DE202010012735U1 - Radiation detector and use of a radiation detector - Google Patents
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Abstract
Strahlungsdetektor (100) mit zumindest einer Detektorzelle (1), wobei ein Halbleiterkörper (2) der Detektorzelle (1)
– einen ersten Elektrodenbereich (3) umfasst,
– einen zweiten Elektrodenbereich (5) umfasst, der weiter von einer einer Unterseite (70) des Halbleiterkörpers (2) abgewandten Oberseite (30) des Halbleiterkörpers (2) entfernt ist als der erste Elektrodenbereich (3), und
– eine aktive Zone (4) umfasst, die sich zwischen dem ersten Elektrodenbereich (3) und dem zweiten Elektrodenbereich (5) befindet und die zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist,
wobei
– der zweite Elektrodenbereich (5) mindestens stellenweise von der Unterseite (70) beabstandet ist, und
– sich an der Unterseite (70) des Halbleiterkörpers (2) oder an einer dem Halbleiterkörper (2) abgewandten Bodenseite (82) eines Trägers (8), auf dem der Halbleiterkörper (2) angebracht ist, mindestens stellenweise eine Absorberschicht (20) und/oder eine zu einer Strahlungsablenkung eingerichtete Strukturierung (22) befindet.Radiation detector (100) with at least one detector cell (1), wherein a semiconductor body (2) of the detector cell (1)
Comprising a first electrode region (3),
A second electrode region (5) which is further away from an upper side (30) of the semiconductor body (2) facing away from a lower side (70) of the semiconductor body (2) than the first electrode region (3), and
An active zone (4) which is located between the first electrode region (3) and the second electrode region (5) and which is set up to generate free charge carriers by means of an avalanche multiplication,
in which
- The second electrode region (5) at least in places spaced from the underside (70), and
- On the bottom (70) of the semiconductor body (2) or on a semiconductor body (2) facing away from the bottom side (82) of a carrier (8) on which the semiconductor body (2) is mounted, at least in places an absorber layer (20) and / or arranged for a radiation deflection structuring (22) is located.
Description
Es wird ein Strahlungsdetektor angegeben. Darüber hinaus wird eine Verwendung eines solchen Strahlungsdetektors angegeben.A radiation detector is specified. In addition, a use of such a radiation detector is specified.
Die Druckschrift
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Strahlungsdetektor anzugeben, der ein vermindertes optisches Übersprechen zwischen benachbarten Detektorzellen aufweist. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Verwendung eines solchen Strahlungsdetektors anzugeben.An object to be solved is to provide a radiation detector having a reduced optical crosstalk between adjacent detector cells. Another object to be solved is to specify a use of such a radiation detector.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist dieser dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Die zu detektierende Strahlung weist zum Beispiel Wellenlängen im Spektralbereich zwischen 200 nm und 3000 nm auf, insbesondere im Spektralbereich zwischen 300 nm und 800 nm. Bevorzugt ist der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet, Wellenlängen im Bereich zwischen 380 nm und 450 nm zu detektieren. Weiterhin bevorzugt ist der Strahlungsdetektor dazu eingerichtet, einzelne Photonen der Strahlung zu detektieren. Der Strahlungsdetektor kann zum Betrieb als Photonenzähler geeignet sein.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the latter is configured to detect electromagnetic radiation. The radiation to be detected has, for example, wavelengths in the spectral range between 200 nm and 3000 nm, in particular in the spectral range between 300 nm and 800 nm. The radiation detector is preferably set up to detect wavelengths in the range between 380 nm and 450 nm. Further preferably, the radiation detector is configured to detect individual photons of the radiation. The radiation detector may be suitable for operation as a photon counter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist dieser zumindest eine Detektorzelle auf, bevorzugt eine Vielzahl von Detektorzellen. Die Detektorzelle ist hierbei eine Einheit, die dazu eingerichtet ist, ein Detektorsignal zu generieren. Insbesondere ist eine Detektorzelle eine separat betreibbare Einheit.According to at least one embodiment of the radiation detector, the latter has at least one detector cell, preferably a plurality of detector cells. The detector cell is in this case a unit which is set up to generate a detector signal. In particular, a detector cell is a separately operable unit.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist die Detektorzelle einen Halbleiterkörper auf. Beispielsweise umfasst der Halbleiterkörper Silizium oder besteht aus Silizium. Alternativ oder zusätzlich kann der Halbleiterkörper auch andere Elementhalbleiter oder Verbindungshalbleiter, zum Beispiel Germanium oder GaAs, beinhalten oder aus solchen bestehen.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the detector cell has a semiconductor body. By way of example, the semiconductor body comprises silicon or consists of silicon. Alternatively or additionally, the semiconductor body may also contain or consist of other element semiconductors or compound semiconductors, for example germanium or GaAs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der Halbleiterkörper eine Strahlungseintrittsfläche auf. Bevorzugt stellt die Strahlungseintrittsfläche einen Teil einer Oberseite des Halbleiterkörpers dar. Die Oberseite ist hierbei einer Unterseite des Halbleiterkörpers abgewandt. Insbesondere ist die Strahlungseintrittsfläche planar oder eben gestaltet. Die Strahlungseintrittsfläche ist dazu eingerichtet, mindestens einen Teil einer vom Strahlungsdetektor zu detektierende Strahlung in den Halbleiterkörper eintreten zu lassen.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the semiconductor body has a radiation entrance surface. The radiation entrance surface preferably forms part of an upper side of the semiconductor body. In this case, the upper side faces away from an underside of the semiconductor body. In particular, the radiation entrance surface is planar or planar. The radiation entrance surface is adapted to allow at least a part of a radiation to be detected by the radiation detector to enter the semiconductor body.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst der Halbleiterkörper der Detektorzelle einen ersten Elektrodenbereich. Insbesondere ist der erste Elektrodenbereich ein zusammenhängender Bereich. Bevorzugt ist der erste Elektrodenbereich ein flächig gestalteter Bereich des Halbleiterkörpers. Der erste Elektrodenbereich kann planar gestaltet sein und sich an der Strahlungseintrittsfläche und/oder an der Oberseite des Halbleiterkörpers befinden. Der erste Elektrodenbereich weist, beispielsweise in einer Richtung senkrecht zur Strahlungseintrittsfläche, bevorzugt eine Dicke von weniger als 200 nm, insbesondere von weniger als 100 nm auf. Weiterhin beträgt die Dicke bevorzugt mindestens 20 nm oder mindestens 40 nm. Der erste Elektrodenbereich kann dotiert ausgeführt sein. Zum Beispiel ist der erste Elektrodenbereich durch Implantation von Ionen in den Halbleiterkörper erzeugt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der erste Elektrodenbereich teilweise oder vollständig epitaktisch gewachsen ist.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the semiconductor body of the detector cell comprises a first electrode region. In particular, the first electrode region is a contiguous region. Preferably, the first electrode region is a flat area of the semiconductor body. The first electrode region may be designed planar and located on the radiation entrance surface and / or on the upper side of the semiconductor body. The first electrode region, for example in a direction perpendicular to the radiation entrance surface, preferably has a thickness of less than 200 nm, in particular less than 100 nm. Furthermore, the thickness is preferably at least 20 nm or at least 40 nm. The first electrode region can be made doped. For example, the first electrode region is generated by implantation of ions into the semiconductor body. Alternatively or additionally, it is possible that the first electrode region has grown partially or completely epitaxially.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst der Halbleiterkörper einen zweiten Elektrodenbereich. Auch der zweite Elektrodenbereich bildet bevorzugt einen zusammenhängenden elektrisch leitenden Bereich aus. Zum Beispiel ist der zweite Elektrodenbereich durch Implantation und Dotierung mit Ionen erzeugt. Insbesondere befindet sich der zweite Elektrodenbereich weiter von einer Oberseite und/oder der Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterkörpers entfernt als der erste Elektrodenbereich. Mit anderen Worten kann ein Abstand der ersten Elektrodenbereichs zur Oberseite des Halbleiterkörpers kleiner sein als ein Abstand des zweiten Elektrodenbereichs zur Oberseite.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the semiconductor body comprises a second electrode region. The second electrode region also preferably forms a continuous electrically conductive region. For example, the second electrode region is generated by implantation and doping with ions. In particular, the second electrode region is located further from an upper side and / or the radiation entrance surface of the semiconductor body than the first electrode region. In other words, a distance of the first electrode region from the upper side of the semiconductor body may be smaller than a distance of the second electrode region from the upper side.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der Halbleiterkörper der Detektorzelle eine aktive Zone auf. Die aktive Zone befindet sich hierbei zwischen dem ersten Elektrodenbereich und dem zweiten Elektrodenbereich. Weiterhin ist die aktive Zone bevorzugt zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet. Beispielsweise ist die aktive Zone eine so genannte Avalanchezone.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the semiconductor body of the detector cell has an active zone. The active zone is in this case between the first electrode region and the second electrode region. Furthermore, the active zone is preferably set up to generate free charge carriers by means of avalanche multiplication. For example, the active zone is a so-called avalanche zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist, in Draufsicht auf die Oberseite gesehen insbesondere außerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Bereichs oder an einem Rand der aktiven Zone, der zweite Elektrodenbereich von der Oberseite des Halbleiterkörpers weiter entfernt als innerhalb des von der aktiven Zone überdeckten Bereichs und/oder erstreckt sich von der Oberseite weg. Der Rand stellt hierbei insbesondere eine laterale Begrenzung der aktiven Zone dar. Beispielsweise ist der Rand eine fiktive Fläche, die die aktive Zone lateral umlaufend umgibt.According to at least one embodiment of the radiation detector, seen in plan view on the top, in particular outside a region covered by the active zone or at an edge of the active zone, the second electrode region is farther from the top of the semiconductor body than within the region covered by the active zone and / or extends away from the top. In this case, the edge represents, in particular, a lateral boundary of the active zone. For example, the edge is a fictitious surface which surrounds the active zone laterally in a circle.
Zum Beispiel grenzen erster Elektrodenbereich oder zweiter Elektrodenbereich unmittelbar an die aktive Zone. In diesem Angrenzbereich weisen die Elektrodenbereiche bevorzugt einen konstanten Abstand zueinander auf. In einer lateralen Richtung neben der aktiven Zone erstreckt sich dann der zweite Elektrodenbereich, zumindest stellenweise, von der Oberseite weg und/oder weist in einer lateralen Richtung neben der aktiven Zone einen größeren Abstand zu dieser Oberseite auf als in einem in Draufsicht auf die Oberseite von der aktiven Zone überdeckten Bereich. For example, the first electrode region or second electrode region directly adjoin the active zone. In this adjacent region, the electrode regions preferably have a constant distance from one another. In a lateral direction next to the active zone, the second electrode region then extends, at least in places, away from the upper side and / or has a larger distance to this upper side in a lateral direction next to the active zone than in a top view of FIG the active zone covered area.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors befindet sich an der Unterseite des Halbleiterkörpers oder an einer Bodenseite eines Trägers, der den Halbleiterkörper mechanisch stützt, eine Absorberschicht. Die Bodenseite ist hierbei eine solche Hauptseite des Trägers, die dem Halbleiterkörper abgewandt ist. Die Absorberschicht ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, beispielsweise durch eine Ladungsträgerlawine im Halbleiterkörper erzeugte Sekundärphotonen zu absorbieren. Bevorzugt beträgt eine Absorption der Absorberschicht für Strahlung insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen einschließlich 600 nm und 1500 nm mehr als 50%, bevorzugt mehr als 60% oder mindestens 80%. Das heißt, aus dem Halbleiterkörper auf die Absorberschicht auftreffende Strahlung gelangt überwiegend nicht mehr zurück in den Halbleiterkörper sondern wird an der beziehungsweise von der Absorberschicht absorbiert.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, an absorber layer is located on the underside of the semiconductor body or on a bottom side of a carrier which mechanically supports the semiconductor body. The bottom side is in this case such a main side of the carrier, which faces away from the semiconductor body. The absorber layer is expediently arranged to absorb, for example, secondary photons generated by a charge carrier avalanche in the semiconductor body. An absorption of the absorber layer for radiation is preferably more than 50%, preferably more than 60% or at least 80%, in particular in the wavelength range between 600 nm and 1500 nm inclusive. That is, radiation incident on the absorber layer from the semiconductor body is predominantly no longer returned to the semiconductor body but is absorbed at or from the absorber layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors befindet sich an der Unterseite oder an der Bodenseite eine Strukturierung, die zu einer Strahlungsablenkung eingerichtet ist. Die Strukturierung kann also optisch wirksam sein. Zum Beispiel handelt es sich bei der Strukturierung um eine Aufrauung oder um ein optisches Gitter. Auf die Strukturierung aus dem Halbleiterkörper auftreffende Strahlung wird bevorzugt derart umgelenkt, dass ein überwiegender Teil dieser Strahlung nicht mehr zurück in die aktive Zone gelangt. Zum Beispiel wird die auf die Strukturierung auftreffende Strahlung transmittiert oder in eine Richtung parallel oder im Wesentlichen parallel zur Unterseite oder zur Bodenseite umgelenkt. Es ist möglich, dass die Strukturierung aus oder mit einem im relevanten Spektralbereich absorbierenden Material geformt ist.According to at least one embodiment of the radiation detector is located on the underside or on the bottom side structuring, which is adapted to a radiation deflection. The structuring can therefore be optically effective. For example, the structuring is a roughening or an optical grating. Radiation incident on the structuring from the semiconductor body is preferably deflected in such a way that a predominant part of this radiation no longer reaches the active zone. For example, the radiation impinging on the structuring is transmitted or deflected in a direction parallel or substantially parallel to the underside or to the bottom side. It is possible that the patterning is formed from or with a material absorbing in the relevant spectral range.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist dieser dazu eingerichtet, in einem Geiger-Modus betrieben zu werden. Es wird an die bevorzugt mehrere Detektorzellen also eine Spannung zwischen den Elektrodenbereichen angelegt, die eine Durchbruchspannung übersteigt, zum Beispiel um mindestens ein 1,04-Faches und/oder um höchstens ein 1,20-Faches.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, this is configured to be operated in a Geiger mode. It is applied to the preferred plurality of detector cells so a voltage between the electrode regions, which exceeds a breakdown voltage, for example by at least a 1.04-tray and / or by at most a 1.20-Faches.
In mindestens einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst dieser zumindest eine Detektorzelle, wobei ein Halbleiterkörper der Detektorzelle einen ersten Elektrodenbereich aufweist. Weiterhin umfasst der Halbleiterkörper einen zweiten Elektrodenbereich, der sich weiter von einer Oberseite des Halbleiterkörpers entfernt ist als der erste Elektrodenbereich. Zwischen dem ersten Elektrodenbereich und dem zweiten Elektrodenbereich befindet sich eine aktive Zone, die zur Erzeugung freier Ladungsträger mittels einer Lawinenmultiplikation eingerichtet ist. In Draufsicht auf die Oberseite des Halbleiterkörper gesehen erstreckt sich, insbesondere außerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Bereichs und/oder an einem Rand der aktiven Zone, der zweite Elektrodenbereich bevorzugt weg von der Oberseite. Der zweite Elektrodenbereich ist mindestens stellenweise von der Unterseite beabstandet, insbesondere in dem von der aktiven Zone überdeckten Bereich, in Draufsicht gesehen. An der Unterseite des Halbleiterkörpers oder an einer dem Halbleiterkörper abgewandten Bodenseite eines Trägers, auf dem der Halbleiterkörper angebracht ist, befindet sich mindestens stellenweise eine Absorberschicht und/oder eine zu einer Strahlungsablenkung eingerichtete Strukturierung.In at least one embodiment of the radiation detector, the latter comprises at least one detector cell, wherein a semiconductor body of the detector cell has a first electrode region. Furthermore, the semiconductor body comprises a second electrode region, which is farther away from an upper side of the semiconductor body than the first electrode region. Between the first electrode region and the second electrode region is an active zone, which is set up to generate free charge carriers by means of avalanche multiplication. As seen in plan view of the top side of the semiconductor body, in particular outside a region covered by the active zone and / or at an edge of the active zone, the second electrode region preferably extends away from the top side. The second electrode region is at least partially spaced from the underside, in particular in the area covered by the active zone, seen in plan view. On the underside of the semiconductor body or on a bottom side of a carrier facing away from the semiconductor body, on which the semiconductor body is mounted, there is at least in places an absorber layer and / or a structure arranged for radiation deflection.
Die mindestens eine Detektorzelle ist zur Detektion insbesondere einzelner Primärphotonen eingerichtet. Ein auf die Detektorzelle auftreffendes, zu detektierendes Primärphoton löst speziell in der aktiven Zone eine Ladungsträgerlawine aus. Bei einem Verstärkungsfaktor von zum Beispiel zirka 106 umfasst die Ladungsträgerlawine in etwa 106 Lawinenelektronen. Im Mittel entsteht pro zirka 105 Lawinenelektronen ein sekundäres Photon im Geiger-Entladungsprozess. Es werden also um die 10 Sekundärphotonen pro Primärphoton gebildet. Die Sekundärphotonen können in benachbarte Detektorzellen eindringen und in diesen ein zusätzliches, nicht gewolltes Signal generieren.The at least one detector cell is set up to detect, in particular, individual primary photons. An incident on the detector cell to be detected primary photon triggers a charge carrier avalanche especially in the active zone. With an amplification factor of, for example, about 10 6 , the carrier avalanche comprises about 10 6 avalanche electrons. On average, about 10 5 avalanche electrons form a secondary photon in the Geiger discharge process. So there are formed by the 10 secondary photons per primary photon. The secondary photons can penetrate into adjacent detector cells and generate an additional unwanted signal in them.
Dieser Vorgang wird auch als optisches Übersprechen bezeichnet. Die Sekundärphotonen weisen überwiegend Wellenlängen vom ultravioletten Spektralbereich bis hin zum nahen Infrarot auf. Zur Unterdrückung des Übersprechens kann insbesondere eine optische Barriere zwischen den einzelnen Detektorzellen herangezogen werden. Bei herkömmlichen Strahlungsdetektoren befinden sich optische Barrieren an oder in Gräben zwischen benachbarten Detektorzellen, also in lateraler Richtung zwischen den Detektorzellen.This process is also referred to as optical crosstalk. The secondary photons predominantly have wavelengths from the ultraviolet spectral range to the near infrared. In particular, an optical barrier between the individual detector cells can be used to suppress crosstalk. In conventional radiation detectors, optical barriers are located at or in trenches between adjacent detector cells, that is, in a lateral direction between the detector cells.
Überraschend hat sich allerdings herausgestellt, dass ein wesentlicher Beitrag des optischen Übersprechens durch Sekundärphotonen, insbesondere im roten und/oder infraroten Spektralbereich, verursacht wird, die nicht lateral, sondern zur Unterseite des Halbleiterkörpers hin emittiert werden. Solche langwelligen Sekundärphotonen bewegen sich im Halbleiterkörper mit vergleichsweise geringen Absorptionsverlusten zur Unterseite, werden dort reflektiert und erreichen wieder die aktiven Zonen. Da in den aktiven Zonen die Absorptionslänge deutlich geringer ist und daher die Sekundärphotonen in den aktiven Zonen vergleichsweise stark absorbiert werden, können solche Sekundärphotonen einen erheblichen Beitrag zum optischen Übersprechen liefern.Surprisingly, however, it has been found that a substantial contribution of the optical crosstalk is caused by secondary photons, in particular in the red and / or infrared spectral range, which are emitted not laterally but towards the underside of the semiconductor body. Such long-wave secondary photons move in the semiconductor body with comparatively low absorption losses to the bottom, where they are reflected and reach the active zones again. Since the absorption length is significantly lower in the active zones and therefore the secondary photons in the active zones are absorbed comparatively strongly, such secondary photons can make a considerable contribution to the optical crosstalk.
Das optische Übersprechen, besonders von großflächigen Strahlungsdetektoren mit Flächen von mehr als 1 mm2, kann erheblich reduziert werden, wenn die Sekundärphotonen aus den einzelnen Geiger-Entladungsprozessen nicht an der Unterseite in die aktiven Zonen zurück reflektiert werden. Dies kann mit Hilfe der Absorberschicht an der Unterseite oder an der Bodenseite unterhalb der aktiven Zonen erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann durch die Strukturierung der Unterseite und/oder der Bodenseite ein Reflektionswinkel der Sekundärphotonen so abgeändert werden, dass die Sekundärphotonen nicht in die aktiven Zonen zurück reflektiert werden.Optical crosstalk, especially from large area radiation detectors with areas greater than 1 mm 2 , can be significantly reduced if the secondary photons from the individual Geiger discharge processes are not reflected back to the active areas at the bottom. This can be achieved with the help of the absorber layer at the bottom or at the bottom side below the active zones. Alternatively or additionally, by structuring the underside and / or the bottom side, a reflection angle of the secondary photons can be modified such that the secondary photons are not reflected back into the active zones.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist die Absorberschicht an der Unterseite und/oder an der Bodenseite durch eine Schichtabscheidung erzeugt. Die Absorberschicht ist dann eine separate, von dem Halbleiterkörper verschiedene Schicht. Zum Beispiel weist die Absorberschicht ein amorphes, polykristallines oder kristallines Halbleitermaterial wie Germanium oder Silizium auf oder besteht hieraus. Das Halbleitermaterial der Absorberschicht kann dotiert sein. Ebenso kann die Absorberschicht mit oder aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein. Weiterhin kann die Absorberschicht eine Polymerschicht aufweisen oder aus einer Polymerschicht bestehen.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the absorber layer is produced on the underside and / or on the bottom side by a layer deposition. The absorber layer is then a separate layer that is different from the semiconductor body. For example, the absorber layer comprises or consists of an amorphous, polycrystalline or crystalline semiconductor material such as germanium or silicon. The semiconductor material of the absorber layer may be doped. Likewise, the absorber layer can be formed with or from a metal or a metal alloy. Furthermore, the absorber layer may comprise a polymer layer or consist of a polymer layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist die Absorberschicht durch einen Bereich des Halbleiterkörpers und/oder des Trägers gebildet, in dem intrinsische optische Eigenschaften eines Basismaterials des Halbleiterkörpers, der insbesondere auf Silizium basiert, oder des Trägers verändert sind. Zum Beispiel ist eine Dotierstoffkonzentration oder eine Störstellenkonzentration beziehungsweise Defektdichte etwa durch Implantation oder Diffusion in der Absorberschicht, im Vergleich zu dem Basismaterial, verändert. Eine mittlere Zusammensetzung der Absorberschicht weicht also von dem Basismaterial ab.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the absorber layer is formed by a region of the semiconductor body and / or of the carrier in which intrinsic optical properties of a base material of the semiconductor body, which is based in particular on silicon, or of the carrier are changed. For example, a dopant concentration or an impurity concentration or defect density is changed by, for example, implantation or diffusion in the absorber layer compared to the base material. An average composition of the absorber layer thus deviates from the base material.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist ein Reflexionsverhalten an der Unterseite und/oder an der Bodenseite verändert, insbesondere durch die Strukturierung.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, a reflection behavior on the underside and / or on the bottom side is changed, in particular by the structuring.
Die Strukturierung ist erzeugt zum Beispiel mittels Ätzen wie Plasmaätzen oder mittels Sägen, beispielsweise mit einer Wafersäge. Ebenso kann die Strukturierung in Form einer separaten, strukturierten Schicht aufgebracht sein. Die Strukturierung ist insbesondere stellenweise oder vollständig als unregelmäßige Aufrauung oder regelmäßig, etwa in Form eines Beugungsgitters oder eines mikromechanischen Gitters, realisiert. Eine mittlere Strukturlänge der Strukturierung, zum Beispiel eine Gitterkonstante oder ein mittlerer Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen einer Aufrauung, liegt bevorzugt zwischen einschließlich 200 nm und 2,5 μm, insbesondere zwischen einschließlich 300 nm und 1,5 μm. Ein Material, in das die Strukturierung geformt ist, ist zum Beispiel ein Metall, eine Metalllegierung, ein Halbleitermaterial oder ein Kunststoff.The structuring is produced, for example, by means of etching, such as plasma etching or by means of sawing, for example with a wafer saw. Likewise, the structuring can be applied in the form of a separate, structured layer. The structuring is in particular in places or completely realized as irregular roughening or regularly, for example in the form of a diffraction grating or a micromechanical grating. An average structure length of the structuring, for example a lattice constant or an average distance between two adjacent elevations of a roughening, is preferably between 200 nm and 2.5 μm, in particular between 300 nm and 1.5 μm. A material in which the patterning is formed is, for example, a metal, a metal alloy, a semiconductor material or a plastic.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors beträgt eine mittlere Dicke der Absorberschicht und/oder eine mittlere Tiefe der Strukturierung zwischen einschließlich 50 nm und 25 μm, insbesondere zwischen einschließlich 0,5 μm und 5 μm.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, an average thickness of the absorber layer and / or an average depth of the structuring is between 50 nm and 25 μm inclusive, in particular between 0.5 μm and 5 μm inclusive.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors erstrecken sich die Absorberschicht und/oder die Strukturierung mindestens über solche Teile der Unterseite oder der Bodenseite, die, in Draufsicht auf die Oberseite gesehen, von der aktiven Zone überdeckt sind. Ebenso ist es möglich, dass sich die Absorberschicht und/oder die Strukturierung über die gesamte Detektorzelle oder über den gesamten Strahlungsdetektor insbesondere ununterbrochen und zusammenhängend erstreckt.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the absorber layer and / or the structuring extend at least over those parts of the underside or the bottom side which, viewed in plan view on the upper side, are covered by the active zone. Likewise, it is possible for the absorber layer and / or the structuring to extend over the entire detector cell or over the entire radiation detector, in particular in an uninterrupted and continuous manner.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist die aktive Zone, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder zur Ebene, eine Dicke zwischen einschließlich 0,4 μm und 3 μm auf, bevorzugt zwischen einschließlich 0,7 μm und 1,8 μm.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the active zone, in particular in a direction perpendicular to the upper side of the semiconductor body and / or to the plane, has a thickness of between 0.4 μm and 3 μm, preferably between 0.7 μm and 1.8 inclusive microns.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist an der Unterseite des Halbleiterkörpers der Träger angebracht. Über den Träger kann der Halbleiterkörper mechanisch gestützt sein. Durch den Einsatz eines Trägers ist eine geringe Dicke des Halbleiterkörpers, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ebene und/oder zur Oberseite des Halbleiterkörpers, realisierbar. Durch die geringe Dicke des Halbleiterkörpers ist beispielsweise ein Störstrom von einer dem ersten Elektrodenbereich abgewandten Rückseite des Halbleiterkörpers her reduzierbar, wodurch sich die Detektionsgenauigkeit erhöhen kann.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the carrier is attached to the underside of the semiconductor body. The semiconductor body can be mechanically supported via the carrier. By using a carrier, a small thickness of the semiconductor body, in particular in a direction perpendicular to the plane and / or to the top of the semiconductor body, can be realized. Due to the small thickness of the semiconductor body, for example, a noise current can be reduced from a rear side of the semiconductor body facing away from the first electrode region, as a result of which the detection accuracy can be increased.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist der Träger mechanisch mit dem Halbleiterkörper über eine Verbindungsschicht verbunden, die dielektrisch sein kann. Die Verbindungsschicht kann eine Bondschicht, zum Beispiel eine Siliziumdioxidbondschicht, sein. Es ist möglich, dass die Verbindungsschicht ein Teil der Absorberschicht und/oder der Strukturierung ist oder dass die Verbindungsschicht die Absorberschicht und/oder die Strukturierung umfasst. Beispielsweise können der Bondschicht absorbierende Bestandteile wie Partikel beigegeben sein.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the carrier is mechanically connected to the semiconductor body via a Connected connection layer, which may be dielectric. The bonding layer may be a bonding layer, for example, a silicon dioxide bonding layer. It is possible for the bonding layer to be part of the absorber layer and / or the structuring or for the bonding layer to comprise the absorber layer and / or the structuring. For example, absorbent components such as particles may be added to the bonding layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst dieser eine Mehrzahl von insbesondere gleichartigen Detektorzellen. Beispielsweise beinhaltet der Strahlungsdetektor mindestens 16 Detektorzellen, bevorzugt mindestens 64 Detektorzellen oder mindestens 256 Detektorzellen. Bevorzugt sind die Detektorzellen einander benachbart. Benachbart kann bedeuten, dass in einer lateralen Richtung die Detektorzellen aneinander grenzen. Laterale Abmessungen des Strahlungsdetektors betragen dann zum Beispiel mindestens 1 × 1 mm2 oder mindestens 3 × 3 mm2.According to at least one embodiment of the radiation detector, the latter comprises a plurality of, in particular, similar detector cells. For example, the radiation detector includes at least 16 detector cells, preferably at least 64 detector cells or at least 256 detector cells. Preferably, the detector cells are adjacent to each other. Adjacent may mean that the detector cells adjoin one another in a lateral direction. Lateral dimensions of the radiation detector are then for example at least 1 × 1 mm 2 or at least 3 × 3 mm 2 .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors sind alle Detektorzellen gleichartig ausgebildet.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, all detector cells are of identical design.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors umfasst die Detektorzelle oder umfasst mindestens eine der Detektorzellen oder umfassen alle Detektorzellen wenigstens einen Löschwiderstand. Der Löschwiderstand ist hierbei bevorzugt mit dem jeweiligen ersten Elektrodenbereich oder dem jeweiligen zweiten Elektrodenbereich der betreffenden Detektorzelle elektrisch leitend verbunden. Elektrisch leitend verbunden kann hierbei bedeuten, dass zwischen dem Löschwiderstand und dem ersten Elektrodenbereich kein signifikanter elektrischer Widerstand vorliegt, insbesondere wenn kein Lawinendurchbruch erfolgt. Beispielsweise beträgt der Widerstand einer Verbindungsleitung zwischen dem ersten Elektrodenbereich und dem Löschwiderstand höchstens 1 eines Wertes des Löschwiderstandes. Bevorzugt ist der Widerstand der Verbindungsleitung ein ohmscher Widerstand.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the detector cell or comprises at least one of the detector cells or comprise all detector cells at least one erase resistance. In this case, the erasure resistance is preferably electrically conductively connected to the respective first electrode region or to the respective second electrode region of the relevant detector cell. Electrically conductively connected may mean that there is no significant electrical resistance between the soldering resistor and the first electrode region, in particular if no avalanche breakdown occurs. For example, the resistance of a connection line between the first electrode region and the erase resistance is at most 1 of a value of the erosion resistance. Preferably, the resistance of the connecting line is an ohmic resistance.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors, bei dem dieser mehrere Detektorzellen aufweist, ist der mindestens eine zweite Elektrodenbereich durch eine, insbesondere durch Ionenimplantation erzeugte, Dotierzone im Halbleiterkörper gestaltet, die Erhebungen aufweist, die beispielsweise kappenartig gestaltet sind.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, in which the latter has a plurality of detector cells, the at least one second electrode region is designed by a doping zone, in particular produced by ion implantation, in the semiconductor body, which has elevations which are designed, for example, like a cap.
Jeder der aktiven Zonen ist hierbei bevorzugt eine der Erhebungen der Dotierzone zugeordnet.Each of the active zones is in this case preferably assigned to one of the elevations of the doping zone.
Beispielsweise ist die Dotierzone bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit von der Umgebung abgegrenzt, so dass eine elektrische Leitfähigkeit der Dotierzone eine elektrische Leitfähigkeit der Umgebung insbesondere um mindestens einen Faktor 5, bevorzugt um mindestens einen Faktor 50, speziell um mindestens einen Faktor 100, übersteigt. Eine Dotierstoffkonzentration der Dotierzone ist bevorzugt um mindestens einen Faktor 5, insbesondere um einschließlich einen Faktor 5 bis einen Faktor 1000, gegenüber der Umgebung erhöht. Zum Beispiel beträgt die Dotierstoffkonzentration der Dotierzone zumindest stellenweise wenigstens 1017 pro cm3.For example, the doping zone is delimited from the environment with respect to its electrical conductivity, so that an electrical conductivity of the doping zone exceeds an electrical conductivity of the surroundings, in particular by at least a factor of 5, preferably by at least a factor of 50, especially by at least a factor of 100. A dopant concentration of the doping zone is preferably increased by at least a factor of 5, in particular by a factor of 5 to a factor of 1000, relative to the environment. For example, the dopant concentration of the doping zone is at least in places at least 10 17 per cm 3 .
Kappenartige Erhebungen kann bedeuten, dass die Dotierzone ähnlich einem Eierkarton gestaltet ist. Beispielsweise ist ein Teilbereich der Dotierzone eben ausgestaltet und parallel zur Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder zur durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene ausgerichtet. Ausgehend von diesem Teilbereich der Dotierzone erstrecken sich die Erhebungen der Dotierzone dann hin zur durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene und/oder hin zur Oberseite. Die Erhebungen sind beispielsweise pyramidenstumpfartig oder kegelstumpfartig geformt. Ein zu dem Teilbereich der Dotierzone paralleler Teil der Erhebungen, der sich näher als der Teilbereich an der Oberseite und/oder an der durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene befindet, grenzt bevorzugt an die aktive Zone.Cap-like elevations may mean that the doping zone is shaped like an egg carton. By way of example, a subregion of the doping zone is embodied in a planar manner and aligned parallel to the upper side of the semiconductor body and / or to the plane defined by the first electrode region. Starting from this partial region of the doping zone, the elevations of the doping zone then extend toward the plane defined by the first electrode region and / or towards the upper side. The elevations are, for example, truncated pyramid or truncated cone-shaped. A part of the elevations parallel to the subregion of the doping zone, which is closer than the subarea at the upper side and / or at the plane defined by the first electrode region, preferably adjoins the active zone.
Zum Beispiel weist die Dotierzone, durch die der mindestens eine zweite Elektrodenbereich gebildet ist, eine gleichmäßige Dicke auf. Bevorzugt ist dann die Dicke über den gesamten Strahlungsdetektor hinweg gleichmäßig.For example, the doping zone through which the at least one second electrode region is formed has a uniform thickness. Preferably, the thickness is then uniform across the entire radiation detector.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors ist der zweite Elektrodenbereich außerhalb der aktiven Zone zumindest stellenweise parallel zur Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder zu der durch den ersten Elektrodenbereich definierten Ebene orientiert. Die den zweiten Elektrodenbereich bildende Dotierzone ist zwischen zumindest zwei der benachbarten Detektorzellen bevorzugt eine durchgehende Zone. Insbesondere ist die Dotierzone eine über den gesamten Strahlungsdetektor hinweg durchgehende Zone.According to at least one embodiment of the radiation detector, the second electrode region outside the active zone is oriented at least in places parallel to the upper side of the semiconductor body and / or to the plane defined by the first electrode region. The doping zone forming the second electrode region is preferably a continuous zone between at least two of the adjacent detector cells. In particular, the doping zone is a continuous zone over the entire radiation detector.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors beträgt ein Anteil einer Fläche des ersten Elektrodenbereichs an einer Gesamtfläche des Strahlungsdetektors, in Draufsicht auf die Oberseite des Halbleiterkörper gesehen, mindestens 25%, bevorzugt mindestens 30%, insbesondere mindestens 45%.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, a proportion of a surface of the first electrode region on a total surface of the radiation detector, viewed in plan view on the upper side of the semiconductor body, is at least 25%, preferably at least 30%, in particular at least 45%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der erste Elektrodenbereich in Draufsicht auf die Oberseite am Rand der aktiven Zone einen Bereich auf, der sich tiefer in den Halbleiterkörper erstreckt als ein Bereich innerhalb eines von der aktiven Zone überdeckten Gebiets. Mit anderen Worten erstreckt sich der erste Elektrodenbereich an dem Rand von der Oberseite des Halbleiterkörpers und/oder von der Ebene weg. Der erste Elektrodenbereich kann am Rand der aktiven Zone eine wannenartige Gestaltung aufweisen. Bevorzugt umläuft der sich tiefer in den Halbleiterkörper ersteckende Bereich des ersten Elektrodenbereichs die aktive Zone vollständig.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the first electrode region, in plan view of the upper side, at the edge of the active zone has an area which extends deeper into the semiconductor body than an area within of an area covered by the active zone. In other words, the first electrode region extends at the edge from the top side of the semiconductor body and / or away from the plane. The first electrode region may have a trough-like design at the edge of the active zone. Preferably, the region of the first electrode region which extends deeper into the semiconductor body completely circumscribes the active zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors weist der sich tiefer in den Halbleiterkörper erstreckende Bereich des ersten Elektrodenbereichs einen größeren Abstand zum zweiten Elektrodenbereich auf als der Bereich des ersten Elektrodenbereichs, der sich innerhalb des von der aktiven Zone überdeckten Gebiets befindet.According to at least one embodiment of the radiation detector, the region of the first electrode region extending deeper into the semiconductor body has a greater distance from the second electrode region than the region of the first electrode region which is located within the region covered by the active zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Strahlungsdetektors durchdringt der erste Elektrodenbereich den Halbleiterkörper, in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und/oder zur Ebene, nicht. Der erste Elektrodenbereich reicht also nicht bis zur Unterseite des Halbleiterkörpers oder bis zum zweiten Elektrodenbereich.In accordance with at least one embodiment of the radiation detector, the first electrode region does not penetrate the semiconductor body, in a direction perpendicular to the top side and / or to the plane. The first electrode region does not extend to the underside of the semiconductor body or to the second electrode region.
Darüber hinaus wird eine Verwendung eines Strahlungsdetektors angegeben. Die Verwendung kann sich beispielsweise auf einen Strahlungsdetektor beziehen, wie er in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben ist.In addition, a use of a radiation detector is specified. The use may, for example, relate to a radiation detector as described in connection with one or more of the above-mentioned embodiments.
In mindestens einer Ausführungsform der Verwendung des Strahlungsdetektors wird dieser mit einer elektrischen Spannung betrieben, die gleich oder größer einer Durchbruchspannung der Detektorzelle ist. Die Spannung liegt hierbei zwischen dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Elektrodenbereich an.In at least one embodiment of the use of the radiation detector, it is operated with an electrical voltage that is equal to or greater than a breakdown voltage of the detector cell. In this case, the voltage is applied between the at least one first and the at least one second electrode region.
Durchbruchspannung kann hierbei bedeuten, dass an dem ersten Elektrodenbereich und an dem zweiten Elektrodenbereich eine Spannung in Sperrrichtung anliegt. Die Durchbruchspannung entspricht der Spannung, bei der ohne eine äußere Störung, etwa durch Absorption eines Photons, gerade noch kein signifikanter Stromfluss vom ersten Elektrodenbereich zum zweiten Elektrodenbereich, oder umgekehrt, erfolgt.Breakthrough voltage may mean that a voltage in the reverse direction is applied to the first electrode region and to the second electrode region. The breakdown voltage corresponds to the voltage at which no significant current flow from the first electrode region to the second electrode region, or vice versa, takes place without an external disturbance, for example due to the absorption of a photon.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Verwendung beträgt die elektrische Spannung mindestens ein 1,05-faches und bevorzugt höchstens ein 1,15-faches der Durchbruchspannung. Beispielsweise liegt die Durchbruchspannung zwischen einschließlich 20 V und 100 V, insbesondere zwischen einschließlich 30 V und 40 V.In accordance with at least one embodiment of the use, the electrical voltage is at least 1.05 times and preferably at most 1.15 times the breakdown voltage. For example, the breakdown voltage is between 20 V and 100 V inclusive, in particular between 30 V and 40 V inclusive.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdetektors ist in der Druckschrift
Nachfolgend wird ein hier beschriebener Strahlungsdetektor 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 nicht unbedingt maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.Hereinafter, a radiation detector described herein with reference to the drawings using exemplary embodiments will be explained in more detail. The same reference numerals indicate the same elements in the individual figures. However, it is not necessarily true-to-scale references, but individual elements may be exaggerated to improve understanding.
Es zeigen:Show it:
In
Durch die aktive Zone
Eine Dicke der aktiven Zone
Der zweite Elektrodenbereich
Im Betrieb des Strahlungsdetektors
An der Unterseite
Alternativ oder zusätzlich zu der Absorberschicht
An der der Oberseite
Der Löschwiderstand
Optional kann an der Strahlungseintrittsfläche
Bevorzugt ist weiterhin auf, an oder über einer Grabenwand
In
In Draufsicht auf den Halbleiterkörper
Entlang aller vier Seiten des ersten Elektrodenbereichs
In
Alle Signalleitungen
Die einzelnen Detektorzellen
In
Der Träger
Weiterhin ist an einer dem Halbleiterkörper
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit der Gräben
In
Die Kurven a betreffen Strahlungsdetektoren, bei denen die Unterseite
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 Schutzansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Schutzansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention described here is not limited by the description based on the embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature as well as every combination of features, which in particular includes any combination of features in the protection claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the protection claims or exemplary embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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