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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion von elektrisch geladenen Teilchen und Photonen mit einem Halbleiterkörper, der zwischen zwei parallelen Endflächen ausgebildet ist und an einer ersten Endfläche eine sich über die Endfläche erstreckende erste elektrischen Kontaktfläche sowie an der zweiten Endfläche mehrere Auslesekontakte aufweist.
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Derartige Halbleitersensoren werden verwendet, um geladene Teilchen oder Photonen ortsaufgelöst zu detektieren. Üblicherweise ermöglichen Halbleitersensoren eine zweidimensional ortsaufgelöste Messung, indem an einem Halbleiterkörper, der sich flächig erstreckt, gleichmäßig angeordnete Auslesekontakte in Form von Streifen oder Pixeln angeordnet sind. Außerdem liegt zwischen den Endflächen ein elektrisches Feld an. Durchläuft nun ein geladenes Teilchen den Halbleiterkörper, werden an dieser Stelle bzw. entlang der Trajektorie des geladenen Teilchens innerhalb des Halbleiterkörpers freie elektrische Ladungen in dem Halbleiterkörper erzeugt, wobei die Eindringtiefe des Teilchens von dessen Ladung, Masse und Energie abhängt. Bei ausreichender Energie wird das Teilchen nicht gestoppt.
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Die entstandene Ladungswolke aus freien elektrischen Ladungen driftet entlang der Feldlinien des angelegten elektrischen Feldes in Richtung der Endfläche mit den Auslesekontakten. Die Signale, die durch die freien Ladungen an den Ausleseelektroden induziert werden, können dann dazu genutzt werden, den Ort des Teilchendurchgangs innerhalb des Halbleiterkörpers zu rekonstruieren. Die Position innerhalb des dreidimensionalen Halbleiterkörpers wird somit auf die Ebene der Auslesekontakte projiziert.
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Die Ortsauflösung eines derartigen Sensors und die Genauigkeit der Rekonstruktion der Einschlagposition des Teilchen bzw. von dessen Bahn wird bestimmt durch den Abstand zwischen den Ausleseelektroden. Daher sind derzeitige Weiterentwicklungen hin zu höher auflösenden Sensoren darauf gerichtet, die Auslesestreifen- oder -pixel so auszugestalten, dass kleinere Abstände der Auslesekontakte ermöglicht werden. Durch die Verkleinerung des Auslesekontaktabstands und/oder die Verkleinerung der Auslesekontakte an sich, wird aber der Aufwand erhöht, die Signale auszulesen und zu verarbeiten. Dazu muss auf der gleichen Fläche eine höhere Anzahl von Auslesekontakten untergebracht werden, deren Daten jeweils weiterverarbeitet werden müssen. Dies erhöht den Verarbeitungsaufwand der Signale.
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Die
US 2008/0164418 A1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Reduzierung von elektrischer Polarisation in Strahlungsdetektoren. Dabei wird der Effekt von Raumladungen auf ein elektrisches Detektionssignal, das aufgrund von ionisierender Strahlung entsteht, in einem Halbleiter durch Kopplung des Halbleiters mit Infrarotstrahlung mit einer geeigneten Wellenlänge reduziert.
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Die
US 6 175 120 B1 beschreibt einen Ionisierungsdetektor, bei dem ein Referenzmuster aus leitenden oder halbleitenden Materialien ein Ionisierungssubstrat des Detektors in verschiedene Schichten aufteilt. An den unterschiedlichen Schichten können unterschiedliche Spannungen angelegt werden, die einen Transport von durch Ionisation erzeugten Ladungsträgern bewirken.
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Die
US 2014/0319635 A1 beschreibt einen Halbleiterdetektor mit einem Halbleiterkristall mit einer Anode und einer Kathode, die sich gegenüberliegen. Zusätzlich weist der Detektor eine leiterartige Elektrode mit einer Vielzahl von Unterelektroden auf. Die leiterartige Elektrode ist an wenigstens einer Seitenfläche des Halbleiterkristalls angeordnet, d.h. nicht an den Flächen, an denen Anode und Kathode angeordnet sind.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor bereitzustellen, dessen Ortsauflösung erhöht ist, wobei jedoch der zum Auslesen der Signale erforderliche elektronische Aufwand nicht wesentlich erhöht ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor nach Anspruch 1 gelöst.
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Demnach weist ein erfindungsgemäßer Sensor einen Halbleiterkörper auf, der sich zwischen einer ersten Endfläche und einer zweiten Endfläche, die parallel zueinander ausgerichtet sind erstreckt und aus Halbleitermaterial gebildet ist. Dabei ist an der ersten Endfläche eine elektrische Kontaktfläche ausgebildet, die sich im Wesentlichen über die gesamte erste Endfläche erstreckt, und an der zweiten Endfläche ist eine Mehrzahl elektrischer Auslesekontakte vorgesehen, die jeweils zur Verbindung mit einer Auslese- und Analyseeinheit ausgebildet sind. Erfindungsgemäß sind dabei innerhalb des Halbleiterkörpers mehrere Schichten aus voneinander beabstandeten, in der durch die Schichten definierte Ebenen angeordnete dotierte Gebiete als Streuzentren vorgesehen sind.
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Insbesondere können die Streuzentren rasterförmig in jeweils einer Schicht angeordnet sein, wobei unter dem Begriff "rasterförmig" in diesem Zusammenhang eine Anordnung der Streuzentren in der Schicht verstanden wird, bei der die Streuzentren regelmäßig und einheitlich von einander beabstandet angeordnet sind. Dies kann beispielsweise in Form eines Rechteckgitters erfolgen. Es sind aber auch andere regelmäßige Anordnungen denkbar, die als rasterförmig im Sinne der vorliegenden Erfindung angesehen werden.
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Diese Schichten aus Streuzentren sind jeweils parallel zu den Endflächen des Halbleiterkörpers ausgerichtet und senkrecht zu den Endflächen voneinander beabstandet angeordnet. Dabei sind die Streuzentren von unmittelbar benachbarten Schichten parallel zur Verlaufsrichtung der Schichten gegeneinander versetzt angeordnet. Dies bedeutet, dass die Projektionen der Mittelpunkte der Streuzentren einer Schicht auf eine unmittelbar benachbarte Schicht nicht mit den Mittelpunkten der Streuzentren dieser zweiten Schicht zusammenfallen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensor ist schließlich vorgesehen, dass die als Streuzentrum bezeichneten Bereiche innerhalb des Halbleiterkörpers eine andere Dotierung als der diese umgebende Halbleiterkörper aufweisen, vorzugsweise eine p-Dotierung, wobei dadurch in einem elektrischen Feld zwischen den Endflächen repulsive Bereiche für die driftenden freien elektrischen Ladungen an den Stellen der Streuzentren gebildet sind.
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Eine in Richtung der Auslesekontakte driftende Ladungswolke aus freien Ladungen kann den repulsiven Bereich eines Streuzentrums, das auf der direkten Driftstrecke hin zu einem Auslesekontakt liegt, nicht überwinden. Dadurch ist die Ladungswolke gezwungen, sich aufzuteilen und sich an dem Streuzentrum vorbei zu bewegen. Im Idealfall wird bei dem ersten Auftreffen der Ladungswolke auf ein Streuzentrum eine gleichmäßige Verteilung der Ladungswolke seitlich von dem Streuzentrum erreicht. Die geteilte Ladungswolke trifft im weiteren Verlauf des Driftweges auf ein Streuzentrum einer benachbarten Schicht, wo die Teile der Ladungswolke wiederum aufgeteilt werden, um an dem weiteren Streuzentrum vorbei zu driften.
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Durch das wiederholte Aufteilen an den Streuzentren jeder weiteren darauf folgenden Schicht von Streuzentren wird die ursprünglich von dem geladenen Teilchen erzeugte Ladungswolke aus freien elektrischen Ladungen somit in lateraler Richtung, d.h. in Verlaufsrichtung der Schichten, aufgeweitet. Dabei sollten vorzugsweise so viele Schichten von Streuzentren vorgesehen sein, dass der Umfang der Aufweitung der Ladungswolke parallel zu den Endflächen in der Größenordnung des Abstands zweier benachbarter Auslesekontakte liegt. Dadurch ist sichergestellt, dass eine Verteilung der Ladungen auf mindestens zwei Auslesekontakte eine verbesserte Positionsbestimmung des Entstehungsortes der Ladungswolke ermöglicht. Damit ist die Ortsauflösung eines erfindungsgemäßen Sensors im Wesentlichen bestimmt durch den Abstand der Streuzentren einer Schicht untereinander und der Anzahl der vorgesehenen Schichten und somit von der Geometrie der Auslesekontakte entkoppelt. Dies hat den Vorteil, dass auch mit einer geringeren Anzahl von Auslesekontakten eine große Ortsauflösung erreicht werden kann, wobei ausgenutzt wird, dass durch die Aufteilung der aus einer erzeugten Ladungswolke entstehenden Signal an benachbarten Auslesekontakten rechnerisch auf den Entstehungsort zugeschlossen werden kann.
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Es ist dabei bevorzugt, zwei unmittelbar benachbarte Schichten derart relativ zueinander anzuordnen, dass die Projektion jedes Streuzentrums der einen Schicht senkrecht zu den Schichten auf die andere Schicht auf der Verbindungslinie zwischen zwei benachbarten Streuzentren der anderen Schicht liegt. Als einfachste Variante einer solchen möglichen rasterförmigen Anordnung ist dabei vorstellbar, dass die Streuzentren einer Schicht jeweils die Schnittpunkte eines Rechteckgitters bilden. Dadurch sind die Streuzentren entlang zweier senkrechter Richtungen, den Verbindungslinien benachbarter Streuzentren, äquidistant beabstandet angeordnet. Die entlang einer Verbindungslinie der ersten Schicht versetzt angeordnete zweite Schicht ermöglicht somit, dass deren Streuzentren, genauer deren senkrechte Projektion auf die erste Schicht, auf einer Verbindungslinie benachbarter Streuzentren der ersten Schicht angeordnet sind. Dadurch wird gewährleistet, dass Streuzentren aus jeder Schicht, die auf der Driftstrecke zwischen dem Entstehungsort der freien Ladungsträger und der zweiten Endfläche des Halbleiterkörpers liegen, zu der Verbreiterung der Ladungswolke entlang einer Verbindungslinie beitragen.
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Um eine möglichst gleichförmige und symmetrische Verbreiterung der ursprünglichen Ladungswolke ohne Vorzugsrichtung zu erreichen, ist es zusätzlich vorteilhaft, wenn zwei unmittelbar benachbarte Schichten derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die Projektion jedes Streuzentrums der einen Schicht senkrecht zu den Schichten auf die andere Schicht mittig auf der Verbindungslinie zwischen zwei benachbarten Streuzentren der anderen Schicht liegt.
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Es ist auch möglich, dass die Streuzentren als sich parallel zueinander erstreckende, ggf. unterbrochene Streifen ausgebildet sind, die vorzugsweise über den gesamten Bereich zwischen den Außenflächen, die die beiden Endflächen miteinander verbinden, durch den Halbleiterkörper verlaufen. Dabei sind die Auslesekontakte ebenfalls streifenförmig ausgebildet und verlaufen parallel zu den Streifen. Dann ergibt sich, dass der Querschnitt durch den Halbleiterkörper senkrecht zur Erstreckungsrichtung der streifenförmigen Streuzentren gleich ist, sich also entlang der Erstreckungsrichtung der Streuzentren nicht ändert. Bei diesem Aufbau wird dann weiter erreicht, dass eine Landungswolke in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Streuzentren aufgeweitet wird und damit an mehreren Auslesekontakten Signale erzeugt werden, aus denen dann wiederum der Ort der Entstehung der Ladungswolke rekonstruiert werden kann.
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Damit eine Ladungswolke effektiv an aufeinander folgenden Schichten aufgeteilt wird und die Streuzentren benachbarter Schichten bei diesem Aufbau versetzt sind, ist es bevorzugt, wenn die Projektion der Mittelachse jedes Streifens einer Schicht auf die unmittelbar benachbarte Schicht zwischen zwei Mittelachsen zweier Steifen der unmittelbar benachbarten Schicht liegt.
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Um ausgehend von dem Ort ihrer Entstehung eine symmetrische Aufteilung der Ladungswolke zu erreichen, ist weiter bevorzugt, wenn die Projektion der Mittelachse jedes Streifens einer Schicht auf die unmittelbar benachbarte Schicht mittig zwischen zwei Mittelachsen zweier Steifen der unmittelbar benachbarten Schicht liegt
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Als Material des Halbleiterkörpers sind zunächst alle gängigen Halbleitermaterialien denkbar, dabei kann das Material ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Si, Ge, Diamant, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb, InAIP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe und InGaAs.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleiterkörper aus p-dotiertem Silizium gebildet, und die Streuzentren weisen eine p-Dotierung, vorzugsweise eine p-Dotierung mit Bor-Atomen, mit einer Konzentration im Bereich von 1·1013 1/cm3 bis 5·1015 1/cm3 auf.
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Weiter ist bevorzugt, dass die erste Kontaktfläche des Halbleiterkörpers, auf die geladenen Teilchen oder Photonen zunächst auftreffen, als p-dotierte Schicht ausgebildet ist. Dadurch wirkt im Wesentlichen der Bereich der gesamten ersten Endfläche des Halbleiterkörpers, an dem diese Kontaktfläche ausgebildet ist, repulsiv auf freie negative elektrische Ladungen, wie etwa freie Elektronen. Diese sind in einem zwischen der ersten und zweiten Endfläche ausgebildeten elektrischen Feld dazu gezwungen, in Richtung der zweiten Endfläche, an der die Auslesekontakte vorgesehen sind, zu driften.
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Dabei ist die Bewegung einer Ladungswolke nicht im wörtlichen Sinne zu verstehen. Dieser Begriff beschreibt vielmehr, dass eine räumlich ausgedehnte Ladungsverteilung, die in dem Halbleiterkörper aus einer Vielzahl von freien Ladungsträgern gebildet ist, aufgrund des Potentialgefälles zwischen den Endflächen mit der Zeit entlang der Feldlinien in Richtung der Auslesekontakte diffundiert.
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In einer weiteren Ausführungsform können zusätzlich im Zwischenraum zweier benachbarter Streuzentren einer Schicht sogenannte Verstärkerbereiche vorgesehen sein, deren Dotierung dazu angepasst ist, elektrische Ladungen, die diesen Bereich passieren, zu verstärken. Durch die Aufteilung der Ladungswolke an den Streuzentren wird die Ladungsdichte mit jedem Aufteilungsprozess verringert. Dies verringert die Signalstärke an einzelnen Auslesekontakten und verschlechtert zwangsläufig das Signal-Rausch-Verhältnis an den Auslesekontakten. Durch das Vorsehen von Verstärkerbereichen im Zwischenraum zweier benachbarter Streuzentren einer Schicht, können die jeweiligen Anteile der Ladungsverteilung verstärkt werden, sodass die Ladungsmenge insgesamt erhöht wird, ohne die Verteilung zu beeinflussen.
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Alternativ oder ergänzend zu den zwischen den Streuzentren einer Schicht vorgesehenen Verstärkerbereichen kann wenigstens ein parallel beabstandet zu den Schichten verlaufender Verstärkerbereich vorgesehen sein, dessen Dotierung dazu angepasst ist, elektrische Ladungen, die diesen Bereich passieren, zu verstärken.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Dotierung der Verstärkerbereiche ein Dotierungsprofil ähnlich dem eines Lawinendetektors aufweist. Dabei weist jeder Verstärkerbereich eine erste Schicht und eine sich an die erste Schicht anschließende zweite Schicht auf, die parallel zueinander und parallel zu den Endflächen verlaufen, wobei die erste Schicht der ersten Endfläche am nächsten ist, wobei die erste Schicht aus n-dotiertem Material des Halbleiterkörpers gebildet ist und wobei die zweite Schicht aus p-dotiertem Material des Halbleiterkörpers gebildet ist.
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Bei dieser Ausführungsform bildet sich im Grenzbereich zwischen der ersten und zweiten Schicht ein Bereich sehr hoher Feldstärkeverteilung, in dem die Ladungsträger stark beschleunigt werden und durch Stoßprozesse weitere freie Ladungsträger erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand ein lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnungen erläutert, wobei
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1 einen Querschnitt durch ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zeigt,
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2 einen Querschnitt einer simulierte Feldstärkeverteilung im Ausführungsbeispiel aus 1 zeigt,
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung zur Funkionsweise des Ausführungsbeispiels aus 1 ist,
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4 einen Querschnitt durch ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zeigt,
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5 einen Querschnitt durch ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zeigt und
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6 einen vergrößerten Ausschnitt aus 5 zeigt.
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Wie aus 1 hervorgeht, weist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors einen Halbleiterkörper 1 auf, der in diesem Ausführungsbeispiel aus p-dotiertem Silizium (Si) mit einer Akzeptorkonzentration zwischen 1·1012 1/cm3 und 1·1013 1/cm3 gebildet ist und der sich zwischen einer ersten Endfläche 3 und einer zweiten Endfläche 5 erstreckt, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Es ist aber auch denkbar, dass andere Halbleitermaterialien in gleicher Weise verwendet werden können. Dieser Sensor kann mit einer entsprechend angepassten Ausleseelektronik zu einem Detektor kombiniert werden.
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Dabei sind die Endflächen 3, 5 in diesem Ausführungsbeispiel durch ebene Flächen gebildet. Es sind für einen erfindungsgemäßen Sensor aber auch anders geformte Halbleiterkörper bzw. Endflächen wie etwa gekrümmte Endflächen denkbar. Dies kann dann vorteilhaft sein, um beispielsweise Kugelsymmetrien mit einem Sensor besser abbilden zu können.
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An der ersten Endfläche 3 ist eine Kontaktfläche 7 ausgebildet, die sich im Wesentlichen über die gesamte erste Endfläche 3 erstreckt. Die Kontaktfläche 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine p-dotierte Schicht im Si des Halbleiterkörpers 1 mit einer Akzeptorkonzentration zwischen 1·1016 1/cm3 und 1·1019 1/cm3 ausgebildet.
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An der zweiten Endfläche 5 sind bei der hier beschriebenen Ausführungsform eine Vielzahl von streifenförmigen Auslesekontakten 9 gezeigt. Diese können grundsätzlich aber auch in Form von Pixeln ausgeführt sein. Die Auslesestreifen oder -kontakte 9 erstrecken sich in Längsrichtung senkrecht zur gezeigten Schnittebene, und die Auslesekontakte 9 sind im Messbetrieb in herkömmlicher Weise mit einer Auslese- und Analyseeinheit (nicht dargestellt) über Leitungen verbunden.
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Der Halbleiterkörper 1 weist einen Bereich 11 auf, in dem Streuzentren 13, 13' vorgesehen sind, die rasterförmig in Schichten 15 angeordnet sind, wobei die Schichten 15 sich parallel zueinander und parallel zu den Endflächen 3, 5 erstrecken und mit einem Abstand D voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Streuzentren 13, 13' sind dabei ebenfalls in Form von sich parallel zueinander erstreckenden Streifen ausgebildet, so dass sich der Querschnitt durch den Halbleiterkörper 1 senkrecht zu den streifenförmigen Streuzentren 13, 13', wie er in 1 dargestellt ist, entlang der Streuzentren 13, 13' nicht ändert. Die streifenförmigen Streuzentren 13, 13' können ggf. Unterbrechungen aufweisen, und verlaufen über den gesamten Bereich zwischen den Außenflächen, die die beiden Endflächen 3, 5 miteinander verbinden, durch den Halbleiterkörper 1. Außerdem verlaufen die streifenförmigen Streuzentren 13, 13' hier auch parallel zu den streifenförmigen Auslesekontakten 9.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Streuzentren 13, 13' einer Schicht 15 derart rasterförmig angeordnet, dass die Mittelachsen 16 der Streuzentren 13, 13' jeder Schicht 15 senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung gemessen einen einheitlichen Abstand d voneinander haben. Die einzelnen streifenförmigen Streuzentren 13, 13' sind dabei durch Bereiche des Halbleiterkörpers 1 gebildet, die eine vom übrigen Halbleiterkörper 1 abweichende Dotierung aufweisen.
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Im hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem Halbleiterkörper 1 aus Si sind die Streuzentren 13, 13' durch mit Bor p-dotiertes Si gebildet, wobei die Bor-Konzentration im Bereich der Streuzentren 13, 13' zwischen 1·1013 1/cm3 und 5·1015 1/cm3 liegt. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Bor-Konzentration im Bereich der Streuzentren 5·1014 1/cm3. Diese lokale und sich nicht über eine zusammenhängende Schicht erstreckende Bor-Konzentration kann beispielsweise durch Ionen-Implantation erzeugt werden. Dabei ist es auch denkbar, dass die Ionen-Implantation mit einem Epitaxie-Verfahren kombiniert wird, um den Halbleiterkörper 1 mit den Streuzentren 13, 13' aufzubauen.
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Wie aus 1 weiter hervorgeht, sind die Streuzentren 13, 13' zweier unmittelbar benachbarter Schichten 15 parallel zur Verlaufsrichtung der Schichten 15 versetzt angeordnet. Insbesondere ist zu erkennen, dass zwei unmittelbar benachbarte Schichten 15 derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die Projektion der Mittelachse 16 jedes Streuzentrums 13 der einen Schicht 15 senkrecht zu den Schichten 15 auf die andere Schicht 15 mittig zwischen zwei Mittelachsen 16 benachbarter Streuzentren 13' der anderen Schicht 15 liegt.
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In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Mittelachsen 16 der Streuzentren 13, 13' zweier benachbarter Schichten um einen halben Abstand d der Streuzentren 13, 13' in einer Schicht 15 versetzt angeordnet. Dies bedeutet, dass in senkrechter Richtung zu den zwei Endflächen 3, 5 gesehen die Mittelachsen 16 von Streuzentren 13 der einen Schicht 15 mittig zwischen den Mittelachsen 16 zweier Streuzentren 13' einer unmittelbar benachbarten Schicht 15 liegen.
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An der zweiten Endfläche 5 sind, wie eingangs erläutert, die streifenförmigen, parallel zu den Streuzentren 13, 13' verlaufenden Auslesekontakte 9 ausgebildet, von denen in 1 einer gezeigt ist und die aus einer ersten, aus dotiertem Material des Halbleiterkörpers 1 gebildeten Anschlussschicht 17, einer zweiten Passivierungsschicht 19, die hier aus SiO2 gebildet ist und sich über die gesamte zweite Endfläche 5 erstreckt, sowie einer dritten Kontaktschicht 21, die beispielsweise aus Aluminium gebildet sein kann, aufgebaut sind. Die Anschlussschicht 17 ist durch n-dotiertes Si des Halbleiterkörpers 1 gebildet und weist in dem hier beschriebenen Ausführungsbei spiel eine Donatorkonzentration im Bereich zwischen 1·1016 1/cm3 und 1·1019 1/cm3 auf.
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Die Kontaktschicht 21 weist eine Oberfläche 23 auf, die von dem Halbleiterkörper 1 weg weist und zur Verbindung mit einer Leitung zur Auslese- und Analyseeinheit (nicht dargestellt) vorgesehen ist.
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Der in 1 gezeigte Bereich des erfindungsgemäßen Sensors muss dabei als ein Ausschnitt aus dem gesamten Sensor angesehen werden, die sich in lateraler Richtung, also parallel zu den Endflächen über den gezeigten Ausschnitt hinaus erstreckt.
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In 2 ist eine Simulation einer elektrischen Feldstärkeverteilung für einen Sensor ähnlich wie in 1 aufgebaut dargestellt, wobei für die Simulation angenommen wurde, dass zwischen der Kontaktfläche 7 und der zweiten Endfläche 5 eine Vorspannung von 500 Volt anliegt. Dabei sind die in dieser Darstellung enthaltenen Linien Äquipotentiallinien 24.
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Der Bereich 11 der Streuzentren 13 ist in dieser Simulation durch vier relativ zueinander versetzt angeordnete Schichten 15 gebildet, und an der zweiten Endfläche 5 sind drei Auslesekontakte 9 vorgesehen. Die Streuzentren 13 weisen hier eine Ausdehnung in der Ebene der jeweiligen Schicht 15 von 6 µm auf, wobei in einer Schicht 15 alle 15 µm jeweils ein Streuzentrum 13 positioniert ist. Über den gesamten Verlauf zwischen der ersten Endfläche 3 und der zweiten Endfläche 5 fällt die elektrische Feldstärke ab. Durch die vorgenommene Wahl der Dotierungen bilden sich um die Streuzentren 13 für negative Ladungsträger repulsive Bereiche, die aber nicht stark genug ausgebildet sind, ein Driften der Ladungen in Richtung der Auslesekontakte 9 insgesamt zu verhindern. Vielmehr werden Ladungen gezwungen, sich an diesen Bereichen aufzuteilen und seitlich auszuweichen.
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Die Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels ist schematisch in 3 dargestellt. Wenn im Bereich der ersten Endfläche 3 ein geladenes Teilchen oder auch ein Photon in den Sensor einschlägt, driftet, wie in 3 dargestellt, eine Ladungswolke 25 im elektrischen Feld zwischen den Endflächen 3, 5 direkt auf ein Streuzentrum 13 zu. In einem solchen Fall ist die Wahrscheinlichkeit, links oder rechts an dem Streuzentrum 13 vorbei zu driften, in etwa gleich hoch und die Ladungswolke 25 teilt sich zu gleichen Teilen auf. An der nächsten Schicht 15 teilen sich die einzelnen Teile der Ladungswolke 23 wiederum auf, wodurch Teile der Ladungswolke 25 in der Mitte wieder zusammengeführt werden (C).
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Eine derartige Abfolge von Aufteilungen der Ladungswolke 23 führt zu einer binomialen Ladungsverteilung in lateraler Richtung. Entsprechend 3 ist die Ladungsverteilung jeweils zwischen zwei Streuzentren 13 in der ersten Schicht 15a 1, an der zweiten Schicht 15b 1/2, 1/2, an der dritten Schicht 15c 1/4, 1/2, 1/4 und an der dritten Schicht 1/8, 3/8, 3/8, 1/8.
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Die Abstände der Auslesekontakte 9 sowie die Anzahl und der Abstand der Schichten 15 sind vorzugsweise so gewählt, dass die Größe der lateralen Aufweitung mindestens dem Abstand w zweier benachbarter Auslesekontakte 9 entspricht.
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Aus dem Verhältnis der an den Auslesekontakten 9 ausgelesenen Signalstärken lässt sich dann die ursprüngliche Position beziehungsweise der Entstehungsort der Ladungswolke 23 genau rekonstruieren. Dabei kommt es für die Ortauflösung nicht darauf an, in welchem Abstand die Auslesekontakte auf der zweiten Endfläche 5 angeordnet sind. Maßgeblich sind vielmehr der Abstand der Streuzentren 13 in der Ebene der Schichten 15 sowie die Anzahl der Schichten 15.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, das in 4 gezeigt ist, sind die Streuzentren 13, 13' von benachbarten Schichten 15 nicht um den halben Abstand d relativ zueinander versetzt angeordnet. Die Mittelachsen 16 der Streuzentren 13, 13' sind dabei vielmehr so angeordnet, dass die senkrechte Projektion der Mittelachse 16 eines Streuzentrums 13 teilweise auf ein Streuzentrum 13' einer unmittelbar benachbarten Schicht 15 fällt aber dennoch versetzt zu deren Mittelachse 16 ist. Dadurch ergibt sich für eine Ladungswolke 23 eine Vorzugsrichtung parallel zur Ebene der Schichten. Die Streuzentren 13, 13' in den Schichten 15 sind dabei so angeordnet, dass links von dem dargestellten Auslesekontakt 9 die meisten Ladungen zum linken benachbarten, nicht dargestellten Auslesekontakt geführt werden, während Ladungen rechts von dem dargestellten Auslesekontakt 9 hin zu dem rechten benachbarten, ebenfalls nicht dargestellten Auslesekontakt gestreut werden. Somit wird in dieser Ausführungsform eine Ladungswolke 23 auf höchstens zwei Auslesekontakte 9 verteilt.
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Das in 5 dargestellte, dritte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel aus 1 dadurch, dass es zwischen zwei benachbarten Streuzentren 13 einer Schicht 15 streifenförmige, sich parallel zu den Streuzentren erstreckende Verstärkerbereiche 27 aufweist, die dazu dienen, die Zahl der elektrischen Ladungen zu erhöhen, um so zu erreichen, dass das an den Auslesekontakte 9 entstehende Signal insgesamt erhöht wird. Die räumliche Ausdehnung dieser Verstärkerbereiche 27 liegt in derselben Größenordnung wie die räumliche Ausdehnung der Streuzentren 13, bevorzugt also im unteren Mikrometerbereich. Außerdem ist eine parallel beabstandet zwischen zwei Schichten 15 verlaufender Verstärkerbereich 27' vorgesehen ist, dessen Dotierung ebenfalls dazu angepasst ist, elektrische Ladungen, die diesen Bereich passieren, zu verstärken.
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Dabei können die Verstärkerbereiche 27 in analoger Weise wie die Streuzentren 13 in den Halbleiterkörper 1 eingebracht werden, also beispielsweise durch Implantation während eines epitaktischen Schichtwachstums des Halbleiterkörpers 1.
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Um einen verstärkenden Einfluss auf die Zahl der Ladungen zu nehmen, die die Verstärkerbereich 27, 27' auf ihrer Driftstrecke zu den Auslesekontakten 9 passieren, ist die Dotierung der Verstärkerbereiche 27 dazu angepasst, die örtliche Ladungsdichte zu verstärken. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen die Verstärkerbereiche 27 ein Dotierungsprofil auf, das ähnlich eines Lawinendetektors aufgebaut und in 6 dargestellt ist. Dabei sind innerhalb jedes Verstärkerbereichs 27 zwei Schichten unterschiedlicher Dotierungen benachbart zueinander angeordnet.
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Entsprechend einem Lawinendetektor sind eine erste Schicht 29 und eine sich an die erste Schicht anschließende zweite Schicht 31, die parallel zueinander und parallel zu den Endflächen 3, 5 verlaufen, wobei die erste Schicht 29 der ersten Endfläche 3 am nächsten ist bzw. zu dieser weist. Die erste Schicht 29 ist aus n-dotiertem Material des Halbleiterkörpers 1 gebildet, während die zweite Schicht 31 aus p-dotiertem Material des Halbleiterkörpers 1 gebildet ist. Der Grenzbereich der ersten und zweiten Schicht 29, 31 ist somit ein Bereich sehr hoher Feldstärkeverteilung, in dem die Ladungsträger stark beschleunigt werden und durch Stoßionisation weitere Ladungsträger erzeugen.
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Dabei ist die Ladungsdichte nach Verlassen der Verstärkerbereiche 27, 27' proportional zu der Ladungsdichte beim Eintritt in die Verstärkerbereiche 27, 27' verstärkt. Auf diese Weise kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis an den Auslesekontakten 9 deutlich verbessert werden, und dem Nachteil der Verringerung der Ladungsdichte bei lateraler Aufweitung der ursprünglichen Ladungswolke 25 wird entgegengewirkt.
