DE102012215564A1

DE102012215564A1 - Radiation detector and method of making a radiation detector

Info

Publication number: DE102012215564A1
Application number: DE102012215564.3A
Authority: DE
Inventors: Francesco Arca; Günter Schmid; Oliver Schmidt; Sandro Francesco Tedde
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-03-06
Also published as: WO2014032874A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlendetektor mit einer hybrid-organischen Photodiode zur Röntgendetektion. Für eine möglichst gleichmäßige Ladungsträgerverteilung innerhalb der gesamten Absorptionsschicht wird der anorganische Füllstoff innerhalb der organischen Absorptionsschicht variiert. Auf diese Weise ergibt sich über die gesamte Dicke der Absorptionsschicht eine annähernd gleiche Absorptionsrate.The invention relates to a radiation detector with a hybrid-organic photodiode for X-ray detection. For the most uniform possible charge carrier distribution within the entire absorption layer, the inorganic filler is varied within the organic absorption layer. In this way, an approximately equal absorption rate results over the entire thickness of the absorption layer.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor zur Konvertierung einfallender Strahlung und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strahlungsdetektors. The invention relates to a radiation detector for converting incident radiation and to a method for producing such a radiation detector.

Bei der Detektion von Strahlungen, beispielsweise sichtbarem oder infrarotem Licht, Röntgen- oder Gammastrahlung, kann die zu detektierende Strahlung in eine Absorptionsschicht eindringen, von dieser Schicht absorbiert werden und dabei während der Absorption die Strahlungsenergie in eine Energieform umgewandelt werden, die zur weiteren Signalverarbeitung herangezogen werden kann. Vorzugsweise werden dabei die Strahlungsenergien in elektrische Impulse umgewandelt. Man unterscheidet dabei zwischen direkter und indirekter Konversion. Bei der direkten Konversion wird die einfallende Strahlung durch die Absorptionsschicht unmittelbar in Ladungsträger in Form von Elektron-Loch-Paare umgewandelt. Bei der indirekten Konversion dagegen wird die eintreffende Strahlung zunächst in sichtbares Licht konvertiert und anschließend durch die Photonen dieses Licht wiederum Ladungsträger in Form von Elektron-Loch-Paaren erzeugt. In the detection of radiation, for example visible or infrared light, X-ray or gamma radiation, the radiation to be detected can penetrate into an absorption layer, be absorbed by this layer and thereby the radiation energy is converted during the absorption into an energy form, which is used for further signal processing can be. Preferably, the radiation energies are converted into electrical impulses. One distinguishes between direct and indirect conversion. In direct conversion, the incident radiation is converted by the absorption layer directly into charge carriers in the form of electron-hole pairs. In indirect conversion, on the other hand, the incident radiation is first converted into visible light, and then the photons of this light are used to generate charge carriers in the form of electron-hole pairs.

In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 029 782 A wird eine Absorptionsschicht aus organischem Trägermaterial mit anorganischen Füllstoffen beschrieben. Dabei erfolgt die Absorption und Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Ladungsträger durch die anorganischen Füllstoffe, während sich anschließend diese Ladungsträger innerhalb der organischen Trägermatrix zu den an den Außenseiten der Absorptionsschicht angebrachten Elektroden bewegen. In the German patent application DE 10 2008 029 782 A describes an absorption layer of organic carrier material with inorganic fillers. In this case, the absorption and conversion of the radiation energy into electrical charge carriers takes place through the inorganic fillers, while subsequently these charge carriers move within the organic carrier matrix to the electrodes attached to the outer sides of the absorption layer.

Üblicherweise besitzt dabei die organische Trägermatrix eine hinsichtlich Konzentration und Größe der Füllstoffe gleichmäßige Verteilung. Bei einer solch gleichmäßigen Verteilung nimmt die Menge der absorbierten Strahlung exponentiell mit der Eindringtiefe ab. Dadurch wird in der Absorptionsschicht eine ungleiche Ladungsträgerverteilung erzeugt. Diese ungleichmäßige Ladungsträgerverteilung beeinflusst daraufhin die Leitfähigkeit der Absorptionsschicht und wirkt sich somit negativ auf den Abtransport der Ladungsträger aus der Absorptionsschicht aus. Usually, the organic carrier matrix has a uniform distribution in terms of concentration and size of the fillers. With such a uniform distribution, the amount of absorbed radiation decreases exponentially with the penetration depth. As a result, an unequal charge carrier distribution is generated in the absorption layer. This uneven charge carrier distribution then influences the conductivity of the absorption layer and thus has a negative effect on the removal of the charge carriers from the absorption layer.

Wird ein Strahlungsdetektor im Photoleiter-Modus betrieben, so besteht ein Ungleichgewicht der Ladungsträgerbeweglichkeit zwischen Elektronen und Löchern. Beispielsweise können Elektronen aufgrund ihrer niedrigen intrinsischen Beweglichkeit oder aufgrund von Trapping sich nur sehr langsam fortbewegen. Auf der anderen Seite können in diesem Fall die generierten Löcher eine sehr hohe Beweglichkeit aufweisen. Erreicht nun ein Loch seine Elektrode bevor das entsprechende Elektron auf der gegenüberliegenden Elektrode ankommt, so kann an der Elektrode ein neues Loch generiert werden. Dieser Vorgang zur Generierung neuer Löcher wird solange aufrechterhalten bis auch das Elektron ebenfalls seine Elektrode erreicht hat oder mit einem Loch rekombiniert. Durch diesen Effekt kann aus einem einzigen Elektron-Loch-Paar eine Vielzahl von Ladungsträgern generieren und somit ein stärkeres Signal erzeugt werden. Ist nun jedoch die Konzentration der getrappten Elektroden über den Querschnitt der Schicht inhomogen, so beschränkt die niedrigste Konzentration der getrappten Elektroden den Photoleitereffekt. When a radiation detector is operated in the photoconductor mode, there is an imbalance in charge carrier mobility between electrons and holes. For example, electrons can only move very slowly due to their low intrinsic mobility or due to trapping. On the other hand, in this case, the generated holes can have a very high mobility. If a hole reaches its electrode before the corresponding electron arrives on the opposite electrode, a new hole can be generated at the electrode. This process for generating new holes is maintained until the electron has also reached its electrode or recombined with a hole. Through this effect, a large number of charge carriers can be generated from a single electron-hole pair and thus a stronger signal can be generated. However, if the concentration of the trapped electrodes is inhomogeneous over the cross-section of the layer, the lowest concentration of traced electrodes restricts the photoconductor effect.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem Photodetektor, der eine hohe Quanteneffizienz aufweisen. There is therefore a need for a photodetector that has high quantum efficiency.

Weiterhin besteht ein Bedarf nach einem Photodetektor, bei dem innerhalb der gesamten Absorptionsschicht eine möglichst gleichmäßige Absorption und somit Ladungsträgerverteilung erreicht wird. Furthermore, there is a need for a photodetector in which a uniform absorption and thus charge carrier distribution is achieved within the entire absorption layer.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION

Die Erfindung schafft hierzu gemäß einem Aspekt einen Strahlungsdetektor zur Konversion einfallender Strahlung umfassend ein Substrat mit einer ersten Elektrode; eine zweite Elektrode; und eine organische Absorptionsschicht mit einem nanoskaligen Füllstoff, wobei die organische Absorptionsschicht zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist und eine inhomogene Verteilung des nanoskaligen Füllstoffes aufweist. In one aspect, the invention provides a radiation detector for converting incident radiation comprising a substrate having a first electrode; a second electrode; and an organic absorption layer with a nanoscale filler, wherein the organic absorption layer is arranged between the first electrode and the second electrode and has an inhomogeneous distribution of the nanoscale filler.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors geschaffen mit den Schritten des Bereitstellens eines Substrats; des Aufbringens einer ersten Elektrode auf das Substrat; des Aufbringens einer organischen Absorptionsschicht mit einer inhomogenen Verteilung von nanoskaligem Füllstoff; und dem Aufbringen einer zweiten Elektrode auf die organische Absorptionsschicht. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a radiation detector comprising the steps of providing a substrate; applying a first electrode to the substrate; the application of an organic absorption layer with an inhomogeneous distribution of nanoscale filler; and applying a second electrode to the organic absorption layer.

Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Füllstoff innerhalb der organischen Trägermatrix der Absorptionsschicht innerhalb dieser Absorptionsschicht absichtlich ungleichmäßig zu verteilen. Durch die Verteilung des Füllstoffes innerhalb der Trägermatrix kann gezielt Einfluss auf das Absorptionsverhalten genommen werden. One idea of the present invention is intentionally unevenly distributing the filler within the organic support matrix of the absorption layer within that absorption layer. The distribution of the filler within the carrier matrix can have a specific influence on the absorption behavior.

Ein Vorteil dieser ungleichmäßigen Füllstoffverteilung besteht darin, durch eine gezielte Steuerung der Füllstoffverteilung dem mit zunehmender Eindringtiefe abnehmenden Absorptionsverhalten der Schicht entgegenzuwirken. Somit kann ein größerer Anteil der zu detektierenden Strahlung weiter in die Absorptionsschicht eindringen. An advantage of this uneven filler distribution is to counteract the decreasing with increasing penetration depth absorption behavior of the layer by a specific control of the filler distribution. Thus, a larger proportion of the radiation to be detected continues to penetrate into the absorption layer.

Ein weiterer Vorteil dieser Ungleichverteilung des Füllstoffes besteht in der damit einhergehenden gleichmäßigeren Verteilung der Ladungsträger innerhalb der Absorptionsschicht. Im günstigsten Fall kann durch eine gezielt gesteuerte Verteilung der nanoskaligen Füllstoffe eine homogene Ladungsträgerverteilung über die gesamte Dicke der Absorptionsschicht erreicht werden. Another advantage of this unequal distribution of the filler is the associated more uniform distribution of the charge carriers within the absorption layer. In the best case, a homogeneous charge carrier distribution over the entire thickness of the absorption layer can be achieved by a controlled distribution of the nanoscale fillers.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der nanoskalige Füllstoff ein Stoff zur Direktumwandlung von Strahlung in elektrische Ladungsträger. Somit kann die absorbierte Strahlung unmittelbar in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. According to one embodiment of the present invention, the nanoscale filler is a substance for the direct conversion of radiation into electrical charge carriers. Thus, the absorbed radiation can be converted directly into an electrical signal.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der nanoskalige Füllstoff ein Nanoszintillator. Dabei wird die einfallende Strahlung zunächst in sichtbares Licht umgewandelt und anschließend kann dieses Licht in ein elektrisches Signal zu Weiterverarbeitung umgewandelt werden. According to an alternative embodiment of the invention, the nanoscale filler is a nanoscintillator. In this case, the incident radiation is first converted into visible light and then this light can be converted into an electrical signal for further processing.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird die Verteilung des nanoskaligen Füllstoffes innerhalb der organischen Absorptionsschicht in Abhängigkeit des Abstandes von der zweiten Elektrode variiert. Dieser Abstand von der zweiten Elektrode entspricht der Eindringtiefe der zu detektierenden Strahlung. Durch Anpassung der Füllstoffverteilung an den Abstand von dieser Elektrode kann daher gezielt eine homogenere Absorption durch den gesamten Querschnitt der Absorptionsschicht und somit eine gleichmäßigere Ladungsträgerverteilung erreicht werden. According to one aspect of the present invention, the distribution of the nanoscale filler within the organic absorption layer is varied as a function of the distance from the second electrode. This distance from the second electrode corresponds to the penetration depth of the radiation to be detected. By adapting the filler distribution to the distance from this electrode, a more homogeneous absorption through the entire cross section of the absorption layer and thus a more uniform charge carrier distribution can therefore be achieved in a targeted manner.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Absorptionsverhalten der Absorptionsschicht für eine zu detektierende Strahlung in der Nähe der ersten Elektrode größer als in der Nähe der zweiten Elektrode. Durch diese gezielte Steuerung des Absorptionsverhaltens kann dem ansonsten exponentiellen Abfall der Absorption und somit der Ladungsträgergeneration entgegengewirkt werden. According to one embodiment of the present invention, the absorption behavior of the absorption layer for a radiation to be detected is greater in the vicinity of the first electrode than in the vicinity of the second electrode. This targeted control of the absorption behavior can counteract the otherwise exponential decrease in the absorption and thus the charge carrier generation.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Konzentration des nanoskaligen Füllstoffes in der Nähe der ersten Elektrode größer als in der Nähe der zweiten Elektrode. Durch die Anpassung der Konzentration des Füllstoffes innerhalb der organischen Matrix kann gezielt Einfluss auf das Absorptionsverhalten der Absorptionsschicht genommen werden. Somit ist eine gute Steuerung des Absorptionsverhaltens möglich. According to one embodiment of the present invention, the concentration of the nanoscale filler is greater in the vicinity of the first electrode than in the vicinity of the second electrode. By adjusting the concentration of the filler within the organic matrix, it is possible to influence the absorption behavior of the absorption layer in a targeted manner. Thus, a good control of the absorption behavior is possible.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform variiert die Partikelgröße des nanoskalige Füllstoffs in Abhängigkeit des Abstandes von der zweiten Elektrode. Der nanoskalige Füllstoff weist dabei in der Nähe der ersten Elektrode größere Partikel auf als in der Nähe der zweiten Elektrode. Da das Absorptionsvermögen der Füllstoffe auch von der Größe der jeweiligen Partikel abhängt, kann durch Steuerung der Partikelgröße ebenfalls Einfluss auf das Absorptionsverhalten genommen werden. According to a further embodiment, the particle size of the nanoscale filler varies as a function of the distance from the second electrode. The nanoscale filler has larger particles in the vicinity of the first electrode than in the vicinity of the second electrode. Since the absorption capacity of the fillers also depends on the size of the respective particles, control of the particle size can also influence the absorption behavior.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Absorptionsschicht mindestens einen ersten nanoskaligen Füllstoff und einen zweiten nanoskaligen Füllstoff, wobei der erste nanoskalige Füllstoff ein von dem zweiten nanoskaligen Füllstoff verschiedenes Absorptionsvermögen für die zu detektierende Strahlung aufweist. Durch die Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Füllstoffen mit verschiedenen Absorptionsvermögen und einem gezielten Einbringen dieser unterschiedlichen Füllstoffe in die organische Matrix kann ebenfalls Einfluss auf das Absorptionsvermögen innerhalb der Absorptionsschicht genommen werden und somit bei einfallender Strahlung eine möglichst gleichmäßige Ladungsträgerverteilung erreicht werden. In one embodiment of the present invention, the absorption layer contains at least a first nanoscale filler and a second nanoscale filler, wherein the first nanoscale filler has a different absorption capacity from the second nanoscale filler for the radiation to be detected. By using at least two different fillers with different absorbency and a targeted introduction of these different fillers in the organic matrix can also influence the absorption capacity can be taken within the absorption layer and thus the most uniform charge carrier distribution can be achieved with incident radiation.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Absorptionsschicht durch Aufsprühen eines Gemisches einer organischen Substanz für die Trägermatrix mit einem nanoskaligen Füllstoff aufgebracht. Dieses Aufsprühen ist eine besonders geeignete Art zur Steuerung einer inhomogenen Verteilung nanoskaliger Füllstoffe entlang der Absorptionsschicht. In one embodiment of the present invention, the absorption layer is applied by spraying a mixture of an organic substance for the carrier matrix with a nanoscale filler. This spraying is a particularly suitable way of controlling an inhomogeneous distribution of nanoscale fillers along the absorption layer.

In einer Ausführungsform wird dabei die Konzentration des nanoskaligen Füllstoffes in dem Gemisch während des Aufbringens variiert. Durch die Variation der Konzentration des Füllstoffes während des Aufbringens ergibt sich somit auch eine Variation der Konzentration in der Absorptionsschicht. Dies wiederum führt zu einer Veränderung des Absorptionsverhaltens entlang der Absorptionsschicht. In one embodiment, while the concentration of the nanoscale filler in the mixture during application is varied. As a result of the variation of the concentration of the filler during the application, a variation of the concentration in the absorption layer also results. This in turn leads to a change in the absorption behavior along the absorption layer.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Größe der Partikel des nanoskaligen Füllstoffes während des Aufbringens variiert. Auch durch die Variation der Partikelgröße kann das Absorptionsverhalten beeinflusst werden und somit Einfluss auf die Eigenschaften der daraus resultierenden Absorptionsschicht genommen werden. In a further embodiment, the size of the particles of the nanoscale filler is varied during the application. Also, by varying the particle size, the absorption behavior can be influenced and thus influence on the properties of the resulting absorption layer can be taken.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Es zeigen: Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Strahlungsdetektor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic representation of a cross section through a radiation detector according to a first embodiment of the present invention;

2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 2 a schematic representation of a cross section through a radiation detector according to the invention according to another embodiment of the present invention;

3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Strahlungsdetektor der vorliegenden Erfindung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 3 a schematic representation of a cross section through a radiation detector of the present invention according to another embodiment of the present invention; and

4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Strahlungsdetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 4 a schematic representation of a method for producing a radiation detector according to an embodiment of the invention.

Die im Folgenden verwendete Richtungsterminologie, das heißt Begriffe wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“ und dergleichen werden lediglich zum besseren Verständnis der Zeichnungen verwendet. Dies soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten Darstellungen sind zum Teil aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet. The directional terminology used hereinafter, that is, terms such as "left," "right," "top," "bottom," and the like, are used merely to better understand the drawings. In no case should this constitute a restriction of the general public. Like reference numerals generally designate like or equivalent components. The illustrations shown in the figures are not necessarily to scale for the sake of clarity necessarily shown to scale.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors. Auf einem Substrat 1 ist zunächst eine erste Elektrode 2 angeordnet. Darüber befindet sich eine Absorptionsschicht 3. Weiterhin ist über diese Absorptionsschicht 3 eine weitere Elektrode 4 angeordnet. Optional kann zwischen der ersten Elektrode und der Absorptionsschicht zur Erniedrigung des Dunkelstroms ein sogenanntes Interlayer 5 angeordnet sein. 1 shows a schematic representation of a cross section of a radiation detector according to the invention. On a substrate 1 is first a first electrode 2 arranged. Above it is an absorption layer 3 , Furthermore, via this absorption layer 3 another electrode 4 arranged. Optionally, between the first electrode and the absorption layer for lowering the dark current, a so-called interlayer 5 be arranged.

Bei dem Substrat 1 handelt es sich üblicherweise um ein Trägersubstrat in Form einer Glasplatte. Alternativ sind jedoch auch andere Trägersubstrate denkbar. Beispielsweise kann es sich bei dem Substrat 1 ebenso um eine geeignete Trägerschicht aus einem organischen Polymer handeln. Insbesondere durch die Verwendung von im Vergleich zu Glas weniger spröden Materialien kann bei Substraten mit einer geeigneten Flexibilität eine höhere Robustheit des Strahlungsdetektors erreicht werden. Weiterhin ist beispielsweise eine Metallfolie mit einer auf dieser Metallfolie aufgebrachten Isolationsschicht möglich. Somit kann die Gefahr, dass der Strahlungsdetektor bei mechanischer Beanspruchung zerstört oder beschädigt wird, herabgesetzt werden. At the substrate 1 it is usually a carrier substrate in the form of a glass plate. Alternatively, however, other carrier substrates are conceivable. For example, the substrate may be 1 also be a suitable carrier layer of an organic polymer. In particular, by the use of less brittle materials compared to glass, a higher robustness of the radiation detector can be achieved for substrates with a suitable flexibility. Furthermore, for example, a metal foil with an insulating layer applied to this metal foil is possible. Thus, the risk that the radiation detector is destroyed or damaged under mechanical stress can be reduced.

Auf dieses Substrat 1 ist auf einer Seite ein elektrisch leitfähiger Kontakt in Form einer Elektrode 2 angeordnet. Diese Elektrode kann beispielsweise aus einem Metall wie Aluminium, Kalzium, Silber, Gold, Titan, Nickel, Kobalt, Chromium, Kupfer oder einer Legierung mit diesen Elementen bestehen. Andere Elektrodenmaterialien sind leitfähige Oxide wie z.B. Zinkoxid, Indium Tin Oxid (ITO), Chalkogenide oder Silizide. Andere elektrische leitfähige Beschichtungen wie PEDOT:PSS, PANI etc. des Substrats zur Ausbildung einer Elektrode sind jedoch ebenso möglich. On this substrate 1 is on one side an electrically conductive contact in the form of an electrode 2 arranged. This electrode may for example consist of a metal such as aluminum, calcium, silver, gold, titanium, nickel, cobalt, chromium, copper or an alloy with these elements. Other electrode materials are conductive oxides such as zinc oxide, indium tin oxide (ITO), chalcogenides or silicides. However, other electrically conductive coatings such as PEDOT: PSS, PANI, etc. of the substrate for forming an electrode are also possible.

Soll lediglich ein einziger Strahlungswert für die gesamte in den Strahlungsdetektor einfallende Strahlungsenergie bestimmt werden, so kann die Elektrode vollflächig ausgeführt werden. Dies kann beispielsweise für die Bestimmung einer eintreffenden Strahlungsdosis über die gesamte Detektorfläche angebracht sein. If only a single radiation value is to be determined for the entire radiation energy incident in the radiation detector, then the electrode can be embodied over its entire area. This may be appropriate, for example, for the determination of an incoming radiation dose over the entire detector surface.

Alternativ ist es jedoch auch möglich, die erste Elektrode 2 in mehrere getrennte Bereiche zu strukturieren. Somit kann für jeden dieser Bereiche separat die einfallende Strahlungsmenge detektiert werden. Durch eine gezielte Auswertung und Weiterverarbeitung kann in diesem Falle eine räumliche Verteilung der Strahlungsmenge ermittelt werden. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, jeden einzelnen Teilbereich der Elektrode 2 separat nach außen zu führen und getrennt weiterzuverarbeiten. Alternatively, however, it is also possible to use the first electrode 2 to structure into several separate areas. Thus, for each of these areas separately, the incident radiation amount can be detected. By a targeted evaluation and further processing, a spatial distribution of the radiation quantity can be determined in this case. In this case, however, it is necessary to use every single part of the electrode 2 separately to lead to the outside and to process separately.

Das sich optional über die Elektrode anschließende Interlayer 5 dient zur Reduktion des Dunkelstroms und einer besseren Extraktion de Ladungsträger (Löcher). Als Materialien für dieses Interlayer 5 sind beispielsweise PEDOT, P3HT, TFB oder PCPDTBT möglich. The optional interlayer via the electrode 5 serves to reduce the dark current and a better extraction de charge carriers (holes). As materials for this interlayer 5 For example, PEDOT, P3HT, TFB or PCPDTBT are possible.

Darüber schließt sich die Absorptionsschicht 3 und eine weitere Elektrode 4 an. Als zweite Elektrode 4 eignen sich besonders Beschichtungen aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder Gold. Jedoch sind auch andere elektrisch leitfähige Substanzen denkbar, die möglichst wenig der zu detektierenden Strahlung absorbieren. This is followed by the absorption layer 3 and another electrode 4 at. As a second electrode 4 In particular, coatings of indium tin oxide (ITO) or gold are suitable. However, other electrically conductive substances are conceivable which absorb as little as possible of the radiation to be detected.

Bei der Absorptionsschicht 3 handelt es sich um eine organische photoleitfähige Schicht in Form einer Bulk-Heterojunktion (BHJ), bei der es sich um ein Gemisch aus einem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptor handelt. Bei dieser BHJ kann es sich beispielsweise um einen halbleitenden Polymer oder Kleinmolekül handeln. Diesem organischen Halbleitergemisch sind nanoskalige Füllstoffe 3a zugesetzt. At the absorption layer 3 it is an organic photoconductive layer in the form of a bulk heterojunction (BHJ), which is a mixture of an electron donor and an electron acceptor. For example, this BHJ may be a semiconductive polymer or small molecule. This organic semiconductor mixture is nanoscale fillers 3a added.

Die BHJ als Trägermatrix für die Füllstoffe besteht beispielsweise aus P3HT und PCBM. Alternativ können auch andere Halbleiter zum Einsatz kommen, die vorzugsweise flüssig prozessiert werden können und somit eine gute Integration von Füllstoffen ermöglichen. Dabei muss nicht zwingend auf eine Photosensitivität geachtet werden, da die Absorption der Strahlung über die Füllstoffe 3a erfolgt. Entscheidend ist jedoch das Bandalignment zwischen dem Füllstoff 3a und dem Halbleiter der BHJ. The BHJ as carrier matrix for the fillers consists for example of P3HT and PCBM. Alternatively, other semiconductors can be used, which can preferably be processed in liquid form, and thus a good integration of fillers enable. It is not mandatory to pay attention to photosensitivity, as the absorption of the radiation via the fillers 3a he follows. Crucial, however, is the band alignment between the filler 3a and the semiconductor of BHJ.

Bei einer geeigneten Wahl des Durchmessers der Füllstoffpartikel 3a kann das Energieniveau des niedrigsten angeregten Zustands der Füllstoffpartikel 3a unterhalb des niedrigstens unbesetzten Orbitals (LUMO) des PCBM-Moleküls liegen. Somit können Elektronen getrappt werden. Dagegen liegt das höchste besetzte Orbital (HOMO) des P3HT-Moleküls weit über dem höchsten besetzten Energieniveau des Füllstoffpartikels 3a im Grundzustand und erlaubt damit einen effizienten Lochtransfer. With a suitable choice of the diameter of the filler particles 3a can the energy level of the lowest excited state of the filler particles 3a below the lowest unoccupied orbital (LUMO) of the PCBM molecule. Thus, electrons can be trapped. In contrast, the highest occupied orbital (HOMO) of the P3HT molecule is well above the highest occupied energy level of the filler particle 3a in the ground state and thus allows an efficient hole transfer.

Als nanoskalige Füllstoffpartikel 3a kommen dabei insbesondere Bleisulfid (PbS), Bleiselenid (PbSe) oder Zinkoxid (ZnO) in Frage. Diese Füllstoffe bilden Quantenpunkte zur direkten Umwandlung einfallender Strahlung in Elektronen-Loch-Paare. Alternativ sind auch Nanoszintillatoren wie zum Beispiel dotiertes Gadoliniumoxysulfid (GOS), Cäsium-Iodid (CsI) oder YAG möglich, die die einfallende Strahlung zunächst in Licht umwandeln und anschließend dieses sichtbare Licht in Elektronen-Loch-Paare umgewandelt wird. As nanoscale filler particles 3a In particular, lead sulfide (PbS), lead selenide (PbSe) or zinc oxide (ZnO) are suitable. These fillers form quantum dots for direct conversion of incident radiation into electron-hole pairs. Alternatively, nanoscintillators such as doped gadolinium oxysulfide (GOS), cesium iodide (CsI), or YAG are also possible, which first convert the incident radiation into light and then convert that visible light into electron-hole pairs.

Auf diese Weise kann sowohl elektromagnetische Strahlung in Form von Röntgenquanten oder aber auch Photonen in sichtbarem oder infrarotem Licht detektiert werden. In this way, both electromagnetic radiation in the form of X-ray quanta or even photons in visible or infrared light can be detected.

Wie nun in 1 dargestellt ist, sind die nanoskaligen Füllstoffe 3a in der Absorptionsschicht 3 nicht gleichmäßig verteilt. Unter der Annahme, dass die zu detektierende Strahlung 10 von oben über die erste Elektrode 4 in die Absorptionsschicht 3 eindringt, weist die Absorptionsschicht 3 eine von der zweiten Elektrode 4 in Richtung der ersten Elektrode 2 zunehmende Konzentration von Füllstoffpartikeln 3a auf. Like now in 1 are shown, the nanoscale fillers 3a in the absorption layer 3 not evenly distributed. Assuming that the radiation to be detected 10 from above over the first electrode 4 in the absorption layer 3 penetrates, has the absorption layer 3 one from the second electrode 4 in the direction of the first electrode 2 increasing concentration of filler particles 3a on.

Dabei wird die Verteilung der Füllstoffkonzentration so gewählt, dass sich innerhalb der gesamten Dicke der Absorptionsschicht 3 bei Eintreffen einer zur detektierenden Strahlung 10 über die gesamte Dicke eine möglichst gleichmäßige Absorption einstellt. Somit ergibt sich in der Nähe der ersten Elektrode 2 eine höhere Konzentration an nanoskaligen Füllstoffen 3a, als in der Nähe der zweiten Elektrode 4. The distribution of the filler concentration is chosen so that within the entire thickness of the absorption layer 3 upon arrival of the radiation to be detected 10 over the entire thickness sets as uniform as possible absorption. This results in the vicinity of the first electrode 2 a higher concentration of nanoscale fillers 3a , as near the second electrode 4 ,

Durch die inhomogene Verteilung der nanoskaligen Füllstoffe 3a und der sich damit einstellenden gleichmäßigen Absorption über die gesamte Schichtdicke der Absorptionsschicht 3 ergibt sich somit auch über die gesamte Schichtdicke eine gleichmäßige Erzeugung von Ladungsträgern in Form von Elektronen-Loch-Paaren. Somit wird im Photoleiter eine konstante und homogene Leitfähigkeit erzeugt. Due to the inhomogeneous distribution of nanoscale fillers 3a and the resulting uniform absorption over the entire layer thickness of the absorption layer 3 Thus, even over the entire layer thickness results in a uniform generation of charge carriers in the form of electron-hole pairs. Thus, a constant and homogeneous conductivity is generated in the photoconductor.

2 zeigt eine alternative Form für einen Strahlungsdetektor mit einer gleichmäßigen Absorption der einfallenden Strahlung über die gesamte Dicke der Absorptionsschicht 3. 2 shows an alternative form for a radiation detector with a uniform absorption of the incident radiation over the entire thickness of the absorption layer 3 ,

Hierbei erfolgt die Steuerung der Absorption innerhalb der Schichtdicke der Absorptionsschicht 3 durch Variation der Partikelgröße des nanoskaligen Füllstoffs 3a. Da Füllstoffpartikel 3a mit einem größeren Durchmesser ein höheres Absorptionsverhalten aufweisen, als Füllstoffe 3a mit einem kleineren Durchmesser, kann auch auf diese Weise durch geeignete Variation der Füllstoffverteilung eine homogene Absorption innerhalb der gesamten Schicht 3 erreicht werden. In this case, the control of the absorption takes place within the layer thickness of the absorption layer 3 by varying the particle size of the nanoscale filler 3a , Because filler particles 3a having a larger diameter, a higher absorption behavior, as fillers 3a with a smaller diameter, can also in this way by suitable variation of the filler distribution, a homogeneous absorption within the entire layer 3 be achieved.

3 zeigt eine weitere Alternative zur Ausbildung einer möglichst konstanten Absorption durch Variation des Füllstoffes innerhalb der Absorptionsschicht. Wie hier dargestellt, sind in der Absorptionsschicht 3 in diesem Fall Füllstoff 3a und 3b aus unterschiedlichen Materialien eingebettet. Dabei muss die Auswahl der Füllstoffe 3a und 3b nicht auf nur zwei Materialien beschränkt bleiben. Es kann auch eine größere Anzahl von unterschiedlichen Materialien als Füllstoff 3a, 3b eingesetzt werden. 3 shows a further alternative for forming a constant absorption as possible by varying the filler within the absorption layer. As shown here, in the absorption layer 3 in this case filler 3a and 3b embedded from different materials. In doing so, the selection of fillers needs 3a and 3b not limited to just two materials. It can also handle a larger number of different materials as a filler 3a . 3b be used.

Wesentlich dabei ist jedoch, dass die unterschiedlichen Füllstoffe 3a und 3b ein unterschiedliches Absorptionsverhalten aufweisen. Durch gezieltes Verteilen dieser unterschiedlichen Füllstoffe 3a und 3b innerhalb der Absorptionsschicht 3 kann somit das Absorptionsvermögen innerhalb dieser Schicht gezielt gesteuert werden, auch wenn zunächst über der gesamten Absorptionsschicht 3 eine augenscheinlich gleiche Konzentration von Füllstoffen 3a und 3b vorherrscht. It is essential, however, that the different fillers 3a and 3b have a different absorption behavior. By targeted distribution of these different fillers 3a and 3b within the absorption layer 3 Thus, the absorption capacity can be selectively controlled within this layer, even if initially over the entire absorption layer 3 an apparently identical concentration of fillers 3a and 3b prevails.

Durch die hier beschriebene Variation der Füllstoffmaterialien, wie auch durch die zuvor beschriebene Variation der Füllstoffgröße kann insbesondere auch der Tatsache Rechnung getragen werden, dass hochenergetische Röntgenstrahlung zunächst tiefer in den Detektor eindringt als niederenergetische Strahlung. By the variation of the filler materials described here, as well as by the previously described variation of the filler size, it is also possible in particular to take account of the fact that high-energy X-ray radiation initially penetrates deeper into the detector than low-energy radiation.

Die zuvor in Bezug auf die 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen variieren zunächst für sich genommen lediglich einen Parameter wie Füllstoffkonzentration, Füllstoffgröße oder Füllstoffmaterial. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, gleichzeitig mehrere oder alle der genannten Parameter zu variieren. The previously in terms of the 1 to 3 First of all, only a parameter, such as filler concentration, filler size or filler material, varies per se. In addition, however, it is also possible to simultaneously vary several or all of the mentioned parameters.

Weiterhin ist es auch möglich, andere Parameter der Füllstoffe 3a innerhalb der Absorptionsschicht 3 zu variieren, um damit über die Eindringtiefe der Strahlung zunehmende Absorptionseigenschaften zu erhalten und damit eine möglichst gleichmäßige resultierende Absorption über die gesamte Distanz zwischen den beiden Elektroden 2 und 4 zu erzielen. Furthermore, it is also possible other parameters of the fillers 3a within the absorption layer 3 to vary so as to increase the penetration depth To obtain the radiation increasing absorption properties and thus a uniform as possible resulting absorption over the entire distance between the two electrodes 2 and 4 to achieve.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors mit einer inhomogenen Verteilung von Füllstoffen 3a innerhalb der Absorptionsschicht 3 kann dabei wie folgt vorgegangen werden. Zunächst wird in einem ersten Schritt 110 eine erste Elektrode 2 bereitgestellt. Vorzugsweise wird diese Elektrode 2 auf einem Substrat 1 bereitgestellt. anschließend wird in Schritt 120 auf die dem Substrat 1 abgewandte Seite der Elektrode 2 die BHJ-Substanz mit den nanoskaligen Füllstoffen 3a aufgebracht. Die BHJ-Substanz liegt dabei vorzugsweise in flüssiger Phase vor. Somit ist eine besonders einfache Weiterverarbeitung möglich. For producing a radiation detector according to the invention with an inhomogeneous distribution of fillers 3a within the absorption layer 3 can be proceeded as follows. First, in a first step 110 a first electrode 2 provided. Preferably, this electrode becomes 2 on a substrate 1 provided. then in step 120 on the substrate 1 opposite side of the electrode 2 the BHJ substance with nanoscale fillers 3a applied. The BHJ substance is preferably present in the liquid phase. Thus, a particularly simple processing is possible.

Zur Variation mit der Konzentration des Füllstoffes 3a während des Aufbringens der BHJ-Substanz kann zunächst in der Substanz die Konzentration an Füllstoff 3a eingestellt werden, die unmittelbar in der Nähe der ersten Elektrode 2 gewünscht wird. Die so vorliegende Mischung wird daraufhin auf die Elektrode 2 aufgesprüht. Während des weiteren Sprühvorgangs wird der bereitgestellten Mischung aus BHJ-Substanz und Füllstoff 3a kontinuierlich mehr BHJ-Substanz zugegeben, so dass sich die Konzentration an Füllstoff 3a während des weiteren Sprühvorgangs sukzessive erniedrigt. Am Ende des Sprühvorgangs sollte dabei die Konzentration an Füllstoff 3a so eingestellt sein, dass sie der gewünschten Konzentration an der oberen Elektrode 4 entspricht. For variation with the concentration of the filler 3a During the application of the BHJ substance, the concentration of filler in the substance may be first 3a be set, which is immediately near the first electrode 2 it is asked for. The mixture thus obtained is then applied to the electrode 2 sprayed. During the further spraying process, the provided mixture of BHJ substance and filler 3a continuously added more BHJ substance, so that the concentration of filler 3a successively lowered during the further spraying process. At the end of the spraying process should be the concentration of filler 3a be set to the desired concentration at the top electrode 4 equivalent.

Alternativ ist es auch möglich, die BHJ-Substanz und den Füllstoff 3a aus getrennten Reservoirs bereitzustellen. In diesem Fall wird aus dem einen Reservoir kontinuierlich BHJ-Substanz auf die Elektrode 2 aufgesprüht und dabei gleichzeitig aus einem weiteren Füllstoffreservoir ebenfalls Füllstoff 3a aufgesprüht. Während des Sprühvorgangs wird dabei die Dosis an Füllstoff 3a kontinuierlich variiert, so dass sich bei der aufgesprühten Absorptionsschicht 3 eine Variation der Füllstoffkonzentration ergibt. Alternatively, it is also possible to use the BHJ substance and the filler 3a to provide from separate reservoirs. In this case, from one reservoir continuously BHJ substance on the electrode 2 Sprayed while at the same time from another filler reservoir also filler 3a sprayed. During the spraying process, the dose of filler becomes 3a varies continuously so that in the sprayed absorption layer 3 gives a variation of the filler concentration.

Soll dabei während des Aufbaus der Absorptionsschicht nicht nur ein Füllstoff 3a, sondern auch ein weiterer Füllstoff 3b mit in die Absorptionsschicht 3 integriert werden, so können diese aus getrennten Reservoirs bereitgestellt werden und während des Aufbringens die jeweilige Dosis an Füllstoff 3a und 3b in gewünschten Maße variiert werden. Beispielsweise kann kontinuierlich während des Aufsprühens die Füllstoffmenge 3a reduziert werden und parallel dazu die Menge an Füllstoff 3b erhöht werden. Should not only a filler during the construction of the absorption layer 3a but also another filler 3b into the absorption layer 3 can be provided from separate reservoirs and during application the respective dose of filler 3a and 3b be varied to desired dimensions. For example, continuously during spraying, the amount of filler 3a be reduced and in parallel the amount of filler 3b increase.

Andere Verfahren zum Aufbringen einer Absorptionsschicht mit inhomogener Füllstoffverteilung sind darüber hinaus ebenso möglich. Beispielsweise können mehrere dünne Schichten mit jeweils unterschiedlichen Füllstoffkonzentrationen, Füllstoffgrößen oder Füllstoffmaterialien nacheinander auf die erste Elektrode 2 aufgebracht werden. Hierzu sind beispielsweise Verfahren wie Drucken, Walzen, Rakeln usw. denkbar. Other methods of applying an inhomogeneous filler distribution absorption layer are also possible. For example, a plurality of thin layers each having different filler concentrations, filler sizes or filler materials may be sequentially applied to the first electrode 2 be applied. For this example, methods such as printing, rolling, doctoring, etc. are conceivable.

Nach Aufbringen der Absorptionsschicht 3 und gegebenenfalls einem weiteren Prozessschritt zum Aushärten der in flüssiger Phase aufgebrachten Substanzen, erfolgt abschließend das Aufbringen der zweiten Elektrode 4. After application of the absorption layer 3 and optionally a further process step for curing the substances applied in the liquid phase, finally the application of the second electrode takes place 4 ,

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Photodiode oder ein Photoleiter für eine Strahlungsdetektion mit einer inhomogenen Verteilung von nanoskaligen Füllstoffen. Durch eine gezielte Ungleichverteilung dieser nanoskaligen Füllstoffe 3a kann eine gleichmäßigere Verteilung der Absorption der einfallenden Strahlung über die gesamte Absorptionsschicht erreicht werden. Bei dem Betrieb eines solchen Strahlungsdetektors im Photoleitermodus kann somit eine deutliche Steigerung der externen Quanteneffizienz erreicht werden. In summary, the present invention relates to a photodiode or a photoconductor for radiation detection with an inhomogeneous distribution of nanoscale fillers. Through a targeted unequal distribution of these nanoscale fillers 3a a more uniform distribution of the absorption of the incident radiation over the entire absorption layer can be achieved. In the operation of such a radiation detector in the photoconductor mode, a significant increase in the external quantum efficiency can thus be achieved.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008029782 A [0003]

Claims

Radiation detector for converting incident radiation, comprising a substrate ( 1 ) with a first electrode ( 2 ), a second electrode ( 4 ), an organic absorption layer ( 3 ) with a nanoscale filler ( 3a ), wherein the organic absorption layer ( 3 ) between the first electrode ( 2 ) and the second electrode ( 4 ) and an inhomogeneous distribution of the nanoscale filler ( 3a . 3b ) having.

Radiation detector according to claim 1, wherein the nanoscale filler ( 3a . 3b ) is a substance for the direct conversion of radiation into electrical charge carriers.

Radiation detector according to claim 1, wherein the nanoscale filler ( 3a ) is a nanoscintillator.

Radiation detector according to one of claims 1 to 3, wherein the distribution of the nanoscale filler ( 3a . 3b ) as a function of the distance from the first electrode ( 2 ) varies.

Radiation detector according to one of claims 1 to 4, wherein the absorption behavior of the absorption layer ( 3 ) for a radiation to be detected in the vicinity of the first electrode ( 2 ) is larger than in the vicinity of the second electrode ( 4 ).

Radiation detector according to one of claims 1 to 5, wherein the concentration of the nanoscale filler ( 3a . 3b ) near the first electrode ( 2 ) is larger than in the vicinity of the second electrode ( 4 ).

Radiation detector according to one of claims 1 to 6, wherein the particle size of the nanoscale filler ( 3a . 3b ) as a function of the distance from the second electrode ( 4 ) varies.

Radiation detector according to one of claims 1 to 7, wherein the absorption layer at least a first nanoscale filler ( 3a ) and a second nanoscale filler ( 3b ) and the first nanoscale filler ( 3a ) one of the second nanoscale filler ( 3b ) has different absorption capacity for the radiation to be detected.

Method of manufacturing a radiation detector comprising the steps of: providing ( 110 ) of a first electrode ( 2 ); Application ( 120 ) an organic absorption layer ( 3 ) with a nanoscale filler ( 3a . 3b ); Application ( 130 ) a second electrode ( 4 ) on the organic absorption layer ( 3 ).

Method according to claim 9, wherein the absorption layer ( 3 ) is applied by spraying.

Process according to claim 10, wherein the concentration of the nanoscale filler ( 3a . 3b ) is varied during application.

The method of claim 9, wherein the size of the particles of the nanoscale filler ( 3a . 3b ) is varied during application.

Process according to claim 10, wherein the nanoscale filler ( 3a . 3b ) and an organic vehicle are sprayed separately.