DE102014200352A1 - Strahlungsdetektorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Strahlungsdetektorvorrichtung - Google Patents

Strahlungsdetektorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Strahlungsdetektorvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsdetektorvorrichtung (304) zur Detektion von radioaktiver Strahlung (205), wobei die Strahlungsdetektorvorrichtung ein Sensorelement (300) mit einem Halbleitersubstrat (105) aufweist, welches zumindest in einem Fotovoltaikbereich (305) zumindest eine Solarzelle (310) zur Wandlung von Licht in ein elektrisches Energiesignal umfasst und wobei das Halbleitersubstrat (105) in zumindest einem Detektorbereich (3309 zumindest einen Strahlungsdetektor (3409 zur Wandlung von radioaktiver Strahlung (205) in ein Strahlungssignal (210) aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Strahlungsdetektorvorrichtung, auf ein Verfahren zum Betreiben einer Strahlungsdetektorvorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer Strahlungsdetektorvorrichtung auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
  • Festkörper-Stahlungsdetektoren sind aus der Hochenergie-Teilchenphysik bekannt und seit vielen Jahren erfolgreich im Einsatz. Mit ihnen ist nicht nur Detektion sondern auch Kalorimetrie möglich, wodurch Beta- und Gammastrahlung unterscheidbar werden. Durch geeignete Beschichtung ist auch Alpha- und Neutronen-Detektion möglich. Auch sind Detektoren für radioaktive Strahlung in Form von Zubehör von Mobiltelefonen bereits kommerziell erhältlich. Überdies existieren bereits Ideen zu einem Environmental Sensor Network, bei dem Informationen (unterschiedliche Sensordaten) einzelner mobiler Geräte, wie Mobiltelefone genutzt werden, um beispielsweise die Strahlungsdaten zu kartieren. Im Falle einer Katastrophe kann dadurch das Ausmaß schnell erfasst werden
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Strahlungsdetektorvorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer Strahlungsdetektorvorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer Strahlungsdetektorvorrichtung, eine entsprechende Vorrichtung die die Verfahren verwendet, sowie ein entsprechendes Computerprogrammproduktgemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Der hier vorgestellte Ansatz schafft eine Strahlungsdetektorvorrichtung zur Detektion von radioaktiver Strahlung, wobei die Strahlungsdetektionsvorrichtung zumindest ein Sensorelement mit einem Halbleitersubstrat aufweist, welches in zumindest einem Fotovoltaikbereich zumindest eine Solarzelle zur Wandlung von Licht in ein elektrisches Energiesignal umfasst und wobei das Halbleitersubstrat in zumindest einem Detektorbereich zumindest einen Strahlungsdetektor zur Wandlung von radioaktiver Strahlung in ein Strahlungssignal aufweist.
  • Unter radioaktiver Strahlung kann eine elektromagnetische Strahlung (Teilchenstrahlung bei alpha’s) verstanden werden, die eine geringere Wellenlänge als optisch sichtbares Licht aufweist und somit energiereicher als optisch sichtbares Licht ist. Unter einem Halbleitersubstrat kann ein Halbleitermaterial verstanden werden, in welches Strukturen eingebracht sind, beispielsweise durch eine Dotierung, um ein bestimmtes elektrisches Verhalten dieser Struktur im Substrat zu bewirken. Unter einer Solarzelle kann eine Struktur im Halbleitersubstrat verstanden werden, die in der Lage ist, optisch sichtbares Licht in eine Spannung und/oder einen Strom, also in elektrische Energie umzuwandeln. Unter einem Strahlungsdetektor kann eine Struktur im Halbleitersubstrat verstanden werden, die in der Lage ist, bei Beaufschlagung von radioaktiver Strahlung auf diese Struktur ein elektrisch erfassbares Signal auszugeben. Der Fotovoltaikbereich, in dem die Solarzelle gebildet und angeordnet ist, kann sich von dem Detektorbereich unterscheiden, in dem der Strahlungsdetektor angeordnet ist. Insbesondere können sich der Fotovoltaikbereich und im Detektorbereich nicht überlappen. Dabei kann beispielsweise die Solarzelle im Fotovoltaikbereich eine deutlich größere (flächige) Ausdehnung aufweisen, als der Strahlungsdetektor im Detektorbereich.
  • Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass es technisch sehr günstig ist, den Strahlungsdetektor einem (gemeinsamen) Halbleitersubstrat mit der Solarzelle auszubilden. Dies bietet den Vorteil, dass bei einer Ausführungsform einer hier vorgestellten Strahlungsdetektorvorrichtung die Solarzelle genutzt werden kann, um beispielsweise einen Verbraucher mit elektrische Energie zu versorgen und in bestimmten Situationen zugleich vom Strahlungsdetektor ein Strahlungssignal ausgewertet werden kann, um eine auf die Strahlungsdetektorvorrichtung aktuell wirkende radioaktive Strahlung zu erkennen. Insofern bietet die Strahlungsdetektionsvorrichtung oder Strahlungsdetektorvorrichtung beispielsweise als Hauptfunktion die regenerative Energiegewinnung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers und als Nebenfunktion die Möglichkeit, schädliche radioaktive Strahlung erkennen zu können, um einem Nutzer der Strahlungsdetektionsvorrichtung beispielsweise einen entsprechenden Warnhinweis geben zu können.
  • Der hier vorgestellte Ansatz bietet den Vorteil, dass die Ausbildung bzw. Herstellung des Strahlungsdetektors im Halbleitersubstrat auf eine sehr ähnliche Weise erfolgen kann, wie die Ausbildung bzw. Herstellung der Solarzelle im Halbleitersubstrat. Hierzu ist lediglich eine geringfügige technische Änderung einer Strukturierung des Halbleitersubstrats im Detektorbereich gegenüber einer Strukturierung des Halbleitersubstrats im Fotovoltaikbereich erforderlich, was jedoch keine größeren technischen Probleme und Kosten verursacht. Auf diese Weise lässt sich die Zusatzfunktionen der Detektionsmöglichkeit radioaktiver Strahlung sehr einfach und kostengünstig implementieren und somit in einer Vielzahl von möglichen Szenarien einsetzen. Dies ermöglicht eine kostengünstige und einfache sowie räumlich ausgedehnte Umweltüberwachung.
  • Günstig ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Sensorelement einen Strahlungsdetektor aufweist, der zumindest einen Übergang zwischen zwei Bereichen mit je unterschiedlichen Leitungstypen umfasst, insbesondere wobei der Übergang zwischen den zwei Bereichen mit den je unterschiedlichen Leitungstypen den Strahlungsdetektor bildet. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist technisch sehr einfach kostengünstig zu implementieren.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann sich ein Dotierungsprofil des Strahlungsdetektors im Halbleitersubstrat von einem Dotierungsprofil der Solarzelle im Halbleitersubstrat unterscheiden. Auf diese Weise lässt sich ein Strahlungsdetektor schaffen, der einerseits hinreichend empfindlich gegenüber radioaktiver Strahlung ist und andererseits im Herstellungsprozess der Herstellung einer Solarzelle sehr ähnlich ist. Auf diese Weise lässt sich der Strahlungsdetektor vorteilhaft mit geringen Kosten und dennoch hoher Genauigkeit realisieren.
  • Besonders einfach und kostengünstig ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der im Sensorelement die Solarzelle und der Strahlungsdetektor der gleichen Hauptoberfläche des Sensorelementes zugewandt sind. Auf diese Weise braucht vorteilhaft nur eine Hauptoberfläche des Sensorelementes strukturiert werden, wodurch sich die Herstellungsschritte und somit die Herstellungskosten zur Herstellung der Solarzelle und des Strahlungsdetektors reduzieren lassen.
  • Um beispielsweise unterschiedliche Strahlungsarten unterscheiden zu können, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Strahlungsdetektor durch zumindest ein lichtundurchlässiges Abdeckelement bedeckt sein, insbesondere wobei die Solarzelle von dem lichtundurchlässigen Abdeckelement unbedeckt ist. Unter einer Strahlungsart kann hier beispielsweise radioaktive Alpha-Strahlung, Beta-Strahlung und/oder Gamma-Strahlung verstanden werden.
  • Dabei lässt sich besonders gut eine Strahlungsart der radioaktiven Strahlung von einer anderen Strahlungsart der radioaktiven Strahlung unterscheiden, wenn das lichtundurchlässige Abdeckelement einen ersten Abdeckabschnitt und einen zweiten Abdeckabschnitt aufweist, insbesondere wobei sich eine Dicke und/oder ein Material des ersten Abdeckabschnitts von einer Dicke und/oder einem Material des zweiten Abdeckabschnitts unterscheidet.
  • Besonders günstig ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Strahlungsdetektionsvorrichtung eine Auswertungseinheit aufweist, die mit dem Strahlungsdetektor verbunden oder verbindbar ist und die ausgebildet ist, um den Strahlungsdetektor mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder um ansprechend auf das Strahlungssignal die radioaktive Strahlung zu detektieren. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, den Strahlungsdetektor mit einer vorbestimmten Energie bzw. Spannung zu beaufschlagen und/oder das meist sehr schwache oder gestörte Strahlungssignal auf ein Merkmal der radioaktiven Strahlung hin zu untersuchen. Insofern bietet die Verwendung der zur spezifischen Auswertung von Signalen des Sensorelementes ausgelegten Auswerteeinheit die Möglichkeit, das Strahlungssignal schnell und präzise zu analysieren.
  • Besonders empfindlich ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Auswerteeinheit ausgebildet ist, um den Strahlungsdetektor mit einer vordefinierten Spanung zu beaufschlagen, insbesondere um den Strahlungsdetektor in eine Sperrrichtung vorzuspannen. Dabei kann beispielsweise der Strahlungsdetektor beispielsweise als eine Diode und/oder ein pn-Übergang im Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Wird nun an den Strahlungsdetektor die vordefinierte (Sperr-)Spannung angelegt, kann beispielsweise hierdurch ein Stromfluss oder ein Rauschen weitgehend unterdrückt werden, sodass dennoch auftretende Spannungen oder Ströme mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine empfangene radioaktive Strahlung verursacht wurden.
  • Um besonders schwache, durch radioaktive Strahlung bewirkte Effekte möglichst genau messen oder bestimmen zu können, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Auswerteeinheit einen Ladungsverstärker aufweisen, um ein Ladung im Strahlungssignal zu verstärken.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch die Auswerteeinheit ein Hochpassfilter zum Hochpassfiltern des Strahlungssignals aufweisen. Dabei kann die radioaktive Strahlung ansprechend auf das hochpassgefilterte Strahlungssignal detektiert werden. Insbesondere kann dabei die radioaktive Strahlung dann detektiert werden, wenn ein Wert des hochpassgefilterten Strahlungssignals größer als eine vorbestimmte Detektionsschwelle ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Effekte, die durch radioaktive Strahlung verursacht werden, meist in einem hohen Frequenzbereich messbar sind, wogegen andere Effekte, die beispielsweise durch kontinuierliche Lichteinstrahlung auf das Sensorelement bzw. die Solarzelle oder den Strahlungsdetektor verursacht werden, meist in einem niedrigeren Frequenzbereich messbar sind. Wird nun ein Signalanteil insbesondere im hohen Frequenzbereich ausgewertet, können hierdurch die durch radioaktive Strahlung entstandenen Effekte besser erkannt werden, als wenn noch Effekte niedrigen Frequenzbereich die Auswertung oder Detektion der radioaktive Strahlung stören würde.
  • Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Strahlungsdetektorvorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    • – Liefern von elektrischer Energie an zumindest einen elektrischen Verbraucher unter Verwendung des elektrischen Energiesignals; und
    • – Detektieren der radioaktiven Strahlung unter Verwendung des Strahlungssignals.
  • Auch schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer Strahlungsdetektorvorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    • – Ausbilden der zumindest einen Solarzelle in dem Halbleitersubstrat; und
    • – Herstellen des zumindest einen Strahlungsdetektors in dem Halbleitersubstrat.
  • Auch durch solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes effizient und kostengünstig genutzt werden.
  • Der hier vorgestellte Ansatz schafft somit eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
  • Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
  • Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Somit schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung der Variante eines hier vorgestellten Verfahrens, insbesondere wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung ausgeführt wird.
  • Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Querschnittsdarstellung durch eines Struktur im Halbleitersubstrat, die als Solarzelle und/oder als Strahlungsdetektor in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
  • 2 eine Querschnittsdarstellung durch eines Struktur im Halbleitersubstrat, die als Solarzelle und/oder als Strahlungsdetektor in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, wobei nun die Wirkung von radioaktiver Strahlung in der Verarmungszone erläutert wird;
  • 3 eine Aufsichtdarstellung auf eine Strahlungsdetektorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4A eine Aufsichtdarstellung auf eine Strahlungsdetektorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit auf dem Strahlungsdetektor angeordneten Abdeckelement;
  • 4B eine Schnittdarstellung des in der 4A dargestellten Ausführungsbeispiels des Strahlungsdetektorvorrichtung;
  • 5 eine Ansicht eines Gehäuseteils für eine Rückseite eines Mobiltelefons mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Strahlungsdetektorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Strahlungsdetektorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
  • 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer vorgespannten Solarzelle 100 mit Widerstand. 1 zeigt dabei eine in einem Halbleitersubstrat 105 eingebettete p+-dotierte Schicht 110, eine darüber angeordnete bzw. eingebettete p-dotierte Schicht 120, eine wiederum darüber angeordnete bzw. eingebettete Verarmungszone 130 mit einem Widerstand Rv -> ∞ und eine darüber abgeordnete bzw. eingebettete n++-dotierte Zone 140 mit einem an der n++-dotierten Zone 140 verbundenen Anschlusskontakt 150. Zwischen der p+-dotierten Zone 110 und einem Massepotenzialanschluss 160 ist ein Widerstand 165 mit einem Wert von R ≈ 1 MΩ geschaltet. Zwischen der p+-dotierten Zone 110 und dem Anschlusskontakt 150 ist eine Bias-Spannung Vbias von beispielsweise +3,7 V angelegt.
  • Um nun eine Solarzelle mit integrierten Strahlungsdetektor zu schaffen lassen sich zunächst folgende Überlegungen anstellen. Eine einkristalline Solarzelle wie auch ein Festkörper-Strahlungsdetektor bestehen im Grunde aus einem pn-Übergang (wie beispielsweise der pn-Übergang zwischen der p-dotierten Zone 120 und der n++-dotierten Zone 130 in 1), in dessen Verarmungszone die durch Licht oder hochenergetische Strahlung erzeugten Elektron-Loch-Paare getrennt werden. Diese getrennten Ladungen stehen damit als Quelle elektrischer Energie zur Verfügung. Unterdrückt man den Lichtzutritt zu einer solchen Zelle, z. B. durch ein Licht absorbierendes Material, so kann Alpha-, Beta und Gammastrahlung detektiert werden.
  • In der 2 ist eine Querschnittsdarstellung einer vorgespannten Solarzelle 100 entsprechend der Darstellung aus 2, wobei nun ein Elektron 200 als Teilchen einer radioaktiven Beta-Strahlung auf die Verarmungszone 130 trifft und hier durch Ionisation von in der Verarmungszone 130 angeordneten Atomen Elektron-Löcher-Paare in der Verarmungszone 130 erzeugt. Dies führt aufgrund der Strahlungsionisation zu einem Spannungsabfall am Widerstand zwischen der n++-dotierten Zone 140 und der p+-dotierten Zone 110, sodass nun der Widerstand Rv < ∞ ist. Durch die kurze Strahlungsionisation und die nachfolgend in die n++-dotierte Zone 140 abfließenden Elektronen bzw. die in die p-dotierte Zone 120 abfließenden Lächer lässt sich durch die hierdurch bedingte Widerstandsänderung ein schwacher Spannungspuls 210 erfassen, der in dem Diagramm 220 aus der 2 erkennbar ist.
  • Insofern ist aus den 1 und 2 erkennbar, dass eine Strahlungsdetektionsvorrichtung mit einem Detektor für radioaktive Strahlung prinzipiell als Sensor im Fotovoltaik-Modus oder mit in Sperrrichtung angelegter Spannung betrieben werden kann. Spannt man die Zelle 100 bzw. Diode (d. h. den pn-Übergang) über einen Bias-Widerstand in Sperrrichtung (wie es in der 1 wiedergegeben ist), so fällt die gesamte Spannung über die Zelle 100 ab. Werden in der Raumladungszone 130 durch ionisierende Strahlung freibewegliche Ladungsträger (Elektronen und Löcher) erzeugt, so kann für eine kurze Zeit Strom fliesen, was zu einem kleinen Spannungsabfall über dem Widerstand der Zelle 100 führt, wie es in der 2 näher dargestellt ist. Dieses einige nA bzw. µV starke und einige Zehn bis Hundert ns lange Signal 210 wird kann dann beispielsweise durch einen ladungssensitiven Verstärker zu einem digital auswertbaren Signal geformt und entsprechend ausgewertet werden.
  • Um nun eine besonders kostengünstig und vielfache einsetzbare Strahlungsdetektionsvorrichtung zu ermöglichen, kann die in den 1 und 2 gezeigte Struktur einer Zelle bzw. Solarzelle 100 als Strahlungsdetektor mit einer Solarzelle auf einem (gemeinsamen) Halbleitersubstrat 100 kombiniert werden.
  • Hierzu zeigt 3 eine Aufsichtsdarstellung eines Sensorelementes 300 mit einem Teilblockschaltbild einer Auswerteeinheit 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Strahlungsdetektorvorrichtung 304. Hierzu kann beispielsweise im Halbleitersubstrat 105 in einem Fotovoltaikbereich 305 eine Solarzelle 310 ausgebildet sein. Die Solarzelle 310 kann beispielsweise durch einen pn-Übergang (bzw. mehrere pn-Übergänge) realisiert sein, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist. Die einzelnen pn-Übergänge oder Teilsolarzellen, können dann durch eine Metallisierung bzw. Metallisierungslage 320 elektrisch kontaktiert werden, um die bei Lichteinfall in den Solarzellen 310 generierte elektrische Energie an einen elektrischen Verbraucher 325 abführen zu können. Dabei kann beispielsweise die Metallisierungslage 320 dem Anschluss 150 entsprechen.
  • Weiterhin ist auf dem Halbleitersubstrat 105 in einem Detektorbereich 330 ein Strahlungsdetektor 340 (als Detektor für radioaktive Strahlung) ausgebildet bzw. implementiert, der beispielsweise ebenfalls gemäß der Darstellung aus den 1 und 2 strukturiert bzw. dotiert ist. Ein Dotierungsprofil einer oder mehrerer Solarzellen 310 im Halbleitersubstrat 105 kann sich dabei von einem Dotierungsprofil des Strahlungsdetektors 130 unterscheiden.
  • Wird nun vom Strahlungsdetektor 340 eine radioaktive Strahlung erfasst (beispielsweise in der Form eines Elektrons 200 bei einer Beta-Strahlung) kann gemäß der Darstellung 2 ein Spannungssignal 210 in dem Strahlungsdetektor 340 erzeugt werden, welches über eine Metallisierungslage 350 bzw. Leitung in eine Auswerteeinheit 302 übertragen wird, wobei wiederum die Metallisierungslage 350 dem Masseanschluss 160 aus den 1 und 2 entsprechen kann. In der Auswerteeinheit 302 kann das Strahlungssignal 210 ausgewertet werden und beispielsweise bei einem Überschreiten eines Wertes des Strahlungssignalwertes oder eines davon abgeleiteten Wertes über einen Detektionsschwellwert kann eine Information 360 über das Auftreten von radioaktiver Strahlung im Detektorbereich 330 ausgegeben werden.
  • In der Auswertungseinheit 302 ist beispielsweise ein Ladungsverstärker 370 angeordnet, der das (Strahlungs-)Signal 210 verstärkt. Auch können die Auswerteeinheit 302 und/oder der Ladungsverstärker 370 einen Hochpassfilter 380 aufweisen, wobei das Strahlungssignal 210 vor einer Analyse auf eine Hinweis oder eine Information 360 auf das Vorliegen von radioaktiver Strahlung am Strahlungsdetektor 340 mit diesem Hochpassfilter 380 gefiltert wird und das (Hochpass-)gefilterte Signal anschließend weiterverarbeitet.
  • 4A zeigt eine Ansicht einer Strahlungsdetektionsvorrichtung 304 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 3, wobei nun ein Abdeckelement 400 auf dem Strahlungsdetektor 340 im Detektorbereich 330 angeordnet ist. Dabei lässt durch sich das Abdeckelement 400 (das hier beispielsweise als Absorber wirkt) beispielsweise eine Trennung der Strahlungsarten radioaktiver Strahlung ermöglichen. Es können auf verschiedenen strahlungssensitiven Subzellen (d. h. beispielsweise auf mehreren Teilstrahlungsdetektoren, die je beispielsweise entsprechend den 1 bzw. 2 aufgebaut sind) unterschiedlich Absorber in unterschiedlichen Dicken und/oder Materialien zur Strahlungsselektion ausgeführt werden. Eine Auswertung der Energie der in den einzelnen Teilstrahlungsdetektoren empfangenen Ereignisse bzw. Messszenarien erlaubt ebenfalls eine Differenzierung der Strahlung. Das Abdeckelement 400 kann somit unterschiedliche Teilbereiche oder Abdeckabschnitte aufweisen, die je eine der Teilstrahlungsdetektoren abdeckt und die je eine unterschiedliche Dicke aufweisen und/oder aus einem unterschiedlichen Material hergestellt sind, sodass die unterschiedlichen Abdeckabschnitte unterschiedliche Durchlässigkeit für die radioaktiven Strahlungsarten aufweisen.
  • Weiterhin lassen sich die Solarzellen bzw. die Strahlungsdetektionsvorrichtungen 304 in unterschiedlichen Varianten ausführen. Beispielsweise können die Zellen bzw. das Sensorelement 300 in vollständiger Größe als Detektor ohne Abschattung (d. h. ohne Abdeckelement) verwendet werden. Die Ereignisse bei einem Auftreffen von radioaktiver Strahlung, die sehr kurze Pulse 210 erzeugen, werden aus dem niederfrequenten Anteil des Umgebungslichtes herausgefiltert und ausgewertet. Dies kann insbesondere bei starker Bestrahlung radioaktiver erfolgen. Ferner kann auch das (Halbleiter-)Substrat 105 eine große Solarzelle 300 und einen kleinen abgedeckten Strahlungsdetektor 340 aufweisen, der separat kontaktiert wird und nicht vorgespannt ist. Eine solche Anordnung einer Strahlungsdetektionsvorrichtung 304 ist in der 3 dargestellt. Denkbar ist auch, dass das Substrat 105 eine große Solarzelle 300 und einen kleinen abgedeckten Strahlungsdetektor 340 aufweist, der separat kontaktiert wird und in Sperrrichtung vorgespannt ist. Auch ein solches Ausführungsbeispiel kann aus der 3 erkannt werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Kombizelle wie in 2 und in der 3 dargestellt mit einem hybrid integriertem Auswerte-ASIC wie der Auswerteeinheit 302 hergestellt werden. Gegebenenfalls kann diese Auswerteeinheit 302 mittels einer Powerline-Schnittstelle in Bezug auf die Energieversorgung und die Signalabgabe der Information 360 an weitere Einheiten verbunden werden. Auch können Zellen 300 bzw. 340 mit speziellen Elektrodengeometrien im Bereich des Strahlungsdetektors zur Performanceverbesserung vorgesehen werden. Auch können die Teilzellen und/oder der gesamte Strahlungsdetektor 340 mit speziellem Dotierungsprofil gegenüber einem Dotierungsprofil der Solarzelle 310 ausgestaltet sein. Denkbar ist ferner auch die lokale Separation des Strahlungsdetektors vorangestellter Ausführungen mit Abgrenzung durch Dotierungsprofil oder mechanischer Abtrennung/Perforation oder Abstand zu den Elektroden der Solarzelle, wie dies in der 4A schematisch dargestellt ist.
  • 4B zeigt eine Schnittdarstellung durch die in der 4A wiedergegebene Strahlungsdetektorvorrichtung entlang der Schnittlinie AA‘. Dabei ist erkennbar, dass der Strahlungsdetektor 340 die zwei Teilstrahlungsdetektoren 340a und 340b umfasst, die je durch einen Abdeckabschnitt 400a und 400b des Abdeckelementes 400 abgedeckt sind. Dabei ist ein erste Abdeckabschnitt 400a, der auf einer ersten Hauptoberfläche 450 des Halbleitersubstrats 105 über den ersten Teilstrahlungsdetektor 340a angeordnet ist, eine Dicke d1 aufweist, die geringer ist, als eine Dicke d2 des zweiten Abdeckabschnitt 400b, der auf der ersten Hauptoberfläche 450 des Halbleitersubstrats 105 über den zweiten Teilstrahlungsdetektor 340b angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Abdeckabschnitt 400a aus einem anderen Material bestehen, als der zweiten Abdeckabschnitt 340b. Auch ist aus der 4B erkennbar, dass die Strahlungsdetektoren 340 der gleichen Hauptoberfläche 450 des Halbleitersubstrats 105 (bzw. Strahlungsdetektorvorrichtung 304) zugewandt sind, wie die Solarzellen 310. Hierdurch lassen sich die Strahlungsdetektoren 340 auf sehr einfache Weise in dem Halbleitersubstrat 105 herstellen. Auch ist aus der 4B erkennbar, dass die Solarzelle 310 mehrere Teilsolarzellen 310a bis 310e aufweist, die nebeneinander an der Hauptoberfläche 450 angeordnet sind.
  • Schließlich kann auch die Strahlungsdetektionsvorrichtung 302 (beispielsweise als Kombination von einem oder mehreren der vorstehend genannten Ausführungsbeispiele) in Handygehäuseschale als Designelement integrieren. 5 zeigt hierzu eine schematische Darstellung, in der ein Ausführungsbeispiel der Strahlungsdetektionsvorrichtung 302 zusammen mit mehreren Lautsprechern 500, einer Kamera 510 und einem Blitzlicht 520 in eine Handygehäuseschale 540 (beispielsweise für eine Rückseite eines Mobiltelefons) implementiert sind.
  • Ein Ziel des hier vorgeschlagenen Ansatzes ist somit eine Integration eines Strahlungsdetektors 340 in einer Solarzelle 310 oder anders ausgedrückt eines Solarmoduls 300 innerhalb des typischen Solarzellen-Herstellungsprozesses. Durch lokale Prozessvariationen, wie Anpassungen im Dotierungsdruck, Elektrodendruck und gegebenenfalls Perforation oder Abtrennung, wird die Solarzelle lokal zusätzlich zu einem Strahlungsdetektor gemacht. Die Herstellung von Strahlungsdetektoren im PV-Prozess (PV = Photovoltaik) bietet die Basis zu einem kostengünstigen Massenprodukt. Neben der Strahlungsdetektion ist die Energieerzeugung für viele mobile Geräte zur Verlängerung der Akkulaufzeit von Vorteil. Überdies bietet das integrierte Konzept neue Designelemente und Merkmale, um zahlreiche Produkte attraktiver zu machen. Die Integrationslösung Solarzelle mit Strahlungsdetektion mit gegebenenfalls minimalen Mehrkosten erlaubt den Zugang zu zahlreichen Anwendungsbereichen wie: Mobile Elektronik, Smartphone, Tablets, Musik- und Videoplayer, Uhren, Outdoor-Geräte (Lampen, GPS, ...), Automotive und stationären PV-Anlagen. Über die lokal verfügbaren Sensordaten hinaus bietet diese Anwendungsvielfalt die Basis für kostengünstige verteilte Sensornetzwerke zur Bewertung von Katastrophen und Warnung vor Risiken.
  • Ein wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes ist die Möglichkeit einer Realisierung einer Solarzelle mit Strahlungsdetektor im Solarzellen-Herstellungsprozess auf einem Solarzellensubstrat. Durch lokale Variation der Dotierung und Strukturierung der Metallisierung wird zumindest ein Teil des Substrats im normalen Herstellungsprozess als Detektor ausgeführt. Mittels der Metallisierung und deren Dicke kann die Art der detektierbaren Strahlung (α, β, γ) selektiert werden. Auch lassen sich mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz kostengünstige Realisierungsmöglichkeiten auch großflächiger Strahlungsdetektoren umsetzen. Außerdem ist kein zusätzlicher Packaging-Aufwand für Strahlungsdetektor erforderlich und bei Anwendungen mit der Kamera kann gegebenenfalls die Richtung der einfallenden Strahlung visualisiert werden. Auch bietet ein doppelter Nutzen der Zelle mit Detektor zusätzlichen Kaufanreiz für Solarzellen oder -module im Zusammenhang mit Batterielebensdauerverlängerung bei mobilen Geräten und auch KFZs zur Kompensation des Stand-by-Energieverbrauchs bei längeren Standzeiten im Freien. Hier dient die Kombizelle beispielsweise als Batteriepuffer, Standlüftung, etc. und gleichzeitig als Strahlungs-Detektor/Warner vor radioaktiver Strahlung.
  • 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Verfahren 600 zum Betreiben einer hier vorgestellten Variante einer Strahlungsdetektorvorrichtung 304. Die Strahlungsdetektorvorrichtung 304 umfasst einen Schritt 610 des Lieferns von elektrischer Energie an zumindest einen elektrischen Verbraucher unter Verwendung des elektrischen Energiesignals und einen Schritt 620 des Detektierens der radioaktiven Strahlung unter Verwendung des Strahlungssignals.
  • 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Verfahren 700 zum Herstellen einer hier vorgestellten Variante einer Strahlungsdetektorvorrichtung 304. Das Verfahren 700 umfasst einen Schritt 710 des Ausbildens der zumindest einen Solarzelle in dem Halbleitersubstrat und einen Schritt 720 des Herstellens des zumindest einen Strahlungsdetektors in dem Halbleitersubstrat.
  • Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
  • Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
  • Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims (14)

  1. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) zur Detektion von radioaktiver Strahlung (205), wobei die Strahlungsdetektorvorrichtung ein Sensorelement (300) mit einem Halbleitersubstrat (105) aufweist, welches zumindest in einem Fotovoltaikbereich (305) zumindest eine Solarzelle (310) zur Wandlung von Licht in ein elektrisches Energiesignal umfasst und wobei das Halbleitersubstrat (105) in zumindest einem Detektorbereich (330) zumindest einen Strahlungsdetektor (3409 zur Wandlung von radioaktiver Strahlung (205) in ein Strahlungssignal (210) aufweist.
  2. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (300) zumindest einen Strahlungsdetektor (340) aufweist, der zumindest einen Übergang zwischen zwei Bereichen (110, 120, 140) mit je unterschiedlichen Leitungstypen (p+, p, n++) umfasst, insbesondere wobei der Übergang zwischen den zwei Bereichen (110, 120, 140) mit den je unterschiedlichen Leitungstypen (p+, p, n++) den Strahlungsdetektor (340) bildet.
  3. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Dotierungsprofil des Strahlungsdetektors (340) im Halbleitersubstrat (105) von einem Dotierungsprofil der Solarzelle (310) im Halbleitersubstrat (105) unterscheidet.
  4. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorelement (300) die Solarzelle (310) und der Strahlungsdetektor (340) der gleichen Hauptoberfläche (450) des Sensorelementes (300) zugewandt sind.
  5. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor (340) durch zumindest ein lichtundurchlässiges Abdeckelement (400) bedeckt ist, insbesondere wobei die Solarzelle (310) von dem lichtundurchlässigen Abdeckelement (400) unbedeckt ist.
  6. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtundurchlässige Abdeckelement (400) einen ersten Abdeckabschnitt (400a) und einen zweiten Abdeckabschnitt (400b) aufweist, insbesondere wobei sich eine Dicke (d1) und/oder ein Material des ersten Abdeckabschnitts (400a) von einer Dicke (d2) und/oder einem Material des zweiten Abdeckabschnitts (400b) unterscheidet.
  7. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine Auswerteeinheit (302), die mit dem Strahlungsdetektor (340) verbunden oder verbindbar ist und die ausgebildet ist, um den Strahlungsdetektor (340) mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder um ansprechend auf das Strahlungssignal (210) die radioaktive Strahlung (205) zu detektieren.
  8. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (302) ausgebildet ist, um den Strahlungsdetektor (340) mit einer Spannung (Ubias) zu beaufschlagen, insbesondere um den Strahlungsdetektor (340) in eine Sperrrichtung vorzuspannen.
  9. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (302) einen Ladungsverstärker (370) aufweist, um ein Ladung im Strahlungssignal (210) zu verstärken.
  10. Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (302) einen Hochpassfilter (380) zum Hochpassfiltern des Strahlungssignals (210) oder eines davon abgeleiteten Signals aufweist, wobei die radioaktive Strahlung (205) ansprechend auf das hochpassgefilterte Strahlungssignal detektiert wird, insbesondere wobei die radioaktive Strahlung (205) dann detektiert wird, wenn ein Wert des hochpassgefilterten Strahlungssignals größer als eine vorbestimmte Detektionsschwelle ist.
  11. Verfahren (6009 zum Betreiben einer Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (600) die folgenden Schritte aufweist: – Liefern (610) von elektrischer Energie an zumindest einen elektrischen Verbraucher unter Verwendung des elektrischen Energiesignals; und – Detektieren (620) der radioaktiven Strahlung (205) unter Verwendung des Strahlungssignals (210).
  12. Verfahren (700) zum Herstellen einer Strahlungsdetektorvorrichtung (304) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (700) die folgenden Schritte aufweist: – Ausbilden (710) der zumindest einen Solarzelle (310) in dem Halbleitersubstrat (105) und – Herstellen (720) des zumindest einen Strahlungsdetektors (340) in dem Halbleitersubstrat (105).
  13. Vorrichtung (304), die ausgebildet ist, um die Schritte eines Verfahrens (600, 700) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12 in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen.
  14. Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 oder 12.
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