DE69617608T2

DE69617608T2 - Detektor für ionisierende Strahlung

Info

Publication number: DE69617608T2
Application number: DE69617608T
Authority: DE
Inventors: Hamilton, Jr.; David D. Rhiger
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2016-09-07
Also published as: JP2954034B2; JPH09171081A; EP0777277A1; DE69617608D1; US5627377A; EP0777277B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG:

Diese Erfindung betrifft allgemein Detektoren für ionisierende Strahlung und insbesondere betrifft sie Festkörperdetektoren für ionisierende Strahlung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:

Die meisten herkömmlichen Techniken zur Detektion bzw. Erfassung ionisierender Strahlung (Strahlung, Röntgenstrahlung und andere energetische Partikel) mit Festkörperhalbleitervorrichtungen beruhen auf Vorrichtungen mit zwei Anschlüssen (nachfolgend zweipolige Vorrichtungen genannt). In dieser Hinsicht kann Bezug genommen werden auf das US-Patent 5,391,882 mit dem Titel "Semiconductor Gamma Ray Detector Including Compositionally Graded, Leakage Current Blocking Potential Barrier Layers and Methods of Fabricating the Detector", von David R. Rhiger, der Miterfinder des Gegenstands dieser Patentanmeldung ist.
Bei einem Festkörperdetektor erzeugt die ionisierende Strahlung Elektronen-Loch-Paare innerhalb des Halbleitermaterials, die dann unter dem Einfluß eines elektrischen Felds in Richtung der jeweiligen Kontaktanschlüsse wandern (Elektronen in Richtung eines positiven Anschlusses und Löcher in Richtung eines negativen Anschlusses). Da Löcher jedoch eine Beweglichkeit haben, die etwa zehnmal so niedrig ist wie die von Elektronen, werden sie sehr viel leichter eingefangen, bevor sie den negativen Kontakt erreichen. Dieses führt zu einem unerwünschten Zustand, der als unvollständige Ladungssammlung bekannt ist.
In allen Festkörperstrahlungsdetektoren, die dem Erfinder bekannt sind, erzeugt im Detail die absorbierte Strahlung Elektronen-Loch-Paare oder Ladungsträger. Beispielsweise erzeugt ein 100 keV Gammastrahl, wenn er in einem II-VI Halbleitermaterial CdTe absorbiert wird, etwa 22000 Elektronen-Loch-Paare durch einen Kaskadeneffekt aus einem Haupt-Photoelektron. Die Anzahl der erzeugten Elektronen-Loch-Paare ist direkt proportional zu der Energie des Gammastrahls. Die Ladungsträger driften dann in einem elektrischen Feld in Richtung ihrer jeweiligen Kontakte. Ein Signal in einem äußeren Schaltkreis, der mit den Kontakten verbunden ist, steigt als Ergebnis der Tatsache an, daß Energie von dem angelegten elektrischen Feld abgegeben wird, um die Ladungsträger zu bewegen. Wenn beispielsweise ein Elektron durch einen Potentialunterschied von 200 Volt fällt, zieht das Elektron 200 eV an Energie aus dem elektrischen Feld. Um diese Energie in dem elektrischen Feld zu ersetzen und ein konstant anliegendes Spannungspotential aufrechtzuerhalten, erzeugt eine Spannungsversorgung in dem äußeren Schaltkreis einen Strom zu den Detektorkontakten. Es ist dieser Strom, der in Antwort auf die Bewegungen der Ladungsträger innerhalb des Detektors fließt, der das Signal in dem äußeren Schaltkreis bildet. Wenn jede Ladung, die durch die Gamma-Strahlung erzeugt wird, in der Lage ist, die gesamte Distanz von dem Erzeugungspunkt zu dem jeweiligen Kontakt zu wandern oder zu driften, wird dann ein volles Ausgangssignal erzeugt. Das ist der wünschenswerteste Zustand einer 100%igen Effizienz der Ladungssammlung. In diesem Fall wird jede eingehende Gamma-Strahlung der gleichen Energie zu einem Ausgangssignal (Impuls) der gleichen Amplitude (außer einer kleinen Spreizung aufgrund der Statistik der Ladungserzeugungsmechanismen) führen. Wenn eine Anzahl von Impulsen über der Impulsamplitude gezeichnet wird, wird eine sehr schmale Spitze dargestellt. Wenn eine hochauflösende Spektroskopie ausgeführt wird, ist der 100%ige Ladungssammlungszustand eine wichtige Vorbedingung, um genaue und wiederholbare Resultate zu erhalten.
Ein zu lösendes Problem, um sich dem 100%igen Ladungssammlungszustand zu nähern, ergibt sich aus der Tatsache, daß nicht alle der Ladungsträger ihre jeweiligen Kontakte erreichen können, da sie innerhalb des Halbleitermaterials eingefangen werden. Die Einfangzeiten te und th für Elektronen bzw. Löcher, werden definiert durch die Durchschnittszeit, die ein Ladungsträger überlebt, bevor er in eine Fangstelle fällt. Auf einem Energiediagramm liegen solche Fangstellen in einem Spalt zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband des Halbleitermaterials. Wenn der Ladungsträger einmal eingefangen ist, kann er nachfolgend aus der Fangstelle gelöst werden oder er kann mit einem Ladungsträger entgegengesetzter Polarität rekombinieren. In jedem Fall ist der Anteil, den der Ladungsträger zu dem Signal in dem äußeren Schaltkreis beigetragen hätte, entweder wesentlich verzögert oder insgesamt beseitigt.
Quantitativ können die Unterschiede zwischen den beiden Ladungsträgerarten wie folgt beschrieben werden. In einem gegebenen Halbleitermaterial haben die Elektronen und Löcher die jeweilige Beweglichkeit ue und uh. Unter dem Einfluß eines elektrischen Felds der Stärke E werden ihre Driftgeschwindigkeiten
ve = ueE und vh = uh E.
Aufgrund der Einfangzeiten ist die Driftlänge (L) (Durchschnittsdistanz, die jeder Träger wandern kann) gegeben durch
Le = Vete = ueteE, beziehungsweise
Lh = Vhth = uhthE.
Wenn man die beiden Driftlängen vergleicht, sollte bemerkt werden, daß die Beweglichkeit der Elektronen etwa 10 mal größer ist als die der Löcher, während die Einfangzeiten der Elektronen zwei bis fünf mal größer sind als die für Löcher. Somit ist Le etwa 20 bis 50 mal größer als Lh. Beispielsweise und für das II-VI Verbindungs-Halbleitermaterial CdZnTe ist ein typischer Wert für das uete Produkt 1 · 10&supmin;³ cm²/V.
Bei einer typischen elektrischen Feldstärke von 1000 V/cm kann leicht gezeigt werden, daß Le = 1 cm. Da diese Driftlänge verglichen mit der typischen Dicke eines CdZnTe-Gammastrahlen- Detektors von 0,1 cm oder 0,2 cm lang ist, können die Elektronen mit sehr hoher Effizienz gesammelt werden. Die Löcher jedoch wandern aufgrund ihrer wesentlich kleineren Driftlänge eine sehr viel kleinere Distanz als die Detektordicke bevor sie eingefangen werden. Die sich daraus ergebende unvollständige Sammlung von Ladungsträgern in dem Detektor führt zu unvorhersehbaren Fehlern in dem Ausgangssignal, und erweitert damit das Impulshöhenspektrum der idealen scharfen Spitze.
Die Erfinder sind sich der drei herkömmlichen Lösungen bewußt, um zu versuchen, das Problem der unvollständigen Ladungssammlung zu überwinden. Eine erste Lösung vergrößert die elektrische Feldstärke so, daß die durchschnittliche Ladungsträgergeschwindigkeit erhöht wird. Eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke erhöht jedoch auch den Leckstrom des Festkörperdetektors. Eine zweite Lösung absorbiert die ionisierende Strahlung nahe an dem negativen Kontakt, was die Distanz reduziert, die die Löcher wandern müssen, um eingesammelt zu werden. Es wurde jedoch herausgefunden, daß diese Lösung nicht geeignet ist, wenn eine hochenergetische Strahlung (beispielsweise Gamma- Strahlung über etwa 20 keV) detektiert wird. Die dritte Lösung benutzt eine nicht-planare Form des Halbleitrmaterials, um eine größere Verstärkung der elektrischen Feldstärke nur in der Nähe des negativen Kontakts zu erzeugen. Diese letztgenannte Lösung zieht jedoch Schwierigkeiten und teure Techniken zur Herstellung der Vorrichtungen nach sich.
Ein herkömmlicher Ionenkammer-Detektor mit Frisch-Gitter und drei Anschlüssen (kein Festkörperdetektor) ist schematisch in Fig. 1 gezeigt. In diesem Zusammenhang kann auch Bezug genommen werden auf "Radiation Detection and Measurement", Second Edition, G. F. Knol, John Wiley & Sons (1989), Seiten 149-157. Eine mit Gitter versehene Ionenkammer oder Röhre 1 enthält ein Gas mit niederem Druck zwischen einer Kathode 2 und einer Anode 3. Ein Zwischengitter, das als Frisch-Gitter 4 bekannt ist, teilt die Röhre 1 in zwei Bereiche. Aufgrund der Benutzung einer Abschirmung (nicht gezeigt) trifft eine einfallende Gamma- Strahlung nur auf den Bereich zwischen der Kathode 2 und dem Frisch-Gitter 4, wo sie freie Elektronen und positive Ionen aus den Gasmolekülen erzeugt. Die positiven Ionen bewegen sich in Richtung des negativen Potentials, das an die Kathode 2 mit den Batterien 5a und 5b angelegt wird. Da die Ionen langsamer eingesammelt werden und eine größere Kombination erfahren, wären sie schädlich für das Signal im Hinblick auf das Gesamt- Ausgangssignal und die Synchronisation. Die Elektronen jedoch werden in Richtung des Frisch-Gitters 4 gezogen und laufen hindurch, und driften dann weiter in Richtung der Anode 3, die bezüglich der Kathode positiv ist. Ein äußeres Signal (Impuls) wird an R&sub1; zwischen der Anode 3 und dem Frisch-Gitter 4 erhalten und als Ergebnis daraus tragen nur die Elektronen zu dem Ausgangssignal von diesem Schaltkreis bei. Das heißt, daß ein langsamer Anstieg im Ausgangsimpuls entsprechend dem Drift der Ionen beseitigt wird und die Siganlanstiegszeit derjenigen der wesentlich schnelleren Eletronen entspricht. Da jedes Elektron den gleichen Potentialunterschied zwischen dem Frisch-Gitter 4 und der Anode 3 durchläuft und gleichmäßig zu dem Ausgangsimpuls beiträgt, wird die Impulsamplitude unabhängig von der Position der Bildung der ursprünglichen Elektronen-Ionen-Paare gemacht. In diesem Fall wird die Impulsamplitude proportional zu der Gesamtanzahl der Ionen-Paare, die entlang des Pfads der einfallenden Partikel oder der ionisierenden Strahlung gebildet werden.
Wie durch die Kurve des Signals über der Zeit in Fig. 2 dargestellt ist, erscheint das Signal nur, wenn die Gruppe von Elektronen zwischen dem Gitter und der Anode driftet. In Fig. 2 ist n&sub0;e Anzahl der Elektronen, y der Abstand von dem Frisch-Gitter 4, wo die einfallende Strahlung absorbiert wird, d der Abstand zwischen dem Frisch-Gitter 4 und der Anode 3, C die Kapazität des Frisch-Gitters 4 zur Schaltkreismasse, und v die Geschwindigkeit der Elektronen.
Es kann ebenfalls auf den Artikel mit dem Titel "Singlepolarity charge sensing in ionization detectors using coplanar electrodes", P. N. Luke, Apply. Phyx. Lett. 65(22), Seiten 2884- 2886, 28. November 1994, Bezug genommen werden, der einen Festkörperdetektor mit mehreren Anschlüssen beschreibt, der coplanare Elekroden verwendet, um Ladungsträger zu trennen, die durch die ionisiernde Strahlung erzeugt werden. In dieser Vorrichtung sind ineinandergreifende coplanare Gitterelektoden einer Oberfläche eines CdZnTe-Detektors angewendet, und eine gemeinsame Elektrode wird bei einer gegenüberliegenden Oberfläche angewendet. Erkannte Nachteile dieser Lösung umfassen eine Ungleichförmigkeit des elektrischen Felds und Schwierigkeiten beim Anwenden dieser Vorrichtungsgeometrie auf die Herstellung eines Arrays (beispielsweise eines zweidimensionalen Arrays) von ionisierenden Strahlungsdetektoren mit kleiner Pixelgröße. Darüber hinaus trägt der Leckstrom in dem gesamten coplanaren Schaltkreis zu dem Ausgangssignal bei.

AUFGABEN DER ERFINDUNG:

Es ist eine erste Aufgabe dieser Erfindung, einen Festkörperdetektor für ionisierende Strahlung vorzusehen, der die Probleme unvollständiger Ladungssammlung überwindet und der ferner den Vorteil eines gleichmäßigen elektrischen Feldes liefert.
Es ist eine zweite Aufgabe dieser Erfindung, einen Festkörperdetektor mit drei Anschlüssen und Gitter für ionisierende Strahlung vorzusehen. Es ist eine dritte Aufgabe dieser Erfindung, einen Festkörperdetektor mit drei Anschlüssen und Gitter vorzusehen, wobei nur ein Leckstrom aus einer relativ dünnen Schicht zwischen den Gitter- und Anodenanschlüssen zu dem Ausgangssignal beitragen kann.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Array von Festkörperdetektoren mit drei Anschlüssen und Gitter für ionisierende Strahlung vorzusehen, und ebenfalls Verfahren zum Betrieb und Herstellung eines solchen Arrays vorzusehen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorgenannten und andere Probleme werden überwunden und die Aufgaben der Erfindung werden realisiert von einem Festkörperdetektor mit drei Anschlüssen für ionisierende Strahlufig, der eine erste Schicht eines im wesentlichen intrinsischen II-VI Verbindungshalbleitermaterials wie CdZnTe aufweist. Die erste Schicht spricht auf einfallende ionisierende Strahlung an, um Elekronen-Loch-Paare zu erzeugen. Der Detektor umfaßt ferner eine zweite Schicht eines II-VI Verbindungshalbleitermaterials und eine dritte Schicht eines II-VI Verbindungshalbleitermaterials, das zwischen ersten Oberflächen der ersten Schicht und der zweiten Schicht liegt. Die dritte Schicht arbeitet als Gitterschicht. Ein erster elektrischer Kontakt ist mit einer zweiten Oberfläche der ersten Schicht verbunden, ein zweiter elektrischer Kontakt ist mit der zweiten Oberfläche der zweiten Schicht verbunden und ein dritter elektrischer Kontakt ist mit der dritten Schicht verbunden, um den Detektor mit einem äußeren Schaltkreis zu verbinden, der ein elektrisches Feld im Detektor aufbaut. Das elektrische Feld sorgt dafür, daß Löcher weg von der Gitterschicht in Richtung des ersten Kontakts driften, während Elektronen in Richtung und durch die Gitterschicht, durch die zweite Schicht und in Richtung des zweiten Kontakts driften, um einen erfaßbaren Ausgangssignalimpuls zu erzeugen. Aufgrund der vorhandenen Gitterschicht tragen nur die Elektronen zu dem Ausgangsimpuls bei. Die Gitterschicht besitzt einen Leitfähigkeitstyp, so daß Elektronen ein Minoritätsladungsträger innerhalb der Gitterschicht sind. Ein Übergang zwischen der Gitterschicht und der ersten Schicht besitzt einen Energiebandabstand, der als Sperre für Löcher wirkt, die ansonsten entweder von oder durch die dritte Schicht und in die erste Schicht laufen würden.
In einer hier bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt die Gitterschicht eine im wesentlichen kontinuierliche Schicht von p-Typ Hg(1-x)CdxTe, wobei x eine Wert im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,9 ist.
In anderen Ausführungsformen dieser Erfindung kann die Gitterschicht einen Bereich aufweisen, der einen Dotierungsstoff enthält, der in einer gelochten Struktur angeordnet ist, oder einen Bereich, der einen elektrischen Leiter enthält, der in einer gelochten Struktur angeordnet ist.
Es liegt ebenfalls im Bereich dieser Erfindung, ein- oder zweidimensionale Arrays von Detektoren für ionisierende Strahlung vorzusehen, wobei jedes einen Abschnitt einer gemeinsamen ersten Schicht und einer individuellen zweiten Schicht aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die zuvor ausgeführten und andere Merkmale der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, wenn sie in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen Detektors für ionisierende Strahlung ist, insbesondere eine mit Gittern versehene Ionenkammer, die ein Gas mit niederem Druck verwendet, um freie Elektronen und positive Ionen durch die einfallende Strahlung zu erzeugen, und ein Frisch-Gitter, um die Wirkung der Ionen auf das Ausgangssignal zu beseitigen;
Fig. 2 eine Kurve eines Ausgangsimpulses aus der mit Gitter versehenen Ionenkammer von Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Energieband-Diagramm ist, das die Halbleiterenergiebandprofile, relativ zu verschiedenen Schichten des Halbleitermaterials, in dem Festkörperdetektor für ionisiernde Strahlung dieser Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine vergrößerte, nicht maßstabsgetreue Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Festkörperdetektors für ionisierende Strahlung gemäß der Lehre dieser Erfindung ist;
Fig. 5 eine vergrößerte Draufsicht und Fig. 5B eine nicht maßstabsgetreue Seitenansicht eines Arrays von erfindungsgemäßen Detektoren für ionisierende Strahlung sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist eingangs angegeben worden, daß die Lehre dieser Erfindung allgemein auf Festkörperdetektoren für ionisierende Strahlung anwendbar ist. Ein momentan bevorzugtes Halbleitermaterial zur Herstellung der detektierenden Schicht ist CdZnTe, aber andere Verbindungshalbleiter wie CdTeSe, HgI&sub2;, GaAs und AlSb können ebenfalls verwendet werden. Hg(1-x)CdxTe können ebenfalls verwendet werden, solange der Wert von x groß gemacht wird und der resultierende Detektor bei niederen Temperaturen betrieben wird. Eine momentan bevorzugte, aber nicht einschränkende Betriebstemperatur liegt über dem Tiefsttemperaturbereich, wie beispielsweise bei Raumtemperatur, bei der Detektoren, die aus einem Elemtarhalbleiter wie Si und Ge hergestellt sind, nicht beeinflußt werden. Bei geeigneter Kühlung kann jedoch das Halbleitermaterial des Detektors Si oder Ge oder eine Si/Ge Legierung sein.
Fig. 3 ist ein Diagramm der Halbleiter-Energieband-Profile bei passend angelegten Betriebsspannungen für den Festkörperdetektor für ionisierende Strahlung 10, der im Querschnitt in Fig. 4 gezeigt ist. In Fig. 3 stellen Ec und Ev den Leitungsband-Rand bzw. den Valenzband-Rand dar. Ef stellt das Fermi-Niveau dar und ist nur in jenen Bereichen gezeigt, in denen das elektische Feld nahe oder gleich Null ist.
Bezug nehmend auf Fig. 4 sind die verschiedenen Schichten von Metallisierung und Halbleitermaterial wie folgt. Ein Metall- Kathodenkontakt 12 liegt unter einer ersten p-Typ HgCdTe Kontaktschicht 14 und einer zweiten p-Typ HgCdTe Kontaktschicht 16, die zusammen eine Kombinations-Kontaktschicht 17 eines kompositorisch abgestuften p-Typ Hg(1-x)CdxTe mit einer Dicke von etwa 10 um aufweisen. In der Schicht 14 ist beispielsweise der Wert von x gleich 0,2, während in der Schicht 16 der Wert von x zwischen etwa 0,8 und etwa 1,0 variieren kann. Es kann ebenfalls Bezug genommen werden auf das vorgenannte US-Patent Nr. 5,391,882 zur Beschreibung eines momentan bevorzugten kompositorisch abgestuften Kontaktschichtsystems.
Über der Kombinations-Kontaktschicht 17 liegt die die ionisierende Strahlung detektierende Schicht 18. In einer momentan bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung umfasst die detektierende Schicht 18 ein intrinsisches oder nahezu intrinsisches Cd1-yZnyTe und hat eine Dicke von typischerweise 1000 um. In der detektierenden Schicht 18 ist der Wert von y vorzugsweise gleich etwa 0,04 bis etwa 0,2 und ist undotiert (intrinsisch) oder sehr leicht dotiert mit einem Leitfähigkeitstyp. Über der detektierenden Schicht 18 liegt eine "Gitter"-Schicht 20, die, obwohl sie hier als Gitter bezeichnet wird, in dieser Ausführungsform vorzugsweise eine kontinuierliche dünne Schicht eines Verbindungshalbleitermaterials mit einer Dicke in einem Bereich von beispielsweise 0,1 um bis 5 um ist, wobei 1 um eine momentan bevorzugte Dicke ist. Die Gitterschicht 20 umfaßt beispielsweise p-Typ Hg1-xCdxTe (beispielsweise 1017 Dotierungsatome pro Kubikzentimeter), wobei x einen Wert im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,9 besitzt. Ein metallischer Kontakt 22 ist mit der Schicht 20 verbunden, um die Gitterschicht mit einer Gittervorspannungsquelle zu verbinden.
Über der Gitterschicht 20 liegt eine leicht dotierte Drift- oder Signalschicht 24, die ein n-Typ CdTe oder CdZnTe aufweist. Die Dicke der Signalschicht 24 liegt vorzugsweise im Bereich von 10 um bis 100 um, so daß die Signalschicht 24 wesentlich dünner, beispielsweise zumindest in einer Größenordnung dünner, als die detektierende Schicht 18 gemacht werden kann. Über der Signalschicht 24 liegt eine erste n-Typ HgCdTe Kontaktschicht 26 und eine zweite n-Typ HgCdTe Kontaktschicht 28, die zusammen eine Kombinationskontaktschicht 29 eines kompositorisch abgestuften n-Typ Hg(1-x)CdxTe mit einer Dicke von etwa 10 um aufweisen. In der Schicht 26 kann beispielsweise der Wert von x von etwa 0,8 bis etwa 0,9 variieren, während in der Schicht 28 der Wert von x etwa 0,2 gleicht. Es kann wieder auf das zuvor erwähnte US-Patent 5,391,882 für eine Beschreibung des momentan bevorzugten kompositorisch abgestuften Kontaktschichtsystems Bezug genommen werden. Ein Metallkontakt 30 (beispielsweise eine Au-Schicht) funktioniert als Anodenelektrode und wird während der Benutzung auf einem positiven Potential mit Bezug auf den Kathodenkontakt 12 gehalten. Die Potentialdifferenz zwischen dem Kathodenkontakt 12 und dem Anodenkontakt 13 baut ein elektrisches Feld über dem Detektor 10 in eine Richtung auf, die im allgemeinen rechtwinklig zu der Gitterschicht 20 ist. Insbesondere ist eine erste Vorspannungsquelle, die als Batterie 38 schematisch gezeigt ist, mit dem Kathodenkontakt 12 und dem Gitterkontakt 22 verbunden, während eine zweite unabhängige Vorspannungsquelle, die als Batterie 38b schematisch gezeigt ist, mit dem Gitterkontakt 22 und dem Anodenkontakt 30 verbunden ist.
Es sei angemerkt, daß die Vorrichtung planar ist (wobei der für den Gitterkontakt 22 reservierte Bereich ignoriert wird) und als Ergebnis das elektrische Feld über der Vorrichtung 10 im allgemeinen gleichförmig ist. Es sei ferner angemerkt, daß die elektrische Feldstärke des elektrischen Felds zwischen der Kathode/ Gitter sich unterscheiden kann von der elektrischen Feldstärke des Felds zwischen Gitter/ Anode.
Es liegt im Bereich der Lehre dieser Erfindung, die Kontaktschichten 17 und 29 durch Metallfilmkontakte zu ersetzen, die Schottky-Sperren einer Polarität bilden, die die Injektion von Trägern in das angrenzende Halbleitermaterial blockieren oder verschlechtern.
Es ist leicht zu erkennen, daß der Detektor 10 eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen (kurz dreipolige Vorrichtung genannt) ist, wobei ein externer Ausleseschaltkreis (nicht gezeigt) mit den zwei Kontaktelektroden 12 und 30 verbunden ist sowie mit dem Gitterschichtkontakt 22. Während des Betriebs wird der Kathodenkontakt 12 vorzugsweise relativ zum Gitterkontakt 22 auf mehreren Hundert Volt minus gehalten, und der Anodenkontakt 30 wird auf einem Potential gehalten, das bezüglich des Gitterkontakts 22 positiv ist.
Ein Kollimator 32 mit einer Öffnung 32a kann während des Betriebs plaziert werden, um eintreffende energetische ionisierende Strahlung 34 zu der Detektorschicht 18 zu lassen, obgleich er nicht Teil des Detektors 10 an sich ist. Alternativ kann Strahlung, die eine Energie größer als etwa 10 keV besitzt, in den relativ dünnen Kathodenbereich eindringen, der die Schichten 12, 14 und 16 aufweist, um in die detektierende Schicht 18 zu gelangen. Dieser letztgenannte Betriebsmodus wird bevorzugt, wenn Flächenarrays von Detektoren, wie in Fig. 5A und 5B dargestellt, konstruiert werden.
Die Funktionen der verschiedenen zuvor erwähnten Schichten werden nun beschrieben. Innerhalb der detektierenden Schicht 18 wird einfallende ionisierende Strahlung absorbiert und die Elektronen-Loch-Paare werden erzeugt wie in Fig. 3 gezeigt. Die Löcher driften in dem elektrischen Feld, das über den Detektor 10 durch eine Spannungsquelle, die schematisch als Batterien 38a und 38b gezeigt ist, aufgebaut wird. Die Löcher driften in Richtung der p-Typ Kontaktschicht 17, die bezüglich der Gitterschicht 20 negativ vorgespannt ist. Die Elektronen driften statt dessen in Richtung der Gitterschicht 20. Die Elektronen diffundieren entlang und durch die p-Typ Gitterschicht 20, innerhalb der sie Minoritätsträger sind und driften anschließend wiederum innerhalb des elektrischen Feldes durch die Signalschicht 24, bis sie die n-Typ Kontaktschicht 29 erreichen, die bezüglich der Gitterschicht 20 positiv ist.
Wie sich aus Fig. 4 ergibt, fließt aufgrund des Vorhandenseins der Gitterschicht ein erster Strom bedingt durch die schnelleren Elektronen (Ie) in eine erste Schaltung, die einen Lastwiderstand R1 aufweist. Der an diesem Lastwiderstand durch Ie erzeugte Impuls ist das Ausgangssignal (Impuls aus). Ein zweiter Strom, bedingt durch die langsameren Löcher (Ih) und auch der Elektronen, bevor sie das Gitter 20 erreichen, fließt durch eine zweite Schaltung. Auf diese Weise wird die Wirkung des Lochstroms aus dem Impuls-aus-Signal entfernt, in dem er auf die Gitter/Kathodenschaltung begrenzt wird, was das gewünschte Ergebnis ist.
An diesem Punkt der Beschreibung kann eine teilweise Analogie zu einem bipolaren Schicht-Transistor hergestellt werden. Das heißt, daß die Gitterschicht 20 als analog zu der Basis des Transistors betrachten werden kann und die Signalschicht 24 kann als analog zu dem Verarmungsbereich des umgekehrt vorgespannten Basis-Kollektor-Übergangs des Transistors betrachtet werden. Allerdings werden in einem Transistor die Minoritätsträger in die Basis injiziert mittels eines vorwärts vorgespannten Emitter-Basis-Übergangs, wohingegen in dem Detektor 10 dieser Erfindung die Minoritätsträger von der detektierenden Schicht 18 injiziert werden. Ein wesentlicher Punkt dieser Analogie besteht darin, daß injizierte Träger entlang eines schmalen Bereichs diffundieren können (das heißt der Gitterschicht 20), in der sie Minoritätsträger sind, und können dann durch ein elektrisches Feld auf die andere Seite des schmalen Bereichs schwappen.
Es ist für die dargestellte Ausführungsform von Bedeutung, daß die Gitterschicht ein p-Typ Halbleitermaterial ist, so daß die Elektronen Minoritätsträger innerhalb der Gitterschicht sein werden. Zusätzlich sollte die Gitterschicht 18 ausreichend dünn sein, so daß die Elektronen mit vernachlässigbarer Rekombination hindurchdiffundieren können. In dieser Hinsicht kann die Diffusionslänge Ldif der Elektronen in HgCeTe in Raumtemperatur konservativ geschätzt werden, indem eine Rekombinations- Lebenszeit von 107 Sekunden und eine Beweglichkeit von 1000 cm²V&supmin;¹sec&supmin;¹ angenommen wird. Gemäß der Beziehung, in der Ldif gleich der Quadratwurzel von (kTueτe)/q ist, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur, ue die Elektronenbeweglichkeit, τe die Elektronenlebensdauer und q die Ladung des Elektron ist, wird ein Wert von Ldif von etwa 16 um erhalten. Solange die Gitterschicht 20 im Vergleich zu Ldif dünn ist, können die Elektronen durch diese hindurch wandern, ohne signifikante Verluste zu erfahren.
Es ist ferner anzumerken, daß die Gitterschicht 20 eine ausreichende Leitfähigkeit aufweisen sollte, so daß Leckströme, die in oder aus der Gitterschicht 20 fließen, keinen Potentialunterschied in der Ebene der Gitterschicht erzeugen. Als Beispiel und unter Annahme eines Leckstroms von einem nA, was ein typischer Wert für einen CdZnTe p-i-n Gamma-Strahlendetektor ist, und ferner der Ermöglichung einer maximalen Abweichung von nur 1 mV von einem gleichmäßigen Potential über die gesamte Gitterschicht 20, ist der Schichtwiderstand vorzugsweise kleiner als 10&sup6; Ω. Nimmt man eine Dicke der Gitterschicht 20 von 1 um an, kann dieser Schichtswiderstandswert leicht mit einem p-Typ Dotierungsniveau von 10¹&sup5; cm³ oder mehr erreicht werden.
Es ist ebenfalls anzumerken, daß der Bandabstand der Gitterschicht 20 kleiner sein sollte als der Bandabstand der detektierenden Schicht 18, so daß eine Barriere in dem Valenzband an der Schnittstelle zwischen diesen beiden Schichten entsteht, wie in Fig. 3 gezeigt. Diese, durch einen Bandabstands- Unterschied induzierte Barriere oder Sperre funktioniert, um Majoritätsträger (d. h. Löcher) an einer Injektion in die detektierende Schicht 18 zu hindern und daran zu hindern, Leckstrom und Rauschen zu verursachen. Andererseits sollte es eine geringe oder gar keine Sperre im Leitungsband an dem Übergang zwischen der Gitterschicht 20 und der Signalschicht 24 geben, da eine solche Sperre den Elektronenfluß behindern würde. Das Fehlen einer solchen Sperre für Elektronen kann gewährleistet werden, indem die Signalschicht 24 leicht dotiert wird, um ein n- Typ zu sein.
Schließlich soll noch angemerkt werden, daß der Dicke der detektierenden Schicht 18 und der Signalschicht 24 Beachtung geschenkt werden muß. Die Dicke der detektierenden Schicht 18 kann in einem Bereich von 100 um bis zumindest 10 000 um (1 cm) reichen, wobei typische Werte im Bereich von 1 000 um bis 2 000 um liegen. Die Dicke der detektierenden Schicht 18 wird festgelegt durch die Absorptionslänge typischer Gamma-Strahlen in dem CdZnTe-Halbleitermaterial, das die detektierende Schicht 18 aufweist. Die ionisierende Strahlung kann in den Detektor 10 durch die p-Typ Kontaktschicht 17 gelangen, oder durch die Seite, wie für die einfallende Strahlung 34 in Fig. 4 dargestellt, oder für Hochenergiequellen (beispielsweise größer 500 keV) durch den Anodenkontakt 30. Bei dieser letztgenannten Konfiguration durchdringt die Strahlung die Signalschicht 24 und die Gitterschicht 20 und wird in einer relativ dicken detektierenden Schicht 18 absorbiert. In jeder der vorgenannten verschiedenen Konfigurationen kann ionisierende Strahlung die Signalschicht 24 erreichen und/oder in dieser absorbiert werden, was nicht erwünscht ist. Allerdings kann die Absorption der ionisierenden Strahlung in der Signalschicht 24 minimiert werden, indem die Signalschicht 24 relativ dünn gemacht wird, beispielsweise im Bereich von 10 um bis 100 um.
Obgleich Fig. 4 einen einzelnen Detektor darstellt, können ein- und zweidimensionale Arrays von Detektoren auf einem einzelnen Wafer oder einem Substrat von beispielsweise CdZnTe hoher Qualität ebenfalls hergestellt werden, wie in Fig. 5A und 5B gezeigt. Die verschiedenen Kontakt-, Gitter- und Signalschichten werden durch eines oder eine Kombination geeigneter Aufwachsverfahren aufgewachst, wie beispielsweise Molekularstrahlepitaxie (MBE), Dampfphasenepitaxie (VPE), metallorganische chemische Bedampfung (MOCVD) oder Flüssigphasenepitaxie auf oder über das CdZnTe-Substrat. MBE ist die momentan bevorzugte Aufwachstechnik, da sie in der Lage ist, dünne Schichten hoher Qualität eines Halbleitermaterials zu bilden. Allerdings liegt es beispielsweise innerhalb des Umfangs der Erfindung, die Gitterschicht 20 durch LPE aufzuwachsen und dann die Gitterschicht auf die gewünschte Dicke zu verdünnen, bevor die Signalschicht 24 aufgewachst wird.
Fig. 5A und 5B zeigen ein zweidimensionales Array 40 von Detektoren oder Pixeln 10 für ionisierende Strahlung. In dieser Ausführungsform ist das CdZnTe-Material der detektierenden Schicht 18 für alle Detektoren gemeinsam, während die Signalschicht 24 und die darüberliegende Kontaktschicht 29 in eine Vielzahl von Mesastrukturen 24 getrennt werden, beispielsweise durch ein oder mehrere reaktive Ionen-Ätzungen, Ionenfräsen oder naßchemisches Ätzen. Alternativ können die Mesastrukturen 24 mit strukturierten Abscheidungstechniken aufgewachst werden. Jede Mesastruktur 42 weist eine elektrische Zwischenverbindung auf, wie eine herkömmliche In-Bondstelle 44, um die individuellen Detektoren für ionisierende Strahlung des Arrays 40 mit einer externen integrierten Ausleseschaltung (nicht gezeigt) zu verbinden. In dieser Hinsicht sei Bezug genommen auf das US-Patent Nr. 5,379,336, "Hybridized Semiconductor Pixel Detector Arrays for use in Digital Radiography", von G. Kramer et al.
In der Ausführungsform von Fig. 5A und 5B ist die Gittermetallisierung 22 und die Kathodenmetallisierung 12 gemeinsam mit allen Detektoren verbunden, wobei die Gittermetallisierung 22 zwischen den Mesastrukturen 42 zur Kontaktierung der darunterliegenden Gitterschicht 20 läuft. Alternativ könnte die Gittermetallisierung 20 die Gitterschicht 20 nur an den Rändern des Arrays und/ oder an einigen Stellen innerhalb des Arrays kontaktieren.
Beim Betrachten der Fig. 5A und 5B sollte erkannt werden, daß Oberflächen der Mesastrukturen 42 mit einer Schicht 43 passiviert werden können, die ein dielektrisches Material, (beispielsweise ein Oxid) oder ein Halbleitermaterial mit relativ breitem Bandabstand aufweist. Als solches ist die Gittermetallisierung 22 über der Passivierungschicht 43 ausgebildet und kontaktiert die Gitterschicht 20 über geeignet ausgebildete Öffnungen innerhalb der Passivierungsschicht.
Bei dieser Ausführungsform kann die einfallende ionisierende Strahlung durch die Kathodenmetallisierung 12 eingeführt werden, wie dies zuvor beschrieben wurde.
Die individuelle Detektor- oder Pixelgröße des Arrays 40 ist eine Funktion der erwarteten Energie der ionisierenden Strahlung für eine beabsichtigte Anwendung und der seitlichen Ausbreitung der Haupt-Photoelektronen. Nur als Beispiel kann für eine nuklearmedizinische Anwendung, bei der die ionisierende Strahlung eine Energie von etwa 40 keV hat, ein 375 um (Mitte zu Mitte Abstand) für die individuellen Detektoren geeignet sein, wohingegen bei einer niederenergetischen diagnostischen Röntgenstrahlungsanwendung der Detektorabstand wesentlich geringer sein kann.
Es soll angemerkt werden, daß obgleich die zuvor offenbarten Ausführungsformen der Erfindung eine Schicht eines Halbleitermaterials (d. h. eine Schicht HgCdTe) als Gitterschicht 20 verwenden, es innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt, die Gitterschicht 20 in einer unterschiedlichen Weise auszubilden. In einer Ausführungsform kann die Gitterschicht 20 beispielsweise als Ergebnis einer/eines strukturierten Ionen- Implantation oder Ionenstrahlschreibens sein. In diesem Fall kann ein erster relativ dünner Abschnitt der n-Typ Signalschicht 24 aufgebracht werden, beispielsweise durch MBE. Als nächstes wird die Struktur aus dem Vakuum der MBE- Aufwachskammer in das Vakuum einer Ionen-Implantierungskammer überführt, und eine gelochte Struktur (ein Array von rechtwinklig liegenden Linien) eines geeigneten p-Typ Dotierungsstoffs wie As in den ersten Abschnitt der n-Typ Signalschicht 24 implantiert. Der sich ergebende strukturierte dotierte Bereich bildet die Gitterschicht 20. Die Struktur wird dann zurück in die MBE-Aufwachskammer geführt, um das Aufwachsen der Signalschicht 24 auf die gewünschte Dicke zu vervollständigen. Es ist anzumerken, daß es nicht notwendig ist, die Struktur aus dem Vakuum während der Überführungsvorgänge zu entfernen.
Es liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, die Art des Dotierungsstoffs aus einer strukturierten Festkörperquelle durch thermische Diffusionsvorgänge einzubringen.
Es liegt ebenfalls innerhalb des Umfanges dieser Erfindung, eine gelochte, elektrisch leitfähige Struktur durch Sputtern oder Aufdampfen eines geeigneten elektrischen Leiters, wie beispielsweise Metall, auf der Oberfläche der detektierenden Schicht 18 und vor dem Aufwachsen der darüberliegenden Signalschicht 24 auszubilden. In diesem Fall funktioniert die elektrisch leitende Gitterstruktur als Gitterschicht 20.
In beiden letztgenannten Ausführungsformen driften die Elektronen durch die Öffnungen in dem Gittermuster, im Gegensatz zu dem Driften durch die kontinuierliche Halbleiterschicht, wie mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben.
Während die Erfindung insbesondere mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben und gezeigt wurde, ist es für den Durchschnittsfachmann klar, Änderungen der Form und der Merkmale, die hier vorgetragen wurden, vorzunehmen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Detektor für ionisierende Strahlung (10), mit

einer ersten Schicht (18), die ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die erste Schicht auf einfallende ionisierende Strahlung anspricht, um Elektronen-Loch-Paare zu erzeugen;

einer zweiten Schicht (24), die ein Halbleitermaterial aufweist;

einer Elektroden-Einrichtung (20), die zwischen einer ersten Oberfläche der ersten Schicht und einer ersten Oberfläche einer zweiten Schicht liegt; und

eine Einrichtung (12, 17, 29, 30) zum Errichten eines elektrischen Feldes zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht derart, daß Löcher weg von der Elektroden- Einrichtung wandern und Elektronen hin zu und durch die Elektroden-Einrichtung, durch die zweite Schicht wandern und ein erfaßbares Ausgangssignal erzeugen.

2. Detektor für ionisierende Strahlung nach Anspruch 1, wobei die Elektroden-Einrichtung eine dritte Schicht eines Halbleitermaterials aufweist, das einen Leitfähigkeitstyp besitzt, derart, daß Elektronen Minoritätsladungsträger innerhalb der dritten Schicht sind.

3. Detektor für ionisierende Strahlung nach Anspruch 2, wobei die dritte Schicht eine Dicke besitzt derart, daß im wesentlichen alle injizierten Elektronen die dritte Schicht passieren und in und durch die zweite Schicht wandern.

4. Detektor für ionisierende Strahlung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Errichtung eines elektrischen Feldes einen ersten Kontaktbereich benachbart zu einer zweiten Oberfläche der ersten Schicht, einen zweiten Kontaktbereich benachbart zu einer zweiten Oberfläche der zweiten Schicht aufweist, wobei der erste Kontaktbereich bezüglich der Elektroden- Einrichtung negativ vorgespannt ist, und wobei der zweite Kontaktbereich in Bezug auf die Elektroden-Einrichtung positiv vorgespannt ist.

5. Detektor für ionisierende Strahlung nach Anspruch 1, wobei die Elektroden-Einrichtung eine dritte Schicht eines Halbleitermaterials aufweist, wobei die Energie des Bandabstands der dritten Schicht geringer ist als die Energie des Bandabstands der ersten Schicht an einem Übergang zwischen der ersten Schicht und der vierten Schicht, und wobei die Energie des Bandabstands der dritten Schicht geringer als oder im wesentlichen gleich zu der Energie des Bandabstands der zweiten Schicht an einem Übergang zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht ist.

6. Detektor für ionisierende Strahlung nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht, die zweite Schicht und die Elektroden- Einrichtung jeweils ein II-VI Halbleitermaterial aufweist.

7. Detektor für ionisierende Strahlung nach Anspruch 1, wobei die Elektroden-Einrichtung eine im wesentlichen durchgehende Schicht des p-Typ Hg(1-x)CdxTe aufweist, wobei x einen Wert im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,9 hat.

8. Detektor für ionisierende Strahlung nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht jeweils ein II- VI Halbleitermaterial aufweist, und wobei die Elektroden- Einrichtung einen Bereich aufweist, der einen Dotierungsstoff enthält, der in einem Lochmuster angeordnet ist oder einen elektrischen Leiter aufweist, der in einem Lochmuster angeordnet ist.

9. Detektor für ionisierende Strahlung nach Anspruch 1, wobei es ein Feld von Detektoren für ionisierende Strahlung gibt, wobei das Feld aufweist:

die erste Schicht mit einem Halbleitermaterial, wobei die erste Schicht auf einfallende ionisierende Strahlung zur Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren anspricht;

die zweite Schicht mit einem Halbleitermaterial;

den Elektroden-Bereich, der zwischen der ersten Oberfläche der ersten Schicht und der ersten Oberfläche der zweiten Schicht angeordnet ist;

eine erste elektrische Kontakteinrichtung, die mit einer zweiten Oberfläche der ersten Schicht verbunden ist, eine zweite elektrische Kontakteinrichtung, die mit einer zweiten Oberfläche der zweiten Schicht verbunden ist, und eine dritte elektrische Kontakteinrichtung, die mit dem Elektroden-Bereich verbunden ist, um eine Verbindung zu einer externen Schaltung herzustellen, die ein elektrisches Feld über den Detektor errichtet, derart, daß Löcher weg von dem Elektroden-Bereich in Richtung der ersten Kontakt- Einrichtung driften und daß Elektronen in Richtung zu und durch den Elektroden-Bereich, durch die zweite Schicht und in Richtung zu der zweiten Kontakt-Einrichtung driften, um ein erfaßbares Ausgangssignal zu erzeugen;

wobei die zweite Schicht und die zweite elektrische Kontakt-Einrichtung in eine Vielzahl von getrennten zweiten Schichtabschnitten (42) und entsprechende zweite elektrische Kontakt-Einrichtungsabschnitte (2, 30, 44) unterschieden werden, von denen jeder in Kombination mit einem darunter liegenden Abschnitt des Elektroden-Bereichs und einem darunter liegenden Abschnitt der ersten Schicht einen Detektorbildpunkt für ionisierende Strahlung bilden.

10. Verfahren zum Betrieb eines Detektors für ionisierende Strahlung (10) mit den Schritten:

Absorbieren von ionisierender Strahlung und Erzeugen von Elektronen-Loch-Paaren in einer ersten Schicht (18), die ein Halbleitermaterial aufweist, wobei die erste Schicht von einer zweiten Schicht (24), die ebenfalls ein Halbleitermaterial aufweist, getrennt ist durch eine Elektrode (20), die zwischen einer ersten Oberfläche der ersten Schicht und einer ersten Oberfläche der zweiten Schicht angeordnet ist; und

Errichten eines elektrischen Feldes zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht, derart, daß Löcher weg von der Elektrode driften und Elektronen hin zu und durch die Elektrode, durch die zweite Schicht driften und ein erfaßbares Ausgangssignal erzeugen, wobei der Beitrag der Löcher zu dem erfaßbaren Ausgangssignal minimiert ist.