WO2011018287A2 - Röntgendetektormodul - Google Patents

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WO2011018287A2
WO2011018287A2 PCT/EP2010/060018 EP2010060018W WO2011018287A2 WO 2011018287 A2 WO2011018287 A2 WO 2011018287A2 EP 2010060018 W EP2010060018 W EP 2010060018W WO 2011018287 A2 WO2011018287 A2 WO 2011018287A2
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ray detector
detector module
semiconductor layers
module according
contact surfaces
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PCT/EP2010/060018
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Richard Matz
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/085—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors the device being sensitive to very short wavelength, e.g. X-ray, Gamma-rays

Definitions

  • the invention relates to the construction of a semiconducting, imaging X-ray detector module with internal polarization compensation.
  • imaging X-ray devices are used with a multitude of X-ray detector modules which increasingly also use semiconducting detectors which convert X-ray radiation directly into a photocurrent.
  • X-ray detector modules which increasingly also use semiconducting detectors which convert X-ray radiation directly into a photocurrent.
  • semiconductors cadmium telluride (CdTe) or cadmium zinc telluride (CdZnTe) from chemical elements of high atomic number in question.
  • FIG. 1 shows such a detector 1 with two individual detector elements 2, 3, which has a semiconductor body 10 and metal electrodes 20, 23, 30 and 33.
  • the electrode pairs 20, 23 and 30, 33 each form one of the two detector elements 2, 3 shown here by way of example.
  • a semiconductor body 10 carries numerous such detector elements.
  • a voltage U of several hundred volts is applied between the electrodes of the upper side and the underside of the semiconductor body 10 in order to draw the electron-hole pairs generated in the semiconductor body 10 by optical excitation to the electrodes and thereby to detect them as a photocurrent pulse.
  • the electrodes on one side of the semiconductor body 10, for example the electrodes 20 and 30, can be embodied as coherent metallization (not shown here), since structured individual electrodes on the other side of the semiconductor body 10 are sufficient for the lateral spatial resolution.
  • the electrodes 23, 33 are then connected to a corresponding readout electronics (not shown).
  • FIG. 2 shows by way of example two diagrams, the potential U being applied in the semiconductor body 10 as a function of the distance z to the cathode, for example to the electrode 20, in the left diagram.
  • the corresponding electric field E is likewise applied as a function of the distance z to the cathode 20.
  • the curves of the electric potential U and the electric field strength E shown in the two diagrams were calculated for a 1.5 mm thick Kad- miumtelluriddetektor between the cathode and the anode with homogeneously distributed, positive space charge of 3 * 10 11 elementary charges per cm 3 . A voltage of 450 volts was assumed.
  • the problem with the X-ray detector is the lowering of the process-related, built-in impurity concentration in the production below 10 11 to 10 12 per cm 3 to field-free, in the charge separation inactive areas such as to avoid in front of the anode. Defects keep entrapped charges different lengths of time depending on the location of the energy level.
  • a dynamic equilibrium is established according to the photocurrent generated in the semiconductor material with time constants of up to a few minutes, which leads to a characteristic space charge distribution and field distortions.
  • This radiation-dependent charging also referred to as polarization, makes the detector sluggish with respect to alternating x-ray fluxes.
  • the polarization can be counteracted by an operating voltage U which is increased in excess of the detector thickness d.
  • U an operating voltage
  • detector thicknesses in the range of 10 mm are required, so that the defect density would have to be reduced by a factor of 10 compared to a 1 mm detector.
  • individual detectors without lateral division were stacked in picture elements one above the other to form a multi-layer detector.
  • the object of the present invention to propose an X-ray detector module in which the problem of polarization does not affect the performance of the module.
  • This object is achieved by the invention specified in the independent claim.
  • Advantageous embodiments emerge from the dependent claims.
  • the potential U deformed by space charge is drawn into the vicinity of the space charge - free, linear profile with the aid of one or more electrodes located between the cathode and the anode of the semiconductor.
  • this is achieved by means of one or more intermediate planes
  • Intermediate electrode layers are subdivided into several individual layers of lesser thickness and consequently less sensitivity to polarization.
  • the electric field E within the semiconductor no longer drops to a value 0, but has a value greater than a minimum everywhere.
  • the X-ray detector module according to the invention has 1. a plurality of separate semiconductor layers for the detection of X-radiation. Between two semiconductor layers is one each
  • the intermediate level is a highly doped semiconductor layer, which is doped in particular higher than the semiconductor layers.
  • the intermediate electrode plane consists of the same material as the semiconductor layers.
  • the X-ray detector module is ideally one
  • the intermediate plane is advantageously made so thin that a charge cloud resulting from the absorption of radiation, in particular X-ray radiation, in one of the semiconductor layers can pass through the intermediate plane largely undisturbed.
  • a thickness of the intermediate plane is selected, the
  • At least one structured electrical contact surface is arranged on the top side and / or on the underside of the x-ray detector module, wherein the contact surfaces are structured and arranged relative to one another such that the x-ray detector module has a lateral spatial resolution.
  • the contact surfaces are, for example, strip-like, crossed or structured as two-dimensional surfaces such as
  • an epitaxy method or an ion implantation method is used to produce such an X-ray detector module.
  • X-ray detector module a plurality of separate semiconductor layers for the detection of X-radiation, wherein between two semiconductor layers in each case an intermediate electrode plane is arranged.
  • at least one electrical contact surface is arranged on the upper side and on the lower side of the semiconductor layers, wherein those contact surfaces on the opposing surfaces of two adjacent semiconductor layers are electrically connected to one another via the intermediate electrode plane.
  • the intermediate electrode plane is preferably a circuit board with in particular soldered plated-through holes, wherein the
  • Through-contacts electrically connect the contact surfaces on the opposing surfaces of two adjacent semiconductor layers.
  • the contact surfaces on the opposing surfaces of two adjacent semiconductor layers and / or the vias on corresponding Supply lines to a mean electric potential U M laid.
  • At least one structured electrical contact surface is arranged on the upper side and on the underside of the X-ray detector module, the contact surface of the upper side being at a first electrical potential Ui and the contact surface of the lower side being at a second electrical potential U2 with Ui ⁇ U2 and for the mean potential U M Ui ⁇ U M ⁇ U 2 .
  • the contact surfaces are structured and arranged relative to one another such that the X-ray detector module has a lateral spatial resolution.
  • the contact surfaces are, for example, strip-like, crossed or formed as two-dimensionally structured surfaces, for example circles or squares.
  • the invention relates to the construction of a semi-conductive, imaging X-ray detector module with internal
  • the x-ray detector module has a plurality of semi-insulating semiconductor layers for detecting x-ray radiation, wherein a layer which is highly doped over the whole area is arranged as an intermediate plane between two semiconductor layers.
  • X-ray detector module is designed as a monolithic block.
  • the intermediate plane is so thin that the charge clouds that arise due to the absorption of an X-ray quantum can pass through it largely undisturbed and can continue to drift in the field of the subsequent detector layer. This ensures that a pixellated or structured
  • FIG. 2 shows the course of the electrical potential U and the electric field E in a prior art X-ray detector module
  • FIG. 3 shows an inventive X-ray detector module in a first embodiment
  • FIG. 4 shows an inventive X-ray detector module in a second embodiment
  • Figure 5 shows the course of the electrical potential U and the electric field E in an inventive X-ray detector module.
  • FIG. 3 shows an inventive X-ray detector module 1 with two semi-insulating semiconductor layers 10, 11 as well as an intermediate electrode plane 40.
  • the intermediate electrode plane 40 is in this embodiment, a radiation-hard, low-X-ray radiation-absorbing board of two layers 41, 42.
  • the board 40 may be made of glass.
  • Feed line 43 to the contact surfaces 21, 22 or 31, 32 or to the through-contacts 24, 34 are located between the layers 41 and 42 of the circuit board 40.
  • the contact surfaces of the x-ray detector module are set to a suitable, middle, constant potential.
  • the photocurrents triggered by the X-radiation are read out by capacitive coupling to charge-sensitive preamplifiers (not shown).
  • the X-ray detector module 1 shown here like the X-ray detector module 1 of FIG. 3, consists of two semiconductor layers 10, 11 and a highly doped intermediate plane 50, which is arranged between the semiconductor layers 10, 11.
  • the intermediate plane 50 consists of a thin, highly doped semiconductor material, wherein preferably the same material is used, which was also used for the production of the semiconductor layers 10, 11. In principle, instead of using the same material, it is also possible to use another material which, however, is adapted to the material of the semiconductor layers, at least with regard to its lattice constants.
  • the X-ray detector module 1 with the semiconductor layers 10, 11 and the intermediate plane 50 is ideally monolithic, ie the semiconductor layers 10, 11 and the intermediate plane 50 form one monolithic block.
  • a monolithic X-ray detector module 1 according to the invention can also be produced by means of ion implantation.
  • Contact surfaces 20, 30, 23, 33 are also located on the upper side and the lower side of the X-ray detector module 1 in this exemplary embodiment. As already mentioned in connection with FIG. 1, it is necessary to achieve a lateral
  • the electrodes 20, 30 not as shown as separate electrodes, but as a continuous metallic layer (not shown here).
  • the electrodes 23, 33 are designed as structured electrodes, which are connected to a corresponding read-out electronics 60 for reading out and evaluating the signals generated by incident X-ray radiation.
  • a corresponding read-out electronics is of course also provided in the embodiment of FIG. 4, but not shown there.
  • the thickness d of the highly doped layer 50 is dimensioned as a function of the diffusion length L of the charge carriers generated by X-radiation in the detector 1 or in the semiconductor layers 10, 11:
  • the resulting from the absorption of X-ray quanta in the semiconductor layers 10, 11 Charge clouds can then move without significant interference through the intermediate plane 50, if it is thinner than the diffusion length L of the charge carriers of the charge clouds.
  • the doped layer should not be thicker than about 90 ⁇ m. For example. would be favorable with the above values a thickness of 50 ⁇ m. Relative to the undoped material of the semiconductor layers 10, 11 leads the higher doping of the intermediate plane 50 to a band bending of about half the band gap, that is for cadmium telluride about 0.7 volts.
  • FIG. 5 shows, in analogy to FIG. 2, two

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Abstract

Die Erfindung betrifft den Aufbau eines halbleitenden, bildgebenden Röntgendetektormoduls mit interner Polarisationskompensation. Das Röntgendetektormodul weist in einer ersten Ausführungsform mehrere semiisolierende Halbleiterlagen zur Detektion von Röntgenstrahlung auf, wobei zwischen zwei HaIbleiterlagen jeweils eine ganzflächig hoch dotierte Schicht als Zwischenebene angeordnet ist. Das Röntgendetektormodul ist dabei als monolithischer Block ausgebildet. Die Zwischenebene ist so dünn, dass die durch Absorption eines Röntgenquants entehenden Ladungswolken weitgehend ungestört durch sie hindurchtreten und im Feld der anschließenden Detektorlage weiter driften können. In einer alternativen, nicht-monolithischen Ausführungsform sind auf der Oberseite und auf der Unterseite der semiisolierenden Detektorlagen jeweils metallische Kontaktflächen angeordnet. Diejenigen Kontaktflächen, die sich an gegenüberliegenden Oberflächen zweier benachbarter Detektorlagen befinden, sind dabei über ein dielektrisches Substrat, bspw. eine Platine, elektrisch miteinander verbunden. Diese Kontaktflächen sind wie in der monolithischen Version über entsprechende Zuleitungen auf ein mittlere elektrische Potentiale gelegt und mit Elektronik zum pixelweisen Auslesen der Detektorsignale verbunden.

Description

Beschreibung Röntgendetektormodul Die Erfindung betrifft den Aufbau eines halbleitenden, bildgebenden Röntgendetektormoduls mit interner Polarisationskompensation .
In der Materialanalyse, der Sicherheitstechnik und der Medi- zintechnik werden bildgebende Röntgengeräte mit einer Vielzahl von Röntgendetektormodulen eingesetzt, die zunehmend auch halbleitende, die Röntgenstrahlung direkt in einen Photostrom konvertierende Detektoren verwenden. Hierfür kommen insbesondere die gut absorbierenden Halbleiter Kadmiumtellu- rid (CdTe) oder Kadmiumzinktellurid (CdZnTe) aus chemischen Elementen hoher Ordnungszahl in Frage.
Die Figur 1 zeigt einen solchen Detektor 1 mit zwei einzelnen Detektorelementen 2, 3, der einen Halbleiterkörper 10 und Me- tallelektroden 20, 23, 30 und 33 aufweist. Die Elektrodenpaare 20, 23 und 30, 33 bilden je eines der hier beispielhaft dargestellten zwei Detektorelemente 2, 3. Üblicherweise trägt ein Halbleiterkörper 10 zahlreiche solcher Detektorelemente. Zwischen den Elektroden der Oberseite und der Unterseite des Halbleiterkörpers 10 wird eine Spannung U von mehreren hundert Volt angelegt, um die im Halbleiterkörper 10 durch optische Anregung generierten Elektron-Loch-Paare zu den Elektroden zu ziehen und dabei als Photostrompuls zu detektieren. Die Elektroden auf einer Seite des Halbleiterkörpers 10, bei- spielsweise die Elektroden 20 und 30, können als zusammenhängende Metallisierung ausgeführt sein (hier nicht dargestellt) , da strukturierte Einzelelektroden auf der anderen Seite des Halbleiterkörpers 10 für die laterale Ortsauflösung hinreichend sind. Die Elektroden 23, 33 sind dann mit einer entsprechenden Ausleseelektronik verbunden (nicht dargestellt) . Die Dicke d des Halbleiterkörpers 10 muss je nach Energie der zu detektierenden Röntgenstrahlung dimensioniert werden. Um beispielsweise Röntgenstrahlung der medizinischen Diagnose mit Quantenenergien im Bereich 60 - 100 keV vollständig zu absorbieren sind Detektordicken bis zu d = 2 mm erforderlich. Mit steigender Detektordicke gewinnen auch schon geringe Dichten von ionisierten Störstellen einen erheblichen, eventuell störenden Einfluss auf den Verlauf des elektrischen Feldes E zwischen Kathode und Anode.
Der Verlauf des elektrischen Feldes wird durch die Poisson- Gleichung dE/dz=-p/εεo beschrieben, wobei E das elektrische Feld senkrecht zum Halbleiterkörper 10 zwischen den Elektroden, z die Ortskoordinate in Richtung der Verbindungslinie zwischen sich gegenüber liegenden Elektroden, p die Raumladungsdichte und εεo die Permittivität des Materials bezeichnen. In dünnen Halbleiterbauelementen kann der Potenzialverlauf somit durch Dotierungen im Bereich 1016 bis 1017 Donatoren oder Akzeptoren pro cm3 gezielt eingestellt und die Funk- tion des Bauelementes technologisch definiert werden.
Die Figur 2 zeigt exemplarisch zwei Diagramme, wobei im linken Diagramm das Potenzial U im Halbleiterkörper 10 in Abhängigkeit vom Abstand z zur Kathode, bspw. zur Elektrode 20, aufgetragen ist. Im rechten Diagramm ist das entsprechende elektrische Feld E ebenfall in Abhängigkeit vom Abstand z zur Kathode 20 aufgetragen. Die in den beiden Diagrammen dargestellten Verläufe des elektrischen Potenzials U und der elektrischen Feldstärke E wurden für einen 1,5 mm dicken Kad- miumtelluriddetektor zwischen der Kathode und der Anode bei homogen verteilter, positiver Raumladung von 3 * 1011 Elementarladungen pro cm3 berechnet. Dabei wurde eine Spannung von 450 Volt angenommen. Beim Röntgendetektor besteht das Problem darin, die prozesstechnisch bedingte, eingebaute Störstellendichte bei der Herstellung unter 1011 bis 1012 pro cm3 abzusenken, um feldfreie, bei der Ladungstrennung inaktive Bereiche wie beispielsweise vor der Anode zu vermeiden. Störstellen halten eingefangene Ladungen je nach Lage des Energieniveaus unterschiedlich lange. Bei Belichtung mit Röntgenstrahlung stellt sich entsprechend dem im Halbleitermaterial generierten Photostrom mit Zeitkonstanten von bis zu einigen Minuten ein dynamisches Gleichgewicht ein, das zu charakteristischer Raumladungsverteilung und Feldverzerrungen führt. Diese strahlungsabhängige Aufladung, auch als Polarisation bezeichnet, macht den Detektor gegenüber wechselnden Röntgenflüssen träge.
Grundsätzlich kann durch eine gemessen an der Detektordicke d überhöhte Betriebsspannung U der Polarisation entgegen gewirkt werden. Aus technischen Gründen wie beispielsweise sicherer Isolation und Netzteilkosten sind hier jedoch Grenzen gesetzt.
Ein konventioneller, seit Jahrzehnten und bis heute verfolgter Lösungsansatz besteht in der Verbesserung des Materials des Halbleiters bezüglich der Störstellendichte durch Opti- mierung der Kristallzüchtung. Dieser Ansatz beinhaltet jedoch erhebliche Schwierigkeiten und konnte bis heute keine zufrieden stellende Lösung bereit stellen.
Für höhere Quantenenergien, beispielsweise 500 keV-Gamma- Strahlung, werden Detektordicken im Bereich von 10 mm benötigt, sodass die Defektdichte nochmals um einen Faktor 10 gegenüber einem 1 mm Detektor gesenkt werden müsste. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wurden einzelne Detektoren ohne laterale Teilung in Bildelemente übereinander zu einem Mehrla- gen-Detektor gestapelt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Röntgendetektormodul vorzuschlagen, in dem sich die Problematik der Polarisation nicht auf die Leistungsfähigkeit des Mo- duls auswirkt. Diese Aufgabe wird durch die in dem unabhängigen Anspruch angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das durch Raumladung deformierte Potenzial U mit Hilfe einer oder mehrerer, zwischen Kathode und Anode des Halbleiters liegender Elektroden in die Nähe des raumladungsfreien, linearen Verlaufs gezogen, Bei gegebener Gesamtdicke d des Halbleiters wird dieser mit Hilfe einer oder mehrerer Zwischenebenen bzw. Zwischenelektrodenebenen in mehrere Einzellagen geringerer Dicke und folglich geringer Empfindlichkeit gegenüber Polarisation unterteilt. Hierdurch wird letztlich erreicht, dass das elektrische Feld E innerhalb des Halbleiters nicht mehr auf einen Wert 0 absinkt, sondern überall einen Wert aufweist der größer als ein Minimum ist.
Das erfindungsgemäße Röntgendetektormodul weist 1. mehrere separate Halbleiterlagen zur Detektion von Röntgenstrahlung auf. Zwischen zwei Halbleiterlagen ist jeweils eine
Zwischenebene angeordnet. Dabei ist die Zwischenebene eine hoch dotierte Halbleiterschicht, welche insbesondere höher dotiert ist als die Halbleiterlagen. Vorteilhafterweise besteht die Zwischenelektrodenebene aus dem selben Material wie die Halbleiterlagen.
Das Röntgendetektormodul ist dabei idealerweise ein
monolithischer Block.
Weiterhin ist die Zwischenebene vorteilhafterweise derart dünn ausgebildet, dass eine durch Absorption von Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung, in einer der Halbleiterlagen entstehende Ladungswolke weitestgehend ungestört durch die Zwischenebene hindurchtreten kann. Hierzu wird eine Dicke der Zwischenebene gewählt, die
geringer ist als die Diffusionslänge der Elektronen n
und/oder der Löcher p der Ladungswolke. Auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Röntgende- tektormoduls ist jeweils zumindest eine strukturierte elektrische Kontaktfläche angeordnet, wobei die Kontaktflächen derart strukturiert und zueinander angeordnet sind, dass das Röntgendetektormodul eine laterale Ortsauflösung aufweist. Hierfür sind die Kontaktflächen bspw. streifenartig, gekreuzt oder als zweidimensional strukturierte Flächen wie etwa
Kreise oder Quadrate ausgebildet.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Herstellung eines derartigen Röntgendetektormoduls ein Epitaxieverfahren oder ein Ionenimplantationsverfahren eingesetzt.
In einer alternativen Ausführungsform weist ein
Röntgendetektormodul mehrere separate Halbleiterlagen zur Detektion von Röntgenstrahlung auf, wobei zwischen zwei Halbleiterlagen jeweils eine Zwischenelektrodenebene angeordnet ist. Dabei sind auf der Oberseite und auf der Unterseite der Halbleiterlagen jeweils zumindest eine elektrische Kontaktfläche angeordnet, wobei diejenigen Kontaktflächen an den sich gegenüberliegenden Oberflächen zweier benachbarter Halbleiterlagen über die Zwischenelektrodenebene elektrisch miteinander verbunden sind.
Die Zwischenelektrodenebene ist vorzugsweise eine Platine mit insbesondere gelöteten Durchkontaktierungen, wobei die
Durchkontaktierungen die Kontaktflächen an den sich gegenüberliegenden Oberflächen zweier benachbarter Halbleiterlagen elektrisch miteinander verbinden. Vorzugsweise sind die Kontaktflächen an den sich gegenüberliegenden Oberflächen zweier benachbarter Halbleiterlagen und/oder die Durchkontaktierungen über entsprechende Zuleitungen auf ein mittleres elektrisches Potential UM gelegt .
Auf der Oberseite und auf der Unterseite des Röntgendetektor- moduls ist jeweils zumindest eine strukturierte elektrische Kontaktfläche angeordnet, wobei die Kontaktfläche der Oberseite auf ein erstes elektrisches Potential Ui und die Kontaktfläche der Unterseite auf ein zweites elektrisches Potential U2 gelegt sind mit Ui < U2 und wobei für das mittlere Po- tential UM gilt Ui < UM < U2.
Die Kontaktflächen sind derart strukturiert und zueinander angeordnet, dass das Röntgendetektormodul eine laterale Ortsauflösung aufweist. Hierfür sind die Kontaktflächen bspw. streifenartig, gekreuzt oder als zweidimensional strukturierte Flächen, beispielsweise Kreise oder Quadrate, ausgebildet.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung den Aufbau eines halb- leitenden, bildgebenden Röntgendetektormoduls mit interner
Polarisationskompensation. Das Röntgendetektormodul weist in einer ersten Ausführungsform mehrere semiisolierende Halbleiterlagen zur Detektion von Röntgenstrahlung auf, wobei zwischen zwei Halbleiterlagen jeweils eine ganzflächig hoch dotierte Schicht als Zwischenebene angeordnet ist. Das
Röntgendetektormodul ist dabei als monolithischer Block ausgebildet. Die Zwischenebene ist so dünn, dass die durch Absorption eines Röntgenquants entehenden Ladungswolken weitgehend ungestört durch sie hindurchtreten und im Feld der anschließenden Detektorlage weiter driften können. Dadurch wird erreicht, dass eine pixellierte bzw. strukturierte
Ausleseelektronik nur auf der Endfläche des Detektormoduls erforderlich ist und die Zwischenelektroden nur auf solche konstanten Potentiale gelegt werden müssen, dass eine
Potentialverbiegung entlang der Gesamtdicke des Moduls
(„Polarisation") unterdrückt wird. In einer alternativen, nicht-monolithischen Ausführungsform sind auf der Oberseite und auf der Unterseite der semiisolierenden Detektorlagen je- weils metallische Kontaktflächen angeordnet. Diejenigen Kontaktflächen, die sich an gegenüberliegenden Oberflächen zweier benachbarter Detektorlagen befinden, sind dabei über ein dielektrisches Substrat, bspw. einePlatine, elektrisch miteinander verbunden. Diese Kontaktflächen sind wie in der monolithischen Version über entsprechende Zuleitungen auf ein mittlere elektrische Potentiale gelegt und mit Elektronik zum pixelweisen Auslesen der Detektorsignale verbunden. Das Problem der Polarisation wird demnach im Gegensatz zum
Stand der Technik durch die Verbesserung der Struktur des Detektors gelöst. Insbesondere verspricht die erfindungsgemäße Integration einer hoch dotierten Zwischenebene zwischen zwei Halbleiterlagen des Röntgendetektormoduls eine an die Tran- sistortechnik angelehnte Funktionsweise. Dies bietet eine Reihe von Vorteilen:
- Aktive Einstellung des Potenzialverlaufs durch äußere Spannung;
- Unterdrückung feldfreier, inaktiver Detektorzonen;
- Unterdrückung der Polarisation und somit kurze Ansprechzeit des Detektors;
- reduzierte Anforderungen an Halbleiterqualität mit Wirkung auf die Herstellungskosten;
- niedrigere benötigte Spannungen an den Einzelschichten, d.h. geringere Anforderungen an die Spannungsversorgung; und
- Möglichkeit der alternierenden, mehrlagigen Anordnung aus intrinsischen Detektorschichten und dotierten Elektroden- schichten zur Einstellung eines gegebenenfalls auch nicht linearen Potenzialverlaufs.
Insbesondere bei metallischen, strukturierten und einzeln ausgelesenen Zwischenelektrodenebenen stehen höherem aufbau- technischem Aufwand weitere Vorteile gegenüber: - Dünnere Detektorlagen, die bei konstantem Pixelvolumen breitere Pixel oder bei gleicher Pixelgröße höhere Zählraten zulassen;
- integrierte Energieauflösung aufgrund der energieabhängigen Eindringtiefe der Röntgenquanten .
Hierdurch wird es möglich, die notwendige Elektronik zu vereinfachen . Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
Figur 1 ein Röntgendetektormodul nach dem Stand der Technik,
Figur 2 den Verlauf der elektrischen Potentials U und des elektrischen Feldes E in einem Röntgendetektormodul nach dem Stand der Technik,
Figur 3 ein erfindungsgemäßes Röntgendetektormodul in einer ersten Ausführungsform,
Figur 4 ein erfindungsgemäßes Röntgendetektormodul in einer zweiten Ausführungsform,
Figur 5 den Verlauf der elektrischen Potentials U und des elektrischen Feldes E in einem erfindungsgemäßen Röntgendetektormodul .
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Röntgendetektormodul 1 mit zwei semiisolierenden Halbleiterlagen 10, 11 sowie ei- ner Zwischenelektrodenebene 40. Die beiden Halbleiterlagen
10, 11, die jeweils wie einer der oben eingeführten Halbleiterkörper ausgebildet sein können, besitzen auf ihren jeweiligen Ober- und Unterseiten strukturierte Elektroden bzw. Kontaktflächen 20, 21, 22, 23 bzw. 30, 31, 32, 33, durch die die laterale Ortsauflösung des Detektors definiert ist.
Diejenigen Kontaktflächen 21, 31, 22, 32, die sich an den sich gegenüber liegenden Oberflächen 12, 13 der beiden Halbleiterlagen 10, 11 befinden, sind durch gelötete Durchkontak- tierungen 24, 34 in der Zwischenelektrodenebene 40 elektrisch miteinander verbunden. Die Zwischenelektrodenebene 40 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine strahlenharte, für Röntgen- Strahlung gering absorbierende Platine aus zwei Lagen 41, 42. Bspw. kann die Platine 40 aus Glas gefertigt sein. Zwischen den Lagen 41 und 42 der Platine 40 befinden sich Zuleitung 43 zu den Kontaktflächen 21, 22 bzw. 31, 32 bzw. zu den Durch- kontaktierungen 24, 34. Über die Zuleitungen 43 werden die Kontaktflächen des Röntgendetektormoduls auf ein geeignetes, mittleres, konstantes Potenzial gelegt. Darüber hinaus werden die durch die Röntgenstrahlung ausgelösten Photostrompulse durch kapazitive Kopplung an ladungsempfindliche Vorverstärker ausgelesen (nicht dargestellt) .
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Figur 4 dargestellt. Das hier gezeigte Röntgendetektormodul 1 besteht wie das Röntgendetektormodul 1 der Figur 3 aus zwei Halbleiterlagen 10, 11 sowie einer hoch dotierte Zwischenebene 50, die zwischen den Halbleiterlagen 10, 11 angeordnet ist.
Die Zwischenebene 50 besteht aus einem dünnen, hochdotierten Halbleitermaterial, wobei vorzugsweise das selbe Material verwendet wird, welches auch zur Herstellung der Halbleiter- lagen 10, 11 verwendet wurde. Anstatt das selbe Material zu verwenden kann grundsätzlich auch ein anderes Material zum Einsatz kommen, welches jedoch zumindest hinsichtlich seiner Gitterkonstanten an das Material der Halbleiterlagen ange- passt ist.
Das Röntgendetektormodul 1 mit den Halbleiterlagen 10, 11 und der Zwischenebene 50 ist idealerweise monolithisch, d.h. die Halbleiterlagen 10, 11 und die Zwischenebene 50 bilden einen monolithischen Block. Zur Herstellung eines solchen monolithischen Moduls 1 kann bspw. ein Epitaxieverfahren wie etwa die Flüssigphasenepitaxie zum Einsatz kommen. Alternativ kann ein erfindungsgemäßes monolithisches Röntgendetektormodul 1 auch mit Hilfe der Ionenimplantation hergestellt werden.
Auf der Oberseite und der Unterseite des Röntgendetektormo- duls 1 befinden sich auch in diesem Ausführungsbeispiel Kontaktflächen 20, 30, 23, 33. Wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 erwähnt, ist es zum Erreichen einer lateralen
Ortsauflösung ausreichend, wenn bpsw. die Elektroden 20, 30 nicht wie dargestellt als separate Elektroden auszuführen, sondern als zusammenhängende metallischer Schicht (hier nicht dargestellt) . Die Elektroden 23, 33 werden wie dargestellt als strukturierte Elektroden ausgeführt, die zum Auslesen und Auswerten der durch einfallende Röntgenstrahlung erzeugten Signale mit einer entsprechenden Ausleseelektronik 60 verbunden sind. Eine entsprechende Ausleseelektronik ist selbstverständlich auch in der Ausführungsform der Figur 4 vorgesehen, dort aber nicht dargestellt.
Die Dicke d der hoch dotierten Schicht 50 wird in Abhängigkeit von der Diffusionslänge L der durch Röntgenstrahlung im Detektor 1 bzw. in den Halbleiterlagen 10, 11 erzeugten La- dungsträger dimensioniert: Die aus der Absorption von Rönt- genquanten in den Halbleiterlagen 10, 11 entstehenden Ladungswolken können sich dann ohne wesentliche Störung durch die Zwischenebene 50 bewegen, wenn diese dünner ist als die Diffusionslänge L der Ladungsträger der Ladungswolken. Die Diffusionslänge L ist abhängig von der Beweglichkeit μ und der Lebensdauer τ der Elektronen n und Löcher p in den Ladungswolken. Für typische Werte μn=1100cm2/ (V*s) ,
μp=100cm2/ (V*s) , τn=3*10~6s, τp=2*10~6s und L
Figure imgf000012_0001
ergibt sich Ln=92μm und Lp=23μm für die Diffusionslängen der Elektronen n und Löcher p. Da in der Regel die Elektronen ausgelesen werden, sollte die dotierte Schicht nicht dicker als etwa 90μm sein. Bspw. wäre mit den obigen Werten eine Dicke von 50μm günstig. Relativ zum undotierten Material der Halbleiterlagen 10, 11 führt die höhere Dotierung der Zwischenebene 50 zu einer Bandverbiegung von etwa der halben Bandlücke, das heißt für Kadmiumtellurid etwa 0,7 Volt. Diese Bandverbiegung ist jedoch gegenüber der insgesamt anliegenden Spannung zu vernachlässigen. Schichten wechselnder Dotierung können bei epitaktischer Herstellung des Detektors beispielsweise mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen werden. Wie im Falle der Basis eines konventionellen Transistors können sich auch die in den Halbleiterlagen 10, 11 aus der Absorption von Röntgenstrahlung entstehenden Ladungswolken ohne große Störung durch die dotierte Zwischenebene 50 bewegen, wenn die Dicke der Zwischenebene 50 dünner ist als die Diffusionslän- gen der Ladungsträger. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 3 können deshalb eine laterale Strukturierung der Dotierschicht und eine pixelweise Verbindung zu einer nicht dargestellten Ausleseelektronik entfallen. Die Figur 5 zeigt schließlich in Analogie zur Figur 2 zwei
Diagramme, in denen der Verlauf des elektrischen Potenzials U und der elektrischen Feldstärke E in einem 1,5 mm dicken Kad- miumtelluriddetektor zwischen Kathode und Anode bei homogen verteilter, positiver Raumladung von 3 * 1011 Elementarladun- gen pro cm3 dargestellt ist. Die angelegte Spannung beträgt 450 Volt und es befindet sich eine zusätzliche Zwischenebene in der Mitte zwischen Kathode und Anode, die auf ein Potential von 225 Volt gelegt ist. Deutlich zu erkennen ist insbesondere im rechten Diagramm, dass das elektrische Feld E auf- grund der Zwischenelektrodenebene 40 bzw. 50 nicht mehr auf Null abfällt, sondern zunächst von einem Maximalwert bei z=0 abfällt und an der Stelle, an der die Zwischenelektrodenebene angeordnet ist, sprungartig wieder auf den Maximalwert ansteigt. Damit wird letztlich erreicht, dass das elektrische Feld E an keiner Stelle unter einen bestimmten Minimalwert fällt, im gezeigten Beispiel fällt das elektrische Feld E nicht unter einen Wert von 140V/mm.

Claims

Patentansprüche
1. Röntgendetektormodul mit mehreren separaten Halbleiterlagen (10, 11) zur Detektion von Röntgenstrahlung, wobei zwischen zwei Halbleiterlagen (10, 11) jeweils eine
Zwischenebene (50) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenebene (50) eine hoch dotierte
Halbleiterschicht (50) ist, welche insbesondere höher dotiert ist als die Halbleiterlagen (10, 11).
2. Röntgendetektormodul nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zwischenebene (50) aus dem selben Material besteht wie die Halbleiterlagen (10, 11).
3. Röntgendetektormodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgendetektormodul monolithisch ist .
4. Röntgendetektormodul nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenebene
(50) derart dünn ausgebildet ist, dass eine durch Absorption von Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung, in einer der Halbleiterlagen (10, 11) entstehende Ladungswolke
weitestgehend ungestört durch die Zwischenebene (50)
hindurchtreten kann.
5. Röntgendetektormodul nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenebene (50)
geringer ist als die Diffusionslänge der Elektronen n
und/oder der Löcher p der Ladungswolke.
6. Röntgendetektormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Röntgendetektormoduls jeweils zumin- dest eine strukturierte elektrische Kontaktfläche (20, 30,
23, 33) angeordnet ist, wobei die Kontaktflächen (20, 30, 23, 33) derart strukturiert und zueinander angeordnet sind, dass das Röntgendetektormodul eine laterale Ortsauflösung aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Röntgendetektormoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Röngendetektormodul mit einem Epitaxieverfahren, insbesondere mittels Flüssigphasenepitaxie, oder mit einem Ionenimplantationsverfahren hergestellt wird.
8. Röntgendetektormodul mit mehreren separaten Halbleiterlagen (10, 11) zur Detektion von Röntgenstrahlung, wobei zwischen zwei Halbleiterlagen (10, 11) jeweils eine
Zwischenelektrodenebene (40) angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, dass auf der Oberseite und auf der Unterseite der Halbleiterlagen (10, 11) jeweils zumindest eine elektrische Kontaktfläche (20, 21, 30, 31, 22, 23, 32, 33) angeordnet ist, wobei die Kontaktflächen (21, 31, 22, 32) an den sich gegenüberliegenden Oberflächen (12, 13) zweier benachbarter Halbleiterlagen (10, 11) über die
Zwischenelektrodenebene (40) elektrisch miteinander verbunden sind.
9. Röntgendetektormodul nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zwischenelektrodenebene (40) eine Platine (40) mit insbesondere gelöteten Durchkontaktierungen (24, 34) ist, wobei die Durchkontaktierungen (24, 34) die Kontaktflächen (21, 31, 22, 32) an den sich gegenüberliegenden Oberflächen (12, 13) zweier benachbarter Halbleiterlagen (10, 11) elektrisch miteinander verbinden.
10. Röntgendetektormodul nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (21, 31, 22, 32) an den sich gegenüberliegenden Oberflächen (12, 13) zweier benachbarter Halbleiterlagen (10, 11) und/oder die
Durchkontaktierungen (24, 34) über Zuleitungen (43) auf ein mittleres elektrisches Potential UM gelegt sind.
11. Röntgendetektormodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite und auf der Unterseite des Röntgendetektormoduls jeweils zumindest eine strukturierte elektrische Kontaktfläche (20, 30, 23, 33) angeordnet ist, wobei die Kontaktfläche (20, 30) der Oberseite auf ein erstes elektrisches Potential Ui und die Kontaktfläche (23, 33) der Unterseite auf ein zweites elektrisches Potential U2 gelegt sind mit Ui < U2 und wobei für das mittlere Potential UM gilt Ui < UM < U2.
12. Röntgendetektormodul nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (20, 21, 30, 31, 22, 23, 32, 33) derart strukturiert und zueinander angeordnet sind, dass das Röntgendetektormodul eine laterale Ortsauflösung aufweist.
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