete Zwischenschicht entsteht.
  • Das Eintauchen und Abscheiden des zweiten Elementes B kann mit verschiedenen Materialien wiederholt werden, um eine Legierung aus mehreren Elementen zu erzeugen.
  • Erfindungsgemäß werden hierzu Ionen vorgeschlagen, die ein höheres Redoxpotential aufweisen als die des Halbleiters und der bereits aufgetragenen Schichten, gegebenenfalls bereits in einer gemischten Legierungsschicht implizierten Materialien. Wird CdTe als Halbleiter verwendet, so weisen die oxidierenden Elemente ein größeres Redoxpotential als E0 = –0,57 V auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in Verbindung mit anderen Verfahren, wie der Photolithographie oder Ätzen etc. verwendet werden, um Detektoren mit unterschiedlichen Geometrien herzustellen, beispielsweise ebene, gepixelte oder halbkugelförmige Geometrien.
  • Entsprechend diesem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellte direktkonvertierende Detektoren besitzen besonders gute Werte bezüglich deren Homogenität und Stabilität der Detektorantwort über die Zeit, also eine geringe Drift der Zählrate in Abhängigkeit der Zeit.
  • Entsprechend dem oben geschilderten Grundgedanken der Erfindung schlagen die Erfinder die Verbesserung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterelementes eines direktkonvertierenden Röntgendetektors vor, bei dem die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
    • – Erzeugung einer Halbleiterschicht auf der Basis von Elementen der Gruppen II bis VI – dies entspricht den Gruppen IIA, IIB, IIIA, IIIB, IVA, IVB, VA, VB, VIA, VIB nach CAS beziehungsweise den Gruppen 2–6 und 12–16 nach IUPAC –,
    • – Aufbringung mindestens einer Zwischenschicht durch chemische stromlose Abscheidung des Materials der Zwischenschicht aus einer Lösung, mit der das Halbleitersubstrat benetzt ist, und
    • – Aufbringung einer Kontaktschicht durch chemische stromlose Abscheidung eines Kontaktmaterials aus einer Lösung, mit der das Halbleitersubstrat benetzt ist.
  • Erfindungsgemäß wird das Verfahren dadurch verbessert, dass Materialien für die einzelnen Schichten derart verwendet werden, dass das elektrochemische Potential der Materialien der mindestens einen Zwischenschicht größer ist als das elektrochemische Potential des mindestens einen Elements der Halbleiterschicht und das elektrochemische Potential des Kontaktmaterials der Kontaktschicht größer ist als das elektrochemische Potential der Materialien der Zwischenschichten.
  • Es wird also vorgeschlagen, die Materialien der aufzubringenden einzelnen Schichten derart zu wählen, das deren elektrochemisches Potential – also die Austrittsarbeit der Elektronen – von Schicht zu Schicht, also von aufgebrachtem Material zu aufgebrachtem Material von der Halbleiterschicht hin zur Kontaktschicht sukzessive zunimmt. Betrachtet man dieses Verfahren bezüglich seiner zeitlichen Reihenfolge, in der die einzelnen Materialien durch stromlose Abscheidung aufgebracht werden, so entspricht diese Aussage auch dem Umstand, dass jeweils das später auf dem Halbleiter abgeschiedene Material ein zunehmend größeres elektrochemisches Potential aufweisen soll.
  • Das elektrochemische Potential, beziehungsweise die Austrittsarbeit – teilweise auch Auslösearbeit genannt –, eines Materials wird dabei definiert als die Arbeit, die aufgewandt werden muss, um ein Elektron aus einem ungeladenen Festkörper dieses Materials zu lösen. In der Regel wird das elektrochemische Potential in eV (Elektronenvolt) angegeben. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass unter dem Begriff „stromlos“ verstanden wird, dass keine externe Strom- oder Spannungsquelle an das System angelegt wird. Die durch internen Elektronenaustausch der Elemente bei der Abscheidung erzeugte Ladungsbewegung wird bei dem Begriff „stromlos“ nicht berücksichtigt.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die unmittelbar auf der Halbleiterschicht aufgebrachte erste Zwischenschicht mit einer Lösung des Materials der ersten Zwischenschicht aufgebracht wird, wobei das Redoxpotential des – gelösten – Materials der ersten Zwischenschicht größer ist als das Redoxpotential mindestens eines der Elemente der Halbleiterschicht.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die unmittelbar auf der Halbleiterschicht aufgebrachte erste Zwischenschicht mit einer Lösung des aufzubringenden Materials der ersten Zwischenschicht aufgebracht wird, wobei das Redoxpotential des Materials der ersten Zwischenschicht größer ist als das Redoxpotential aller Elemente der Halbleiterschicht.
  • Für jede weitere aufgebrachte Zwischenschicht mit einer Lösung des Materials der weiteren Zwischenschicht sollte weiterhin das Redoxpotential des Materials der weiteren Zwischenschicht größer sein als das Redoxpotential des Materials der vorhergehenden Zwischenschicht.
  • Auch das Kontaktmaterial, das die Kontaktschicht bildet, kann mit einer Lösung des Kontaktmaterials aufgebracht werden, wobei das Redoxpotential des Kontaktmaterials größer sein sollte als das Redoxpotential des Materials der vorhergehenden Zwischenschicht.
  • Das vorgenannte Redoxpotential – auch Standardelektrodenpotential genannt – beschreibt dabei ein Maß für die Bereitschaft eines in Lösung befindlichen Materials, meist eines Metalls, in einer chemischen Reaktion Elektronen aufzunehmen und damit als Oxidationsmittel zu wirken.
  • Günstig ist es weiterhin, wenn als Material der Zwischenschichten mindestens ein Metall, vorzugsweise ausschließlich Metalle, verwendet werden.
  • Vorgeschlagen wird weiterhin, dass mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei oder genau drei, Zwischenschichten unterschiedlicher Elemente aufgebracht werden, die mit Hilfe der schichtweise aufgebrachten Zwischenschichten insgesamt eine Zwischenlage aus einer Legierung der unterschiedlichen Elemente bilden.
  • Ebenso ist es möglich, dass mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei oder genau drei, Zwischenschichten unterschiedlicher Materialien aufgebracht werden, die zumindest in einem Grenzbereich der Schichten eine Legierung der unterschiedlichen Materialien bilden. In einer besonderen Ausgestaltung können die Schichten bezüglich ihrer Dicke auch so gewählt werden, dass ausschließlich die Materialien der jeweils angrenzenden Schichten zu Legierungen mischen. Unter dem Begriff Materialien werden im Sinne der Erfindung sowohl einzelne chemische Elemente, als auch anorganische oder organische Moleküle angesehen. Wesentlich ist dabei, dass das elektrochemische Potential dieser Materialien. Sobald deren elektrochemisches Potential einen Unterschied zu den Atomen im Halbleiter oder einer bereits abgeschiedenen Schicht aufweist, kommt es zur gewünschten Reaktion.
  • Als Kontaktmaterial der Kontaktschicht kann vorzugsweise ein Metall gewählt werden. Bezüglich des Halbleitermaterials ist es besonders günstig, wenn dieses Cd und Te, gegebenenfalls zusätzlich Zn und/oder Mn und/oder Se, enthält. Besonders bevorzugt kann das Halbleitermaterial die Formel CdxMn1-xTeySe1-y mit 0 ≤ x, y ≤ 1 oder CdxZn1-xTeySe1-y mit 0 ≤ x, y ≤ 1 erfüllen.
  • Weiterhin kann die Menge der aufzutragenden Materialien durch eine Variation der Einwirkzeit der Lösungen kontrolliert werden. Sollen nur Teilflächen des Halbleiters mit den Zwischenschichten und/oder der Kontaktfläche beaufschlagt werden, so können auch nur diese Teilflächen des Halbleiters mit Lösung benetzt werden, beispielsweise kann auch ein Teilbereich des Halbleiters vor einer Benetzung durch Lösung mit einer Schutzschicht versehen werden, so dass sich dort kein Material abscheidet. Günstig ist es hierbei, wenn die Schutzschicht aus einem Material besteht, welches ein größeres elektrochemisches Potential aufweist als alle andern verwendeten Materialien.
  • Es wird also vorgeschlagen eine chemische stromlose Abscheidemethode einzusetzen, um ein Mehrschichtensystem herzustellen, welches im Vergleich zu den mit herkömmlichen Methoden hergestellten Detektoren verschiedene Vorteile aufweist. Dabei erfolgt das Abscheiden der Elemente einfach und schnell innerhalb weniger Minuten, wobei zur stromlosen Abscheidung zwei verschiedene Lösungen verwendet werden, die gegebenenfalls allerdings das gleich Lösungsmittel aufweisen. Verunreinigungen können vermieden werden und die Ausbildung von Oxidschichten vor der Abscheidung des Kontakts kann reduziert werden. In Abhängigkeit der geplanten Verwendung der Kontakte können unterschiedliche Kontakte, also sowohl injizierende als auch blockierende Kontakte, erzeugt werden. Durch das Mehrschichtensystem wird das elektrochemische Potential des ersten Kontakts auf dem Halbleiter modifiziert, wodurch der Leckstrom reduziert und die Leistung des Detektors verbessert wird. Der Kostenaufwand bei dieser Abscheidemethode ist im Vergleich zu anderen Methoden gering.
  • Des Weiteren kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein Halbleiter aufgebaut werden, bei dem das Halbleitermaterial auf zwei gegenüberliegenden Seiten von den oben beschriebenen Zwischenschichten und einer Kontaktschicht zumindest teilweise sandwichartig eingeschlossen wird, wobei in einer ersten Ausführung lediglich eine Seite erfindungsgemäß hergestellt wird. Alternativ können auch beide Seiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, wobei der Aufbau der beiden Seiten sowohl gleich als auch unterschiedlich gestaltet werden kann.
  • Zum Rahmen der Erfindung zählen neben dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auch Halbleiterelemente für direktkonvertierende Röntgendetektoren, die nach dem zuvor geschilderten Verfahren hergestellt wurden.
  • Ebenso zählen zur Erfindung auch ein Röntgendetektor mit solchen Halbleiterelementen und ein Röntgensystem mit einem solchen Röntgendetektor und auch ein CT-System mit einem solchen Röntgendetektor.
  • 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: A: erstes Material; B: zweites Material; C: drittes Material; C1: CT-System; C2: Strahler; C3: Röntgendetektor; C6: Gantrygehäuse; C8: Patientenliege; C9: Systemachse; C10: Computersystem; HL: Halbleiterschicht; KS: Kontaktschicht; P: Patient; Prg1–Prgn: Computerprogramme; ZL: Zwischenlage; ZS1 bis ZS3: Zwischenschichten.
  • Es zeigen im Einzelnen:
  • 1 einen Halbleiter mit zwei Zwischenschichten und Kontaktschicht;
  • 2 einen Halbleiter mit drei Zwischenschichten und Kontaktschicht;
  • 3 einen Halbleiter mit drei teilweise ineinander diffundierenden Zwischenschichten und Kontaktschicht;
  • 4 einen Halbleiter mit zwei teilweise ineinander diffundierenden Zwischenschichten und Kontaktschicht;
  • 5 einen Halbleiter mit drei vollständig ineinander diffundierenden Zwischenschichten und Kontaktschicht;
  • 6 einen Halbleiter mit einseitig drei vollständig ineinander diffundierenden Zwischenschichten und Kontaktschicht und einseitig einfacher Zwischenschicht mit Kontaktschicht;
  • 7 einen Halbleiter mit beidseitig gleichem Aufbau der Zwischenschichten und Kontaktschicht;
  • 8 einen Vergleich zweier Halbleiter mit Zwischenschichten aus Pt einerseits und Ru-AU andererseits;
  • 9 einen Vergleich zweier Halbleiter mit beidseitig angeordneten Zwischenschichten aus RuAu und Ru einerseits und RuAu und RuAu andererseits und
  • 10 ein CT-System mit erfindungsgemäßem Detektoraufbau.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung zeigen die 1 bis 7 unterschiedlich aufgebaute erfindungsgemäße Halbleiterstrukturen mit zumindest einseitig angeordneten Kontaktschichten und zwischen den Kontaktschichten und der Halbleiterschicht angeordneten Zwischenschichten.
  • Die 1 zeigt einen einfachen Aufbau einer Halbleiterstruktur aus einer direktkonvertierenden Halbleiterschicht HL, welche im Wesentlichen Cd und Te aufweist. Unmittelbar auf der Halbleiterschicht HL wurde eine erste Zwischenschicht ZS1 aus einer Lösung mit einem ersten Material A und darauf folgend eine zweite Zwischenschicht ZS2 mit einem Material B abgeschieden. Darauf folgt unmittelbar die Kontaktschicht KS aus einem Kontaktmaterial. Erfindungsgemäß wurde das Material A derart gewählt, dass das elektrochemische Potential der Elektronen aus diesem Material A zwischen dem elektrochemischen Potential der Halbleiterelemente und dem elektrochemischen Potential des Materials B der zweiten Zwischenschicht ZS2 liegt. Außerdem wird das zweite Material B derart gewählt, dass das elektrochemische Potential des zweiten Materials B größer als das elektrochemische Potential des Materials A und kleiner als das elektrochemische Potential des Kontaktmaterials ist.
  • Eine ähnliche Variante einer Halbleiterstruktur ist in der 2 gezeigt, wobei hier im Unterschied zur Ausführung gemäß 1 drei unterschiedliche Zwischenschichten ZS1, ZS2 und ZS3 mit den Materialien A, B und C verwendet werden, die alle aus Lösungen der jeweiligen Materialien stromlos auf der Oberfläche abgeschieden wurden. Auch hierbei werden die Materialien A, B und C derart ausgewählt, dass deren elektrochemisches Potential sukzessive von der ersten zur letzen Schicht zunimmt. Ebenso sollte eine Lösung der jeweils abzuscheidenden Materialien A bis C derart gewählt werden, dass das Redoxpotential der Materialien A bis C von Schicht zu Schicht, also von Abscheidung zu Abscheidung, zunimmt. Diese ansteigende Reihenfolge wird auch für das auf den Zwischenschichten abgeschiedene Kontaktmaterial eingehalten.
  • Die 3 zeigt eine Halbleiterstruktur, bei der ebenfalls zwischen Halbleiter HL und Kontaktschicht KS drei Zwischenschichten ZS1 bis ZS3 mit dem Materialien A bis C abgeschieden wurden, jedoch sind hierbei die Materialien A und B beziehungsweise B und C derart gewählt worden, dass in den Grenzschichten jeweils Überlappungszonen entstehen, in denen die Materialien A und B beziehungsweise B und C ineinander diffundieren.
  • In der 4 ist eine Variante mit zwei Zwischenschichten aus den Materialien A und B gezeigt, wobei hier allerdings das Material B vollständig in die Schicht des Materials A hinein diffundiert, allerdings ein Bereich an der Kontaktschicht KS bleibt, der ausschließlich das Material B aufweist, so dass zwischen A und dem Kontaktmaterial keine Wechselwirkung eintritt.
  • Da bei solchen ineinander diffundierenden Zwischenschichten die Grenzen der Zwischenschichten nicht mehr eindeutig bestimmt werden können, wird das daraus entstehende gesamte Konglomerat insgesamt als Zwischenlage ZL bezeichnet. Durch geeignete Auswahl der stromlos in Reihenfolge abgeschiedenen Materialien können die Eigenschaften des direktkonvertierenden Halbleiters insgesamt beeinflusst und verbessert werden.
  • In der 5 ist eine extreme Variante einer Halbleiterstruktur mit einer Zwischenlage gezeigt, bei der drei unterschiedliche Materialien A bis C in relativ dünnen Schichten abgeschieden wurden, so dass alle drei Materialien sich vollständig miteinander vermischen und somit eine letztendlich weitgehend homogene Zwischenlage ZL aus einer ABC-Legierung bilden.
  • Während die 1 bis 5 einseitig beschichtete Halbleiterstrukturen darstellen, die gegebenenfalls auch nur Zwischenprodukte zeigen, ist in der 6 eine Halbleiterstruktur gezeigt, bei der zwei – hier gegenüberliegende – Seiten des Halbleiters in erfindungsgemäßer Weise beschichtet wurden. Die obere Seite weist eine Zwischenlage ZL aus zwei vollständig ineinander diffundierten Zwischenschichten mit den Materialien A und B und eine außen liegende Kontaktschicht KS auf. Unten wurde eine einfache Zwischenschicht ZS1 mit einem Material C und darauf eine Kontaktschicht stromlos abgeschieden. Im Rahmen der Erfindung kann in der unteren Zwischenschicht auch ein Material verwendet werden, das bereits in den oberen Zwischenschichten vorkommt.
  • Schließlich ist in der 7 noch eine weitere Variante einer Halbleiterstruktur gezeigt, bei der die Halbleiterschicht HL sandwichartig und symmetrisch von je drei sich teilweise vermischende Zwischenschichten ZS1 bis ZS3 mit den Materialien A, B und C, die jeweils die Zwischenlage ZL bilden, eingerahmt wird, wobei oben und unten nach außen hin jeweils die Kontaktschichten KS angeordnet sind.
  • Der Effekt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens auf direktkonvertierende Halbleiterdetektoren ist in den 8 und 9 dargestellt. Die 8 zeigt beispielhaft an Hand eines CdZnTe-Halbleiters die Strom-Spannungsverläufe des Halbleiters mit einer erfindungsgemäß aufgebrachten Ru-Au-Zwischenschicht einerseits und einer konventionellen einzelnen Pt-Schicht andererseits. Wie zu erkennen ist, verläuft die Kurve mit der Ru-Au-Zwischenschicht gerade bis auf das Abknicken bei hohen negativen Spannungen, wohingegen die Kurve für Pt einen steileren Verlauf aufgrund des kleineren Widerstandes um 0V herum zeigt, um dann abzuflachen. Die Ohmizität, also das Folgen der Strom-Spannungskennlinie entsprechend dem Ohmschen Gesetz, ist für Ru-Au deutlich besser. Dies lässt auf ein besseres Detektorverhalten schließen.
  • In der 9 ist ein Vergleich des Antwortverhaltens zweier Detektoren mit planaren CdZnTe-Halbleitern mit erfindungsgemäß erzeugten beidseitigen RuAu-Schichten einerseits und mit eine asymmetrischen Geometrie aus RuAu-Schichten auf einer Seite und einer Ru-Schicht auf der anderen Seite gezeigt. Hierbei zeigt sich, dass für RuAu/Ru-Kontakte die Pulshöhe als Signalantwort auf eine monoenergetische Röntgenstrahlung zwar etwas höher ist, jedoch auch zu niedrigeren Energiewerten (nach links) verschoben ist. Das bedeutet, dass ein CdZnTe-Halbleiter mit einem RuAu-RuAu-Kontakt eine höhere Ladungsträgersammeleffizienz besitzt als der gleiche Halbleiter mit einem RuAu-Ru-Kontakt.
  • Der Vollständigkeit wegen ist in der 10 auch ein CT-System C1 gezeigt, welches in üblicher Weise ein Gantrygehäuse C6 aufweist, in dem eine Gantry rotiert, an der ein Strahler-Detektor-System, bestehend aus einem Strahler C2 und einem Röntgendetektor C3, angeordnet ist. Zur Messung wird der Patient P entlang der Systemachse C9 mit Hilfe der Patientenliege C8 in das Messfeld zwischen rotierendem Strahler C2 und Detektor C3 geschoben und abgetastet. Gesteuert wird dieser Vorgang und auch die Messung einschließlich Detektordatenaufbereitung und Rekonstruktion der CT-Bilddaten durch das Computersystem C10 mit der Programmen Prg1–Prgn. Erfindungsgemäß ist bei diesem CT-System 1 der Detektor C3 mit Halbleiterelementen versehen, die durch das zuvor beschriebene Herstellungsverfahren erzeugt wurden. Aufgrund der Eigenschaft der direktkonvertierenden Halbleiter in Verbindung mit einer Energiediskriminierung der eintreffenden Strahlung, ist es mit einem solchen Detektor alleine möglich, energieaufgelöste Bilddaten zu erzeugen und damit zum Beispiel Materialzerlegungen auszuführen. Wesentlich für die Qualität solcher Methoden ist allerdings die Güte der verwendeten Halbleiterstrukturen, die durch die erfindungsgemäße Herstellung wesentlich verbessert werden können.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (22)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes eines direktkonvertierenden Röntgendetektors, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. Erzeugung einer Halbleiterschicht (HL) auf der Basis von Elementen der Gruppen II bis VI, 1.2. Aufbringung mindestens einer Zwischenschicht (ZS1–ZS3) durch chemische stromlose Abscheidung des Materials (A, B, C) der Zwischenschicht aus einer Lösung, mit der das Halbleitersubstrat benetzt wird, 1.3. Aufbringung mindestens einer Kontaktschicht (KS) auf einer freiliegenden Zwischenschicht durch chemische stromlose Abscheidung eines Kontaktmaterials aus einer Lösung, mit der die freiliegende Zwischenschicht benetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass 1.4. Materialien für die einzelnen Schichten derart verwendet werden, dass das elektrochemische Potential der Materialien der mindestens einen Zwischenschicht (ZS1–ZS3) größer ist als das elektrochemische Potential mindestens eines Elements der Halbleiterschicht (HL) und das elektrochemische Potential des Kontaktmaterials der Kontaktschicht (KS) größer ist als das elektrochemische Potential der Materialien der Zwischenschichten (ZS1–ZS3).
  2. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar auf der Halbleiterschicht (HL) aufgebrachte erste Zwischenschicht (ZS1) mit einer Lösung des Materials der ersten Zwischenschicht (ZS1) aufgebracht wird, wobei das Redoxpotential des Materials (A) der ersten Zwischenschicht (ZS1) größer ist als das Redoxpotential mindestens eines der Elemente der Halbleiterschicht (HL).
  3. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar auf der Halbleiterschicht (HL) aufgebrachte erste Zwischenschicht (ZS1) mit einer Lösung des Materials der ersten Zwischenschicht (ZS1) aufgebracht wird, wobei das Redoxpotential des Materials (A) der ersten Zwischenschicht (ZS1) größer ist als das Redoxpotential aller Elemente der Halbleiterschicht (HL).
  4. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede weitere aufgebrachte Zwischenschicht (ZS2, ZS3) mit einer Lösung des Materials der weiteren Zwischenschicht (ZS2, ZS3) aufgebracht wird, wobei das Redoxpotential des Materials (B, C) der weiteren Zwischenschicht (ZS2, ZS3) größer ist als das Redoxpotential des Materials (A) der vorhergehenden Zwischenschicht (ZS1).
  5. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (KS) mit einer Lösung des Kontaktmaterials aufgebracht wird, wobei das Redoxpotential des Kontaktmaterials größer ist als das Redoxpotential des Materials (A, B, C) der vorhergehenden Zwischenschicht (ZS1–ZS3).
  6. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Material (A, B, C) der Zwischenschichten (ZS1–ZS3) ein Metall verwendet wird.
  7. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei oder genau drei, Zwischenschichten (ZS1–ZS3) unterschiedlicher Elemente (A, B, C) aufgebracht sind, die eine Zwischenlage (ZL) aus einer Legierung der unterschiedlichen Elemente (A, B, C) bilden.
  8. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei oder genau drei, Zwischenschichten (ZS1–ZS3) unterschiedlicher Materialien (A, B, C) aufgebracht sind, die zumindest in einem Grenzbereich der Schichten eine Legierung der unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise der angrenzenden Schichten, bilden.
  9. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontaktmaterial der Kontaktschicht (KS) ein Metall verwendet wird.
  10. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleitermaterial verwendet wird, welches die Elemente Cd und Te enthält.
  11. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial ein Material verwendet wird, welches die Formel CdxMn1-xTeySe1-y mit 0 ≤ x, y ≤ 1, erfüllt.
  12. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleitermaterial verwendet wird, welches zusätzlich das Element Zn enthält.
  13. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial ein Material verwendet wird, welches die Formel CdxZn1-xTeySe1-y mit 0 ≤ x, y ≤ 1, erfüllt.
  14. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die individuelle Menge der aufgetragenen Materialien je Fläche durch die Dauer einer Einwirkzeit der jeweils verwendeten Lösung bestimmt wird.
  15. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (HL) nur teilweise mit den Lösungen benetzt wird, um die Materialien (A, B, C) nur an vorgesehenen Bereichen abzuscheiden.
  16. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur nur teilweisen Benetzung der Halbleiterschicht (HL) die nicht zu benetzenden Teilflächen mit einer Schutzschicht überzogen werden.
  17. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zwischenschicht (ZS1–ZS3) nach außen hin gefolgt von der Kontaktschicht (KS) die Halbleiterschicht (HL) zumindest teilweise sandwichartig einschließt.
  18. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (ZS1–ZS3) seitenweise unterschiedlich ausgestaltet ist.
  19. Halbleiterelemente eines direktkonvertierenden Röntgendetektors (C3), hergestellt unter Ausführung der Verfahrensschritte gemäß einem der voranstehenden Ansprüche.
  20. Röntgendetektor (C3), hergestellt unter Ausführung der Verfahrensschritte gemäß einem der voranstehenden Ansprüche.
  21. Röntgensystem mit einem Röntgendetektor (C3), hergestellt unter Ausführung der Verfahrensschritte gemäß einem der voranstehenden Ansprüche.
  22. CT-System (C1) mit einem Röntgendetektor (C3), hergestellt unter Ausführung der Verfahrensschritte gemäß einem der voranstehenden Ansprüche.
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