WO2022028895A1 - Multipixel-photodetektor mit avalanche-photodioden, strahlungsdetektor und positronen-emissions-tomograph - Google Patents

Multipixel-photodetektor mit avalanche-photodioden, strahlungsdetektor und positronen-emissions-tomograph Download PDF

Info

Publication number
WO2022028895A1
WO2022028895A1 PCT/EP2021/070400 EP2021070400W WO2022028895A1 WO 2022028895 A1 WO2022028895 A1 WO 2022028895A1 EP 2021070400 W EP2021070400 W EP 2021070400W WO 2022028895 A1 WO2022028895 A1 WO 2022028895A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
avalanche photodiodes
avalanche
exposure field
light
multipixel
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/070400
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David WEINBERGER
Original Assignee
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf E.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf E.V. filed Critical Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf E.V.
Publication of WO2022028895A1 publication Critical patent/WO2022028895A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration

Definitions

  • the present application relates to multipixel photodetectors, in particular large-area photodiode arrays for detecting individual photons.
  • the application also relates to scintillation counters and other radiation detectors with multipixel photodetectors.
  • Photodetectors convert received light into an electrical signal.
  • a photon of sufficient energy creates an electron-hole pair in a semiconductor body electrically biased by two electrodes.
  • the electric field separates the generated charge carriers according to their polarity.
  • simple semiconductor photodetectors the charge carriers generated by photons flow directly via the electrodes and impress a photocurrent in a load circuit connecting the two electrodes outside the semiconductor body, the current strength of which is approximately proportional to the number of photons.
  • the bias voltage is about as high as or higher than the avalanche breakdown voltage, so the generated charge carriers in turn generate more charge carriers. Due to the high amplification in the event of an avalanche, individual photons can already be detected.
  • An APD can be operated either radiation-proportionally or in the Geiger mode.
  • the APD In the radiation-proportional operating mode, a single detected photon does not yet drive the avalanche breakdown into its own saturation area . To do this, the APD is biased with a reverse voltage that is smaller than its breakdown voltage. In the Geiger mode, the multiplication effect of the avalanche breakdown is so large that the irradiance can no longer be deduced from the photocurrent of the APD. To do this, the APD is biased with a reverse voltage that is slightly higher than its breakdown voltage.
  • an APD is set up to count individual events, it is also referred to as a GM-APD (Geiger Mode APD) or SPAD (single photon avalanche diode).
  • GM-APD Geiger Mode APD
  • SPAD single photon avalanche diode
  • the avalanche breakdown is broken off by the external circuitry of the APD.
  • a GM-APD cannot detect any further photons for the duration of the avalanche breakdown. Therefore, multi-pixel photodetectors such as MPPCs (multi-pixel photon counters), for example, usually combine several GM-APDs whose photocurrents are combined before evaluation.
  • MPPCs multi-pixel photon counters
  • the object of the present application is to provide an improved multipixel photodetector.
  • Claim 10 relates to a radiation detector with such a multipixel photodetector
  • claim 12 relates to a positron emission tomograph with such a radiation detector.
  • Advantageous embodiments result from the dependent claims.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of a multipixel photodetector with first avalanche photodiodes and with second avalanche photodiodes with a smaller light entry area than the first avalanche photodiodes according to one embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of a multipixel photodetector with first avalanche photodiodes and with second avalanche photodiodes according to an embodiment in which the second avalanche photodiodes are arranged in a frame-like manner around the first avalanche photodiodes.
  • FIG. 3A and 3B show schematic block diagrams of multipixel photodetectors according to further embodiments.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a multipixel photodetector according to an embodiment with first and second avalanche photodiodes 12 formed in separate semiconductor substrates.
  • FIG. 5A-5B show a schematic top view and a schematic cross section through a multipixel photodetector according to an embodiment with first and second avalanche photodiodes formed in the same semiconductor substrate and with quenching resistors on the light incidence side.
  • FIG. 6A-6B show a schematic plan view and a schematic cross-section through a multi-pixel photodetector according to one embodiment with quenching resistors on the side opposite to the incident light side.
  • FIG. 7 shows a schematic longitudinal cross section through a radiation detector with a scintillator body and a multipixel photodetector according to a further embodiment.
  • FIG. FIG. 8 shows an example of the light distribution in a light exit area of a scintillator body to explain the effects of the embodiments.
  • a multipixel photodetector can have first avalanche photodiodes electrically connected in parallel and second avalanche photodiodes electrically connected in parallel.
  • each first avalanche photodiode is arranged electrically in a photocurrent path and the photocurrent paths with the first avalanche photodiodes are electrically connected in parallel.
  • each second avalanche photodiode is arranged electrically in a photocurrent path and the photocurrent paths with second avalanche photodiodes are electrically connected in parallel.
  • at least one further electrical component can be provided in each photocurrent path, for example an ohmic resistance element.
  • the photocurrents of the first avalanche photodiodes are combined and evaluated in a combined manner, and the photocurrents of the second avalanche photodiodes are combined and evaluated in a combined manner.
  • All first avalanche photodiodes can be electrically connected in parallel in the multipixel photodetector.
  • the first avalanche photodiodes can be combined to form the first photodiode groups (first channels), the first avalanche photodiodes of each first photodiode group being electrically connected in parallel and the total photocurrents of the first photodiode groups being able to be evaluated separately.
  • all second avalanche photodiodes can be electrically connected in parallel or combined to form second photodiode groups (second channels), the second avalanche photodiodes of each second photodiode group being electrically connected in parallel and the total photocurrents of the second photodiode groups being evaluated separately can become .
  • the first and second avalanche photodiodes are also wired in such a way that they can actually be operated in avalanche mode.
  • the multi-pixel photodetector has at least one auxiliary voltage source capable of reverse-biasing the first and second avalanche photodiodes with a voltage in the range of the avalanche breakdown voltage.
  • Each of the avalanche photodiodes represents a pixel of the multipixel photodetector .
  • Each of the avalanche photodiodes has a flat light entry surface (effective photosensitive area) through which the radiation detected by the avalanche photodiode enters the avalanche photodiode.
  • the light entry surfaces of all first avalanche photodiodes can be the same size or different sizes, but are always larger than a reference surface or the same size as the reference surface.
  • All second avalanche photodiodes can be the same size or different sizes, but are always smaller than the reference area. Accordingly, each of the first avalanche photodiodes has a light entrance surface that is larger than the light entry surface of each second avalanche photodiode.
  • the light entry surfaces of the first and second avalanche photodiodes are aligned parallel to one another.
  • the light entry surfaces of the first and second avalanche photodiodes are coplanar and can form nearly complementary partial surfaces of an exposure field of the photodetector.
  • the outer edges of the outermost avalanche photodiodes determine the outer edge of the exposure field.
  • the exposure field and the light entry surfaces can have the same basic geometric shape.
  • the light entry areas and the exposure field are hexagons or the exposure field and the light entry areas are rectangles, for example squares.
  • the smaller, second avalanche photodiodes locally enable better energy resolution of a radiation to be measured than the larger, first avalanche photodiodes, since each avalanche breakdown only blocks a comparatively small area for further light detection. Due to the temperature-dependent dark noise or the dark counting rate of the individual avalanche photodiodes, however, a larger number of avalanche photodiodes per unit area worsens the signal-to-noise ratio. In addition, larger avalanche photodiodes can cover an exposure field with a better cell fill factor. The higher proportion of active light entry surface improves the sensitivity (photon detection efficiency, PDE). Due to the better signal/noise ratio and the higher sensitivity, the larger first avalanche photodiodes enable a better time resolution.
  • the combination of differently sized avalanche photodiodes therefore allows, particularly in applications with systematically unequal radiation distribution over the exposure field, a more precise determination of the amount of the total radiation.
  • the larger first avalanche photodiodes can be provided predominantly or exclusively in those sections of the exposure field in which the expected photon density is relatively low and poorer energy resolution affects the measurement result only to a small extent.
  • the smaller, second avalanche photodiodes can be provided predominantly or exclusively in those sections of the exposure field in which the highest photon density occurs and better energy resolution can significantly improve the measurement result.
  • the evaluation of the photocurrents for the first avalanche photodiodes and for the second avalanche photodiodes can be carried out separately, as a result of which further information on the spatial distribution of the photons becomes available in addition to the information on the total number of photons detected.
  • the first and second avalanche photodiodes can be electrically connected in parallel, with the photocurrents of the first avalanche photodiodes and the photocurrents of the second avalanche photodiodes adding up.
  • the photocurrents of all avalanche photodiodes can be weighted equally, as a result of which an application as a photon counter can be implemented in a comparatively simple manner.
  • the light entry surfaces of the first avalanche photodiodes can be of the same size and the light entry surfaces of the second avalanche photodiodes can be of the same size.
  • the light entry area of a first avalanche photodiode at least 1.5 times, e.g. B. at least twice or at least 10 times the light entry area of a second avalanche photodiode.
  • the multipixel photodetector can thus be implemented in a comparatively simple manner using existing technology.
  • the light entrance area of the first avalanche photodiodes can be approximately 75 ⁇ 75 ⁇ m and the light entrance area of the second avalanche photodiodes can be approximately 25 ⁇ 25 ⁇ m or approximately 50 ⁇ 50 ⁇ m.
  • the light entrance area of the first avalanche photodiodes can be approximately 50 ⁇ 50 ⁇ m and the light entrance area of the second avalanche photodiodes can be approximately 25 ⁇ 25 ⁇ m.
  • the first and second avalanche photodiodes can be designed as Geiger mode avalanche photodiodes.
  • the multipixel photodetector is, for example, a silicon multipixel photon counter (multi pixel photon counter, MPPC).
  • the multi-pixel photodetector may include an active circuit electrically connected to each of the first and each of the second avalanche photodiodes and capable of actively quenching the avalanche breakdown in each of the first and second avalanche photodiodes.
  • each of the photocurrent paths has an ohmic resistance element which acts as a quench resistor.
  • the quenching resistor is dimensioned in such a way that after the avalanche breakdown has been triggered by the voltage drop that the photocurrent generates across the quenching resistor, the bias voltage of the avalanche photodiode is pushed below the avalanche breakdown voltage.
  • the resistance value of the quenching transistor can be in a range from 1 okQ to 10 okQ.
  • the quenching resistances of the first avalanche photodiodes and the Extinguishing resistances of the second avalanche photodiodes can be of the same size or of different sizes.
  • At least part of the first avalanche photodiodes can be arranged inside the exposure field and part of the second avalanche photodiodes can be arranged at the edge of the exposure field.
  • Such an arrangement efficiently improves the energy resolution, particularly in applications in which the photon density in a section of the exposure field along the exposure field edge is systematically higher than at a distance from the exposure field edge.
  • the exposure field can be rectangular, with part of the first avalanche photodiodes being able to be arranged inside the exposure field and one of the second avalanche photodiodes being able to be arranged in each corner of the exposure field.
  • the exposure field has a central area and an edge area enclosing the central area, it being possible for the first avalanche photodiodes to be formed exclusively in the central area and the second avalanche photodiodes exclusively in the edge area.
  • Such an arrangement efficiently improves the energy resolution in applications in which the photon density is systematically higher along the edges of the exposure field than at the distance to the edges.
  • the first avalanche photodiodes can have first semiconducting regions and the second avalanche photodiodes can have second semiconducting regions. According to one exemplary embodiment, you can the first and second semiconducting regions may be formed in separate semiconductor substrates arranged laterally next to one another.
  • a multipixel photodetector according to this exemplary embodiment can be constructed from available multipixel photodetectors of different pixel sizes with comparatively little effort.
  • the first and second semiconducting regions may be formed in the same semiconductor substrate.
  • avalanche photodiodes with light entry areas of different sizes can be constructed at a comparatively small distance from one another and with a comparatively small loss of active light entry area.
  • the multipixel photodetector can have a temperature sensor.
  • the temperature sensor can have third semiconducting regions, which can be formed together with the first, the second, or with the first and the second semiconducting regions in the same semiconductor substrate.
  • the third semiconducting regions include a p-doped region and an n-doped region, the p-doped region and the n-doped region forming a pn junction.
  • An output signal from the temperature sensor can be used to regulate the bias voltage of the avalanche photodiodes in such a way that the sensitivity and/or the signal/noise behavior of the multipixel photodetector has the lowest possible temperature dependency.
  • a radiation detector can, for example, have a scintillator body with a light exit surface, it being possible for light radiation to be excited in the scintillator body by ionizing radiation and at least part of the excited light Radiation exits through the light exit surface from the scintillator body.
  • the light exit surface can be rectangular, e.g. B. be square .
  • the edge length of a square light exit surface can assume a value in a range from about 5 mm to about 20 mm, for example from about 6 mm to 13 mm.
  • a vertical extent of the scintillator body perpendicular to the light exit surface can be greater than the longest edge length of the light exit surface and can be, for example, at least twice or at least three times the longest edge length of the light exit surface.
  • the dimensions of the scintillator body are 6x6x20mm 3 , 6x6x50mm 3 or 13x13x50mm 3 .
  • the radiation detector can also have a multipixel photodetector of the type described above, the exposure field of the multipixel photodetector being oriented towards the light exit surface of the scintillator body and aligned parallel thereto.
  • a multipixel photodetector of the type described above in which the distribution of first and second avalanche photodiodes with light entry surfaces of different sizes is adapted to the radiation distribution to be expected, enables a more precise determination of the amount of the ionizing radiation detected in the scintillator body.
  • an outer edge of the exposure field of the multipixel photodetector can be designed to be approximately flush with an outer edge of the light exit surface of the scintillator body.
  • a positron emission tomograph can have at least one pair of radiation detectors of the type mentioned above, whose optical axes are arranged collinearly. In particular, the light entry surfaces of the two radiation detectors are oriented towards the same point.
  • the scintillator body of the radiation detector registers gamma radiation, for example.
  • Evaluation electronics can, for example, determine coincidences in the output signals of the two radiation detectors and their propagation time differences.
  • FIG. 1 shows a rectangular planar exposure field 91 of a multi-pixel photodetector 90 .
  • 91 is at least 1mm.
  • the multipixel photodetector 91 has first avalanche photodiodes 10 and second avalanche photodiodes 20 .
  • the light entry surfaces 11 of the first avalanche photodiodes 10 are the same size and the light entry surfaces 21 of the second avalanche photodiodes 20 are the same size.
  • the light entry surface 11 of a first avalanche photodiode 10 is larger than the light entry surface 21 of a second avalanche photodiode 20 .
  • the light entry surfaces 11 , 21 are coplanar in the same plane.
  • the first avalanche photodiodes 10 are arranged like a matrix in rows and columns.
  • a grid-like separating area 92 laterally separates adjacent light entry surfaces 11 , 21 from one another. Light incident on the light incident side of the multi-pixel photodetector 90 in the separation area is not detected.
  • the second avalanche photodiodes 20 with the smaller light entry surface 21 are arranged exclusively in the corners of the exposure field 91 .
  • the exposure field 91 has a central area and an edge area that laterally completely encloses the central area.
  • the first avalanche photodiodes 10 with the larger light entry surface 11 are formed exclusively in the central area.
  • the second avalanche photodiodes 20 with the smaller light entry surfaces 21 are provided exclusively in the edge area and form a frame around the central area.
  • each first avalanche photodiode 10 forms a first photocurrent path with a first quenching resistor 12 connected in series
  • each second avalanche photodiode 20 forms a second photocurrent path with a second quenching resistor 22 connected in series.
  • the first photocurrent paths are electrically connected in parallel and the second photocurrent paths are electrically connected in parallel.
  • the first quenching resistors 12 have the same ohmic resistance and the second quenching resistors 22 have the same ohmic resistance.
  • the ohmic resistance of the first quenching resistors 12 and the ohmic resistance of the second quenching resistors 22 can be of the same magnitude or of different magnitudes.
  • the first photocurrent paths can be electrically connected in parallel to the second photocurrent paths, so that the photocurrents of all photocurrent paths add up.
  • the anodes of the first avalanche photodiodes 10 and the anodes of the second avalanche photodiodes 20 are electrically connected directly to one another.
  • the first and second quenching resistors 12, 22 are each drawn on the cathode side of the respective avalanche photodiode 10, 20.
  • the cathodes of the first avalanche photodiodes 10 and the cathodes of the second avalanche photodiodes 20 can be electrically connected directly to one another and the first and second quenching resistors 12, 22 can each be on the anode side of the respective avalanche photodiode 10 , 20 may be provided.
  • An auxiliary voltage source 31 reverse biases the first and second avalanche photodiodes 10, 20 with a voltage.
  • the magnitude of the bias voltage is greater than the magnitude of the avalanche breakdown voltage by an overvoltage amount.
  • a current/voltage conversion circuit 32 converts the total photocurrent I G into a measurement signal U A .
  • the measurement signal U A can be a multi-level signal or an analog signal, from which it can be read how many of the avalanche photodiodes 10, 20 are in avalanche breakdown at the same time.
  • the output signal of an individual avalanche photodiode 10, 20 comprises, for example, a sequence of similar signal pulses with a steeply rising edge and a gently falling edge, with the falling edge being able to follow the rising edge directly ("triangle signal").
  • the amplitude of a signal pulse from a first avalanche photodiode 10 is higher than the amplitude of a signal pulse from a second avalanche photodiode 20 because of the higher total charge.
  • the falling edge time constant of a first avalanche photodiode 10 is greater than that of a second avalanche photodiode 20 .
  • the pulse length of a signal pulse of a first avalanche photodiode 10 is significantly longer than s the pulse length of a signal pulse of a second avalanche photodiode 20 because of the greater capacitance of the first avalanche photodiodes 10 .
  • the measurement signal U A then results from the superimposition of a few, long signal pulses, each with a high amplitude, from the first avalanche photodiodes 10 and many short signal pulses, each with a low amplitude, from the second avalanche photodiodes 20 .
  • the short signal pulses can then be separated from the long signal pulses using pulse shape analysis methods.
  • a first current/voltage conversion circuit 32i converts the total photocurrent I Ci of the first avalanche photodiodes 10 into a first measurement signal U Ai .
  • a second current/voltage Conversion circuit 322 converts the total photocurrent I C 2 of the second avalanche photodiodes 20 into a second measurement signal U Ai .
  • the first avalanche photodiodes 10, the second avalanche photodiodes 20 or the first and second avalanche photodiodes 10, 20 can each be combined in photodiode groups, with the photocurrent paths of each photodiode -Group are electrically connected in parallel and electrically connected to a current / voltage conversion circuit, which is assigned to only one of the photodiode groups in each case.
  • the current/voltage conversion circuits evaluate the cumulative photocurrents of the photodiode groups independently of one another.
  • a temperature sensor 35 records an average temperature of semiconducting regions of the first avalanche photodiodes 10, the second avalanche photodiodes 20 or the first and second avalanche photodiodes 10, 20 and outputs an output signal proportional to the measured temperature.
  • a compensation circuit 36 can use the output signal of the temperature sensor 35 to control the auxiliary voltage source 31 .
  • the auxiliary voltage source 31 is controlled in such a way that the sensitivity and/or the signal/noise ratio of the multipixel photodetector 90 are as temperature-independent as possible over a predetermined temperature range.
  • the auxiliary voltage source 31 can include two partial auxiliary voltage sources 31i, 312.
  • a first partial auxiliary voltage source 31i biases the first avalanche photodiodes 10 with a first blocking voltage.
  • a second partial auxiliary voltage source 312 biases the second avalanche photodiodes 20 with a reverse voltage different from the first reverse voltage.
  • Each of the two partial auxiliary voltage sources 31i, 312 can be controlled as a function of temperature via a compensation circuit 36.
  • the FIG. 4 relates to an exemplary embodiment in which the first avalanche photodiodes 10 and the second avalanche photodiodes 20 are formed in different semiconductor substrates 41, 42, which can be arranged on a common substrate carrier 49.
  • the semiconducting regions of first avalanche photodiodes 10 are formed in a first semiconductor substrate 41 .
  • the first semiconductor substrate 41 is a silicon substrate, for example, and can also have the first quenching resistors.
  • the first quenching resistors are formed as structures made of doped polycrystalline silicon, an elementary metal, a metal compound and/or a metal alloy on one of the two parallel main surfaces of the first semiconductor substrate 41 .
  • the semiconducting regions of a second avalanche photodiode 20 are formed in a second semiconductor substrate 42 which, in addition to the semiconducting regions of the second avalanche photodiode 20, can also have the second quenching resistors.
  • the first semiconductor substrate 41 and the second semiconductor substrate 42 are applied side by side on a main surface of a substrate carrier 49 .
  • conductor tracks can be formed on the main surface of the substrate carrier 49 .
  • Electrical contact structures 43, the semiconducting areas and possibly. connect the erase resistances of the first semiconductor substrate 41 and the second semiconductor substrate 42 to conductive structures on the main surface of the substrate carrier 49 .
  • the electrical contact structures 43 can be designed as soldered connections.
  • a distance dl between the outer edge of the outermost first light entry surface 11 to the adjacent edge of the closest second light entry surface 21 is as small as technologically possible lent . For example, the distance dl is less than 500 pm, for example less than 250 pm, less than 50 pm, or less than 10 pm.
  • Semiconducting regions of a temperature sensor as described above can be formed in the first semiconductor substrate 41 and/or in the second semiconductor substrate 42 .
  • the multi-pixel photodetectors 90 of FIG. 5A-5B and 6A- 6B are the semiconducting regions of the first avalanche photodiodes 10 and the second avalanche photodiodes 20 each formed in the same semiconductor substrate 40, the second avalanche photodiodes 20 between the first avalanche photodiodes 10 and a lateral side surface 48 of the semiconductor substrate 40 are formed.
  • the semiconducting regions of each first and second avalanche photodiode 10 , 20 include a heavily doped electrode well 45 and a heavily doped electrode region 44 .
  • Electrode trough 45 and electrode area 44 are complementarily doped.
  • the electrode region 44 can be formed as a section of a continuous layer which, for example, extends through the entire semiconductor substrate 40 parallel to the plane of the light entry surfaces 11, 21 of the first and second avalanche photodiodes 10, 20 on the side facing away from the light incidence side.
  • the electrode well 45 extends into the semiconductor substrate 40 from the light incident side, for example.
  • the electrode trough 45 and the electrode area 44 there is a weakly doped detection area 46 which can be n-doped, p-doped or almost intrinsically conductive.
  • the semiconducting regions of an avalanche photodiode 10, 20 can also have other doped regions that change the electric field profile between the electrode trough Shape 45 and the electrode region 44 in a suitable manner to improve the avalanche effect.
  • the electrode well 45 forms the p-doped anode region and the electrode region 44 forms the n-doped cathode region of the respective avalanche photodiode 10, 20.
  • the electrode well 45 forms the n-doped cathode region and the electrode region 44 forms the p-doped anode region or an accumulation layer of the avalanche photodiodes 10, 20 of FIG.
  • a grid-like separating structure 60 extends from one of the main surfaces into the semiconductor substrate 40 in a separating region between the light incidence surfaces 11 , 21 of the first and second avalanche photodiodes 10 , 20 .
  • the separating structure 60 can extend perpendicularly to the light entry surfaces 11 , 21 of the first and second avalanche photodiodes 10 , 20 to at least half the vertical extent of the detection area 46 , for example to the electrode area 44 .
  • Isolation structure 60 may include a material that reduces optical crosstalk between adjacent avalanche photodiodes 10 , 20 .
  • the isolating structure 60 can include doped regions.
  • a dielectric passivation layer 61 may be formed on one of the major surfaces of the semiconductor substrate 40, e.g. B. on the electrode pan 45 side.
  • An electrode layer 62 may be formed on a main surface of the semiconductor substrate 40 opposite the passivation layer 61 .
  • the electrode layer 62 and the electrode regions 44 form ohmic contacts with low contact resistance.
  • the Electrode layer 62 and/or the electrode region 44 can be electrically connected to a conductive structure on the side of the passivation layer 61 via vias (not shown), for example.
  • Connection structures 50 of the avalanche photodiodes 10 , 20 are formed on the dielectric passivation layer 61 .
  • Each connection structure 50 may include a connection contact 51 that extends through an opening in the dielectric passivation layer 61 to or extends into the electrode pan 45 .
  • the electrode trough 45 and the connection contact 51 form an ohmic contact with a small electrical contact resistance.
  • connection structure 50 can comprise an ohmic resistance element 52 whose first end is electrically connected to the connection contact 51 .
  • the ohmic resistance element 52 forms a first or second quenching resistor as described above.
  • connection structure 50 also includes conductor tracks 53, which can each be connected to the second ends of the ohmic resistance elements 52 of avalanche photodiodes 10, 20 electrically connected in parallel.
  • connection structure 50 can be designed in such a way that it is predominantly or exclusively in the separating area between the first light entry surfaces 11 , between the second light entry surfaces 21 and between adjacent first and second light entry surfaces 11 , 21 .
  • the terminal structure 50 is formed on the light incident side.
  • the connection structure 50 is formed on the side of the semiconductor substrate 40 opposite the light incidence side.
  • the electrode layer 62 may be formed of a transparent conductive material, such as tin oxide.
  • the semiconducting areas of the avalanche photodiodes 10 , 20 also have p-doped avalanche breakdown areas 47 between the electrode troughs 45 and the detection areas 46 .
  • the FIG. 7 shows a radiation detector 70 with a scintillator body 71 and a multi-pixel photodetector 90 .
  • the light incidence side of the multipixel photodetector 90 is oriented to a light exit surface 72 of the scintillator body 71 and can be applied directly to the light exit surface 72 .
  • the scintillator body 71 is transparent and may be solid or a contained liquid.
  • the scintillator body 71 can have a number of different materials, at least one of which converts ionizing radiation into light pulses.
  • the ionizing radiation can be X-rays, alpha radiation, beta radiation, gamma radiation, neutron radiation or other particle radiation.
  • the scintillator body 71 can be designed as a right prism or straight cylinder, with the light exit surface 72 being able to lie opposite a light entry surface 73 parallel to the light exit surface 72 . Apart from the light exit surface 72 and possibly. of the light entry surface 73, the surface of the scintillator body 71 can be reflectively coated, for example with a Teflon reflector.
  • ionizing radiation triggers photons 76 , 77 at location 75 . First photons 77 impinge directly on the light exit surface 72 . Second photons 76 , which initially strike surfaces of the scintillator body 71 other than the light exit surface 72 , are reflected back into the scintillator body 71 and only strike the light exit surface 72 after one or more reflections.
  • the photons generated can be in the corners or concentrate on the edges of the light exit surface 72 of the scintillator body 71 .
  • the second photons 76 in particular, which are reflected one or more times, can be located in the corners or concentrate on the edges of the light exit surface 72 . This can be the case, for example, when the length of the scintillator body 71 is greater than the longest edge length of the light exit surface 72 .
  • the second photons arrive later on average at the light exit surface 71 than the first photons 77.
  • the superimposition of the few, long signal pulses, each with a high amplitude, from the first avalanche photodiodes 10 results in a time signal component from which the time at which ionizing radiation arrives can be primarily inferred.
  • the superimposition of many short signal pulses, each with a low amplitude, from the second avalanche photodiodes 20 results in an energy signal component with an approximately Gaussian signal shape. from which the energy of the ionizing radiation can primarily be deduced.
  • the energy signal component is delayed relative to the time signal component. If the time signal component and the energy signal component are output superimposed, then the Gaussian signal form of the energy signal is superimposed on the falling edge of the time signal component.
  • FIG. 8 schematically shows the photon density in the light exit surface 72 of the scintillator body 71 of FIG. 7 according to an application.
  • the scintillator body includes, for example, a cuboid z. B. consists of or has a Nal ( Tl ) crystal .
  • the light exit surface 72 is square with an edge length of about 10 cm. The length of the scintillator body is 40cm. With the exception of the light exit surface 72, all surfaces of the scintillator body are coated with Teflon or TiO 2 .
  • the photon density is approximately rotationally symmetrical to the center point of the light exit surface 72 at angles of rotation of 90°, 180° and 270°. Starting from the center point of the light exit surface 72 , the photon density increases steadily in the radial direction.
  • the average photon density D1 in the corners of the light exit surface 72 is higher than the average photon density D2 in circular segments adjoining inwards, which end along the edges of the light exit surface 72 .
  • the mean photon density D2 in the circle segments is higher than the mean photon density D3 in an outer ring within the circle segments and along the edges of the light exit surface 72 between the circle segments.
  • the average photon density D3 in the outer ring within the circle segments is higher than the average photon density D4 in an inner ring adjoining inwards.
  • the average photon density D4 in the inner ring is higher than the average photon density D5 in a central area enclosed by the inner ring.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

Ein Multipixel-Photodetektor (90) weist elektrisch parallel geschaltete erste Avalanche-Photodioden (10) mit jeweils einer Lichteintrittsfläche (11) und elektrisch parallel geschaltete zweite Avalanche-Photodioden (20) mit jeweils einer Lichteintrittsfläche (21) auf. Die Lichteintrittsfläche (11) jeder ersten Avalanche-Photodiode (10) ist gleich oder größer einer Referenzfläche. Die Lichteintrittsfläche (21) jeder zweiten Avalanche-Photodiode (20) ist kleiner als die Referenzfläche. Die Lichteintrittsflächen (11, 21) der ersten und zweiten Avalanche-Photodioden (10, 20) bilden Teilflächen eines Belichtungsfeldes (91) des Multipixel-Photodetektors (90).

Description

MULTIPIXEL-PHOTODETEKTOR MIT AVALANCHE-PHOTODIODEN, STRAHLUNGSDETEKTOR UND POS ITRONEN-EMI SS IONS -TOMOGRAPH
TECHNISCHES FELD
Die vorliegende Anmeldung betri f ft Multipixel-Photodetektoren, insbesondere groß flächige Photodiodenarrays zur Detektion einzelner Photonen . Die Anmeldung betri f ft ferner S zintillationszähler und andere Strahlungsdetektoren mit Multipixel- Photodetektoren .
HINTERGRUND
Photodetektoren setzen empfangenes Licht in ein elektrisches Signal um . In einem Halbleiter-Photodetektor erzeugt ein Photon ausreichender Energie ein Elektronen-Loch-Paar in einem durch zwei Elektroden elektrisch vorgespannten Halbleiterkörper . Das elektrische Feld trennt die erzeugten Ladungsträger entsprechend ihrer Polarität . Bei einfachen Halbleiter- Photodetektoren fließen die durch Photonen erzeugten Ladungsträger direkt über die Elektroden ab und prägen in einem die beiden Elektroden außerhalb des Halbleiterkörpers verbindenden Laststromkreis einen Photostrom ein, dessen Stromstärke in etwa proportional zur Anzahl der Photonen ist . In einer Lawinenphotodiode (Avalanche-Photodiode , APD) ist die Vorspannung etwa so hoch wie oder höher als die Lawinendurchbruchsspannung, so dass die erzeugten Ladungsträger ihrerseits weitere Ladungsträger erzeugen . Durch die hohe Verstärkung im Lawinendurchbruchs fall werden bereits einzelne Photonen nachweisbar . Eine APD kann dabei entweder strahlungsproportional oder im Geiger-Modus betrieben werden .
Im strahlungsproportionalen Betriebsmodus treibt ein einzelnes detektiertes Photon den Lawinendurchbruch noch nicht in dessen Sättigungsbereich . Dazu wird die APD mit einer Sperrspannung vorgespannt , die kleiner ist als deren Durchbruchspannung . Im Geiger-Modus ist die Multiplikationswirkung des Lawinendurchbruchs so groß , dass aus dem Photostrom der APD nicht mehr auf die Bestrahlungsstärke geschlossen werden kann . Dazu wird die APD mit einer Sperrspannung vorgespannt , die etwas höher ist als deren Durchbruchspannung .
Soweit eine APD dazu eingerichtet ist Einzelereignisse zu zählen, wird sie auch als GM-APD ( Geiger Mode APD) oder SPAD ( single photon avalanche diode ) bezeichnet . Der Lawinendurchbruch wird durch die externe Beschaltung der APD abgebrochen . Für die Dauer des Lawinendurchbruchs kann eine GM-APD keine weiterer Photonen detektieren . Üblicherweise fassen daher Multipixel-Photodetektoren wie beispielsweise MPPCs (multi-pixel photon counter ) mehrere GM-APDs zusammen, deren Photoströme vor der Auswertung zusammengefasst werden .
Der vorliegenden Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde , einen verbesserten Multipixel-Photodetektor zur Verfügung zu stellen .
Ein derartiger Multipixel-Photodetektor wird durch den Anspruch 1 bereitgestellt . Der Anspruch 10 betri f ft einen Strahlungsdetektor mit einem solchen Multipixel-Photodetektor, der Anspruch 12 einen Positronen-Emissions-Tomographen mit einem solchen Strahlungsdetektor . Vorteilhafte Aus führungs formen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen .
Merkmale und Vorteile des of fenbarten Gegenstands erschließen sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie aus den Figuren . Die in den Figuren gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsge- treu dargestellt . Gleiche Bezugs zeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen .
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
FIG . 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Multipixel-Photodetektor mit ersten Avalanche-Photodioden und mit zweiten Avalanche-Photodioden mit kleinerer Lichteintritts fläche als die ersten Avalanche-Photodioden gemäß einer Aus führungs form .
FIG . 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Multipixel-Photodetektor mit ersten Avalanche-Photodioden und mit zweiten Avalanche-Photodioden gemäß einer Aus führungs form, bei der die zweiten Avalanche-Photodioden rahmenartig um die ersten Avalanche-Photodioden herum angeordnet sind .
FIG . 3A und 3B zeigen schematische Blockschaltbilder von Multipixel-Photodetektoren gemäß weiteren Aus führungs formen .
FIG . 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Multipixel-Photodetektor gemäß einer Aus führungs form mit in getrennten Halbleitersubstraten ausgebildeten ersten und zweiten Avalanche-Photodioden .
FIG . 5A-5B zeigen eine schematische Draufsicht und einen schematischen Querschnitt durch einen Multipixel-Photodetektor gemäß einer Aus führungs form mit im gleichen Halbleitersubstrat ausgebildeten ersten und zweiten Avalanche-Photodioden und mit Löschwiderständen auf der Lichteinfallseite .
FIG . 6A- 6B zeigen eine schematische Draufsicht und einen schematischen Querschnitt durch einen Multipixel-Photodetektor gemäß einer Aus führungs form mit Löschwiderständen auf der der Lichteinfallseite gegenüber liegenden Seite .
FIG . 7 zeigt einen schematischen Längsquerschnitt durch einen Strahlungsdetektor mit S zintillatorkörper und Multipixel- Photodetektor gemäß einer weiteren Aus führungs form .
FIG . 8 zeigt ein Beispiel für die Lichtverteilung in einer Lichtaustritts fläche eines S zintillatorkörpers zur Erörterung von Ef fekten der Aus führungs formen .
DE TAI LBE S CHRE I BUNG
Ein Multipixel-Photodetektor kann elektrisch parallel geschaltete erste Avalanche-Photodioden und elektrisch parallel geschaltete zweite Avalanche-Photodioden aufweisen . Dabei ist j ede erste Avalanche-Photodiode elektrisch in einem Photostrompfad angeordnet und die Photostrompfade mit ersten Avalanche-Photodioden sind elektrisch parallel geschaltet . Ebenso ist j ede zweite Avalanche-Photodiode elektrisch in einem Photostrompfad angeordnet und die Photostrompfade mit zweiten Avalanche-Photodioden sind elektrisch parallel geschaltet . In j edem Photostrompfad kann neben der ersten oder zweiten Avalanche-Photodiode noch mindestens ein weiteres elektrisches Bauteil vorgesehen sein, bspw . ein ohmsches Widerstandselement . Durch die Verschaltung der Avalanche-Photodioden werden die Photoströme der ersten Avalanche-Photodioden zusammengefasst und zusammengefasst ausgewertet und die Photoströme der zweiten Avalanche-Photodioden zusammengefasst und zusammengefasst ausgewertet .
In dem Multipixel-Photodetektor können alle ersten Avalanche- Photodioden elektrisch parallel geschaltet sein . Alternativ können die ersten Avalanche-Photodioden zu ersten Photodioden- Gruppen ( erste Kanäle ) zusammengefasst sein, wobei die ersten Avalanche-Photodioden j eder ersten Photodioden-Gruppe elektrisch parallel geschaltet sind und die Summenphotoströme der ersten Photodioden-Gruppen getrennt ausgewertet werden können .
Entsprechend können alle zweiten Avalanche-Photodioden elektrisch parallel geschaltet sein oder zu zweiten Photodioden-Gruppen ( zweite Kanäle ) zusammengefasst sein, wobei die zweiten Avalanche-Photodioden j eder zweiten Photodioden-Gruppe elektrisch parallel geschaltet sind und die Summenphotoströme der zweiten Photodioden-Gruppen getrennt ausgewertet werden können .
Die ersten und zweiten Avalanche-Photodioden sind auch so beschältet , dass sie tatsächlich im Lawinenbetrieb betrieben werden können . Insbesondere weist der Multipixel-Photodetektor mindestens eine Hil fsspannungsquelle auf , die die ersten und zweiten Avalanche-Photodioden in Sperrrichtung mit einer Spannung im Bereich der Lawinendurchbruchsspannung vorzuspannen vermag . Jede der Avalanche-Photodioden repräsentiert einen Pixel des Multipixel-Photodetektors . Jede der Avalanche- Photodioden weist eine ebene Lichteintritts fläche ( ef fective photosensitive area ) auf , durch die die von der Avalanche- Photodiode erfasste Strahlung in die Avalanche-Photodiode eintritt . Die Lichteintritts flächen aller ersten Avalanche- Photodioden können gleich groß oder unterschiedlich groß sein, sind aber immer größer als eine Referenz fläche oder gleich groß wie die Referenz fläche . Alle zweiten Avalanche- Photodioden können gleich groß oder unterschiedlich groß sein, sind aber immer kleiner als die Referenz fläche . Jede der ersten Avalanche-Photodioden weist demnach eine Lichteintritts- fläche auf , die größer ist al s die Lichteintritts fläche j eder zweiten Avalanche-Photodiode .
Die Lichteintritts flächen der ersten und zweiten Avalanche- Photodioden sind parallel zueinander ausgerichtet . Beispielsweise sind die Lichteintritts flächen der ersten und zweiten Avalanche-Photodioden koplanar und können nahezu komplementäre Teil flächen eines Belichtungs feldes des Photodetektors bilden . Beispielsweise bestimmen die Außenkanten der äußersten Avalanche-Photodioden die Außenkante des Belichtungs feldes . Das Belichtungs feld und die Lichteintritts flächen können die gleiche geometrische Grundform aufweisen . Beispielsweise sind die Lichteintritts flächen und das Belichtungs feld Hexagone oder das Belichtungs feld und die Lichteintritts flächen sind Rechtecke , beispielsweise Quadrate .
Die kleineren zweiten Avalanche-Photodioden ermöglichen lokal eine bessere Energieauflösung einer zu messenden Strahlung al s die größeren ersten Avalanche-Photodioden, da j eder Lawinendurchbruch nur eine vergleichsweise kleine Fläche für die weitere Lichtdetektion blockiert . Aufgrund des temperaturabhängigen Dunkelrauschens bzw . der Dunkel zählrate der einzelnen Avalanche-Photodioden verschlechtert allerdings eine größere Zahl von Avalanche-Photodioden pro Flächeneinheit das Sig- nal/Rauschverhältnis . Zudem können größere Avalanche- Photodioden ein Belichtungs feld mit besserem Zellenfüll faktor abdecken . Der höhere Anteil aktiver Lichteintritts fläche verbessert die Sensitivität (photon detection ef ficiency, PDE ) . Durch das bessere Signal/Rauschverhältnis und die höhere Empfindlichkeit ermöglichen die größeren ersten Avalanche- Photodioden eine bessere Zeitauflösung .
Die Kombination von unterschiedlich großen Avalanche- Photodioden ermöglicht daher insbesondere in Anwendungen mit systematisch ungleicher Strahlungsverteilung über das Belichtungs feld eine genauere Bestimmung des Betrags der Gesamtstrahlung .
Beispielsweise können die größeren ersten Avalanche- Photodioden überwiegend oder ausschließlich in solchen Abschnitten des Belichtungs feldes vorgesehen werden, in denen die erwartete Photonendichte relativ gering ist und eine schlechtere Energieauflösung das Messergebnis nur in geringem Umfang beeinträchtigt . Die kleineren zweiten Avalanche- Photodioden können überwiegend oder ausschließlich in solchen Abschnitten des Belichtungs feldes vorgesehen werden, in denen die höchste Photonendichte auftritt und eine bessere Energieauflösung das Messergebnis signi fikant verbessern kann .
Die Auswertung der Photoströme für die ersten Avalanche- Photodioden und für die zweiten Avalanche-Photodioden kann getrennt erfolgen, wodurch zusätzlich zur Information über die Gesamtzahl der detektierten Photonen noch weitere Information zur räumlichen Verteilung der Photonen verfügbar wird .
Gemäß einer Aus führungs form können die ersten und zweiten Avalanche-Photodioden elektrisch parallel geschaltet sein, wobei sich die Photoströme der ersten Avalanche-Photodioden und die Photoströme der zweiten Avalanche-Photodioden addieren . Dabei können die Photoströme aller Avalanche-Photodioden gleich gewichtet sein, wodurch sich eine Anwendung al s Photo- nenzähler in vergleichsweise einfacher Weise realisieren lässt .
Gemäß einer Aus führungs form können die Lichteintritts flächen der ersten Avalanche-Photodioden gleich groß sein und können die Lichteintritts flächen der zweiten Avalanche-Photodioden gleich groß sein . Beispielsweise beträgt die Lichteintritts- fläche einer ersten Avalanche-Photodiode mindestens das l , 5fache , z . B . mindestens das 2 fache oder mindestens das l O fache der Lichteintritts fläche einer zweiten Avalanche- Photodiode . Damit lässt sich der Multipixel-Photodetektor in vergleichsweise einfacher Weise unter Nutzung vorhandener Technologie realisieren . Beispielsweise kann die Lichtein- tritts fläche der ersten Avalanche-Photodioden etwa 75 x 75 pm und die Lichteintritts fläche der zweiten Avalanche-Photodioden etwa 25 x 25 pm oder etwa 50 x 50 pm betragen . Nach einem anderen Beispiel kann die Lichteintritts fläche der ersten Avalanche-Photodioden etwa 50 x 50 pm und die Lichteintritts- fläche der zweiten Avalanche-Photodioden etwa 25 x 25 pm betragen .
Gemäß einer Aus führungs form können die ersten und zweiten Avalanche-Photodioden als Geiger-Mode Avalanche-Photodioden ausgeführt sein . Der Multipixel-Photodetektor ist beispielsweise ein Sili zium Multipixel-Photonenzähler (multi pixel photon counter, MPPC ) .
Der Multipixel-Photodetektor kann eine aktive Schaltung aufweisen, die mit j eder der ersten und j eder der zweiten Avalanche-Photodioden elektrisch verbunden ist und den Lawinendurchbruch in j eder der ersten und zweiten Avalanche-Photodioden aktiv zu löschen vermag . Nach einem anderen Aus führungsbeispiel weist j eder der Photostrompfade ein ohmsches Widerstandselement auf , das als Löschwiderstand ( quench resistor ) wirksam ist . Der Löschwiderstand ist so bemessen, dass nach Auslösen des Lawinendurchbruchs durch den Spannungsabfall , den der Photostrom über den Löschwiderstand erzeugt , die Vorspannung der Avalanche-Photodiode unter die Lawinendurchbruchsspannung gedrückt wird . Beispielsweise kann der Widerstandswert des Löschtransistors in einem Bereich von l OkQ bis l O OkQ liegen . Die Löschwiderstände der ersten Avalanche-Photodioden und die Löschwiderstände der zweiten Avalanche-Photodioden können gleich groß oder unterschiedlich groß sein .
Gemäß einer Aus führungs form kann mindestens ein Teil der ersten Avalanche-Photodioden im Inneren des Belichtungs feldes und kann ein Teil der zweiten Avalanche-Photodioden am Rand des Belichtungs feldes angeordnet sein . Eine solche Anordnung verbessert ef fi zient die Energieauflösung insbesondere in Anwendungen, in denen die Photonendichte in einem Abschnitt des Belichtungs feldes entlang des Belichtungs feldrandes systematisch höher ist als im Abstand zum Belichtungs feldrand .
Gemäß einer Aus führungs form kann das Belichtungs feld rechteckig sein, wobei ein Teil der ersten Avalanche-Photodioden im Inneren des Belichtungs feldes und in j eder Ecke des Belichtungs feldes eine der zweiten Avalanche-Photodioden angeordnet sein kann . Eine solche Anordnung verbessert ef fi zient die Energieauflösung in solchen Anwendungen, in denen anwendungsbedingt die Photonendichte in den Ecken eines rechteckigen Belichtungs feldes höher ist als im Abstand zu den Ecken .
Gemäß einer Aus führungs form weist das Belichtungs feld einen zentralen Bereich und einen den zentralen Bereich umschließenden Randbereich auf , wobei die ersten Avalanche-Photodioden ausschließlich in dem zentralen Bereich und die zweiten Avalanche-Photodioden ausschließlich in dem Randbereich ausgebildet sein können . Eine solche Anordnung verbessert ef fi zient die Energieauflösung in Anwendungen, in denen systematisch die Photonendichte entlang der Kanten des Belichtungs feldes höher ist als im Abstand zu den Kanten .
Die ersten Avalanche-Photodioden können erste halbleitende Gebiete und die zweiten Avalanche-Photodioden zweite halbleitende Gebiete aufweisen . Nach einem Aus führungsbeispiel können die ersten und zweiten halbleitenden Gebiete in getrennten und lateral nebeneinander angeordneten Halbleitersubstraten ausgebildet sein . Ein Multipixel-Photodetektor nach diesem Aus führungsbeispiel lässt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand aus verfügbaren Multipixel-Photodetektoren unterschiedlicher Pixelgröße aufbauen .
Gemäß einer Aus führungs form können die ersten und zweiten halbleitenden Gebiete in dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet sein . In einem Multipixel-Photodetektor nach diesem Aus führungsbeispiel lassen sich Avalanche-Photodioden mit unterschiedlich großen Lichteintritts flächen in vergleichsweise geringem Abstand zueinander und mit vergleichsweise geringem Verlust an aktiver Lichteintritts fläche aufbauen .
Gemäß einer Aus führungs form kann der Multipixel-Photodetektor einen Temperatursensor aufweisen . Der Temperatursensor kann dritte halbleitende Gebiete aufweisen, die zusammen mit den ersten, den zweiten oder mit den ersten und den zweiten halbleitenden Gebieten in dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet sein können . Beispielsweise umfassen die dritten halbleitenden Gebiete ein p dotiertes Gebiet und ein n dotiertes Gebiet , wobei das p dotierte Gebiet und das n dotierte Gebiet einen pn Übergang ausbilden . Ein Ausgangssignal des Temperatursensors kann dazu benutzt werden, die Vorspannung der Avalanche-Photodioden so zu regeln, dass die Empfindlichkeit und/oder das Signal/Rauschverhalten des Multipixel- Photodetektors eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit aufweist .
Ein Strahlungsdetektor kann beispielsweise einen S zintillatorkörper mit einer Lichtaustritts fläche aufweisen, wobei in dem S zintillatorkörper durch ionisierende Strahlung Lichtstrahlung anregbar ist und mindestens ein Teil der angeregten Licht- Strahlung durch die Lichtaustritts fläche aus dem S zintillatorkörper austritt . Die Lichtaustritts fläche kann rechteckig, z . B . quadratisch sein . Die Kantenlänge einer quadratischen Lichtaustritts fläche kann einen Wert in einem Bereich von etwa 5mm bis etwa 20mm annehmen, beispiel sweise von etwa 6mm bi s 13mm . Eine Vertikalausdehnung des S zintillatorkörpers senkrecht zur Lichtaustritts fläche kann größer sein als die größte Kantenlänge der Lichtaustritts fläche und kann beispielsweise mindestens das Doppelte oder mindestens das Drei fache der größten Kantenlänge der Lichtaustritts fläche betragen . Beispielsweise betragen die Maße des S zintillatorkörpers 6x6x20mm3 , 6x6x50mm3 oder 13x13x50mm3 .
Der Strahlungsdetektor kann zudem einen Multipixel- Photodetektor der oben beschriebenen Art aufweisen, wobei das Belichtungs feld des Multipixel-Photodetektors zu der Lichtaustritts fläche des S zintillatorkörpers hin orientiert und parallel dazu ausgerichtet ist .
In der Lichtaustritts fläche eines S zintillatorkörpers kann sich oft eine systematisch ungleiche Strahlungsverteilung über das Belichtungs feld einstellen . Ein Multipixel-Photodetektor, der oben beschriebenen Art , in dem die Verteilung von ersten und zweiten Avalanche-Photodioden mit unterschiedlich großen Lichteintritts flächen an die zu erwartende Strahlungsverteilung angepasst ist , ermöglicht eine genauere Bestimmung des Betrags der im S zintillatorkörper detektierten ionisierenden Strahlung .
Gemäß einer Aus führungs form kann eine Außenkante des Belichtungs feldes des Multipixel-Photodetektors annähernd bündig mit einer Außenkante der Lichtaustritts fläche des S zintillatorkörpers ausgebildet sein . Ein Positronen-Emissions-Tomograph kann mindestens ein Paar von Strahlungsdetektoren der oben genannten Art aufweisen, deren optische Achsen kollinear angeordnet sind . Insbesondere sind die Lichteintritts flächen der beiden Strahlungsdetektoren zum gleichen Punkt hin orientiert . Der S zintillatorkörper des Strahlungsdetektors registriert beispielsweise Gammastrahlung . Eine Auswerteelektronik kann beispielsweise Koinzidenzen in den Ausgangssignalen der beiden Strahlungsdetektoren sowie deren Lauf zeitunterschiede bestimmen .
Die folgende detaillierte Beschreibung nimmt auf die begleitenden Figuren Bezug und bildet zusammen mit den Figuren einen Teil der Of fenbarung, in der zur Veranschaulichung auf spezifische Aus führungsbeispiele für einen Multipixel- Photodetektor, einen Strahlungsdetektor und einen Positronen- Emissions-Tomographen eingegangen wird . Neben den zeichnerisch dargestellten und beschriebenen Aus führungsbeispielen gibt es weitere Aus führungsbeispiele . An den zeichnerisch dargestellten und beschriebenen Aus führungsbeispielen sind strukturelle und/oder logische Änderungen möglich, ohne dass dabei von dem durch die Patentansprüche Definierten abgewichen wird . Insbesondere können Merkmale von im Folgenden zeichnerisch dargestellten und beschriebenen Aus führungsbeispielen mit Merkmalen von anderen der zeichnerisch dargestellten und beschriebenen Aus führungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt .
FIG . 1 zeigt ein rechteckiges , ebenes Belichtungs feld 91 eines Multipixel-Photodetektors 90 . Die Fläche des Belichtungs feldes
91 beträgt mindestens 1mm . Beispielsweise betragen die Abmes-
2 2 sungen des Belichtungs f elds 91 3 , 0 x 3 , 0 mm , 4 , 0 x 4 , 0 mm
2 oder 6 , 0 x 6 , 0 mm . Der Multipixel-Photodetektor 91 weist erste Avalanche- Photodioden 10 und zweite Avalanche-Photodioden 20 auf . Die Lichteintritts flächen 11 der ersten Avalanche-Photodioden 10 sind gleich groß und die Lichteintritts flächen 21 der zweiten Avalanche-Photodioden 20 sind gleich groß . Die Lichteintrittsfläche 11 einer ersten Avalanche-Photodiode 10 ist größer al s die Lichteintritts fläche 21 einer zweiten Avalanche-Photodiode 20 . Die Lichteintritts flächen 11 , 21 liegen koplanar in der gleichen Ebene .
Die ersten Avalanche-Photodioden 10 sind matrixartig in Zeilen und Spalten angeordnet . Ein gitterf örmiger Trennbereich 92 trennt benachbarte Lichteintritts flächen 11 , 21 lateral voneinander . Licht , das im Trennbereich auf die Lichteinfallseite des Multipixel-Photodetektors 90 fällt , wird nicht detektiert . Die zweiten Avalanche-Photodioden 20 mit der kleineren Lichteintritts fläche 21 sind ausschließlich in den Ecken des Belichtungs feldes 91 angeordnet .
In FIG . 2 weist das Belichtungs feld 91 einen zentralen Bereich und einen den zentralen Bereich lateral vollständig umschließenden Randbereich auf . Die ersten Avalanche-Photodioden 10 mit der größeren Lichteintritts fläche 11 sind ausschließlich im zentralen Bereich ausgebildet . Die zweiten Avalanche- Photodioden 20 mit der kleineren Lichteintritts flächen 21 sind ausschließlich im Randbereich vorgesehen und bilden einen Rahmen um den zentralen Bereich .
In den FIG . 3A und 3B bildet j ede erste Avalanche-Photodiode 10 mit einem in Serie geschalteten ersten Löschwiderstand 12 einen ersten Photostrompfad und j ede zweite Avalanche- Photodiode 20 bildet mit einem in Serie geschalteten zweiten Löschwiderstand 22 einen zweiten Photostrompfad . Die ersten Photostrompfade sind elektrisch parallel geschaltet und die zweiten Photostrompfade sind elektrisch parallel geschaltet . Die ersten Löschwiderstände 12 haben den gleichen ohmschen Widerstand und die zweiten Löschwiderstände 22 haben den gleichen ohmschen Widerstand . Der ohmsche Widerstand der ersten Löschwiderstände 12 und der ohmsche Widerstand der zweiten Löschwiderstände 22 können gleich groß oder unterschiedlich groß sein . Die ersten Photostrompfade können elektrisch parallel zu den zweiten Photostrompfaden geschaltet sein, so das s sich die Photoströme aller Photostrompfade addieren .
In den gezeichneten Beispielen sind die Anoden der ersten Avalanche-Photodioden 10 und die Anoden der zweiten Avalanche- Photodioden 20 elektrisch direkt miteinander verbunden . Die ersten und zweiten Löschwiderstände 12 , 22 sind j eweils auf der Kathodenseite der j eweiligen Avalanche-Photodiode 10 , 20 gezeichnet . Nach einem anderen Aus führungsbeispiel können die Kathoden der ersten Avalanche-Photodioden 10 und die Kathoden der zweiten Avalanche-Photodioden 20 elektrisch direkt miteinander verbunden sein und können die ersten und zweiten Löschwiderstände 12 , 22 j eweils auf der Anodenseite der j eweiligen Avalanche-Photodiode 10 , 20 vorgesehen sein .
Eine Hil fsspannungsquelle 31 spannt die ersten und zweiten Avalanche-Photodioden 10 , 20 in Sperrrichtung mit einer Vorspannung vor . Der Betrag der Vorspannung ist um einen Überspannungsbetrag höher als der Betrag der Lawinendurchbruchspannung .
In FIG . 3A sind die Photostrompfade aller ersten und zweiten Avalanche-Photodioden 10 , 20 elektrisch parallel geschaltet . Eine Strom-/Spannungswandlungsschaltung 32 setzt den Gesamtphotostrom IG in ein Messsignal UA um . Das Messsignal UA kann ein mehrstufiges Signal oder ein analoges Signal sein, aus dem sich ablesen lässt , wie viele der Avalanche- Photodioden 10 , 20 gleichzeitig im Lawinendurchbruch sind .
Das Ausgangssignal einer einzelnen Avalanche-Photodiode 10 , 20 umfasst beispielsweise eine Folge gleichartiger Signalpulse mit steil ansteigender Flanke und flach abfallender Flanke , wobei die abfallende Flanke direkt an die ansteigende Flanke anschließen kann ( „Dreiecksignal" ) .
Die Amplitude eines Signalpulses einer ersten Avalanche- Photodiode 10 ist wegen der höheren Gesamtladung höher als die Amplitude eines Signalpulses einer zweiten Avalanche- Photodiode 20 . Ebenso ist die Zeitkonstante für die abfallende Flanke einer ersten Avalanche-Photodiode 10 größer als die einer zweiten Avalanche-Photodiode 20 . Bei etwa gleichgroßen Löschwiderständen und etwa gleichhohen Vorspannungen ist wegen der größeren Kapazität der ersten Avalanche-Photodioden 10 die Pulslänge eines Signalpulses einer ersten Avalanche-Photodiode 10 deutlich länger al s die Pulslänge eines Signalpulses einer zweiten Avalanche-Photodiode 20 .
Das Messsignal UA ergibt sich dann aus der Überlagerung weniger, langer Signalpulse mit j eweils hoher Amplitude von den ersten Avalanche-Photodioden 10 und vieler kurzer Signalpulse mit j eweils niedriger Amplitude von den zweiten Avalanche- Photodioden 20 . Über Puls formenanalyse-Methoden können dann die kurzen Signalpulse von den langen Signalpulsen separiert werden .
In FIG . 3B werden die Photostrompfade der ersten und zweiten Avalanche-Photodioden 10 , 20 getrennt voneinander ausgewertet . Dabei setzt eine erste Strom/Spannungswandlungsschaltung 32i den Summenphotostrom ICi der ersten Avalanche-Photodioden 10 in ein erstes Messsignal UAi um . Eine zweite Strom/Spannungs- Wandlungsschaltung 322 setzt den Summenphotostrom IC2 der zwei- ten Avalanche-Photodioden 20 in ein zweites Messsignal UAi um .
In anderen Aus führungs form (nicht gezeichnet ) können die ersten Avalanche-Photodioden 10 , die zweiten Avalanche- Photodioden 20 oder die ersten und die zweiten Avalanche- Photodioden 10 , 20 j eweils in Photodioden-Gruppen zusammengefasst sein, wobei die Photostrompfade j eder Photodioden-Gruppe elektrisch parallel geschaltet und mit einer Strom/Spannungswandlungsschaltung elektrisch verbunden sind, die nur j eweils einer der Photodioden-Gruppen zugeordnet ist . Die Strom/Spannungswandlungsschaltungen werten die Summenphotoströme der Photodioden-Gruppen unabhängig voneinander aus .
Ein Temperatursensor 35 nimmt eine mittlere Temperatur von halbleitenden Gebieten der ersten Avalanche-Photodioden 10 , der zweiten Avalanche-Photodioden 20 oder der ersten und zweiten Avalanche-Photodioden 10 , 20 auf und gibt ein zur gemessenen Temperatur proportionales Ausgangssignal aus . Eine Kompensationsschaltung 36 kann das Ausgangssignal des Temperatursensors 35 zur Steuerung der Hilfsspannungsquelle 31 nutzen . Dabei wird die Hil fsspannungsquelle 31 derart gesteuert , dass die Empfindlichkeit und/oder das Signal/Rauschverhältnis des Multipixel-Photodetektors 90 über einen vorbestimmten Temperaturbereich möglichst temperaturunabhängig sind .
Die Hil fsspannungsquelle 31 kann zwei Teilhil fsspannungsquellen 31i, 312 umfassen . Eine erste Teilhil fsspannungsquelle 31i spannt die ersten Avalanche-Photodioden 10 mit einer ersten Sperrspannung vor . Eine zweite Teilhil fsspannungsquelle 312 , spannt die zweiten Avalanche-Photodioden 20 mit einer von der ersten Sperrspannung verschiedenen Sperrspannung vor . Jede der beiden Teilhil fsspannungsquellen 31i, 312 kann über eine Kompensationsschaltung 36 temperaturabhängig gesteuert werden . Die FIG . 4 bezieht sich auf ein Aus führungsbeispiel , bei dem die ersten Avalanche-Photodioden 10 und die zweiten Avalanche- Photodioden 20 in unterschiedlichen Halbleitersubstraten 41 , 42 ausgebildet sind, die auf einem gemeinsamen Substratträger 49 angeordnet sein können .
Die halbleitenden Gebiete erster Avalanche-Photodioden 10 sind in einem ersten Halbleitersubstrat 41 ausgebildet . Das erste Halbleitersubstrat 41 ist beispielsweise ein Sili ziumsubstrat und kann auch die ersten Löschwiderstände aufweisen . Beispielsweise sind die ersten Löschwiderstände als Strukturen aus dotiertem polykristallinen Sili zium, einem elementaren Metall , einer Metallverbindung und/oder einer Metalllegierung auf einer der beiden parallelen Hauptflächen des ersten Halbleitersubstrats 41 ausgebildet . Die halbleitenden Gebiete einer zweiten Avalanche-Photodiode 20 sind in einem zweiten Halbleitersubstrat 42 ausgebildet , das neben den halbleitenden Gebieten der zweiten Avalanche-Photodiode 20 auch die zweiten Löschwiderstände aufweisen kann .
Das erste Halbleitersubstrat 41 und das zweite Halbleitersubstrat 42 sind nebeneinander auf einer Hauptoberfläche eines Substratträgers 49 aufgebracht . Auf der Hauptoberfläche des Substratträgers 49 können unter anderem Leiterbahnen ausgebildet sein . Elektrische Kontaktstrukturen 43 können die halbleitenden Gebiete und ggf . die Löschwiderstände des ersten Halbleitersubstrats 41 und des zweiten Halbleitersubstrats 42 mit leitenden Strukturen auf der Hauptoberfläche des Substratträgers 49 verbinden . Die elektrischen Kontaktstrukturen 43 können als Lötverbindungen ausgebi ldet sein . Ein Abstand dl zwischen der äußeren Kante der äußersten ersten Lichteintrittsfläche 11 zur benachbarten Kante der nächstliegenden zweiten Lichteintritts fläche 21 ist so klein wie technologisch mög- lieh . Beispielsweise ist der Abstand dl kleiner 500pm, beispielsweise kleiner 250pm, kleiner 50pm, oder kleiner 10pm . Halbleitende Gebiete eines Temperatursensors wie oben beschrieben können im ersten Halbleitersubstrat 41 und/oder im zweiten Halbleitersubstrat 42 ausgebildet sein .
In den Multipixel-Photodetektoren 90 der FIG . 5A-5B und 6A- 6B sind die halbleitenden Gebiete der ersten Avalanche- Photodioden 10 und der zweiten Avalanche-Photodioden 20 j eweils im gleichen Halbleitersubstrat 40 ausgebildet , wobei die zweiten Avalanche-Photodioden 20 zwischen den ersten Avalanche-Photodioden 10 und einer lateralen Seitenfläche 48 des Halbleitersubstrats 40 ausgebildet sind .
In den gezeichneten Aus führungsbeispielen umfassen die halbleitenden Gebiete j eder ersten und zweiten Avalanche- Photodiode 10 , 20 eine stark dotierte Elektrodenwanne 45 und ein stark dotiertes Elektrodengebiet 44 . Elektrodenwanne 45 und Elektrodengebiet 44 sind komplementär dotiert . Das Elektrodengebiet 44 kann als Abschnitt einer durchgehenden Schicht ausgebildet sein, die sich beispiel sweise auf der der Lichteinfallseite abgewandten Seite parallel zur Ebene der Lichteintritts flächen 11 , 21 der ersten und zweiten Avalanche- Photodioden 10 , 20 durch das gesamte Halbleitersubstrat 40 erstreckt . Die Elektrodenwanne 45 erstreckt sich beispielsweise von der Lichteinfallseite her in das Halbleitersubstrat 40 . Zwischen der Elektrodenwanne 45 und dem Elektrodengebiet 44 ist ein schwach dotiertes Detektionsgebiet 46 ausgebildet , das n dotiert , p dotiert oder nahezu eigenleitend sein kann . Neben der Elektrodenwanne 45 , dem Elektrodengebiet 44 und dem Detektionsgebiet 46 können die halbleitenden Gebiete einer Avalanche-Photodiode 10 , 20 noch weitere dotierte Gebiete aufweisen, die den elektrische Feldverlauf zwischen der Elektrodenwanne 45 und dem Elektrodengebiet 44 zur Verbesserung des Lawineneffekts in geeigneter Weise formen .
In der Aus führungs form der FIG . 5A-5B bildet die Elektrodenwanne 45 das p dotierte Anodengebiet und das Elektrodengebiet 44 bildet das n dotierte Kathodengebiet der j eweiligen Avalanche-Photodiode 10 , 20 aus .
In der Aus führungs form der FIG . 6A- 6B bildet die Elektrodenwanne 45 das n dotierte Kathodengebiet und das Elektrodengebiet 44 bildet das p dotierte Andodengebiet bzw . eine Akkumulationsschicht der Avalanche-Photodioden 10 , 20 aus .
In den gezeichneten Aus führungsbeispielen erstreckt sich in einem Trennbereich zwischen den Lichteinfall flächen 11 , 21 der ersten und zweiten Avalanche-Photodioden 10 , 20 eine gitterförmige Trennstruktur 60 von einer der Hauptflächen her in das Halbleitersubstrat 40 . Die Trennstruktur 60 kann sich bis mindestens zur Häl fte der vertikalen Ausdehnung des Detektionsgebiets 46 senkrecht zu den Lichteintritts flächen 11 , 21 der ersten und zweiten Avalanche-Photodioden 10 , 20 erstrecken, beispielsweise bis zum Elektrodengebiet 44 . Die Trennstruktur 60 kann ein Material umfassen, das ein optisches Übersprechen zwischen benachbarten Avalanche-Photodioden 10 , 20 reduziert . Alternativ oder zusätzlich kann die Trennstruktur 60 dotierte Gebiete umfassen .
Auf einer der Hauptflächen des Halbleitersubstrats 40 kann eine dielektrische Passivierungsschicht 61 ausgebildet sein, z . B . auf der Seite der Elektrodenwanne 45 . Auf einer der Passivierungsschicht 61 gegenüber liegenden Hauptfläche des Halbleitersubstrats 40 kann eine Elektrodenschicht 62 ausgebildet sein . Die Elektrodenschicht 62 und die Elektrodengebiete 44 bilden ohmsche Kontakte mit kleinem Kontaktwiderstand . Die Elektrodenschicht 62 und/oder das Elektrodengebiet 44 kann beispielsweise über Durchkontaktierungen (nicht gezeichnet ) mit einer leitenden Struktur auf der Seite der Passivierungsschicht 61 elektrisch verbunden sein .
Auf der dielektrischen Passivierungsschicht 61 sind Anschlussstrukturen 50 der Avalanche-Photodioden 10 , 20 ausgebildet . Jede Anschlussstruktur 50 kann einen Anschlusskontakt 51 umfassen, der durch eine Öf fnung in der dielektrischen Passivierungsschicht 61 sich bis zum bzw . in die Elektrodenwanne 45 erstreckt . Die Elektrodenwanne 45 und der Anschlusskontakt 51 bilden einen ohmschen Kontakt mit kleinem elektrischen Kontaktwiderstand .
Die Anschlussstruktur 50 kann für j ede erste und zweite Avalanche-Photodiode 10 , 20 ein ohmsches Widerstandselement 52 umfassen, dessen erstes Ende mit dem Anschlusskontakt 51 elektrisch verbunden ist . Das ohmsche Widerstandselement 52 bildet einen ersten bzw . zweiten Löschwiderstand wie oben beschrieben aus .
Die Anschlussstruktur 50 umfasst ferner Leiterbahnen 53 , die j eweils mit den zweiten Enden der ohmschen Widerstandselemente 52 von elektrisch parallel geschalteten Avalanche-Photodioden 10 , 20 verbunden sein können .
Die Anschlussstruktur 50 kann so ausgebildet sein, dass sie überwiegend oder ausschließlich im Trennbereich zwischen den ersten Lichteintritts flächen 11 , zwischen den zweiten Lichteintritts flächen 21 und zwischen benachbarten ersten und zweiten Lichteintritts flächen 11 , 21 ausgebildet ist .
Im Aus führungsbeispiel der FIG . 5A-5B ist die Anschlussstruktur 50 auf der Lichteinfallseite ausgebildet . Im Aus führungsbeispiel der FIG . 6A- 6B ist die Anschlussstruktur 50 auf der der Lichteinfallseite gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats 40 ausgebildet . Auf der Lichteinfallseite kann die Elektrodenschicht 62 aus einem transparenten leitfähigen Material ausgebildet sein, beispielsweise aus einem Zinnoxid . Die halbleitenden Gebiete der Avalanche- Photodioden 10 , 20 weisen zudem p dotierte Lawinendurchbruchbereiche 47 zwischen den Elektrodenwannen 45 und den Detektionsgebieten 46 auf .
Die FIG . 7 zeigt einen Strahlungsdetektor 70 mit einem S zintillatorkörper 71 und einem Multipixel-Photodetektor 90 . Die Lichteinfallseite des Multipixel-Photodetektors 90 ist zu einer Lichtaustritts fläche 72 des S zintillatorkörpers 71 orientiert und kann direkt auf der Lichtaustritts fläche 72 aufgebracht sein . Der S zintillatorkörper 71 ist transparent und kann fest oder eine in einem Behältnis gefasste Flüssigkeit sein . Der S zintillatorkörper 71 kann mehrere unterschiedliche Materialien aufweisen, von denen mindestens eines ionisierende Strahlung in Lichtpulse umwandelt . Bei der ionisierenden Strahlung kann es sich um Röntgenstrahlung, Alpha-Strahlung, Beta-Strahlung, Gamma-Strahlung, Neutronenstrahlung oder eine andere Teilchenstrahlung handeln .
Der S zintillatorkörper 71 kann als gerades Prisma oder gerader Zylinder ausgebildet sein, wobei der Lichtaustritts fläche 72 eine zur Lichtaustritts fläche 72 parallele Lichteintritts fläche 73 gegenüber liegen kann . Abgesehen von der Lichtaustritts fläche 72 und ggf . der Lichteintritts fläche 73 kann die Oberfläche des S zintillatorkörpers 71 reflektierend beschichtet sein, beispielsweise mit einem Teflonreflektor . Im gezeichneten Aus führungsbeispiel löst ionisierende Strahlung am Ort 75 Photonen 76 , 77 aus . Erste Photonen 77 tref fen direkt auf die Lichtaustritts fläche 72 auf . Zweite Photonen 76 , die zunächst auf andere Oberflächen des S zintillatorkörpers 71 tref fen als die Lichtaustritt fläche 72 , werden in den S zintillatorkörper 71 zurückreflektiert und tref fen erst nach ein oder mehreren Reflexionen auf die Lichtaustritts fläche 72 auf .
Abhängig von der konkreten Anwendung, der Verteilung der Orte
75 im S zintillatorkörper 71 und/oder den Abmessungen des S zintillatorkörpers 71 können sich die erzeugten Photonen in den Ecken bzw . an den Rändern der Lichtaustritts fläche 72 des S zintillatorkörpers 71 konzentrieren . Beispielsweise können insbesondere die zweiten Photonen 76 , die ein oder mehrmals reflektiert werden, sich in den Ecken bzw . an den Rändern der Lichtaustritts fläche 72 konzentrieren . Dies kann beispielsweise dann zutref fen, wenn die Länge des S zintillatorkörpers 71 größer ist als die größte Kantenlänge der Lichtaustritts fläche 72 .
Wegen der im Mittel längeren Wegstrecke der zweiten Photonen
76 im S zintillatorkörper 71 tref fen die zweiten Photonen im Mittel später an der Lichtaustritts fläche 71 ein als die ersten Photonen 77 .
Im Messsignal des Multipixel-Photodetektors 90 ergibt sich aus der Überlagerung der wenigen, langen Signalpulse mit j eweils hoher Amplitude von den ersten Avalanche-Photodioden 10 ein Zeitsignalanteil , aus dem sich primär auf den Zeitpunkt des Eintref fens ionisierender Strahlung schließen lässt . Aus der Überlagerung vieler kurzer Signalpulse mit j eweils niedriger Amplitude von den zweiten Avalanche-Photodioden 20 ergibt sich ein Energiesignalanteil mit annähernd gauß förmiger Signal form, aus dem sich primär auf die Energie der ionisierenden Strahlung schließen lässt . Der Energiesignalanteil ist relativ zum Zeitsignalanteil verzögert . Werden Zeitsignalanteil und Energiesignalanteil überlagert ausgegeben, so überlagert sich die gauß förmige Signal form des Energiesignals der fallenden Flanke des Zeitsignalanteils .
FIG . 8 zeigt schematisch die Photonendichte in der Lichtaustritts fläche 72 des S zintillatorkörpers 71 der FIG . 7 gemäß einer Anwendung . Der S zintillatorkörper umfasst beispielsweise einen Quader, der z . B . aus einem Nal ( Tl ) Kristall besteht oder einen solchen aufweist . Die Lichtaustritts fläche 72 ist quadratisch mit einer Kantenlänge von etwa 10cm . Die Länge des S zintillatorkörpers beträgt 40cm . Mit Ausnahme der Lichtaustritts fläche 72 sind alle Flächen des S zintillatorkörpers mit Teflon oder TiO2 beschichtet .
Die Photonendichte ist in etwa rotationssymmetrisch zum Mittelpunkt der Lichtaustritts fläche 72 bei Drehwinkeln von 90 ° , 180 ° und 270 ° . Die Photonendichte nimmt ausgehend vom Mittelpunkt der Lichtaustritts fläche 72 in radialer Richtung stetig zu . Die mittlere Photonendichte Dl in den Ecken der Lichtaustritts fläche 72 ist höher als die mittlere Photonendichte D2 in nach Innen anschließenden Kreissegmenten, die entlang der Kanten der Lichtaustritts fläche 72 enden . Die mittlere Photonendichte D2 in den Kreissegmenten ist höher als die mittlere Photonendichte D3 in einem äußeren Ring innerhalb der Kreissegmente und entlang der Kanten der Lichtaustritts fläche 72 zwischen den Kreissegmenten . Die mittlere Photonendichte D3 in dem äußeren Ring innerhalb der Kreissegmente ist höher als die mittlere Photonendichte D4 in einem nach Innen anschließenden inneren Ring . Die mittlere Photonendichte D4 in dem inneren Ring ist höher als die mittlere Photonendichte D5 in einem vom inneren Ring eingeschlossenen zentralen Bereich .

Claims

PATENTANS PRÜCHE Multipixel-Photodetektor (90) , aufweisend: elektrisch parallel geschaltete erste Avalanche-Photodioden
(10) mit jeweils einer Lichteintrittsfläche (11) , die gleich oder größer einer Referenzfläche ist; und elektrisch parallel geschaltete zweite Avalanche-
Photodioden (20) mit jeweils einer Lichteintrittsfläche (21) , die kleiner ist als die Referenzfläche, wobei die Lichteintrittsflächen (11, 21) der ersten und zweiten Avalanche-Photodioden (10, 20) Teilflächen eines Belichtungsfeldes (91) des Multipixel- Photodetektors (90) bilden. Multipixel-Photodetektor nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die ersten und zweiten Avalanche-Photodioden (10, 20) elektrisch so angeordnet sind, dass sich die Photoströme der ersten und zweiten Avalanche- Photodioden (10, 20) addieren. Multipixel-Photodetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lichteintrittsflächen (11) der ersten Avalanche- Photodioden (10) gleich groß sind und wobei die Lichteintrittsflächen (21) der zweiten Avalanche- Photodioden (20) gleich groß sind. Multipixel-Photodetektor nach einem dem vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Avalanche-Photodioden (10, 20) als Geiger-Mode Avalanche-Photodioden ausgeführt sind. Multipixel-Photodetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil der ersten Avalanche-Photodioden (10) im Inneren des Belichtungsfeldes (91) und mindestens ein Teil der zweiten Avalanche-Photodioden (20) am Rand des Belichtungsfeldes (91) angeordnet sind . Multipixel-Photodetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Belichtungsfeld (91) rechteckig ist, ein Teil der ersten Avalanche-Photodioden (10) im Inneren des Belichtungsfeldes (91) und in jeder Ecke des Belichtungsfeldes (91) eine der zweiten Avalanche- Photodioden (20) angeordnet ist. Multipixel-Photodetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Belichtungsfeld (91) einen zentralen Bereich und einen den zentralen Bereich umschließenden Randbereich aufweist, die ersten Avalanche-Photodioden (10) in dem zentralen Bereich ausgebildet sind, und die zweiten Avalanche-Photodioden (20) in dem Randbereich ausgebildet sind. Multipixel-Photodetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ersten Avalanche-Photodioden (10) erste halbleitende Gebiete aufweisen, die zweiten Avalanche-Photodioden (20) zweite halbleitende Gebiete aufweisen, und die ersten und zweiten halbleitenden Gebiete in einem Halbleitersubstrat (40) ausgebildet sind. Multipixel-Photodetektor nach dem vorangehenden Anspruch, weiter aufweisend: einen Temperatursensor (35) , wobei der Temperatursensor (35) dritte halbleitende Gebiete aufweist, und die dritten halbleitenden Gebiete in dem Halbleitersubstrat (40) ausgebildet sind. Strahlungsdetektor aufweisend: einen Szintillatorkörper (71) mit einer Lichtaustrittsfläche (72) , wobei in dem Szintillatorkörper (71) durch ionisierende Strahlung Lichtstrahlung anregbar ist und mindestens ein Teil der angeregten Lichtstrahlung durch die Lichtaustrittsfläche (72) aus dem Szintillatorkörper (71) austritt; und einen Multipixel-Photodetektor (90) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Belichtungsfeld (91) des Multipixel-Photodetektors (90) zu der Lichtaustrittsfläche (71) des Szintillatorkörpers (70) orientiert ist und wobei die Lichtaustrittsfläche (72) und das Belichtungsfeld (91) parallel zueinander ausgerichtet sind. Strahlungsdetektor nach dem vorangehenden Anspruch, wobei eine Außenkante des Belichtungsfeldes (91) annähernd bündig mit einer Außenkante der Lichtaustrittsfläche (71) ausgebildet ist. Positronen-Emissions-Tomograph, aufweisend: mindestens zwei Strahlungsdetektoren (70) nach einem der zwei vorangehenden Ansprüche, wobei optische Achsen (79) der beiden Strahlungsdetektoren (70) kollinear angeordnet sind.
PCT/EP2021/070400 2020-08-06 2021-07-21 Multipixel-photodetektor mit avalanche-photodioden, strahlungsdetektor und positronen-emissions-tomograph WO2022028895A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020120788.3A DE102020120788B3 (de) 2020-08-06 2020-08-06 Multipixel-photodetektor mit avalanche-photodioden, strahlungsdetektor und positronen-emissions-tomograph
DE102020120788.3 2020-08-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022028895A1 true WO2022028895A1 (de) 2022-02-10

Family

ID=77126832

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/070400 WO2022028895A1 (de) 2020-08-06 2021-07-21 Multipixel-photodetektor mit avalanche-photodioden, strahlungsdetektor und positronen-emissions-tomograph

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020120788B3 (de)
WO (1) WO2022028895A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2634821A1 (de) * 2010-10-29 2013-09-04 Hamamatsu Photonics K.K. Fotodiodenarray
EP2813866A1 (de) * 2013-06-12 2014-12-17 Kabushiki Kaisha Toshiba Photodetektor und Computertomographievorrichtung

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5641930B2 (ja) 2007-05-16 2014-12-17 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 画像診断システム、タイムスタンプ計算方法、この方法を実行するプロセッサ、この方法をプログラミングしたコンピュータ読取媒体
US10624593B2 (en) 2017-10-04 2020-04-21 General Electric Company Systems for a photomultiplier

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2634821A1 (de) * 2010-10-29 2013-09-04 Hamamatsu Photonics K.K. Fotodiodenarray
EP2813866A1 (de) * 2013-06-12 2014-12-17 Kabushiki Kaisha Toshiba Photodetektor und Computertomographievorrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020120788B3 (de) 2021-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69533304T2 (de) Festkörperbildaufnahmevorrichtung
DE3813079C2 (de)
DE19616545B4 (de) Schneller Strahlungsdetektor
EP0179828B1 (de) Grossflächiger halbleiterstrahlungsdetektor niedriger kapazität
US6021173A (en) X-ray apparatus with sensor matrix
DE102006035005A1 (de) Megavolt-Bildgebung mit einem Photoleiter-basiertem Sensor
WO2009018872A1 (de) Avalanche-photodiode
DE102008033960A1 (de) Strahlungsdetektormodulmodul, Strahlungsdetektor und bildgebende Tomografieeinrichtung
DE112012004387T5 (de) Lichtdetektionsvorrichtung
DE10244176A1 (de) Bilddetektor für Röntgenstrahlung
DE3124238C2 (de)
DE60033894T2 (de) Strahlungsdetektor
EP1431779B1 (de) Halbleiter-Detektor mit optimiertem Strahlungseintrittsfenster
DE4344252A1 (de) Röntgendetektorelement mit Direktkonversion
DE102015114374B4 (de) Gammastrahlendetektor und verfahren zur detektion von gammastrahlen
DE112011101561T5 (de) Array von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren mit gemeinsamer Kathode und reduzierter Länge der Schirmelektrode
DE102009047202A1 (de) Detektor
DE3234096A1 (de) Bauelemente und arrays aus silizium zur detektion von infrarotem licht
DE3733114A1 (de) Strahlungsdetektor
WO2022028895A1 (de) Multipixel-photodetektor mit avalanche-photodioden, strahlungsdetektor und positronen-emissions-tomograph
AT392704B (de) Strahlungsempfindliche halbleiteranordnung
DE1808406C3 (de) Strahlungsdetektor und Verfahren zu seiner Herstellung
WO2022028896A1 (de) Photodetektor mit avalanche-photodiode, strahlungsdetektor, positronen-emissions-tomograph und betriebsverfahren für einen photodetektor
DE60223358T2 (de) Halbleiter-strahlungsdetektionselement
DE19618465C1 (de) Strahlungsdetektor mit verbessertem Abklingverhalten

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21748599

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21748599

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1