CN103703390A

CN103703390A - 检波二极管

Info

Publication number: CN103703390A
Application number: CN201180070848.6A
Authority: CN
Inventors: 格尔根·尼尔森; 史蒂芬·尤尼克; 瓦罗德克·卡普兰; 彼得·诺林
Original assignee: SCANDIDOS AB
Current assignee: SCANDIDOS AB
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2014-04-02
Also published as: EP2710403A1; EP2710403B1; WO2012159648A1; US20140091413A1; US9778373B2

Abstract

本发明总体上涉及一种辐射传感器，特别是用于但绝不限于在光电领域中测量辐射剂量，例如用于放射医学，包括放射治疗和放射为基础的诊断。根据本发明，提供一种半导体辐射检测器，包括被布置的辐射敏感检测器元件，以便该检测器元件形成具有面向至少两个非平行方向的表面的连续的辐射敏感部分。

Description

检波二极管

技术领域

本发明总体上涉及一种辐射传感器，特别是用于但不限于在光电领域中测量辐射剂量，例如用于放射医学，包括放射治疗和以放射为基础的诊断。

背景技术

自从引入IMRT（调强放疗），利用外部高能量X-射线放疗（放射治疗）的癌症治疗已被广泛开发。传统放疗利用辐射束，其中主光束中具有均匀的剂量分布。然而，因为由患者解剖结构的不规则形状以及组织成分的变化而引起的整个射野中辐射束衰减的变化，患者肿瘤中的实际剂量分布通常或多或少是异质的。在IMRT中，剂量分布在靶区中被优化成同质的。这是通过计算和提供主辐射束作为非均匀的调强辐射束而实现的。设计和优化治疗所用的工具是TPS（治疗设计系统）。

为了产生调强辐射束，主辐射束在不同的时间段内被屏蔽，以用于待治疗的射野中的不同区域。这通常是使用MLC（多叶准直器）进行的，其中每个单独的准直器叶片被单独控制。一种典型的MLC具有60-80对5毫米的叶片，其中每对叶片能够打开长达40厘米的辐射缝隙。

在第一代调强治疗的方法中，治疗在一定数量的照射中进行。在每个照射中，进行一些具有不同形状的固定射野以产生调强射野，即所谓的“静态调强”，或者替代地，当辐射束打开时MLC的叶片相对运动，即所谓的“动态调强”。

固定照射的IMRT的引入相比以前的固定射野技术提高了治疗效果，但权衡下显著增加了治疗时间，从而需要更多的时间来治疗每一个病人，这也显著增加了治疗中涉及的费用。

此外，调强射野的产生增加了治疗的复杂性以及需要新的QC（质量控制）以确保根据TPS创建的计划给予治疗。因此引入QC方法PTV（治疗前验证）。在PTV中，使用TPS工具计算人体模型（病人替代物）中的3D剂量分布，以用于特定计划和特定病人。由于人体模型不具有与病人相同的形状和非均质性，因此剂量分布不会与病人相同。然而，人体模型可使用病人的特定计划进行照射，从而人体模型中测量的剂量分布可与计划的剂量分布比较。如果人体模型中测量的剂量分布和用于人体模型的治疗计划中的剂量分布相同，那就证明可如预期给出计划的治疗。

在整个三维体积中使用检测器，理想的人体模型在形状和密度上将会和病人相似。目前由于成本等那是不可能的。在真正的病人内进行测量将需要大量的测量点，这也是不可能的。美国专利US7371007中描述了一种优化了和要求相关的检测器配置的技术。

取决于这种人体模型的预期用途，对各向同性的要求（测量依赖于入射角）可能会有所不同。如果人体模型从“头部和颈部”覆盖至骨盆，由于辐射束的入射角在360度旋转中被限制在立体角+/-30度，关于各向同性的要求是比较有限的。如果预期用途也覆盖整个头部，包括脑，入射辐射束可能是将近4π，即几乎任何辐射束方向。然后高精度测量对变得各向同性的检测器系统将需要更高的要求，即定向独立。

各向同性的检测器还应满足其他要求，例如高空间分辨率、能量独立性、剂量线性、每脉冲线性度的剂量、低温依赖性、稳定性、高信噪比、辐射公差、实时测量、可配置在检测器的阵列中，而不是最低成本的效果，以使它们在实践中有用。

在第一个近似值中，对于相比产生剂量（单位质量的能量）的这种范围内的二次电子较小的检测器来说，大多数通过检测器检测的剂量源自于产生在检测器本身外的电子并进入有效体积（active volume）内进行储存。如果小检测体积的周围材料是不均匀的，二次电子的产生将取决于周围材料的质量密度和电子密度，并且如果周围材料改变，检测器将不会是各向同性的，因此，检测器体积具有均匀的或对称的周围是重要的。

在传统的二极管-检测器-芯片中，芯片在自由电荷的收集中部分是活性的，部分是非活性的（闲散的）。因此芯片的活性部分周围的几何形状是不均匀的，从而周围的二次电子将不会是均匀的；局部剂量的产生将变得定向独立。

分别直接通过例如有效体积周围的水当量经由体硅进入有效体积的二次电子将产生不同数量的二次电子，因此给予的剂量将随着入射角而改变。

各向同性的检测器已被试图提供，双芯片（层叠）检测器在20世纪90年代初被构造以减少上述影响。层叠检测器相比单一芯片的检测器更加各向同性，但具有易受损的缺点。例如，该构造要求活性部分相对体硅对称安置以及形状对称，这例如使得它难以制造。这些几何不对称可能导致与辐射的入射方向不相关的信号响应。

与周围材料密度不同的探测器的另一个问题是能量的依赖。低能量（<200keV）的光子的衰减相比在水中要高达例如7倍，这导致层叠构造中的能量依耐性相比几乎50％的表面面向周围材料的单一芯片检测器更加明显。

US2009/0057562中提出了另一种试图提供的各向同性的检测器，其中公开了一种用于测量辐射的剂量、剂量率或组成的方法、装置和计算机程序。在一个实施例中，一种用于检测和测量周围未知的辐射场的装置被公开，该辐射场包括面向各个方向的大量的检测芯片。然而，US2009/0057562中提出的检测器也可能具有与检测器芯片的对称性有关的易受损问题，这反过来可能导致与辐射的入射方向不相关的信号响应。

因此，本领域内仍然需要具有与辐射的入射方向相关的信号响应的各向同性的检测器，该检测器同时满足其他重要的要求，例如高空间分辨率、能量独立性、剂量线性、每脉冲线性度的剂量、低温依赖性、稳定性、高信噪比、辐射公差、实时测量，在检测器系统中用于测量光电领域中的辐射剂量，例如用于放射医学，包括放射治疗和放射为基础的诊断。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种各向同性的检测器，其满足至少一些以下要求，例如高空间分辨率、能量独立性、剂量线性、每脉冲线性度的剂量、低温依赖性、稳定性、高信噪比、辐射公差、实时测量，在检测器系统中用于测量光电领域中的辐射剂量，例如用于放射医学，包括放射治疗和放射为基础的诊断。

本发明的其它目的和优点将通过示例性的实施例在下文中论述。

当考虑下文中的详细描述、所附的权利要求以及附图时，本发明的这个和其他特征、方面和优点将得到更充分的理解。

根据本发明的一个方面，提供一种半导体辐射检测器，包括检测器元件，该检测器元件被布置以至少在两个非平行方向接收辐射以及产生与所接收的辐射相对应的输出。

根据本发明的实施例，提供一种半导体辐射检测器，包括被布置的检测器元件，以便该检测器元件形成具有面向至少两个非平行方向的表面的连续的辐射敏感部分。

在本发明的实施例中，半导体辐射检测器包括被布置成与检测器元件连接的接触装置，该接触装置用于连接检测器至外部设备。

根据本发明的实施例，检测器元件被布置以便它形成具有面向至少两个垂直方向的表面的连续的辐射敏感部分。

在本发明的实施例中，检测器元件被布置以便它形成具有面向三个垂直方向的表面的连续的辐射敏感部分。

根据本发明的实施例，半导体辐射检测器还包括半导体基材。检测器元件被设置在半导体基材上并成形以便它形成与半导体基材为一体的连续的辐射敏感部分，并且接触装置被布置成与半导体基材以及检测器元件连接，以用于连接检测器至外部设备。

在本发明的实施例中，检测器元件是设于半导体基材的所有面上的耗尽的（depleted）连续层。

根据本发明的实施例，半导体基材成形为多面体，检测器元件被设置在多面体半导体基材的所有面上。此外，接触装置被布置在半导体基材的一侧，与半导体基材以及检测器元件连接。

根据本发明的实施例，半导体基材成形为立方体，检测器元件被设置在立方体形状的半导体基材的所有六面上。此外，接触装置被布置在立方体形状的半导体基材的一侧，与半导体基材以及检测器元件连接。

在本发明的其它实施例中，半导体基材具有球面形状，检测器元件被设置在半导体基材的表面上。此外，接触装置被布置在半导体基材的表面上，与半导体基材以及检测器元件连接。

根据本发明的实施例，半导体基材具有菱形状，检测器元件被设置在半导体基材的所有面上。此外，接触装置被布置在菱形体的一侧，与半导体基材以及检测器元件连接。

在本发明的实施例中，检测器元件是n型材料或者p型材料，以形成n-Si型检测器、p-Si型检测器、n-MOSFET型检测器、或p-MOSFET型检测器。

此外，根据本发明的实施例，pn结被布置在立方体形状的半导体基材、菱形状的半导体基材、或球面形状的半导体基材的所有面上，以形成二极管检测器。

根据本发明的实施例，半导体辐射检测器包括位于检测器内的连续的有效体积。

根据本发明的实施例，半导体辐射检测器具有立方体形状并包括集中在检测器以及检测器角落的半导体基材区域内的具有球面或椭球面形状的连续的有效体积。

根据本发明的实施例，半导体辐射检测器还包括与半导体基材区域接触的第一触点以及与有效体积接触的第二触点。

根据本发明的实施例，半导体辐射检测器的至少一个侧表面或外表面是弧形或弯曲的。

当考虑下文中的详细描述、所附的权利要求以及附图时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将得到更充分的理解。

附图说明

本发明的示例性的实施例通过示例的方式而不是在附图中限制的方式示出，其中附图中相似的标记表示相似的元件。应当指出，在此论述的“一”或“一个”实施例不一定是相同的实施例，并且这种标记意味着至少一个。

图1a示意性示出了根据本发明的一个实施例的半导体辐射检测器的剖视图；

图1b示意性示出了图1a中另一视角的根据本发明的半导体辐射检测器；

图2a示意性示出了根据本发明的一个实施例的半导体辐射检测器的剖视图；

图2b示意性示出了图2a中另一视角的根据本发明的半导体辐射检测器；

图3a示意性示出了根据本发明的一个实施例的半导体辐射检测器；以及

图3b示意性示出了图3a中另一视角的根据本发明的半导体辐射检测器。

具体实施方式

以下是根据本发明的示例性实施例的描述。该描述不具有限制作用，而仅仅是用于描述本发明的一般原则。应当理解的是，在不脱离本发明的范围内可利用其他实施例，并可做出结构和逻辑变化。

首先，将简要描述根据本发明的一个实施例的用于制造半导体辐射检测器的示例性过程。本实施例的半导体辐射检测器是具有六个辐射敏感表面的立方体形状的检测器，因此具有减小的或者在实践中接近为零的方向依赖性。在这个示例性过程中，检测器在绝缘衬底上的硅（SOI）晶片的硅层之一中进行制造。这个示例性过程具体包括：

-通过对穿过SOI晶片的硅层之一的沟槽进行深反应离子蚀刻构造四个垂直表面，使用掩埋氧化物停止蚀刻。垂直表面以及顶面在升高的温度下由气体源进行掺杂。向下扩散穿过沟槽的气体能够掺杂垂直表面。

-通过一个或多个薄膜层的沉积重新填充沟槽，以保持晶片的机械完整性并构造一个平坦表面用于后续处理。

-蚀刻掉充当载体的SOI晶片的第二硅层。重新填充的沟槽使得剩余的晶片被固定在一起而无载体。这一步骤之后，立方体芯片的第六表面被暴露和掺杂，例如通过离子注入法。然后可通过常规的处理进行金属化、钝化和切成小片。

参照图1a和图1b，根据本发明的一个实施例的检测器将被论述，该检测器可使用上述原理进行制造。图1a示意性示出了半导体辐射检测器沿图1b的直线A-A的横截面，图1b示意性示出了从图1a中的箭头方向所见的半导体辐射检测器。

根据这个具体实施例的半导体辐射检测器10包括立方体形状的p型掺杂硅半导体基材12。检测器元件13被设置在半导体基材12上。检测器元件13是n+型掺杂硅并被设置为立方体形状的半导体基材12的所有六个面上的连续层。半导体基材12和检测器元件13一起形成具有边长a的立方体。

此外，接触装置14被设置在立方体形状的半导体基材12的一侧。本实施例中，第一圆形接触销15被提供以与半导体基材12接触并被设置具有直径D。第二方形接触销16被提供以与检测器元件13接触并被设置具有边长b。

在本发明的本实施例中，第一和第二接触销15，16由铝制成。此外，由硅氧化物（SiO₂）制成的外辐射透明保护层17被设置在检测器元件13上。因此，pn结被形成在立方体形状的半导体辐射检测器10的所有六个面上。根据本发明的半导体辐射检测器10允许X-射线辐射的测量具有减小或甚至接近于零的方向依赖性。另外，由于检测器10的有效体积对称地分布在三维空间内，检测器的横向延伸可被减小，这导致单位晶片面积内的检测器的数量增加。

现在参照图2a和2b，根据本发明的另一个实施例的半导体辐射检测器将被论述。图2a示意性示出了半导体辐射检测器沿图2b的直线B-B的横截面，图2b示意性示出了从图2a中的箭头C的方向所见的半导体辐射检测器。

根据这个具体实施例的半导体辐射检测器100包括球面形状的p型掺杂硅半导体基材102或具有圆边和圆角的立方体结构的半导体基材102。检测器元件103被设置在半导体基材102上。检测器元件103是n+型掺杂硅并被设置为球面形状的半导体基材102上的连续层。半导体基材102和检测器元件103一起形成球面结构或具有圆角的立体结构。

此外，接触装置104被设置在检测器100上。本实施例中，第一圆形接触销105被提供以与半导体基材102接触并被设置具有直径D₁。第二方形接触销106被提供以与检测器元件103接触并被设置具有边长b。

在本发明的本实施例中，第一和第二接触销105，106由铝制成。此外，由硅氧化物（SiO₂）制成的外辐射透明保护层107被设置在检测器元件103上。因此，pn结被形成在球面形状的半导体辐射检测器100上。根据本发明的半导体辐射检测器100允许X-射线辐射的测量具有减小或甚至接近于零的方向依赖性。另外，由于检测器100的有效体积对称地分布在三维空间内，检测器的横向延伸可被减小，这导致单位晶片面积内的检测器的数量增加。

根据图3a和3b中所示的本发明的另一个实施例，半导体辐射检测器包括位于立方体状的检测器内的球面形状的检测器元件。检测器元件是例如n+型掺杂硅并被设置为连续的有效体积。本实施例中，检测器元件203基本上为圆形的，但也可以是例如椭圆的。检测器200是立方体形状的并包括位于角落的p型掺杂硅半导体基材区域202。接触装置214被布置以用于连接至外部设备，包括可设置在检测器上的由铝制成的接触销。例如，第一接触销205可被布置接近位于检测器200的一个角落的半导体基材区域202并与检测器元件203接触，第二接触销206可被布置与检测器200的球面形状的有效体积接触。此外，由硅氧化物（SiO₂）制成的外辐射透明保护层217可被设置在检测器元件上。连续的有效体积可具有立方体形状、椭圆形状、圆柱形状、球形状或棱锥形状。然而，其他几何形状是可行的。

尽管本文已经描述了某些实施例，本领域的技术人员应当理解的是，在本公开中示出和描述的装置和方法的许多方面可被不同组合和/或修改以形成另外的实施例。由此上述装置和方法的替代实施例和/或用途以及明显的修改和等同都在本公开的范围内。因此，本发明的范围不应被上述的具体实施例限制，而应该是公平阅读下面的权利要求所确定的。

Claims

1.一种半导体辐射检测器，包括：

检测器元件，所述检测器元件被布置以至少在两个非平行方向接收辐射并产生与所接收的辐射相对应的输出。

2.根据权利要求1所述的半导体辐射检测器，其中所述检测器元件被布置使得它形成具有面向至少两个非平行方向的表面的连续的辐射敏感部分。

3.根据权利要求1或2所述的半导体辐射检测器，所述半导体辐射检测器还包括被布置成与所述辐射敏感部分连接的接触装置，所述接触装置用于连接检测器至外部设备。

4.根据权利要求1-3任一项所述的半导体辐射检测器，其中所述检测器元件被布置使得它形成具有面向至少两个垂直方向的表面的连续的辐射敏感部分。

5.根据权利要求1-4任一项所述的半导体辐射检测器，其中所述检测器元件被布置使得它形成具有面向三个垂直方向的表面的连续的辐射敏感部分。

6.根据权利要求1-5任一项所述的半导体辐射检测器，所述半导体辐射检测器还包括：

半导体基材，其中所述检测器元件被设置在所述半导体基材上；

其中用于连接所述检测器至外部设备的接触装置表面被布置成与所述半导体基材以及所述检测器元件连接，以用于连接所述检测器至外部设备；并且

其中辐射敏感部分被形成在所述半导体基材的表面和所述半导体元件的表面之间。

7.根据权利要求6所述的半导体辐射检测器，其中所述检测器元件是设于所述半导体基材的所有面上的耗尽的连续层。

8.根据权利要求7所述的半导体辐射检测器，其中

所述半导体基材具有多面体形状；

所述检测器元件被设置在所述半导体基材的所有面上；并且其中

所述接触装置被布置在所述半导体基材的一侧，与所述半导体基材以及所述检测器元件相连。

9.根据权利要求7或8所述的半导体辐射检测器，其中

所述半导体基材成形为立方体；

所述检测器元件被设置在所述立方体形状的半导体基材的所有六面上；并且其中

所述接触装置被布置在所述立方体形状的半导体基材的一侧，与所述半导体基材以及所述检测器元件相连。

10.根据权利要求7或8所述的半导体辐射检测器，其中

所述半导体基材具有球面形状；

所述检测器元件被设置在所述球面形状的半导体基材的表面上；并且其中

所述接触装置被布置在所述半导体基材的表面上，与所述半导体基材以及所述检测器元件相连。

11.根据权利要求7或8所述的半导体辐射检测器，其中

所述半导体基材具有菱形形状；

所述检测器元件被设置在所述菱形的半导体基材的所有面上；并且其中

12.根据权利要求1-11任一项所述的半导体辐射检测器，其中所述检测器元件是n型材料或者p型材料，以分别形成n-Si型检测器、p-Si型检测器、n-MOSFET型检测器、或p-MOSFET型检测器。

13.根据权利要求7-12任一项所述的半导体辐射检测器，其中pn结被布置在包括所述立方体形状、球面形状以及菱形形状的半导体基材的所述多面体半导体基材的所有面上。

14.根据权利要求1所述的半导体辐射检测器，所述半导体辐射检测器包括位于所述检测器内的连续的有效体积。

15.根据权利要求14所述的半导体辐射检测器，其中所述检测器具有立方体形状并包括集中在所述检测器内以及所述检测器的角落的半导体基材区域内的具有球面或椭球面形状的连续的有效体积。

16.根据权利要求15所述的半导体辐射检测器，所述半导体辐射检测器还包括与半导体基材区域接触的第一触点以及与有效体积接触的第二触点。