DE102022104133A1

DE102022104133A1 - Strahlungsdetektor für Röntgenstrahlung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102022104133A1
Application number: DE102022104133.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Wiest
Original assignee: Ketek Halbleiter und Reinraumtechnik GmbH
Current assignee: Ketek Halbleiter und Reinraumtechnik GmbH
Priority date: 2022-02-22
Filing date: 2022-02-22
Publication date: 2023-08-24
Also published as: US20230266488A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform ist der Strahlungsdetektor (1) für Röntgenstrahlung (X) vorgesehen und umfasst:- einen Halbleiterkörper (2) zur Detektion der Röntgenstrahlung (X) mit einer Strahlungseintrittsseite (20),- eine elektrisch leitfähige Fensterschicht (3), die flächig an der Strahlungseintrittsseite (20) angebracht ist, umfassend Bor und/oder Kohlenstoff und mit einer Dicke (T) von höchstens 20 nm, und- eine elektrisch leitfähige Stegstruktur (4) an der Fensterschicht (3) und in elektrischem Kontakt mit der Fensterschicht (3).

Description

Es wird ein Strahlungsdetektor für Röntgenstrahlung angegeben. Darüber hinaus wird ein Betriebsverfahren für einen solchen Strahlungsdetektor angegeben.
Die Druckschrift DE 10 2012 012 296 B4 betrifft einen Strahlungsdetektor für Röntgenstrahlung.
Aus den Druckschriften DE 10 2014 103 546 A1 und DE 10 2012 107 342 B4 sind Strahlungsdurchtrittsfenster für Röntgenstrahlung bekannt.
Die Druckschrift US 2019 / 0 214 217 A1 betrifft Strahlungsfenster für Röntgenstrahlung, die Bor enthalten.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, einen Strahlungsdetektor anzugeben, der strahlungshart ist und der eine hohe Sensitivität im Niederenergiebereich aufweist. Eine weitere zu lösende Aufgabe liegt darin, ein entsprechendes Betriebsverfahren anzugeben.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch einen Strahlungsdetektor und durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Strahlungsdetektor einen Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper ist zur Detektion der Röntgenstrahlung eingerichtet. Insbesondere umfasst der Halbleiterkörper einen Halbleiterbereich, der zur Absorption der zu detektierenden Röntgenstrahlung vorgesehen ist. Zum Beispiel basiert der Halbleiterkörper auf Silizium, Si, oder auf Ge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterkörper eine Strahlungseintrittsseite. Die Strahlungseintrittsseite ist bevorzugt eine Hauptseite und eine Begrenzungsfläche des Halbleiterkörpers. Bestimmungsgemäß tritt die zu detektierende Röntgenstrahlung an der Strahlungseintrittsseite in den Halbleiterkörper hinein. Der Halbleiterbereich, der zur Absorption der zu detektierenden Röntgenstrahlung vorgesehen ist, kann sich direkt oder nahe an der Strahlungseintrittsseite befinden. Nahe bedeutet zum Beispiel, dass ein Abstand zwischen der Strahlungseintrittsseite und dem vorgenannten Halbleiterbereich höchstens 100 nm oder höchstens 30 nm beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Strahlungsdetektor eine oder mehrere elektrisch leitfähige Fensterschichten. Die mindestens eine oder bevorzugt genau eine Fensterschicht ist insbesondere flächig an der Strahlungseintrittsseite angebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Fensterschicht Bor, B, und/oder Kohlenstoff, C. Insbesondere besteht die mindestens eine Fensterschicht entweder aus B oder aus C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die mindestens eine Fensterschicht eine Dicke von höchstens 50 nm oder von höchstens 20 nm oder von höchstens 10 nm oder von höchstens 5 nm oder von höchstens 2 nm auf. Die Dicke der mindestens einen Fensterschicht liegt bei einer Atomlage oder bei zwei oder bei mehr als zwei Atomlagen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Strahlungsdetektor eine oder mehrere elektrisch leitfähige Stegstrukturen. Die mindestens eine und bevorzugt genau eine Stegstruktur befindet sich direkt oder mittelbar an der Fensterschicht. Außerdem steht die mindestens eine Stegstruktur in elektrischem Kontakt mit der Fensterschicht.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Strahlungsdetektor, der zur Detektion von Röntgenstrahlung eingerichtet ist,

- einen Halbleiterkörper zur Detektion der Röntgenstrahlung mit einer Strahlungseintrittsseite,
- eine elektrisch leitfähige Fensterschicht, die flächig an der Strahlungseintrittsseite angebracht ist, umfassend Bor und/oder Kohlenstoff und mit einer Dicke von höchstens 20 nm, und
- eine elektrisch leitfähige Stegstruktur an der Fensterschicht und in elektrischem Kontakt mit der Fensterschicht.

Insbesondere aufgrund der als Stromaufweitung dienenden Fensterschicht kann die Fensterschicht als Teil einer Elektrode verwendet werden. Dabei braucht ein Material der Fensterschicht aufgrund der Stegstruktur nur eine vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit aufzuweisen. Somit kann eine elektrische Querleitung hauptsächlich durch die Stegstruktur bewirkt sein. Die Stegstruktur braucht daher nur einen vergleichsweise geringen Flächenanteil der Strahlungseintrittsseite zu bedecken. Da die Fensterschicht aus einem Material bestehen kann, das speziell niederenergetische Röntgenstrahlung nur schwach absorbiert, kann ein Detektionsverhalten für niederenergetische Röntgenstrahlung verbessert werden. Niederenergetische Röntgenstrahlung bezeichnet insbesondere eine Strahlung mit Photonenenergien zwischen einschließlich 50 eV und 2 keV.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Flächenanteil der Strahlungseintrittsseite, der von der Stegstruktur bedeckt ist, bei höchstens 30 % oder bei höchstens 20 % oder bei höchstens 10 % oder bei höchstens 5 %. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Anteil bei mindestens 0,5 % oder bei mindestens 2 % oder bei mindestens 5 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Fensterschicht aus Graphen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Fensterschicht aus Borophen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Stegstruktur direkt an der Fensterschicht angebracht. Dabei befindet sich die Stegstruktur zum Beispiel teilweise oder vollständig an einer dem Halbleiterkörper abgewandten Seite der Fensterschicht. Die Stegstruktur kann dann beabstandet vom Halbleiterkörper angebracht sein und kann die Fensterschicht berühren. Alternativ oder zusätzlich befindet sich die Stegstruktur zum Beispiel teilweise oder vollständig zwischen dem Halbleiterkörper und der Fensterschicht. Die Stegstruktur kann somit sowohl den Halbleiterkörper als auch die Fensterschicht berühren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich die Fensterschicht lückenlos über einen Teil oder über die gesamte Strahlungseintrittsseite. Die Fensterschicht oder die Fensterschichten oder mindestens eine der Fensterschichten können dabei plan geformt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Fensterschicht eine Fläche von mindestens 1 mm² oder von mindestens 0,1 cm² oder von mindestens 1 cm² auf. Diese Fläche der Fensterschicht kann kleiner oder gleich der Fläche der Strahlungseintrittsseite sein, welche wiederum größer oder gleich einer Fläche des Halbleiterbereichs, der zur Absorption der zu detektierenden Röntgenstrahlung vorgesehen ist, sein kann, jeweils in Draufsicht auf die Strahlungseintrittsseite gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Stegstruktur ein oder mehrere Metallgitter. Das mindestens eine Metallgitter umfasst einen oder mehrere Stege. Alle oder einige der Stege können parallel zueinander orientiert sein, zum Beispiel mit einer Toleranz von höchstens 30° oder von höchstens 10° oder von höchstens 2°. Alternativ oder zusätzlich sind zumindest einige der Stege senkrecht zueinander orientiert, in Draufsicht auf die Strahlungseintrittsseite gesehen. Dies gilt zum Beispiel mit einer Toleranz von höchstens 30° oder von höchstens 10° oder von höchstens 2°. Somit kann die Stegstruktur quer zueinander und längs zueinander verlaufende Stege beinhalten.
Stegstruktur bedeutet insbesondere, dass mindestens ein Steg vorhanden ist. Ein Steg ist zum Beispiel ein gerader und/oder ein unverzweigt verlaufender Metallstreifen. Steg bedeutet beispielsweise, dass eine Längsausdehnung eine Querausdehnung um mindestens einen Faktor fünf oder um mindestens einen Faktor 10 oder um mindestens einen Faktor 20 übersteigt. Sich kreuzende Stege werden insbesondere nicht als Verzweigung aufgefasst, falls ein Kreuzungswinkel mindestens 45° oder mindestens 60° oder mindestens 80° beträgt.
Es ist möglich, dass die Stegstruktur mindestens 10 oder mindestens 100 oder mindestens 500 der Stege umfasst. Alternativ oder zusätzlich sind höchstens 10⁴ oder höchstens 1000 der Stege vorhanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen zumindest einigen der Stege mindestens 0,1 µm oder mindestens 1 µm oder mindestens 10 µm oder mindestens 30 µm oder und höchstens 1 mm. Alternativ liegt dieser Abstand bei höchstens 1 mm oder bei höchstens 0,2 mm oder bei höchstens 0,1 mm oder bei höchstens 30 µm. Dieser Abstand gilt insbesondere für längs zueinander orientierte Stege und/oder in Draufsicht auf die Strahlungseintrittsseite gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine Dicke der Stege (42) mindestens 10 nm oder mindestens 20 nm oder mindestens 30 nm. Alternativ oder zusätzlich beträgt diese Dicke höchstens 400 nm oder höchstens 200 nm oder höchstens 100 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Dicke der Stege bei mindestens dem Doppelten oder mindestens dem Fünffachen oder mindestens dem Zehnfachen der Dicke der mindestens einen Fensterschicht. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Stege höchstens beim 1000fachen oder höchstens beim 200fachen oder höchstens beim 40fachen der Dicke der mindestens einen Fensterschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Breite der Stege um mindestens einen Faktor 2 oder um mindestens einen Faktor 10 größer als die Dicke der Stege. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Unterschied bei höchstens einem Faktor 200 oder bei höchstens einem Faktor 40.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich direkt zwischen dem Halbleiterkörper und der Fensterschicht bereichsweise oder ganzflächig eine dielektrische Isolationsschicht. Direkt zwischen' bedeutet insbesondere, dass die Isolationsschicht sowohl den Halbleiterkörper als auch die Fensterschicht berührt, insbesondere ganzflächig berührt. Zum Beispiel ist die Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierendem Oxid oder Nitrid wie SiO₂, Si₃N₄ oder BN, Bornitrid.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Fensterschicht bereichsweise oder ganzflächig direkt an der Strahlungseintrittsseite. Das heißt, die Fensterschicht kann die Strahlungseintrittsseite unmittelbar bedecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterkörper an der Fensterschicht eine p-dotierte Schicht und/oder an einer der Fensterschicht abgewandten Seite der p-dotierten Schicht eine n-dotierte Schicht. Es ist möglich, dass sich im Betrieb des Strahlungsdetektors zwischen der p-dotierten Schicht und der n-dotierten Schicht eine Raumladungszone ausbildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die p-dotierte Schicht eine Si-Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die n-dotierte Schicht eine Si-Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die p-dotierte Schicht dünner ist als die n-dotierte Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Stegstruktur unabhängig vom Halbleiterkörper, als unabhängig von der p-dotierten Schicht und der n-dotierten Schicht, elektrisch anschließbar. Insbesondere bilden die Fensterschicht und die Stegstruktur zumindest einen Teil einer Zusatzelektrode.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Strahlungsdetektor ferner eine erste Elektrode an der n-dotierten Schicht und eine zweite Elektrode an der p-dotierte Schicht. Über die erste und zweite Elektrode kann bevorzugt ein Signal des Strahlungsdetektors ausgelesen werden.
Alternativ zur Zusatzelektrode ist es möglich, dass die Stegstruktur und/oder die Fensterschicht elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden sind. Das heißt, die Stegstruktur, die Fensterschicht und die zweite Elektrode sind dann dazu eingerichtet, auf demselben elektrischen Potenzial zu liegen.
Darüber hinaus wird ein Betriebsverfahren für einen Strahlungsdetektor, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben, angegeben. Merkmale des Strahlungsdetektors sind daher auch für das Betriebsverfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform wird mit dem Betriebsverfahren ein Strahlungsdetektor betrieben. Eine Spannung V2 an einer zweiten Elektrode ist kleiner als eine Spannung V1 an einer ersten Elektrode und für eine Spannung V3 an einer Zusatzelektrode gilt: 1,1 V2 ≤ V3 oder 1,03 V2 ≤ V3 und/oder V3 ≤ V2 oder V 3 < V2 oder V 3 < 1,005 V2. Es wird zumindest niederenergetische Röntgenstrahlung detektiert.
Zum Beispiel liegt ΔV = |V1 - V2| bei mindestens 5 V oder bei mindestens 20 V und/oder bei höchstens 200 V oder bei höchstens 500 V. Zum Beispiel ist V1 = 0 V und -60 V ≤ V2 ≤ -120 V. δV = |V2 - V3| beträgt zum Beispiel mindestens 0 V oder mindestens 0,3 V und/oder höchstens 3 V oder höchstens 10 V, wobei V3 negativer ist als V2.
Das Vorzeichen der angelegten Spannungen hängt von der Dotierung im Halbleiter ab. Für den Fall eines schwach n-dotierten Substrats mit einem p⁺-Kontakt auf der Eintrittsfensterseite, eine sogenannte p-on-n-Struktur, gelten die vorangehenden Spannungsangaben. Für den Fall eines schwach p-dotieren Substrats mit einem n⁺- Kontakt, eine sogenannte n-on-p-Struktur, sind die Vorzeichen der Spannungen umzudrehen.
Ein Zahlenbeispiel zur Veranschaulichung: $\begin{array}{l} p - on - n : V 3 = 0 V, V 2 = - 100 V und V 3 = - 101 V, entsprechend \\ p - on - n : V 3 = 0 V, V 2 = + 100 V und V 3 = + 101 V . \end{array}$
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Strahlungsdetektor zur Detektion von Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie von mindestens 0,1 keV und/oder von höchstens 25 keV eingerichtet. Insbesondere ist der Strahlungsdetektor für Photonenenergien im niederenergetischen Bereich von mindestens 50 eV oder von mindestens 100 eV und bis mindestens 2 keV eingerichtet.
Nachfolgend werden ein hier beschriebener Strahlungsdetektor und ein hier beschriebenes Betriebsverfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 und 2 schematische Schnittdarstellungen von Variationen von Strahlungsdetektoren,
3 eine schematische Schnittdarstellung auf ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Strahlungsdetektors,
4 bis 6 schematische Draufsichten von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Strahlungsdetektoren,
7 bis 11 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Strahlungsdetektoren,
12 eine schematische Darstellung der Eindringtiefe von Röntgenstrahlung in verschiedene Materialien in Abhängigkeit von der Photonenenergie, und
13 eine schematische Darstellung der Transmission von Strahlungseintrittsfenstern von Strahlungsdetektoren für Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von der Photonenenergie.

In 1 ist eine Variation 9 eines Strahlungsdetektors illustriert. Die Variation 9 umfasst einen Halbleiterkörper 2, der insbesondere auf Si basiert. An einer Strahlungseintrittsseite 20 umfasst der Halbleiterkörper 2 eine p-dotierte Schicht 22. An einer der Strahlungseintrittsseite 20 abgewandten Seite der p-dotierten Schicht 22 befindet sich eine n-dotierte Schicht 21. Ferner ist an der Strahlungseintrittsseite 20 eine dielektrische Isolationsschicht 5 angebracht, die zum Beispiel aus SiO₂ ist und die zum Beispiel eine Dicke zwischen einschließlich 20 nm und 200 nm aufweist.
An den Schichten 21, 22 befinden sich eine erste Elektrode 61 und eine zweite Elektrode 62, an denen Spannungen V1, V2 anliegen.
Im Betrieb der Variation 9 tritt Röntgenstrahlung X durch die Strahlungseintrittsseite 20 in den Halbleiterkörper 2 ein.
Somit weist die Variation 9 gemäß 1 ein Oxid-Eintrittsfenster 5 auf. Durch die Oxidschicht 5 werden Oberflächenzustände am Halbleiterkörper 5 abgesättigt, weshalb Sekundärelektronen, hervorgerufen durch die Röntgenstrahlung X, im Vergleich zu einer nichtpassivierten oder mit Metall passivierten Si-Oberfläche weniger absorbiert werden. Daraus resultiert eine gute Niederenergieperformance der Variation 9 in Kombination mit einer hohen Transmission für die Röntgenstrahlung X. Allerdings hängt der Effekt stark von der Oxidqualität ab, weshalb die Performance mit zunehmender Bestrahlung schlechter wird. Außerdem weist diese Variation 9 eine relativ geringe Strahlenhärte auf. Das heißt, bei hohen kumulierten Strahlendosen nimmt die Sensitivität und/oder die Lebensdauer dieser Variation 9 deutlich ab.
Die Variation 9 gemäß 2 weist im Vergleich zu 1 zusätzlich an der Isolationsschicht 5 eine Metallschicht 7 auf, die an einer weiteren Elektrode 73 angebunden ist. An der weiteren Elektrode 73 liegt eine Spannung V3 an, die negativer ist als die Spannung V2.
Diese Kombination aus Isolationsschicht 5 und Metallschicht 7 an dem Halbleiterkörper 2 wird auch als MOS-Eintrittsfenster bezeichnet, wobei MOS für Metall-Oxid-Semiconductor steht. Die Metallschicht 7 ist zum Beispiel aus Aluminium mit einer Dicke von beispielsweise 40 nm. Die negativere Spannung V3 an der Metallschicht 7 drückt die durch die Röntgenstrahlung X hervorgerufenen Elektronen in den Halbleiterkörper 2 und verhindert dadurch sehr effektiv eine Absorption dieser Sekundärladungsträger. Dieser Effekt ist relativ unabhängig von der Oxidqualität, weshalb diese Konfiguration deutlich strahlenhärter ist. Allerdings absorbiert die zusätzliche Metallschicht 7 die einfallende Röntgenstrahlung X zu einem vergleichsweise großen Anteil, was zu einer schlechteren Niederenergieperformance führt. Die Funktionsweise einer solchen Variation findet sich zum Beispiel detaillierter in der Druckschrift 10 2012 012 296 B4, deren Offenbarungsgehalt, insbesondere die Absätze 11, 12, 15, 30 und 38 bis 40, durch Rückbezug mit aufgenommen wird.
Ein Ziel eines hier beschriebenen Strahlungsdetektors 1 ist es insbesondere, eine Kombination der Vorteile beider Variationen 9 der 1 und 2 zu erreichen. Dazu ist die Transmission der Metallschicht 7 in der MOS-Konfiguration der 2 zu erhöhen.
Beim Beispiel des Strahlungsdetektors 1 gemäß 3 ist die Metallschicht 7 durch eine Fensterschicht 3 zusammen mit einer Stegstruktur 4 ersetzt. Die Fensterschicht 3 und die Stegstruktur 4 bilden zusammen mindestens einen Teil einer Zusatzelektrode 43, an der die Spannung V3 anlegbar ist.
Die Fensterschicht 3 ist zum Beispiel eine Graphenschicht oder eine Borophenschicht mit einer Dicke T von höchstens 20 nm, im Falle von Graphen bevorzugt zwischen 2 nm und 15 nm oder zwischen 2 nm und 5 nm, im Falle von Borophen können wenig Monolagen vorhanden sein. Direkt auf die Fensterschicht 3 ist die Stegstruktur 4 aufgebracht, die zum Beispiel aus Aluminium ist und insbesondere eine Dicke S zwischen 30 nm und 50 nm aufweist. Ein Abstand D zwischen benachbarten Stegen 42 eines Metallgitters 41, das die Stegstruktur 4 bilden kann, liegt zum Beispiel zwischen 3 µm und 30 µm. Eine Breite W der Stege 41 beträgt zum Beispiel zwischen 1 µm und 5 µm.
Die Spannung V1 an der ersten Elektrode 61 ist im Betrieb des Strahlungsdetektors 1 zum Beispiel 0 V, die Spannung V2 an der zweiten Elektrode 62 liegt beispielsweise zwischen -60 V und -80 V. Die Spannung V3 an der Zusatzelektrode 43 ist etwas negativer als die Spannung V2. Da die Zusatzelektrode 43 bevorzugt nicht für eine Signalauswertung eingerichtet ist, fließen in der Zusatzelektrode 43 bestimmungsgemäß keine oder nur geringe Ströme.
In den 4 bis 6 sind beispielhafte Draufsichten auf die Stegstruktur 4 gezeigt. Gemäß 4 ist das Metallgitter 41 vorhanden, das eine Vielzahl der sich rechtwinklig kreuzenden Stege 42 aufweist. Durch die Stege 42 sind zum Beispiel quadratische oder rechteckige Maschen definiert, innerhalb derer die Fensterschicht 3 freiliegen kann. Das Metallgitter 41 kann über die gesamte Strahlungseintrittsseite 20 hinweg die gleiche Gitterkonstante und/oder Dicke aufweisen. Alternativ zu einem Quadratgitter oder Rechteckgitter kann abweichend von der Darstellung in 4 auch ein insbesondere regelmäßiges hexagonales Metallgitter 41 vorhanden sein. Ein Durchmesser der Strahlungseintrittsseite 20 liegt zum Beispiel zwischen 1 mm und 10 mm.
In 5 ist veranschaulicht, dass das Metallgitter 41 durch parallel zueinander verlaufende Stege 42 gebildet ist. Somit liegen keine sich kreuzenden Stege 42 vor, anders als in 4.
Gemäß 6 sind lediglich zwei der Stege 42 vorhanden, die sich kreuzen und das Metallgitter 41 bilden. Abweichend von der Darstellung in 6 ist es auch möglich, dass nur ein einziger Steg 42 vorhanden ist.
Gemäß der 4 bis 6 verlaufen die Stege 42 jeweils gerade. Abweichend davon können auch gekrümmt verlaufende Stege 42 oder Stege 42 mit Knicken vorhanden sein.
Weiterhin ist gemäß der 4 bis 6 jeweils optional ein Rahmen 44 vorhanden. Zum Beispiel umläuft der Rahmen 44 kreisförmig oder, anders als gezeichnet, auch als Polygon die Strahlungseintrittsseite 20. Der Rahmen 44 kann die einzelnen Stege 42 elektrisch miteinander verbinden. Es ist möglich, dass der Rahmen 44 als Kontaktstelle der Zusatzelektrode 43 dient. Beispielsweise ist der Rahmen 44 aus dem gleichen Material wie die Stege 42 und der Rahmen 44 kann die gleiche Dicke S wie die Stege 42 oder auch eine größere Dicke aufweisen.
Die ganzflächige Metallschicht 7 aus Aluminium gemäß 2 ist somit beim hier beschriebenen Strahlungsdetektor 1 durch die ganzflächige, hauchdünne Graphenschicht oder Borophenschicht mit einer Dicke T von einige nm mit möglichst guter Leitfähigkeit ersetzt. Auf diese Graphenschicht oder Borophenschicht ist zur besseren Potentialverteilung die Metallstützgitterstruktur 4 aufgebracht. Eine Gitterkonstante der elektrischen Stützgitterstruktur 4 wird so groß wie möglich gewählt. Die Gitterkonstante ergibt sich aus einem Schichtwiderstand und einem Leckstrom zwischen den beiden Potentialen.
Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 und 2 in gleicher Weise für die 3 bis 6.
Im Beispiel der 7 ist gezeigt, dass die Stegstruktur 4 seitlich über die Isolationsschicht 5 überstehen kann und in Kontakt mit der p-dotierten Halbleiterschicht 22 stehen kann. Für diesem Fall gilt dann V3 = V2. Diese Konfiguration ist auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich und erzielt bereits eine Verbesserung hinsichtlich der gewünschten Funktionalität. Bevorzugt ist jedoch die Konfiguration der 3, gemäß der V3 unabhängig von V2 einstellbar ist.
Der Strahlungsdetektor 1 der 8 umfasst an der Strahlungseintrittsseite 20 eine Zwischenschicht 8. Die Zwischenschicht 8 ist zum Beispiel aus elektrisch isolierendem SiC. Diese SiC-Schicht 8 kann optional bei entsprechender Abscheidetemperatur in situ während des Graphen-Abscheidungsprozesses für die Fensterschicht 3 gebildet werden.
Gemäß 9 ist keine Isolationsschicht 5 vorhanden. Die Fensterschicht 3, die zum Beispiel aus Graphen ist, liegt somit direkt auf der Strahlungseintrittsseite 20 des Halbleiterkörpers 2 auf. Oberflächenzustände werden mittels der Fensterschicht 3 abgesättigt oder sich akkumulierende Ladungsträger können über die leitfähige Fensterschicht zusätzlich abtransportiert werden.
Optional umfasst die Halbleiterschicht 22 an der Strahlungseintrittsseite 20 mehrere Teilschichten. Die Halbleiterschicht 22 kann somit aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein, die zum Beispiel jeweils aus entsprechend dotiertem Si sein können. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine p-Dotierung im ladungsträgerverarmten Silizium sukzessive nach innen hin abnimmt, damit ein elektrisches Feld immer in das Detektorvolumen gerichtet ist und die generierten Ladungsträger in Richtung Anode getrieben werden. Dies kann entsprechend in allen anderen Beispielen gelten.
Beim Beispiel der 10 ist gezeigt, dass die Stegstruktur 4 unmittelbar auf der Strahlungseintrittsseite 20 aufgebracht ist. Die Fensterschicht 3 ist dann zum Beispiel ganzflächig über der Strahlungseintrittsseite 20 angebracht, sodass die Fensterschicht 3 die Stegstruktur 4 teilweise oder vollständig bedecken kann, siehe 10, linke Seite. Alternativ kann die Fensterschicht 3 auf Bereiche zwischen den Stegen 42 beschränkt sein, siehe 10, rechte Seite.
Gemäß 11 ist zwischen den Halbleiterschichten 21, 22 im Betrieb eine Raumladungszone 23 gebildet, hervorgerufen durch die Spannungen V1 und V2. Die Zusatzelektrode 43 ist separat von der zweiten Elektrode 62 anschließbar. Die zweite Elektrode 62 ist zum Beispiel eine metallische Ringelektrode um die Strahlungseintrittsseite 20 herum. Die erste Elektrode 61 kann eine flächige Metallschicht an einer der Strahlungseintrittsseite 20 abgewandten Seite der Halbleiterschicht 21 sein.
Optional umfasst der Halbleiterkörper 2 eine weitere n-dotierte Schicht 24. Die Schicht 24 ist bevorzugt schwächer dotiert als die Schicht 21. Die Raumladungszone 23 kann in der weiteren Schicht 24 gebildet sein.
Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 bis 6 in gleicher Weise für die 7 bis 11, und umgekehrt.
In einer anderen Kategorie von Beispielen des Strahlungsdetektors 1 ist keine Fensterschicht 3 vorhanden. In diesem Fall liegt dann eine Stegstruktur 41 ohne Fensterschicht vor, also beispielsweise Aluminiumstege 42 insbesondere direkt auf dem Halbleiterkörper 2, speziell direkt auf p-dotiertem Silizium. Auch solche Strahlungsdetektoren 1 bringen eine Verbesserung hinsichtlich der Transmission. Dies gilt insbesondere für kleine Abstände zwischen benachbarten Stegen 42 von zum Beispiel höchstens 0,2 mm oder höchstens 0,1 mm oder höchstens 30 µm. Für solche Strahlungsdetektoren 1 ohne Fensterschicht gelten die Ausführungen zu den 1 bis 11 im Übrigen in gleicher Weise.
In 12 sind für verschiedene Materialien Eindringtiefen L, auch als Attenuation Length bezeichnet, in Abhängigkeit von einer Photonenenergie Ep dargestellt. Insbesondere ist zu sehen, dass Graphen, Gr, und Borophen, Bo, im niederenergetischen Bereich bei Photonenenergien Ep um 200 eV eine deutlich größere Eindringtiefe L und damit höhere Transmission für einfallende Strahlung aufzeigen als Aluminium, Al, und Siliziumoxid, SiO₂. Zudem können die Schichten deutlich dünner gebildet werden, was die Transmission zusätzlich verbessert.
In 13 ist eine Transmission Tx einer hier beschriebenen Zusatzelektrode mit einem 10 nm dicken Graphen-Fenster 3 und einer 40 nm dicken Aluminium-Stegstruktur 4 gezeigt, wobei ein Metallgitter gemäß 4 vorliegt mit Stegbreiten D von 2 µm und Stegabständen D von 10 µm. Zu erkennen ist, dass im Vergleich zu einer flächigen Metallschicht 7 aus 40 nm dickem Aluminium die Transmission Tx insbesondere im Spektralbereich unterhalb von 300 eV bei einem hier beschriebenen Strahlungsdetektor 1 deutlich um mehrere zehn Prozentpunkte erhöht ist, entsprechend einem Transmissionsgewinn ΔT.
Ferner sind in 13 für mehrere Elemente E die Energien charakteristischer Röntgenemissionslinien Kα aufgelistet. Im Rahmen der Materialanalyse basierend auf der charakteristischen Röntgenstrahlung von Elementen bei Verfahren wie EDX (Energiedispersive Röntgenspektroskopie, englisch energy dispersive X-ray spectroscopy), XRF (Röntgenfluoreszenzspektroskopie, englisch X-ray fluorescence spectroscopy) oder PIXE (Partikel-induzierte Röntgenemission, englisch Particle-Induced X-ray Emission) ist der Photonenenergiebereich von 50 eV bis zu einige 10 keV, entsprechend Wellenlänge von 25 nm bis etwa 10 pm, interessant. Deshalb bezieht sich der Begriff der Transmission Tx besonders auf diesen Energiebereich und hier wiederum speziell auf den niederenergetischen Anteil von 50 ev bis 2 keV. Die Tabelle in 13 zeigt die Energien der Kα-Linien der leichtesten Elemente. Diese Energien sind zur Elementbestimmung nachzuweisen.
Da das hier beschriebene Fenster 3, 4 eine erhöhte Transmission Tx im niederenergetischen Spektralbereich aufweist, ist die Nachweisempfindlichkeit in diesem Spektralbereich erhöht.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge aufeinander, insbesondere unmittelbar aufeinander, sofern nichts anderes beschrieben ist. Sich in den Figuren nicht berührende Komponenten weisen bevorzugt einen Abstand zueinander auf. Sofern Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die zugeordneten Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Außerdem sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben, falls nichts anderes angegeben ist.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Strahlungsdetektor
2: Halbleiterkörper
20: Strahlungseintrittsseite
21: n-dotierte Schicht
22: p-dotierte Schicht
23: Raumladungszone
24: weitere n-dotierte Schicht
3: Fensterschicht
4: Stegstruktur
41: Metallgitter
42: Steg
43: Zusatzelektrode
44: Rahmen
5: dielektrische Isolationsschicht
61: erste Elektrode
62: zweite Elektrode
7: Metallschicht
73: weitere Elektrode
8: Zwischenschicht
9: Variation eines Strahlungsdetektors
D: Abstand zwischen den Stegen
E: Element im Periodensystem
Ep: Photonenenergie in eV
Kα: charakteristische Röntgenemissionslinie
L: Eindringtiefe in nm
S: Dicke der Stege
T: Dicke der Fensterschicht
ΔT: Transmissionsgewinn
Tx: Transmission in %
W: Breite der Stege
X: Röntgenstrahlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012012296 B4 [0002]
DE 102014103546 A1 [0003]
DE 102012107342 B4 [0003]

Claims

Strahlungsdetektor (1) für Röntgenstrahlung (X) mit - einem Halbleiterkörper (2) zur Detektion der Röntgenstrahlung (X) mit einer Strahlungseintrittsseite (20), - einer elektrisch leitfähigen Fensterschicht (3), die flächig an der Strahlungseintrittsseite (20) angebracht ist, umfassend Bor und/oder Kohlenstoff und mit einer Dicke (T) von höchstens 20 nm, und - einer elektrisch leitfähigen Stegstruktur (4) an der Fensterschicht (3) und in elektrischem Kontakt mit der Fensterschicht (3).
Strahlungsdetektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - die Fensterschicht (3) aus Graphen oder aus Borophen ist und die Dicke (T) höchstens 5 nm beträgt, - die Stegstruktur (4) direkt an der Fensterschicht (3) angebracht ist, und - die Fensterschicht (3) lückenlos ist und eine Fläche von mindestens 1 mm² aufweist.
Strahlungsdetektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Stegstruktur (4) an einer dem Halbleiterkörper (2) abgewandten Seite der Fensterschicht (3) befindet.
Strahlungsdetektor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Stegstruktur (4) zwischen dem Halbleiterkörper (2) und der Fensterschicht (3) befindet.
Strahlungsdetektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stegstruktur (4) ein Metallgitter (41) umfasst, sodass die Stegstruktur (4) quer zueinander und/oder parallel zueinander verlaufende Stege (42) beinhaltet.
Strahlungsdetektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Abstand (D) zwischen zumindest einigen der Stege (42) mindestens 0,1 µm und höchstens 1 mm beträgt, und wobei eine Dicke (S) der Stege (42) mindestens 20 nm und höchstens 200 nm beträgt und eine Breite (W) der Stege (42) um mindestens einen Faktor 2 größer ist als die Dicke (S) der Stege (42).
Strahlungsdetektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich direkt zwischen dem Halbleiterkörper (2) und der Fensterschicht (3) zumindest bereichsweise eine dielektrische Isolationsschicht (5) befindet.
Strahlungsdetektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich die Fensterschicht (3) zumindest bereichsweise direkt an der Strahlungseintrittsseite (20) befindet.
Strahlungsdetektor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper (2) an der Fensterschicht (3) eine p-dotierte Schicht (22) und an einer der Fensterschicht (3) abgewandten Seite der p-dotierten Schicht (22) eine n-dotierte Schicht (21) umfasst, wobei die p-dotierte Schicht (22) eine Si-Schicht ist, wobei die n-dotierte Schicht (21) eine Si-Schicht ist, und wobei die p-dotierte Schicht (22) dünner ist als die n-dotierte Schicht (21).
Strahlungsdetektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Stegstruktur (4) unabhängig von der p-dotierten Schicht (22) und der n-dotierten Schicht (21) elektrisch anschließbar ist, sodass die Fensterschicht (3) und die Stegstruktur (4) eine Zusatzelektrode (43) bilden und der Strahlungsdetektor (1) ferner eine erste Elektrode (61) an der n-dotierten Schicht (21) und eine zweite Elektrode (62) an der p-dotierte Schicht (22) umfasst.
Betriebsverfahren, mit dem ein Strahlungsdetektor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch betrieben wird, wobei eine Spannung V2 an der zweiten Elektrode (62) kleiner ist als eine Spannung V1 an der ersten Elektrode (61) und für eine Spannung V3 an der Zusatzelektrode (43) gilt: 1,1 V2 ≤ V3 ≤ V2, und wobei niederenergetische Röntgenstrahlung (X) detektiert wird.