DE3813079C2

DE3813079C2 -

Info

Publication number: DE3813079C2
Application number: DE3813079A
Authority: DE
Inventors: Yoshimi Yaita Tochigi Jp Akai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-04-21
Filing date: 1988-04-19
Publication date: 1993-05-19
Also published as: US4914301A; DE3813079A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenstrahlen-Detektoreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der JP 62-76 478 A ist eine solche Röntgenstrahl-Detektoreinrichtung bekannt. In dem n-leitenden Substrat sind zwischen benachbarten Halbleiter-Lichtdetektorzonen Kanalstopperzonen aus n-leitendem Material vorgesehen, um das Einstreuen von Störsignalen, die zu anderen Lichtdetektorzonen gehören, zu vermeiden. Gegenüber den als Fotodioden ausgebildeten Lichtdetektorzonen sind die Kanalstopperzonen sehr stark dotiert. Ladungsträger, die in den Bereichen zwischen den Fotodioden frei werden, werden in nur relativ geringem Maß eingefangen, so daß nur eine entsprechend bescheidene Verbesserung des Rauschabstandes erreicht wird.

Aus der JP 62-63 880 A ist ein Strahlungsdetektor bekannt, bei dem die Zwischenbereiche zwischen den einzelnen Lichtdetektorzonen, auch als "tote Zonen" bezeichnet, durch eine Lichtabschirmschicht bedeckt sind. Hierdurch wird verhindert, daß in die "toten Zonen" Licht gelangt. Zweck dieser Maßnahme ist es, den Rauschabstand der Nutzsignale zu verbessern.

Eine ähnliche Aufgabenstellung liegt der in der DE 35 13 196 A1 beschriebenen Erfindung zugrunde, gemäß der bei einem Festkörper-Bildsensor die einzelnen Lichtdetektorzonen durch V-förmige Ausnehmungen voneinander getrennt sind. Die Wände der Ausnehmungen enthalten isolierende Schichten und zusätzlich ein lichtabsorbierendes Material, so daß in den "toten Zonen" möglichst wenig Signale durch Streulicht entstehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenstrahl-Detektoreinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der das Entstehen von störenden Rauschsignalen noch besser als im Stand der Technik vermieden wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß die Kanalstopperzonen auf ein bestimmtes Potential gelegt werden, können störende Signalanteile gezielt abgeleitet werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Teil-Schnittansicht einer Ausführungsform einer Röntgenstrahlen-Detektoreinrichtung,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Halbleiter bauelements der in Fig. 1 gezeigten Anordnung und

Fig. 3 eine Schnittansicht einer gegenüber der Anordnung nach Fig. 2 modifizierten Form eines Halbleiter bauelements.

Wie Fig. 1 zeigt, sind mehrere, zum Beispiel 12 Szintilla torelemente 1-1 bis 1-n - durch Abstandshalter 2 beab standet - in Form eines Feldes angeordnet, wobei jedes Szintillatorelement zum Umsetzen von Röntgenstrahlen in Lichtstrahlen dient. Jeder Abstandshalter 2 besteht aus einer dünnen Platte 2A aus einem Schwermetall mit hohem Röntgenstrahl-Absorptionsindex, z. B. Blei oder Wolfram, deren Oberfläche beschichtet ist mit einem eine Schicht 2B bildenden lichtreflektierenden Mittel, das Röntgenstrahlen durchläßt und sichtbare Lichtstrahlen reflektiert. Außerdem ist auf der Röntgenstrahl-Eintrittsfläche der Szintillator elemente 1-1 bis 1-n eine lichtreflektierende Schicht 2B vorgesehen, welche Röntgenstrahlen durchläßt und sichtbares Licht reflektiert. Das Feld von Szintillatorelementen 1-1 bis 1-n ist an einem (in Fig. 2 vergrößert dargestellten) Halbleiterbauelement 3 über eine transparente Klebstoff schicht 4 befestigt. Das Halbleiterbauelement 3 besitzt Elektrodenfelder 5 und 6 auf seiner einen Oberflächenseite sowie eine Masseelektrode 7 auf der anderen Oberflächen seite.

Die Unterseiten der Szintillatorelemente 1-1 bis 1-n sind dem Halbleiterbauelement 3 zugewandt. Mehrere, z.B. 16, Photodetektorstrukturen, die als PN-Übergangsstrukturen 12-1 bis 12-16 ausgebildet sind, bilden ein Feld auf dem Halb leiterbauelement 3. Zur Bildung einer N⁺-leitenden Schicht 8 wird ein N⁺-Dotierstoff von einer Seite eines Halbleiter chips eindiffundiert. Von der anderen Seite des Chips her wird in eine N-leitende Substratzone 11 ein P⁺-Dotierstoff selektiv eindiffundiert, um P⁺-leitende Zonen 9-1 bis 9-n zu erhalten. In ähnlicher Weise wird der P⁺-Dotierstoff auch selektiv in Halbleiter-Zwischenzonen zwischen benach barten P⁺-leitenden Zonen 9-1 bis 9-n diffundiert, um Kanalstopper-Zonen 10-1 bis 10-n zu erhalten. Auf diese Weise sind auf dem Halbleiterchip durch die N-leitende Substratzone 11 und die P⁺-leitenden Zonen 9-1 bis 9-n PN- Übergangs-Photodetektorstrukturen 12-1 bis 12-n gebildet.

Al-Elektroden 5 und 6 sind auf den P⁺-leitenden Zonen 9-1 bis 9-n und den Kanalstopperzonen 10-1 bis 10-n zwischen benachbarten Zonen 9-1 bis 9-n gebildet, und jedes der Szintillatorelemente 1-1 bis 1-n ist auf eine entsprechen den P⁺-leitenden Zone 9-1 bis 9-n über die Elektroden 5 und 6 und die transparente Klebstoffschicht auf der Oberseite des Halbleiterchips angeordnet. Das Feld von Szintillator elementen 1-1 bis 1-n ist so fixiert, daß jeder Abstands halter 2 auf einer der Kanalstopperzonen 10-1 bis 10-n liegt. Die Masseelektrode 7 liegt auf der anderen Seite des Halbleiterchips und wird durch die N⁺-leitende Schicht 8 zuverlässig in ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterchip ge halten. Mehrere, z.B. 32, Röntgenstrahlen-Detektoreinrich tungen mit einem solchen Aufbau auf dem Halbleiterchip sind bogenförmig angeordnet und bilden eine Röntgenstrahlen- Detektorapparatur.

In der Röntgenstrahlen-Detektoreinrichtung nach Fig. 1 und 2 werden die Elektroden 6 auf Massepotential gehalten, um Röntgenstrahlen erfassen zu können, wenn die Elektroden 5 auf einem Betriebspotential liegen. Wenn Röntgenstrahlen auf die Szintillatorelemente 1-1 bis 1-n auftreffen, werden die Röntgenstrahlen in den Szintillatorelementen 1-1 bis 1-n in Lichtstrahlen umgesetzt. Die so entstandenen Licht strahlen treffen auf die PN-Übergangs-Photodetektorstruktu ren 12-1 bis 12-n auf, entweder direkt oder nach Reflexion an den lichtreflektierenden Schichten 2B, und sie werden in ein elektrisches Signal umgesetzt, das von den Elektroden 5 erfaßt wird.

In der Röntgenstrahlen-Detektoreinrichtung nach Fig. 1 und 2 wird die Breite jeder der P⁺-leitenden Zonen 9-1 bis 9-n in Richtung des Feldes geringfügig kleiner als oder etwa gleich groß wie die Breite der Lichtaustrittsfläche der Szintillatorelemente 1-1 bis 1-n gewählt. Selbst wenn also ein Feld aus Szintillatorelementen 1-1 bis 1-n geringfügig fehlausgerichtet wäre bezüglich eines Feldes aus PN-Über gangs-Strukturen 12-1 bis 12-16 auf dem Halbleiterbauele ment 3, z.B. durch einen geringfügigen Produktionsfehler, liegen die Halbleiterzonen zwischen P⁺-leitenden Zonen 9-1 bis 9-n den Lichtaustrittsflächen der Szintillatorelemente 1-1 bis 1-n gegenüber. Deshalb würden Lichtstrahlen, die in den Szintillatorelementen 1-1 bis 1-n erzeugt werden, auf die Halbleiterzonen zwischen den P⁺-leitenden Zonen 9-1 bis 9-n unter Durchtritt durch die Lichtaustrittsflächen fal len, so daß ein elektrisches Signal in der Halbleiterzone 11 erzeugt würde. Beispielsweise fallen Lichtstrahlen, die in dem Szintillatorelement 1-2 erzeugt werden, durch die Lichtaustrittsfläche auf die Halbleiterzone zwischen den P⁺-leitenden Zonen 9-1 und 9-2, so daß ein elektrisches Signal in der Halbleiterzone 11 erzeugt wird. Wenn das in der Halbleiterzone 11 erzeugte elektrische Signal in der Photodetektorstruktur 12-2 eingefangen wird, werden von der Photodetektorstruktur 12-2 Signale von Lichtstrahlen ausgegeben, die in dem der Photodetektorstruktur 12-2 entsprechenden Szintillatorelement 1-2 erzeugt werden. Deshalb erfolgt kein Einstreuen, das heißt es wird kein störendes Rauschen erzeugt.

Wenn jedoch die in dem Halbleiter 11 erzeugte elektrische Ladung in der Photodetektorstruktur 12-1 gefangen wird, werden von der Photodetektorstruktur 12-1 Signale von Lichtstrahlen ausgegeben, die in dem Szintillatorelement 1-2 erzeugt werden, welches nicht der Photodetektorstruktur 12-1 entspricht. Deshalb wird zwischen den Photodetek torstrukturen 12-1 und 12-2 ein Einstreueffekt entstehen. Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Röntgenstrahlen- Detektoreinrichtung ist in jeweils einer der Halbleiterzo nen zwischen den P⁺-leitenden Zonen 9-1 bis 9-n einer der P⁺-leitenden Kanalstopper 10-1 bis 10-n ausgebildet und wird von der Elektrode 6 auf Massepotential gehalten. Aus diesem Grund wird ein elektrisches Signal, welches in der Halbleiterzone 11 durch Lichtstrahlen erzeugt wird, die von dem Szintillatorelement 1-2 kommen, nicht in der Photode tektorstruktur 12-1, welche nicht dem Szintillatorelement 1-2 entspricht, eingefangen, sondern in dem Kanalstopper 10-2. Deshalb wird tatsächlich kein störendes Einstreuen von Signalen zwischen den Photodetektorstrukturen 12-1 und 12-2 erfolgen.

Wie in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, ist die P⁺-leitende Kanalstopperzone 10-1 in der Nachbarschaft der Schnittseite des Halbleiterchips in der Halbleiterzone 11 gebildet. Wenn daher bei Anlegen einer Betriebsspannung zwischen die Elek troden 5 und 7 ein Dunkelstrom in der Schnittseite des Chips erzeugt wird, wird dieser Dunkelstrom in dem P⁺-lei tenden Kanalstopper 10-1 eingefangen und fließt deshalb nicht als störendes Rauschen in die Photodetektorstruktur 12-1.

Fig. 3 zeigt eine Modifizierung der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2. Nach Fig. 3 sind Lichtabschirmschichten 14-1 bis 14-n auf den jeweiligen Halbleiterzonen zwischen den P⁺-leitenden Zonen 9-1 bis 9-n vorgesehen. Die Lichtab schirmschichten sind jeweils dadurch gebildet, daß ein den Einfall von Lichtstrahlen in die Halbleiterzone verhindern des Material, z. B. Aluminium (Al) oder Siliziumnitrid (SiN) aufgebracht ist. Wenn die P⁺-leitenden Kanalstopper 10-1 bis 10-n in einer Halbleiterzone unterhalb der Lichtabschirmschichten 14-1 bis 14-n gebildet sind, wie in Fig. 3 zu sehen ist, können diese Lichtabschirmschichten 14-1 bis 14-n auch als Elektrode dienen, die auf Massepo tential gehalten wird.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Röntgenstrahlen-Detektor einrichtung werden auf die Szintillatorelemente 1-1 bis 1-n auftreffende Röntgenstrahlen von den Szintillatorelementen umgesetzt in Lichtstrahlen. Wenn die Lichtstrahlen sich in Richtung auf die Halbleiterzonen zwischen PN-Übergangs-Pho todetektorstrukturen 12-1 bis 12-n fortpflanzen, werden die Lichtstrahlen daran gehindert, in die Halbleiterzonen un terhalb der Lichtabschirmschichten 14-1 bis 14-n zu gelan gen. Wenn einige der Lichtstrahlen in die Halbleiterzonen zwischen den PN-Übergangs-Photodetektorstrukturen 12-1 bis 12-n gelangen und innerhalb der Halbleiterzone 11 in ein elektrisches Signal umgesetzt werden, wird das elektrische Signal unterhalb der Lichtabschirmschichten 14-1 bis 14-n in den P⁺-Kanalstoppern 10-1 bis 10-n eingefangen. Deshalb wird zwischen benachbarten PN-Photodetektorstrukturen 12-1 bis 12-n kein störendes Rauschen durch Einstreuungen er zeugt.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zur Bildung der PN-Übergangs-Photodetektorstrukturen in einem N-leitenden Halbleiter eine P-leitende Dotierstoffzone ge bildet. Umgekehrt kann jedoch auch zur Bildung der PN-Über gangs-Photodetektorstrukturen in einem P-leitenden Halblei ter eine N-leitende Dotierstoffzone gebildet werden.

Claims

1. Röntgenstrahlen-Detektoreinrichtung mit

a) einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Elementen (1-2 bis 1-n), von denen jedes einfallende Röntgenstrahlen in Lichtstrahlen umsetzt und eine Lichtaustrittsfläche aufweist, aus der die Lichtstrahlen austreten,
b) einer in einem Halbleitersubstrat von einem ersten Leitungstyp befindlichen Halbleiterstruktur (3), an der die Elemente befestigt sind und die eine Vielzahl von Halbleiter-Lichtdetektorzonen (12-1 bis 12-n) aufweist, die in einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (8) ausgebildet sind, um aus der Lichtaustrittsfläche austretende Lichtstrahlen zu empfangen und in ein elektrisches Signal umzusetzen, wobei die Halbleiter-Lichtdetektorzonen (12-1 bis 12-n) entsprechend der Anordnung der Elemente (1-2 bis 1-n) voneinander beabstandete, in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (8) ausgebildete erste Zonen (9-1 bis 9-n) des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps aufweisen,
c) einer ersten Elektrodenanordnung (5), die auf den ersten Zonen ausgebildet ist und dazu dient, ein elektrisches Signal von der Vielzahl von Halbleiter-Lichtdetektorzonen (12-1 bis 12-n) auszugeben, und
d) einer Vielzahl von Kanalstopperzonen (10-1 bis 10-n), die jeweils in einer Zwischenzone der Oberfläche zwischen benachbarten Halbleiter-Lichtdetektorzonen (12-1 bis 12-n) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
e) die Kanalstopperzonen dazu dienen, ein elektrisches Signal abzuleiten, das erzeugt wird durch Lichtstrahlen, die auf die Zwischenzone der Oberfläche zwischen benachbarten Halbleiter-Lichtdetektorzonen fällt, daß dazu weiterhin eine zweite Elektrodenanordnung (6) auf den Kanalstopperzonen ausgebildet ist, die, um Signalanteile von den Kanalstopperzonen (10-1 bis 10-n) abzuleiten, mit einem Potential beaufschlagt wird, und daß
f) die Kanalstopperzonen (10-1 bis 10-n) jeweils gebildet sind durch eine zweite Zone des zweiten Leitungstyps, welche in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (8) zwischen den ersten Zonen (9-1 bis 9-n) des zweiten Leitungstyps ausgebildet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Schichten (14-1 bis 14-n) vorgesehen ist, die jeweils in der Zwischenzone der ersten Oberfläche zwischen benachbarten Halbleiter-Lichtdetektorzonen (12-1 bis 12-n) ausgebildet sind, um Lichtstrahlen abzuhalten, die sich in Richtung auf die Zwischenzone der ersten Oberfläche zwischen benachbarten Halbleiter-Lichtdetektorzonen (12-1 bis 12-n) fortpflanzen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Abstandselementen (2), die jeweils zwischen benachbarten Umsetzelementen (1-1 bis 1-n) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur (3) in einem Halbleiterchip mit einem seitlichen Ende ausgebildet ist und daß in einer Zone der ersten Oberfläche zwischen dem seitlichen Ende und einer dem seitlichen Ende benachbarten Halbleiter-Lichtdetektorzone (12-1) eine zusätzliche Kanalstopperzone (6) gebildet ist.