DE102015122105B4

DE102015122105B4 - Strahlungsdetektor und eine Anordnung mit demselben

Info

Publication number: DE102015122105B4
Application number: DE102015122105.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dietzinger; Florian Wiest; Peter Iskra
Original assignee: KETEK GmbH
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: DE102015122105A1

Abstract

Es wird ein Strahlungsdetektor mit einer Mehrzahl von Detektorzellen angegeben, die in einem Detektorzellenfeld angeordnet sind, wobei: die Detektorzellen jeweils einen aktiven Bereich aufweisen und zur Strahlungsdetektion ausgebildet sind, der Strahlungsdetektor so ausgelegt ist, dass zu detektierende Strahlung über eine Strahlungsdurchtrittsfläche der jeweiligen Detektorzelle in diese Detektorzelle eintritt und im aktiven Bereich dieser Detektorzelle unter Ladungsträgererzeugung absorbiert wird, die jeweilige Detektorzelle zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist, wobei im Betrieb des Strahlungsdetektors mittels der freien Ladungsträger ein Zellensignal erzeugt wird, der Strahlungsdetektor eine Schicht aufweist, die sich über die Strahlungsdurchtrittsflächen verschiedener Detektorzellen erstreckt, wobei die Schicht für die zu detektierende Strahlung durchlässig ist, und wobei die Schicht eine erste Oberfläche aufweist, die den Detektorzellen zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche aufweist, die von den Detektorzellen abgewandt ist, wobei eine Dicke d der Schicht geeignet gewählt ist.

Description

Es wird ein Strahlungsdetektor mit einer Mehrzahl von Detektorzellen angegeben.
In den Druckschriften US 2011/0169117 A1 und DE 10 2011 110 689 A1 ist jeweils ein Strahlungsdetektor mit einer Mehrzahl von Detektorzellen beschrieben. Die Druckschrift DE 10 2011 013 229 A1 behandelt Strahlungsdetektoren mit einer Absorberschicht oder einer zur Strahlungsablenkung dienenden Strukturierung. Die Druckschrift US 2010/0053594 A1 behandelt die Reduktion von Sekundärphotonen durch absorbierende Materialien in mehreren Strahlenwegen.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen neuen Strahlungsdetektor, vorzugsweise einen verbesserten Strahlungsdetektor, mit einer Mehrzahl von Detektorzellen anzugeben.
Diese Aufgabe wird beispielsweise durch die in den Patentansprüchen definierten Gegenstände gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Detektorzellen des Strahlungsdetektors in einem Detektorzellenfeld angeordnet. Die Detektorzellen des Strahlungsdetektors können das Detektorzellenfeld definieren. Das Detektorzellenfeld kann einen Außenrand aufweisen. Der Außenrand kann von den Detektorzellen bestimmt sein. Das Detektorzellenfeld kann eine Anordnung der Detektorzellen in einer Mehrzahl von Zeilen und einer Mehrzahl von Spalten aufweisen. Zweckmäßigerweise sind alle Detektorzellen des Strahlungsdetektors innerhalb des Feldes angeordnet. Die Detektorzellen des Strahlungsdetektors sind vorzugsweise allesamt gleich aufgebaut.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Detektorzellen jeweils einen aktiven Bereich auf. Die Detektorzellen sind weiterhin zur Strahlungsdetektion ausgebildet. Die aktiven Bereiche verschiedener Detektorzellen sind zweckmäßigerweise voneinander beabstandet. Verschiedene Detektorzellen weisen also vorzugsweise gesonderte aktive Bereiche auf. Der Strahlungsdetektor ist zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass zu detektierende Strahlung über eine Strahlungsdurchtrittsfläche der jeweiligen Detektorzelle in diese Detektorzelle eintritt. Im aktiven Bereich dieser Detektorzelle kann die Strahlung unter Ladungsträgererzeugung absorbiert werden. Die Detektorzellen weisen vorzugsweise gesonderte Strahlungsdurchtrittsflächen auf. Die jeweilige Strahlungsdurchtrittsfläche kann durch ein, vorzugsweise dotiertes, Halbleitermaterial gebildet sein. Der aktive Bereich kann in einem Halbleitermaterial gebildet sein. Die jeweilige Detektorzelle kann zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet sein. Im Betrieb des Strahlungsdetektors kann mittels der freien Ladungsträger ein Zellensignal erzeugt oder erhalten werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Strahlungsdetektor eine Schicht auf. Die Schicht erstreckt sich vorzugsweise über die Strahlungsdurchtrittsflächen verschiedener Detektorzellen. Die Schicht kann für die zu detektierende Strahlung durchlässig sein. Für die Strahlung durchlässig kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die Transmission oder der Transmissionsgrad der Schicht für die jeweilige Strahlung größer oder gleich 75%, bevorzugt größer oder gleich 80%, besonders bevorzugt größer oder gleich 85% oder größer oder gleich 90%, ist.
Die Schicht kann optisch und/oder mechanisch an die Detektorzellen angebunden sein. Insbesondere kann die Schicht auf den Detektorzellen abgeschieden sein. Die Schicht kann als durchgehende Schicht ausgeführt sein. Die Schicht weist bevorzugt eine erste Oberfläche auf, die den Detektorzellen zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche, die von den Detektorzellen abgewandt ist. Über die zweite Oberfläche der Schicht kann zu detektierende Strahlung in den Strahlungsdetektor eintreten. Über die erste Oberfläche kann die Strahlung in Richtung der Detektorzellen aus der Schicht austreten. Die Schicht kann elektrisch isolierend sein. Die Schicht kann ein Glas enthalten. Die Schicht kann ein Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, enthalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Schicht eine Dicke d auf. Die Dicke d kann durch den Abstand zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche definiert sein.
Für den Fall, dass hier und im Folgenden Größen spezifiziert werden, die sich über den gesamten Strahlungsdetektor gesehen ändern können, wie beispielsweise die genannte Dicke der Schicht oder weiter unten genannte Abmessungen, so kann im Zweifel das Maximum, das Minimum oder ein Mittelwert, beispielsweise das arithmetische oder geometrische Mittel der jeweiligen Größe, vorzugsweise über den gesamten Strahlungsdetektor gesehen, herangezogen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke der Schicht gezielt gering gewählt. Dies hat einige Vorteile, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die jeweilige Detektorzelle eine laterale Abmessung B auf. Die laterale Abmessung ist beispielsweise eine Längsabmessung, wie die Länge, oder eine Querabmessung, wie die Breite. Die laterale Abmessung ist vorzugsweise in Aufsicht auf die Strahlungsdurchtrittsfläche der jeweiligen Detektorzelle bestimmt. Vorzugsweise ist die Längsabmessung der Detektorzellen gleich der Querabmessung. Beispielsweise können die Detektorzellen quadratisch ausgeführt sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke d der Schicht kleiner oder gleich der lateralen Abmessung B einer der Detektorzellen, zweckmäßigerweise kleiner oder gleich der lateralen Abmessung B einer jeden Detektorzelle des Strahlungsdetektors.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke d der Schicht so gewählt, dass

a) die Dicke d der Schicht kleiner oder gleich der lateralen Abmessung B einer der Detektorzellen ist, wobei die laterale Abmessung in Aufsicht auf die Strahlungsdurchtrittsfläche, insbesondere dieser Detektorzelle, bestimmt ist, und/oder
b) die Dicke d kleiner oder gleich 50 μm ist, und/oder
c) für in die Schicht eingetretene Strahlung, die unter einem Einfallswinkel α von größer oder gleich 15° auf die erste oder zweite Oberfläche trifft gilt: 2·d·tan(α) ≤ X, wobei X = B und/oder X = 50 μm ist, wobei der Winkel α relativ zum Lot der jeweiligen Oberfläche gemessen werden kann, und/oder
d) die Dicke d der Schicht kleiner oder gleich als das 3-fache des Abstandes W zwischen den aktiven Bereichen zweier benachbarter Detektorzellen ist.

Die in die Schicht eingetretene Strahlung kann dabei die zu detektierende Strahlung sein (im Folgenden auch: Primärstrahlung) und/oder eine, zum Beispiel im Laufe der Lawinenmultiplikation, in einer Detektorzelle erzeugte und aus der Detektorzelle in die Schicht eingetretene Strahlung (im Folgenden auch: Sekundärstrahlung) sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke d der Schicht so gering gewählt, dass der Abstand des Ausgangspunktes eines Lichtstrahls von einer der Oberflächen der Schicht – erste Oberfläche oder zweite Oberfläche – zu einem Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf derselben Oberfläche nach, insbesondere genau einmaliger, Reflexion an der anderen Oberfläche – also der zweiten bzw. ersten Oberfläche – möglichst gering ist. Der Ausgangspunkt kann der Eintrittspunkt des Lichtstrahls in die Schicht über eine der Oberflächen sein. Dieser Abstand kann geringer als einer der oben genannten oder unten noch näher erläuterten Werte sein. Der genannte Abstand zwischen Eintrittspunkt und Auftreffpunkt kann insbesondere durch 2·d·tan(α) gegeben sein. Andererseits ist die Dicke d bevorzugt so groß gewählt, dass die Schicht ihre jeweilige Funktion, beispielsweise als Schutzschicht, noch erfüllen kann. Wenn die nach einmaliger Reflexion an einer der Oberflächen zurückgelegte Wegstrecke eines Lichtstrahls gering ist, kann die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass die Strahlung unweit vom Ausgangspunkt wieder über die gleiche Oberfläche trifft.
Dies hat Vorteile bei der optischen Ankopplung des Strahlungsdetektors an andere Elemente und/oder hinsichtlich der Reduktion des optischen Übersprechens zwischen benachbarten Detektorzellen. Beispielsweise wird durch eine geeignet dünne Schicht die Wahrscheinlichkeit erheblich erhöht, dass Sekundärstrahlung wieder in der Detektorzelle absorbiert wird, in der sie erzeugt wurde, weil sie unweit vom Eintrittspunkt über die gleiche Oberfläche wieder aus der Schicht austreten kann. Damit wird die Wahrscheinlichkeit, dass Sekundärstrahlung in einer anderen Detektorzelle des Strahlungsdetektors absorbiert wird, erheblich verringert, was zwangsläufig zu einer Reduktion des optischen Übersprechens durch Sekundärstrahlung zwischen verschiedenen Detektorzellen führt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Abstand der ersten Oberfläche, die den Detektorzellen zugewandt ist, von der Strahlungsdurchtrittsfläche bzw. den Strahlungsdurchtrittsflächen kleiner oder gleich 2 μm, vorzugsweise kleiner oder gleich 1 μm, zum Beispiel kleiner oder gleich 500 nm, kleiner oder gleich 250 nm oder kleiner oder gleich 100 nm, zum Beispiel kleiner oder gleich 75 nm sein. Alternativ oder ergänzend ist der Abstand der ersten Oberfläche von der Strahlungsdurchtrittsfläche bzw. den Strahlungsdurchtrittsflächen kleiner oder gleich der Dicke d der Schicht. Damit ist der Gesamtstrahlungsweg zu der Detektorzelle innerhalb des Strahlungsdetektors vorteilhaft gering, da nicht nur die Schicht vorteilhaft dünn ausgeführt ist, sondern auch der Weg von der Schicht zur Detektorzelle vorteilhaft gering ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke d der Schicht so gewählt, dass

i) die Dicke d der Schicht kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 3B/4, 2B/3, B/2, B/3, B/4, B/5, B/10, und/oder
ii) die Dicke d kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 40 μm, 30 μm, 20 μm, 10 μm, 8 μm, 5 μm, und/oder
iii) 2·d·tan(α) ≤ X gilt, wobei X aus einem der unter i) oder ii) aufgeführten Werte ausgewählt ist, und/oder
iv) die Dicke d kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 3·W, 2,5·W, 2·W, 1,5·W, W.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Winkel α kleiner oder gleich einem der folgenden Werte: 89°, 85°, 80°, 78°, 75°, 70°, 65°, 60°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Winkel α größer oder gleich einem der folgenden Werte: 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°. Der Winkel α kann kleiner oder gleich einem der im vorherigen Absatz genannten Werte sein, wobei in diesem Fall die Untergrenze selbstverständlich ein Wert sein muss, der kleiner als der Wert für die Obergrenze aus dem vorherigen Absatz ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Winkel α größer oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion an einer der Oberflächen der Schicht, beispielsweise der zweiten Oberfläche der Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke der Schicht größer oder gleich 1 μm, bevorzugt größer oder gleich 2 μm, besonders bevorzugt größer oder gleich 3 μm. Mit derartigen Dicken kann die Schicht beispielsweise vereinfacht eine Funktion als Schutzschicht für darunterliegende Elemente des Strahlungsdetektors übernehmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen der Schicht und der Strahlungsdurchtrittsfläche der jeweiligen Detektorzelle eine Antireflexionsbeschichtung angeordnet. Die Antireflexionsbeschichtung kann eine oder eine Mehrzahl von Antireflexionsschichten aufweisen. Die jeweilige Antireflexionsschicht ist hierbei zweckmäßigerweise elektrisch isolierend. Bevorzugt ist die Antireflexionsbeschichtung für die im aktiven Bereich zu detektierende Strahlung optimiert. Die Dicke der Antireflexionsbeschichtung kann 200 nm oder weniger, vorzugsweise 100 nm oder weniger, beispielsweise 60 nm oder weniger, betragen. Die Antireflexionsbeschichtung kann auf einer Seite an die Schicht und auf der anderen Seite an die Strahlungsdurchtrittsfläche der Detektorzelle angrenzen. Die Antireflexionsbeschichtung kann durchgehend ausgeführt sein, sich also über eine Mehrzahl von oder die Gesamtheit der Detektorzellen erstrecken. Die Antireflexionsbeschichtung kann also auch in Bereichen des Strahlungsdetektors außerhalb der Strahlungsdurchtrittsflächen der Detektorzellen vorgesehen sein. Die Schicht und die Antireflexionsbeschichtung können die gleiche laterale Ausdehnung aufweisen und, insbesondere lateral, bündig miteinander abschließen. Weisen die Antireflexionsbeschichtung und die Schicht verschiedene Ausdehnungen auf, so ist die Ausdehnung der Schicht mit Vorzug größer. Alternativ können die Detektorzellen mit gesonderten Antireflexionsbeschichtungen versehen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform dient die zweite Oberfläche der Schicht als Strahlungseintrittsfläche in den Strahlungsdetektor. Die zweite Oberfläche der Schicht kann also eine Außenfläche des Strahlungsdetektors bilden. Insbesondere kann auf eine separate, dicke Verkapselungsschicht für den Strahlungsdetektor, beispielsweise eine Epoxidharzschicht und/oder eine Schicht mit einer Dicke von mehr als 200 μm, verzichtet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schicht als Ankoppelschicht zur optischen Ankopplung des Strahlungsdetektors an ein optisches Element, beispielsweise einen Szintillator, ausgebildet. Dient die Schicht zur Ankopplung an ein optisches Element, so kann die zu detektierende Strahlung dem Strahlungsdetektor über das optische Element zugeführt werden. Eine dünne Schicht verringert dabei die Wahrscheinlichkeit, dass diese Strahlung fortgesetzt in der Schicht reflektiert, beispielsweise totalreflektiert, wird. Damit wird auch die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Strahlung zu einer Detektorzelle gelangt, und nicht über eine Seitenfläche oder die zweite Oberfläche der Schicht wieder aus dem Strahlungsdetektor austritt, ohne ein Signal erzeugt zu haben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schicht als Gas- oder Vakuumkontaktschicht, also für den Kontakt zu einer Gasatmosphäre, beispielsweise Luft, oder einer Vakuumatmosphäre ausgebildet. Grenzt ein gasförmiges Medium oder Vakuum an die Schicht an, so kann an der zweiten Oberfläche der Schicht schon ab recht geringen Einfallswinkeln eine Totalreflexion, zum Beispiel von Sekundärstrahlung, auftreten, da gasförmige Medien oder Vakuum üblicherweise einen geringeren Brechungsindex aufweisen als Festkörper.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schicht als Schutzschicht, insbesondere als Kratzschutzschicht, ausgebildet. Die Schicht weist hierzu zweckmäßigerweise eine mechanische Stabilität auf, die größer ist als die zumindest eines der darunterliegenden Elemente, beispielsweise der Antireflexionsbeschichtung. Die Schutzschicht kann Elemente des Strahlungsdetektors vor mechanischer Belastung schützen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Detektorzellen jeweils zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung geeignet. Die Sekundärstrahlung kann beispielsweise während der Lawinenmultiplikation erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schicht derart ausgebildet, dass in einer ersten Detektorzelle erzeugte und an der von den Detektorzellen abgewandten zweiten Oberfläche der Schicht reflektierte, vorzugsweise totalreflektierte, Sekundärstrahlung am aktiven Bereich einer der ersten Detektorzelle benachbarten, vorzugsweise einer beliebigen benachbarten, zweiten Detektorzelle vorbeigelenkt wird. Vorzugsweise trifft die reflektierte Sekundärstrahlung wieder auf die erste Detektorzelle und/oder auf einen Bereich zwischen den aktiven Bereichen der ersten Detektorzelle und der zweiten Detektorzelle.
Auf diese Weise kann vermieden werden, dass in dem aktiven Bereich der durch die Primärstrahlung ausgelösten Detektorzelle erzeugte Sekundärstrahlung über die Schicht zu einer weiteren Detektorzelle gelangt und diese auslöst, obwohl die Primärstrahlung dort kein Signal erzeugt hätte. Die Zuverlässigkeit des Strahlungsdetektors wird so erhöht. Das optische Übersprechen zwischen verschiedenen Detektorzellen, das unter anderem über die Schicht erfolgen kann, kann durch eine dünn ausgebildete Schicht vorteilhaft verringert werden. Totalreflektierte Strahlung würde natürlich, wird die Schicht nicht geeignet dünn ausgebildet, in einem besonders großen Maß zum optischen Übersprechen beitragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schicht derart ausgebildet, dass an einem in Aufsicht gesehen von der zweiten Detektorzelle abgewandten Punkt der ersten Detektorzelle erzeugte und in die Schicht eintretende Sekundärstrahlung nicht zur zweiten Detektorzelle gelangt, beispielsweise wieder in die erste Detektorzelle zurückreflektiert wird und/oder in den Bereich zwischen den aktiven Bereiche der ersten Detektorzelle und der zweiten Detektorzelle gelangt, ohne in dem aktiven Bereich der zweiten Detektorzelle absorbiert zu werden, sodass jedenfalls in der zweiten Detektorzelle kein Signal erzeugt wird. Bevorzugt gilt dies gleichfalls für eine in der Mitte der ersten Detektorzelle erzeugte Sekundärstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Schicht für die Sekundärstrahlung durchlässig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Abstand W der aktiven Bereiche zweier benachbarter Detektorzellen kleiner oder gleich einem der folgenden Werte: B/2, B/4, 25 μm, 12 μm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die jeweilige Detektorzelle einen ersten Elektrodenbereich und einen zweiten Elektrodenbereich auf. Der jeweilige Elektrodenbereich kann in einem Halbleitermaterial, beispielsweise einem Halbleitersubstrat ausgebildet sein, vorzugsweise durch Dotierung. Der erste und zweite Elektrodenbereich sind bevorzugt für unterschiedliche Leitungstypen (p- bzw. n-leitend) dotiert. Zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenbereich kann der aktive Bereich oder die aktive Zone ausgebildet sein, in der einfallende Strahlung absorbiert werden kann und in der durch Lawinenmultiplikation die freien Ladungsträger generiert werden können. Die zweiten Elektrodenbereiche verschiedener Detektorzellen können Teilbereiche eines gemeinsamen Elektrodenbereichs sein. Die ersten Elektrodenbereiche sind verzugsweise nicht Teil eines gemeinsamen Elektrodenbereichs. Die ersten Elektrodenbereiche können also diskrete Elektrodenbereiche sein. Die laterale Abmessung einer Detektorzelle kann beispielsweise die laterale Ausdehnung des aktiven Bereichs und zusätzlich den Abstand zwischen dem aktiven Bereich der Detektorzelle zu dem aktiven Bereich einer einzelnen benachbarten Detektorzelle umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die laterale Abmessung einer Detektorzelle die laterale Ausdehnung des ersten Elektrodenbereichs dieser Zelle und den Abstand zwischen diesem ersten Elektrodenbereich zu dem ersten Elektrodenbereich genau einer benachbarten Zelle umfassen. Die ersten Elektrodenbereiche verschiedener Detektorzellen können über einen ersten Verbindungsleiter elektrisch leitend verbunden sein. Zwischen dem ersten Elektrodenbereich der jeweiligen Detektorzelle und dem ersten Verbindungsleiter kann jeweils noch ein Löschwiderstand angeordnet sein. Jeder Detektorzelle kann ein gesonderter Löschwiderstand zugeordnet sein. Der Löschwiderstand kann dazu dienen, den Strahlungsdetektor nach einem Detektionsvorgang schnell wieder in den Ausgangszustand zurückzuversetzen und so wieder für eine neue Strahlungsdetektion vorzubereiten. Zweckmäßigerweise weist der Detektor eine Mehrzahl erster Verbindungsleiter auf, die erste Elektrodenbereiche von Detektorzellen aus verschiedenen, vorzugsweise disjunkten, Detektorzellengruppen elektrisch leitend miteinander verbinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Strahlungsdetektor ein Substrat auf. Die Detektorzellen können über das Substrat verteilt angeordnet sein, wobei die Strahlungsdurchtrittsflächen vorzugsweise zur gleichen Seite weisen. Die Detektorzellen können im Substrat definiert sein, beispielsweise durch Implantation oder Diffusion von Dotierstoffen zur Ausbildung des ersten und/oder zweiten Elektrodenbereichs. Der jeweilige Elektrodenbereich kann ein dotierter Bereich des Substrates sein. Das Substrat kann ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, enthalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verhältnis des Flächeninhaltes des Detektorzellenfeldes, also der Fläche innerhalb des Außenrands, zu dem Flächeninhalt der gesamten der Schicht zugewandten Oberfläche des Substrates größer oder gleich einem der folgenden Werte: 0,75, 0,80, 0,85, 0,90, 0,93.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Abstand zwischen einem Rand des Substrats und dem Außenrand des Detektorzellenfeldes kleiner oder gleich einem der folgenden Werte: 70 μm, 60 μm, 55 μm, 50 μm, 3B/2, 5B/4.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Substrat auf einem Anschlussträger angeordnet. Der Anschlussträger weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Anschlussträgerleitern auf. Ein Anschlussträgerleiter kann mit den ersten Elektrodenbereichen der Detektorzellen elektrisch leitend verbunden sein. Ein anderer Anschlussträgerleiter kann mit den zweiten Elektrodenbereichen der Detektorzellen elektrisch leitend verbunden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verhältnis des Flächeninhaltes der der Schicht zugewandten Oberfläche des Substrats zu der dem Substrat zugewandten Oberfläche des Anschlussträgers größer oder gleich einem der folgenden Werte: 0,7, 0,75, 0,8, 0,85.
Der Strahlungsdetektor kann also insgesamt einen ausgesprochen hohen Füllfaktor aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich zumindest eine Durchkontaktierung durch das Substrat. Das Substrat kann für die Durchkontaktierung ausgespart sein. Im Bereich der Aussparung, die als umlaufend berandetes Loch im Substrat ausgeführt sein kann, kann ein Leiter angeordnet sein. Der Leiter kann mit einer Mehrzahl von Detektorzellen elektrisch leitend verbunden sein. Beispielsweise kann der Leiter mit einer Mehrzahl von ersten Elektrodenbereichen, zum Beispiel mit den ersten Elektrodenbereichen aller Detektorzellen, elektrisch leitend verbunden sein.
Aufgrund der Durchkontaktierung kann der Strahlungsdetektor bonddrahtfrei kontaktiert werden. Das Fehlen eines Bonddrahtes erleichtert das Ausbilden einer dünnen Schicht als Verkapselungsschicht oder Schutzschicht für den Strahlungsdetektor, da der Bogen eines Bonddrahts, der vor äußeren Einwirkungen geschützt werden muss, üblicherweise wesentlich höher ist als die oben angegebenen Dicken der Schicht. Typischerweise überragt der Bonddraht eine Kontaktfläche, mit der er elektrisch verbunden ist, um 200 μm oder mehr. Insbesondere kann die Dicke der Schicht also geringer sein als die minimal erforderliche Höhe eines Bonddrahtes über einer Kontaktfläche auf der der Schicht zugewandten Oberfläche des Substrats.
Die Durchkontaktierung kann eine erste Durchkontaktierung sein und der Leiter kann ein erster Leiter sein. Weiterhin kann eine zweite Durchkontaktierung vorgesehen sein. Das Substrat kann für die zweite Durchkontaktierung ausgespart sein. Ein zweiter Leiter kann sich durch die Aussparung der zweiten Durchkontaktierung, die als umlaufend berandetes Loch im Substrat ausgeführt sein kann, erstrecken. Der zweite Leiter ist wiederum mit einer Mehrzahl von Detektorzellen elektrisch leitend verbunden. Der zweite Leiter kann mit den zweiten Elektrodenbereichen verschiedener Detektorzellen, beispielsweise mit den zweiten Elektrodenbereichen aller Detektorzellen, elektrisch leitend verbunden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die jeweilige Detektorzelle über den jeweiligen Leiter mit einem externen Anschluss des Strahlungsdetektors elektrisch leitend verbunden. Beispielsweise können die ersten Elektrodenbereiche verschiedener Detektorzellen über den ersten Leiter mit einem ersten externen Anschluss des Strahlungsdetektors elektrisch leitend verbunden sein. Alternativ oder ergänzend können die zweiten Elektrodenbereiche verschiedener Detektorzellen über den zweiten Leiter mit einem zweiten externen Anschluss des Strahlungsdetektors elektrisch leitend verbunden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste und/oder der zweite Leiter in Aufsicht auf das Detektorzellenfeld betrachtet innerhalb des Detektorzellenfeldes oder außerhalb des Detektorzellenfeldes angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist L_1,i die Länge der elektrischen Leitungsstrecke auf dem Weg von einer Detektorzelle i, insbesondere von dem ersten Elektrodenbereich dieser Zelle, zu dem ersten Leiter, und L_2,i ist die Länge der elektrischen Leitungsstrecke, auf dem Weg von der gleichen Detektorzelle i, insbesondere dem zweiten Elektrodenbereich dieser Zelle, zum zweiten Leiter. Analog dazu gibt es für eine andere Detektorzelle j entsprechend die Längen L_1,j und L_2,j.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Strahlungsdetektor derart ausgebildet, dass der Quotient min (L_1,i + L_2,i)/max(L_1,j + L_2,j) größer oder gleich 0, 35, zum Beispiel größer oder gleich einem der Werte 0,4, 0,45, 0,5, 0,55, 0,6, 0,65, 0,7, 0,8, 0,9, 0,95 oder 0,98 ist, wobei max(L_1,j + L_2,j) das Maximum der Summe L_1,j + L_2,j und min (L_1,i + L_2,i) das Minimum der Summe L₁ _, _i + L₂ _, _i über alle N Detektorzellen des Strahlungsdetektors bezeichnet (i, j = 1...N). Im Idealfall ist der Quotient gleich 1 oder zumindest möglichst nahe an 1. Da ohnehin alle Detektorzellen zur Bestimmung des Maximums und des Minimums betrachtet werden, kann i gleich j sein.
Dadurch werden die Leitungsstrecken innerhalb des Detektors weitgehend unabhängig von der Zellposition im Feld, was erhebliche Vorteile hinsichtlich der Homogenisierung der Signalformen von Zellensignalen aus verschiedenen Zellen und auch der Homogenisierung der Signaltransferzeiten von Zellensignalen aus verschiedenen Zellen zum externen Anschluss mit sich bringt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine der Schicht zugewandte und eine von der Schicht abgewandte Oberfläche auf. Die Aussparung der jeweiligen Durchkontaktierung kann sich von der ersten Oberfläche ausgehend bis zur zweiten Oberfläche erstrecken. Die Aussparung kann durchgehend sein. Sie kann in Umfangsrichtung teilweise oder vollständig vom Substrat berandet sein.
Die beiden Oberflächen des Substrats können auch als Hauptflächen bezeichnet werden, da üblicherweise die jeweilige Oberfläche viel größer ist als die die beiden Oberflächen verbindende Seitenfläche. Die Schicht überragt oder überformt eine Seitenfläche, insbesondere alle Seitenflächen, des Substrats vorzugsweise nicht. Die Schicht kann bündig mit dem Substrat abschließen oder eine geringere Ausdehnung als das Substrat aufweisen. Die Schicht kann dementsprechend im Waferverbund aufgebracht werden, in dem ein Substratwafer für eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren vorbereitet wird und, nach dem Aufbringen der Schicht, für einzelne Strahlungsdetektoren, vereinzelt wird, wobei das Substrat des jeweiligen Strahlungsdetektors ein Stück des Substratwafers umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich die Schicht über die Aussparung, zweckmäßigerweise über die Aussparung der jeweiligen Durchkontaktierung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Strahlungsdetektor eine weitere Schicht auf. Die weitere Schicht kann zwischen der Schicht und der der Schicht zugewandten Öffnung der Aussparung angeordnet sein, wobei die Schicht die weitere Schichten im Bereich der Aussparung bevorzugt mechanisch stabilisiert, insbesondere schon ohne Unterstützung des Leiters in der Aussparung. Die Schicht kann im Bereich der Aussparung mit der weiteren Schicht in mechanischem Kontakt sein. Die weitere Schicht kann eine oder eine Mehrzahl der folgenden Elemente aufweisen: Antireflexionsbeschichtung, Leiterschicht. Beispielweise ist die Antireflexionsbeschichtung zwischen der Schicht und der Leiterschicht angeordnet. Die Leiterschicht kann als Leiterpad auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sein, die der Schicht zugewandt ist. Die Leiterschicht kann mit dem Leiter der Durchkontaktierung in der Aussparung elektrisch leitend verbunden sein und mit den ersten oder zweiten Elektrodenbereichen verschiedener Detektorzellen verbunden sein, je nachdem, ob die Leiterschicht mit dem ersten oder zweiten Leiter elektrisch leitend verbunden ist. Die weitere Schicht kann an der Schicht anhaften, sodass, während der Herstellung des Strahlungsdetektors, vor der Ausbildung der Aussparung die weitere Schicht aufgebracht werden kann. Auf die weitere Schicht kann die Schicht aufgebracht werden. Nachfolgend wird von der der Schicht und der weiteren Schicht abgewandten Oberfläche des Substrats Substratmaterial für die Aussparung entfernt, bis eine Oberfläche der Leiterschicht freigelegt ist. Die Schicht stabilisiert dabei die weitere Schicht mechanisch, sodass trotz der vorgesehenen Aussparung die weitere Schicht mechanisch stabil ist und nicht bricht. Nachfolgend kann die Aussparung mit Leitermaterial für den Leiter befüllt werden. Vor dem Befüllen mit Leitermaterial kann gegebenenfalls noch eine Isolationsschicht vorgesehen werden, die die Aussparung auskleidet und zur Kontaktbildung mit der Leiterschicht ausgespart ist. Kurzschlüsse innerhalb des Bauelements können so vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Durchmesser der Aussparung größer oder gleich der Dicke d der Schicht, beispielsweise größer oder gleich einem der folgenden Werte: d, 2d, 3d, 4d. Beispielsweise kann der Durchmesser der Aussparung größer oder gleich einem der folgenden Werte sein: 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Schicht und der der Schicht zugewandten Öffnung der Aussparung kleiner oder gleich der Dicke der Schicht. Alternativ oder ergänzend kann der Abstand kleiner oder gleich 4 μm, bevorzugt kleiner oder gleich 3 μm, sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine Dicke auf, die größer oder gleich einem der folgenden Werte ist: 100 μm, 200 μm, 300 μm, 350 μm, 400 μm, 500 μm, 600 μm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Dicke des Substrats größer oder gleich einem der folgenden Werte: 10d, 20d, 25d, 30d, 35d, 40d. Das Substrat kann also um ein Vielfaches dicker ausgeführt sein als die Schicht.
Durch ein entsprechend dickes Substrat, zum Beispiel mit einer Dicke von größer oder gleich 350 μm, kann erreicht werden, dass Sekundärstrahlung mit höherer Wahrscheinlichkeit im Substrat absorbiert wird. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass diese Sekundärstrahlung über Reflexion an der von der Schicht abgewandten Oberfläche des Substrats zu einer anderen Detektorzelle gelangt und dort ein Signal auslöst, verringert. Optisches Übersprechen zwischen Detektorzellen über die Rückseite des Substrats kann so vermindert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen den aktiven Bereichen zweier benachbarter Detektorzellen ein optisches Trennelement angeordnet. Das optische Trennelement kann reflektierend und/oder absorbierend für die Sekundärstrahlung ausgeführt sein. Durch das optische Trennelement kann vermieden werden, dass optisches Übersprechen direkt, also ohne Reflexion der Sekundärstrahlung, zwischen benachbarten aktiven Bereichen stattfindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Strahlungsdetektor als Photomultiplier, insbesondere als Halbleiter-Photomultiplier, beispielsweise als Silizium-Photomultiplier, ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Strahlungsdetektor zum Betrieb im Geiger-Modus vorgesehen oder wird in diesem Modus betrieben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Anordnung mit einem Strahlungsdetektor der oben und im Folgenden näher erläuterten Art angegeben. Bevorzugt grenzt ein Medium an die zweite Oberfläche der Schicht an. Das Medium kann einen kleineren oder einen größeren Brechungsindex aufweisen als die Schicht. Beispielsweise kann Gas, insbesondere Luft, oder Vakuum an die zweite Oberfläche angrenzen oder es kann eine Ankoppelschicht, über die die Schicht an ein optisches Element, zum Beispiel einen Szintillator, angebunden ist an die zweite Oberfläche angrenzen.
Merkmale, die im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, können selbstverständlich mit anderen, weiter oben und im Folgenden beschriebenen Merkmalen kombiniert werden.
Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Strahlungsdetektors anhand einer schematischen Aufsicht.
2 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A in 1.
3 eine Strom-Spannungskennlinie des Strahlungsdetektors.
4 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht eines Teilbereichs des Strahlungsdetektors.
5 und 6 zeigen Ergebnisse von Simulationsrechnungen.
7 und 8 zeigen vereinfachte schematische Schnittansichten von Teilbereichen des Strahlungsdetektors.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strahlungsdetektors anhand einer schematischen Aufsicht.
1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Strahlungseintrittsseite eines Strahlungsdetektors 100. Der Strahlungsdetektor weist eine Mehrzahl von Detektorzellen 1 auf. Die Strahlungseintrittsseite des Strahlungsdetektors ist die Seite, zu der die Strahlungsdurchtrittsflächen oder Strahlungseintrittsflächen 32 der Detektorzellen 1 weisen. Die Detektorzellen 1 sind über ein Substrat 2 des Strahlungsdetektors verteilt angeordnet. Das Substrat 2 weist eine Oberseite oder erste Oberfläche 30 (erste Hauptfläche) und eine von der Oberseite abgewandte Unterseite oder zweite Oberfläche 70 (zweite Hauptfläche) auf (vergleiche die Schnittansicht in 2). Die Detektorzellen sind auf der Oberseite 30 des Substrats 2 angeordnet. Die Detektorzellen 1 können matrixartig in Zeilen und Spalten verteilt angeordnet sein. Der Strahlungsdetektor weist eine Mehrzahl von Detektorzellengruppen 70i, i = 1 ... H, auf, die jeweils wiederum selbst eine Mehrzahl von Detektorzellen 1 aufweisen. Die Detektorzellen der jeweiligen Gruppe sind in einer Zeile angeordnet, wobei jede Detektorzellengruppe mit Vorzug nur eine Zeile aufweist. Die Detektorzellengruppen sind weiterhin aneinander ausgerichtet. Die Detektorzellen 1 sind insgesamt in einem Detektorzellenfeld 71 angeordnet, das außen durch einen umlaufenden, in 1 gestrichelt angedeuteten Außenrand 72 begrenzt ist. Alle Detektorzellen 1 des Strahlungsdetektors 100 liegen innerhalb des Außenrandes 72. Die Detektorzellen und vorzugsweise auch die Gruppen sind jeweils grundsätzlich gleichartig aufgebaut. Die Detektorzellen 1 des Strahlungsdetektors 100 sind, insbesondere allesamt oder zumindest die Zellen mehrerer Gruppen, vorzugsweise elektrisch parallel geschaltet.
Der Strahlungsdetektor 100 kann als Detektorchip, insbesondere als (Si)PM-Chip (PM: Photomultiplier), ausgeführt sein oder einen solchen Detektorchip umfassen. Das Substrat 2 kann Teil des Chips sein. Der Strahlungsdetektor kann zur Detektion von Strahlung, zum Beispiel von schwachen optischen Signalen (beispielsweise Einzelphotonen), ausgebildet sein.
Der Strahlungsdetektor 100 kann eine Anzahl von Detektorzellen aufweisen, die größer oder gleich einem der folgenden Werte ist: 100, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 10000, 15000.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist eine Detektorzellengruppe je eine Anzahl von Z Detektorzellen auf.
Z kann größer oder gleich einem der folgenden Werte sein: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Anzahl der Detektorzellengruppen H größer oder gleich einem der folgenden Werte: 10, 15, 20, 25, 30, 50, 60, 100, 120, 200, 300, 400, 500, 1000.
Der grundsätzliche Aufbau der jeweiligen Detektorzelle 1 ist beispielsweise in der Schnittansicht in 2 zu erkennen, die den Schnitt durch die Detektorzellen entlang der Linie A in 1 zeigt. In 2 sind zwei Detektorzellen 1 dargestellt. Die jeweilige Detektorzelle 1 weist einen ersten Elektrodenbereich 3 und einen zweiten Elektrodenbereich 5 auf. Zwischen den beiden Elektrodenbereichen ist der aktive Bereich oder die aktive Zone 4 der jeweiligen Detektorzelle angeordnet. Die beiden Elektrodenbereiche 3 und 5 sind bevorzugt für unterschiedliche Leitungstypen dotiert. Beispielsweise ist der zweite Elektrodenbereich 5 n-leitend und der erste Elektrodenbereich 3 p-leitend dotiert, oder umgekehrt. Der jeweilige Elektrodenbereich kann in dem Substrat 2, das vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, enthält, ausgebildet sein. Für die Ausbildung des jeweiligen Elektrodenbereichs können Teilbereiche des Substrats 2 entsprechend dotiert werden. Der zweite Elektrodenbereich 5 kann durch Implantation eines Dotierstoffs in das Substrat 2 ausgebildet sein. Der erste Elektrodenbereich 3 kann durch Diffusion eines Dotierstoffs in das Substrat 2 ausgebildet sein. Der zweite Elektrodenbereich 5 ist weiterhin ein vergrabener Bereich, der weiter von einer Strahlungseintrittsfläche 32 der Detektorzelle 1 beziehungsweise der Oberseite 30 des Substrats 2 entfernt ist, als der erste Elektrodenbereich 3. Der erste Elektrodenbereich 3 befindet sich an der Strahlungseintrittsfläche 32 der Detektorzelle 1. Die Strahlungseintrittsfläche 32 bildet einen Teil der Oberseite 30 des Substrats 2.
Der zweite Elektrodenbereich 5 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel n-dotiert und weist eine vergleichsweise geringe Dotierstoffkonzentration, zum Beispiel in der Größenordnung von 10¹⁸ pro cm³ auf. Der zweite Elektrodenbereich 5 kann insbesondere eine Dotierstoffkonzentration von 1·10¹⁸ pro cm³ oder weniger aufweisen, zum Beispiel 5·10¹⁷ oder weniger. Der erste Elektrodenbereich 3 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.
Der Strahlungsdetektor 100 wird zweckmäßigerweise im Geiger-Modus betrieben. Dies bedeutet, dass an die Elektrodenbereiche 3 und 5 eine Spannung angelegt wird, die größer ist als die Durchbruchsspannung. Die Spannung wird dabei so angelegt, dass diese an dem ersten Elektrodenbereich und an dem zweiten Elektrodenbereich 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 10 V und 100 V, insbesondere zwischen einschließlich 20 V und 40 V.
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 Elektrodenbereichs 5 und eines p-dotierten ersten Elektrodenbereichs 3 liegt an dem ersten Elektrodenbereich 3 bevorzugt eine negative Spannung an und der zweite Elektrodenbereich 5 ist bevorzugt mit einem Abgriffswiderstand oder dem Eingang eines ladungsempfindlichen Verstärkers, zum Beispiel einem ladungsempfindlichen Vorverstärker, verschaltet.
Ein Löschwiderstand 9 (oft auch Quenchwiderstand genannt) kann mit dem ersten Elektrodenbereich 3, insbesondere unmittelbar oder über eine gesonderte Zuleitung, elektrisch leitend verbunden sein. Ein Löschwiderstand 9 ist in der Schnittansicht in 2 nicht dargestellt, vergleiche hierzu 1. Der Löschwiderstand kann beispielsweise an der Oberseite 30 vorgesehen sein. Der Widerstand des Löschwiderstandes kann größer 100 kΩ sein. Beispielsweise beträgt der Löschwiderstand mehrere 100 kΩ. Zweckmäßigerweise ist jeder Detektorzelle 1 ein gesonderter Löschwiderstand 9 zugeordnet.
In der aktiven Zone 4 absorbierte Photonen generieren Ladungsträger – in der Regel generiert ein absorbiertes Photon ein Elektron-Loch-Paar. Diese Primärladungsträger erzeugen in der aktiven Zone Sekundärladungsträger mittels Lawinenmultiplikation (Avalanche-Effekt). Der Betrieb im Geiger-Modus führt zu einer deutlich höheren Einzelphotonenempfindlichkeit. Das erzeugte Signal einer einzelnen Detektorzelle 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.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie bei einer angelegten Spannung in Sperrrichtung mit dem Geiger-Bereich, in dem der Detektor betrieben wird, ist für einen typischen Strahlungsdetektor mit einer durch die Zellen definierten Detektorfläche von 9 mm² und 5625 quadratischen Detektorzellen mit 40 μm Kantenlänge in 3 dargestellt.
Die Detektorzellen 1 weisen jeweils einen gesonderten ersten Elektrodenbereich 3 auf. Die ersten Elektrodenbereiche 3 verschiedener Detektorzellen sind also nicht Teil eines gemeinsamen Elektrodenbereichs. Die Elektrodenbereiche 3 sind im Substrat 2 elektrisch voneinander getrennt. Außerhalb des Substrats 2 können die Elektrodenbereiche 3, zum Beispiel über die Löschwiderstände, elektrisch leitend verbunden sein. Im Substrat 2 gibt es jedoch zweckmäßigerweise keine unmittelbare elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektrodenbereichen 3. Die zweiten Elektrodenbereiche 5 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel Teil eines gemeinsamen Elektrodenbereichs 52. Der gemeinsame Elektrodenbereich 52 bildet zweckmäßigerweise zweite Elektrodenbereiche 5 für eine Mehrzahl von Detektorzellen 1, vorzugsweise für alle Detektorzellen, des Strahlungsdetektors 100 aus. Die aktiven Zonen 4 sind vorzugsweise jeweils im Bereich einer Erhebung des gemeinsamen Elektrodenbereichs 52 definiert, in der sich der gemeinsame Elektrodenbereich 52 entlang des ersten Elektrodenbereichs 3 der jeweiligen Zelle erstreckt. Der entsprechende Teilbereich des gemeinsamen Elektrodenbereichs 52 kann den zweiten Elektrodenbereich 5 der jeweiligen Detektorzelle bilden. Zwischen zwei benachbarten aktiven Zonen 4 weist der gemeinsame Elektrodenbereich 52 eine Vertiefung auf. Der gemeinsame Elektrodenbereich 52 kann alternierend angeordnete Erhebungen und Vertiefungen aufweisen. Die Erhebungen verbreitern sich vorzugweise mit wachsender Entfernung von der Oberseite 30. Die Vertiefungen verjüngen sich bevorzugt mit wachsender Entfernung von der Oberseite 30. Der gemeinsame Elektrodenbereich 52 kann insgesamt tiefenmoduliert sein. Alternativ zur dargestellten Variante ist jedoch auch eine Ausführung des Strahlungsdetektors mit gesonderten zweiten Elektrodenbereichen 5 möglich, die dann nicht Teil eines gemeinsamen Elektrodenbereichs sind.
Die ersten Elektrodenbereiche 3 verschiedener Detektorzellen 1 sind über einen ersten Verbindungsleiter 19 elektrisch leitend verbunden. Zwischen dem Elektrodenbereich 3 der jeweiligen Detektorzelle 1 und dem Verbindungsleiter 19 kann der der jeweiligen Detektorzelle zugeordnete Löschwiderstand 9 angeordnet sein. Zweckmäßigerweise sind alle Detektorzellen einer Gruppe über einen gemeinsamen ersten Verbindungsleiter 19 miteinander verbunden. Verschiedene Detektorzellengruppen können verschiedene erste Verbindungsleiter 19 aufweisen. Alternativ oder ergänzend können sich benachbarte Detektorzellengruppen einen ersten Verbindungsleiter 19 teilen, wie in 1 dargestellt.
Die zweiten Elektrodenbereiche 5 verschiedener Detektorzellen 1 sind über einen zweiten Verbindungsleiter 56 elektrisch leitend verbunden. Dabei kann, analog zu obigen Ausführungen zum ersten Verbindungsleiter 19, jeder Detektorzellengruppe ein gesonderter zweiter Verbindungsleiter 56 zugeordnet sein oder benachbarte Detektorzellengruppen können sich einen zweiten Verbindungsleiter 56 teilen.
Der jeweilige Verbindungsleiter – erster und/oder zweiter Verbindungsleiter – ist zweckmäßigerweise auf der Oberseite oder Oberfläche 30 des Substrats 2 angeordnet. Verschiedene erste Verbindungsleiter 19 sind über einen ersten Anschlussleiter 73 elektrisch leitend miteinander verbunden. Verschiedene zweite Verbindungsleiter 56 sind über einen zweiten Anschlussleiter 75 elektrisch leitend miteinander verbunden. Der jeweilige erste und/oder zweite Verbindungsleiter kann sich von innerhalb des Detektorzellenfeldes über den Außenrand 72 nach außerhalb des Detektorzellenfeldes erstrecken. Die Anschlussleiter 73 und 75 können außerhalb des Detektorzellenfeldes angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann einer oder eine Mehrzahl von Anschlussleitern innerhalb des Feldes angeordnet sein (vergleiche die Beschreibung zu 9). Im letzteren Fall kann auch der der jeweilige Verbindungsleiter auf das Innere des Detektorzellenfeldes beschränkt sein.
Der jeweilige Anschlussleiter 73 und/oder 75 kann mit einer oder einer Mehrzahl von Leiterflächen oder Leiterpads elektrisch leitend verbunden sein oder, beispielsweise über verbreiterte Bereiche des jeweiligen Anschlussleiters, eine oder eine Mehrzahl entsprechender Leiterflächen ausbilden. Der erste Anschlussleiter ist im Ausführungsbeispiel mit drei Leiterflächen 50a bis 50c einer ersten Art elektrisch leitend verbunden oder bildet diese aus. Der zweite Anschlussleiter 75 ist mit drei Leiterflächen 31a bis 31c einer zweiten Art elektrisch leitend verbunden oder bildet diese aus. Bevorzugt weist der Detektor 100 zumindest oder genau eine Leiterfläche erster Art und eine Leiterfläche zweiter Art 31 auf. Die jeweilige Leiterfläche kann außerhalb des Detektorzellenfeldes angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann eine, eine Mehrzahl von oder die Gesamtheit der Leiterflächen erster und/oder zweiter Art innerhalb des Detektorzellenfeldes 71 angeordnet sein (vergleiche die Beschreibung zu 9).
Verschiedene erste Verbindungsleiter 19 können mit dem ersten Anschlussleiter 73 über Verbindungstellen erster Art V_1,i, i = 1 ... M verbunden sein. Analoges gilt für die Verbindungsstellen zweiter Art V_2,i, i = 1 ... M für die zweiten Verbindungsleiter 56 mit dem zweiten Anschlussleiter 75. M bezeichnet dabei die Anzahl gesonderter erster bzw. zweiter Verbindungsleiter, die insbesondere gleich sein kann.
Die zweiten Elektrodenbereiche 5 sind mit dem zweiten Verbindungsleiter 56 über einen Leiterbereich 54 elektrisch leitend verbunden (siehe 2). Der Leiterbereich 54 kann sich von der Oberfläche 30 ausgehend in das Substrat hinein erstrecken und mit dem gemeinsamen Elektrodenbereich 52 elektrisch leitend verbunden sein. Zweckmäßigerweise ist die Leitfähigkeit des Leiterbereichs 54 größer als die des gemeinsamen Elektrodenbereichs 52, sodass das Signal widerstandsarm aus dem Substrat 2 abgeleitet werden kann. Der Leiterbereich 54 erstreckt sich vorzugsweise zwischen den aktiven Bereichen oder aktiven Zonen 4 benachbarter Detektorzellen 1 ausgehend von dem gemeinsamen Elektrodenbereich 52 bis zu der Oberfläche 30. Für die Kontaktbildung zum zweiten Elektrodenbereich 5 ist das Substrat 2 bevorzugt bereichsweise ausgespart. Die Aussparung 58 kann mit Isolationsmaterial 60 ausgekleidet sein, das den Leiterbereich 54 im Bereich der Aussparung elektrisch vom Substrat 2 isoliert und für eine elektrische Anbindung an den zweiten Elektrodenbereich 5, insbesondere über den gemeinsamen Elektrodenbereich 52, entsprechend geöffnet ist. Das Isolationsmaterial 60 kann beispielsweise Silizium(di)oxid enthalten.
Einer, eine Mehrzahl von oder die Gesamtheit der Leiter ausgewählt aus der Gruppe ”Anschlussleiter, Verbindungsleiter, Leiterfläche, Leiterbereich” ist bevorzugt aus Metall oder enthält ein solches. Insbesondere enthält der jeweilige Leiter bevorzugt kein Halbleitermaterial.
Während der Lawinenmultiplikation können in den aktiven Zonen 4 der Detektorzellen 1, die von der zu detektierenden Strahlung ausgelöst wurden (das bedeutet, dass ein Primärphoton dort absorbiert wurde), Sekundärphotonen generiert werden, welche, insofern sie in eine andere Detektorzelle 1 gelangen, eine Signalerzeugung in der anderen Zelle auslösen können. Man spricht hier auch von optischem Übersprechen. Ein Übersprechen ist in der Regel nicht erwünscht, beispielsweise, weil das durch Übersprechen erzeugte Signal fälschlicherweise einen Detektionsvorgang suggeriert. Durch eine optische Trennung zwischen den Detektorzellen kann das optische Übersprechen zumindest verringert werden, beispielsweise indem Sekundärphotonen absorbiert oder in die Ausgangszelle rückreflektiert werden, bevor sie in eine benachbarte Detektorzelle eintreten können. Die Sekundärstrahlung ist zweckmäßigerweise langwelliger als die Primärstrahlung. Ist das Substrat ein Siliziumsubstrat, so kann die Sekundärstrahlung beispielsweise Infrarotstrahlung sein. Die Primärstrahlung kann im blauen Spektralbereich liegen.
Um zu verhindern, dass Sekundärphotonen aus einer ausgelösten Detektorzelle in eine benachbarte Detektorzelle gelangen, kann zwischen zwei benachbarten Detektorzellen ein optisches Trennelement angeordnet sein. Das optische Trennelement kann die jeweilige, vorzugsweise innenliegende, Detektorzelle, in Aufsicht auf die Strahlungseintrittsseite des Strahlungsdetektors 100 gesehen zumindest teilweise oder vollständig umlaufen. Bevorzugt fungiert der Leiterbereich 54 als optisches Trennelement. Der Leiterbereich kann hierzu beispielsweise Wolfram enthalten. Alternativ kann ein separates optisches Trennelement vorgesehen sein. Jeder Detektorzelle kann ein optisches Trennelement zugeordnet sein. Die Trennelemente für verschiedene Zellen können gesonderte Trennelemente sein oder durch Teilbereiche einer zusammenhängenden, beispielsweise in Aufsicht gitterartigen, Struktur gebildet sein.
Ist der Leiterbereich 54 oder ein vom Leiterbereich verschiedenes elektrisch leitendes optisches Trennelement zumindest teilweise umlaufend ausgebildet, so kann der Leiterbereich bzw. das Trennelement auch unterhalb des ersten oder zweiten Verbindungsleiters angeordnet sein. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, ist der Leiterbereich 54 bzw. das optische Trennelement zumindest von einem der Verbindungsleiter 19, 56 elektrisch isoliert. Beispielsweise ist der Leiterbereich 54 wie in 2 dargestellt über Isolationsmaterial 60, das zwischen dem Leiterbereich 54 und dem ersten Verbindungsleiter 19 angeordnet ist, elektrisch von dem ersten Verbindungsleiter 19 isoliert.
Ist ein separates optisches Trennelement vorgesehen, so können um den Leiterbereich 54 herum Maßnahmen zur optischen Trennung, beispielsweise durch geeignete reflektierende oder absorbierende Beschichtungen, getroffen werden. Die Wände der Aussparung 58 können, zum Beispiel zwischen Isolationsmaterial 60 und dem Halbleiterkörper 2 und/oder zwischen Isolationsmaterial 60 und dem Leiterbereich 54, mit einer reflektierenden oder absorbierenden Beschichtung, die zum Beispiel ein Metall wie Wolfram enthalten kann, versehen sein (nicht explizit dargestellt).
Über den ersten Anschlussleiter 73 können die ersten Elektrodenbereiche 3 verschiedener Zellen 1 auf ein definiertes elektrisches Potential gelegt werden, beispielsweise für den Betrieb des Strahlungsdetektors im Geiger-Modus. Über den zweiten Anschlussleiter 75 können die zweiten Elektrodenbereiche 5 verschiedener Zellen 1 auf ein, zweckmäßigerweise anderes, definiertes elektrisches Potential gelegt werden. Insgesamt sind die Detektorzellen 1 so parallel geschaltet.
Der in den 1 und 2 dargestellte Strahlungsdetektor 100 kann beispielsweise mittels Bonddrähten mit einer externen elektrischen Leistungsquelle verbunden werden. Eine oder eine Mehrzahl der Leiterflächen 50a bis 50c bzw. 31a bis 31c können hierzu mit jeweils zumindest einem Bonddraht elektrisch leitend verbunden werden. Um den Bonddraht, der mechanisch sehr instabil ist, zu schützen, kann der Strahlungsdetektor in eine strahlungsdurchlässige Umhüllung eingebettet sein, wobei, um einen Schutz des Bonddrahts zu gewährleisten, eine Dicke von mindestens 200 μm über der Oberseite 30 des Substrats erforderlich ist, wobei sich die Umhüllung nicht nur an der Oberseite 30 sondern auch an den Seitenflächen des Substrats 2 erstrecken muss, um den Bonddraht, der sich in Richtung eines Anschlussträgers erstreckt, auf dem das Substrat angeordnet ist, zu schützen. Bei derartigen Strahlungsdetektoren hat sich trotz der optischen Trennung zwischen benachbarten aktiven Zonen 4 herausgestellt, dass immer noch ein signifikantes optisches Übersprechen stattfindet. Dieses optische Übersprechen ist kein direktes optisches Übersprechen, bei dem Sekundärphotonen direkt von einem aktiven Bereich zum andern gelangen, welches durch die oben beschriebene optische Trennung reduziert werden kann, vielmehr findet das optische Übersprechen indirekt, zum Beispiel unter Reflexion der Sekundärstrahlung an Grenzflächen innerhalb des Strahlungsdetektors, statt. Auf diese Weise können Sekundärphotonen, die in einer Detektorzelle erzeugt wurden, in eine andere Detektorzelle gelangen. Im Folgenden werden Maßnahmen vorgeschlagen, wie dieses sogenannte indirekte optische Übersprechen verringert werden kann.
Bei einer Untersuchung des optischen Übersprechens hat sich gezeigt, dass eine dicke Schicht, die beispielsweise um 200 μm oder mehr die Oberseite 30 des Substrats überragt, zu einem maßgeblichen Teil zum optischen Übersprechen beiträgt. Insbesondere können an der von den Detektorzellen abgewandten Oberfläche der den Bonddraht schützenden dicken Umhüllung reflektierte Sekundärphotonen zu einer benachbarten Detektorzelle gelangen und dementsprechend eine andere Detektorzelle als die ursprünglich ausgelöste Detektorzelle auslösen, was nachteilig ist.
Um dieses, sogenannte vorderseitige, optische Übersprechen zu vermeiden oder zumindest stark zu verringern, wird vorgeschlagen, anstatt einer sehr dicken Umhüllung eine relativ dünne Schicht auf die Oberseite 30 des Substrats aufzubringen, um zu verhindern, dass an der von den Detektorzellen abgewandten Oberfläche der Schicht reflektierte Strahlung zu anderen Detektorzellen des Strahlungsdetektors gelangt. Gleichzeitig soll die Schicht die Detektorzellen vor mechanischer Beanspruchung schützen.
4 zeigt einen Ausschnitt des Strahlungsdetektors, in dem zwei Detektorzellen 1 vereinfacht dargestellt sind. Die Pfeile illustrieren verschiedene mögliche Wege für Strahlung im Strahlungsdetektor. Die Pfeile P1 bis P3 repräsentieren dabei in der linken aktiven Zone 4 während der Lawinenmultiplikation erzeugte Sekundärstrahlung.
Der Strahlungsdetektor 100 weist eine Schicht 80 auf, die sich über eine Mehrzahl von Detektorzellen 1, vorzugsweise über alle Detektorzellen, erstreckt. Die Schicht weist eine den Detektorzellen zugewandte erste Oberfläche 84 und eine den Detektorzellen 1 abgewandte zweite Oberfläche 86 auf. Die jeweilige Oberfläche 84 und/oder 86 kann bereichsweise oder vollständig eben sein. Die Schicht 80 kann sich über das gesamte Substrat 2 erstrecken. Die Schicht 80 kann bündig mit dem Substrat abschließen. Jedenfalls überragt die Schicht das Substrat 2 bevorzugt nicht seitlich. Weiterhin erstreckt sich die Schicht 80 bevorzugt nicht entlang von Seitenflächen des Substrats in Richtung der Unterseite 70 des Substrats 2. Die Schicht 80 kann sich insbesondere in Aufsicht auf das Detektorzellenfeld gesehen innerhalb und/oder außerhalb des Detektorzellenfeldes erstrecken. Die Schicht 80 kann sich über einen oder eine Mehrzahl der Anschlussleiter 73, 75 bzw. Leiterflächen 31, 50, einen oder eine Mehrzahl der Verbindungsleiter 19, 56 oder alle der genannten Leiterflächen) erstrecken.
Zwischen der Schicht 80 und der Strahlungseintrittsfläche 32 der jeweiligen Detektorzelle 1 kann eine Antireflexionsbeschichtung 82 angeordnet sein. Die Antireflexionsbeschichtung 82 ist zwischen der Schicht 80 und der Strahlungseintrittsfläche 32 der jeweilige Zelle 1 angeordnet. Die Antireflexionsbeschichtung kann für die zu detektierende Strahlung optimiert sein, beispielsweise für blaue Strahlung. Ihr (mittlerer) Brechungsindex kann zwischen dem des Substrats 2 – Silizium hat einen Brechungsindex größer als 3 im relevanten Wellenlängenbereich – und dem der Schicht 80 – Siliziumdioxid hat einen Brechungsindex von ungefähr 1,45 im relevanten Wellenlängenbereich – liegen.
Der Pfeil P1 symbolisiert ein potentiell für direktes Übersprechen sorgendes Sekundärphoton. Dieses trifft auf das optische Trennelement, das beispielsweise durch den Leiterbereich 54 gebildet ist, und wird dort entweder reflektiert oder absorbiert. Jedenfalls gelangt das Photon P1 nicht in die rechte aktive Zone 4 und kann damit nicht für direktes optisches Übersprechen sorgen. Die Pfeile P2 symbolisieren an der von den Detektorzellen 1 abgewandten Oberfläche 86 der Schicht 80 unter dem Einfalls-/Ausfallswinkel α reflektierte Strahlung. Die Schicht 80 ist zweckmäßigerweise derart dünn gewählt, dass die dort reflektierte Strahlung nicht oder zumindest nur mit geringer Wahrscheinlichkeit in eine andere Detektorzelle gelangen kann. Dies kann erreicht werden, wenn eine, eine Mehrzahl von oder alle der folgenden Bedingungen erfüllt sind:

a) die Dicke d der Schicht ist kleiner oder gleich der lateralen Abmessung B einer der Detektorzellen, wobei die laterale Abmessung in Aufsicht auf die Strahlungsdurchtrittsfläche dieser Detektorzelle bestimmt ist, bevorzugt kleiner oder gleich einem der folgenden Werte: 3B/4, 2B/3, B/2, B/3, B/4, B/5, B/10.
b) die Dicke d ist kleiner oder gleich einem der folgenden Werte: 200 μm, 100 μm, 50 μm, 40 μm, 30 μm, 20 μm, 10 μm, 8 μm, 5 μm,
c) für in die Schicht eingetretene Strahlung, die unter einem Einfallswinkel α von größer oder gleich 30° auf die erste oder zweite Oberfläche trifft gilt: 2·d·tan(α) ≤ X, wobei X = B und/oder X = 50 μm ist, wobei der Winkel α relativ zur Oberflächennormalen der jeweiligen Oberfläche gemessen werden kann, und/oder
d) die Dicke d der Schicht kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 3W, 2,5W, 2W, 1,5W, W. W bezeichnet dabei den Abstand zwischen den aktiven Zonen zweier benachbarter Detektorzellen in Aufsicht gesehen. X kann alternativ oder ergänzend auch gleich einem dieser Werte sein. W kann durch den Abstand der ersten Elektrodenbereiche 3 benachbarter Detektorzellen 1 bestimmt sein.

Die Schicht ist bevorzugt derart dünn ausgebildet, dass im linken Bereich der aktiven Zone 4 erzeugte Sekundärstrahlung nach der Reflexion wegen der geringen Dicke der Schicht wieder auf die Ausgangsdetektorzelle trifft und dort absorbiert wird ohne ein Signal zu erzeugen.
Der Winkel α, für den die oben genannte Beziehung gilt, kann kleiner oder gleich einem der folgenden Werte sein: 89°, 85°, 80°, 78°, 75°, 70°.
Der Winkel α, für den die oben genannte Beziehung gilt, kann alternativ oder ergänzend größer oder gleich einem der folgenden Werte sein: 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°. Der Winkel α kann kleiner oder gleich einem der im vorherigen Absatz genannten Werte sein, wobei in diesem Fall die Untergrenze selbstverständlich ein Wert sein muss, der kleiner als der Wert für die Obergrenze aus dem vorherigen Absatz ist.
Der Winkel α, für den die oben genannte Beziehung gilt, kann größer oder gleich dem Totalreflexionsgrenzwinkel für eine Totalreflexion an der von den Detektorzellen abgewandten Oberfläche 86 der Schicht 80 sein. Ist jenseits der Oberfläche 86 Vakuum so ist wegen des Brechungsindexunterschiedes, beispielsweise 1:1,45 (Vakuum:Siliziumdioxid), Totalreflexion möglich und das vorderseitige optische Übersprechen besonders dominant, da Strahlung für Einfallswinkel größer dem Grenzwinkel der Totalreflexion (im Beispiel etwa 44°) vollständig an der Oberfläche 86 reflektiert wird. Ähnliches gilt für Gase im Kontakt mit der Oberfläche 86.
Für eine dünne Schicht mit einer Dicke von beispielsweise 5 μm und für einen Winkel von 75° erhält man: 2·5 μm·tan(75°) 37 μm. Sogar für unter einem derart großen Winkel in der Schicht propagierende Strahlung ist der unter einmaliger Reflexion zurückgelegte Weg also noch kleiner als die Breite einer typischen Zelle von 50 μm. Im Vergleich dazu ergibt sich bei einer Schicht mit einer Dicke von 200 μm ein Wert von ungefähr 1500 μm.
Die laterale Abmessung B, insbesondere die Länge und/oder Breite, der Detektorzellen 1 kann kleiner oder gleich einer der folgenden Werte sein: 200 μm, 100 μm, 75 μm, 50 μm, 25 μm, 15 μm. Die Abmessung B umfasst insbesondere sowohl die laterale Ausdehnung der aktiven Zone als auch den Abstand W zu der aktiven Zone einer, vorzugsweise genau einer, benachbarten Detektorzelle. W kann kleiner oder gleich einem der folgenden Werte sein: B/2, B/4, 25 μm, 12 μm, 10 μm, 8 μm. Alternativ oder ergänzend ist W größer oder gleich 2 μm oder größer oder gleich 4 μm. Beispielsweise beträgt W 8 μm oder 7 μm.
Durch eine entsprechend dünne Schicht kann das optische Übersprechen über Reflexion an der Oberfläche 86 erheblich reduziert werden. Dies wird durch 5 bestätigt, in der ein Simulationsergebnis für das optische Übersprechen pro Lawinenelektron in Abhängigkeit von der Dicke d der Schicht 80 dargestellt ist. Es ist ganz deutlich, dass gilt: Je dünner die Schicht, desto weniger optisches Übersprechen.
Die Dicke d der Schicht kann zwischen 2 und 5 μm liegen. Dann kann die Schicht noch ausreichenden mechanischen Schutz, zum Beispiel Kratzschutz, für die Detektorzellen bereitstellen und das optische Übersprechen über die Schicht ist vorteilhaft gering. Die Schicht kann beispielsweise ein Glas und/oder Siliziumdioxid enthalten. Sie kann für die Primärstrahlung, für deren Detektion der Strahlungsdetektor ausgebildet ist, und für die während der Lawinenmultiplikation erzeugte Sekundärstrahlung durchlässig sein.
Der Pfeil P3 (siehe 4) illustriert das rückseitige optische Übersprechen. Um das rückseitige optische Übersprechen durch Reflexion an der Unterseite 70 des Substrats 2 zu verringern, kann beispielsweise das Substrat 2 geeignet dick gewählt werden, sodass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Sekundärphoton absorbiert wird, bevor es in die benachbarte Detektorzelle 1 gelangt, sehr groß ist.
Beispielsweise kann das Substrat hierzu eine Dicke von 400 μm oder mehr, 500 μm oder mehr, oder 600 μm oder mehr aufweisen.
Die Simulationsergebnisse in 6 zeigen, dass das rückseitige optische Übersprechen mit vergrößerter Substratdicke erheblich abnimmt.
Die zweite Oberfläche 86 der Schicht 80 kann als Strahlungseintrittsfläche des Strahlungsdetektors 100 dienen. Bei dem Strahlungsdetektor sind der Schicht 80 also zweckmäßigerweise keine weiteren Elemente nachgeordnet. Die Schicht kann beispielsweise über eine, vorzugsweise optisch, zum Beispiel hinsichtlich des Brechungsindex, angepasste, Ankoppelschicht an ein optisches Element, etwa einen Szintillator, angebunden sein. Alternativ kann die Schicht 80 wie schon erwähnt an eine Gasatmosphäre, beispielsweise Luft oder Vakuum, angrenzen.
Eine dünne Schicht 80 ist nicht nur hinsichtlich des Übersprechens von Vorteil. Ist die Schicht 80 dünn ausgeführt, so können auch flache Strahlen, die in den Detektor 100 eintreten, vermehrt noch in einer Detektorzelle absorbiert werden. Bei einer dickeren Schicht ist die Gefahr erhöht, dass diese Strahlen über eine Seitenfläche der Schicht wieder austreten, insbesondere bei großen Winkeln zur Oberflächennormalen. Derartige flache Strahlen sind durch die Pfeile P4 und P5 in 4 skizziert. Wäre die Schicht dicker ausgeführt, so könnte die Strahlung P4 wieder aus dem Detektor austreten, ohne ein Signal zu erzeugen. Gegebenenfalls kann eine Seitenfläche der Schicht 80, die die Oberfläche 86 mit der von der Oberfläche 86 abgewandten Oberfläche 84 der Schicht 80 verbindet, durch Reflexion Strahlung (wie die Strahlung P5) wieder zu einer Detektorzelle 1 lenken. Diese Vorteile bestehen insbesondere auch, wenn ein optisches Element an die Schicht 80 angebunden ist.
Insgesamt ist eine dünne Schicht also von erheblichem Vorteil. Durch eine Kombination aus einer dünnen Schicht und einem dicken Substrat kann insbesondere ein Strahlungsdetektor mit vorteilhaft geringem indirekten optischen Übersprechen – sowohl rückseitig als auch vorderseitig – realisiert werden.
Da die Schicht 80 vergleichsweise dünn ausgeführt ist, können Bonddrähte durch die Schicht nur schwer ausreichend geschützt werden, da sie regelmäßig einen höheren Bonddrahtbogen erfordern als die dünne Schicht abdecken könnte. Für die externe elektrische Kontaktierung weist der Strahlungsdetektor daher bevorzugt eine oder eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen auf. Bevorzugt ist zumindest eine Leiterfläche erster Art 50 (50a bis 50c) mit einem ersten Leiter 88 (siehe 7) elektrisch leitend verbunden, der sich – insbesondere im Gegensatz zu dem Leiterbereich 54 – von der Oberseite 30 des Substrats bis zu der Unterseite 70 erstreckt. Gleiches gilt für eine Leiterfläche zweiter Art 31 und einen zweiten Leiter 89. 7 zeigt einen zugehörigen Ausschnitt des Strahlungsdetektors 100 in Schnittansicht. Die grundsätzlichen Konfigurationen der Durchkontaktierungen für die Leiterflächen erster und zweiter Art 50 beziehungsweise 31 sind identisch, sodass diese gemeinsam in 7 schematisch dargestellt sind.
Wie in der 7 gezeigt, ist die Antireflexionsbeschichtung 82 zwischen der Schicht 80 und dem Substrat 2 angeordnet. Die jeweilige Leiterfläche 50 beziehungsweise 31 kann eine Dicke von weniger als 1,5 μm, bevorzugt weniger als 1 μm, beispielsweise von 700 nm oder weniger, aufweisen. Die jeweilige Leiterfläche bzw. der jeweilige Leiter kann durch ein Metall gebildet sein. Von der Oberseite 30 des Substrats 2 bis zur Unterseite 70 erstreckt sich eine Aussparung, in der sich der jeweilige Leiter 88 (erster Leiter), 89 (zweiter Leiter) erstreckt. Auf der von den Detektorzellen abgewandten Seite des Substrats 2 ist der jeweilige Leiter 88, 89 mit einem zugehörigen ersten oder zweiten Anschlussträgerleiter 90, 91 elektrisch leitend verbunden. Der Anschlussträgerleiter 90, 91 ist auf einem Anschlussträger 92, beispielsweise einer Leiterplatte, bereitgestellt, auf dem das Substrat angeordnet ist.
Die Durchkontaktierung (ein sogenanntes Via) kann durch die Aussparung im Substrat gebildet sein, in der der jeweilige Leiter 88, 89 angeordnet ist. Die Wand der Aussparung kann mit Isolationsmaterial 60 ausgekleidet sein. Durch die Verwendung der Durchkontaktierungen wird der Einsatz eines Bonddrahtes obsolet, was die Verwendung der vorteilhaft dünnen Schicht 80 als Schutzschicht möglich macht. Außerdem kann über die Durchkontaktierungen vereinfacht ein Strahlungsdetektor mit besonders hohem Füllfaktor ausgebildet werden, wie eingangs schon beschrieben wurde.
Wie in 7 dargestellt, kann die Antireflexionsbeschichtung 82 eine erste Schicht 821 und eine zweite Schicht 821 beziehungsweise 822 aufweisen. Im Bereich einer Detektorzelle kann die Antireflexionsbeschichtung auf einer Seite direkt an den ersten Elektrodenbereich 3 angrenzen. Auf der anderen Seite kann die Antireflexionsbeschichtung an die Schicht 80 angrenzen. Dies ist in dem Ausschnitt in 8 schematisch gezeigt. Auf der Seite des ersten Elektrodenbereichs 3 ist die erste Schicht 821 angeordnet, die vorzugsweise dünner ist als die zweite Schicht 822. Die Schicht 821 kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht sein, die offene Siliziumbindungen auf der Oberfläche 3 absättigt. Die Schicht 822 kann eine Siliziumnitridschicht, insbesondere eine Si₃N₄-Schicht, sein. Die Schicht 821 kann eine Dicke von 5 nm und die Schicht 822 eine Dicke von 45 nm aufweisen. Im Bereich der Durchkontaktierung kann zwischen der Antireflexionsbeschichtung 82 und dem Substrat 2 die jeweilige Leiterfläche 50, 31 angeordnet sein (siehe 7). Die Antireflexionsbeschichtung 82 kann sich also großflächig über das Substrat erstrecken. Der Abstand zwischen der Schicht 80 und der dieser Schicht zugewandten Öffnung der Aussparung kann 3 μm oder weniger betragen. Alternativ oder ergänzend kann der Abstand kleiner oder gleich 1/5, vorzugsweise kleiner oder gleich 1/10, der Breite der Aussparung sein. Es können also noch zusätzliche, vorzugsweise elektrisch isolierende, Schichten vorgesehen sein, die an anderen Stellen des Detektors eine Funktion übernehmen und in 7 nicht explizit eingezeichnet sind. Die Antireflexionsbeschichtung kann in diese Schichten eingebettet sein. Es kann also auf einer oder beiden Seiten der Antireflexionsbeschichtung eine oder eine Mehrzahl von zusätzlichen Schichten angeordnet sein.
Das Vorsehen einer dünnen Schicht 80 anstatt einer dicken Umhüllung, beispielsweise aus Epoxidharz, hat auch Vorteile bei der Herstellung des Strahlungsdetektors. Die Schicht 80 kann nämlich im Verbund aufgebracht werden und muss nicht, wie ein Epoxidharz nach dem Vereinzeln von Detektorchips aus einem Substratwafer für jeden Chip einzeln vorgesehen werden. Wird die Schicht 80 auf Waferebene vorgesehen, so bietet die Schicht auch zusätzlich noch Vorteile beim Ausbilden der Durchkontaktierung. Die Schicht 80 wird vorzugsweise vor dem Ausbilden der Aussparung für die Durchkontaktierung in einem Substratwafer, aus dem später das Substrat 2 nach Vereinzelung erhalten wird, ausgebildet. Entsprechend sind auch die zwischen Substrat 2 und Schicht 80 angeordneten Elemente, wie die Antireflexionsbeschichtung 82 und die jeweilige Leiterfläche 50, 31, schon vorgesehen, wenn die Aussparung ausgebildet wird. Durch die Schicht 80 werden die zwischen der Öffnung der Aussparung und der Schicht angeordneten Elemente – wie Leiterfläche und Antireflexionsbeschichtung – mechanisch stabilisiert, wodurch die Gefahr der Beschädigung dieser Elemente, während die Aussparung noch nicht mit dem Material für den zugehörigen Leiter 88, 89 befüllt ist, verringert wird. Die Aussparung kann beispielsweise einen Durchmesser von 50 μm oder weniger aufweisen. Über den ersten und/oder zweiten Leiter kann der Detektor extern elektrisch kontaktiert werden.
Der Strahlungsdetektor kann auch hinsichtlich der Abhängigkeit der Signaltransferzeiten von einer Detektorzelle zum ersten und/oder zweiten Leiter von der Position der Zelle im Detektorzellenfeld optimiert sein. Das Zeitverhalten des Detektors kann damit homogenisiert werden. Gleiches gilt für die Formen der in den Zellen erzeugten Signale. Hierfür wird folgendes vorgeschlagen: L_1,i ist die Länge der elektrischen Leitungsstrecke, auf dem Weg von einer der Detektorzellen i, insbesondere von dem ersten Elektrodenbereich 3 dieser Zelle, zu dem ersten Leiter 88, und L_2,i ist die Länge der elektrischen Leitungsstrecke auf dem Weg von der gleichen Detektorzelle i, insbesondere dem zweiten Elektrodenbereich 5 dieser Zelle, zum zweiten Leiter 89. Analog dazu gibt es für eine andere Detektorzelle j entsprechend die Längen L_1,j und L_2,j. Bevorzugt ist der Strahlungsdetektor derart ausgebildet, dass der Quotient min(L_1,i + L_2,i)/max(L_1,j + L_2,j) größer oder gleich 0,35, zum Beispiel größer oder gleich einem der Werte 0,4, 0,45, 0,5, 0,55, 0,6, 0,65, 0,7, 0,8, 0,9, 0,95 oder 0,98 ist, wobei max(L_1,j + L_2,j) das Maximum der Summe L_1,j + L_2,j und min(L_1,i + L_2,i) das Minimum der Summe L_1,i + L_2,i über alle N Detektorzellen des Strahlungsdetektors bezeichnet (i, j = 1...N). Im Idealfall ist der Quotient gleich 1 oder zumindest möglichst nahe an 1. Da ohnehin alle Detektorzellen zur Bestimmung des Maximums und des Minimums betrachtet werden, kann i gleich j sein. Um diese Bedingungen zu verwirklichen sind der erste und der zweite Leiter zweckmäßigerweise in diametral gegenüberliegenden Bereichen – zum Beispiel nahe Eckbereichen des Detektorzellenfeldes – angeordnet. Der erste Leiter 88 kann also unterhalb der Leiterfläche erster Art 50a und der zweite Leiter kann unterhalb der Leiterfläche zweiter Art 31c angeordnet sein. Bei quadratischem Detektorzellenfeld und, insbesondere hinsichtlich Länge, gleichartig ausgeführten Verbindungs- bzw. Anschlussleitern ist der oben angegebene Quotient dann 1.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strahlungsdetektors 100 anhand einer schematischen Aufsicht auf das Detektorzellenfeld 71. Der Strahlungsdetektor gemäß 9 entspricht weitgehend dem oben beschriebenen Strahlungsdetektor, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen werden wird. Auch wurde auf eine Darstellung der einzelnen Detektorzellen aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet. Im Unterschied zu dem Strahlungsdetektor gemäß 1 ist zumindest eine der Leiterflächen 31, 50 bzw. es sind beide Leiterflächen 50, 31 innerhalb des Detektorzellenfeldes 71 angeordnet.
Insbesondere kann nur eine Leiterfläche erster Art und/oder nur eine Leiterfläche zweiter Art vorgesehen sein. Die jeweilige, innerhalb des Feldes angeordnete Leiterfläche kann in Aufsicht auf mehreren Seiten oder allseitig von Detektorzellen umgeben sein. Auch die Anschlussleiter 73, 75 können innerhalb des Detektorzellenfeldes verlaufen. Insbesondere kann der Bereich des Substrats außerhalb des Detektorzellenfeldes 71 frei von Leiterstrukturen, beispielsweise Metallisierungen, sein. Alle Leiter – zumindest jene auf der Oberseite des Substrats angeordneten Leiter und/oder der erste oder zweite Leiter 88, 89 oder aber alle Leiter – können in Aufsicht innerhalb des Detektorzellenfeldes verlaufen. Dadurch kann die Packungsdichte von aktiver Fläche auf dem Substrat weitergehend erhöht werden. Zweckmäßigerweise sind, wie oben erläutert, wegen der Angleichung der Leitungswege die Leiterflächen 31 und 50 in diametral gegenüberliegenden Eckbereichen des Detektorzellenfeldes 71 angeordnet.
Für die Leiterflächen 50 und 31 müssen vorzugsweise weniger als 50, besonders bevorzugt weniger als 25, beispielsweise 16, Detektorzellen ”geopfert” werden, da der Bereich der Leiterflächen nicht zur Strahlungsdetektion zur Verfügung steht. Der Flächeninhalt der Leiterfläche kann also kleiner oder gleich dem Flächeninhalt von 50 oder 25 Detektorzellen sein. Ein derartig geringer Verlust an aktiver Fläche ist verglichen mit der Erhöhung des Füllfaktors jedoch nur von sehr geringem Nachteil.
Merkmale, die im allgemeinen Teil der Beschreibung beschrieben sind, können selbstverständlich auch für die Ausführungsbeispiele zutreffen, auch wenn sie nicht explizit wiederholt werden.
Das Verhältnis des Flächeninhalts des Detektorzellenfeldes (inklusive optisch aktiver und optisch nicht aktiver Fläche) zu der gesamten Oberfläche 30 des Substrats kann bei den beschriebenen Strahlungsdetektoren größer oder gleich 0,92 sein, zum Beispiel etwa 0,94. Dieser Wert ergibt sich für ein Detektorzellenfeld mit den Abmessungen 3 mm × 3 mm und für eine Oberfläche 30 mit den Abmessungen 3,1 mm × 3,1 mm – dies entspricht einem umlaufenden Rand um das Zellenfeld von 50 μm. Der Rand kann jedoch auch kleiner sein. Je größer der Füllfaktor sein soll, desto vorteilhafter ist es, die Leiterflächen gemäß 9 in das Feldinnere zu verlegen, da dann der Rand vereinfacht verkleinert werden kann.
Eine einzelne Detektorzelle kann einen Füllfaktor – das Verhältnis von optisch aktiver Fläche zu optisch nicht aktiver Fläche – von größer oder gleich 0,6, bevorzugt größer oder gleich 0,7 aufweisen, zum Beispiel etwa 0,74. Dieser Wert ergibt sich beispielsweise für eine Mikrozelle der Größe 50 μm × 50 μm, deren aktive Fläche 43 μm × 43 μm groß ist. Die Differenz in den Abmessungen der Gesamtfläche und der aktiven Fläche ist vorzugsweise durch den Abstand zwischen den aktiven Zonen zweier Detektorzellen bestimmt.
Das Verhältnis der Oberfläche des Substrats 2 zu der dem Substrat zugewandten Oberfläche des Anschlussträgers kann größer oder gleich 0,75 oder 0,85 sein. Der erstere Wert ergibt sich für ein Substrat mit den Abmessungen 3,1 mm × 3,1 mm und einem Anschlussträger mit den Abmessungen 3,5 mm × 3,5 mm – also einem randseitigen Überstand von 200 μm – und der letztere Wert bei einem Anschlussträger der Größe 3,3 mm × 3,3 mm.

Claims

Strahlungsdetektor mit einer Mehrzahl von Detektorzellen, die in einem Detektorzellenfeld angeordnet sind, wobei – die Detektorzellen jeweils einen aktiven Bereich aufweisen und zur Strahlungsdetektion ausgebildet sind, – der Strahlungsdetektor so ausgelegt ist, dass zu detektierende Strahlung über eine Strahlungsdurchtrittsfläche der jeweiligen Detektorzelle in diese Detektorzelle eintritt und im aktiven Bereich dieser Detektorzelle unter Ladungsträgererzeugung absorbiert wird, – die jeweilige Detektorzelle zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist, wobei im Betrieb des Strahlungsdetektors mittels der freien Ladungsträger ein Zellensignal erzeugt wird, – der Strahlungsdetektor eine Schicht aufweist, die sich über die Strahlungsdurchtrittsflächen verschiedener Detektorzellen erstreckt, wobei die Schicht für die zu detektierende Strahlung durchlässig ist, und wobei die Schicht eine erste Oberfläche aufweist, die den Detektorzellen zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche aufweist, die von den Detektorzellen abgewandt ist, – wobei eine Dicke d der Schicht so gewählt ist, dass a) die Dicke d der Schicht kleiner oder gleich der lateralen Abmessung B einer der Detektorzellen ist, wobei die laterale Abmessung in Aufsicht auf die Strahlungsdurchtrittsfläche bestimmt ist, und/oder b) die Dicke d kleiner oder gleich 50 μm ist, und/oder c) für in die Schicht eingetretene Strahlung, die unter einem Einfallswinkel α von größer oder gleich 30° auf die erste oder zweite Oberfläche trifft gilt: 2·d·tan(α) ≤ X, wobei X = B und/oder X = 50 μm ist, und/oder d) die Dicke d der Schicht kleiner oder gleich als das 3-fache des Abstandes W zwischen den aktiven Bereichen zweier benachbarter Detektorzellen ist, und wobei die Detektorzellen jeweils zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung geeignet sind, und die Schicht derart ausgebildet ist, dass in einer ersten Detektorzelle erzeugte und an der von den Detektorzellen abgewandten zweiten Oberfläche der Schicht totalreflektierte Sekundärstrahlung am aktiven Bereich einer der ersten Detektorzelle benachbarten, zweiten Detektorzelle vorbei gelenkt wird.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, bei dem die Dicke d der Schicht so gewählt ist, dass i) die Dicke d der Schicht kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 3B/4, 2B/3, B/2, B/3, B/4, B/5, B/10, und/oder ii) die Dicke d kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 40 μm, 30 μm, 20 μm, 10 μm, 8 μm, 5 μm, und/oder iii) 2·d·tan(α) ≤ X gilt, wobei X aus einem der unter i), ii), oder iv) aufgeführten Werte ausgewählt ist, und/oder iv) die Dicke d kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 2,5·W, 2·W, 1,5·W, W.
Strahlungsdetektor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem α größer oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion an der zweiten Oberfläche der Schicht ist.
Strahlungsdetektor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dicke d der Schicht größer oder gleich 1 μm, bevorzugt größer oder gleich 2 μm, besonders bevorzugt größer oder gleich 3 μm ist.
Strahlungsdetektor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der Schicht und der Strahlungsdurchtrittsfläche der jeweiligen Detektorzelle eine Antireflexionsbeschichtung angeordnet ist.
Strahlungsdetektor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Oberfläche der Schicht als Strahlungseintrittsfläche in den Strahlungsdetektor dient.
Strahlungsdetektor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht als Schutzschicht ausgebildet ist.
Strahlungsdetektor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein Substrat aufweist, wobei die Detektorzellen über das Substrat verteilt angeordnet sind.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, bei dem sich zumindest eine Durchkontaktierung durch das Substrat erstreckt, wobei das Substrat für die Durchkontaktierung ausgespart ist und im Bereich der Aussparung ein Leiter angeordnet ist, der mit einer Mehrzahl von Detektorzellen elektrisch leitend verbunden ist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 9, bei dem sich die Schicht über die Aussparung erstreckt.
Strahlungsdetektor nach mindestens einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem zwischen der Schicht und einer der Schicht zugewandten Öffnung der Aussparung eine oder eine Mehrzahl von weiteren Schichten angeordnet ist und die Schicht die weiteren Schichten im Bereich der Aussparung mechanisch stabilisiert.
Strahlungsdetektor nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem das Substrat eine Dicke aufweist, die größer oder gleich einem der folgenden Werte ist: 300 μm, 350 μm, 400 μm, 500 μm, 600 μm.
Strahlungsdetektor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Photomultiplier, insbesondere als Silizium-Photomultiplier, ausgebildet ist.
Anordnung mit einem Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Medium an die zweite Oberfläche der Schicht angrenzt, wobei das Medium einen kleineren oder einen größeren Brechungsindex aufweist als die Schicht.