CN101478645B - 一种基于半导体层的电荷感应成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于半导体层的电荷感应成像方法，1)将光电成像器件的荧光屏换成带衬底的半导体层，在半导体层的衬底背面的真空外侧设置位敏阳极，所述半导体层的方块电阻范围为100MΩ/□～1000MΩ/□；2)光电成像器件的光电变换部分接收测量目标的光信号，发射光电子进入电子光学系统，经聚焦后进入微通道板倍增，形成电子云；3)电子云经过电场加速后轰击微通道板后的半导体层；4)半导体层上的电荷通过电荷感应由半导体层衬底背面的位敏阳极收集；5)通过位敏阳极外接电子读出电路和计算机图像输出电路实现成像探测。本发明解决了现有的技术成像质量差、真空封装难、阳极更换不方便的技术问题。

Description

一种基于半导体层的电荷感应成像方法

技术领域

本发明涉及一种光电成像探测方法。

背景技术

自从1897年Thomson发现并测量出电子的质荷比以来，各种电子成像器件迅速发展并得到了广泛应用。如示波管，显像管，变相管，像增强器等都是利用高速的电子束轰击荧光屏发光而实现成像的。为了实现图像的采集和存储，一是利用光学镜头或光纤耦合将荧光屏输出的图像耦合到CCD的光敏面上，即ICCD(增强型电荷耦合器件)；另一种是将背照减薄的CCD做在真空器件内，代替原有的荧光屏，在额定工作电压下，来自光阴极的电子直接轰击CCD，即EBCCD(电子轰击电荷耦合器件)。

对于ICCD，其成像链为“光子-光电子-倍增电子-光子-电荷信号”，该成像过程包括环节过多，会导致图像质量逐渐恶化，其恶化原因主要包括：MCP(微通道板)增益过程中引入的噪声；光电成像路径中的莫尔条纹；元器件本身的瑕疵以及光纤阵列的不均匀性等形成的固定背景噪声；光学元器件中的能量损失及弥散导致调制传递函数(MTF/Modulation Transfer Function)下降。

对于EBCCD，虽然具有较少的电光、光电转换环节，分辨率、信噪比以及动态范围也优于ICCD，但是背照减薄的CCD芯片需要封装在真空器件中，在真空器件的封装过程中都需要高温烘烤除气，因此工艺技术难度很大，研制成本很高。

将位敏阳极代替荧光屏也可以实现成像探测，并且相对于ICCD和EBCCD，位敏阳极探测器具有信噪比高、探测灵敏度高、动态范围宽、抗漂移性好、背景噪声可方便去除以及没有暗电流影响等诸多优点。但是直接利用位敏阳极读出的探测器存在图像畸变较大、二次电子发射等缺点，并且位敏阳极必须真空封装在器件内部，器件成品率较低，对阳极要求高且更换不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于半导体层的电荷感应成像方法，其解决了现 有的技术成像质量差、真空封装难、阳极更换不方便的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于半导体层的电荷感应成像方法，其特征在于：

1]将光电成像器件的荧光屏换成带衬底6的半导体锗层5，在半导体锗层5的衬底6背面的真空外侧设置位敏阳极7，所述半导体锗层5的方块电阻范围为100MΩ/□～1000MΩ/□；

2]光电成像器件的光电变换部分2接收测量目标的光信号，发射光电子进入电子光学系统3，经聚焦后进入微通道板4倍增，形成电子云；

3]电子云经过电场加速后轰击微通道板4后的半导体锗层5；

4]半导体锗层5上的电荷通过电荷感应由半导体锗层5衬底6背面的位敏阳极7收集；

5]通过位敏阳极外接电子读出电路9和计算机图像输出电路10实现成像探测。

所述锗层的制备工艺如下：采用材料为99.999％的多晶锗粒，利用磁控溅射、电阻蒸发或电子枪蒸镀，制备时充入纯度为99.99％的氩气。

上述锗层的厚度范围为50nm～400nm。

上述衬底6是微晶玻璃、石英玻璃或氧化铝陶瓷。

上述衬底6的厚度范围为1mm～3mm。

上述位敏阳极是多阳极微通道阵列阳极、电阻阳极、楔条形阳极、游标阳极、延迟线阳极或螺旋阳极。

本发明具有如下优点：

1、本发明将锗层的绝缘衬底直接作为真空器件的封装管壳部件，并将该绝缘层接地，保证真空器件内的高压和外部电子读出电路的完全隔绝，从而简化了探测器的相关电子学设计。

2、本发明将光电变换部分、产生电场或电磁复合场的电子光学部分、MCP以及锗层封装成一个真空器件，该器件可以和诸多类型的位敏阳极构成一个完整的探测器，因此这将极大的方便不同位敏阳极探测器的研究。

3、本发明的位敏阳极通过电荷感应收集成像电荷，因此不必再和MCP封 装成一个真空器件，避免了真空封装时相关的热处理工艺对阳极的精细结构产生的破坏作用以及在真空器件内设置阳极引出电极，从而能有效的保证器件的真空密封性，大大简化了阳极探测器的真空封装工艺。

4、本发明有效减小了因MCP与阳极之间静电场的畸变所引起的图像扭曲变形，以及电荷分割型位敏阳极所产生的分布噪声，并避免了电荷直接收集法中位敏阳极上金属电极中次级电子的重新分布所引起的分布噪声。

5、本发明在改善光电成像器件图像质量的同时，减少了成像环节，提高了系统的调制传递函数(MTF)，可应用于基于位敏阳极的所有光电成像系统中。

附图说明

图1为基于半导体镉层的电荷感应成像器件结构图；其中：1-测试目标；2-光电变换部分；3-电场或电磁复合场电子光学部分；4-微通道板；5-半导体锗层；6-衬底；7位敏阳极；8-阳极衬底；9-电子读出电路；10-计算机图像输出电路；

图2为电荷感应原理图；

图3为在不同锗衬底厚度时，z＝0处的电荷密度轴向分布示意图。

具体实施方式

一种基于半导体锗层的电荷感应成像方法，可广泛应于光电子成像器件，如变像管，像增强器，单光子计数成像探测器等，采用该成像方法的光电成像器件结构图如图1所示。

本发明具体步骤如下：

1]将光电成像器件的荧光屏换成带衬底6的半导体锗层，在半导体锗层的衬底6背面的真空外侧设置一个位敏阳极7，要求半导体锗层的方块电阻范围为100MΩ/□～1000MΩ/□，锗层的厚度范围为50nm～400nm，衬底6的厚度范围为1mm～3mm；衬底6可采用微晶玻璃、石英玻璃或氧化铝陶瓷；位敏阳极可以采用多阳极微通道阵列阳极(MAMA/Multi-Anode Microchannel Array)，电阻阳极(Resistive Anode)，楔条形阳极(Wedge and Strip Anode)，游标阳极(Vernier Anode)，改进的延迟线阳极(Delay-line Anode)，螺旋阳极(Spiral Anode)；

2]光电成像器件的光电变换部分2接收测量目标的光信号，发射光电子 进入电子光学系统3，经聚焦后进入微通道板4倍增，形成电子云；

3]电子云经过电场加速后轰击微通道板4后的半导体锗层；

4]半导体锗层上的电荷通过电荷感应由半导体锗层衬底6背面的位敏阳极7收集；

电子在锗层中扩散，同时由于镉层的高阻特性，在很短的时间内电子云分布基本不变，锗层上的电荷通过电荷感应由锗层衬底背面的位敏阳极7收集，电荷感应法的原理图如图2所示。

感应电荷计算过程如下：

$V=V_{\mathrm{source}}-V_{\mathrm{mirror}}$

$=\∫\∫\frac{-\mathrm{\σrdrd\θ}}{4\mathrm{\π\ϵ}\sqrt{R^2{+r}^2-2\mathrm{Rr}\cos \mathrm{\θ}+{(D+z)}^2}}---\left(1\right)$

$+\∫\∫\frac{\mathrm{\σrdrd\θ}}{4\mathrm{\π\ϵ}\sqrt{R^2+r^2-2\mathrm{Rr}\cos \mathrm{\θ}+{(D-z)}^2}}$

其中，V_source和V_mirror分别是由源电荷和镜像电荷在z处产生的电压，σ是源电荷的电荷密度。

在z＝0处，电荷密度可近似由以下公式计算，

$\mathrm{\Δ}=\mathrm{\ϵ}\frac{V}{2D}---\left(2\right)$

其中，ε是衬底的介电常数，D是衬底的厚度。

图3所示为依次增加的A、B、C、D、E五种不同锗衬底厚度时，在z＝0处的电荷密度轴向分布图。

5]通过位敏阳极外接电子读出电路9和计算机图像输出电路10实现成像探测。

其中：半导体层的制备工艺如下：采用材料为99.999％的多晶锗粒，利用磁控溅射、电阻蒸发或电子枪蒸镀，制备时充入纯度为99.99％的氩气。

关于多阳极探测器的设计不在本发明之列，另有专利要求，参见申请人的，发明专利申请“单光子计数成像仪”，专利申请号：200710018631.6。

本发明工作过程：在绝缘基底的真空内侧蒸镀一侧半导体锗层，光电阴极发射的光电子，进入电子光学系统，电子经聚焦后经过微通道板(MCP/ Microchannel Plates)倍增后形成的电子云，在电场中加速并轰击MCP后的高阻锗层，电子在锗层中扩散，同时由于锗层的高阻特性，在很短的时间内，电荷分布保持不变，通过电荷感应，将锗层上收集到的电荷感应到锗层衬底背面真空外侧的绝缘基底的位敏阳极上，最后基于电荷感应的方法通过位敏阳极外接电子读出系统和计算机实现成像探测。

Claims (6)

1.一种基于半导体层的电荷感应成像方法，其特征在于：

1]将光电成像器件的荧光屏换成带衬底(6)的半导体锗层(5)，在半导体锗层(5)的衬底(6)背面的真空外侧设置位敏阳极(7)，所述半导体锗层(5)的方块电阻范围为100MΩ/□～1000MΩ/□；

2]光电成像器件的光电变换部分(2)接收测量目标的光信号，发射光电子进入电子光学系统(3)，经聚焦后进入微通道板(4)倍增，形成电子云；

3]电子云经过电场加速后轰击微通道板(4)后的半导体锗层(5)；

4]半导体锗层(5)上的电荷通过电荷感应由半导体锗层(5)衬底(6)背面的位敏阳极(7)收集；

5]通过位敏阳极外接电子读出电路(9)和计算机图像输出电路(10)实现成像探测。

2.根据权利要求1所述的基于半导体层的电荷感应成像方法，其特征在于：所述锗层的制备工艺如下：采用材料为99.999％的多晶锗粒，利用磁控溅射、电阻蒸发或电子枪蒸镀，制备时充入纯度为99.99％的氩气。

3.根据权利要求2所述的基于半导体层的电荷感应成像方法，其特征在于：所述锗层的厚度范围为50nm～400nm。

4.根据权利要求2或3所述的基于半导体层的电荷感应成像方法，其特征在于：所述衬底(6)是微晶玻璃、石英玻璃或氧化铝陶瓷。

5.根据权利要求4所述的基于半导体层的电荷感应成像方法，其特征在于：所述衬底(6)的厚度范围为1mm～3mm。

6.根据权利要求5所述的基于半导体层的电荷感应成像方法，其特征在于：所述位敏阳极是多阳极微通道阵列阳极、电阻阳极、楔条形阳极、游标阳极、延迟线阳极或螺旋阳极。

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