DE102011115656B4 - Semiconductor detector with a buffer for signal charge carriers and corresponding operating method - Google Patents
Semiconductor detector with a buffer for signal charge carriers and corresponding operating method Download PDFInfo
- Publication number
- DE102011115656B4 DE102011115656B4 DE201110115656 DE102011115656A DE102011115656B4 DE 102011115656 B4 DE102011115656 B4 DE 102011115656B4 DE 201110115656 DE201110115656 DE 201110115656 DE 102011115656 A DE102011115656 A DE 102011115656A DE 102011115656 B4 DE102011115656 B4 DE 102011115656B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- charge carriers
- signal charge
- depfet
- radiation
- semiconductor detector
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 115
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 title claims abstract description 109
- 239000000872 buffer Substances 0.000 title claims description 55
- 238000011017 operating method Methods 0.000 title claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 55
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 35
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 42
- 230000015654 memory Effects 0.000 claims description 22
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 20
- 101000654630 Homo sapiens Shieldin complex subunit 1 Proteins 0.000 claims description 5
- 101000632626 Homo sapiens Shieldin complex subunit 2 Proteins 0.000 claims description 5
- 102100032737 Shieldin complex subunit 1 Human genes 0.000 claims description 5
- 102100028378 Shieldin complex subunit 2 Human genes 0.000 claims description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 3
- 238000012217 deletion Methods 0.000 claims description 2
- 230000037430 deletion Effects 0.000 claims description 2
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 206010073306 Exposure to radiation Diseases 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Halbleiterdetektor zur Detektion von Strahlung mit a) einem Halbleitersubstrat (HS), wobei die zu detektierende Strahlung in das Halbleitersubstrat (HS) einfällt und in dem Halbleitersubstrat (HS) Signalladungsträger erzeugt, b) einer in das Halbleitersubstrat (HS) integrierten DEP-FET-Struktur (S, G, D, IG), welche die strahlungsgenerierten Signalladungsträger erfasst und in Abhängigkeit von den strahlungsgenerierten Signalladungsträgern ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, c) wobei die DEPFET-Struktur (S, G, D, IG) einen steuerbaren Leitungskanal (K) und ein internes Gate (IG) aufweist, das in dem Halbleitersubstrat (HS) unter dem Leitungskanal vergraben ist und die Signalladungsträger aufnimmt, so dass die in dem internen Gate (IG) angesammelten Signalladungsträger den Leitungskanal (K) steuern, gekennzeichnet durch d) mindestens einen Zwischenspeicher (PM) für die Signalladungsträger, wobei der Zwischenspeicher (PM) von dem internen Gate (IG) der DEPFET-Struktur (S, G, D, IG) getrennt ist und die strahlungsgenerierten Signalladungsträger zwischenspeichert, bevor die strahlungsgenerierten Signalladungsträger zum Auslesen in das interne Gate der DEPFET-Struktur überführt werden.Semiconductor detector for the detection of radiation with a) a semiconductor substrate (HS), whereby the radiation to be detected falls into the semiconductor substrate (HS) and generates signal charge carriers in the semiconductor substrate (HS), b) a DEP-FET integrated into the semiconductor substrate (HS) Structure (S, G, D, IG) which detects the radiation-generated signal charge carriers and generates an electrical output signal as a function of the radiation-generated signal charge carriers, c) where the DEPFET structure (S, G, D, IG) has a controllable conduit (K) and an internal gate (IG) which is buried in the semiconductor substrate (HS) under the conduction channel and receives the signal charge carriers, so that the signal charge carriers accumulated in the internal gate (IG) control the conduction channel (K), characterized by d) at least an intermediate store (PM) for the signal charge carriers, the intermediate store (PM) from the internal gate (IG) of the DEPFET structure (S, G, D, IG) g is separated and temporarily stores the radiation-generated signal charge carriers before the radiation-generated signal charge carriers are transferred to the internal gate of the DEPFET structure for reading.
Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterdetektor zur Detektion von Strahlung und ein entsprechendes Betriebsverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.The invention relates to a semiconductor detector for the detection of radiation and a corresponding operating method according to the independent claims.
Halbleiter-Driftdetektoren zur Strahlungsdetektion sind seit Längerem bekannt und beispielsweise in LUTZ, Gerhard: ”Semiconductor radiation detectors”, Springer-Verlag 1999, beschrieben. Hierbei erzeugt die zu detektierende Strahlung in einem schwach dotierten, verarmten Halbleitersubstrat Signalelektronen, wobei an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats mehrere ringförmige und konzentrisch angeordnete Elektroden angeordnet sind, die in dem Halbleitersubstrat ein Driftfeld erzeugen, durch das die von der Strahlung erzeugten Signalelektronen zu einem mittig angeordneten Ausleseelement driften, das die Signalelektronen und damit die aufgenommene Strahlung detektiert.Semiconductor drift detectors for radiation detection have been known for some time and are described, for example, in LUTZ, Gerhard: "Semiconductor radiation detectors", Springer-Verlag 1999. In this case, the radiation to be detected generates signal electrons in a lightly doped, depleted semiconductor substrate, wherein a plurality of annular and concentrically arranged electrodes are arranged on one surface of the semiconductor substrate, which generate a drift field in the semiconductor substrate through which the signal electrons generated by the radiation are centered Readout element drift, which detects the signal electrons and thus the received radiation.
Das Ausleseelement kann hierbei aus einem DEPFET-Transistor (DEPFET: Depleted Field Effect Transistor) bestehen, der im Jahre 1984 von J. Kemmer und G. Lutz erfunden wurde und beispielsweise in
An der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats befindet sich bei einem DEPFET-Transistor als Ausleseelement ein stark p-dotiertes Source-Gebiet und ein ebenfalls stark p-dotiertes Drain-Gebiet, wobei sich zwischen dem Source-Gebiet und dem Drain-Gebiet ein Leitungskanal ausbilden kann, dessen Leitfähigkeit durch eine extern ansteuerbare Gate-Elektrode eingestellt werden kann.On the opposite surface of the semiconductor substrate is located in a DEPFET transistor as a readout element, a heavily p-doped source region and also a heavily p-doped drain region, wherein between the source region and the drain region can form a conduction channel , whose conductivity can be adjusted by an externally controllable gate electrode.
Unter dem Leitungskanal befindet sich hierbei in dem Halbleitersubstrat ein schwach n-dotiertes inneres Gate-Gebiet, in dem sich die in dem Halbleitersubstrat durch Strahlungseinwirkung entstandenen Signalelektronen sammeln. Die in dem inneren Gate-Gebiet angesammelte elektrische Ladung steuert die Leitfähigkeit des Leitungskanals zwischen dem Source-Gebiet und dem Drain-Gebiet in ähnlicher Weise wie die externe Gate-Elektrode, so dass der Drain-Source-Strom des DEPFET-Transistors ein Maß für die detektierte Strahlung ist.In this case, a weakly n-doped inner gate region, in which the signal electrons formed in the semiconductor substrate by the action of radiation collect, is located below the conduction channel in the semiconductor substrate. The electrical charge accumulated in the inner gate region controls the conductivity of the conduction channel between the source region and the drain region in a manner similar to the external gate electrode, so that the drain-source current of the DEPFET transistor is a measure of the detected radiation is.
Bei einem derartigen Pixeldetektor mit einer Vielzahl von matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordneten Bildzellen (Pixeln) werden die einzelnen Bildzellen in der Regel sequenziell ausgelesen. Dies hat den Nachteil, dass während des Auslesevorgangs einfallende Photonen in den bereits ausgelesenen Bildzellen nicht mehr zum Ausgangssignal beitragen, wohingegen die noch nicht ausgelesenen Bildzellen die einfallenden Photonen noch detektieren. Nachteilig an dem herkömmlichen Halbleiterdetektoren ist also die Tatsache, dass die verschiedenen Bildzellen ein unterschiedliches Signalintegrationsintervall aufweisen. In vielen Anwendungsfällen möchte man aber ein ganzes Bild zu einem festen Zeitpunkt aufnehmen, wobei die einzelnen Bildzellen denselben Zeitpunkt des aufzunehmenden Bildes wiedergeben sollen.In such a pixel detector with a multiplicity of image cells (pixels) arranged in rows and columns in the form of a matrix, the individual image cells are as a rule read out sequentially. This has the disadvantage that during the read-out process, incident photons in the already read-out image cells no longer contribute to the output signal, whereas the image cells, which have not yet been read, still detect the incident photons. A disadvantage of the conventional semiconductor detectors is therefore the fact that the different image cells have a different signal integration interval. In many applications, however, one would like to take a whole picture at a fixed time, whereby the individual picture cells should reproduce the same time of the picture to be recorded.
Eine Lösung dieses Problems ist aus
Ferner ist zum Stand der Technik hinzuweisen auf
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine bessere Lösung des vorstehend genannten Problems zu schaffen, wonach das Ausgangssignal der einzelnen Bildzellen denselben Aufnahmezeitpunkt wiedergeben soll.The invention is therefore based on the object to provide a better solution to the above-mentioned problem, according to which the output signal of the individual picture cells is to reproduce the same recording time.
Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Halbleiterdetektor und ein entsprechendes Betriebsverfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 19 gelöst. Die Merkmale des jeweiligen Oberbegriffs sind aus der
Die Erfindung geht von dem eingangs beschriebenen herkömmlichen Halbleiterdetektor mit einem Halbleitersubstrat aus, wobei die zu detektierende Strahlung in das Halbleitersubstrat einfällt und in dem Halbleitersubstrat Signalladungsträger erzeugt, wobei es sich bei den Signalladungsträgern in der Regel um Signalelektronen handelt.The invention starts from the conventional semiconductor detector described above with a semiconductor substrate, wherein the radiation to be detected is incident on the semiconductor substrate and generates signal charge carriers in the semiconductor substrate, the signal charge carriers generally being signal electrons.
Weiterhin umfasst der erfindungsgemäße Halbleiterdetektor in an sich bekannter Weise eine integrierte DEPFET-Struktur als Ausleseelement, wobei die DEPFET-Struktur die strahlungsgenerierten Signalladungsträger erfasst und in Abhängigkeit von den strahlungsgenerierten Signalladungsträgern ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Die DEPFET-Struktur weist hierzu einen steuerbaren Leitungskanal und ein internes Gate auf, das in dem Halbleitersubstrat unter dem Leitungskanal vergraben ist und die Signalladungsträger aufnimmt, so dass die in dem internen Gate angesammelten Signalladungsträger den Leitungskanal steuern. Diese Funktionsweise des Halbleitersubstrats und der als Ausleseelement dienenden DEPFET-Struktur ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und muss deshalb nicht näher beschrieben werden.Furthermore, the semiconductor detector according to the invention comprises, in a manner known per se, an integrated DEPFET structure as readout element, wherein the DEPFET structure detects the radiation-generated signal charge carriers and as a function of generates an electrical output signal to the radiation-generated signal charge carriers. The DEPFET structure has for this purpose a controllable conduction channel and an internal gate, which is buried in the semiconductor substrate under the conduction channel and receives the signal charge carriers, so that the accumulated in the internal gate signal charge carriers control the conduction channel. This mode of operation of the semiconductor substrate and the DEPFET structure serving as a readout element is known per se from the prior art and therefore does not need to be described in detail.
Die Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass die strahlungsgenerierten Signalladungsträger nicht sofort in das interne Gate der DEPFET-Struktur gelangen, sondern zunächst in mindestens einem Zwischenspeicher getrennt von dem internen Gate der DEPFET-Struktur gespeichert werden, bevor die strahlungsgenerierten Signalladungsträger dann zum Auslesen in das interne Gate der DEPFET-Struktur überführt werden.The invention is characterized in that the radiation-generated signal charge carriers do not immediately enter the internal gate of the DEPFET structure, but are first stored separately in at least one intermediate memory from the internal gate of the DEPFET structure, before the radiation-generated signal charge carriers are then read out the internal gate of the DEPFET structure are transferred.
Während des eigentlichen Messvorgangs erzeugt die einfallende Strahlung also in dem Halbleitersubstrat Signalladungsträger, die sich dann in dem Zwischenspeicher getrennt von dem internen Gate der DEPFET-Struktur sammeln. Die Trennung des Zwischenspeichers von dem internen Gate der DEPFET-Struktur ist wichtig, damit die in dem Zwischenspeicher gesammelten Signalladungsträger den Leitungskanal der DEPFET-Struktur nicht beeinflussen.During the actual measuring process, the incident radiation thus generates signal charge carriers in the semiconductor substrate, which then collect in the buffer separately from the internal gate of the DEPFET structure. The isolation of the latch from the internal gate of the DEPFET structure is important so that the signal charge carriers accumulated in the latch do not affect the conduction channel of the DEPFET structure.
Nach diesem Messvorgang erfolgt dann ein Auslesevorgang, um die eingefallene Strahlung zu messen. Zunächst werden die in dem Zwischenspeicher angesammelten Signalladungsträger hierbei aus dem Zwischenspeicher in das interne Gate der DEPFET-Struktur überführt. Anschließend steuern die in dem internen Gate befindlichen Signalladungsträger dann den Leitungskanal der DEPFET-Struktur, was zu einem entsprechenden elektrischen Ausgangssignal der DEPFET-Struktur führt, wobei das elektrische Ausgangssignal ein Maß für die während des Messvorgangs durch die eingefallene Strahlung generierten Signalladungsträger ist.After this measuring process, a read-out process then takes place in order to measure the incident radiation. At first, the signal charge carriers accumulated in the buffer are transferred from the buffer into the internal gate of the DEPFET structure. The signal charge carriers located in the internal gate then control the conduction channel of the DEPFET structure, which leads to a corresponding electrical output signal of the DEPFET structure, the electrical output signal being a measure of the signal charge carriers generated during the measurement process by the incident radiation.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass der eigentliche Messvorgang von dem Auslesevorgang getrennt werden kann, so dass die einzelnen DEPFET-Strukturen in den einzelnen Bildzellen sequenziell ausgelesen werden können, während die einfallende Strahlung bereits wieder Signalladungsträger in den einzelnen Bildzellen erzeugt, die dann in den jeweiligen Zwischenspeichern der einzelnen Bildzellen gespeichert werden.The invention has the advantage that the actual measurement process can be separated from the read-out process, so that the individual DEPFET structures in the individual image cells can be read out sequentially, while the incident radiation already generates signal charge carriers in the individual image cells, which then enter into the image cells respective caching of the individual image cells are stored.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Halbleiterdetektor einen Überführungsmechanismus auf, um die in dem Zwischenspeicher gespeicherten Signalladungsträger in das interne Gate der DEPFET-Struktur zu überführen, damit die strahlungsgenerierte Signalladung dann von der DEPFET-Struktur ausgelesen werden kann. Der Überführungsmechanismus ist hierbei vorzugsweise durch mindestens ein externes Steuersignal ansteuerbar, wobei der Überführungsmechanismus die in dem Zwischenspeicher gespeicherten Signalladungsträger in Abhängigkeit von dem externen Steuersignal wahlweise in das interne Gate der DEPFET-Struktur überführt oder in dem Zwischenspeicher belässt. Das Überführen der in dem Zwischenspeicher angesammelten strahlungsgenerierten Signalladungsträger in das interne Gate der DEPFET-Struktur kann hierbei also durch das externe Steuersignal getriggert werden.In a preferred embodiment of the invention, the semiconductor detector has a transfer mechanism for transferring the signal charge carriers stored in the buffer into the internal gate of the DEPFET structure so that the radiation-generated signal charge can then be read out from the DEPFET structure. In this case, the transfer mechanism can preferably be actuated by at least one external control signal, the transfer mechanism selectively transferring the signal charge carriers stored in the buffer into the internal gate of the DEPFET structure or leaving them in the buffer in response to the external control signal. The transfer of the radiation-generated signal charge carriers accumulated in the buffer into the internal gate of the DEPFET structure can therefore be triggered by the external control signal.
Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Halbleiterdetektor vorzugsweise eine Lösch-Kontaktanordnung auf, um die in dem Zwischenspeicher gespeicherten Signalladungsträger löschen zu können, indem die Signalladungsträger über die Lösch-Kontaktanordnung entfernt werden. Der Überführungsmechanismus dient hierbei vorzugsweise nicht nur dazu, die strahlungsgenerierten Signalladungsträger aus dem Zwischenspeicher in das interne Gate der DEPFET-Struktur zu überführen, sondern ermöglicht es vorzugsweise auch, dass die in dem Zwischenspeicher angesammelten Signalladungsträger zu der Lösch-Kontaktanordnung überführt werden. Auch hierbei wird der Überführungsmechanismus vorzugsweise durch das externe Steuersignal bzw. durch die externen Steuersignale getriggert, wobei der Überführungsmechanismus die in dem Zwischenspeicher gespeicherten Signalladungsträger in Abhängigkeit von dem externen Steuersignal wahlweise in dem Zwischenspeicher belässt oder in das interne Gate der DEPFET-Struktur überführt oder zu der Lösch-Kontaktanordnung transferiert.In addition, the semiconductor detector according to the invention preferably has an erase contact arrangement in order to be able to erase the signal charge carriers stored in the intermediate memory by removing the signal charge carriers via the erase contact arrangement. The transfer mechanism preferably serves not only to transfer the radiation-generated signal charge carriers from the buffer into the internal gate of the DEPFET structure, but preferably also allows the signal charge carriers accumulated in the buffer to be transferred to the clear contact arrangement. Again, the transfer mechanism is preferably triggered by the external control signal or by the external control signals, wherein the transfer mechanism leaves the stored in the latch signal charge carrier in response to the external control signal either in the buffer or transferred to the internal gate of the DEPFET structure or to transferred to the erase contact arrangement.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Halbleiterdetektor zwei Lösch-Kontaktanordnungen auf, und zwar eine erste Lösch-Kontaktanordnung zum Löschen der Signalladungsträger aus dem internen Gate der DEPFET-Struktur und eine zweite Lösch-Kontaktanordnung zum Löschen der Signalladungsträger aus dem Zwischenspeicher. Der Überführungsmechanismus Ermöglicht also in Abhängigkeit von dem externen Steuersignal bzw. den externen Steuersignalen folgende Überführungsvorgänge:
- – Überführen der strahlungsgenerierten Signalladungsträger aus dem Zwischenspeicher in das interne Gate der DEPFET-Struktur,
- – Überführen der in dem internen Gate der DEPFET-Struktur gesammelten Signalladungsträger zu der ersten Lösch-Kontaktanordnung, um das interne Gate der DEPFET-Struktur zu löschen.
- – Überführen der in dem Zwischenspeicher gespeicherten Signalladungsträger zu der zweiten Lösch-Kontaktanordnung, um die in dem Zwischenspeicher gespeicherten Signalladungsträger zu löschen.
- – Inaktiver Zustand des Überführungsmechanismus, wobei die in dem Zwischenspeicher befindlichen Signalladungsträger in dem Zwischenspeicher verbleiben und neue Ladungsträger zusätzlich gesammelt werden, während die in dem internen Gate der DEPFET-Struktur befindlichen Signalladungsträger in dem internen Gate verbleiben.
- Transferring the radiation-generated signal charge carriers from the buffer into the internal gate of the DEPFET structure,
- Transferring the signal charge carriers collected in the internal gate of the DEPFET structure to the first erase contact arrangement to erase the internal gate of the DEPFET structure.
- Transferring the signal charge carriers stored in the buffer to the second one Erase contact arrangement for erasing the signal charge carriers stored in the temporary memory.
- Inactive state of the transfer mechanism, wherein the signal charge carriers located in the buffer remain in the buffer and additional charge carriers are collected while the signal charge carriers located in the internal gate of the DEPFET structure remain in the internal gate.
Die beiden vorstehend genannten Lösch-Kontaktanordnungen zum Löschen des Zwischenspeichers bzw. des internen Gates des DEPFET-Struktur sind vorzugsweise auf gegenüber liegenden Seiten der DEPFET-Struktur und des Zwischenspeichers angeordnet, so dass sich die DEPFET-Struktur zwischen den beiden Lösch-Kontaktanordnungen befindet.The two above-mentioned erase contact arrangements for erasing the latch of the DEPFET structure are preferably arranged on opposite sides of the DEPFET structure and the buffer so that the DEPFET structure is located between the two erase contact arrangements.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die DEPFET-Struktur mit ihrem Leitungskanal vorzugsweise quer zu einer Verbindungslinie zwischen den beiden Lösch-Kontaktanordnungen angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die in dem internen Gate der DEPFET-Struktur angesammelten Signalladungsträger bei einem Löschvorgang quer zu dem Leitungskanal der DEPFET-Struktur entfernt werden.It should also be mentioned that the DEPFET structure with its line channel is preferably arranged transversely to a connecting line between the two erase contact arrangements. This means that the signal charge carriers accumulated in the internal gate of the DEPFET structure are removed in an erase operation across the conduction channel of the DEPFET structure.
Der Zwischenspeicher befindet sich dagegen vorzugsweise zwischen der DEPFET-Struktur und der Lösch-Kontaktanordnung für den Zwischenspeicher. Dies bedeutet, dass die in dem Zwischenspeicher angesammelten Signalladungsträger beim Löschen in einer Richtung transferiert werden, wohingegen die Überführung der Signalelektronen aus dem Zwischenspeicher in das interne Gate der DEPFET-Struktur in der entgegengesetzten Richtung erfolgt.By contrast, the buffer is preferably located between the DEPFET structure and the erase contact arrangement for the buffer. This means that the signal charge carriers accumulated in the buffer are transferred in one direction upon erasure, whereas the transfer of the signal electrons from the buffer into the internal gate of the DEPFET structure occurs in the opposite direction.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass der Überführungsmechanismus vorzugsweise ein steuerbares Transfer-Gate aufweist, um die Überführung der Signalladungsträger aus dem Zwischenspeicher in das interne Gate der DEPFET-Struktur zu steuern, wobei das Transfer-Gate die DEPFET-Struktur vorzugsweise ringförmig umgibt.It should also be mentioned that the transfer mechanism preferably has a controllable transfer gate in order to control the transfer of the signal charge carriers from the buffer into the internal gate of the DEPFET structure, wherein the transfer gate preferably surrounds the DEPFET structure in an annular manner.
Darüber hinaus kann das Transfer-Gate auch die Lösch-Kontaktanordnung für das interne Gate der DEPFET-Struktur ringförmig umgeben. Dies bedeutet, dass sich die DEPFET-Struktur zusammen mit ihrer zugehörigen Lösch-Kontaktanordnung innerhalb des ringförmigen Transfer-Gates befindet.In addition, the transfer gate may also annularly surround the erase contact arrangement for the internal gate of the DEPFET structure. This means that the DEPFET structure, together with its associated erase contact arrangement, is located within the annular transfer gate.
Ferner ist zu erwähnen, dass bei einer Erzeugung von strahlungsgenerierten Signalladungsträgern direkt unterhalb der Lösch-Kontaktanordnungen die Gefahr besteht, dass die strahlungsgenerierten Signalladungsträger direkt von der jeweiligen Lösch-Kontaktanordnung eingefangen werden. Zur Lösung dieses Problems ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Abschirmung in dem Halbleitersubstrat vorgesehen, wobei die Abschirmung vorzugsweise aus einer vergrabenen p-Dotierung besteht, die unter der jeweiligen Lösch-Kontaktanordnung angeordnet ist und diese gegenüber strahlungsgenerierten Signalladungsträgern abschirmt.It should also be mentioned that the generation of radiation-generated signal charge carriers directly underneath the erase contact arrangements involves the risk that the radiation-generated signal charge carriers will be captured directly by the respective erase contact arrangement. To solve this problem, in the preferred embodiment of the invention, a shield is provided in the semiconductor substrate, the shield preferably consisting of a buried p-type dopant disposed under the respective erase contact arrangement and shielding it from radiation-generated signal charge carriers.
Besonders vorteilhaft ist die Realisierung der Erfindung bei einem Halbleiterdetektor mit einer Vielzahl von Bildzellen, die beispielsweise matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet sein können. Hierbei ist vorzugsweise jeder Bildzelle eine DEPFET-Struktur als Ausleseelement und ein Zwischenspeicher zugeordnet. Der Überführungsmechanismus überführt die in den Zwischenspeichern der einzelnen Bildzellen gespeicherten Signalladungsträger dann in die internen Gates der zugehörigen DEPFET-Strukturen, und zwar gemeinsam und im Wesentlichen zeitgleich bei allen Bildzellen einer Gruppe. Beispielsweise können auf diese Weise sämtliche Bildzellen einer Zeile oder einer Spalte gemeinsam und im Wesentlichen zeitgleich ausgelesen werden, indem die Signalladungsträger aus den Zwischenspeichern der Gruppe (Zeile oder Spalte) in die internen Gates der zugehörigen DEPFET-Strukturen überführt werden. Nach diesem Überführen der zwischengespeicherten Signalladungsträger in die DEPFET-Strukturen können die Bildzellen dann wieder Strahlung detektieren, während die DEPFET-Strukturen sequenziell ausgelesen werden.Particularly advantageous is the realization of the invention in a semiconductor detector with a plurality of image cells, which may be arranged for example in a matrix in rows and columns. In this case, each image cell is preferably assigned a DEPFET structure as readout element and an intermediate memory. The transfer mechanism then transfers the signal charge carriers stored in the latches of the individual image cells to the internal gates of the associated DEPFET structures, collectively and substantially simultaneously with all the image cells of a group. For example, in this way, all image cells of a row or a column can be read jointly and substantially simultaneously by transferring the signal charge carriers from the latches of the group (row or column) into the internal gates of the associated DEPFET structures. After this transfer of the buffered signal charge carriers in the DEPFET structures, the image cells can then detect radiation again, while the DEPFET structures are read out sequentially.
Der erfindungsgemäße Halbleiterdetektor ist deshalb vorzugsweise mit einer externen Ausleseelektronik verbunden, welche die einzelnen DEPFET-Strukturen der einzelnen Bildzellen in herkömmlicher Weise ausliest. Das Auslesen der einzelnen DEPFET-Strukturen erfolgt hierbei vorzugsweise sequenziell, während bereits wieder strahlungsgenerierte Signalladungsträger in den Zwischenspeichern der einzelnen Bildzellen gesammelt werden.The semiconductor detector according to the invention is therefore preferably connected to an external read-out electronics, which reads the individual DEPFET structures of the individual image cells in a conventional manner. The read-out of the individual DEPFET structures preferably takes place sequentially, while radiation-generated signal charge carriers are already collected again in the latches of the individual image cells.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen innerhalb der verschiedenen Bereiche des erfindungsgemäßen Hableiterdetektors folgende Dotierungsverhältnisse vor:
- – Halbleitersubstrat: schwach n-dotiert.
- – Rückkontakt des Halbleitersubstrats: p-dotiert (dient als Strahlungs-Eintrittsfenster und wird dafür optimiert)
- – Drain, Source und Oberflächendotierung des Halbleitersubstrats: stark p-dotiert.
- – Lösch-Kontakte: stark n-dotiert.
- – Zwischenspeicher, internes Gate und tiefe Dotierung: n-dotiert.
- – Abschirmungen: p-dotiert.
- Semiconductor substrate: weakly n-doped.
- - back contact of the semiconductor substrate: p-doped (serves as a radiation entrance window and is optimized for this)
- - Drain, source and surface doping of the semiconductor substrate: heavily p-doped.
- - Erase contacts: heavily n-doped.
- - Latch, internal gate and deep doping: n-doped.
- - Shielding: p-doped.
Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, die Dotierungsverhältnisse entsprechend zu invertieren oder deren Dotierung abzuändern, um z. B. ein optimiertes Strahleintrittsfenster zu erhalten. However, it is also possible in principle to invert the doping ratios correspondingly or to modify the doping thereof, in order, for. B. to obtain an optimized beam entrance window.
Ferner ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur den vorstehend beschriebenen Halbleiterdetektor umfasst, sondern auch ein entsprechendes Betriebsverfahren betrifft, das sich bereits aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, so dass auf eine separate Beschreibung des Betriebsverfahrens verzichtet werden kann.It should also be mentioned that the invention not only comprises the semiconductor detector described above, but also relates to a corresponding operating method, which already results from the above description, so that a separate description of the operating method can be dispensed with.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are explained in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. Show it:
Die
Der Halbleiterdetektor weist als Grundelement ein schwach n-dotiertes Halbleitersubstrat HS auf, wobei an der Rückseite des Halbleitersubstrats HS ein p-dotierter Rückkontakt R flächig angeordnet ist.As a basic element, the semiconductor detector has a weakly n-doped semiconductor substrate HS, wherein a p-doped back contact R is arranged in a planar manner on the rear side of the semiconductor substrate HS.
Die zu detektierende Strahlung tritt hierbei durch den Rückkontakt R hindurch in das Halbleitersubstrat HS ein und erzeugt dort Signalladungsträger, die zunächst in einem Zwischenspeicher PM in Form eines (Elektronen-)Potentialminimums gesammelt werden, bevor die in dem Zwischenspeicher PM gesammelten Signalladungsträger dann zum Auslesen in ein internes Gate IG einer DEPFET-Struktur überführt werden, wie noch detailliert beschrieben wird.In this case, the radiation to be detected enters the semiconductor substrate HS through the back contact R and generates signal charge carriers which are initially collected in a buffer PM in the form of an (electron) potential minimum before the signal charge carriers collected in the buffer PM are then read out in an internal gate IG of a DEPFET structure are transferred, as will be described in detail.
Die zum Auslesen der strahlungsgenerierten Signalladungsträger dienende DEPFET-Struktur besteht in herkömmlicher Weise aus einem externen Gate G, einer Source S, einer Drain D, einem Leitungskanal K zwischen der Source S und der Drain D sowie einem internen Gate IG, das in dem Halbleitersubstrat HS unter dem Leitungskanal K vergraben ist. Das interne Gate IG der DEPFET-Struktur bildet hierbei ein Potentialmaximum, in dem sich die aus dem Zwischenspeicher PM überführten Signalladungsträger sammeln können. Die in dem internen Gate IG der DEPFET-Struktur gesammelte Signalladung steuert dann in herkömmlicher Weise die Leitfähigkeit des Leitungskanals K, so dass die DEPFET-Struktur ein elektrisches Ausgangssignal ausgibt, das ein Maß für die in dem internen Gate IG angesammelte Signalladung bildet.The DEPFET structure used for reading out the radiation-generated signal charge carriers conventionally consists of an external gate G, a source S, a drain D, a conduction channel K between the source S and the drain D, and an internal gate IG, which is present in the semiconductor substrate HS is buried under the duct K. In this case, the internal gate IG of the DEPFET structure forms a potential maximum in which the signal charge carriers transferred from the intermediate memory PM can collect. The signal charge collected in the internal gate IG of the DEPFET structure then conventionally controls the conductivity of the conduction channel K, so that the DEPFET structure outputs an electrical output signal which forms a measure of the signal charge accumulated in the internal gate IG.
An der Oberfläche des Halbleitersubstrats HS befindet sich seitlich neben der DEPFET-Struktur eine Lösch-Kontaktanordnung mit einem Lösch-Kontakt CL1 zum Abführen der in dem internen Gate IG gesammelten Signalladungsträger während eines Löschvorgangs. Darüber hinaus umfasst die Lösch-Kontaktanordnung auch noch ein Clear-Gate CG1, das den Löschvorgang steuert. Die aus dem Lösch-Kontakt CL1 und dem Clear-Gate CG1 bestehende Lösch-Kontaktanordnung dient also dazu, die in dem internen Gate IG der DEPFET-Struktur angesammelte Signalladung zu löschen.On the surface of the semiconductor substrate HS, laterally adjacent to the DEPFET structure, there is an erase contact arrangement with a clear contact CL1 for dissipating the signal charge carriers collected in the internal gate IG during an erase operation. In addition, the erase contact arrangement also includes a clear gate CG1 which controls the erase operation. The erase contact arrangement consisting of the erase contact CL1 and the clear gate CG1 thus serves to erase the signal charge accumulated in the internal gate IG of the DEPFET structure.
Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich eine weitere Lösch-Kontaktanordnung, welche die Aufgabe hat, die in dem Zwischenspeicher PM angesammelte Signalladung zu löschen. Diese Lösch-Kontaktanordnung weist ebenfalls einen Löschkontakt CL2 und ein Clear-Gate CG2 auf, um den Lösch-Kontakt zu steuern.On the opposite side is another erase contact arrangement which has the task of erasing the signal charge accumulated in the buffer PM. This erase contact arrangement also has an erase contact CL2 and a clear gate CG2 to control the erase contact.
Im Betrieb des Halbleiterdetektors besteht die Gefahr, dass Signalladungsträger, die direkt unterhalb der beiden Lösch-Kontakte CL1, CL2 durch die einfallende Strahlung erzeugt werden, von den Lösch-Kontakten CL1 bzw. CL2 eingefangen werden und deshalb überhaupt nicht in den Zwischenspeicher PM bzw. in das interne Gate IG gelangen. Unter den beiden Lösch-Kontakten CL1 bzw. CL2 ist deshalb jeweils eine Abschirmung SHLD1 bzw. SHLD2 angeordnet, wobei die beiden Abschirmungen SHLD1, SHLD2 aus einer vergrabenen p-Dotierung bestehen. Die beiden Abschirmungen SHLD1, SHLD2 verhindern also, dass unterhalb der Lösch-Kontakte CL1, CL2 generierte Signalladungsträger direkt von den Lösch-Kontakten CL1, CL2 eingefangen werden. During operation of the semiconductor detector, there is the danger that signal charge carriers, which are generated directly below the two clear contacts CL1, CL2 by the incident radiation, are captured by the clear contacts CL1 and CL2, respectively, and therefore not in the buffer PM or get into the internal gate IG. Therefore, in each case a shield SHLD1 or SHLD2 is arranged under the two clear contacts CL1 and CL2, the two shields SHLD1, SHLD2 consisting of a buried p-doping. The two shields SHLD1, SHLD2 thus prevent signal charge carriers generated below the clear contacts CL1, CL2 from being captured directly by the clear contacts CL1, CL2.
Darüber hinaus befindet sich an der Oberseite des Halbleiterdetektors ein Transfer-Gate TG, das die DEPFET-Struktur und die Lösch-Kontaktanordnung CL1, CG1 ringförmig umgibt und Bestandteil eines Überführungsmechanismus ist, der die Überführung der Signalladungsträger aus dem Zwischenspeicher PM in das interne Gate IG der DEPFET-Struktur steuert, wie noch detailliert beschrieben wird.In addition, located at the top of the semiconductor detector, a transfer gate TG, which surrounds the DEPFET structure and the erase contact arrangement CL1, CG1 annular and is part of a transfer mechanism, the transfer of the signal charge carriers from the buffer PM in the internal gate IG The DEPFET structure controls, as will be described in detail.
Weiterhin befindet sich an der Oberseite des Halbleiterdetektors eine stark p-dotierte Oberflächendotierung SB, was ebenfalls aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist.Furthermore, a heavily p-doped surface doping SB, which is also known per se from the prior art, is located on the upper side of the semiconductor detector.
Ferner befindet sich in dem Halbleitersubstrat HS eine vergrabene n-Dotierung dn, entlang der strahlungsgenerierte Signalladungsträger zu dem Zwischenspeicher PM und dann zu dem internen Gate IG gelangen können.Furthermore, a buried n-doping dn is located in the semiconductor substrate HS, along which radiation-generated signal charge carriers can reach the intermediate memory PM and then to the internal gate IG.
Die
Die
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in den
In einem ersten Schritt S1 wird zunächst die Source S der DEPFET-Struktur mit einem Null-Potential angesteuert. Weiterhin wird der Rückkontakt R mit einem negativen Potential angesteuert, während die Oberflächendotierung SB auf einem moderat positiven Potential liegt. Als Ausgangszustand wird hierbei angenommen, dass bereits alle Elektronen aus dem Halbleitersubstrat HS (englisch ”Bulk”) des Halbleiterdetektors entfernt wurden, so dass das Volumen des Halbleitersubstrats HS verarmt ist. Damit bildet sich zwischen den beiden Hauptoberflächen des Halbleitersubstrats HS etwa in der Tiefe der vergrabenen n-Dotierung dn ein Potentialrücken aus, der bei entsprechend negativem Potential auf dem Transfer-Gate TG an den Positionen des Zwischenspeichers PM und des internen Gates IG zwei von einander getrennte Potentialmaxima aufweist, in denen sich Signalladungsträger sammeln können.In a first step S1, first the source S of the DEPFET structure is driven with a zero potential. Furthermore, the back contact R is driven with a negative potential, while the surface doping SB is at a moderately positive potential. In this case, it is assumed as the initial state that all the electrons have already been removed from the semiconductor substrate HS (English "bulk") of the semiconductor detector, so that the volume of the semiconductor substrate HS is depleted. Thus, between the two main surfaces of the semiconductor substrate HS, approximately at the depth of the buried n-doping dn, a potential back is formed, which, given a correspondingly negative potential on the transfer gate TG, is separated from one another at the positions of the intermediate memory PM and the internal gate IG Has potential maxima, in which signal charge carriers can collect.
In einem zweiten Schritt S2 wird die zu detektierende Strahlung dann in den sensitiven Bereich des Halbleitersubstrats HS eingeleitet, wobei die einfallende Strahlung Signalladungsträger erzeugt.In a second step S2, the radiation to be detected is then introduced into the sensitive region of the semiconductor substrate HS, wherein the incident radiation generates signal charge carriers.
Die strahlungsgenerierten Signalladungsträger werden dann in einem Schritt S3 zunächst in dem Potentialtopf des Zwischenspeichers PM gesammelt.The radiation-generated signal charge carriers are then initially collected in the potential well of the temporary storage PM in a step S3.
In einem Schritt S4 wird dann geprüft, ob ein Auslesen des Halbleiterdetektors gewünscht wird, was durch ein externes Steuersignal getriggert wird, wie noch detailliert beschrieben wird.In a step S4 it is then checked whether a readout of the semiconductor detector is desired, which is triggered by an external control signal, as will be described in detail.
Weiterhin wird in einem Schritt S5 geprüft, ob ein Löschen der in dem Zwischenspeicher PM angesammelten Signalladungsträger gewünscht wird, was ebenfalls durch ein externes Steuersignal getriggert wird.Furthermore, it is checked in a step S5 whether it is desired to cancel the signal charge carrier accumulated in the buffer PM, which is also triggered by an external control signal.
Die Ansammlung der strahlungsgenerierten Signalladungsträger in dem Zwischenspeicher PM wird dann so lange fortgeführt, bis durch das externe Steuersignal ein Auslesen oder ein Löschen getriggert wird.The accumulation of the radiation-generated signal charge carriers in the buffer PM is then continued until a read-out or a clear is triggered by the external control signal.
Das Löschen der in dem Zwischenspeicher PM gesammelten Signalladungsträger erfolgt dann ggf. in einem Schritt S6 durch Abführen über den Lösch-Kontakt CL2, indem positive Spannungsimpulse an den Lösch-Kontakt CL2 und an das Clear-Gate CG2 angelegt werden, woraufhin die in dem Zwischenspeicher PM gesammelten Signalladungsträger über den Lösch-Kontakt CL2 abfließen können.The deletion of the signal charge carriers accumulated in the buffer PM then takes place, if appropriate, in a step S6 by discharging via the clear contact CL2, by applying positive voltage pulses to the clear contact CL2 and to the clear gate CG2, whereupon those in the buffer PM accumulated signal charge carriers via the clear contact CL2 can flow.
Zum Auslesen der angesammelten Signalladungsträger werden diese zunächst in einem Schritt S7 aus dem Zwischenspeicher PM in das interne Gate IG der DEPFET-Struktur überführt. Diese Überführung der Signalladungsträger von dem Zwischenspeicher PM in das interne Gate IG kann beispielsweise bei unverändertem Potential des Transfer-Gates TG durch kurzzeitige und genügend starke Erniedrigung des Potentials des Zwischenspeichers PM bewirkt werden. Dies wiederum wird erreicht, indem genügend negative Spannungspulse an die Oberflächendotierung SB angelegt werden. To read out the accumulated signal charge carriers, these are first transferred from the intermediate memory PM into the internal gate IG of the DEPFET structure in a step S7. This transfer of the signal charge carriers from the intermediate memory PM into the internal gate IG can be effected, for example, with an unchanged potential of the transfer gate TG by short-term and sufficiently strong lowering of the potential of the intermediate memory PM. This in turn is achieved by applying enough negative voltage pulses to the surface doping SB.
Anschließend wird dann der Drain-Strom der DEPFET-Struktur in einem Schritt S8 als Maß für die strahlungsgenerierten Signalladungsträger ausgelesen, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.Subsequently, the drain current of the DEPFET structure is then read in a step S8 as a measure for the radiation-generated signal charge carriers, which is known per se from the prior art.
In einem Schritt S9 werden dann noch die in dem internen Gate IG der DEPFET-Struktur gesammelten Signalladungsträger gelöscht, indem die Signalladungsträger über den Lösch-Kontakt CL1 abgeführt werden.In a step S9, the signal charge carriers collected in the internal gate IG of the DEPFET structure are then erased by discharging the signal charge carriers via the clear contact CL1.
Hier ist nochmals zu erwähnen, dass die Signalladung aus dem Unterschied des Transistorstroms bei gefülltem und geleertem internen Gate bestimmt werden kann, wobei die Reihenfolge dieser beiden Messungen auch invertiert werden kann. Bei den RNDR-DEPFET-Strukturen (RNDR: Repeated Non Destructive Readout), die in analoger Weise wie der hier vorgestellte einfache DEPFET verwendet werden können, wird die Signalladung zwischen zwei benachbarten DEPFETs (oder einem DEPFET und einem Zwischenspeicher) mehrmals verschoben. Damit wurden Messgenauigkeiten von 0,25 Elementarladungen erreicht. In dem Fall des RNDR-DEPFETs ist der Vorteil der Erfindung besonders groß, da ohne die erfindungsgemäße Anordnung das zeitaufwendige Vielfachlesen besonders lange Totzeiten zur Folge haben würde.It should be mentioned again here that the signal charge can be determined from the difference of the transistor current when the internal gate is filled and emptied, whereby the sequence of these two measurements can also be inverted. In the RNDR DEPFET structures (RNDR: Repeated Non-Destructive Readout), which can be used in a manner analogous to the simple DEPFET presented here, the signal charge between two adjacent DEPFETs (or a DEPFET and a buffer) is shifted several times. Thus, measurement accuracies of 0.25 element charges were achieved. In the case of the RNDR DEPFET, the advantage of the invention is particularly great, since without the arrangement according to the invention the time-consuming multiple reading would result in particularly long dead times.
Jede dieser Bildzellen hat hierbei einen eigenen Zwischenspeicher PM für die strahlungsgenerierten Signalladungsträger und eine DEPFET-Struktur zum Auslesen.Each of these image cells has its own buffer PM for the radiation-generated signal charge carriers and a DEPFET structure for reading out.
In einem ersten Schritt S1 wird die zu detektierende Strahlung hierbei in das Halbleitersubstrat HS eingeleitet, wobei die einfallende Strahlung in dem Halbleitersubstrat HS Signalladungsträger erzeugt.In a first step S1, the radiation to be detected is in this case introduced into the semiconductor substrate HS, wherein the incident radiation generates signal charge carriers in the semiconductor substrate HS.
Die strahlungsgenerierten Signalladungsträger werden dann in einem Schritt S2 zunächst in den einzelnen Zwischenspeichern PM der einzelnen Bildzellen zwischengespeichert.The radiation-generated signal charge carriers are then temporarily stored in a step S2 in the individual latches PM of the individual image cells.
In einem Schritt S3 werden die in den Zwischenspeichern PM angesammelten Signalladungsträger dann in die internen Gates IG der zugehörigen DEPFET-Strukturen überführt, und zwar zeitgleich für alle Bildzellen oder für eine Gruppe von Bildzellen, wie beispielsweise für die Bildzellen einer oder mehrerer Zeilen. In jeder Gruppe von Bildzellen der matrixförmigen Detektorstruktur werden also bei allen Bildzellen der jeweiligen Gruppe die Signalladungsträger aus den Zwischenspeichern PM in die internen Gates IG überführt.In a step S3, the signal charge carriers accumulated in the latches PM are then transferred to the internal gates IG of the associated DEPFET structures, at the same time for all image cells or for a group of image cells, for example for the image cells of one or more lines. In each group of image cells of the matrix-shaped detector structure, therefore, the signal charge carriers from the intermediate buffers PM are transferred to the internal gates IG in all image cells of the respective group.
In einem weiteren Schritt S4 werden die einzelnen DEPFET-Strukturen der Gruppe dann sequenziell Bildzelle für Bildzelle ausgelesen. Paralleles Auslesen von Zellen in mehreren Spalten ist dabei auch möglich.In a further step S4, the individual DEPFET structures of the group are then sequentially read out image cell by cell. Parallel readout of cells in several columns is also possible.
Während dieses sequenziellen Auslesens der einzelnen Bildzellen sind die einzelnen Bildzellen bereits wieder strahlungssensitiv, wobei die strahlungsgenerierten Signalladungsträger in den jeweiligen Zwischenspeichern PM gesammelt werden.During this sequential readout of the individual image cells, the individual image cells are already radiation-sensitive again, the radiation-generated signal charge carriers being collected in the respective intermediate memories PM.
Die Trennung der Zwischenspeicher PM von den internen Gates IG ermöglicht es also, dass das Auslesen der DEPFET-Strukturen zeitgleich mit der Strahlungsmessung erfolgen kann.The separation of the latches PM from the internal gates IG thus makes it possible that the readout of the DEPFET structures can take place simultaneously with the radiation measurement.
So ist die Ausleserate R1 in dem außen liegenden Bildbereich relativ klein, da dort relativ wenig Strahlung einfällt, so dass entsprechend selten ein Auslesevorgang erforderlich ist.Thus, the read-out rate R1 in the outer image area is relatively small, since relatively little radiation is incident there, so that a read-out process is correspondingly rarely required.
In einem zentralen Bildbereich ist die Ausleserate R3 dagegen maximal, da dort wesentlich mehr Strahlung einfällt, so dass auch entsprechend öfter Auslesevorgänge erfolgen müssen.On the other hand, in a central image area, the read-out rate R3 is maximum, because there substantially more radiation is incident, so that readings must also take place correspondingly more often.
In dem ringförmigen Zwischenbereich zwischen dem äußeren Bereich und dem zentralen Bereich erfolgen die Auslesevorgänge dagegen mit einer mittleren Ausleserate R2.In the annular intermediate region between the outer region and the central region, however, the read-out processes take place with a mean read-out rate R2.
Beansprucht werden insbesondere auch:
- – Die Werwendung verschiedenster DEPFET Strukturen, wie z. B. Enhancement- und Depletion-MOS-Typ-DEPFETs, JFET-DEPFETs, lineare und geschlossene Geometrien, RNDR-DEPFETs.
- – Strukturen mit mehreren Zwischenspeichern, bei denen durch externe Steuersignale gewählt werden kann, in welchem der Zwischenspeicher die Ladung gesammelt werden soll. Dies würde es beispielsweise erlauben, mehrere Bilder in rascher Reihenfolge aufzunehmen und sie dann zeitlich verzögert sequentiell auszulesen.
- – Zwischenspeicher in Abweichung von dem in
den 1 –3 vorgeschlagenen Zwischenspeicher. Dieser besteht aus einer voll verarmten p-n-p-Struktur, in der sich ein Potentialmaximum ausbildet. Dieses Potentialmaximum kann durch eine zusätzliche vergrabene n-Dotierung lokal (lateral) begrenzt werden. Es ist aber beispielsweise auch möglich, eine Abgrenzung dieses Zwischenspeichers von der Umgebung mithilfe von MOS-Gates vorzunehmen.
- - The use of various DEPFET structures, such. Enhancement and depletion MOS type DEPFETs, JFET DEPFETs, linear and closed geometries, RNDR DEPFETs.
- - Structures with a plurality of latches, which can be selected by external control signals, in which the cache the charge is to be collected. This would, for example, allow multiple images to be captured in rapid succession and then sequentially read out in time.
- - Buffer in deviation from that in the
1 -3 proposed cache. This consists of a fully depleted pnp structure in which a potential maximum is formed. This potential maximum can be limited locally by an additional buried n-doping. But it is also possible, for example, to delineate this buffer from the environment using MOS gates.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
-
- CG1CG1
- Clear-Gate für das interne GateClear gate for the internal gate
- CG2CG2
- Clear-Gate für den ZwischenspeicherClear gate for the cache
- CL1CL1
- Lösch-Kontakt für das interne GateErase contact for the internal gate
- CL2CL2
- Lösch-Kontakt für den ZwischenspeicherDelete contact for the cache
- DD
- Drain der DEPFET-StrukturDrain of the DEPFET structure
- dndn
- vergrabene n-Dotierungburied n-doping
- GG
- Externes Gate der DEPFET-StrukturExternal gate of the DEPFET structure
- HSHS
- HalbleitersubstratSemiconductor substrate
- IGIG
- Internes Gate der DEPFET-StrukturInternal gate of the DEPFET structure
- KK
- Leitungskanal der DEPFET-StrukturConduit of the DEPFET structure
- PMPM
- Zwischenspeichercache
- RR
- Rückkontaktback contact
- SS
- Source der DEPFET-StrukturSource of the DEPFET structure
- SBSB
- Oberflächendotierungsurface doping
- SHLD1SHLD1
- Abschirmungshielding
- SHLD2SHLD2
- Abschirmungshielding
- TGTG
- Transfer-GateTransfer gate
Claims (23)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201110115656 DE102011115656B4 (en) | 2011-09-28 | 2011-09-28 | Semiconductor detector with a buffer for signal charge carriers and corresponding operating method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201110115656 DE102011115656B4 (en) | 2011-09-28 | 2011-09-28 | Semiconductor detector with a buffer for signal charge carriers and corresponding operating method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102011115656A1 DE102011115656A1 (en) | 2013-03-28 |
| DE102011115656B4 true DE102011115656B4 (en) | 2014-10-16 |
Family
ID=47827954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE201110115656 Active DE102011115656B4 (en) | 2011-09-28 | 2011-09-28 | Semiconductor detector with a buffer for signal charge carriers and corresponding operating method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102011115656B4 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014006648A1 (en) * | 2014-05-07 | 2015-11-12 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Detector arrangement and corresponding operating method |
| JP6932580B2 (en) * | 2017-08-04 | 2021-09-08 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid-state image sensor |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5712498A (en) * | 1996-08-26 | 1998-01-27 | Massachusetts Institute Of Technology | Charge modulation device |
| WO2006018477A1 (en) * | 2004-08-20 | 2006-02-23 | Artto Aurola | Semiconductor radiation detector with a modified internal gate structure |
| EP1873834B1 (en) * | 2006-06-29 | 2008-12-10 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Reset barrier, especially for a semiconductor detector and corresponding operation method |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102004004283A1 (en) | 2004-01-28 | 2005-08-25 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Semiconductor structure |
-
2011
- 2011-09-28 DE DE201110115656 patent/DE102011115656B4/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5712498A (en) * | 1996-08-26 | 1998-01-27 | Massachusetts Institute Of Technology | Charge modulation device |
| WO2006018477A1 (en) * | 2004-08-20 | 2006-02-23 | Artto Aurola | Semiconductor radiation detector with a modified internal gate structure |
| EP1873834B1 (en) * | 2006-06-29 | 2008-12-10 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Reset barrier, especially for a semiconductor detector and corresponding operation method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102011115656A1 (en) | 2013-03-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE3008858C2 (en) | Photoelectric semiconductor device | |
| DE69533304T2 (en) | The solid state imaging device | |
| DE102013217278B4 (en) | A photodetector circuit, an imaging device, and a method of driving a photodetector circuit | |
| EP0179102B1 (en) | Depleted semi-conductor element with a potential minimum for majority carriers | |
| DE2939490C2 (en) | ||
| DE69928361T2 (en) | Radiation detection device | |
| DE102013216171A1 (en) | Imaging apparatus and method of operation | |
| DE102011076635B3 (en) | Photodetector i.e. lateral drift field photodetector, for detecting electromagnetic radiation, has bus control electrode arranged in region of trough adjacent to connection doping regions, transfer control electrodes and detection region | |
| DE102010041805A1 (en) | Device with a plurality of line or matrix-shaped photosensitive microcells | |
| DE112013000911T5 (en) | Solid state imaging device and method for driving them | |
| DE2712479A1 (en) | CHARGE-COUPLED ARRANGEMENT | |
| DE60038584T2 (en) | The solid state imaging device | |
| EP1709691A2 (en) | Semiconductor structure | |
| EP2721648B1 (en) | Semiconductor drift detector and corresponding operating method | |
| DE102011115656B4 (en) | Semiconductor detector with a buffer for signal charge carriers and corresponding operating method | |
| EP1873834B1 (en) | Reset barrier, especially for a semiconductor detector and corresponding operation method | |
| DE112015005549T5 (en) | Semiconductor drift detector for detecting radiation | |
| DE102007017640B3 (en) | Semiconductor detector, particularly X-ray detector, has transistor structure for readout of signal charge carriers that are generated by incident beam in semiconductor detector | |
| EP2942812B1 (en) | Detector assembly and corresponding operating method | |
| DE102007029898B3 (en) | Semiconductor detector, particularly pn charged coupled device detector, for radiation detection, has guard ring, selection anode arranged within guard ring for reading out radiation | |
| DE2353951A1 (en) | ILLUSTRATION DEVICE WITH SOLID-STATE TARGET | |
| DE3128091C2 (en) | Switching device for discharging a capacitance | |
| DE102011113767B3 (en) | Semiconductor radiation detector for semiconductor substrate, has electrode assembly provided with barrier gate that is electrically actuated by pump-gate to control transfer of charge carrier from charge carrier reservoir to substrate | |
| EP0122588B1 (en) | Method of transferring noise-free useful signals from an infra-red detector to a ccd channel | |
| DE3418778A1 (en) | CCD semiconductor component |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: MAIWALD PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH, DE Representative=s name: MAIWALD PATENTANWALTS- UND RECHTSANWALTSGESELL, DE |
|
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |