INTEGRATED SEMICONDUCTOR DETECTOR OF PARTICLES AND/OR X-RAYS

Abstract: 1. A semiconductor detector for X-rays and corpuscular radiation comprising a scintillation body and a photo-diode having a blocking layer junction and electrodes, where the scintillation body (2) and the photo-diode are two portions of a single monolithic semiconductor body (2) consisting of a III-V-semiconductor material, where the semiconductor material having a direct junction of the portion forming the scintillation body (2), and the material of the portion forming the photo-diode (5) exhibit a considerably different absorption behaviour towards the photons (4) which are produced by the radiation (5) to be detected, characterised in that the material of the portion forming the scintillation body (2) is a semiconductor material whose quantum energy of radiating junctions corresponds to the energy gap between a low-energy branch of the conduction band and a high-energy branch of the valence band.

Description: Röntgen- und/oder Eorpuskularstrahlungs-Halbleiter- detektor in integrierter Bauweise. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Röntgen- und/oder Korpuskularstrahlungs-Detektor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist. Für die Computer-Tomografie und für die Radiografie sind Detektoren für Röntgenstrahlung und/oder Eorpus- kularstrahlung erforderlich, die z.B. zur Vermeidung hoher Strahlenbelastung des Patienten hochempfindlich sein missen. Um eine getreue Abbildung des zu untersuchenden Objekts zu erhalten, ist aber ausserdem auch exakte Proportionalität der analogen Detektorwerte erforderlich, wobei insbesondere keine Detektorsignal Verzerrung durch Ermüdungseffekte, Nachleuchten und dergleichen auftreten darf. Ein weiteres wichtiges Erfordernis ist auch, dass der jeweilige Detektor trotz hoher Empfindlichkeit relativ klein sein muss, nicht zuletzt auch deshalb, damit hohe räumliche Auflösung zu erzielen ist. Es gibt bereits eine grosse Anzahl von Detektoren für Röntgenstrahlen, und zwar ausser den Ionisationskammern auch Halbleiterdetektoren aus Germanium, Silizium, Xadmium-Tellurid, Quecksilber-Jodid und dergleichen. Diese arbeiten auf der Basis eines fotoelektrischen Effekts. Nach dem Prinzip eines fotooptischen Effekts arbeiten Kombinationsdetektoren, die einen Szintillationskörper haben, dessen Szintillationsstrahlung dann mit Hilfe eines Fotodetektors in elektrisches Signal für den Computer umgesetzt wird. Ein solcher Eombina- tionsdetektor ist z.B. derjenige, der aus einem Natrium Jodid-Eristall besteht, an den eine Silizium-Fotodiode mit lichtdurchlässigem Klebstoff befestigt ist. Andere Szintillationsmaterialien sind Cäsiumjodid, Wismut Germaniumoxid, Xadmium-Wolframat. Szintillationskörper aus solchen Stoffen haben zwar relativ hohe Strahlung absorption, so dass die Szintillationskörper relativ klein sein können. Sie haben aber auch wesentliche Nachteile, die z.B. darin bestehen, dass sie ein Nachleuchten zeigen und/oder zu kleine Impulse liefern und/ oder wenig Photonen pro nachzuweisendem Quant entstehen. Damit ist die Proportionalität bzw. Exaktheit der analogen Detektorwerte abhängig von den Vorgängen, die vor Aufnahme des einzelnen Detektorwertes abgelaufen sind. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen für Röntgen- und/oder Eorpuskularstrahlung geeigneten Halbleiterdetektor anzugeben, der eine Lösung des Problems ist, hohe Detektionsempfindlichkeit, geringen Raumbedarf und getreue Wiedergabe der analogen Detektorwerte zu bieten. Diese Aufgabe wird mit einem Halbleiterdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäss mit den Merkmalen des Xennzeichens des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die vorliegende Erfindung beruht auf einer Xombination einer Anzahl von verschiedenen Gedankengängen, die im erfindungsgemässen Halbleiterdetektor verkörpert sind. Hohe Empfindlichkeit ist zum einen dadurch zu erreichen, dass man für den Szintillationskörper ein solches Mate rial verwendet, das hohe interne Quantenausbeute von z.B. grösser 10% hat und das ausserdem auch einen geringen Selbstabsorptionseffekt aufweist. Weitere Ge sichtspunkte sind möglichst hohe Absorption für die zu detektierenden Strahlungsquanten einerseits und höchstens geringfügiges Auftreten von Nachleuchten und ähnlichen störenden Effekten andererseits. Weiter ist durch integrierten Aufbau gemäss einem Merkmal derEr- findung dafür gesorgt, dass mit hohem Wirkungsgrad erzeugte Fotoquanten.möglichst störungs- und verlustfrei in die vorgesehenen Fotodioden gelangen und dort absorbiert werden. F5r den Szintillationskörper des erfindungsgemässen Halbleiterdetektors ist ein III-V-Verbindungshalblei termaterial, insbesondere auf der Basis des Galliumarsenids, Galliumphosphids, Indiumantimonids ... und dergleichen vorgesehen. Insbesondere Galliumarsenid, Indiumphosphid und Indiumantimonid haben eine genügend hohe spezifische Absorption für Röntgen- und Korpus kularstrahlung, so dass schon von dieser Seite her ein erfindungsgemässer Halbleiterdetektor relativ geringe Abmessungen haben kann. Hohe Quantenausbeute an Lichtquanten, die durch absorbierte Strahlungsquanten der Röntgen- oder Korpuskularstrahlung ausgelöst worden sind, lässt sich durch günstige Störstellenkonzentration im Halbleitermaterial des Szintillationskörpers erzielen. Dies gilt insbesondere für Szintillationskörper, die als epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht realisiert sind. Für einen erfindungsgemässen Halbleiterdetektor ist darauf zu achten, dass der Szintillationskörper eine geringe Selbstabsorption hat. Unter Selbstabsorption versteht man den Effekt, dass in einem Halbleiterkörper mit insbesondere direktem Band-Band Übergang (wie z.B. in Galliumarsenid) an einer Stelle des Körpers durch Absorption von Röntgenquanten er zeugte Lumine s Lumineszenz-Lichtquanten wieder absorbiert wer- den, und zwar insbesondere auch mit Auftreten strahlungsloser Übergänge. Geringe Selbstabsorptionseffekte erhält man bei Halbleitern mit indirektem Band-Band-Ubergang, wie z.B. in Galliumphosphid (dotiert mit Zink und Sauerstoff). In einem solchen Halbleitermaterial beruht die erzeugte tumineszenzstrahlung auf Störstellen-Stbrstellen- oder Störstellen-Band-Ubergängen, die eine geringere Quantenenergie haben, als es dem Band-Band-Abstand dieses indirekten Halbleitermaterials entspricht. Lichtquanten solcher Übergänge werden nur zu einem ganz geringen Masse in solchen dotierten Halbleiterkörpern reabsorbiert und können die Oberfläche dieses Halbleiterkörpers im wesentlichen ungedämpft erreichen. Eine zweite Möglichkeit geringen Selbstabsorptionseffekts bieten solche direkte Halbleiter, die ein "band gap-shrinking" haben. Ein typischer Vertreter eines solchen direkten Halbleiters ist Galliumarsenid, das mit Silizium dotiert ist. Strahlende Übergänge haben dort eine Quantenenergie, die dem Energieabstand zwischen einem niedrigenergetischen Ausläufer des Leitungsbandes und einem höherenergetischen Ausläufer des Valenzbandes entspricht, so dass diese Quantenenergie kleiner als die dem Bandabstand im Galliumarsenid entsprechende Quantenenergie ist. Eine weitere Variante, eine gemäss einem Merkmal der Erfindung geringe Selbstabsorption zu erhalten, ist die, einen Halbleiterkörper vorzusehen, der von seinem einen Ende zu seinem anderen Ende einen laufend zunehmenden Bandabstand hat. Ein Beispiel für ein Material für einen solchen Halbleiterkörper ist ein Gallium-Aluminium arsenid-Mischkristall, in dem das Gallium:Aluminium Verhältnis sich vom einen Ende des Halbleiterkörpers zum anderen Ende desselben hin kontinuierlich ändert. Ein an einem Ort des Halbleiterkörpers durch Strahlungsabsorption erzeugtes Lichtquant mit der Quantenenergie des dort herrschenden Bandabstandes wird im Halbleiterkörper auf seinem Weg in Richtung zunehmenden Bandabstandes nicht mehr absorbiert und kann dessen Oberfläche ohne weiteres erreichen. In der Gegenrichtung dazu würde das Lichtquant zwar nach kurzer Wegstrecke absorbiert werden. Im Mittel ergibt sich damit grob abgeschätzt eine Ausbeute von 50% des theoretischen Maximalwertes. Diese Ausbeute wird sogar dadurch noch verbes sert, daB in der Gegenrichtung laufende Lichtquanten nicht nur absorbiert werden, sondern auch entsprechend einem Photon-Recycling erneut strahlenden Übergang mit Photonenemission erzeugen können, wobei für diese Photonen wiederum 50% Wahrscheinlichkeit des Weges in Richtung zunehmenden Bandabstandes und damit verschwindender Absorption besteht. Für die Erfindung ist eine Kombination eines direkten Halbleiters der zweiten oben beschriebenen Ausfuhrungs- variante mit der Variante mit sich räumlich ändernder Energielücke von besonderem Interesse. Die vorangehende Beschreibung des Erfindungsgedankens betraf den Szintillationskörper, für den durch'die Wahl der voranstehend erläuterten Bedingungen und Umstände die Möglichkeit eröffnet ist, III-V-Halbleitermaterial zu verwenden. Solches Halbleitermaterial ist aber auch als Fotodiode mit Sperrschicht-Übergang oder mit pn Übergang geeignet. Unter Ausnutzung der der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken kann ein einziger monolithischer Halbleiterkörper aus III-V-Halbleitermaterial derart aufgebaut werden, dass ein erster Anteil des sei ben als Szintillationskörper zu verwenden ist und ein zweiter Anteil desselben die Fotodiode bildet, wobei beide Anteile ohne körperliche bzw. äussere Grenzfläche ineinander übergehen. Der Szintillationskörper-Anteil besteht z.B. aus Ga1 xAlxAs mit von Ort zu Ort (stetig) anwachsendem x, d.h. anwachsendem Aluminiumanteil, wobei der Aluminiumanteil in Richtung auf den Fotodioden Anteil des Halbleiterkörpers grösser wird. Zwecks leichteren Verständnisses der Erfindung und zur Erläuterung optimierter Bemessungen und optimaler Materialauswahl sei auf die nachfolgende, anhand der Figuren gegebene Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung hingewiesen. Fig.1 zeigt einen erfindungsgemässen Halbleiter-Detektor. Fig.2 zeigt ein erläuterndes Diagramm des Band-Schemas. Fig.1 zeigt insgesamt mit 1 bezeichnet einen erfindungsgemässen Halbleiterdetektor, der in integrierter Bauweise einen Szintillationskörper 2 umfasst, in den,- wie oben beschrieben, die mit 3 bezeichnete Röntgen- oder Korpuskularstrahlung eingestrahlt wird. Diese eingestrahlte Strahlung 3 erzeugt im Szintillationskörper 2 Lichtemission, d.h. Photonen. Mit 4 ist eine solche auf Absorption der Strahlung 3 beruhende Photonen-Emission schematisch dargestellt. Mit der für Photonen Emission bekannten Wahrscheinlichkeit gelangt dieses Photon 4 in den Bereich des Fotodioden-Anteils des Halbleiterdetektors 1. Dieser Fotodioden-Anteil bzw. der physikalisch als Fotodiode wirksame Anteil ist ein Sperrschicht-Übergang, z.B. ein pn-Ubergang. Ein solcher pn-Übergang ist z.B. in der Weise zu realisieren, dass man an den Körper 2 angrenzend eine Halbleiterschicht 5 vorsieht, wobei der Körper 2 und die Halbleiterschicht 5 aus Halbleitermaterial mit jeweils einander entgegengesetztem Leitungstyp bestehen. Zum Beispiel besteht der Szintillationskörper 2 aus p-leitendem Gallium Aluminiumarsenid, das mit Silizium dotiert ist. Dazu passend kann die Schicht 5 aus undotiertem oder schwach dotiertem n-leitenden Galliumarsenid mit einer Störstel lenkonzentration von z.B. 1015.cm bestehen. In dem Bereich der gemeinsamen Grenzfläche zwischen Szintillationskörper 2 und Halbleiterschicht 5 liegt dann somit der einer Ausführungsform eines Sperrschicht-Übergangs entsprechende pn-Ubergang vor, in dem aus dem Photon bzw. Lichtquant 4 ein Elektronen-Lochpaar gebildet wird (wie dies von jeder Fotodiode her gut bekannt ist). Mit 6 ist beim Ausführrngsbeispiel der Fig.1 ein Sub stratkörper bezeichnet. --Er dient hier in erster Linie dazu, den Halbleiterdetektor 1 nach.der Technologie der epitaxialen Abscheidung herzustellen,-nämlich indem auf der (in der Fig.1 oberen) Oberfläche des Substratkörpers 6 zunächst das Aufwachsen der Schicht 5 vorgenommen wird, auf der dann weiter das Material des Szintillationskörpers 2 epitaktisch aufgewachsen wird.. Epitaktisches Aufwachsen führt zu besonders störungsfreiem Halbleiter -material, was wiederum geringe Verluste der für den Halbleiterdetektor 1 relevanten physikalischen Effekte gewährleistet. Es sei darauf hingewiesen, dass der Substratkörper 6 nach Herstellung des aus der Schicht 5 und dem Szintillationskörper 2 bestehenden Gebildes von diesem z.B. durch Abätzen entfernt werden kann. Wird der Substratkörper 6 nicht entfernt, sollte er z.B. entartet N+-dotiert sein. Im vorletzten Absatz war auf die Elektronen-Lochpaar Erzeugung hingewiesen. Dieses in dem Sperrschicht-Uber- gang (zwischen 2 und 5) entstehende Elektronen-Lochpaar befindet sich im Wirkungsbereich eines elektrischen Feldes, das zwischen zwei Elektroden des Halbleiterkörpers 1 herrscht, wovon die eine Elektrode 7 wenigstens weitgehend die in der Fig.1 obere Oberfläche des Szin tillationskörpers 2 bedeckt und den Anschluss 8 hat, und von denen die zweite Elektrode 9 die inder Fig.1 untere Seite des Substratkörpers 6 bedeckt (und, da sie in der Darstellung der Fig.1 an sich nicht sichtbar ist, durch eine gestrichelte Umrandung lediglich angedeutet ist). Der Anschluss der Elektrode 9 ist mit 10 bezeichnet. Zwischen den Anschlüssen 8 und 10 erhält man einen elektrizee Stromstärke J,dauf Absorption von Lichtquanten oder Photonen 4 beruht, die durch Absorption der Strahlung. 3 in dem einen Anteil des Halbleiterdetektors 1 bildenden Szintillationskörper 2 erzeugt worden sind. Im Regelfall ist für die Verwendung eines erfindungsgemässen Halbleiterdetektors 1 in einem Computer-Tomografen oder in einem Radiografen eine relativ hohe räumliche Auflösung für die Strahlung 3 gefordert. Das bedeutet, dass die am Szintillationskörper 2 relevante Eintritts-; fläche 12 für die Strahlung 3 (bei dem in der Fig.1 dar -gestellten Ausführungsbeispiel) vorteilhafterweise dieser geforderten Auflösung angepasste Abmessung haben sollte. Zum Beispiel empfiehlt es sich, die Abmessung b 1 mm bis 13 mm gross und die Abmessung c 100jum bis 500/um gross zu machen. Zum Beispiel lässt sich eine Abmessung c, d.h. eine Schichtdicke eines durch epitaktische Abscheidung erzeugten Szintillationskörpers 2 mit 300/um unter Anwendung bekannter Verfahrenstechnologie herstellen. Für die Abmessung a, die bei wie in der Fig.1 einfallender Strahlung 3 für die Länge des zur Verfügung stehenden Absorptionsweges der Strahlung 3 wesentlich ist, sind Abmessungen zwischen 3 mm und 50 mm zu empfehlen. Zum Beispiel ist eine Abmessung a mit 15 mm für eine Strahlung 3 mit einer Quantenenergie von 40 bis 525 keV gut angepasst, denn die mittlere Weglänge der Absorption ist ausser von der Kernladungszahl (Pro tonen- und Neutronenzahl) des Halbleitermaterials des Szintillationskörpers 2 auch von der Quantenenergie der Strahlung 3 abhängig. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass man die Strahlung 3 auch in schrägem Winkel (beispielsweise zur Fläche 12 bzw. 13) in den erfindungsgemässen Halbleiterdetektor einfallen lassen kann, womit Verlängerung der zur Verfugung stehenden mittleren Absorp tionslänge erzielt werden kann. Für die Halbleiterschicht 5 ist z.B. eine Abmessung von 2/um bis 20/um günstig. Der Substratkörper 6 kann im Grundsatz eine beliebige Dicke haben, jedoch empfiehlt es sich, dessen Dicke nur so gross zu wählen, wie dies für die Ausführung der Epitaxie notwendig ist, um ein eventuelles Entfernen des Substratkörpers zu erleichtern. Für das Halbleitermaterial des Szintillationskörpers 2 ist eine Dotierung von 1.1018 bis 1 1019cm¯3 zu empfehlen. Bereits oben ist darauf hingewiesen worden, dass zur Vermeidung störenden Selbstabsorptionseffekts im Szintillationskörper 2 Variationsmöglichkeiten zur Verfügung stehen, nämlich beispielsweise für diesen Körper 2 ein III-V-Halbleitermaterial mit indirektem Übergang (für Ladungsträger im Bänderschema) vorzusehen. Ein solches Material ist beispielsweise Galliumphosphid, das mit Zink und Sauerstoff dotiert ist. Es handelt sich dabei um ein solches Material, von dem man spricht, dass es Leuchtzentren hat. In diesen Leuchtzentren erzeugte Photonen bzw. Lichtquanten 4 haben praktisch keine Absorption in diesem indirekten Halbleitermaterial und sie gelangen ohne weiteres bis in den Bereich des oben erwahAten Sperrschicht-Übergangs (zwischen 2 und 5). Die andere bereits erwähnte Variante ist die, ein Halbleitermaterial mit sogenanntem direkten übergang, wie z.B. Galliumarsenid, zu verwenden, das mit Silizium dotiert ist. Mit dieser Siliziumdotierung lässt sich nämlich eine solche Veränderung im Banderschema des Galliumarsenids erreichen, die dazu führt, dass die Quantenenergie der erzeugten Photonen 4 kleiner ist als der exakte Bandabstand des Galliumarsenids, so dass diese Photonen 4 theoretisch und in der Praxis nur geringfE- gig auf ihrem Weg durch das Material des Szintillationskörpers 2 zum Sperrschicht-Übergang der Fotodiode absorbiert werden. Oben ist auch bereits eine weitere Variante erläutert, bei der für den Szintillationskörper 2 ein III-V-Halbleiter-Mischkristallmaterial verwendet wird mit in Richtung auf den Sperrschicht-Ubergang hin zunehmendem Bandabstand. Fig.2 zeigt ein Diagramm eines Profils des Bandabstands für eine Ausführungsform nach Fig.1, und zwar entsprechend der dritten Variante mit räumlich sich änderndem Bandabstand; Die Abszisse 21 entspricht der Ortskoordinate, wobei mit dem Doppelpfeil c auf die in der Fig.1 angegebene Schichtdicke des Szintillationskörper Anteils 2 hingewiesen ist. Die Bezugszeichen 5 und 6 in Fig.2 weisen auf die Bereiche der Halbleiterschicht 5 und des Substratkörpers 6 in der Fig.1 hin. Auf der Ordinate ist die Energie E aufgetragen. Der Nullpunkt der Ordinate EF ist das Energie-Niveau der Fermi-Kante. Mit EL und EV ist auf die Bandkante des Leitungsbandes und die des Valenzbandes hingewiesen. Der Kurvenzug 22 zeigt gegenüber dem konstant bleibenden Energie-Niveau 23 des Valenzbandes die gemäss dieser Variante der Ausführungsfo= der Erfindung vorgesehene räumliche Zunahme des Bandabstandes, der mit dem Dop pelpfeil 24 für einen Ort in die Fig.2 eingetragen ist. Ein z.B. an dem dem Doppelpfeil 24 entsprechenden Ort erzeugtes Lichtquant 4 erfahrt auf seinem Weg in Richtung zum Ort des Sperrschicht-Übergangs 25 wegen des vergleichsweise zu seiner Quantenenergie stets grösseren Bandabstands keine Absorption und kann praktisch verlustlos in den Bereich der mit 26 und 27 kenntlich gemachten Potentialabfälle des Sperrschicht-Übergangs gelangen. Die Potentialverläufe in den in'Fig.2 mit 5 und 6 bezeichneten Bereichen der Schicht 5 und des Substratkörpers 6 sind üblicher Art und bedürfen keiner weiteren Erläuterung. 7 Patentansprüche 2 Figuren,

Claims: Patentansprüche: 1. Röntgen- und/oder Xorpuskula rstrahlungs-Ha lble iter- detektor mit einem Szintillationskörper und mit einer Fotodiode mit Sperrschicht-Übergang und mit Elektroden, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass der Szintillationskörper (2) und die Fotodiode zwei Anteile eines einzigen monolithischen Halbleiterkörpers (1) aus einem III-V-Halbleitermaterial sind, wobei das Material des den Szintillationskörper (2) bildenden Anteils und das Material des die Fotodiode (5) bildenden Anteils voneinander stark unterschiedliches Absorptionsverhalten für die durch die zu detektierende Strahlung (3) erzeugten Photonen (4) haben. 2. Detektor nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass das Material des den Szintillationskörper (2) bildenden Anteils ein III-V-Halbleitermaterial mit räumlich zum Sperrschicht-Ubergang (5) hin zunehmendem Bandabstand (24) ist. 3. Detektor nach Anspruch 2, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass das Material des Szintillationskörpers (2) Gallium-Aluminiumarsenid der Formel Ga1-As mit räumlich zum Sperrschicht-Übergang (5) hin zunehmendem Wert von x ist. 4. Detektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass das Material des den Szintillationskörper (2) bildenden Anteils ein III-V-Halb- leitermaterial mit geschrumpfter Energielücke (band gap shrinking) ist. 5. Detektor nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass das Material des den Szintillationskörper (2) bildenden Anteils Silizium-dotiertes Galliumarsenid mit einer Siliziumdotierung mit wenigstens 71018cm3 ist. 6. Detektor nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass das Material des den Szintillationskörper (2) bildenden Anteils ein Material mit Leuchtzentren ist, die strahlende Rekombination liefern. 7. Detektor nach Anspruch 6, g e-k e n n z e i c h n e t dadurch, dass das Material des den Szintillationskörper (2) bildenden Anteils Galliumphosphid mit Zink und Sauerstoff dotiert ist.

Inventors: GLASOW, PETER, RUHLE, WOLFGANG, DR. PHYS., WEYRICH, CLAUS, DR. PHYS., Rühle, Wolfgang, Dr. Phys.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1981
Main classification: G01T1
IPC codes: H01L31, G01T1