FBH-Forschung: 12.09.2011

Sensorstreifen für neuartige Röntgendetektoren

Prinzip Röntgensensor
Abb. 1: Arbeitsprinzip des Röntgensensors
Röntgendetektor
Abb. 2: Aufgebauter 1024-Pixel-Röntgendetektor
Detail Chip
Abb. 3: Detail eines 32-Pixel-Chips vor dem Vereinzeln: Pixelabstand 20 µm, Ritzbahnbreite 10 µm

In enger Zusammenarbeit mit der TU Dresden, Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik (IAVT), entwickelt das FBH Sensorstreifen für neuartige Röntgendetektoren. Erst kürzlich wurde eine neue Generation direkt wandelnder Zeilensensoren demonstriert, die die Nachteile bisheriger Sensoraufbauten aus Szintillator und Photodetektor beseitigt. Die Vorteile sind insbesondere ein sehr geringes Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln, der einfachere Aufbau und eine längere Lebensdauer der Detektorchips. GaAs-Sensoren wandeln dabei Röntgenphotonen mit einer lateralen Auflösung von 100 µm je Pixel direkt in Ladungsträger um (Abb. 1). Der Demonstrator mit einem Sensor aus 1024 Pixeln entstand in Kooperation mit den Fraunhofer-Instituten IZFP und IPMS, die die Sensorbaugruppen der Verstärker- und Auswerteelektronik entwickelten (Abb. 2).

Am FBH wurde das Layout für einen 4-Ebenen-Prozess auf 4"-GaAs-Wafern entwickelt und realisiert. Die Grundeinheiten aus 32 Pixeln erhielten dabei auf der Vorderseite einen strukturierten Schottky-Kontakt und eine Passivierungsschicht. Rückseitig wurde der Wafer mit einem durchgängigen ohmschen Metallkontakt versehen. Über diese Kontakte kann später die Betriebsspannung von bis zu 400 V angelegt werden. Zudem können damit die durch Röntgenbestrahlung erzeugten Ladungsträger ausgelesen werden. Die Kontakte sind so konzipiert, dass die Anbindung sowohl über Gold-Bonddrähte wie auch über Flip-Chip-Montage möglich ist.

Eine besondere Herausforderung stellt die Vereinzelung der Chips aus dem Wafer dar (Abb. 3). Die Grundeinheiten mit 32 Pixeln sollen in einem regelmäßigen Pixelraster von 100 µm über einen 10 cm langen Sensorstreifen (1024 Pixel) aneinander gereiht werden. Um den Abstand benachbarter Pixel von 20 µm auch an der Fügestelle einzuhalten, muss sehr präzise vereinzelt werden. Der Wafer wird dabei so angeritzt und gebrochen, dass sich die separaten Chips später problemlos fügen lassen. Mit diesem präzisen Trennverfahren wurden auch Sensorhalbstreifen mit 512 Pixeln erzeugt. Damit ist nur noch eine Fügung notwendig, was den Aufbau eines fehlerfreien Pixelrasters wesentlich vereinfacht.