DE102013104355A1

DE102013104355A1 - Radiation detector and use of the radiation detector

Info

Publication number: DE102013104355A1
Application number: DE102013104355.0A
Authority: DE
Inventors: Elena Popova; Sergei Klemin; Florian Wiest
Original assignee: KETEK GmbH
Current assignee: KETEK GmbH
Priority date: 2013-04-29
Filing date: 2013-04-29
Publication date: 2014-10-30

Abstract

Es wird ein Strahlungsdetektor (100) mit einer Mehrzahl von Halbleiterdetektorzellen (6) angegeben, wobei die jeweilige Halbleiterdetektorzelle (6) eine aktive Zone (11) aufweist, die zwischen zwei Detektorelektrodenbereichen (5, 7) der Halbleiterdetektorzelle (6) angeordnet ist und die zur Erzeugung freier Ladungstäger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist. Der Strahlungsdetektor (100) weist weiterhin eine Antennenstruktur (2) auf, die relativ zu den Halbleiterdetektorzellen (6) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von den mittels Lawinenmultiplikation erzeugten freien Ladungsträgern erzeugte Lawinenstrahlung über ein Antennenausgangssignal der Antennenstruktur (2) durch elektromagnetische Kopplung erfasst und ausgelesen werden kann.A radiation detector (100) with a plurality of semiconductor detector cells (6) is specified, the respective semiconductor detector cell (6) having an active zone (11) which is arranged between two detector electrode areas (5, 7) of the semiconductor detector cell (6) and which is set up to generate free charge carriers by means of an avalanche multiplication. The radiation detector (100) also has an antenna structure (2) which is arranged and designed relative to the semiconductor detector cells (6) in such a way that avalanche radiation generated by the free charge carriers generated by means of avalanche multiplication is detected via an antenna output signal of the antenna structure (2) by electromagnetic coupling and can be read out.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit einer Antennenstruktur und eine Verwendung des Strahlungsdetektors. The present invention relates to a radiation detector having an antenna structure and a use of the radiation detector.

Eine zu lösende Aufgabe ist es, einen verbesserten Strahlungsdetektor anzugeben. An object to be solved is to specify an improved radiation detector.

Ein Strahlungsdetektor ist beispielsweise in WO 2011/117309 A2 beschrieben. A radiation detector is for example in WO 2011/117309 A2 described.

Die genannte Aufgabe wird durch den Strahlungsdetektor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. The stated object is achieved by the radiation detector having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.

Ein vorgegebener Strahlungsdetektor umfasst eine Mehrzahl von Halbleiterdetektorzellen, wobei die jeweilige Halbleiterdetektorzelle eine aktive Zone aufweist, die zwischen zwei Detektorelektrodenbereichen der Halbleiterdetektorzelle angeordnet ist und die zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist. Der Strahlungsdetektor weist weiterhin eine Antennenstruktur auf, die relativ zu der Halbleiterdetektorzelle derart angeordnet und ausgebildet ist, dass von den mittels Lawinenmultiplikation erzeugten freien Ladungsträgern erzeugte Lawinenstrahlung über ein Antennenausgangssignal der Antennenstruktur durch elektromagnetische Kopplung erfasst und ausgelesen werden kann. Elektromagnetische Kopplung bezeichnet vorzugsweise die Kopplung einer elektromagnetischen Welle aus einem freien, vorzugsweise nicht leitungsgebundenen Raum an einen elektrischen Leiter oder umgekehrt. Durch die Vorsehung der Antennenstruktur beziehungsweise über die elektromagnetische Kopplung kann der Strahlungsdetektor mit Vorteil besonders schnell ausgelesen werden. Bei der Auslesung des Strahlungsdetektors kann es insbesondere wichtig sein, den Zeitpunkt eines Einfalls von Strahlung oder einzelnen Photonen besonders genau zu bestimmen. Dies kann über die Erfassung oder Auslesung der Lawinenstrahlug über die Antennenstruktur ermöglicht werden. A predetermined radiation detector comprises a plurality of semiconductor detector cells, the respective semiconductor detector cell having an active zone which is arranged between two detector electrode regions of the semiconductor detector cell and which is set up to generate free charge carriers by means of an avalanche multiplication. The radiation detector furthermore has an antenna structure which is arranged and configured relative to the semiconductor detector cell in such a way that avalanche radiation generated by the free charge carriers generated by avalanche multiplication can be detected and read out via an antenna output signal of the antenna structure by electromagnetic coupling. Electromagnetic coupling preferably refers to the coupling of an electromagnetic wave from a free, preferably non-wired space to an electrical conductor or vice versa. Due to the provision of the antenna structure or via the electromagnetic coupling, the radiation detector can advantageously be read out particularly quickly. When reading the radiation detector, it may be particularly important to determine the time of incidence of radiation or individual photons particularly accurately. This can be made possible by detecting or reading the avalanche beam over the antenna structure.

Eine Mehrzahl von Halbleiterdetektorzellen kann sich auf eine Anzahl von 1000 oder mehr, 2000 oder 5000 oder mehr, beispielsweise 5625 Halbleiterdetektorzellen beziehen. A plurality of semiconductor detector cells may refer to a number of 1000 or more, 2000 or 5000 or more, for example 5625 semiconductor detector cells.

Durch eine Lawinenmultiplikation oder Lawinenentladung werden vorzugsweise freie Ladungsträger erzeugt und beschleunigt, so dass diese ein Strahlungssignal emittieren. Dieses Strahlungssignal kann vorzugsweise über die Antennenstruktur durch elektromagnetische Kopplung ausgelesen werden. By avalanche multiplication or avalanche discharge, preferably free charge carriers are generated and accelerated so that they emit a radiation signal. This radiation signal can preferably be read out via the antenna structure by electromagnetic coupling.

Die Lawinenstrahlung kann durch die erzeugten und unter Vorspannung beschleunigten freien Ladungsträger erzeugt werden. The avalanche radiation can be generated by the generated and under bias accelerated free charge carriers.

Bei der Lawinenstrahlung handelt es sich vorzugsweise nicht um von dem Strahlungsdetektor zu detektierende Strahlung, sondern um Strahlung, die durch die mittels Lawinenmultiplikation erzeugten freien Ladungsträger erzeugt wird und von der Antennenstruktur erfasst werden kann. The avalanche radiation is preferably not radiation to be detected by the radiation detector, but radiation which is generated by the free charge carriers generated by means of avalanche multiplication and which can be detected by the antenna structure.

Bei der Lawinenstrahlung handelt es sich vorzugsweise um elektromagnetische Strahlung. The avalanche radiation is preferably electromagnetic radiation.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Strahlungsdetektor für den Betrieb im Geiger-Modus eingerichtet. Durch diese Ausgestaltung ist mit Vorteil eine Detektion einzelner Photonen möglich. In a preferred embodiment, the radiation detector is set up for operation in Geiger mode. With this configuration, it is advantageously possible to detect individual photons.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Antennenstruktur zum Empfang oder zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenzbandbreite zwischen 0.1 GHz und 5 GHz ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung können über die Antennenstruktur mit Vorteil besonders kurze Strahlungspulse, vorzugsweise Pulse der Lawinenstrahlung empfangen oder erfasst werden. In a preferred embodiment, the antenna structure for receiving or for detecting electromagnetic radiation having a frequency bandwidth between 0.1 GHz and 5 GHz is formed. By means of this embodiment, particularly short radiation pulses, preferably pulses of avalanche radiation, can advantageously be received or detected via the antenna structure.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Antennenstruktur eine Planarantenne, wobei die Planarantenne eine erste Elektrode, beispielsweise mit einem Streifenleiter, aufweist. Bei dem Streifenleiter handelt es sich vorzugsweise um einen Mikrostreifenleiter, beispielsweise mit äußeren Abmessungen im Mirometerbereich. Der Streifenleiter ist zweckmäßigerweise elektrisch leitfähig mit der Planarantenne verbunden. Der Streifenleiter ist vorzugsweise ein Wellenleiter zur Speisung und/oder zur Ableitung von Signalen in beziehungsweise aus der Planarantenne. In a preferred embodiment, the antenna structure comprises a planar antenna, wherein the planar antenna has a first electrode, for example with a strip conductor. The strip conductor is preferably a microstrip conductor, for example with external dimensions in the micrometer range. The strip conductor is expediently electrically conductively connected to the planar antenna. The strip conductor is preferably a waveguide for feeding and / or for the derivation of signals in or from the planar antenna.

Eine Planarantenne eignet sich weiterhin besonders gut zur Integration auf Strukturen, beispielsweise Leiterplatten, die auch als Träger für Strahlungsdetektoren dienen können. Die Planarantenne kann überdies mit Vorteil besonders einfach an die Frequenz der Lawinenstrahlung angepasst werden. Über den Streifenleiter kann ein von der Planarantenne empfangenes oder erfasstes Strahlungssignal mit Vorteil besonders einfach, beispielsweise zu einem externen Anschluss des Strahlungsdetektors abgeleitet werden. A planar antenna is also particularly well suited for integration on structures, such as circuit boards, which can also serve as a carrier for radiation detectors. In addition, the planar antenna can advantageously be adapted to the frequency of the avalanche radiation with particular ease. Via the strip conductor, a radiation signal received or detected by the planar antenna can advantageously be derived particularly simply, for example, to an external connection of the radiation detector.

In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt eine äußere Abmessung, beispielsweise eine Länge oder Breite, eines Kopplungsbereichs der Planarantenne zwischen 40 µm und 60 µm. In dem Kopplungsbereich kann zu erfassende oder zu empfangende Strahlung beispielsweise empfangen werden. Durch diese Ausgestaltung kann die Mitten- oder Arbeitsfrequenz der Antennenstruktur mit Vorteil derart angepasst werden, dass eine schnelle Auslesung des Strahlungsdetektors möglich ist. In a preferred embodiment, an outer dimension, for example a length or width, of a coupling region of the planar antenna is between 40 μm and 60 μm. In the coupling region, for example, radiation to be detected or received can be received. By virtue of this configuration, the center or operating frequency of the antenna structure can advantageously be such be adapted that a quick reading of the radiation detector is possible.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Elektrode an einer Rückseite eines Substrats, beispielsweise eines Halbleitersubstrates, des Strahlungsdetektors angeordnet. Die Halbleiterdetektorzellen sind vorzugsweise im Substrat oder mittels einer auf dem Substrat abgeschiedenen Halbleiterschicht gebildet. In a preferred embodiment, the first electrode is arranged on a rear side of a substrate, for example a semiconductor substrate, of the radiation detector. The semiconductor detector cells are preferably formed in the substrate or by means of a semiconductor layer deposited on the substrate.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Antennenstruktur eine zweite Elektrode, beispielsweise einen Masseanschluss, auf, wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein, beispielsweise durch das Substrat gebildetes Dielektrikum, angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil ein Dielektrikum der Antennenstruktur besonders einfach über das Substrat des Strahlungsdetektors gebildet werden. In a preferred embodiment, the antenna structure has a second electrode, for example a ground connection, wherein a dielectric, for example formed by the substrate, is arranged between the first electrode and the second electrode. With this configuration, a dielectric of the antenna structure can advantageously be formed particularly easily over the substrate of the radiation detector.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Masseanschluss und der Streifenleiter elektrisch voneinander getrennt. Zweckmäßigerweise ist der Masseanschluss weiterhin elektrisch getrennt von der Planarantenne. In a preferred embodiment, the ground terminal and the strip conductor are electrically separated from each other. Conveniently, the ground terminal is still electrically isolated from the planar antenna.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Strahlungsdetektor derart ausgebildet, dass die Antennenstruktur und einer der Detektorelektrodenbereiche, beispielsweise ein gemeinsamer Detektorelektrodenbereich der Halbleiterdetektorzellen, im Betrieb des Strahlungsdetektors auf dem gleichen elektrischen Potential liegen. Die Antennenstruktur und einer der Detektorelektrodenbereiche können dafür beispielsweise einen gemeinsamen Masseanschluss aufweisen. Durch diese Ausgestaltung kann die Herstellung und/oder Ausführung des Strahlungsdetektors mit Vorteil insgesamt vereinfacht und/oder kostengünstiger gestaltet werden. In a preferred embodiment, the radiation detector is designed such that the antenna structure and one of the detector electrode regions, for example a common detector electrode region of the semiconductor detector cells, are at the same electrical potential during operation of the radiation detector. For example, the antenna structure and one of the detector electrode regions can have a common ground connection for this purpose. With this configuration, the production and / or execution of the radiation detector can advantageously be simplified overall and / or made more cost-effective.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Strahlungsdetektor eine Signalleitung zu einem externen Anschluss des Strahlungsdetektors auf, wobei die Signalleitung mit mehreren Detektorelektrodenbereichen verschiedener Halbleiterdetektorzellen elektrisch leitend verbunden ist. Beispielsweise kann ein Detektorausgangssignal des Strahlungsdetektors weiterhin eine Summe und/oder eine Überlagerung von in verschiedenen Halbleiterdetektorzellen erzeugten Zellensignalen aufweisen. In a preferred embodiment, the radiation detector has a signal line to an external terminal of the radiation detector, wherein the signal line is electrically conductively connected to a plurality of detector electrode regions of different semiconductor detector cells. For example, a detector output of the radiation detector may further comprise a sum and / or a superposition of cell signals generated in different semiconductor detector cells.

Das Detektorausgangssignal kann weiterhin eine Streuung von Transferzeiten von in verschiedenen Halbleiterdetektorzellen erzeugten Zellensignalen zu einem externen Anschluss des Strahlungsdetektors aufweisen. The detector output signal may further comprise a dispersion of transfer times of cell signals generated in different semiconductor detector cells to an external terminal of the radiation detector.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Strahlungsdetektor derart ausgebildet, dass über das Antennenausgangssignal der Zeitpunkt des Einfalls eines von dem Strahlungsdetektor zu detektierenden und die Lawinenstrahlung erzeugenden Photons schneller erfasst werden kann als über das Detektorausgangssignal. Dies kann insbesondere für eine Anwendung des Strahlungsdetektors in der Positronen-Emissions-Tomographie von Vorteil sein. In a preferred embodiment, the radiation detector is designed such that the instant of incidence of a photon to be detected by the radiation detector and generating the avalanche radiation can be detected faster via the antenna output signal than via the detector output signal. This may be advantageous in particular for an application of the radiation detector in positron emission tomography.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Halbwertsbreite des Antennenausgangssignals kleiner als eine Halbwertsbreite der Streuung von Transferzeiten von in verschiedenen Halbleiterdetektorzellen erzeugten Zellensignalen zu dem externen Anschluss des Strahlungsdetektors. In a preferred embodiment, a half width of the antenna output signal is smaller than a half width of the dispersion of transfer times of cell signals generated in various semiconductor detector cells to the external terminal of the radiation detector.

Es hat sich bei der Fertigung von betriebsinternen Prototypen derartiger Strahlungsdetektoren gezeigt, dass die Transferzeiten von elektrischen Zellensignalen, die in verschiedenen Halbleiterdetektorzellen erzeugt wurden, zu einem gemeinsamen externen elektrischen Anschluss, an dem die Zellensignale erfasst oder ausgewertet werden, signifikant variieren können. Diese Streuung schränkt die Möglichkeiten zur Auswertung der Messergebnisse des Detektors ein, zum Beispiel wenn es darauf ankommt, dass das Detektorausgangssignal innerhalb eines fest vorgegebenen Zeitintervalls nach einem einen Messvorgang auslösenden Ereignis liegt. Die Streuung in der Transferzeit gibt dann eine Mindestgröße für dieses Zeitintervall vor. Die genannte Transferzeit kann stark von der Position der Halbleiterdetektorzelle im Detektor abhängen und überdies stark schwanken (siehe unten). Über die Vorsehung der Antennenstruktur und das Antennenausgangssignals können diese Nachteile umgangen werden. It has been shown in the fabrication of in-house prototypes of such radiation detectors that the transfer times of electrical cell signals generated in different semiconductor detector cells to a common external electrical connection where the cell signals are detected or evaluated can vary significantly. This scattering restricts the possibilities for evaluating the measurement results of the detector, for example if it is important that the detector output signal lies within a fixed predetermined time interval after an event triggering a measurement process. The spread in the transfer time then specifies a minimum size for this time interval. Said transfer time can depend strongly on the position of the semiconductor detector cell in the detector and, moreover, can fluctuate greatly (see below). Over the providence of the antenna structure and the antenna output signal these disadvantages can be bypassed.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Strahlungsdetektor eine Auswerteeinheit auf, die ausgelegt ist, aus dem Detektorausgangssignal eine Information über die Anzahl der von dem Strahlungsdetektor detektierten Photonen zu ermitteln. Über die Auswerteeinheit kann so beispielsweise eine Information über die detektierte Strahlungsintensität gewonnen werden. In a preferred embodiment, the radiation detector has an evaluation unit which is designed to determine information about the number of photons detected by the radiation detector from the detector output signal. For example, information about the detected radiation intensity can be obtained via the evaluation unit.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist ein Zellensignal, das bei Photoneneinfall in einzelnen Halbleiterdetektorzellen erzeugt wird eine Pulsform mit einer anfänglichen Signalspitze und einer danach gegenüber der Signalspitze langsam abfallenden Flanke auf. Die langsam abfallende Flanke hat, verglichen mit der Signalspitze vorzugsweise einen flachen zeitlichen Verlauf. Bei der Pulsform handelt es sich vorzugsweise um den zeitlichen Verlauf eines Pulses, beispielsweise eines Spannungspulses. In a preferred embodiment, a cell signal which is generated in the case of photon incidence in individual semiconductor detector cells has a pulse shape with an initial signal peak and an edge which then drops slowly with respect to the signal peak. The slowly falling edge preferably has a flat time profile as compared to the signal tip. The pulse shape is preferably the time profile of a pulse, for example a voltage pulse.

In einer bevorzugten Ausgestaltung bestimmt die Signalspitze eine Halbwertsbreite des jeweiligen Zellensignals einer einzelnen Halbleiterdetektorzelle. Die langsam abfallende Flanke verläuft vorzugsweise unterhalb der Halbwertsbreite der Pulsform. In a preferred embodiment, the signal peak determines a half-width of the respective cell signal of a single semiconductor detector cell. The slowly falling edge preferably runs below the half width of the pulse shape.

Das Detektorausgangssignal weist vorzugsweise ebenfalls eine Signalspitze und/oder eine abfallende Flanke auf. Der schnelle Signalanstieg der Signalspitze des jeweiligen Zellensignals und/oder des Detektorausgangssignals kann durch intrinsische Eigenschaften der jeweiligen Halbleiterdetektorzelle(n) bestimmt werden. Die langsam abfallenden Flanke des Detektorausgangssignals kann durch parasitären RC-Glieder (Komponenten des ohmschen Widerstands sowie einer elektrische Kapazität in den Leiterstrukturen, die mit den Elektrodenbereichen verbunden sind) der Vielzahl von Halbleiterdetektorzellen und durch die Signalleitung zu einem Signalausgang des Strahlungsdetektors verursacht werden. Mit wachsender Anzahl von Halbleiterdetektorzellen kann die Höhe oder Amplitude der Signalspitze kleiner werden und die langsam abfallende Flanke, beziehungsweise eine charakteristische Länge von dieser, länger werden. Außerdem kann die Pulsform mit wachsender Anzahl von Halbleiterdetektorzellen immer stärker von der Position der jeweiligen Halbleiterdetektorzelle in einem Feld oder „array“ (englisch für „Feld“ oder „Anordnung“) des Strahlungsdetektors abhängen, da sich die parasitären RC-Glieder für die Halbleiterdetektorzellen abhängig von der Position innerhalb des Strahlungsdetektors immer stärker voneinander unterscheiden. Ein großer Unterschied in der Pulsform kann sich zwischen Signalen zeigen, die in Halbleiterdetektorzellen erzeugt werden, von denen eine am Rand des Feldes der Halbleiterdetektorzellen und eine im Zentrum des Feldes angeordnet ist. Neben den unterschiedlichen Pulsformen können auch die Laufzeiten der Zellensignale für unterschiedliche Positionen der Halbleiterdetektorzellen aufgrund der unterschiedlichen Zuleitungs- oder Leiterlängen voneinander verschieden sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Halbwertsbreite des Antennenausgangssignals zwischen dem 0.5-fachen und dem 0.01-fachen der Halbwertsbreite des jeweiligen Zellensignals. Ein jeweiliges Zellensignal wird vorzugsweise an einem Ausgang oder Signalausgang des Strahlungsdetektors abgegriffen oder erfasst. The detector output signal preferably also has a signal peak and / or a falling edge. The rapid signal rise of the signal peak of the respective cell signal and / or the detector output signal can be determined by intrinsic properties of the respective semiconductor detector cell (s). The slowly falling edge of the detector output signal may be caused by parasitic RC elements (ohmic resistor components and an electrical capacitance in the conductor patterns connected to the electrode regions) of the plurality of semiconductor detector cells and by the signal line to a signal output of the radiation detector. As the number of semiconductor detector cells increases, the height or amplitude of the signal peak can become smaller and the slowly falling edge, or a characteristic length thereof, become longer. In addition, as the number of semiconductor detector cells increases, the pulse shape may increasingly depend on the position of the respective semiconductor detector cell in a field or "array" of the radiation detector, since the parasitic RC elements will depend on the semiconductor detector cells from the position within the radiation detector increasingly different from each other. A large difference in pulse shape can be seen between signals generated in semiconductor detector cells, one of which is located at the edge of the array of semiconductor detector cells and one at the center of the field. In addition to the different pulse shapes, the propagation times of the cell signals for different positions of the semiconductor detector cells may be different due to the different lead or conductor lengths. In a preferred embodiment, the half-width of the antenna output signal is between 0.5 times and 0.01 times the half-width of the respective cell signal. A respective cell signal is preferably tapped or detected at an output or signal output of the radiation detector.

Vorzugsweise kann durch die Auslesung des Strahlungsdetektors über die Antennenstruktur die langsam abfallende Flanke, welche bei einer Auslesung des Strahlungsdetektors über das Detektorausgangssignal intrinsisch vorhanden ist, „ausgeblendet“ werden. Auf diese Weise kann der Strahlungsdetektor schneller ausgelesen werden, da effektiv nur ein Signal, welches bei der konventionellen Auslesung der Signalspitze entspricht oder ein Teil davon, von der Antennenstruktur emfangen wird. Eine Pulsform des Antennenausgangssignal ist somit vorzugsweise für alle Halbleiterdetektorzellen gleich und insbesondere unabhängig von deren Position. Weiterhin können Unterschiede in Signallaufzeiten von verschiedenen Antennenausgangssignalen durch die elektrischen, beispielsweise metallischen, Eigenschaften der ersten und der zweiten Elektrode mit Vorteil stark reduziert werden. Die Signalverarbeitung und die Messgenauigkeit können so verbessert werden. Preferably, by reading the radiation detector via the antenna structure, the slowly falling edge, which is intrinsically present when the radiation detector is read out via the detector output signal, can be "blanked out". In this way, the radiation detector can be read out more quickly, since effectively only one signal, which corresponds to the conventional readout of the signal peak or a part thereof, will be picked up by the antenna structure. A pulse shape of the antenna output signal is thus preferably the same for all semiconductor detector cells and in particular independent of their position. Furthermore, differences in signal propagation times of different antenna output signals due to the electrical, for example metallic, properties of the first and the second electrode can advantageously be greatly reduced. Signal processing and measurement accuracy can be improved.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Antennenstruktur in einen Träger, beispielsweise eine Leiterplatte, auf der ein Halbleiterkörper des Strahlungsdetektor angeordnet ist, integriert. Durch diese Ausgestaltung kann der Strahlungsdetektor mit Vorteil kostengünstig, platzsparend und/oder einfach ausgebildet und/oder hergestellt werden. Weiterhin kann durch die Ausgestaltung die Antennenstruktur besonders einfach über die bestehende Technologie von Leiterplatten oder gedruckten Schaltungen hergestellt werden. In a preferred embodiment, the antenna structure is integrated in a carrier, for example a printed circuit board, on which a semiconductor body of the radiation detector is arranged. As a result of this embodiment, the radiation detector can advantageously be designed, constructed and / or manufactured in a cost-effective, space-saving and / or simple manner. Furthermore, the antenna structure can be produced particularly easily via the existing technology of printed circuit boards or printed circuits by the embodiment.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Strahlungsdetektor eine Auslese- oder Erfassungseinheit auf, die derart ausgebildet ist, dass das Antennenausgangssignal das Erfassen des Detektorausgangssignals in der Erfassungseinheit auslöst. Durch diese Ausgestaltung kann eine Information des Detektorausgangssignals beispielsweise auf ein Antennenausgangssignal oder auf einen dieses verursachenden Photoneneinfall bezogen und/oder damit korreliert werden. In a preferred embodiment, the radiation detector has a readout or detection unit, which is designed such that the antenna output signal triggers the detection of the detector output signal in the detection unit. By means of this embodiment, an information of the detector output signal can be referred to and / or correlated, for example, with an antenna output signal or with a photon incidence causing it.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Leiterplatte eine Leiterstruktur auf, die über Bonddrähte mit Elektroden der Halbleiterdetektorzellen elektrisch leitfähig verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung kann besonders einfach eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterdetektorzellen mit der Leiterstruktur ermöglicht werden. In a preferred embodiment, the circuit board has a conductor structure, which are electrically conductively connected via bonding wires to electrodes of the semiconductor detector cells. As a result of this embodiment, electrical contacting of the semiconductor detector cells with the conductor structure can be made particularly easy.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Strahlungsdetektor an einer Oberfläche eine transparente Schutzschicht, beispielsweise ein Epoxid umfassend, auf. Durch diese Ausgestaltung kann der Strahlungsdetektor mit Vorteil gegenüber äußeren, beispielsweise schädigenden mechanischen Einflüssen, geschützt werden. In a preferred embodiment, the radiation detector has on a surface a transparent protective layer, for example comprising an epoxide. With this configuration, the radiation detector can be protected with advantage against external, for example damaging, mechanical influences.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Strahlungsdetektor an einer Oberfläche, beispielsweise einer Strahlungseintrittsfläche, eine Schutzschicht, beispielsweise ein Epoxid umfassend, auf. Die Schutzschicht ist zweckmäßigerweise transparent. In a preferred embodiment, the radiation detector has a protective layer, for example an epoxy, on a surface, for example a radiation entrance surface. The protective layer is expediently transparent.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein medizinisches Gerät, insbesondere ein Diagnosegerät, angegeben. Das Gerät kann ein Tomograph sein, der zur Durchführung einer Positronen-Emissions-Tomographie eingerichtet ist. In dem Gerät wird zweckmäßigerweise der oben und im Folgenden näher beschriebene Strahlungsdetektor eingesetzt. In accordance with at least one embodiment, a medical device, in particular a diagnostic device, is specified. The device may be a tomograph configured to perform positron emission tomography. In the device is conveniently the top and in the The following radiation detector described in more detail used.

Es wird weiterhin eine Verwendung des Strahlungsdetektors zur Strahlungsdetektion in einem medizinischen Gerät, beispielsweise einem Gerät zur Positronen-Emissions-Tomographie angegeben. Furthermore, a use of the radiation detector for radiation detection in a medical device, for example a device for positron emission tomography, is specified.

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren. Further advantages, advantageous embodiments and advantages of the invention will become apparent from the following description of the embodiments in conjunction with the figures.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Strahlungsdetektors gemäß einer ersten Ausführungsform. 1 shows a schematic sectional view of a radiation detector according to a first embodiment.

2A zeigt eine schematische Aufsicht einer Antennenstruktur des Strahlungsdetektors aus 1. 2A shows a schematic plan view of an antenna structure of the radiation detector 1 ,

2B zeigt einen schematischen Querschnitt der Antennenstruktur aus 2A. 2 B shows a schematic cross section of the antenna structure 2A ,

3 zeigt eine Strom-Spannungskennlinie des Strahlungsdetektors. 3 shows a current-voltage characteristic of the radiation detector.

4 zeigt schematisch ein Schaltbild des Strahlungsdetektors mit einer Mehrzahl von Halbleiterdetektorzellen. 4 schematically shows a circuit diagram of the radiation detector with a plurality of semiconductor detector cells.

5 zeigt eine Pulsform eines Zellensignals einer einzelnen Halbleiterdetektorzelle. 5 shows a pulse shape of a cell signal of a single semiconductor detector cell.

6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Strahlungsdetektors gemäß einer weiteren Ausführungsform. 6 shows a schematic sectional view of a radiation detector according to another embodiment.

Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein. The same, similar and equally acting elements are provided in the figures with the same reference numerals. The figures and the proportions of the elements shown in the figures with each other are not to be considered to scale. Rather, individual elements may be exaggerated in size for better representability and / or better understanding.

1 zeigt eine Schnittansicht durch eine exemplarische Halbleiterdetektorzelle 6 eines Strahlungsdetektors 100. Der Strahlungsdetektor kann, obwohl dies nicht explizit in den Figuren dargestellt ist, eine Vielzahl von Halbleiterdetektorzellen, beispielsweise 5625, Halbleiterdetektorzellen aufweisen. In einem Halbleiterkörper 21, der bevorzugt auf Silizium basiert, ist ein erster Detektorelektrodenbereich 5 und ein zweiter Detektorelektrodenbereich 7 ausgebildet. Der zweite Detektorelektrodenbereich 7 kann ein gemeinsamer Detektorelektrodenbereich der Mehrzahl oder Vielzahl von Halbleiterdetektorzellen sein. Die beiden Detektorelektrodenbereiche 5 und 7 sind bevorzugt für unterschiedliche Leitungstypen dotiert. Eine aktive Zone 11 ist zwischen diesen Detektorelektrodenbereichen angeordnet. Beispielsweise ist der zweite Detektorelektrodenbereich 7 n-leitend und der erste Detektorelektrodenbereich 5 p-leitend dotiert, oder umgekehrt. 1 shows a sectional view through an exemplary semiconductor detector cell 6 a radiation detector 100 , Although not explicitly illustrated in the figures, the radiation detector may include a plurality of semiconductor detector cells, for example 5625, semiconductor detector cells. In a semiconductor body 21 , which is preferably based on silicon, is a first detector electrode region 5 and a second detector electrode area 7 educated. The second detector electrode area 7 may be a common detector electrode region of the plurality or plurality of semiconductor detector cells. The two detector electrode areas 5 and 7 are preferably doped for different conductivity types. An active zone 11 is disposed between these detector electrode regions. For example, the second detector electrode area 7 n-type and the first detector electrode area 5 p-type doped, or vice versa.

Die Halbleiterdetektorzelle 6 weist weiterhin eine Antennenstruktur 2 mit einer Planarantenne 26 und einem Masseanschluss 1 auf. Die Planarantenne 26 und der Masseanschluss 1 können durch eine Elektrode, beispielsweise durch eine metallische Elektrode, gebildet sein. Der Masseanschluss 1 ist an einer Unter- oder Rückseite des Halbleiterkörpers 21 beziehugsweise der Halbleiterdetektorzelle 6 angeordnet. Die Planarantenne 26 ist weiterhin zweckmäßigerweise elektrisch leitfähig von dem Masseanschluss 1 getrennt. Die Halbleiterdetektorzelle weist weiterhin ein Substrat 4 auf oder ist aus diesem gebildet. Das Substrat 4 fungiert als Dielektrikum zwischen dem Masseanschluss 1 und der Planarantenne 26. Das Substrat 4 umfasst vorzugsweise Siliziumdioxid oder besteht daraus. The semiconductor detector cell 6 also has an antenna structure 2 with a planar antenna 26 and a ground connection 1 on. The planar antenna 26 and the ground connection 1 may be formed by an electrode, for example by a metallic electrode. The ground connection 1 is at a lower or rear side of the semiconductor body 21 relative to the semiconductor detector cell 6 arranged. The planar antenna 26 is also suitably electrically conductive from the ground terminal 1 separated. The semiconductor detector cell further comprises a substrate 4 on or is formed from this. The substrate 4 acts as a dielectric between the ground terminal 1 and the planar antenna 26 , The substrate 4 preferably comprises or consists of silicon dioxide.

Der zweite Detektorelektrodenbereich 7 kann durch Implantation eines Dotierstoffs in den Halbleiterkörper 21 ausgebildet sein. Der erste Detektorelektrodenbereich 5 kann durch Diffusion eines Dotierstoffs in den Halbleiterkörper 21 ausgebildet sein. Der zweite Detektorelektrodenbereich 7 ist weiterhin ein vergrabener Bereich, der weiter von einer Strahlungseintrittsfläche 25 der Halbleiterdetektorzelle 6 beziehungsweise einer Oberseite des Halbleiterkörpers 21 entfernt ist als der erste Detektorelektrodenbereich 5. The second detector electrode area 7 can by implantation of a dopant in the semiconductor body 21 be educated. The first detector electrode area 5 can by diffusion of a dopant in the semiconductor body 21 be educated. The second detector electrode area 7 is still a buried area further from a radiation entrance area 25 the semiconductor detector cell 6 or an upper side of the semiconductor body 21 is removed as the first detector electrode area 5 ,

An der Strahlungseintrittsfläche 25 der Halbleiterdetektorzelle 6, die einen Teil der Oberseite des Halbleiterkörpers 21 bildet, befindet sich der erste Detektorelektrodenbereich 5. Zwischen dem ersten Detektorelektrodenbereich 5 und dem zweiten Detektorelektrodenbereich 7 ist die aktive Zone 11 gebildet. At the radiation entrance surface 25 the semiconductor detector cell 6 that forms part of the top of the semiconductor body 21 forms, is the first detector electrode area 5 , Between the first detector electrode area 5 and the second detector electrode area 7 is the active zone 11 educated.

Obwohl dies nicht explizit dargestellt ist, kann der zweite Detektorelektrodenbereich in einem Zentralbereich näher an der Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterkörpers angeordnet sein, als in Randbereichen des zweiten Detektorelektrodenbereichs. In einem Übergangsbereich zwischen dem Zentralbereich und den Randbereichen kann sich zweite Detektorelektrodenbereich von der Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterkörpers 2 weg erstrecken. Although not explicitly illustrated, the second detector electrode region may be disposed in a central region closer to the radiation entrance surface of the semiconductor body than in peripheral regions of the second detector electrode region. In a transition region between the central region and the edge regions, the second detector electrode region may be from the radiation entrance surface of the semiconductor body 2 extend away.

Der zweite Detektorelektrodenbereich 7 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel n-dotiert und weist eine vergleichsweise geringe Dotierstoffkonzentration, zum Beispiel in der Größenordnung von 10¹⁸ pro cm³ auf. Der zweite Detektorelektrodenbereich 7 kann insbesondere eine Dotierstoffkonzentration von 1·10¹⁸ pro cm³ oder weniger aufweisen, zum Beispiel 5·10¹⁷ oder weniger. Zwischen dem zweiten Detektorelektrodenbereich 7 und der Strahlungseintrittsfläche 25 liegt ein, vorzugsweise schwach dotierter, n-dotierter Bereich (nicht explizit dargestellt vor. In dem n-dotierten Bereich ist eine Dotierstoffkonzentration, zum Beispiel mit 10¹⁵ bis 10¹⁶ pro cm³, bevorzugt deutlich, geringer als in dem zweiten Detektorelektrodenbereich 7. Der erste Detektorelektrodenbereich 5 ist p-dotiert und weist bevorzugt eine Dotierstoffkonzentration in der Größenordnung von 10¹⁹ pro cm³ oder mehr, zum Beispiel bis 10²⁰ pro cm³ auf. Die p-Dotierungen und n-Dotierungen können auch jeweils umgekehrt vorliegen. The second detector electrode area 7 According to one embodiment, it is n-doped and has a comparatively low dopant concentration, for example of the order of 10 ¹⁸ per cm ³ . The second detector electrode area 7 can in particular a Have dopant concentration of 1 × 10 ¹⁸ per cm ³ or less, for example, 5 × 10 ¹⁷ or less. Between the second detector electrode area 7 and the radiation entrance surface 25 is an, preferably weakly doped, n-doped region (not explicitly shown) In the n-doped region is a dopant concentration, for example, at 10 ¹⁵ to 10 ¹⁶ per cm ³ , preferably significantly, lower than in the second detector electrode region 7 , The first detector electrode area 5 is p-doped and preferably has a dopant concentration in the order of 10 ¹⁹ per cm ³ or more, for example up to 10 ²⁰ per cm ³ . The p-type dopants and n-type dopants may also be reversed in each case.

Ein Löschwiderstand 9 (oft auch Quenchwiderstand genannt) 9 kann mit dem ersten Detektorelektrodenbereich 5, insbesondere unmittelbar oder über eine gesonderte Zuleitung 10, elektrisch leitend verbunden sein. Der Löschwiderstand 9 kann beispielsweise an einer Oberseite (nicht explizit dargestellt) des Strahlungsdetektors vorgesehen sein. Der Löschwiderstand 9 ist zum Beispiel mit Polysilizium gestaltet und beträgt beispielsweise mehrere 100 kΩ. Der Löschwiderstand 9 ist bevorzugt in eine Deckschicht 31, beispielsweise aus Siliziumdioxid, eingebettet. Die Deckschicht 31 kann, mit Ausnahme der Strahlungseintrittsfläche 25, die gesamte Oberseite des Halbleiterkörpers 21 bedecken. Eine Dicke der Deckschicht 16, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Oberseite, liegt insbesondere im Bereich zwischen einschließlich 100 nm und 400 nm. An erosion resistance 9 (often called quench resistance) 9 can with the first detector electrode area 5 , in particular directly or via a separate supply line 10 be electrically connected. The erosion resistance 9 may for example be provided on an upper side (not explicitly shown) of the radiation detector. The erosion resistance 9 is designed for example with polysilicon and is for example several 100 kΩ. The erosion resistance 9 is preferably in a cover layer 31 , For example, of silicon dioxide, embedded. The cover layer 31 can, with the exception of the radiation entrance surface 25 , the entire top of the semiconductor body 21 cover. A thickness of the cover layer 16 , in particular in a direction perpendicular to the top, lies in particular in the range between 100 nm and 400 nm inclusive.

Optional kann an der Strahlungseintrittsfläche 25 eine Antireflexionsschicht 8, zum Beispiel aus Siliziumnitrid, aufgebracht sein. Eine Dicke der Antireflexionsschicht 8 beträgt zum Beispiel zirka 40 nm. Bevorzugt dient die Antireflexionsschicht 8 als Ätzstoppschicht beim Strukturieren weiterer Passivierungsschichten. Optionally, at the radiation entrance surface 25 an antireflection coating 8th , For example, of silicon nitride, be applied. A thickness of the antireflection layer 8th is for example about 40 nm. Preferably, the antireflection layer is used 8th as etch stop layer in structuring further passivation layers.

Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsform kann der Strahlungsdetektor derart ausgeführt sein, dass die Antennenstruktur und einer der Detektorelektrodenbereiche im Betrieb des Strahlungsdetektors auf ein gemeinsamen elektrischen Potential liegen, so dass die Halbleiterdetektorzelle und die Antennenstruktur beispielsweise einen gemeinsamen Masseanschluss haben. Unlike the in 1 In the embodiment shown, the radiation detector may be designed such that the antenna structure and one of the detector electrode regions are at a common electrical potential during operation of the radiation detector, so that the semiconductor detector cell and the antenna structure have, for example, a common ground connection.

2A zeigt eine schematische, detaillierte Aufsicht auf die Antennenstruktur 2. Die Planarantenne 26 umfasst weiterhin einen Mikrostreifenleiter 12. Die Planarantenne 26 umfasst weiterhin einen Kopplungsbereich 27. Der Kopplungsbereich 27 ist rechteckig mit einer Länge L und einer Breite W ausgeführt. Die Länge L und/oder die Breite W kann zwischen 40 µm und 60 µm betragen. Bei dem Mikrostreifenleiter 9 handelt es sich vorzugsweise um einen elektrischen Wellenleiter, der ein dünnes leitfähiges Material umfasst oder daraus besteht. 2A shows a schematic, detailed plan view of the antenna structure 2 , The planar antenna 26 further comprises a microstrip conductor 12 , The planar antenna 26 further comprises a coupling area 27 , The coupling area 27 is rectangular with a length L and a width W executed. The length L and / or the width W can be between 40 μm and 60 μm. In the microstrip conductor 9 it is preferably an electrical waveguide comprising or consisting of a thin conductive material.

Der Mikrostreifenleiter 9 ist weiterhin rechteckig ausgeführt und elektrisch leitfähig mit der Planarantenne 26 verbunden. The microstrip conductor 9 is still rectangular and electrically conductive with the planar antenna 26 connected.

2B zeigt einen schematischen Schnitt durch die Antennenstruktur 2 gemäß der in 2A gezeigten Ausführungsform. Die Substratdicke ist mit H gekennzeichnet. Die Frequenz in Betrieb der Planarantenne wird durch die Länge L bestimmt. Die Mittenfrequenz F der Planarantenne ist näherungsweise durch die folgende Formel gegeben: F ≈ 1/(2L(ε₀ε_rµ₀)^0.5) 2 B shows a schematic section through the antenna structure 2 according to the in 2A shown embodiment. The substrate thickness is marked H. The frequency in operation of the planar antenna is determined by the length L. The center frequency F of the planar antenna is approximately given by the following formula: F ≈ 1 / (2L (ε ₀ ∈ _r μ ₀ ) ^0.5 )

Alternativ kann die Antennenstruktur mehrere Planarantennen und/oder Mikrostreifenleiter aufweisen. Alternatively, the antenna structure may comprise a plurality of planar antennas and / or microstrip conductors.

Die Antennenstruktur ist vorzugsweise relativ zu der oder den Halbleiterdetektorzellen derart angeordnet und ausgebildet, dass von den mittels Lawinenmultiplikation erzeugten freien Ladungsträgern erzeugte Lawinenstrahlung über ein Antennenausgangssignal der Antennenstruktur durch elektromagnetische Kopplung erfasst und ausgelesen werden kann. Die Antennenstruktur ist weiterhin zum Empfang von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenzbandbreite zwischen 0,1 GHz und 5 GHz ausgebildet. The antenna structure is preferably arranged and configured relative to the semiconductor detector cell (s) in such a way that avalanche radiation generated by the free charge carriers generated by avalanche multiplication can be detected and read out via an antenna output signal of the antenna structure by electromagnetic coupling. The antenna structure is further designed to receive electromagnetic radiation having a frequency bandwidth between 0.1 GHz and 5 GHz.

Der Strahlungsdetektor kann eine Signalleitung (nicht explizit dargestellt) zu einem externen Anschluss (nicht explizit dargestellt) des Strahlungsdetektors aufweisen, wobei die Signalleitung mit mehreren Detektorelektrodenbereichen (nicht explizit dargestellt) verschiedener Halbleiterdetektorzellen elektrisch leitend verbunden ist. The radiation detector may comprise a signal line (not explicitly shown) to an external terminal (not explicitly shown) of the radiation detector, the signal line being electrically conductively connected to a plurality of detector electrode areas (not explicitly shown) of different semiconductor detector cells.

Über das Antennenausgangssignal kann vorzugsweise der Zeitpunkt des Einfalls eines von dem Strahlungsdetektor 100 zu detektierenden und die Lawinenstrahlung erzeugenden Photons schneller erfasst werden als über ein Detektorausgangssignal (nicht explizit dargestellt). Preferably, the timing of the incidence of one of the radiation detectors can be determined via the antenna output signal 100 to be detected and the avalanche radiation generating photons are detected faster than via a detector output signal (not explicitly shown).

Eine Halbwertsbreite des Antennenausgangssignals ist vorzugsweise kleiner als eine Halbwertsbreite der Streuung von Transferzeiten von in verschiedenen Halbleiterdetektorzellen 6 erzeugten Zellensignalen zu einem externen Anschluss (nicht explizit dargestellt) des Strahlungsdetektors. A half width of the antenna output signal is preferably smaller than a half width of the dispersion of transfer times of different semiconductor detector cells 6 generated cell signals to an external terminal (not explicitly shown) of the radiation detector.

Ein ohmscher Widerstand, beispielsweise der des zweiten Detektorelektrodenbereichs, kann dem jeweiligen Zellensignal ein pulsformendes Produkt aus Widerstand der Verbindungsstrecke der Signalleitung zum externen Anschluss (nicht explizit dargestellt) und parasitären Kapazitäten hinzufügen. Der Widerstand, den das Zellensignal auf dem Weg zum externen Anschluss erfährt, kann weiterhin signifikant von der Länge des Ladungsträgerpfads innerhalb des zweiten Detektorelektrodenbereichs abhängen. Damit hängt das Produkt aus Widerstand zum externen Anschluss und Kapazität von der Position der jeweiligen Halbleiterdetektorzelle innerhalb des Strahlungsdetektors ab. Dies führt dazu, dass die Signal- oder Pulsform des Detektorausgangssignals und die Transferzeit in Abhängigkeit von der Position einer jeweiligen Halbleiterdetektorzelle im Strahlungsdetektor stark schwanken. An ohmic resistance, for example, that of the second detector electrode region, the respective cell signal, a pulse-forming product of resistance of the connecting path of the signal line to the external terminal (not explicitly shown) and parasitic capacitances. The resistance that the cell signal experiences on the way to the external terminal may still depend significantly on the length of the carrier path within the second detector electrode area. Thus, the product of resistance to the external terminal and capacitance depends on the position of the respective semiconductor detector cell within the radiation detector. As a result, the signal or pulse shape of the detector output signal and the transfer time vary widely depending on the position of each semiconductor detector cell in the radiation detector.

Eine Differenz der Transferzeiten der Zellensignale von einer Halbleiterdetektorzelle in der Mitte des Strahlungsdetektors zum externen Anschluss und der Transferzeit zum externen Anschluss von einer Halbleiterdetektorzelle am Rand des Strahlungsdetektors kann 2 ns betragen, insbesondere, wenn die von den Halbleiterdetektorzellen definierte Fläche entsprechend groß ist, zum Beispiel größer als 7 mm², zum Beispiel 9 mm², und/oder die Anzahl an Halbleiterdetektorzellen entsprechend groß ist, zum Beispiel mehr als 3000, wie etwa 5625. Die Halbwertsbreite der Verteilung der Transferzeiten von den verschiedenen Halbleiterdetektorzellen zum externen Anschluss kann deutlich mehr als 500 ps betragen. A difference in the transfer times of the cell signals from a semiconductor detector cell in the center of the radiation detector to the external terminal and the transfer time to the external terminal of a semiconductor detector cell at the edge of the radiation detector may be 2 ns, in particular if the area defined by the semiconductor detector cells is correspondingly large, for example greater than 7 mm ² , for example 9 mm ² , and / or the number of semiconductor detector cells is correspondingly large, for example more than 3000, such as 5625. The half-width of the distribution of the transfer times from the different semiconductor detector cells to the external terminal can be significantly more than 500 ps.

Durch die Vorsehung der Antennenstruktur 2 kann der Strahlungsdetektor 100 über das Antennenausgangssignal vorzugsweise um ein Vielfaches schneller und unabhängig von der Verteilung der Transferzeiten ausgelesen werden, als dies über eine Auslesung mittels elektrischer Leiterstrukturen möglich wäre. By the providence of the antenna structure 2 can the radiation detector 100 preferably be read a lot faster and independently of the distribution of the transfer times over the antenna output signal, as would be possible via a readout by means of electrical conductor structures.

3 zeigt eine Stromspannungskennlinie eines Ausführungsbeispiels des Strahlungsdetektors 100. In dem Diagramm in 2 ist die Stromdichte des Strahlungsdetektors als Funktion der elektrischen Vorspannung dargestellt. Für Vorspannungen, die betragsmäßig oberhalb eine Durchbruchpunktes 13 liegen, arbeitet der Strahlungsdetektor im sogenannten Geiger-Modus. Ein Arbeitspunkt der Vorspannung ist mit 14 bezeichnet. 3 shows a current-voltage characteristic of an embodiment of the radiation detector 100 , In the diagram in 2 the current density of the radiation detector is shown as a function of the electrical bias. For bias voltages, the amount above a breakthrough point 13 lie, the radiation detector works in the so-called Geiger mode. An operating point of the bias voltage is with 14 designated.

4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Strahlungsdetektors 100 mit einer Mehrzahl von Halbleiterdetektorzellen. Jede Halbleiterdetektorzelle ist durch eine Detektordiode 15 angedeutet. Weiterhin umfasst jede Halbleiterdetektorzelle einen Widerstand 16. Jede Detektordiode 15 ist zwischen zwei Detektorelektroden (nicht explizit gekennzeichnet) mit dem Widerstand 16, beispielsweise einem Löschwiderstand, in Reihe geschaltet. 4 shows a schematic diagram of a radiation detector 100 with a plurality of semiconductor detector cells. Each semiconductor detector cell is through a detector diode 15 indicated. Furthermore, each semiconductor detector cell comprises a resistor 16 , Each detector diode 15 is between two detector electrodes (not explicitly marked) with the resistor 16 , For example, a Löschwiderstand, connected in series.

5 zeigt exemplarisch eine Pulsform 29 eines Zellensignals einer Halbleiterdetektorzelle des Strahlungsdetektors. Bei der Pulsform handelt es sich vorzugsweise um den zeitlichen Verlauf eines Pulses, beispielsweise eines Spannungspulses. Die Pulsform 29 weist eine Signalspitze 17 auf. Die Signalspitze 17 weist weiterhin einen steil abfallenden Verlauf auf. Die Pulsform 29 weist weiterhin eine langsam abfallende Flanke 18 auf. Die abfallende Flanke 18 verläuft unterhalb einer Halbwertsbreite der Pulsform 29, so dass die genannte Halbwertsbreite durch die Signalspitze 17 bestimmt wird. In 5 erstreckt sich die Signalspitze über näherungsweise 4,7 Nanosekunden. 5 shows an example of a pulse shape 29 a cell signal of a semiconductor detector cell of the radiation detector. The pulse shape is preferably the time profile of a pulse, for example a voltage pulse. The pulse shape 29 has a signal tip 17 on. The signal tip 17 continues to show a steep slope. The pulse shape 29 also has a slowly falling edge 18 on. The falling edge 18 runs below a half width of the pulse shape 29 , so that the said half width through the signal peak 17 is determined. In 5 the signal spike extends for approximately 4.7 nanoseconds.

6 zeigt eine schematische Schnittansicht des Strahlungsdetektors 100 einer alternativen Ausgestaltung. Der Strahlungsdetektor 100 umfasst einen Halbleiterkörper 21 mit einem, vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Halbleiterdetektorzellen (vgl. 1). Der Strahlungsdetektor 100 umfasst eine Leiterplatte 22. Der Strahlungsdetektor 100 umfasst weiterhin eine Leiterbahn 23. Die Leiterbahn 23 verläuft zumindest teilweise innerhalb der Leiterplatte 22 und/oder ist als gedruckte Schaltung darin integriert. Der Strahlungsdetektor 100 umfasst weiterhin einen Bonddraht 19. Über den Bonddraht 19 ist die Leiterbahn 23 mit einer Oberseite 30 des Halbleiterkörpers 21 elektrisch leitfähig verbunden. Der Strahlungsdetektor 100 umfasst weiterhin eine Schutzschicht 20. Die Schutzschicht 20 weist eine Dicke D auf. Vorzugsweise beträgt die Dicke D weniger als 250 µm. Ohne, dass dies in 6 explizit gezeigt ist, weist der Strahlungsdetektor 100 vorzugsweise eine Antennenstruktur auf, die vergleichbar ist mit der in 1 und 2 dargestellten Antennenstruktur. Im Unterschied ist das Dielektrikum der Antennenstruktur lediglich nicht durch ein Halbleitersubstrat gebildet, sondern durch ein separates, beispieslweise durch die Leiterplatte gebildetes Dielektrikum. 6 shows a schematic sectional view of the radiation detector 100 an alternative embodiment. The radiation detector 100 comprises a semiconductor body 21 with one, preferably with a plurality of semiconductor detector cells (cf. 1 ). The radiation detector 100 includes a printed circuit board 22 , The radiation detector 100 further comprises a conductor track 23 , The conductor track 23 runs at least partially within the circuit board 22 and / or is integrated as a printed circuit therein. The radiation detector 100 further comprises a bonding wire 19 , Over the bonding wire 19 is the conductor track 23 with a top 30 of the semiconductor body 21 connected electrically conductive. The radiation detector 100 further comprises a protective layer 20 , The protective layer 20 has a thickness D. Preferably, the thickness D is less than 250 microns. Without that in 6 is explicitly shown, the radiation detector 100 Preferably, an antenna structure comparable to that in FIG 1 and 2 illustrated antenna structure. In contrast, the dielectric of the antenna structure is formed not only by a semiconductor substrate, but by a separate, for example, by the printed circuit board formed dielectric.

Der Strahlungsdetektor 100 wird zweckmäßigerweise im Geiger-Modus betrieben. Dies bedeutet, dass an die Detektorelektrodenbereiche 5 und 7 eine Spannung angelegt wird, die größer ist als die Durchbruchsspannung. Durchbruchspannung kann hierbei bedeuten, dass an dem ersten Detektorelektrodenbereich und an dem zweiten Detektorelektrodenbereich eine Spannung in Sperrrichtung anliegt. Die Durchbruchspannung entspricht der Spannung, bei der ohne eine äußere Störung, etwa durch Absorption eines Photons, gerade noch kein signifikanter Stromfluss vom ersten Elektrodenbereich zum zweiten Elektrodenbereich, oder umgekehrt, erfolgt. Beispielsweise liegt die Durchbruchspannung zwischen einschließlich 20 V und 100 V, insbesondere zwischen einschließlich 30 V und 40 V. The radiation detector 100 is suitably operated in Geiger mode. This means that to the detector electrode areas 5 and 7 a voltage is applied which is greater than the breakdown voltage. Breakthrough voltage may mean that a voltage in the reverse direction is applied to the first detector electrode region and to the second detector electrode region. The breakdown voltage corresponds to the voltage at which no significant current flow from the first electrode region to the second electrode region, or vice versa, takes place without an external disturbance, for example due to the absorption of a photon. For example, the breakdown voltage is between 20 V and 100 V inclusive, in particular between 30 V and 40 V inclusive.

Im Betrieb des Strahlungsdetektors 100 liegt in Sperrrichtung eine Spannung, beispielsweise von zirka 38 V, zwischen dem ersten Elektrodenbereich 3 und dem zweiten Elektrodenbereich 5 an. Die angelegte Spannung liegt bevorzugt 5 % bis 30 %, zum Beispiel 10 % bis 20 %, über der Durchbruchspannung. Im Falle eines n-dotierten zweiten Detektorelektrodenbereichs 7 und eines p-dotierten ersten Detektorelektrodenbereich 5 liegt an dem ersten Detektorelektrodenbereich 5 bevorzugt eine negative Spannung an und der zweite Detektorelektrodenbereich 7 ist bevorzugt geerdet oder auf Massepotential. In operation of the radiation detector 100 is in the reverse direction a voltage, for example of about 38 V, between the first electrode region 3 and the second electrode region 5 at. The applied voltage is preferably 5% to 30%, for example 10% to 20%, above the breakdown voltage. In the case of an n-doped second detector electrode region 7 and a p-doped first detector electrode region 5 is located at the first detector electrode area 5 prefers a negative voltage and the second detector electrode area 7 is preferably grounded or at ground potential.

In der aktiven Zone 11 absorbierte Photonen generieren Ladungsträger – in der Regel generiert ein absorbiertes Photon ein Elektron-Loch-Paar. Diese Primärladungsträger erzeugen im Halbleiterkörper Sekundärladungsträger mittels Lawinenmultiplikation (Avalanche-Effekt). Der Betrieb im Geiger-Modus führt zu einer deutlich höheren Einzelphotonenempfindlichkeit. Das erzeugte Signal ist im Geiger-Modus weitgehend unabhängig von der Strahlungsintensität der einfallenden Strahlung. Die hohen elektrischen Felder in der aktiven Zone ermöglichen die Lawinenmultiplikation. Erfolgt in einer Detektorzelle nach der Absorption eines Photons eine Lawinenmultiplikation, so sorgt der Löschwiderstand dafür, dass die Lawine gestoppt und die Zelle schnell wieder für einen nachfolgenden Detektionsvorgang vorbereitet wird. In the active zone 11 absorbed photons generate charge carriers - usually an absorbed photon generates an electron-hole pair. These primary charge carriers generate secondary carriers in the semiconductor body by means of avalanche multiplication (avalanche effect). Operation in Geiger mode results in significantly higher single photon sensitivity. The generated signal is largely independent of the radiation intensity of the incident radiation in Geiger mode. The high electric fields in the active zone allow avalanche multiplication. If an avalanche multiplication takes place in a detector cell after the absorption of a photon, the erase resistance ensures that the avalanche is stopped and the cell is quickly prepared again for a subsequent detection process.

Eine Verringerung der Streuung der Transferzeiten hat erhebliche Vorteile, zum Beispiel beim Einsatz des Strahlungsdetektors als Detektor in einem medizinischen Gerät zur Positronen-Emissions-Tomographie. In einem solchen Gerät wird Strahlung detektiert, die durch Elektron-Positron-Rekombination in einem Gewebestück, meist Tumorgewebe, entsteht. Die Positronen werden gezielt im zu untersuchenden Gewebestück eingebracht. Durch die Rekombination entstehen zwei Photonen, welche sich in einander entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. Gleichartige Strahlungsdetektoren 100 sind in dem Gerät um die Probe herum angeordnet. Um eine Fehldetektion auszuschließen, wird nur dann ein Signal als von der zu untersuchenden Probe herrührend betrachtet und in die Auswertung einbezogen, wenn zwei einander gegenüberliegende Strahlungsdetektoren innerhalb eines sogenannten Koinzidenzintervalls ein Signal erzeugen. Je kleiner dieses Koinzidenzintervall gewählt werden kann, desto größer ist die Genauigkeit der Messung. Die Transferzeitschwankungen im Strahlungsdetektor begrenzen natürlich die Möglichkeiten, wie weit das Koinzidenzintervall verringert werden kann. Mittels der vorgeschlagenen Lösung mit dem Leiterbereich kann demnach ein kleineres Koinzidenzintervall gewählt werden, da die Schwankungen der Transferzeiten in Abhängigkeit von der Position der jeweiligen Detektorzelle im Strahlungsdetektor stark verringert werden kann. A reduction in the spread of transfer times has considerable advantages, for example, when using the radiation detector as a detector in a medical device for positron emission tomography. In such a device, radiation is detected which results from electron-positron recombination in a piece of tissue, usually tumor tissue. The positrons are introduced specifically in the tissue piece to be examined. Recombination produces two photons that propagate in opposite directions. Similar radiation detectors 100 are located in the device around the sample. In order to exclude a misdetection, a signal is considered as originating only from the sample to be examined and included in the evaluation, if two opposing radiation detectors generate a signal within a so-called coincidence interval. The smaller this coincidence interval can be chosen, the greater the accuracy of the measurement. Of course, the transfer time variations in the radiation detector limit the possibilities of how far the coincidence interval can be reduced. Accordingly, a smaller coincidence interval can be selected by means of the proposed solution with the conductor region, since the fluctuations in the transfer times can be greatly reduced as a function of the position of the respective detector cell in the radiation detector.

Der Strahlungsdetektor 100 wird vorzugsweise in einem medizinischen Gerät beispielsweise in einem Gerät zur Positronen-Emissions-Tomografie verwendet. The radiation detector 100 is preferably used in a medical device, for example in a device for positron emission tomography.

Obwohl dies nicht explizit dargestellt ist umfasst der Strahlungsdetektor vorzugsweise eine Mehrzahl von Halbleiterdetektorzellen. Although not explicitly illustrated, the radiation detector preferably includes a plurality of semiconductor detector cells.

Weiterhin kann der Strahlungsdetektor eine Auswerteeinheit (nicht explizit dargestellt) aufweisen, die ausgelegt ist, aus dem Detektorausgangssignal eine Information über die Anzahl der von dem Strahlungsdetektor detektierten Photonen zu ermitteln. Über die Auswerteeinheit kann so beispielsweise eine Information über die detektierte Strahlungsintensität gewonnen werden. Furthermore, the radiation detector may have an evaluation unit (not explicitly shown) which is designed to determine information about the number of photons detected by the radiation detector from the detector output signal. For example, information about the detected radiation intensity can be obtained via the evaluation unit.

Weiterhin kann der Strahlungsdetektor eine Erfassungseinheit (nicht explizit dargestellt) aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass das Antennenausgangssignal das Erfassen des Detektorausgangssignals in der Erfassungseinheit auslöst. Furthermore, the radiation detector can have a detection unit (not explicitly shown), which is designed such that the antenna output signal triggers the detection of the detector output signal in the detection unit.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, which in particular includes any combination of features in the patent claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Masseanschluss ground connection
2 2: Antennenstruktur antenna structure
4 4: Substrat substratum
5 5: Zweiter Detektorelektrodenbereich Second detector electrode area
6 6: Halbleiterdetektorzelle Semiconductor detector cell
7 7: Erster Detektorelektrodenbereich First detector electrode area
8 8th: Antireflektionsschicht Anti-reflection layer
9 9: Löschwiderstand quenching resistance
10 10: Zuleitung supply
11 11: Aktive Zone Active zone
12 12: Mikrostreifenleiter Microstrip
13 13: Durchbruchpunkt Breakthrough point
14 14: Arbeitspunkt working
15 15: Detektordiode detector diode
16 16: Widerstand resistance
17 17: Signalspitze signal peak
18 18: Langsam abfallende Flanke Slowly falling edge
19 19: Bonddraht bonding wire
20 20: Schutzschicht protective layer
21 21: Halbleiterkörper Semiconductor body
22 22: Leiterplatte circuit board
23 23: Leiterbahn conductor path
24 24: Dielektrikum dielectric
25 25: Strahlungseintrittsfläche Radiation entrance area
26 26: Planarantenne planar antenna
27 27: Kopplungsbereich coupling region
29 29: Pulsform pulse shape
30 30: Oberseite top
31 31: Deckschicht topcoat
100100: Strahlungsdetektor radiation detector

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2011/117309 A2 [0003]

Claims

Radiation detector ( 100 ) with a plurality of semiconductor detector cells ( 6 ), wherein the respective semiconductor detector cell ( 6 ) an active zone ( 11 ) between two detector electrode areas ( 5 . 7 ) of the semiconductor detector cell ( 6 ) which is arranged to generate free charge carriers by means of an avalanche multiplication, wherein the radiation detector ( 100 ) an antenna structure ( 2 ), which relative to the semiconductor detector cells ( 6 ) is arranged and configured in such a way that avalanche radiation generated by the free charge carriers generated by means of avalanche multiplication is transmitted via an antenna output signal of the antenna structure ( 2 ) can be detected and read by electromagnetic coupling.

Radiation detector ( 100 ) according to claim 1, wherein the radiation detector ( 100 ) is set up to operate in Geiger mode.

Radiation detector ( 100 ) according to claim 1 or 2, wherein the antenna structure ( 2 ) is designed to receive electromagnetic radiation having a frequency bandwidth between 0.1 GHz and 5 GHz.

Radiation detector ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, wherein the antenna structure ( 2 ) a planar antenna ( 26 ), wherein the planar antenna ( 26 ) a first electrode, for example with a strip conductor ( 12 ), having.

Radiation detector ( 100 ) according to claim 4, wherein an outer dimension, for example a length and / or width, of a coupling region ( 27 ) of the planar antenna ( 26 ) is between 40 microns and 60 microns.

Radiation detector ( 100 ) according to claim 4 or 5, wherein the first electrode on a back side of a substrate ( 4 ), the radiation detector ( 100 ) is arranged.

Radiation detector ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, wherein the antenna structure ( 2 ) a second electrode, for example a ground connection ( 1 ), and wherein between the first electrode and the second electrode a dielectric ( 24 ) is arranged.

Radiation detector ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, wherein the radiation detector ( 100 ) is designed such that the antenna structure ( 1 ) and one of the detector electrode regions ( 5 . 7 ) of the semiconductor detector cells ( 6 ), during operation of the radiation detector ( 100 ) are at the same electrical potential.

Radiation detector ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, wherein the radiation detector ( 100 ) has a signal line to an external terminal of the radiation detector, the signal line having a plurality of detector electrode areas ( 5 ) of various semiconductor detector cells ( 6 ) is electrically connected.

Radiation detector ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, wherein the antenna structure ( 2 ) is adapted to generate an antenna output signal, over which the time of incidence one of the radiation detector ( 100 ) to be detected and the avalanche radiation generating photons can be detected faster than via a detector output signal.

Radiation detector ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, wherein a half width of the antenna output signal is smaller than a half width of the dispersion of transfer times of different semiconductor detector cells ( 6 ) generated cell signals to an external terminal of the radiation detector ( 100 ).

Radiation detector ( 100 ) according to claim 10 or 11, wherein the radiation detector ( 100 ) has an evaluation unit which is designed to obtain from the detector output signal information about the number of radiation detectors ( 100 ) to detect detected photons.

Radiation detector ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, wherein a cell signal which, in the case of photon incidence in individual semiconductor detector cells ( 6 ), a pulse shape with an initial signal peak ( 17 ) and then one opposite the signal tip ( 17 ) slowly sloping flank ( 18 ) having.

Radiation detector ( 100 ) according to claim 13, wherein the signal tip ( 17 ) a half width of the respective cell signal of a single semiconductor detector cell ( 6 ) and wherein the half width of the antenna output signal is between 0.5 times and 0.01 times the half width of the respective cell signal.

Radiation detector ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, wherein the antenna structure ( 2 ) in a carrier, for example a printed circuit board ( 22 ), on which a semiconductor body ( 21 ) of the radiation detector ( 100 ) is integrated.

Radiation detector ( 100 ) according to at least one of claims 10 to 15, wherein the radiation detector ( 100 ) has a detection unit which is formed such that the Antenna output signal triggers the detection of the detector output signal in the detection unit.

Use of a radiation detector ( 100 ) according to at least one of the preceding claims for radiation detection in a medical device, for example a device for positron emission tomography.