DE102012215637A1

DE102012215637A1 - Strahlungsdetektor, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

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Publication number: DE102012215637A1
Application number: DE201210215637
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-03-06

Abstract

Es wird ein Strahlungsdetektor mit monolithisch integrierten Detektorzellen beschrieben, die jeweils eine Avalanche-Fotodiode (APD 5) und einen MOS-Transistor (6) enthalten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine p-auf-n-APD mit vergrabener n+-Schicht (8) mit einem NMOS-Transistor mit p-Wanne (16) kombiniert. Ein Durchbruch zwischen APD (5) und Transistor (6) wird dadurch verhindert, dass die vergrabene n+-Schicht (8) außerhalb der Avalanche-Zone (10) abgesenkt ist. Dieses Design ist einfach zu realisieren. Erzeugt man darüber hinaus aus gleichen Materialien bestehende Dioden- und Transistor-Bestandteile wie etwa einen Löschwiderstand (7) und das Transistor-Gate (17) in einem einzigen Prozessschritt, kommt insgesamt ein besonders ökonomischer Fertigungsprozess zustande. Wird schließlich der Strahlungsdetektor so betrieben, dass die benötigte Zeit-Information unmittelbar aus den einzelnen Detektorzellen gezogen und die benötigte Intensitätsinformation aus der Gesamtheit aller Detektorzellen gewonnen wird, lässt sich auch noch ein hoher, durch geschicktes Oberflächenlayout maximierbarer Füllfaktor erzielen. Diese Erfindung ist insbesondere für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) nutzbar, insbesondere für eine Time-of-Flight(TOF)-Bestimmung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit mindestens einer Detektorzelle (Mikrozelle). Die Zelle enthält einen plattenförmigen Körper mit einer der zu detektierenden Strahlung zugewandten Vorderfläche und einer davon abgewandten Rückfläche, ferner eine auf dem Substrat gebildete Fotodiode, insbesondere Avalanche-Fotodiode (APD) und eine auf dem gleichen Substrat gebildete CMOS-Auswerteschaltung mit einem von der Fotodiode elektrisch isolierten Transistor. Die APD hat einen vorderflächennahen ersten Elektrodenbereich und einen vorderflächenfernen zweiten Elektrodenbereich sowie eine zwischen beiden Elektrodenbereichen befindliche aktive Zone, in der im Betrieb der Fotodiode aufgenommene und in die Zone gelangende Strahlung Ladungsträger erzeugt. Diese Erfindung ist insbesondere für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) nutzbar, insbesondere für eine Time-of-Flight(TOF)-Bestimmung.
Ein Detektor der eingangs genannten Art ist aus der WO 2008/129433 A2 bekannt.
In mehr und mehr Anwendungsbereichen, etwa der Positronen-Emissions-Tomographie (PET), erwachsen den bisher verwendeten Fotovervielfacherröhren in Festkörper-Fotovervielfachern, insbesondere solchen auf Silizium-Basis ("Silicon Photomultiplier, SiPMs), eine ernsthafte Konkurrenz. SiPMs zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie kompakt, robust und leicht sind, mit einer vergleichsweise geringen Betriebsspannung auskommen und nicht zuletzt unempfindlich gegen Magnetfelder sind. In der Regel werden SiPMs so betrieben, dass die benötigten Zeit- und Energie-Informationen aus analogen, an parallel geschalteten Mikrozellen aufsummierten Signalen gewonnen werden. Mit einer solchen Verarbeitung haben die Informationssignale noch keine optimale Qualität; so sind sie temperaturabhängig, haben noch recht hohe Rauschanteile und können sich über längere Betriebszeiten hinweg verschlechtern.
Signalqualität und -stabilität konnten durch eine in den letzten Jahren entwickelte und bereits auf dem Markt angebotene Version mit digitaler Signalverarbeitung verbessert werden. Bei einem digitalen SiPM, wie er etwa in der WO 2008/129433 A2 beschrieben wird, wird aus jeder einzelnen Mikrozelle die Zeit- und Energieinformation direkt ausgelesen und digital prozessiert. Gewisse Defizite bleiben aber auch bei dieser Betriebsweise: Wie aus dem Ausführungsbeispiel der WO 2008/129433 A2 hervorgeht, ist die dort vorgesehene n-auf-p-APD durch eine aufwändig erzeugte Wanne gegen ein Gebiet isoliert, das den in CMOS-Technik gefertigten Zellen-Schaltkreis enthält. Auch der Umstand, dass zunächst die APD hergestellt und isoliert wird und erst dann der Elektronik-Teil in einem CMOS-Prozess realisiert wird, trägt dazu bei, dass der Fertigungsaufwand insgesamt noch relativ hoch ist. Hinzu kommt, dass der fotosensitive Anteil an der gesamten Oberfläche einer Mikrozelle, der sogenannte Füllfaktor (FF), durch den Flächenverbrauch der integrierten Elektronik begrenzt ist und selbst in günstigen Fällen (großflächige APDs, kleinste CMOS-Strukturen) nicht auf Werte ≥ 0,8 gebracht werden kann.
Um den für die Detektionseffizienz kritischen Füllfaktor (FF-Wert), der bei kleiner werdenden Zellengrößen drastisch abnimmt und unter 0,3 sinken kann, anzuheben, ist überlegt worden, die Strahlung durch ein Linsensystem auf die aktive Fläche zu konzentrieren. Mit solchen zusätzlichen Arrays gibt man aber wesentliche Vorteile eines SiPMs wieder aus der Hand. Alternativ wurde kürzlich vorgeschlagen ( WO 2012/028441 A2 ), aus jeder Mikrozelle das Zeitsignal direkt herauszuziehen und unabhängig davon das Energiesignal durch Aufsummieren des Stroms aller APDs zu gewinnen. Eine solche Hybridisierung erlaubt einen relativ hohen Füllfaktor, weil in der Mikrozelle weniger Bauelemente untergebracht werden müssen. Es wurde gezeigt, dass ein einzelner Transistor je Mikrozelle genügt. Dieser kann wahlweise als P-MOS-Transistor oder als NMOS-Transistor ausgeführt werden. Dies vereinfacht die Herstellung, da kein kompletter CMOS-Prozess durchgeführt werden muss.
Allen bisher vorgestellten SiPM-Versionen ist gemeinsam, dass sie, auch wenn sie im Wesentlichen CMOS-kompatibel sind, immer noch mit relativ hohen Herstellungskosten belastet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für einen Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art eine Bauform zu finden, die speziell bei monolithischer Integration der Fotodiode in eine CMOS-Technologie eine besonders einfache Fertigung ermöglicht und zudem einen hohen Füllfaktor aufweisen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die erforderliche Isolation zwischen der Fotokathode und dem ihr benachbarten MOS-Transistor bereits durch ein geeignetes Design zustande gebracht werden kann und somit zusätzliche, allein der Isolation dienende Prozessschritte entfallen können. Das Design ist dabei so beschaffen, dass es lateral eher weniger Platz beansprucht als die bisher bekannten Lösungen, da die Isolation durch Beabstandungen auch und vor allem in der Vertikalen gelingt.
Ein erfindungsgemäßer Strahlungsdetektor weist mindestens eine Detektorzelle auf, die enthält: einen plattenförmigen Körper mit einer der zu detektierenden Strahlung zugewandten Vorderfläche und einer davon abgewandten Rückfläche, eine auf dem Substrat gebildete Fotodiode, insbesondere Avalanche-Fotodiode, mit einem vorderflächennahen ersten Elektrodenbereich und einem vorderflächenfernen zweiten Elektrodenbereich sowie einer zwischen beiden Elektrodenbereichen befindlichen aktiven Zone, in der im Betrieb der Fotodiode aufgenommene und in die Zone gelangende optische Strahlung Ladungsträger erzeugt, sowie eine auf dem gleichen Substrat gebildete elektronischen Auswerteschaltung mit einem von der Fotodiode elektrisch isolierten Transistor, insbesondere MOS-Transistor, wobei der zweite Elektrodenbereich vom Transistor derart beabstandet ist, dass die Durchbruchsspannung zwischen dem Transistor und dem zweiten Elektrodenbereich höher ist als eine Betriebsspannung der Fotodiode.
Ein solcher Strahlendetektor kann insbesondere dadurch hergestellt werden, dass sowohl bei der Fotodiode als auch bei dem MOS-Transistor Teile aus gleichen Materialien in einem gemeinsamen Prozessschritt erzeugt werden. Durch diese Verschränkung wird die Herstellung vereinfacht.
Der Strahlungsdetektor findet insbesondere Verwendung in der Positronen-Emissions-Tomographie, insbesondere im bezüglich der Zeitauflösung besonders anspruchsvollen TOF-Bereich (TOF = Time-of-Flight).
Der Strahlungsdetektor ist vorzugsweise so ausgelegt, dass die zwischen Fotodiode und MOS-Transistor bestehende Durchbruchsspannung mindestens das 1,5-Fache, insbesondere mindestens das 1,8-Fache, der Betriebsspannung der Fotodiode beträgt. So ist sichergestellt, dass es zwischen beiden Elementen – eine APD benötigt eine um Größenordnungen höhere Betriebsspannung als ein MOS-Transistor – unter keinen Umständen zu Durchbrüchen kommt.
Wenn es auf eine besonders hohe Nachweisempfindlichkeit ankommt, empfiehlt es sich, eine APD zu verwenden und diese Diode im sog. Geiger-Modus zu betreiben, bei dem die Betriebsspannung etwas größer ist als die Durchbruchsspannung der APD. In diesem überkritischen Zustand kann bereits ein einzelnes Licht-Quant eine messbare Lawine an freien Ladungsträgern auslösen. Da sich diese Lawine selbst unterhält, enthält die Mikrozelle im Geiger-Modus zusätzlich noch ein (aktives oder passives) Löschelement, im einfachsten Fall einen ausreichend hochohmigen Widerstand. Nach Zündung der APD wird die an diesem Vorwiderstand abfallende Spannung mit der Zeit so groß, dass die Ladungslawine abreißt und die Fotodiode wieder betriebsbereit wird.
Bevorzugt ist bei dem Strahlungsdetektor der vorderflächenferne Elektrodenbereich als eine vergrabene Schicht ausgebildet, die sich sowohl im Bereich der Fotodiode als auch im Bereich des MOS-Transistors parallel zur Vorderfläche des Körpers erstreckt, wobei sie zum ersten, ebenfalls schichtförmig ausgebildeten Elektrodenbereich einen ersten Abstand und zum Transistor einen zweiten, größeren Abstand einhält und in dem beide Bereiche verbindenden Übergangsbereich den Abstand zur Vorderfläche auf dem Weg vom ersten zum zweiten Bereich stetig vergrößert, insbesondere eine fallende Flanke bildet. Diese Flanke schließt mit der Vorderfläche des Körpers vorzugsweise einen Winkel zwischen 60° und 75°, insbesondere zwischen 65° und 70°, ein. Die Maßnahme, den schichtförmigen zweiten Elektrodenbereich außerhalb der aktiven Zone abzusenken, ist an sich aus der DE 102009017505 A1 bekannt. Dort dient die Absenkung allerdings nicht zur Isolation eines integrierten Transistors sondern insbesondere dazu, elektrische Feldüberhöhungen im Randbereich der Avalanche-Zone zu vermeiden. Dieser Effekt ist natürlich auch bei einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor erwünscht und tritt hier auch ein.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Designregel auch dann erfüllt wird, wenn der schichtförmige zweite Elektrodenbereich nicht bis unter den Transistor geführt ist; es braucht lediglich dafür gesorgt zu sein, dass er von außen kontaktiert, etwa an Massepotential gelegt werden kann. Selbst der Übergangsbereich zwischen Fotodiode und Transistor braucht nicht zwingend beschichtet zu sein. Andererseits ist es häufig vorteilhaft, wenn der zweite Elektrodenbereich eine Schicht ist, die das Substrat durchgehend bedeckt und sich jeweils im Bereich der Fotodiode der Vorderfläche annähert, vorzugsweise mit allseitig ansteigenden Flanken.
Vorzugsweise wird bei dem Strahlungsdetektor eine p-auf-n-APD mit einem NMOS-Transistor kombiniert, da eine p-auf-n-APD bekanntlich eine besonders hohe Empfindlichkeit bei kürzerwelligem Licht aufweist, etwa im blauen Spektralbereich. Möglich ist aber auch eine Paarung n-auf-p-APD/PMOS-Transistor; eine n-auf-p-APD hat bei längerwelligem Licht, etwa im roten Bereich, eine höhere Ausbeute.
Bei den erwähnten Paarungen wird die erfindungsgemäß vorgesehene Designregel zu einer einfachen Dimensionierungsvorschrift: Ist der vorderflächenferne Elektrodenbereich schichtförmig ausgebildet, also eine n+- oder p+-Schicht, so ist sie, wenn sie unter den Transistor geführt ist, derart abzusenken, dass sie zur Transistor-Wanne einen Mindestabstand einhält, der in etwa das 1,5-Fache, vorzugsweise das 1,8-Fache, des Abstands zur ersten Elektrodenschicht in der aktiven Zone beträgt.
Bei dem Strahlungsdetektor mit einer Matrix aus zeilen- und spaltenförmig angeordneten Detektorzellen und streifenförmigen Zwischenräumen zwischen benachbarten Detektorzeilen und -spalten wird der FF-Wert besonders groß, wenn folgendes Layout eingehalten wird: Die Transistoren von je zwei Detektorzellen werden zu einem Transistorpaar räumlich zusammengefasst und sind dort platziert, wo sich ein Zeilenzwischenraum mit einem Spaltenzwischenraum kreuzt und die vier je ein Transistorpaar umgebenden Fotodioden an ihren dem Transistorpaar jeweils benachbarten Ecken eingebuchtet sind. Dabei bietet es sich an, die Trigger-Leitungen der Transistorpaare in jedem zweiten der Spaltenzwischenräume und die Löschwiderstände in jeden der Zeilenzwischenräume zu verlegen. Vorzugsweise erhalten dann noch die Gates eines jeden Transistorpaares einen gemeinsamen Kontakt mit ihrer Trigger-Leitung.
Der Füllfaktor ließe sich sogar noch weiter steigern, wenn die Transistorpaare in der Draufsicht um etwa 45° gegenüber den Detektorzeilen bzw. -spalten verdreht sind und die den Transistorpaaren jeweils benachbarten Fotodioden-Ecken abgeschrägt sind.
Die Vorteile des Strahlungsdetektors kommen vor allem dann zum Tragen, wenn er im hybriden Modus betrieben wird, wenn also die Zeit-Information digital aus den einzelnen Zellen und die Energie-/Ladungs-Information aus den zunächst aufsummierten Signalen aller Detektorzellen, also zumindest nach außen hin analog, ausgelesen wird. Denn dann kann man einen besonders einfachen Aufbau – bei jeweils für sich optimiertem Sensor und Schaltkreis – mit einer sehr rationellen Fertigung verbinden und dabei Betriebsparameter erzielen, die denen anderer Bau- und Herstellungskonzepte ebenbürtig, wenn nicht überlegen sind. So ist etwa die Quantennachweiseffizienz relativ hoch, und die störenden Rauschkomponenten sollten vergleichsweise gering sein.
Im Rahmen einer Fertigung, bei der Fotodioden- und Transistorteile aus gleichen Materialien in gemeinsamen Fertigungsschritten aufgebracht werden, können eines oder mehrere aus den Sets Löschwiderstand/Transistor-Gate, Schutzring/Transistor-Wanne, Isoliermasse für den Löschwiderstand/Isoliermasse für den Transistor, n-seitiger Dioden-Anschluss/ Gate und Drain zugleich erzeugt werden.
Die Erfindung wird nun anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 von einem ersten Ausführungsbeispiel eine Mikrozelle im Querschnitt;
2 von einem zweiten Ausführungsbeispiel einen mehrere Mikrozellen umfassenden Teilbereich des Detektors, in einer Aufsicht; und
3 in der gleichen Darstellungsweise wie bei 2 ein drittes Ausführungsbeispiel.
Die in 1 dargestellte Mikrozelle gehört zu einem Strahlungsdetektor mit einer Matrix aus einer Vielzahl von zeilenförmig und spaltenförmig angeordneten Mikrozellen. Jede dieser Zellen hat eine etwa quadratische Strahleintrittsfläche und ist folgendermaßen aufgebaut: Ein plattenförmiger Silizium-Körper 1, versehen mit einer Vorderfläche 2 und einer Rückfläche 3, ist rückseitig als n-dotiertes, hochohmiges Substrat 4 ausgebildet. Die Dotierstoffkonzentration liegt hier bei etwa 10¹²/cm³; damit ist das Substrat ausreichend hochohmig, um die Zelle rückseitig zu isolieren. Das Substrat 4 trägt eine p-auf-n-Avalanche-Fotodiode 5, einen NMOS-Transistor 6 und einen Löschwiderstand 7. Die APD 5 enthält eine vergrabene n+-Schicht 8, die in das Substrat implantiert wurde und eine Dotierstoffkonzentration zwischen 10¹⁸ und 10¹⁹/cm³ aufweist; sie dient als positive Elektrode und liegt auf demselben Potential wie das Substrat 4. An der Vorderfläche 2, auf der die zu messende Strahlung auftrifft, befindet sich eine p+-Schicht 9 mit einer Ladungsträgerkonzentration zwischen 10¹⁹ und 10²⁰/cm³; sie bildet die negative Elektrode der APD 5. Zwischen beiden Schichten 8 und 9 ist der Silizium-Körper 1 n-dotiert, derart, dass dort eine Avalanche-Zone 10 entstehen kann. Diese Dotierung – etwa 10¹⁵ bis 10¹⁶/cm³ – kommt im Wesentlichen dadurch zustande, dass die zur Implantierung der n+-Schicht 8 verwendeten Ionen in den Silizium-Körper 1 unterschiedlich tief eindringen. Insofern ist die n+-Schicht 8 auch nicht scharf gegen die n-Schicht abgegrenzt; man wird sie aber per definitionem in einer Tiefe beginnen lassen, in der die Dotierstoffkonzentration in die Größenordnung von 10¹⁸/cm³ kommt. Vom Rand der p+-Schicht 9, die ihrerseits noch mit einer (nicht dargestellten) Antireflexionsschicht überzogen sein könnte, geht in an sich bekannter Weise ein p-dotierter Schutzwall („Schutzring“) 11 aus, der dazu dient, irreversible Durchbrüche am Rand der Avalanche-Zone 10 und Leckströme zu verhindern.
Der Löschwiderstand 7 ist in einer aus Siliziumoxid bestehenden Isolationsmasse 12 eingebettet. Der Widerstand selbst besteht aus Polysilizium, hat eine Größe von einigen 100 kΩ und ist über eine Aluminium-Leitung 13 mit der p+-Schicht 9 verbunden.
Der NMOS-Transistor 6 enthält n-dotierte Source- und Drain-Bereiche 14 bzw. 15, die durch eine sie umschließende p-Wanne 16 gegeneinander sowie gegen den n-dotierten Bereich des Silizium-Körpers 1 isoliert sind. Das aus Polysilizium bestehende Gate 17 ist ebenfalls von isolierendem Siliziumoxid 18 umgeben. Source, Drain und Gate sind jeweils durch Aluminium-Anschlüsse 19, 20, 21 kontaktiert.
1 ist zu entnehmen, dass das hochohmige Substrat 4 im Bereich der Avalanche-Zone 10 gegen die Vorderfläche 2 vorspringt. Der Vorsprung hat die Form eines Pyramidenstumpfes mit etwa quadratischer Grundfläche. Im Schnittbild der 1 entspricht dem Pyramidenstumpf ein Trapez. Die Schenkel dieses Trapezes schließen mit der Vorderfläche 2 des Silizium-Körpers 1 einen Winkel α zwischen 66° und 69° ein, gehen von der vorderflächennahen Trapez-Grundseite bereits deutlich innerhalb des Schutzringes 11 aus und treffen auf die vorderflächenferne Trapez-Grundseite knapp außerhalb dieses Ringes. Die vorderflächennahe Grundseite befindet sich dabei fast auf Höhe des Schutzringes 11. Entsprechend dieser Formgebung hat die n+-Schicht 8 einen Verlauf, bei dem sie im Bereich der Avalanche-Zone 10 einen relativ kleinen Abstand von der Vorderfläche 2 hat, unterhalb des Transistors 6 und des Löschwiderstandes 7 einen relativ großen Abstand zu beiden Elementen einhält und vom Bereich mit kleinem Abstand zum Bereich mit größerem Abstand abgesenkt ist. Da die Grundfläche des Pyramidenstumpfes etwa quadratisch ist, fällt die n+-Schicht 8 auf vier praktisch gleich bemessenen und gleich geneigten Flanken ab. Man erkennt, dass der Mindestabstand zur p-Wanne 16 des Transistors 6 etwa doppelt so groß ist wie zur p+-Schicht 9. Damit ist zwischen Wanne und Schicht ein Übergang mit einer Sperrspannung geschaffen, die erheblich oberhalb der APD-Durchbruchsspannung liegt, sodass das Gebiet des NMOS-Transistors 6 sicher von der APD 5 isoliert ist.
Ein Strahlungsdetektor mit in 1 dargestellten Mikrozellen wird so gefertigt, dass Dioden- und Transistor-Bestandteile aus gleichen Materialien in jeweils einem einzigen Prozessschritt aufgebracht werden. Dies sind Löschwiderstand 7 und Transistor-Gate 19, Schutzring 11 und p-Wanne 16, die Isolationsmassen 12 und 18 sowie der (nicht dargestellte) Massekontakt der Diode und Source 14 und Drain 15 des Transistors 6. Für weitere Herstellungseinzelheiten wird auf die bereits genannte DE 10 2009 017 505 A1 verwiesen.
Der Strahlungsdetektor wird im Geiger-Modus betrieben, und zwar bei einer APD-Durchbruchsspannung von etwa 26 V mit einer Betriebsspannung von 30 V. Ausgelesen wird die Information auf hybride Weise, d. h. die Zeit-Information wird digital und die Energie- bzw. Ladungsinformation – jedenfalls nach außen hin – analog. Einzelheiten der Schaltung sind in der bereits genannten WO 2012/028441 A2 beschrieben.
Um zu zeigen, dass der Füllfaktor eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors relativ groß sein kann, wird in 2 von einem weiteren Ausführungsbeispiel ein mehrere Mikrozellen umfassender Teilbereich in einer Draufsicht schematisch dargestellt. Der Detektor enthält matrixartig angeordnete Mikrozellen. Man erkennt, dass die Avalanche-Fotodioden 5 etwa quadratisch geformte fotosensitive Oberflächen (p+-Schichten 9) haben, die jeweils von einem Schutzring 11 umrahmt sind. Zwischen den Matrixzeilen erstrecken sich die Löschwiderstände 7, die an ihrem einen Ende über Leitungen 13 mit der p+-Schicht 9 verbunden und an ihrem anderen Ende an eine Speisespannungsleitung 22 geführt sind. Paare von – der einfachheithalber nicht dargestellten – NMOS-Transistoren sind innerhalb der Rechtecke 23 platziert. Wegen der vereinfachten Darstellung ist nicht erkennbar, dass die Drains 14 der gepaarten Transistoren mit einer Trigger-Leitung 24 über einen gemeinsamen Kontakt gekoppelt sind. Die Gate-Elektroden der Transistoren sind jeweils mit einer Verbindungsleitung 25 zwischen APD 5 und Löschwiderstand 7 der jeweils zugehörigen Mikrozelle verbunden. Wenn, wie in 2 dargestellt, die vier ein Transistorpaar 23 jeweils umgebenden APDs 5 auch noch an ihren dem Transistorpaar benachbarten Ecken eingebuchtet sind (Einbuchtungen 26), kann man zu einem hohen FF-Wert kommen.
Dieser Wert lässt sich sogar noch steigern, wenn man, wie der 3 zu entnehmen, die Transistorpaare 23 gegen die Matrixzeilen bzw. -spalten noch einmal um etwa 45° dreht. Sind dann noch zusätzlich die den Transistorpaaren benachbarten APD-Ecken mit etwa dem gleichen Winkel abgeschrägt (Abschrägungen 27), ergibt sich ein Füllfaktor, der praktisch dem eines rein analog betriebenen SiPM entspricht. Außerdem vermeidet man mit einer solchen Abschrägung besonders sicher Kantenbedingte Durchbrüche in den Randbereichen der APD 5.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So könnte man statt APDs auch andere Fotodioden verwenden, etwa PIN-Dioden, falls die Anforderungen an die Nachweisempfindlichkeit geringer sind. Wählt man APDs, kommen auch n-auf-p-APDs in Frage, vor allem dann, wenn Licht im (Infra-)Roten gemessen werden soll. APDs könnten auch statt im Geiger-Modus im Proportional-Modus, d. h. mit Betriebsspannungen unterhalb der APD-Durchbruchsspannung, betrieben werden. Auch ließe sich der Löschwiderstand durch ein aktives (CMOS-)Löschelement ersetzen. Im Übrigen bleibt es dem Fachmann unbenommen, auch die Auslesung des Strahlungsdetektors zu modifizieren, etwa im Hybrid-Modus die Verstärkerelemente mehrerer Mikrozellen jeweils einer Verstärkerstufe zuzuordnen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/129433 A2 [0002, 0004]
WO 2012/028441 A2 [0005, 0033]
DE 102009017505 A1 [0015, 0032]

Claims

Strahlungsdetektor mit mindestens einer Detektorzelle, enthaltend – einen plattenförmigen Körper (1) mit einer der zu detektierenden Strahlung zugewandten Vorderfläche (2) und einer davon abgewandten Rückfläche (3), – eine auf dem Substrat (4) gebildete Fotodiode (5), insbesondere Avalanche-Fotodiode, mit einem vorderflächennahen ersten Elektrodenbereich (9) und einem vorderflächenfernen zweiten Elektrodenbereich (8) sowie einer zwischen beiden Elektrodenbereichen befindlichen aktiven Zone (10), in der im Betrieb der Fotodiode (5) aufgenommene und in die Zone gelangende Strahlung Ladungsträger erzeugt, sowie – eine auf dem Substrat (4) gebildete elektronische Auswerteschaltung mit einem von der Fotodiode (5) elektrisch isolierten Transistor (6), insbesondere MOS-Transistor, dadurch gekennzeichnet, dass – der zweite Elektrodenbereich (8) vom Transistor (6) derart beabstandet ist, dass die Durchbruchsspannung zwischen dem Transistor (6) und dem zweiten Elektrodenbereich (8) höher ist als eine Betriebsspannung der Fotodiode (5).
Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbruchsspannung zwischen dem Transistor (6) und dem zweiten Elektrodenbereich (8) mindestens das 1,5-Fache, insbesondere mindestens das 1,8-Fache, der Betriebsspannung der Fotodiode (5) beträgt.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung der Fotodiode (5) oberhalb deren Durchbruchsspannung liegt.
Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Elektrodenbereich eine vergrabene Schicht (8) ist, die sich sowohl im Bereich der Fotodiode (5) als auch im Bereich des CMOS-Transistors (6) parallel zur Vorderfläche des Körpers (1) erstreckt, wobei sie zum ersten, ebenfalls schichtförmig ausgebildeten Elektrodenbereich (9) einen ersten Abstand und zum Transistor (6) einen zweiten, größeren Abstand einhält und in dem beide Bereiche verbindenden Übergangsbereich den Abstand zur Vorderfläche (2) auf dem Weg vom ersten zum zweiten Bereich stetig vergrößert, insbesondere eine gegen die Vorderfläche geneigte Flanke bildet.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanke mit der Vorderfläche (2) des Körpers (1) einen Neigungswinkel α zwischen 60° und 75°, insbesondere zwischen 65° und 70°, bildet.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vergrabene Schicht (8) das Substrat (4) durchgehend bedeckt und vom Bereich der Fotodiode ausgehend den Abstand zur Vorderfläche (2) allseitig vergrößert, insbesondere allseitig geneigte Flanken bildet.
Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, mit einem den schichtförmigen ersten Elektrodenbereich umgebenden Schutzring (11), dadurch gekennzeichnet, dass, gesehen aus einer Blickrichtung senkrecht zur Vorderfläche (2), die Fotodiode (5) etwa quadratische Abmessungen hat und die vergrabene Schicht (8) vier etwa gleich bemessene und gleich geneigte Flanken bildet, die vorzugsweise von der aktiven Zone (10) noch innerhalb des Schutzringes (11) ausgehen und außerhalb des Schutzringes (11) enden.
Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektrodenbereich eine stark p-dotierte Schicht (p+-Schicht 9), der zweite Elektrodenbereich eine stark n-dotierte Schicht (n+-Schicht 8) und der Transistor ein NMOS-Transistor (6) mit einer dessen Source (14) und Drain (15) umschließenden p-Wanne (16) sind.
Strahlungsdetektor nach einem Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektrodenbereich (9) eine stark n-dotierte Schicht, der zweite Elektrodenbereich (8) eine stark p-dotierte Schicht (p+-Schicht) und der Transistor (6) ein PMOS-Transistor mit einer dessen Source und Drain umschließenden n-Wanne sind.
Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Matrix aus zeilen- und spaltenförmig angeordneten Detektorzellen, wobei sich zwischen benachbarten Detektorzeilen und zwischen benachbarten Detektorspalten jeweils streifenförmige Zwischenräume befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (6) von je zwei Detektorzellen zu einem Transistorpaar (23) räumlich zusammengefasst und dort platziert sind, wo sich ein Zeilenzwischenraum mit einem Spaltenzwischenraum kreuzt, und dass die vier je ein Transistorpaar (23) umgebenden Fotodioden (5) an ihren dem Transistorpaar (23) jeweils benachbarten Ecken mit Einbuchtungen (26) versehen sind.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 10, mit jeweils einem Löschwiderstand (7) in einer Detektorzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Löschwiderstände (7) in Zeilenzwischenräumen und die Trigger-Leitungen (24) der Transistorpaare (23) in Spaltenzwischenräumen angeordnet sind.
Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistorpaare (23) in der Draufsicht um etwa 45° gegenüber den Detektorzeilen und -spalten verdreht sind und dass die den Transistorpaaren (23) jeweils benachbarten Fotodioden-Ecken Abschrägungen (27) enthalten.
Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sowohl eine Zeit- als auch eine Energie-Information ausgelesen wird, dadurch gekennzeichnet, dass er so ausgelegt ist, dass die Zeit-Information aus den Signalen der einzelnen Detektorzellen digital ausgelesen und die Energie-Information aus den zunächst aufsummierten Signalen der einzelnen Detektorzellen analog ausgelesen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, sowohl bei der Fotodiode als auch beim CMOS-Transistor Teile aus gleichen Materialien in einem gemeinsamen Prozessschritt erzeugt werden, insbesondere ein vorhandener Löschwiderstand und das Transistor-Gate und/oder der Schutzring und eine vorhandene Transistor-Wanne und/oder eine einen Löschwiderstand umgebende Isoliermasse und eine den Transistor bedeckende Isoliermasse.
Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch seine Verwendung in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET), insbesondere in der PET mit Flugzeit-Auflösung (TOF-PET).