DE3225118A1

DE3225118A1 - Strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE3225118A1
Application number: DE19823225118
Authority: DE
Inventors: Thomas Richard Schenectady N.Y. Anthony; Douglas Eugene Liverpool N.Y. Houston; James Anthony Scotiz N.Y. Loughran
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-07-10
Filing date: 1982-07-06
Publication date: 1983-01-27
Also published as: JPS5825262A; JPH0224029B2; US4527183A

Description

Strahlungsdetektor

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleitertechnik und betrifft insbesondere eine Halbleitervorrichtung zum Erfassen von Strahlung im allgemeinen und von Röntgen- und Infrarotstrahlung im besonderen.

Flache Diodenfelder oder -arrays, die durch Diffusions- oder Epitaxieverfahren auf der Oberfläche einer Siliciumscheibe hergestellt werden, werden gegenwärtig zum Abbilden im sichtbaren Bereich (0,2 - 0,7 μπι) benutzt. In diesem Wellenlängebereich ist die Absorptionskonstante μ von Silicium groß (10 cm" ), so daß 99 % des sichtbaren Spektrums in einer flachen, 0,46 μια dicken Schicht absorbiert werden, die an die Oberfläche angrenzt, auf der das Licht einfällt. Oberflächen- oder flache Dioden, die sich bis in diese Tiefe erstrecken, werden daher die meisten Elektron-Loch-Paare erfassen, die durch das sichtbare Licht erzeugt wer-

den, welches auf der Oberfläche des flachen Diodenfeldes einfällt.

Die hohe Empfindlichkeit von Siliciumvidikontargets im sichtbaren Bereich erstreckt sich nicht auf Röntgen- und Infrarot(IR)-Strahlung/ und zwar wegen der niedrigen Absorptionskonstante von Silicium für diese Arten von Strahlung .

Zum Erzielen einer großen Empfindlichkeit für Röntgen- und IR-Strahlung kann eine dicke Siliclumscheibe benutzt werden, um die niedrige Absorptionskonstante von Silicium zu kompensieren. Bei flachen Diodenfeldern tritt jedoch ein Auflösungsverlust in dicken Targets auf, weil Elektronen und Löcher parallel zu der Oberfläche des Targets hinausdiffundieren, bevor sie von Erzeugungspunkten tief in dem Targetmaterial aus die Oberflächendioden erreichen. Darüber hinaus rekombinieren wegen der begrenzten Diffusionslänge von Löchern und Elektronen in Silicium (150 μΐη in Silicium bei einer Minoritätsträgerlebensdauer von 10 με) viele Löcher und Elektronen, bevor sie die Oberflächendioden überhaupt erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterdetektor zum Erfassen von Strahlung im allgemeinen und von Röntgen- und IR-Strahlung im besonderen zu schaffen.

Der Detektor hat eine große Empfindlichkeit, weil Erfassungsübergangszonen, die sich durch die Dicke des Detektors erstrecken, die Löcher und Elektronen, die tief in dem Target durch die absorbierte Strahlung erzeugt werden, auffangen, bevor diese eine Möglichkeit zum Rekombinieren haben. Darüber hinaus hat der Detektor eine gute Auflösung, weil die Löcher und Elektronen, die durch die einfallende Strahlung

erzeugt werden, in der Nähe ihrer Erzeugungspunkte aufge fangen werden, bevor sie eine Möglichkeit haben, von diesen Punkten wegzudiffundieren.

Der Strahlungsdetektor hat ein Target aus Einkristallhalblei termaterial und eine Feld aus mehreren Dioden, die sich durch die Dickenabmessung des Targets erstrecken. Das Target hat zwei entgegengesetzte, im wesentlichen parallele Hauptflächen und einen äußeren ümfangsrandbereich, der die Hauptflächen miteinander verbindet. Eine Targetachse geht im wesentlichen rechtwinkelig zu den Hauptflächen durch den Flächenschwerpunkt des Targets hindurch. Die Strecke auf der Targetachse zwischen den Hauptflächen ist die Dicke des Targets, die gemäß den in der Beschreibung ausführlich angegebenen Kriterien festgelegt wird.

Jede Diode hat in Kombination ein Loch mit großem Aspektverhältnis (Lochtiefe zu Lochdurchmesser), das sich durch die Dickenabmessung des Targets erstreckt, und ein halbleitendes Gebiet insgesamt gleichförmigen Querschnittes, das zu dem Loch im wesentlichen konzentrisch ist. Jedes Loch hat öffnungen, die in den Ebenen der Hauptflächen liegen, und eine innere Lochoberfläche, die die öffnungen miteinander verbindet. Eine Lochachse geht im wesentlichen durch den Mittelpunkt jeder öffnung hindurch und ist zu der inneren Lochoberfläche im wesentlichen parallel. Jede Lochachse kann zu der Targetachse im wesentlichen parallel sein oder, in einer anderen Ausführungsform, die Targetachse in einem vorbestimmten Abstand von einer der Hauptflächen schneiden und mit der Targetachse einen vorbestimmten Winkel bilden. Der Leitungstyp des halbleitenden Gebietes wird entgegengesetzt zu dem Leitungstyp des Materials des Targets gewählt, so daß eine Übergangszone, die zu dem Loch im wesentlichen konzentrisch ist und sich zwischen den Hauptflächen erstreckt, mit dem Material des Targets gebildet

wird. Jedes halbleitende Gebiet wird durch die Innenoberfläche des Loches und die Übergangszone begrenzt.

Die Dioden in dem Feld können mittels eines Rasterelektronenstrahls einzeln adressiert werden, in welchem Fall die Löcher mit einem ein Vakuum aufrechterhaltenden Isolierstoff gefüllt sind. Durch die Verwendung von Festkörperadressiereinrichtungen kann der effektive Adressierwiderstand verkleinert und eine größere Anzahl von Dioden adressiert werden. Die Festkörperadressiereinrichtungen bestehen aus einer ersten Gruppe von parallelen Leitern, die der oberen Hauptfläche überlagert sind, und aus einer zweiten Gruppe von parallelen Leitern, die der unteren Hauptfläche überlagert und zu der ersten Gruppe orthogonal sind. Die Leiter der ersten Gruppe und die Leiter der zweiten Gruppe sind in einer vorgewählten Kontaktbeziehung zu den Dioden des Feldes, so daß durch das Hinzufügen von geeigneten Festkörperschaltern jede Diode des Feldes einzeln adressiert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung und

teilweise im Schnitt einen Teil eines Targets aus Halbleitermaterial, das mehrere Löcher aufweist, die mittels Laser durch die Dicke des Targets gebohrt worden sind und in einem Feld angeordnet sind,

Fig. 2 in Vorderansicht die Querschnitts

fläche des Targets in Fig. 1 im

Anschluß an das Herstellen von zu den Löchern konzentrischen Halbleite rgebieten,

Fig. 2A eine schematische Draufsicht auf

den Detektor nach der Linie 2A-2A in Fig. 2,

Fig. 3 in einer Teilvorderansicht und im

Querschnitt einen Strahlungsdetektor, bei dem die Dioden einen vorbestimmten Winkel mit der Targetachse bilden, und

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Detektor in

Fig. 2A, die schematisch die Festkörperadressiereinrichtungen zeigt.

Gemäß Fig. 1 beginnt das Ausführen der Erfindung mit der Auswahl eines Targets 10 aus geeignetem Halbleitermaterial und der Dicke 2. Die besondere Geometrie des Targets 10 wird durch dessen Gebrauchszweck und durch die unten erläuterten Auswahlparameter bestimmt, das Target 10 wird aber wenigstens eine erste (oder obere) Hauptfläche 2 und eine dazu entgegengesetzte zweite (oder untere) Hauptfläche 3 sowie einen äußeren Umfangsrandbereich 4 haben, der die Hauptflächen miteinander verbindet. Das Halbleitermaterial des Targets 10 kann unter Materialien ausgewählt werden, die auf dem Gebiet der Herstellung von Halbleiter- oder Mikroelektronikvorrichtungen bekannt sind, wie beispielsweise Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumantimonid, Cadmiumtellurid und Zinksulfid. Das Material des Targets 10 ist ein Einkristall, hat keine bevorzugte Kristallorientierung und kann einen Leitungstyp und/oder eine Fremdatom-, d.h. eine Do-

tierungsmittelkonzentration haben, die sich von der undotierten Halbleitermaterials unterscheidet.

Danach werden Löcher (oder, äquivalent. Bohrungen) 20 mittels Laserstrahls durch das Target 10 gebohrt. Die Löcher 20 sind im Inneren in Längsrichtung im wesentlichen zylindrische Hohlräume, die innere Lochoberflächen 7 haben, welche öffnungen 5 und 6 miteinander verbinden, die in den Ebenen der Hauptflächen 2 bzw. 3 liegen. Lochachsen 8 erstrecken sich durch die Mittelpunkte der öffnungen 5 und 6. Die Löcher 20 haben vorzugsweise ein großes Aspektverhältnis, d.h. ein großes Verhältnis von Länge (ebenfalls Z) zu Durchmesser (D), das größer als etwa 6 ist. Unter Verwendung des Laserbohrverfahrens können kleine Löcher mit etwa 19 μΐη (3/4 mil) Durchmesser und mit Abständen L zwischen den Achsen 8, die an ihrer unteren Grenze bis etwa 1,5D betragen können, mittels Laserstrahlen durch 305 um (12 mil) dicke Siliciumscheiben gebohrt werden, ohne daß es zu Oberflächenausbrüchen oder Rißbildungen kommt und ohne daß Spannungen oder Beanspruchungen, d.h. Beschädigungen in dem Material des Halbleitertargets 10 neben den Löchern 20 hervorgerufen werden.

Anschließend an das Herstellen der Löcher 20 in dem Halbleitertarget 10 wird dieses bearbeitet, um wenigstens ein Halbleitergebiet 21 insgesamt gleichmäßigen Querschnittes im wesentlichen konzentrisch zu jedem Loch 20 herzustellen, wie es in den Fig. 2 und 2A schematisch gezeigt ist, beispielsweise durch Einführen einer ersten Verunreinigung in das Target 10 über die innere Oberfläche 7 jedes Loches 20.

Das Halbleitergebiet 21 kann einen Leitungstyp und/oder eine Fremdatomkonzentration (deren Maß gewöhnlich durch den spezifischen Widerstand ausgedrückt wird) haben,

- y- ic

die von denen des Halbleitermaterials des Targets 10 verschieden sind. Die Gebiete 21 werden durch die inneren Lochoberflächen 7 und Grenzflächen 22 der Fläche A mit dem Material des Targets 10 begrenzt. Die Grenzflächen 22 sind zu den Löchern 20 im wesentlichen konzentrisch und haben von den inneren Lochoberflächen 7 einen Abstand R, gemessen radial ab den Lochachsen in den Fig. 2 und 2A, bis zu welchem die Verunreinigung von den inneren Lochoberflächen 7 aus in das Target 10 diffundiert. Wenn die Halbleitergebiete 21 einen Leitungstyp haben, der zu dem des Targets 10 entgegengesetzt ist, werden die Grenzflächen 22 PN-übergänge sein. Die Kombination eines Loches 20 und eines Halbleitergebiets 21 bildet eine gebohrte, diffundierte Diode.

Es gibt mehrere Verfahren, durch die die Gebiete 21 hergestellt werden können. Bei einem Verfahren wird eine relativ neue Festkörperquelle diffundierbarer Verunreinigung benutzt, die mit "spin-on" (ein Aufschleudermittel) bezeichnet wird, wie beispielsweise Spin-Rite (Warenzeichen), das von der Diffusion Technology, Inc. Sunnyvale, Kalifornien, erhältlich ist. Ein weiteres Verfahren, das in der Halbleitertechnik üblicherweise angewandt wird, ist die Diffusion einer Verunreinigung in Gasform für eine vorgewählte Zeit bei einer vorgewählten Temperatur.

Dem Fachmann auf dem Gebiet der Fertigung von Halbleitervorrichtungen ist klar, daß, sofern keine speziellen Maßnahmen getroffen werden, die Verunreinigung auch von anderen freiligenden Flächen, z.B. den Flächen 2 und 3, aus in das Innere des Targets 10 diffundieren wird. Das Aufwachsenlassen einer Oxidschicht auf einer vorgewählten Oberfläche oder auf vorgewählten Oberflächen ist eine Methode, durch die die Diffusion von dieser Oberfläche aus verhindert werden kann. Statt

dessen können auch ausreichende Mengen des Targets 10, die unter einer oder mehreren Oberflächen, z.B. den Oberflächen 2 und 3, liegen, welche die Halbleitergebiete enthalten, entfernt werden, beispielsweise durch mechanisches Polieren.

Bei dem Strahlungsdetektor nach der Erfindung sind mehrere Löcher 20 in einem Feld angeordnet. Das Feld in Fig. 2A ist ein typisches Feld, bei dem ein Loch 20 in jedem Schnittpunkt von mehreren zueinander orthogonalen Linien hergestellt wird, die einen gegenseitigen Abstand L in einer Richtung und einen anderen Abstand M in der orthogonalen Richtung haben. In dem quadratischen Matrixfeld in Fig. 2A sind die Strecken L und M gleich, im Rahmen der Erfindung sind aber auch andere Muster möglich, wie beispielsweise konzentrische Kreise zunehmend größeren Durchmessers.

Wenn das Abbildungstarget durch einen Elektronenstrahl in einem Vakuum adressiert wird, wie es bei einigen Vidikons der Fall ist, müssen die mittels Laser gebohrten Durchgangslöcher 20 gefüllt werden, d.h. das Vakuum aufrechterhaltend gemacht werden, nachdem die Verunreinigung in den Körper eindiffundiert worden ist. Das Füllen und Verschließen der Löcher des Feldes kann leicht vorgenommen werden, indem die Oberfläche des Körpers mit einem isolierenden Stoff angestrichen wird, z.B. einer Silikon-Polyimid-Flüssigkeit oder einer Epoxidflüssigkeit, die durch Kapillarkräfte in die Löcher gesaugt wird, wo sie dann aushärtet. Die Vorteile von Silikon-Polyimid bestehen darin, daß es hohe Temperaturen aushält (500 ⁰C für 0,5 h in reinem Sauerstoff) und daß es beim Aushärten keine Gase freisetzt. Der Vorteil des Epoxids besteht darin, daß es beim Härten keine wahrnehmbare Schrumpfung zeigt.

Die ungefähre Targetdicke Z, die zum Erfassen von beispielsweise Röntgenstrahlen erforderlich ist, ist eine Funktion von mehreren Faktoren, zu denen die Zusammensetzung des Halbleitermaterials, aus dem das Target 10 besteht, und der verlangte Prozentsatz an Absorption gehören. Drei handelsübliche Halbleitermaterialien, die zur Verwendung als Targetmaterialien zur Röntgenerfassung geeignet sind, sind beispielsweise Silicium, Germanium und Galliumarsenid.

Die Absorption von Strahlung in einem Target ist eine Funktion der Dicke Z des Targets, des Massenabsorptionskoeffizienten μ/ρ des das Target bildenden Materials und der Targetdichte f :

KZ) = I₀ exp [ -(μ/f )fZ 1 (1)

Die Gleichung (1) kann so umgestellt werden, daß sich die Targetdicke Z ergibt, die benötigt wird, um den Bruchteil I/I_ der einfallenden Strahlung zu absorbieren :

Z = i In (^) (2)

Die Tabelle I gibt die Targetdicke an, die benötigt wird, um 90% der einfallenden Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge von 0,4 um zu absorbieren, was für die 30 kV - Strahlung typisch ist, die für dentale Röntgenzwecke benutzt wird.

Tabelle I

Targetmaterial Dichte

Massenabsorp- Dicke für

Silicium

Germanium

Galliumarsenid

tionskoeffizient

2,33 g/cm⁴ 5 cm*/g

5,32 g/cm 50 cm^a/g

5,32 g/cm 50 cm²/g

90% Absorption

0,189 cm (73 mils)

8x10* cm (3 mils)

8x10*" cm (3 mils)

Zum Absorbieren von 99% statt 90% der einfallenden Röntgenstrahlung müßte die Targetdicke in Tabelle I verdoppelt werden.

Die Angaben in der Tabelle I begünstigen zwar Germanium und Galliumarsenid gegenüber Silicium für die Verwendung bei der Abbildung von 30 kV - Strahlung, viele andere technologische und wirtschaftliche Faktoren machen jedoch unter den drei Targetmaterialien Silicium zu dem bevorzugten Targetmaterial. Zu diesen Faktoren gehören die Kosten, die Möglichkeit, eine zusätzliche Schaltungsanordnung auf Silicium herstellen zu können, die Möglichkeit, Silicium init seinem natürlichen Oxid zu passivieren, und dessen weitverbreiteter Gebrauch.

Ein Bruchteil f (90% in Tabelle I) der Strahlung, die auf das Target 10 auftrifft, wird photoelektrisch absorbiert- Dieser Bruchteil wird mit abnehmender Photonenenergie und zunehmender Dicke des Targets 10 in dem Röntgenbereich des Spektrums zunehmen. Bei einem bestimmten einfallenden Fluß I in Photonen/cm²· s beträgt die Anzahl der Elektron-Loch-Paare, die in dem Target pro Diode pro Sekunde erzeugt werden:

N = (EZE₁) fI_oL² (3)

wobei E die Energie der einfallenden Photonen ist, E die Energie ist, die zum Erzeugen eines einzelnen Elektron-Loch-Paares erforderlich ist (3,6 eV für Si, 2,9 eV für Ge, 4,9 eV für GaAs), und L der Mittenabstand zwischen gebohrten, diffundierten Dioden in dem Target 10 ist.

Elektron-Loch-Paare, die durch die absorbierte Strahlung erzeugt werden, diffundieren in den Gebieten 21 und 2 willkürlich, bis sie entweder rekombinieren oder in die nicht dargestellte Verarmungsschicht (Sperrschicht) der Diode eindringen, wo sie durch die Ubergangszone 22 getrennt und aufgefangen werden, die zum Auffangen und Zählen der erzeugten Elektronenpaare in Sperrichtung vorgespannt ist. Die Verarmungsschichten werden zu den Ubergangszonen 22 konzentrisch sein und eine Breite W, gemessen radial ab der Lochachse 8, haben, von der sich etwa W/2 in den Gebieten 21 befinden wird, während sich der andere, ungefähr W/2 betragende Teil an den Obergangszonen 22 in dem Material des Targets 10 befinden wird. Weil der Halbleiter so gewählt wird, daß er eine Minoritätstragerdiffusionslänge hat, die größer als der Diodenabstand L ist, werden die meisten der durch die einfallende Strahlung erzeugten Elektron-Loch-Paare durch benachbarte Dioden erfaßt. Ein kleiner Bruchteil von Trägern diffundiert zu den zweitnächsten Nachbarn oder rekombiniert. Die Strahlungsintensität um jede Diode kann ermittelt werden, indem die zeitliche Änderung von deren Sperrvorspannung gemessen wird. Zur Zeit null wird eine Diode entweder durch einen Elektronenstrahl oder durch Festkörperadreßleitungen adressiert und auf einen eingestellten Spannungswert in Sperrichtung vorgespannt. Die effektive Ladung Q, die durch die Diode in dem Sperrvorspannzustand gespeichert wird, ist

Q - CV (4)

wobei C die Diodenkapazität und V die Vorspannung in Sperrichtung ist. Bei der Ankunft der durch die Strahlung erzeugten Elektron-Loch-Paare an der Diode wird der "Diodenkondensator" mit einer Geschwindigkeit entladen, die sich durch Differenzieren der Gleichung (4) und Einsetzen in die Gleichung (3) ergibt:

τ
dV ο Εν ο

dt * ^2q C~ ⁽E^ ^{fL (5)}

wobei q die Ladung eines Elektrons 1st. Aus der Gleichung (5) ergibt sich für die Intensität der einfallenden Strahlung durch Integration:

i.at = —— (^Ei) (ν -ν-} (6)

° 2fL^aq E~~ ° ^r

wobei V die Anfangssperrvorspannung ist, die der Diode bei jeder Targetabtastung gegeben wird, und wobei V^ die endgültige Spannung ist, auf die sich die Diode entlädt, bevor die Diode durch eine neue Wiederauf frischungsabtastung auf eine Spannung V aufgeladen wird. Da die Zeit zwischen den Targetabtastungen für alle Dioden dieselbe ist, gilt für die räumliche Verteilung der auf das Target auftreffenden Strahlungsintensität I (x) :

I₀(Z) = £ (=i) [v -V-(Z)] (7)

° 2TfL²q E L ο f J

wobei T die Zeit zwischen jeweils zwei Targetabtastungen ist.

Ein großer Bildkontrast wird erzielt, wenn eine große Anzahl von Elektron-Loch-Paaren während jeder Abtastung durch Dioden in dem Feld erfaßt wird und wenn der Signalstrom I (Z) (Gleichung 7) viel größer ist als der Rückwärtsleckstrom I_D des Diodenübergangs.

Der Rückwärtsstrom I_ ist gegeben durch die Summe des ErzeugungsStroms I , der durch thermische Anregung in der Verarmungsschicht erzeugt wird, und des Dif fusionsstroms I,.,,, der durch Diffusion von Gleichgewichtsminoritätsträgern aus den neutralen Gebieten in die Verarmungszone erzeugt wird. Bei Raumtemperatur kann der Diffusionsstrom in Si und in GaAs gegenüber dem Erzeugungsstrom vernachlässigt werden, wohingegen in Ge der Erzeugungsstrom im Vergleich zu dem Diffusionsstrom vernachlässigt werden kann. Für Si und GaAs kann der Erzeugungsstrom, der sich aus der Verarmungsschicht ergibt, aas der effektiven Trägerlebensdauer t in der in Sperrichtung vorgespannten Verarmungsschicht und aus der Breite W der Verarmungsschicht ermittelt werden:

¹R ^{= 1}Cj ⁼ 9 2Έ ^{WA (8)}

wobei N die Intrinsic-Trägerkonzentration, q die elektronische Ladung und A die Fläche des PN-Ubergangs ist.

Ein großer Bildkontrast ergibt sich, wenn das Verhältnis des Stroms I , der durch die Strahlung erzeugt wird, zu dem Eigen- oder Intrinsic-Rückwärtsstrom I groß ist:

I _ fI\L²t

Λ Λ °

Ι« " Έ.' η. WA (9)

ti XX

Ein großer Bildkontrast wird daher in Si und GaAs durch Materialien großer Lebensdauer (großer Trägerlebensdauer t), kleine Verarmungszonenbreiten W (niedrige Sperrvorspannungen) und kleine Grenzflächeninhalte A der Ubergangszonen 22 (Durchmesser der gebohrten, diffundierten Dioden so klein wie möglich) begünstigt.

Die Gleichung (9) zeigt, daß es einen grundsätzlichen

Konflikt zwischen großem Kontrast und großer Bildauflösung gibt. Zum Vergrößern der räumlichen Auflösung muß der Diodenabstand L verkleinert werden, wodurch der Bildkontrast verringert wird. Dieser Konflikt ergibt sich, weil die einfallende Strahlung eine feste Anzahl von Elektron-Loch-Paaren pro Zeiteinheit erzeugt. Wenn diese feste Anzahl von Paaren auf eine zunehmende Anzahl von Dioden aufgeteilt werden muß (bessere Auflösung), gibt es weniger Paare pro Diode (geringerer Kontrast).

Ein weiterer Faktor, der die Targetauflösung begrenzen kann, ist mangelnde Parallelität zwischen den Hauptachsen 8 der Dioden und den Bahnen der einfallenden Photonen. Beispielsweise werden Röntgenstrahlen, die von einer Quelle emittiert werden, welche einen Abstand Q von einem Target hat, das einen Radius P und eine Dicke Z aufweist, einen maximalen Auflösungsverlust (Z/Q)P am Rand des Targets haben. Bei einem Target mit einem Durchmesser von etwa 76 mm(3 inches) und einer Dicke von 1,85 mm (0.073 inch) beträgt der maximale Auflösungsverlust am Rand des Targets etwa 25,4 μπι (1 mil) bei einem Abstand Q zwischen Quelle und Target von etwa 1244 mm (49 inches). Durch Bohren der Dioden unter verschiedenen Winkeln in der Scheibe kann dieser durch die Target-Quelle-Geometrie verursachte Auflösungs verlust eliminiert werden.

Eine solche Konfiguration ist in Fig. 3 schematisch gezeigt, und zwar der Einfachheit halber nur für drei Dioden 23, 24 und 25. Die Achse 26 geht im wesentlichen durch den Flächenschwerpunkt, aber nicht notwendigerweise durch eine Diode, des Targets 10 im wesentlichen rechtwinkelig zu den Hauptflächen 2 und 3 und dient als Targetachse. Die Dioden, die versetzt von der Targetachse 26 angeordnet sind, beispielsweise die Dioden

-ie-

und 25, haben jeweils in Kombination ein Loch 20 mit großem Aspektverhältnis in der Dickenabmessung des Targets 10 und halbleitende Gebiete 21 von insgesamt gleichförmigem Querschnitt im wesentlichen konzentrisch zu den Löchern 20. Die Winkelneigung von anderen Dioden, die nicht auf der Achse 26 liegen, wie z.B. die Dioden 24 und 25, wird durch die Winkel ot bzw. ß gemessen, die die durch die Mittelpunkte der anderen Dioden hindurchgehenden Achsen 27 bzw. 28 mit der Achse 26 bilden. Die Achsen 27 und 28 gehen im wesentlichen durch die Mittelpunkte der öffnungen 5 und 6 hindurch, die in den Ebenen der Hauptflächen 2 bzw. 3 liegen, und sind zu den inneren Lochoberflachen 7 im wesentlichen parallel. In dieser Ausführungsform wird der Abstand von einer Lochachse zur anderen (L und M) auf der oberen Hauptfläche 2 zwischen den Punkten gemessen, wo benachbarte Achsen (z.B. die Achsen 27 und 28) die Ebene der oberen Hauptfläche durchbohren, wie es in Fig. 3 schematisch gezeigt ist.

Bei Röntgenstrahlen hoher Energie wird ein ernsteres Auflösungsproblem durch kohärente und inkohärente Streuung (Comptonstreuung) von Röntgenstrahlen durch leichte Materialien, wie beispielsweise Silicium, verursacht. Bei 60 kV - Röntgenstrahlen (medizinischen Typs) erfährt nur die Hälfte der Röntgenstrahlen am Anfang photoelektrische Absorption in Silicium. Die andere Hälfte wird zuerst zerstreut, wodurch die Auflösung eines Siliciumtargets verschlechtert wird. Durch Begrenzen der ankommenden Strahlung auf Röntgenstrahlen niedrigerer Energie «30 kV für Silicium) oder durch Verwendung von Halbleitern mit höherer Atomzahl (Ge oder GaAs) können die Streuungs- und damit die Auflösungsprobleme verschwinden. Siliciumtargets sind deshalb beispielsweise am besten zur Verwendung als De-

tektor für Dentalröntgenstrahlen geeignet, während GaAs oder Ge beispielsweise für medizinische Röntgenzwecke benutzt werden sollte, wie beispielsweise in Geräten zur Diagnose mittels Computertomographie.

Wegen der Kapazität jeder gebohrten, diffundierten Diode, des effektiven Widerstands R_e£f jedes Adressierschemas und der Anzahl N_Q der Dioden in dem Feld muß die Abtastzeit T des Feldes größer sein als die natürliche Relaxationszeit des Feldes, da es sonst zu einer Bildverzerrung kommt:

T > N_DR_effC (10)

Um zu vermeiden, daß ein Flimmern des Bildes wahrgenommen wird, muß das Target mindestens einmal jede 1/10 s (Relaxationszeit des menschlichen Auges) abgetastet werden:

(11)

Die Kombination der Gleichungen (10.) und (.11) ergibt die Bedingung

^ND^Reff^C ±4 ⁽¹²⁾

Die Kapazität C einer gebohrten, diffundierten Diode ist gegeben durch

Jc_£j

c = -5-§ ■ (13)

wobei Z die Targetdicke (Gleichung 2), D' der Durchmesser der gebohrten, diffundierten Diode (gleich D + 2t, wie in den Fig. 2 und 2A gezeigt), W die Verarinungszonenbreite, k die Dielektrizitätskonstante und £ die Dielektrizitätskonstante des leeren Raums des Loches 20 ist.

Die Kombination der Gleichungen (12) und (13) ergibt

10WN R _ffk € D'Z

< 1 (14)

Wenn als typische Werte für Silicium angenommen werden:

Z « 1_f89x10~¹c» (Tabelle I)

—3 —3

D' = 2,5x10 cm, W = 1x10 cm (10 V Sperrvorspannung

in Si mit 10 Ohm cm), t = 8,86x10~¹⁴F/cm und k = 11,7 ,so ergibt sich:

^ND^Reff - ⁶'^5x1°^{10 ohm} Silicium (15)

Für die Elektronenstrahladressierung hat der effektive Adressierwiderstand R _cc einen Wert von 10 Ohm. Die

err

maximale Diodenzahl in einem einzelnen Röntgentargetfeld, die durch einen Elektronenstrahl adressierbar

4
ist, ist daher 6,5x10 oder ein 250x250-Feld (was ungefähr die herkömmliche Fernsehauflösung ist).

Bei der Festkörperadressierung beträgt der effektive

Adressierwiderstand R ,- jedoch etwa 10 Ohm. Dieser niedrigere Widerstand gestattet, dem Siliciumtarget bis

zu 6,5x10 Feldelemente oder ein 25000x25000-Feld zu geben, d.h. ein Target von 1270x1270 mm (50"x50") mit 50,8 um (2 mils) Auflösung zu schaffen. Ein Festkörperadressiersystem ist in Fig. 4 schematisch gezeigt. Eine erste Anzahl von im wesentlichen parallelen Leitern 29 ist der oberen Hauptfläche überlagert, und eine zweite Anzahl von im wesentlichen parallelen Leitern 30 ist der unteren Hauptfläche im wesentlichen orthogonal zu der ersten Anzahl von Leitern überlagert, wobei die Leiter durch herkömmliche photolithographische Technik auf die Hauptflächen aufgebracht worden sind. Jeder Leiter 29 der ersten Anzahl und jeder Leiter 30 der zweiten Anzahl ist in einer vorgewählten Kontaktanordnung mit wenigstens einer der Dioden des Feldes.

In der Praxis werden beispielsweise Pestkörperschalter unter Verwendung herkömmlicher Einrichtungen an jedem Kontaktpunkt zwischen den Leitern 29 und 30 vorgesehen, damit jede Diode oder ausgewählte Gruppen von Dioden einzeln bzw. in Gruppen adressiert werden können.

Die herkömmliche Technologie verlangt, daß die erste Anzahl von Leitern 29 und die zweite Anzahl von Leitern derselben Fläche überlagert sind. Die besondere und vorteilhafte Verwendung von gebohrten, diffundierten Dioden gestattet jedoch die Verwendung von einer Gruppe von Adressierleitungen auf der oberen Hauptfläche und von einer weiteren Gruppe von Adressierleitungen auf der unteren Hauptfläche, wodurch Störungen oder Nebensprecheffekte, die bei einigen bekannten Vorrichtungen auftreten, wenn die Adressierleitungen nur auf einer Fläche verlaufen, minimiert oder eliminiert werden.

Bei einer gegebenen Targetabtastzeit gestatten die gebohrten, diffundierten Dioden dee Strahlungsdetektors nach der Erfindung einen größeren dynamischen Betriebsintensitätsbereich (mehr Graustufungen) als er bislang bei Oberflächendiodenfeldern niedriger Kapazität möglich ist.

Der Strahlungsdetektor nach der Erfindung ist in bezug auf die Erfassung von Röntgenstrahlung und von UV-Strahlung dargestellt worden. Es ist jedoch ohne weiteres klar, daß .der Detektor nach der Erfindung ein großes Potential zum Erfassen von Strahlung, die das elektromagnetische Spektrum sowie die Energie in Form von Teilchen, die Masse besitzen und geladen oder ungeladen sein können, umfaßt. Die Verwendung des Detektors ist in bezug auf die Abbildung von Dentalröntgenstrahlen, medizinischen Röntgenstrahlen (wie bei der Ausrüstung für die Computertomogra-

ph ie) und von IRr und UV-Strahlung (wie bei geologischen Untersuchungen von im Weltraum kreisenden Satelliten aus) beschrieben worden. Der Detektor nach der Erfindung ermöglicht also eine Vielzahl von Verwendungszwecken.

Leerseite

Claims

Ansprüche :

Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch:

a) ein Target (10) aus Einkristallhalbleitermaterial, das zwei entgegengesetzte, im wesentlichen parallele Hauptflächen (2, 3) und einen äußeren Umfangsrandbereich (4) hat, der die Hauptflächen miteinander verbindet, sowie eine Targetachse (26) , die durch den Schwerpunkt des Targets hindurchgeht und zu den Hauptflächen (2, 3) im wesentlichen rechtwinkelig ist, wobei die Strecke auf der Targetachse zwischen den Hauptflächen die vorbestimmte Dicke (Z) des Targets ist; und

b) ein Feld aus mehreren sich durch das Target erstreckenden Dioden, wobei jede Diode in Kombination ein sich durch die Dicke des Targets (10) erstreckendes Loch (20) mit großem Verhältnis von Länge zu Durchmesser und ein halbleitendes Gebiet (21) insgesamt gleichmäßigen Querschnitts im wesentlichen konzentrisch zu dem Loch aufweist, wobei jedes Loch öffnungen (5, 6) hat, die in den Ebenen der Hauptflächen liegen, eine innere Lochoberfläche (7), die die Öffnungen miteinander

verbindet, und eine Lochachse (8), die im wesentlichen durch den Mittelpunkt jeder Öffnung hindurchgeht, wobei jede Lochachse zu der Targetachse im wesentlichen parallel i*tr, und wobei jedes halbleitende Gebiet (21) einen Leitungstyp hat, der zu dem des Targets (10) entgegengesetzt ist, und durch die innere Oberfläche (7) des Loches (20) und durch eine mit dem Material des Targets gebildete Ubergangszone (22) begrenzt ist, welche zu dem Loch im wesentlichen konzentrisch ist und sich zwischen den Hauptflächen erstreckt.
2. Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch:

a) ein Target (10) aus Einkristallhalbleitermaterial, das zwei entgegengesetzte, im wesentlichen parallele Hauptflächen (2, 3) und einen äußeren Umfangsrandbereich (4) hat, der die Hauptflächen miteinander verbindet, sowie eine Targetachse (26), die durch den Flächenschwerpunkt des Targets hindurchgeht und zu den Hauptflächen (2, 3) im wesentlichen rechtwinkelig ist, wobei die Strecke auf der Targetachse zwischen den Hauptflächen die vorbestimmte Dicke (Z) des Targets ist; und

b) ein Feld aus mehreren sich durch das Target erstreckenden Dioden (23, 24, 25), wobei jede Diode in Kcrbination ein Loch (20) mit großem Verhältnis von Länge zu Durchmesser in der Dickenahxnessung des Targets (10) und ein halbleitendes Gebiet (21) insgesamt gleichmäßigen Querschnittes im wesentlichen konzentrisch zu dem Loch aufweist, wobei jedes Loch Öffnungen (5, 6) hat, die in den Ebenen der Hauptflächen liegen, eine innere Lochoberfläche (7), die die Öffnungen miteinander verbindet, und eine Lochachse (27, 28), die im wesentlichen durch den Mittelpunkt jeder Öffnung hindurchgeht, wobei jede Lochachse die Targetachse (26) in einem vorbestimmten Abstand (Q) vender oberen Hauptfläche (2) schneidet und mit der Targetachse einen vorbestimmten Winkel (ot, ß) bildet und wobei das halbleitende Gebiet

(21) einen Leitungstyp hat, der zu dem des Targets (10) entgegengesetzt ist, und durch die innere oberfläche (7) des Loches (20) und durch eine mit dem Material des Targets gebildete Ubergangszone (22) begrenzt ist, die zu dem Loch im wesentlichen konzentrisch ist und sich zwischen den Hauptflächen erstreckt.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen (29, 30) zum Einzeladressieren jeder Diode.
4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (29, 30) eine erste Anzahl von im wesentlichen parallelen Leitern (29), die der ersten Hauptfläche (2) überlagert sind, und eine zweite Anzahl von im wesentlichen parallelen Leitern (30) umfassen, die der zweiten Hauptfläche (3) überlagert sind, wobei die erste Anzahl im wesentlichen orthogonal zu der zweiten Anzahl ist und wobei die Leiter der ersten Anzahl und die Leiter der zweiten Anzahl in einer vorbestimmten Kontaktbeziehung zu den Dioden sind, was gestattet, jede Diode des Feldes einzeln zu adressieren.
5. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial des Targets (10) Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumantimonid, Cadmiumtellurid oder Zinksulfid ist.
6. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Loch (20) mit einer ein Vakuum aufrechterhaltenden Isoliersubstanz gefüllt ist.