DE102009047202A1

DE102009047202A1 - Detektor

Info

Publication number: DE102009047202A1
Application number: DE102009047202A
Authority: DE
Inventors: Achim Gratz; Norbert Thyssen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2010-07-01
Also published as: US8017902B2; US20100148039A1

Abstract

Ein Detektor umfasst ein erstes Halbleitersubstrat und ein zweites Substrat, wobei das erste Halbleitersubstrat ein Detektorelement zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels umfasst und das zweite Substrat eine Steuerschaltung umfasst. Das Detektorelement erstreckt sich von einer ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats zu einer zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats.

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf einen Detektor und ein Verfahren zum Erfassen von Strahlung oder Partikeln.
Strahlungs- oder Partikel-Detektoren mit einer räumlichen oder zeitlichen Auflösung benötigen häufig große Sensorarrays. Ein wichtiger Faktor für die räumliche Auflösung ist die Anzahl von Sensoren pro Bereich.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Detektor, ein Verfahren zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels und ein Computerprogramm mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Detektors;
2 eine schematische Darstellung eines Detektorelements;
3 eine schematische Darstellung einer direkten Verbindung eines ersten Halbleitersubstrats und eines zweiten Substrats;
4 ein schematische Darstellung eines Detektorelements und einer Steuerschaltung; unde
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Detektors 100, der einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung entspricht. Der Detektor 100 weist ein erstes Halbleitersub strat 110 und ein zweites Substrat 130 auf, wobei das erste Halbleitersubstrat 110 ein Detektorelement 120 zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels aufweist und das zweite Substrat 130 eine Steuerschaltung 140 aufweist.
Das Detektorelement 120 erstreckt sich von einer ersten Hauptoberfläche 112 des ersten Halbleitersubstrats 110 zu einer zweiten Hauptoberfläche 114 des ersten Halbleitersubstrats 110 und weist eine erste Elektrode 122 an der ersten Hauptoberfläche 112 und eine zweite Elektrode 124 an der zweiten Hauptoberfläche 114 auf. Die erste Hauptoberfläche 112 und die zweite Hauptoberfläche 114 sind gegenüberliegende Seiten des ersten Halbleitersubstrats 110. Die erste Elektrode 122 des Detektorelements 120 ist (gezeigt durch Bezugszeichen 128) mit einem ersten Kontakt 126 des Detektorelements 120 an der zweiten Hauptoberfläche 114 verbunden, und die zweite Elektrode 124 des Detektorelements 120 bildet einen zweiten Kontakt des Detektorelements 120 an der zweiten Hauptoberfläche 114.
Die Steuerschaltung 140 ist mit einem ersten Kontakt 142 an der ersten Hauptoberfläche 132 des zweiten Substrats 130 und einem zweiten Kontakt 144 an der ersten Hauptoberfläche 132 des zweiten Substrats 130 verbunden, wobei die Anordnung des ersten Kontakts 142 und des zweiten Kontakts 144 der Steuerschaltung 140 auf der ersten Hauptoberfläche 132 des zweiten Substrats 130 einer gespiegelten Anordnung des ersten Kontakts 126 und des zweiten Kontakts 124 des Detektorelements 120 auf der zweiten Hauptoberfläche 114 des ersten Halbleitersubstrats 110 entspricht, zum Bereitstellen einer direkten Verbindung des ersten Halbleitersubstrats 110 und des zweiten Substrats 130. Der erste Kontakt 126 des Detektorelements 120 ist mit dem ersten Kontakt 142 der Steuerschaltung 140 verbunden, und der zweite Kontakt 124 des Detektorelements 120 ist mit dem zweiten Kontakt 144 der Steuerschaltung 140 verbunden.
Aufgrund der beschriebenen Anordnung des Detektorelements 120 an dem ersten Halbleitersubstrat 110 und der Steuerschaltung 140 an dem zweiten Substrat 130 kann der Bereich pro Detektorelement 120 wesentlich reduziert werden, wobei der Bereich des Detektorelements in diesem Fall als der Bereich definiert ist, der durch das Detektorelement 120 und die entsprechende Steuerschaltung belegt ist. Daher kann der so genannte Besetzungsgrad des Sensors (Detektors), der der Bereich ist, der tatsächlich zur Erfassung verwendet wird, im Verhältnis zum Gesamtbereich, erhöht werden. Dies ist nicht möglich, wenn das Detektorelement 120, das auch Sensorpixel genannt wird, und die zugeordnete Schaltungsanordnung oder Steuerschaltung 140 auf planare Weise integriert sind. Ferner ist die Komplexität der Steuerschaltung, z. B. einer Betätigungs- und Analyse- Schaltungsanordnung, nicht durch eine gegebene Empfindlichkeit beschränkt, z. B. die Anzahl von Detektorelementen pro Bereich, wie es bei einer planaren Integration eingeschränkt ist. Anders ausgedrückt hängt die Größe (und daher die Komplexität) der Steuerschaltung z. B. nicht von der Größe dieses Teils des Bereichs ab, der nicht durch die Detektorelemente verwendet wird, da die Steuerschaltung und die Detektorelemente auf unterschiedlichen Substraten angeordnet sind.
Zusätzlich dazu erfordert die direkte Integration, dass bestimmte Charakteristika des Sensorelements (Detektorelements) und der Komponenten der Schaltungsanordnung (Steuerschaltung) gegeneinander abgewogen werden, und sie können nicht oder nur schwierig unabhängig voneinander optimiert werden. Durch Trennen des Detektorelements und der Steuerschaltung auf zwei unterschiedliche Substrate können die Verfahrenstechnik zum Herstellen des ersten Halbleitersubstrats, das das Detektorelement aufweist, und des zweiten Substrats, das die Steuerschaltung aufweist, unabhängig für die jeweiligen Bedürfnisse optimiert werden. Ferner kann eine Unterbrechung der Analyse- und Betätigungs-Schaltungsanordnung (Steuerschaltung), was dadurch verursacht werden kann, dass eine Strahlung oder ein Partikel auf den Sensor (Detektor) trifft, verhindert werden durch Trennen des Detektorelements und der Steuerschaltung. Daher ist ein weiteres optisches Untersuchen der Steuerschaltung nicht notwendig und die Kosten des Detektors, z. B. eines Sensorarrays oder eines Detektorelementarrays, können reduziert werden.
Aufgrund der Trennung des tatsächlichen Sensors (Detektorelement) und der Steuerschaltung (z. B. Betätigungs- und Analyse-Schaltungsanordnung) und einer gleichzeitigen separaten Herstellung der entsprechenden Wafer können z. B. die Charakteristika der Komponenten und ihre Herstellungskosten getrennt voneinander optimiert werden. Dies kann die zusätzlichen Kosten der vertikalen Integration ausgleichen oder sogar überkompensieren.
Somit weist der Detektor eine vertikale Integration des Detektorelements auf, z. B. ein Array aus Detektorelementen oder ein Sensorarray, und die Steuerschaltung, z. B. Betätigungs- und Analyse-Elektronik, durch die die Detektorelementverbindungen (oder z. B. aus des gesamten Sensorarray) auf der Rückseite angeordnet sind (der zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats) und mit den entsprechenden Verbindungen für die Steuerschaltung verbunden sind (z. B. Betätigungs- und Analyse-Elektronik).
Somit ist das Detektorelement oder z. B. ein ganzes Array aus Detektorelementen oder ein Sensorarray von der Steuerschaltung getrennt (z. B. Analyseelektronik) und kann in dieselben integriert sein z. B. durch vertikales Stapeln auf der Chip- oder Wafer-Ebene.
Der Detektor kann eine Mehrzahl von Detektorelementen aufweisen, die z. B. als ein Array angeordnet sind. Der Detektor wird auch ein Sensor genannt und ein Array aus Detektorelementen wird auch ein Sensorarray genannt. Durch Verwenden von mehr als einem Detektorelement kann es notwendig sein, eine optische Untersuchung bzw. ein Screening für die Detektorelemente anzuordnen. Das optische Untersuchen der Detektorelemente (Sensoren) von einem anderen kann realisiert oder bewirkt werden durch Gräben (zwischen den Detektorelementen), die z. B. mit einem Material gefüllt sind, das nicht transparent ist für Licht.
Die Verbindung zwischen der ersten Elektrode des Detektorelements auf der ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats und dem ersten Kontakt des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche kann auf unterschiedliche Weisen realisiert werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden Gräben, die sowieso für das optische Untersuchen vorhanden sein können, verwendet, um eine Elektrode (die erste Elektrode auf der ersten Hauptoberfläche) des Detektorelements (das z. B. eine Diode ist) zu der Rückseite zu leiten (zweite Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats), während der Kontakt direkt zu der zweiten Elektrode von der Rückseite (zweite Hauptoberfläche) hergestellt sein kann. Zum Beispiel können die ersten Elektroden der Detektorelemente eines Detektorelementarrays als eine gemeinschaftlich verwendete Elektrode realisiert sein, während die zweite Elektrode individuell für jedes Detektorelement realisiert sein kann, was auch ein Pixel genannt wird. Daher kann der erreichbare Besetzungsgrad bestimmt werden durch ein notwendiges, optisches Untersuchen. Die Steuerschaltung (z. B. Betätigungs-Analyse-Schaltungsanordnung) kann den gesamten Bereich eines individuellen Pixels einnehmen (oder mehr, wenn eine Neuverteilung für die Kontakte der Steuerschaltungen ausgeführt wird), und somit können z. B. komplexere Betätigungs-Analyse-Funktionen (komplexere Steuerschaltung) realisiert werden, ohne Nachteil für den Besetzungsgrad.
Die vertikale Integration, oder anders ausgedrückt, die Verbindung des ersten Halbleitersubstrats und des zweiten Substrats, kann realisiert werden durch direktes Verbinden der zwei Wafer (oder Chips) mit Hilfe von Stiften oder Höckern und (Festphasen-)Lötprozes sen, wobei der Sensorwafer (das erste Halbleitersubstrat) z. B. auf eine Dicke von weniger als 100 μm vor der Anordnung verdünnt wird. Die Dicke kann ausgewählt sein gemäß dem verwendeten Detektorelementtyp (z. B. Photodiode, Lawinenphotodiode) oder den Herstellungsmöglichkeiten, und kann von ungefähr 600 μm bis hinab zu ungefähr 10 μm oder wenn möglich auch weniger variieren. Zum Beispiel kann die Dicke weniger als ungefähr 600 μm, 300 μm, 100 μm, 50 μm, 20 μm, 10 μm oder 1 μm sein oder kann zwischen ungefähr 1 μm und 600 μm, 1 μm und 300 μm, 1 μm und 100 μm, 1 μm und 10 μm, 10 μm und 100 μm oder 50 μm und 200 μm variieren. Aufgrund einer direkten Verknüpfung zwischen entsprechenden Verbindungen kann eine sehr kurze Leiterlänge erreicht werden.
Alternativ können Zwischenverbindungen über eine Zwischenschicht bewirkt werden. Die Nachspeisung der Elektroden, die auf der Oberfläche des Sensorarrays liegen (der ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats), kann bewirkt werden durch die Gräben, die in vielen Fällen zum Zweck einer optischen Untersuchung vorhanden sind, die z. B. mit einem hochdotierten Polysilizium oder mit einem Metall gefüllt sind, um den Widerstandswert zu reduzieren. Die Grabenfüllung kann alternativ vor der Anordnung entfernt werden und durch ein Material mit einer höheren Leitfähigkeit ersetzt werden.
Alternativ, nur nachdem der Wafer verdünnt wurde, können die Gräben entweder teilweise oder vollständig eingebracht werden und mit einem hochleitfähigen Material gefüllt werden, wie z. B. Kupfer, von der Rückseite des Wafers.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der Detektor ein Hochspannungsteil auf. Wenn ein Hochspannungsteil (HV-Teil; HV = high voltage) benötigt wird, z. B. zum Steuern des Detektorelements, kann das Hochspannungsteil durch planare Integration in dem Sensorarray (an dem ersten Halbleitersubstrat) integriert sein, wohingegen das Niedrigspannungsteil (LV-Teil; LV = low voltage), das z. B. die Betätigungs- und Analyse-Schaltungsanordnung ist, an dem zweiten Substrat integriert sein kann, das auch ein Basiswafer genannt wird. Dies reduziert den Besetzungsgrad etwas, vermeidet aber die Kosten der Integration des Hochspannungsteils (HV) auf den Basiswafer, woraus z. B. eine weitere Kostenoptimierung resultieren kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung 200 des Detektorelements 120, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Detektorelement 120 ist in diesem Fall als eine Lawinenphotodiode mit einer hoch-P-dotierten Region (P+) an der ersten Hauptoberfläche 112, einer hoch-N-dotierten Region (N+, z. B. n+ Epitaxieschicht) an der zweiten Haupt oberfläche 114 und einer niedrig-N-dotierten Region (N–), die auch die Lawinenregion genannt wird, dazwischen entworfen.
Auf der linken und der rechten Seite des Detektorelements 120 ist ein Graben 210 gezeigt, der die erste Elektrode 122 des Detektorelements 120 auf der ersten Hauptoberfläche 112 mit dem ersten Kontakt 126 des Detektorelements 120 auf der zweiten Hauptoberfläche 114 verbindet. Die Gräben 210 weisen eine leitfähige Grabenfüllung 214 auf, die durch eine Grabenisolation 212, auch genannt Grabenauskleidung, von dem umliegenden Halbleitersubstratmaterial isoliert ist.
Wie vorangehend erwähnt wurde, kann das erste Halbleitersubstrat (Wafer) von der Rückseite (zweite Hauptoberfläche) nach der Verarbeitung verdünnt werden, und die erste Elektrode 126 und die zweite Elektrode 124 können als ein Höcker oder Stiftmaterial realisiert sein. Durch Verwenden einer Mehrzahl von Detektorelementen kann die erste Elektrode, z. B. die Anode, ein gemeinsamer Anschluss in dem Array sein. Das Detektorelement in Form der Lawinenphotodiode ist auf dem ersten Halbleitersubstrat 110 integriert (z. B. oberer Wafer), und eine Steuerschaltung auf dem zweiten Substrat, z. B. CMOS-Bodenwafer.
Das Symbol 220 zeigt die elektrische Funktion des Detektorelements an.
Die Gräben weisen z. B. ein Aspektverhältnis zwischen ungefähr 3 bis 1 und ungefähr 100 bis 1 auf. Die Dicke der Grabenisolation kann von der Dicke eines Gateoxids bis zu mehreren Mikrometern reichen, abhängig von der angelegten Spannung. Zum Beispiel kann der Graben eine Breite von ungefähr 2 μm und eine Grabenisolation mit einer Dicke von ungefähr 0,5 μm aufweisen. Die leitfähige Grabenfüllung kann den gesamten Graben füllen oder ist nur als eine dünne, leitfähige Schicht auf der Grabenisolation realisiert.
Zum Beispiel benötigen Szintillationsdetektoren für PET-Scanner (Positronemissionstomographie; positron emission tomography) und andere Strahlungsdetektoren mit einer räumlichen oder zeitlichen Auflösung große Arrays aus Einzelphotonensensoren. Ein Einzelphotonen-Detektorelement kann als ein Photovervielfacher oder eine Lawinenphotodiode (APD; avalanche photo diode) realisiert sein. Lawinenphotodioden können für kurze Perioden über der Durchschlagspannung in dem sogenannten Geiger-Modus betrieben werden und abhängig von der Überspannung können Verstärkungsfaktoren von weit über 1.000 durch die Lawinenwirkung realisiert werden und somit ist es möglich, einzelne Photonen zu erfassen. Lawinenphotodioden sind jedoch sehr rauschbehaftet aufgrund der thermischen Erzeugung von Ladungsträgern, abgesehen von welchen die Lawinendurchschlagspannung gestoppt werden muss durch Verringern der Spannung über die Diode, um eine Zerstörung der Komponente zu verhindern. Zu diesem Zweck wird z. B. eine sogenannte Lösch-Schaltung verwendet. Abgesehen davon ist es häufig nötig, fehlerhafte Dioden zu deaktivieren und eine äußerst präzise räumlich und zeitlich aufgelöste Analyse der Erfassungsereignisse zu realisieren. Daher kann eine komplexe Schaltung, die z. B. für jedes Pixel des Sensors repliziert werden muss (jedes Detektorelement des Detektors), notwendig sein.
Während eines Lawinen-Durchschlags werden auch Photonen erzeugt und somit ist es notwendig, das Nebensprechen (zwischen den Detektorelementen) z. B. durch geeignet große Beabstandung oder durch lichtdichtes Screenen der Sensoren voneinander zu steuern. Das optische Screenen kann, wie vorangehend erwähnt wurde, durch Gräben zwischen den Detektorelementen realisiert sein. Durch Verwenden von Gräben für die Verbindungen der ersten Elektroden und der ersten Kontakte der Detektorelemente kann eine Bestrahlung durch Licht, das durch einen Lawinendurchschlag selbst erzeugt wird, durch geeignetes Strukturieren der Verbindungen (Gräben) und der Materialien verhindert werden, die für die vertikale Integration verwendet werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung der direkten Verbindung 300 des ersten Halbleitersubstrats 110 und des zweiten Substrats 130, die einem Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht. 3 zeigt einen ersten Kontakt 126 und einen zweiten Kontakt 124 des Detektorelements 120 auf der zweiten Hauptoberfläche 114 des ersten Halbleitersubstrats 110 und die gespiegelte Anordnung des ersten Kontakts 142 und des zweiten Kontakts 144 der Steuerschaltung auf der ersten Hauptoberfläche 132 des zweiten Substrats 130.
Wie vorangehend erwähnt wurde, können die Kontakte z. B. als Höcker oder Stifte realisiert sein und können durch einen Lötprozess verbunden sein. Die verbleibenden Hohlräume zwischen dem ersten Halbleitersubstrat 110 und dem zweiten Substrat 130 können mit Füllmaterial gefüllt sein.
Bei diesem Beispiel weist das zweite Substrat 130 eine Mehrzahl von Metallschichten 310 auf, wobei zwei Schichten gezeigt sind und eine Mehrzahl von leitfähigen Verbindungen 320 (Durchkontaktierungen) zwischen den Metallschichten 310. Zusätzlich dazu weist das zweite Substrat 130 ein zweites Halbleitersubstrat auf, wo die aktiven Elemente (z. B. Transistoren) der Steuerschaltung angeordnet sind. Der erste Kontakt 142 und der zweite Kontakt 144 der Steuerschaltung sind durch die Metallschichten 310 und die Verbindungen zwischen den Metallschichten 320 mit den aktiven Elementen der Steuerschaltung verbunden.
Der erste Kontakt 142 und der zweite Kontakt 144 der Steuerschaltung können direkt auf der letzten Metallschicht verarbeitet werden (die Metallschicht am nächsten zu der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats), die mit den Metallschichten darunter durch die letzte Durchkontaktierungsschicht verbunden ist. Das erste Halbleitersubstrat wird auch ein oberer Wafer genannt, der z. B. ein Lawinenphotodiodenarray aufweist, und das zweite Substrat wird auch ein unterer Wafer genannt, der z. B. die Steuerschaltung (z. B. Steuer- und Erfassungsschaltung) in der CMOS-Technik aufweist.
4 zeigt eine schematische Darstellung 400 eines Detektorelements 120 und einer Steuerschaltung 140, die einem Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht. 4 zeigt ein ringförmiges Detektorelement 120, das ungefähr von derselben Größe ist wie die quadratische Steuerschaltung 140. Bei diesem Beispiel weist das Detektorelement 120 eine Ringform auf, aber auch eine quadratische Form oder eine rechteckige Form ist möglich. Das Verwenden einer Ringform kann die Entwicklung eines homogenen, elektrischen Feldes unterstützen.
Durch Verwenden einer Steuerschaltung 140 von ungefähr derselben Größe wie dem Detektorelement 120 führt zu einer guten Nutzung des Bereichs des ersten Halbleitersubstrats und des Bereichs des zweiten Substrats. Die Größe der Steuerschaltung 140 hängt von ihrer Komplexität ab. Wenn die Größe der Steuerschaltung 140 größer ist als das Detektorelement 120, ist es möglich, den Besetzungsgrad der Detektorelemente beizubehalten durch Neuverteilen der Kontakte der Steuerschaltung durch Metallschichten, so dass die Kontakte der Steuerschaltung trotzdem die gespiegelte Anordnung der Kontakte des Detektorelements behalten.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels, das einem Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht. Das Verfahren 500 weist eine Erfassung auf, bei Schritt 510, der Strahlung oder des Partikels durch ein Detektorelement und eine Bewertung, bei Schritt 520, eines Detektorsignals durch eine Steuerschaltung.
Das Detektorelement ist in einem ersten Halbleitersubstrat angeordnet und erstreckt sich von einer ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats zu einer zweiten Haupt oberfläche des ersten Halbleitersubstrats. Das Detektorelement weist eine erste Elektrode auf der ersten Hauptoberfläche und eine zweite Elektrode auf der zweiten Hauptoberfläche auf, wobei die erste Hauptoberfläche und die zweite Hauptoberfläche auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Halbleitersubstrats sind. Die erste Elektrode des Detektorelements ist mit einem ersten Kontakt des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden, und die zweite Elektrode des Detektorelements bildet einen zweiten Kontakt des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche.
Das Detektorsignal wird durch die erfasste Strahlung oder einen erfassten Partikel verursacht.
Die Steuerschaltung ist an dem zweiten Substrat angeordnet und ist mit einem ersten Kontakt auf einer ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats und einem zweiten Kontakt auf der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats verbunden. Eine Anordnung des ersten Kontakts und des zweiten Kontakts der Steuerschaltung auf der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats entspricht einer gespiegelten Anordnung des ersten Kontakts und des zweiten Kontakts des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats. Auf diese Weise wird eine direkte Verbindung des ersten Halbleitersubstrats und des zweiten Substrats ermöglicht, so dass der erste Kontakt des Detektorelements mit einem ersten Kontakt der Steuerschaltung verbunden ist und der zweite Kontakt des Detektorelements mit dem zweiten Kontakt der Steuerschaltung verbunden ist.
Ein optionales Rücksetzen des Detektorelements nach dem Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels kann ausgeführt werden, wobei der Rest des Detektorelements durch die Steuerschaltung gesteuert wird.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine Konstruktion eines Detektorarrays aus siliziumbasierten, integrierten Schaltungen. Dies kann von Interesse sein, da sie zu relativ niedrigen Kosten hergestellt werden können.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das Detektorelement eine Lawinenphotodiode. Für eine Lawinenphotodiode kann es notwendig sein, z. B. Einzelphotonenereignisse zu erfassen. Durch Verwenden einer separaten Steuerschaltung für jedes Detektorelement kann die Zeitauflösung sehr hoch sein, da es während eines Rücksetzens eines einzelnen Detektorelements möglich ist, ein anderes Photon mit den anderen Detektorelementen zu erfassen. Zum Beispiel ist das Auslesen einer Zeile oder einer Spalte von Detektorelementen ebenfalls möglich, was den notwendigen Bereich für die Steuerschaltung reduzieren würde, aber dadurch kann die Zeitauflösung nachlassen.
Anstelle einer Lawinenphotodiode kann auch eine normale Photodiode verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der Detektor eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung auf, da durch Trennen der Steuerschaltung und der Detektorelemente eine hohe Komplexität der Steuerschaltung für jedes Detektorelement erreichbar ist, trotz eines hohen Besetzungsgrads der Detektorelemente.
Dies ist z. B. von hohem Interesse für einen Positron-Emissions-Tomographie-Scanner oder eine Hochgeschwindigkeitskamera.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine Verwendung eines Detektors innerhalb eines Positron-Emissions-Tomographie-Scanners (PET-Scanner; PET = positron-emission-tomography). Um das Abtasten bzw. Scannen auszuführen, wird ein kurzlebiges, radioaktives Tracer-Isotop in das lebende Objekt injiziert (üblicherweise in den Blutkreislauf). Der Tracer wird chemisch in ein biologisch aktives Molekül eingelagert und zerfällt schließlich und emittiert ein Positron.
Wenn das Radioisotop einer Positron-Emissions-Zersetzung unterzogen wird (auch bekannt als positiver Betazerfall), emittiert es ein Positron, das Antimaterien-Gegenstück eines Elektrons. Nachdem es sich bis zu einige Millimeter bewegt, trifft das Positron auf ein Elektron und wird mit diesem vernichtet, wodurch ein Paar aus Vernichtungs-(Gamma-)Photonen erzeugt wird, die sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Diese werden erfasst, wenn sie den Detektor erreichen. Die Technik hängt von der gleichzeitigen oder zusammenfallenden Erfassung des Paares aus Photonen ab; Photonen, die nicht in Paaren ankommen (d. h. innerhalb eines Zeitgebungsfensters von wenigen Nanosekunden), werden ignoriert. Da die zwei Photonen die Detektorelemente auf gegenüberliegenden Seiten des Detektors erreichen müssen, wobei der Detektor z. B. ein Ringdetektor ist, kann thermisches Rauschen ignoriert werden.
Der wesentlichste Teil von Elektron-Positron-Zerfall führt zu zwei 511-keV-Gammaphotonen, die bei fast 180 Grad zueinander emittiert werden; somit ist es möglich, ihre Quelle entlang einer geraden Koinzidenzlinie zu lokalisieren (die formal auch die Antwortlinie oder LOR (LOR = line of response) genannt wird). In der Praxis hat die LOR eine finite Breite, da die emittieren Photonen nicht genau 180 Grad entfernt sind. Wenn die Wiederherstellzeit der Detektoren im Bereich von Pikosekunden ist und nicht im Bereich von mehreren 10 Nanosekunden, ist es möglich, das Ereignis auf ein Segment einer Sehne zu lokalisieren, deren Länge durch die Detektorzeitgebungsauflösung bestimmt wird. Wenn sich die Zeitgebungsauflösung verbessert, verbessert sich das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (SNR; signal to noise ratio) des Bildes, was weniger Ereignisse erforderlich macht, um dieselbe Bildqualität zu erreichen. Daher ist die Zeitauflösung sehr wichtig.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf einen Detektor mit einer Mehrzahl von Detektorelementen. Die Detektorelemente können in einem Array mit Zeilen und Spalten angeordnet sein, in einer Anordnung mit einer anderen Symmetrie oder ohne jegliche Symmetrie.
Einige weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf Detektorelemente mit einer Kreisform. Die Kreisform des Detektorelements kann eine Entwicklung eines homogenen, elektrischen Feldes unterstützen. Durch Verwenden einer Mehrzahl von Detektorelementen mit einer Kreisform können die Detektorelemente z. B. mit einer hexagonalen Symmetrie angeordnet sein.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf ein Lawinenphotodiodenarray mit einem hohen Füllfaktor (Besetzungsgrad) und einer integrierten Steuerschaltungsanordnung (integriert auf einem zweiten Substrat).
Bei der vorliegenden Anmeldung werden dieselben Bezugszeichen teilweise für Objekte und Funktionseinheiten mit denselben oder ähnlichen funktionalen Eigenschaften verwendet.
Obwohl sich einige Ansprüche nur auf einen anderen Anspruch beziehen, kann auch eine Kombination mit weiteren Ansprüchen möglich sein.
Genauer gesagt wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Bedingungen das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speicherungsmedium erfolgen, insbesondere auf einer Diskette oder einer CD mit elektronisch lesbaren Steuersignalen, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem so zusammenzuarbeiten, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Im Allgemeinen besteht die Erfindung somit in einem Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Anders ausgedrückt kann die Erfindung auch als Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens realisiert sein, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer ausgeführt wird.

Claims

Detektor (100), der folgende Merkmale aufweist: ein erstes Halbleitersubstrat (110), das ein Detektorelement (120) zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels aufweist, wobei sich das Detektorelement (120) von einer ersten Hauptoberfläche (112) des ersten Halbleitersubstrats (110) zu einer zweiten Hauptoberfläche (114) des ersten Halbleitersubstrats (110) erstreckt und eine erste Elektrode (122) auf der ersten Hauptoberfläche (112) und eine zweite Elektrode (124) auf der zweiten Hauptoberfläche (114) aufweist, wobei die erste Hauptoberfläche (112) und die zweite Hauptoberfläche (114) gegenüberliegende Seiten des ersten Halbleitersubstrats (110) sind, wobei die erste Elektrode (122) des Detektorelements (120) mit einem ersten Kontakt (126) des Detektorelements (120) auf der zweiten Hauptoberfläche (114) verbunden ist und die zweite Elektrode (124) des Detektorelements (120) einen zweiten Kontakt (144) des Detektorelements (120) auf der zweiten Hauptoberfläche (114) bildet; und ein zweites Substrat (130), das eine Steuerschaltung (140) aufweist, wobei die Steuerschaltung (140) mit einem ersten Kontakt (142) auf einer ersten Hauptoberfläche (132) des zweiten Substrats (130) und einem zweiten Kontakt (144) auf der ersten Hauptoberfläche (132) des zweiten Substrats (130) verbunden ist, wobei eine Anordnung des ersten Kontakts (142) und des zweiten Kontakts (144) der Steuerschaltung (140) auf der ersten Hauptoberfläche (132) des zweiten Substrats (130) einer gespiegelten Anordnung des ersten Kontakts (126) und des zweiten Kontakts (124) des Detektorelements (120) auf der zweiten Hauptoberfläche (114) des ersten Halbleitersubstrats (110) entspricht, zum Liefern einer direkten Verbindung des ersten Halbleitersubstrats und des zweiten Substrats (130), wobei der erste Kontakt (126) des Detektorelements (120) mit dem ersten Kontakt (142) der Steuerschaltung (140) verbunden ist und der zweite Kontakt des Detektorelements (120) mit dem zweiten Kontakt (144) der Steuerschaltung (140) verbunden ist.
Detektor (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Halbleitersubstrat ein zweites Detektorelement aufweist, wobei eine erste Elektrode des zweiten Detektorelements auf der ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats mit der ersten Elektrode des ersten Detektorelements verbunden ist und die zweite Elektrode des zweiten Detektorelements an der zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats einen zweiten Kontakt des zweiten Detektorelements auf der zweiten Oberfläche des ersten Halbleitersubstrats bildet.
Detektor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Halbleitersubstrat (110) eine Mehrzahl von Detektorelementen aufweist, die als ein Array angeordnet sind.
Detektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Steuerschaltung eine Bewertungseinheit und eine Steuereinheit aufweist, wobei die Bewertungseinheit konfiguriert ist, um ein Signal aus dem Detektorelement zu bewerten, und die Steuereinheit konfiguriert ist, um das Detektorelement zu steuern.
Detektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das erste Halbleitersubstrat (110) eine Dicke zwischen der ersten Hauptoberfläche (112) und der zweiten Hauptoberfläche (114) von weniger als 300 μm aufweist.
Detektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Elektrode (122) des Detektorelements und der erste Kontakt des Detektorelements durch eine leitfähige Füllung eines Grabens verbunden sind, wobei sich der Graben von der ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats zu der zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats erstreckt.
Detektor (100) gemäß Anspruch 6, bei dem der Graben mit einem lichtundurchlässigen Material zum Reduzieren von Streulicht gefüllt ist.
Detektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Detektor so konfiguriert ist, dass die höchste Betriebsspannung, die innerhalb einer beliebigen elektrischen Schaltung an dem ersten Halbleitersubstrat verwendet wird, höher ist als die höchste Betriebsspannung, die innerhalb einer beliebigen elektrischen Schaltung an dem zweiten Substrat verwendet wird.
Detektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das zweite Substrat (130) ein zweites Halbleitersubstrat aufweist und zwischen einer ersten Hauptoberfläche des zweiten Halbleitersubstrats und der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats eine oder mehrere Metallschichten aufweist, die teilweise voneinander durch Isoliermaterial getrennt sind.
Detektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Detektorelement eine Lawinenphotodiode zum Erfassen einer Strahlung ist.
Detektor (100), der folgende Merkmale aufweist: ein erstes Halbleitersubstrat (110), das eine Lawinenphotodiode zum Erfassen einer Strahlung aufweist, wobei sich die Diode von einer ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats zu einer zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats erstreckt und eine erste Elektrode auf der ersten Hauptoberfläche und eine zweite Elektrode auf der zweiten Hauptoberfläche aufweist, wobei die erste Hauptoberfläche und die zweite Hauptoberfläche gegenüberliegende Seiten des ersten Halbleitersubstrats sind, wobei die erste Elektrode der Diode mit einem ersten Kontakt der Diode auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist und die zweite Elektrode der Diode einen zweiten Kontakt der Diode auf der zweiten Hauptoberfläche bildet, wobei die erste Elektrode der Diode und der erste Kontakt der Diode durch einen Graben verbunden sind, wobei sich der Graben von der ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats zu der zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats erstreckt; und ein zweites Substrat (130), das eine Steuerschaltung aufweist, wobei die Steuerschaltung mit einem ersten Kontakt auf der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats und einem zweiten Kontakt auf der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats verbunden ist, wobei eine Anordnung des ersten Kontakts und des zweiten Kontakts der Steuerschaltung auf der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats einer gespiegelten Anordnung des ersten Kontakts und des zweiten Kontakts des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats entspricht, zum Liefern einer direkten Verbindung des ersten Halbleitersubstrats und des zweiten Substrats; wobei der erste Kontakt des Detektorelements mit dem ersten Kontakt der Steuerschaltung verbunden ist und der zweite Kontakt des Detektorelements mit dem zweiten Kontakt der Steuerschaltung verbunden ist, wobei die Steuerschaltung eine Bewertungseinheit und eine Steuereinheit aufweist, wobei die Bewertungseinheit konfiguriert ist, um ein Signal von der Diode zu bewerten, und die Steuereinheit konfiguriert ist, um die Diode zu steuern.
Detektor gemäß Anspruch 11, bei dem das erste Halbleitersubstrat (110) eine zweite Lawinenphotodiode aufweist, wobei eine erste Elektrode der zweiten Diode auf der ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats mit der ersten Elektrode der ersten Diode verbunden ist und die zweite Elektrode der zweiten Diode auf der zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats einen zweiten Kontakt der zweiten Diode auf der zweiten Oberfläche des ersten Halbleitersubstrats bildet.
Detektor gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem das erste Halbleitersubstrat (110) eine Mehrzahl von Lawinenphotodioden aufweist, die als ein Array angeordnet sind.
Detektor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das erste Halbleitersubstrat (110) eine Dicke zwischen der ersten Hauptoberfläche und der zweiten Hauptoberfläche von weniger als 300 μm aufweist.
Detektor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem der Graben mit einem leitfähigen und lichtundurchlässigen Material gefüllt ist und angeordnet ist, um Streulicht zu reduzieren.
Verfahren (500) zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels, das folgende Schritte aufweist: Erfassen (510) der Strahlung oder des Partikels durch ein Detektorelement, wobei das Detektorelement in einem ersten Halbleitersubstrat angeordnet ist und sich von einer ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats zu einer zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats erstreckt und eine erste Elektrode auf der ersten Hauptoberfläche und eine zweite Elektrode auf der zweiten Hauptoberfläche aufweist, wobei die erste Hauptoberfläche und die zweite Hauptoberfläche gegenüberliegende Seiten des ersten Halbleitersubstrats sind, wobei die erste Elektrode des Detektorelements mit einem ersten Kontakt des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist und die zweite Elektrode des Detektorelements einen zweiten Kontakt des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche bildet; und Bewerten (520) eines Detektorsignals durch eine Steuerschaltung, wobei das Detektorsignal durch die erfasste Strahlung oder das erfasste Partikel verursacht wird, wobei die Steuerschaltung an dem zweiten Substrat angeordnet ist und mit einem ersten Kontakt an einer ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats und einem zweiten Kontakt an der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats verbunden ist, wobei eine Anordnung des ersten Kontakts und des zweiten Kontakts der Steuerschaltung auf der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats einer gespiegelten Anordnung des ersten Kontakts und des zweiten Kontakts des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats entspricht, wodurch eine direkte Verbindung des ersten Halbleitersub strats und des zweiten Substrats ermöglicht wird, so dass der erste Kontakt des Detektorelements mit dem ersten Kontakt der Steuerschaltung verbunden ist und der zweite Kontakt des Detektorelements mit dem zweiten Kontakt der Steuerschaltung verbunden ist.
Verfahren (500) zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels gemäß Anspruch 16, das ferner folgenden Schritt aufweist: Zurücksetzen des Detektorelements nach dem Erfassen der Strahlung oder des Partikels, wobei das Zurücksetzen des Detektorelements durch die Steuerschaltung gesteuert wird.
Verfahren (500) zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem das Detektorelement eine Lawinenphotodiode zum Erfassen von Strahlung ist.
Computerprogramm, das einen Programmcode zum Ausführen eines Verfahrens (500) zum Erfassen einer Strahlung oder eines Partikels aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassen (510) der Strahlung oder des Partikels durch ein Detektorelement, wobei das Detektorelement in einem ersten Halbleitersubstrat angeordnet ist und sich von einer ersten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats zu einer zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats erstreckt und eine erste Elektrode auf einer ersten Hauptoberfläche und eine zweite Elektrode auf einer zweiten Hauptoberfläche aufweist, wobei die erste Hauptoberfläche und die zweite Hauptoberfläche gegenüberliegende Seiten des ersten Halbleitersubstrats sind, wobei die erste Elektrode des Detektorelements mit einem ersten Kontakt des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden ist und die zweite Elektrode des Detektorelements einen zweiten Kontakt des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche bildet; und Bewerten (520) eines Detektorsignals durch eine Steuerschaltung, wobei das Detektorsignal durch die erfasste Strahlung oder das erfasste Partikel verursacht wird, wobei die Steuerschaltung an dem zweiten Substrat angeordnet ist und mit einem ersten Kontakt an einer ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats und einem zweiten Kontakt an der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats verbunden ist, wobei die Anordnung des ersten Kontakts und des zweiten Kontakts der Steuerschaltung auf der ersten Hauptoberfläche des zweiten Substrats einer gespiegelten Anordnung des ersten Kontakts und des zweiten Kontakts des Detektorelements auf der zweiten Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats entspricht, wodurch eine direkte Verbindung des ersten Halbleitersubstrats und des zweiten Substrats ermöglicht wird, so dass der erste Kontakt des Detektorelements mit dem ersten Kontakt der Steuerschaltung verbunden ist und der zweite Kontakt des Detektorelements mit dem zweiten Kontakt der Steuerschaltung verbunden ist.