CN104024889A - 辐射探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辐射探测器(2)，包括：辐射敏感半导体元件(10)，其响应于辐射(3)的辐照生成电子空穴对；阳极电极(20)，其被布置在所述半导体元件(10)的面向所述辐射相反方向的第一表面(11)上，所述阳极电极(20)被分割成表示阳极像素的阳极段(21)，其中，阳极间隙(22)被布置在所述阳极段(21)之间；阴极电极(30)，其被布置在所述半导体元件(10)的与所述第一表面(11)相对并且面向所述辐射(3)方向的第二表面(12)上，所述阴极电极(30)被分割成第一阴极段(31)和第二阴极段(32)，其中，所述第一阴极段(31)基本上被布置为与所述阳极段(21)相对，并且所述第二阴极段(32)基本上被布置为与所述阳极间隙(22)相对；以及阴极端子(41、42)，其提供与所述第一阴极段(31)和所述第二阴极段(32)的电连接，以将不同的电势耦合到所述第一阴极段(31)和第二阴极段(32)。通过这样的布置，能够有效减少电荷共享。
Description
技术领域
本发明涉及一种辐射探测器和一种辐射探测装置，其尤其用于对X射线和伽马辐射的探测。
背景技术
基于直接转换材料(例如CdTe或CZT)的针对X射线和伽马辐射的能量分辨探测器已被证明是测量光子能量的有效方式。直接转换X射线和伽马射线探测器通常包括一层半导体材料，并具有在相对表面上的金属电极，在相对表面之间提供电压。入射的X射线光子产生大量电子空穴对，几乎与所吸收的光子能量成比例。由于电场，空穴与电子在相对的方向漂移，直到它们被金属电极收集。通常，连续金属电极被用在光子通过其而入射的表面上(通常被用作阴极)，并且像素电极的阵列被用在相对的表面上(通常被用作阳极像素)。在该几何结构中，能够根据在对应的像素阳极上感生的电流脉冲，确定被吸收的光子的位置和能量，如在K.J.Engel和C.Herrmann的Simulation of one-dimensionally polarized X射线semiconductor detectors(Proceedings of SPIE7961，79610W(2011))中所描述的。
电子的漂移运动被扩散覆盖，其引起电子云随时间的延伸。如果该云位于相邻像素之间的边界附近，则出现该云的一部分被一个像素收集并且改云的另一部分被相邻的像素收集，这通常被已知为“电荷共享”的过程。结果，在两个像素中均触发计数，它们中的每个均指示原始电荷的(或多或少为随机的)部分，使得原始能量信息丢失。
发明内容
本发明的目的是提供一种辐射探测器和一种辐射探测装置，其中，减少了上述电荷共享。
在本发明的第一个方面中，提供一种辐射探测器，包括：
-辐射敏感半导体元件，其响应于辐射的辐照来生成电子空穴对，
-阳极电极，其被布置在所述半导体元件的面向所述辐射相反方向的第一表面上，所述阳极电极被分割成表示阳极像素的阳极段，其中，阳极间隙被布置在所述阳极段之间，
-阴极电极，其被布置在所述半导体元件的与所述第一表面相对并且面向所述辐射方向的第二表面上，所述阴极电极被分割成第一阴极段和第二阴极段，其中，所述第一阴极段基本上被布置为与所述阳极段相对，并且所述第二阴极段基本上被布置为与所述阳极间隙相对，以及
-阴极端子，其提供与所述第一阴极段和所述第二阴极段的电连接，以将不同的电势耦合到所述第一阴极段和所述第二阴极段。
在本发明的另一方面中，提供一种辐射探测装置，包括：
-根据本发明所提出的辐射探测器，以及
-电压源，其被耦合到所述阴极端子，以将不同的电势耦合到所述第一阴极段和所述第二阴极段。
在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应理解，要求保护的辐射探测装置具有与要求保护的辐射探测器相似和/或相同的如在从属权利要求中所定义的优选实施例。
本发明基于以下理念：使用分段的阴极，以减小电荷共享的问题。所述阴极段被保持在不同的电势，使得在像素边界区正上方(即所述阳极间隙上方)的阴极附近存在非均匀电场，使得生成的电子云得到朝向像素中心(即朝向阳极段的中心)的额外漂移分量。结果，发现每个云的重心距对应的像素中心更近，并且与(一个或多个)相邻像素的电荷共享被减小。
应注意，如果材料被用于这样的半导体元件，即其中，利用空穴的信号生成比利用电子的信号生成更有效，则术语“阳极”和“阴极”以及这些元件的功能也可以被交换。换言之，即使用相同的几何结构但使用不同极性的电极(阴极和阳极)。因此，在使用这样的半导体元件的情况中，涉及所述辐射探测器和所述辐射探测装置的权利要求应被理解为覆盖在其中阳极和阴极被互换的探测器和装置，即阳极面向所述辐射方向，并且阴极被布置在半导体元件的相对侧上。
根据优选的实施例，所述第一阴极段被布置为第一阴极段的阵列。优选地，所述阳极段也被布置为阵列，优选为与所述第一阴极段的所述阵列相同的结构。该实施例提供规则布置，其中，能够以简单的方式对单个阴极和阳极段定址。
根据另一实施例，所述第一阴极段在平行于所述第二表面的方向中，具有与所述阳极段相比基本上相同的形式。
存在用于实施所述阴极端子的不同实施例。在一个实施例中，所述阴极端子包括被耦合到所述第一阴极段的第一阴极端子和被耦合到第二阴极段的第二阴极端子，以将不同的电势耦合到所述第一阴极端子和所述第二阴极端子。
在另一实施例中，所述阴极端子可以为一层，所述半导体借助于例如“焊球凸点(bump ball)”被绑定到所述层，并且所述层提供电连接的布线。
在又一实施例中，所述阴极端子提供两个(或更多个)电压源与每个阴极段(或阴极段的连接的组)之间的导电接触。
存在用于对所述第一阴极段定址的不同实施例。在第一实施例中，所述第一阴极段彼此分离(尤其是隔离)，并且被各自耦合到第一阴极端子。该实施例提供以下优点，即每个阴极段均被各自地提供有电势，但要求大量的阴极端子。在备选实施例中，所述第一阴极段被阴极连接电极耦合到一起形成组，尤其是形成每行或每列，所述阴极连接电极被布置在所述半导体元件的所述第二表面上，所述组被各自耦合到第一阴极端子。该实施例要求较少量的阴极端子。
优选地，所述第二阴极段被布置为第二阴极段的网格。在这样的实施例中，优选地，单个第二阴极端子足以被耦合到整个网格。或者，所述第二阴极段被耦合到一起形成单个或多个组，所述单个或多个组被耦合到一个或多个第二阴极端子，从而实现了电势到所述第二阴极段的更为独立的提供。
在另外的实施例中，所述阴极电极被分割成至少三个阴极段，其中，所述第一阴极段基本上被布置为与所述阳极段相对，并且另外的阴极段被嵌套在所述第一阴极段周围，并且其中，所述阴极端子提供与不同阴极段的电连接，以将不同的电势耦合到所述不同阴极段。优选地，在实施例中，所述阴极端子包括至少三个阴极端子，所述至少三个阴极端子被耦合到不同阴极段，以将不同的电势耦合到所述不同阴极端子。这些实施例提供进一步的改进，以避免或抑制电荷共享。
优选地，所述半导体元件适于响应于X射线或伽马辐射的辐照来生成电子空穴对。例如，所述半导体元件由以下材料制成：元素半导体材料，例如Si或Ge；选自周期系的IV组的二元半导体材料，尤其是SiGe或SiC；来自周期系的III组和V组的二元半导体材料，例如InP、GaAs或GaN；来自周期系的II组和VI组的二元半导体材料，例如CdTe、HgTe、CdSe或ZnS；来自周期系的IV组和VI组的二元半导体材料，例如PbO或PbS；三元半导体材料，例如CdZnTe、HgCdTe或AlGaAs；或者四元半导体材料，例如InGaAsP或InGaAlP。
有利地，所述辐射探测器还能够包括：阳极间隙段，其被布置在相邻的阳极段之间的所述阳极间隙内；以及阳极端子，其提供与所述阳极间隙段的电连接，以将电势耦合到所述阳极间隙段，尤其是比所述阳极段的电势更负(或者在其他实施例中，更正)的电势。这提供了进一步朝向像素阳极段操纵电子的能力，因此，通过减少横穿与相邻像素的边界的电子的数目来减少电荷共享。此外，体积内的电荷(即空穴)与所述阳极段的电容耦合被减少，从而由所述阳极段生成更可靠的信号。
大体上，针对所述阳极端子的实施方式，同样适用于上文针对所述阴极端子所解释的，即存在各种可能的实施例。在一个实施例中，所述阳极端子包括被耦合到所述阳极段的第一阳极端子，以及被耦合到所述阳极间隙段的第二阳极端子，以将电势耦合到所述第二阳极端子，所述第二阳极端子优选地比所述第一阳极端子更负。
在所述辐射探测装置的实施例中，所述电压源适于将电势耦合到所述第二阴极段，所述第二阴极段向所述阳极电极提供与被耦合到所述第一阴极段的电势相比更大的电压差。此外，所述电压源优选地适于将电势耦合到所述第一阴极段和所述第二阴极段，所述第一阴极段和所述第二阴极段具有在10V至200V的范围中的电压差，和/或所述电压源适于将电势耦合到所述第一阴极段和所述第二阴极段，所述第一阴极段和所述第二阴极段具有与所述阳极电极的电势的在50V至1000V的典型范围中的电压差。
附图说明
本发明的这些以及其他方面将从下文描述的(一个或多个)实施例变得显而易见，并将参考下文描述的(一个或多个)实施例得以阐明。在附图中：
图1示出根据本发明的辐射探测装置的实施例的横截面视图，
图2示出根据本发明的辐射探测器的第一实施例的俯视图，
图3示出根据本发明的辐射探测器的第二实施例的俯视图，
图4示出根据本发明的辐射探测器的第三实施例的俯视图，并且
图5示出根据本发明的辐射探测器的第四实施例的横截面视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明包括辐射探测器2的辐射探测装置1的实施例的横截面视图，观看方向垂直于辐射3(例如X射线或伽马辐射)的方向，辐射3通过阴极段被布置于其中的平面而入射。图2在沿入射辐射3的方向在阴极段上的俯视图中，示出辐射探测器2的第一实施例。
如在图1和图2中所示，所提出的辐射探测器2包括辐射敏感半导体元件10，辐射敏感半导体元件10响应于所述辐射3的辐照来生成电子空穴对。这样的半导体元件10在本领域是周知的，并且可以由以下材料制成：元素半导体材料，例如Si或Ge；选自周期系的IV组的二元半导体材料，尤其是SiGe或SiC；来自周期系的III组和V组的二元半导体材料，例如InP、GaAs或GaN；来自周期系的II组和VI组的二元半导体材料，例如CdTe、HgTe、CdSe或ZnS；来自周期系的IV组和VI组的二元半导体材料，例如PbO或PbS；三元半导体材料，例如CdZnTe、HgCdTe或AlGaAs；或者四元半导体材料，例如InGaAsP或InGaAlP。在其他实施例中，所述半导体材料可以被选择为其通过空穴比通过电子提供更有效的信号生成，在该情况中，能够使用相同几何结构的辐射探测器，但具有不同极性的电极(阴极、阳极，即交换阴极和阳极)。
辐射探测器2还包括(金属)阳极电极20，阳极电极20被布置在半导体元件10的面向辐射3相反方向的第一表面11上。所述阳极电极20被分割成表示阳极像素的阳极段21，其中，无电极(即非金属化的)阳极间隙22被布置在所述阳极段21之间。
在半导体元件10的面向辐射3方向的相对表面12上，辐射探测器2还包括(金属)阴极电极30。所述阴极电极30被分割成第一阴极段31和第二阴极段32。所述第一阴极段31基本上被布置为与所述阳极段21相对，并且所述第二阴极段32基本上被布置为与所述阳极间隙22相对。在所述第一阴极段31与所述第二阴极段32之间，提供非金属化阴极间隙33以用于隔离。
提供另外的阴极端子40，其包括被耦合到所述第一阴极段31的第一阴极端子41，以及被耦合到所述第二阴极段32的第二阴极端子42，以将不同的电势耦合到所述第一阴极端子31和所述第二阴极端子32。
优选地，提供阳极端子50，其被耦合到所述阳极段21，以将电势，例如接地电势，耦合到阳极段21，和/或以将辐射探测装置1的信号电子器件4(例如放大器、信号处理器、存储元件等等)耦合到所述阳极段，以用于信号读出和信号处理。
在该实施例中，方形的第一阴极段31在横向位置中对应于阳极段21，同时栅状的第二阴极段32对应于阳极段21之间的边界区(即阳极间隙22)。优选地，根据本发明的实施例，第二阴极段32被放在与第一阴极段31(其被放在电势–U偏置1)相比更负的电势–U偏置2，这优选地通过电压源5(或几个独立电压源)的使用得以实现，电压源5(或几个独立电压源)被耦合到所述阴极端子41、42以将不同的电势耦合到所述第一阴极端子41和所述第二阴极端子42。
如在图1中所示，在与像素(由阳极段21定义的像素；在图1中由虚线23指示像素边界)相关的最大体积内，电场线6a表示几乎均匀的场。在对应于像素边界的体积中，电场线6b尤其在第二阴极段32附近以电子(主要遵循场线的路径)被推向像素中心(即，阳极段21的中心)的方式弯曲。如果像素中心接近阳极电极20，这有效地得到电子云朝向像素中心的横向位移，因此形成与相邻像素的较少交叠，并因此引起较少的电荷共享，这增大了计数与正确的原始光子能量相配准的概率。
在图2中所示的辐射探测器2的实施例中，理想地以第二阴极段32覆盖像素边界23。在该实施例中，第一阴极段31需要单独地与第一阴极端子41电接触，同时大体上用于接触全部被电连接的所述第二阴极段32的单个第二阴极端子是足够的。
在图3中的俯视图中示出也可以被用于辐射探测装置1中的辐射探测器2a的第二实施例，其尤其示出对阴极电极30a的分段。在该实施例中，像素边界23没有理想地由第二阴极段32a被覆盖。在该实施例中(在图3中所示的沿行的范例中)通过阴极连接电极33a逐组地电连接第一阴极段31a，从而允许针对每组连接的第一阴极段31a的单个接触点(即单个第一阴极端子41)用于偏压供应。第二阴极段32a仍全部被连接，但并非作为图2中所示的连续规则网格，而是具有间隙。
应注意，越接近辐射相互作用发生的阴极侧，电荷共享的作用越大，这是因为在该情况中，所生成的电子朝向像素阳极的漂移时间达到其最大值，使得电子云具有最大的时间量，以延伸直到到达像素阳极。
辐射探测器2、2a的几何尺寸是可缩放的。通常，辐射探测器2、2a的厚度在0.5至5mm之间，像素尺寸(阳极段21)在50至2000μm之间。阳极段21之间的典型的阳极间隙22尺寸在20至500μm之间。
U偏置1通常被选择为生成30至500V/mm之间的电场。阳极段21通常在0V(或虚拟GND)的电势上。
由于弯曲电场线在深度上的区对应于第二阴极段32的栅格线的“厚度”，因此第二阴极段32的典型尺寸应该对应于X射线交互的典型深度，即约50-500μm。因此，U偏置2与U偏置1之间的电压差应被选择为在将第二阴极段32的发射电流(其部分地由阳极像素21收集)最小化与将第二阴极段32周围的电场弯曲最大化之间的最佳折中。
能够通过使用多于两个阴极分段，即通过使用具有在像素之间的朝向边界区23增加的负电势的嵌套的阴极段31b、32b、33b，来优化电场弯曲，如在4中示意性地图示的，图4示出根据本发明的辐射探测器2b的第三实施例。图4尤其示出阴极电极30b的分段，其中，第二阴极段32b和第三阴极段33b被布置在中心第一阴极段31b的周围。
任选地，能够进一步改进阳极分段，例如通过使用周知的操纵电极技术(例如在US 6333504中公开的)。在图5中示出横截面视图中的辐射探测器2的这种实施例。在该实施例中，阳极电极20c不仅包括阳极段21c和阳极间隙22c，还包括被布置在相邻的阳极段21c之间的阳极间隙22c内的阳极间隙段23c。此外，提供被耦合到所述阳极段21c的第一阳极端子51和被耦合到所述阳极间隙段23c的第二阳极端子52，以将不同的电势耦合到所述第一阳极端子51和所述第二阳极端子52，使得阳极间隙段23c的电势比阳极段21c的电势更负。这提供了进一步朝向像素阳极段的中心操纵电子的能力，这减少与相邻像素的电荷共享。最有利的是所述第二阴极段32与所述阳极间隙段的合作操纵作用，其中，所述阴极段32理想地将早期的整体电子云朝向所述像素中心操纵，同时阳极间隙段23c的操纵避免所述电子云(其通过扩散随时间膨胀)的较大(即外侧)部分被相邻像素收集。此外，体积内的电荷与所述像素阳极段的电容耦合被减少，使得由所述像素阳极段生成更为可靠的信号。
此外，大体上认为更负的电势U偏置2可以略增大暗电流。因此U偏置2应被选择为使得当前信号上的额外噪声为可接受的。
本发明尤其可应用于在其中通过光子生成电子空穴对的各种直接转换探测器。更具体地，这些光子能够为X射线或伽马光子。本发明的一种应用尤其针对在X射线谱成像中的光子计数探测器。因此，所提出的辐射探测器装置可以被包括在各种X射线设备、CT设备或伽马辐射探测设备中。
尽管已在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书、以及权利要求书，本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开实施例的各种变型。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且量词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以履行权利要求书中记载的几个项目的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求书中的任何附图标记不得被解释为对范围的限制。
Claims (15)
1.一种辐射探测器，包括：
-辐射敏感半导体元件(10)，其响应于辐射(3)的辐照来生成电子空穴对，
-阳极电极(20)，其被布置在所述半导体元件(10)的面向所述辐射相反方向的第一表面(11)上，所述阳极电极(20)被分割成表示阳极像素的阳极段(21)，其中，阳极间隙(22)被布置在所述阳极段(21)之间，
-阴极电极(30)，其被布置在所述半导体元件(10)的与所述第一表面(11)相对并且面向所述辐射(3)方向的第二表面(12)上，所述阴极电极(30)被分割成第一阴极段(31)和第二阴极段(32)，其中，所述第一阴极段(31)基本上被布置为与所述阳极段(21)相对，并且所述第二阴极段(32)基本上被布置为与所述阳极间隙(22)相对，以及
-阴极端子(41、42)，其提供与所述第一阴极段(31)和所述第二阴极段(32)的电连接，以将不同的电势耦合到所述第一阴极段(31)和所述第二阴极段(32)。
2.如权利要求1所述的辐射探测器，
其中，所述第一阴极段(31)被布置为第一阴极段的阵列。
3.如权利要求1所述的辐射探测器，
其中，所述第一阴极段(31)在平行于所述第二表面(12)的方向中，具有与所述阳极段(21)相比基本上相同的形式。
4.如权利要求1所述的辐射探测器，
其中，所述第一阴极段(31)彼此分离，并且被各自耦合到第一阴极端子(41)。
5.如权利要求1所述的辐射探测器，
其中，所述第一阴极段(31a)被阴极连接电极(33a)耦合到一起形成组，尤其形成每行或每列，所述阴极连接电极(33a)被布置在所述半导体元件(10)的所述第二表面(12)上，所述组被各自耦合到第一阴极端子(41)。
6.如权利要求1所述的辐射探测器，
其中，所述第二阴极段(32)被布置为第二阴极段的网格。
7.如权利要求1所述的辐射探测器，
其中，所述第二阴极段(32a)被耦合到一起形成单个或多个组，所述单个或多个组被耦合到一个或多个第二阴极端子(42)。
8.如权利要求1所述的辐射探测器，
其中，所述阴极电极(30b)被分割成至少三个阴极段(31b、32b、33b)，其中，所述第一阴极段(31b)基本上被布置为与所述阳极段(21)相对，并且另外的阴极段(32b、33b)被嵌套在所述第一阴极段(31b)周围，并且
其中，所述阴极端子提供与不同阴极段(31b、32b、33b)的电连接，以将不同的电势耦合到所述不同阴极段(31b、32b、33b)。
9.如权利要求1所述的辐射探测器，
其中，所述半导体元件(10)适于响应于X射线或伽马辐射的辐照来生成电子空穴对。
10.如权利要求1所述的辐射探测器，
其中，所述半导体元件(10)由以下材料制成：元素半导体材料，尤其是Si或Ge；选自周期系的IV组的二元半导体材料，尤其是SiGe或SiC；来自周期系的III组和V组的二元半导体材料，尤其是InP、GaAs或GaN；来自周期系的II组和VI组的二元半导体材料，尤其是CdTe、HgTe、CdSe或ZnS；来自周期系的IV组和VI组的二元半导体材料，尤其是PbO或PbS；三元半导体材料，尤其是CdZnTe、HgCdTe或AlGaAs；或者四元半导体材料，尤其是InGaAsP或InGaAlP。
11.如权利要求1所述的辐射探测器，还包括：
阳极间隙段(23c)，其被布置在相邻的阳极段(21c)之间的所述阳极间隙(22c)内，以及
阳极端子(51、52)，其提供与所述阳极间隙段(23c)的电连接，以将电势耦合到所述阳极间隙段(23c)，尤其是比所述阳极段(21c)的电势更负的电势。
12.一种辐射探测装置，包括：
-如权利要求1所述的辐射探测器(2、2a、2b、2c)，以及
-电压源(5)，其被耦合到所述阴极端子(41、42)，以将不同的电势耦合到所述第一阴极段(31)和所述第二阴极段(32)。
13.如权利要求12所述的辐射探测装置，
其中，所述电压源(5)适于将电势耦合到所述第二阴极段(32)，所述第二阴极段向所述阳极电极(20)提供比被耦合到所述第一阴极段(31)的电势更大的电压差。
14.如权利要求12所述的辐射探测装置，
其中，所述电压源(5)适于将电势耦合到所述第一阴极段(31)和所述第二阴极段(32)，所述第一阴极段(31)和所述第二阴极段(32)具有在10V至200V的范围中的电压差。
15.如权利要求12所述的辐射探测装置，
其中，所述电压源(5)适于将电势耦合到所述第一阴极段(31)和第二阴极段(32)，所述第一阴极段(31)和所述第二阴极段(32)具有与所述阳极电极(20)的电势的在50V至1000V的范围中的电压差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140903 |