CN104795419B - X射线平板探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种X射线平板探测器，包括衬底和设置于衬底上的薄膜晶体管、像素电极层、光电二极管、透明电极层、X射线转化层，其中所述X射线平板探测器还包括电场施加结构，用于形成一电场，所述光电二极管处于所述电场中，且所述电场的方向与所述光电二极管将可见光转换为电信号时负电荷的移动方向相同。该探测器通过施加与光电二极管的负电荷移动方向相同的电场，使得在电场作用下，光电二极管的电子和空穴的移动加速，电信号能够快速达到像素电极，从而达到提高X射线探测器的量子探测效率和灵敏度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及平板探测技术领域，尤其是指一种X射线平板探测器。
背景技术
X射线检测广泛应用于医疗、安全、无损检测、科研等领域，目前比较常见的X射线检测技术是20世纪90年代末出现的X射线数字照相(Digital Radiography，DR)检测技术。X射线数字照相系统中使用了平板探测器(flat panel detector)，其像元尺寸可小于0.1mm，因而其成像质量及分辨率几乎可与胶片照相媲美，同时还克服了胶片照相中表现出来的缺点，也为图像的计算机处理提供了方便。
根据电子转换模式的不同，数字化X射线平板探测器可分为直接转换型(DirectDR)和间接转换型(Indirect DR)两种类型。其中，间接转换型X射线平板探测器包括由闪烁体(碘化铯)或荧光体(硫氧化钆)形成的X射线转换层、光电二极管、薄膜晶体管、像素单元及信号放大与信号读取单元等。此种结构的间接转换型探测器的闪烁体或荧光体层经X射线曝光后可以将X射线转换为电信号，通过薄膜晶体管阵列将每个像素单元的电荷信号读出并转化为数字信号，并传送到计算机图像处理系统集成为X射线影像。
其中，光电二极管转化电信号的收集主要靠内建电场驱动下的漂移运动，内建电场强度越大，电荷的收集速度越快。光电二极管的内建电场强度取决于光电二极管p、n两种材料中硼原子和磷原子的掺杂浓度，而硼原子和磷原子的掺杂浓度有一个饱和浓度，超过该浓度时，材料的特性就变差。同时，由于非晶硅材料中的非晶成分存在悬挂键等缺陷，电荷在收集时会被缺陷所捕获，从而降低了输出效率，降低X射线探测器的探测效率和灵敏度。
发明内容
本发明技术方案的目的是提供一种X射线平板探测器，通过结构改进达到提高X射线平板探测器的量子探测效率和灵敏度的目的。
本发明提供一种X射线平板探测器，包括衬底和设置于衬底上的薄膜晶体管、像素电极层、光电二极管、透明电极层、X射线转化层，其中所述X射线平板探测器还包括电场施加结构，用于形成一电场，所述光电二极管处于所述电场中，且所述电场的方向与所述光电二极管将可见光转换为电信号时正电荷的移动方向相同。
优选地，上述所述的X射线平板探测器，其中，所述电场施加结构包括：
正电极层，设置于所述衬底和所述光电二极管之间；
负电极层，设置于所述X射线转换层和所述光电二极管之间，且所述负电极层采用透光材料制成。
优选地，上述所述的X射线平板探测器，其中，所述负电极层设置于所述透明电极层和所述X射线转换层之间，且所述透明电极层和所述负电极层之间设置有透光的绝缘层。
优选地，上述所述的X射线平板探测器，其中，所述透明电极层和所述负电极层为同层、同材料且相互绝缘设置。
优选地，上述所述的X射线平板探测器，其中，所述透明电极层包括多个相平行呈条状的第一透明电极，所述负电极层包括多个相平行呈条状的第一负电极，且所述第一透明电极和所述第一负电极平行，依次间隔设置。
优选地，上述所述的X射线平板探测器，其中，所述透明电极层还包括与所述第一透明电极相垂直并分别连接各个所述第一透明电极的第二透明电极；所述负电极层还包括与所述第一负电极相垂直并分别连接各个所述第一负电极的第二负电极。
优选地，上述所述的X射线平板探测器，其中，所述正电极层与所述薄膜晶体管的源/漏极同层同材料设置，且所述正电极层与所述薄膜晶体管的源/漏极之间具有预定间距。
优选地，上述所述的X射线平板探测器，其中，所述正电极层与所述薄膜晶体管的栅极同层同材料设置。
优选地，上述所述的X射线平板探测器，其中，所述正电极层与所述像素电极层为同层、同材料且相互绝缘设置。
优选地，上述所述的X射线平板探测器，其中，所述薄膜晶体管与所述像素电极层之间设置有绝缘层，所述像素电极层通过所述绝缘层上的过孔与所述薄膜晶体管的源/漏极连接。
本发明具体实施例上述技术方案中的至少一个具有以下有益效果：
通过施加与光电二极管的正电荷移动方向相同的电场，使得在电场作用下，光电二极管的电子和空穴的移动加速，电信号能够快速达到像素电极，从而达到提高X射线探测器的量子探测效率和灵敏度的效果。
附图说明
图1表示通常X射线平板探测器的剖面结构示意图；
图2表示本发明第一实施例所述X射线平板探测器的剖面结构示意图；
图3表示本发明第一实施例所述X射线平板探测器中，正电极层与薄膜晶体管的源/漏极同层同材料设置的平面结构示意图；
图4表示本发明第二实施例所述X射线平板探测器的剖面结构示意图；
图5表示本发明第二实施例中，透明电极层和负电极层的平面结构示意图；
图6表示本发明第二实施例中，正电极层与薄膜晶体管的栅极同层同材料的平面结构示意图；
图7表示本发明第三实施例所述X射线平板探测器的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明实施例所述X射线平板探测器，包括衬底和设置于衬底上的薄膜晶体管、像素电极层、光电二极管、透明电极层、X射线转化层，其中，所述X射线平板探测器还包括电场施加结构，用于形成一电场，所述光电二极管处于所述电场中，且所述电场的方向与所述光电二极管将可见光转换为电信号时正电荷的移动方向相同。
上述结构的X射线平板探测器，通过施加与光电二极管的正电荷移动方向相同的电场，使得在电场作用下，使光电二极管的电子和空穴的移动加速，电信号能够快速达到像素电极，从而达到提高X射线探测器的量子探测效率和灵敏度的效果。
图1为通常结构的X射线平板探测器的剖面结构示意图。通常X射线平板探测器由下至上包括：衬底1、设置于衬底上的薄膜晶体管2、像素电极层3、光电二极管4、透明电极层5和X射线转换层6，其中薄膜晶体管2的源/漏极21通过过孔与像素电极层3电连接。
具体地，X射线转换层6用于将入射的X射线转换为550nm左右波长的可见光，可见光方向如图1中箭头所示。光电二极管4在可见光照射的作用下，将可见光转换为正负电荷电信号，如图1所示，在光电二极管4中，正电荷聚集在透明电极层5的一侧，负电荷聚集在像素电极层3的一侧；像素电极层3设置在薄膜晶体管2上方，每一个像素电极层3的像素电极覆盖一个薄膜晶体管2，薄膜晶体管2为一二维电子开关，通过门控电压的改变，薄膜晶体管2用于读出像素电极层3上的电信号的电荷。整个X射线平板探测器由图1所示的多个薄膜晶体管2和像素电极层3组合构成，在驱动电路的作用下，存储在像素电极层3中的电荷通过薄膜晶体管2被逐行读出至信号储存单元(图中未显示)中，并经过进一步放大、模/数转换等处理后，最终获得图像信息。
相较于通常的结构，本发明实施例所述X射线平板探测器，还包括电场施加结构，使光电二极管处于电场中，且电场的方向与光电二极管将可见光转换为电信号时正电荷的移动方向相同。具体地，结合图1，该电场施加结构包括：
正电极层，设置于衬底1和光电二极管4之间；
负电极层，设置于X射线转换层6和光电二极管4之间，且负电极层采用透光材料制成。
利用设置于上述位置的正电极层和负电极层，使光电二极管4处于电场中，且所形成电场的方向由正电极层指向负电极层，也即由像素电极层3指向透明电极层5，与光电二极管4将可见光转换为电信号时正电荷的移动方向相同，从而提高光电二极管4光生电子和空穴的传输速度，电信号能够快速到达像素电极层3，减少复合，从而提高X射线探测器的量子探测效率和灵敏度。
具体地，正电极层和负电极层由附加的额外电源供电，且电场施加开始时间从X射线平板探测器开始工作时间开始，当与薄膜晶体管2连接的信号储存单元充满信号时，返回至电场施加结构反馈信号，关闭正电极层和负电极层之间的电场。
本发明上述结构的所述X射线平板探测器可以具备多种结构形式，以下对几种具体实施结构进行详细说明。
实施例一
图2为本发明第一实施例所述X射线平板探测器的剖面结构示意图。如图2所示，在第一实施例中，所述X射线平板探测器除包括通常结构的衬底1、设置于衬底上的薄膜晶体管2、像素电极层3、光电二极管4、透明电极层5和X射线转换层6外，还包括正电极层110和负电极层120，其中负电极层120采用透光材料，且设置于透明电极层5和X射线转换层6之间，透明电极层5和负电极层120之间还设置有透光的绝缘层130，通过绝缘层130实现透明电极层5和X射线转换层6之间的绝缘；正电极层110设置于像素电极层3和薄膜晶体管2之间，较佳地本发明实施例中，正电极层110与薄膜晶体管2的源/漏极21同层同材料设置，且正电极层110与薄膜晶体管2的源/漏极21之间具有预定间距。
图2所示的第一实施例所述X射线平板探测器，通过在透明电极层5和X射线转换层6之间设置透明材料制成的负电极层120，与薄膜晶体管2的源/漏极同层同材料设置正电极层110，使光电二极管4处于正电极层110与负电极层120所形成的电场中，且所形成电场的方向与光电二极管4将可见光转换为电信号时正电荷的移动方向相同，从而使光电二极管4的电子和空穴的移动加速，电信号能够快速达到像素电极层3，达到提高X射线探测器的量子探测效率和灵敏度的效果。
此外，由于正电极层110与薄膜晶体管2的源/漏极21同层同材料设置，使得正电极层110与薄膜晶体管2的源/漏极21可以采用一次掩膜工艺制成，因此使得正电极层110的制备不会增加X射线平板探测器的制作工序。
如图3所示为本发明第一实施例所述X射线平板探测器中，正电极层110与薄膜晶体管2的源/漏极21同层同材料的平面结构示意图。结合图2和图3，制成第一实施例所述X射线平板探测器的方法具体包括步骤：
在衬底1上形成薄膜晶体管2的栅极22；
在栅极22上依次形成栅绝缘层23和有源层24；
在有源层24上制成源/漏极21和正电极层110，如图3所示，且使正电极层110与源/漏极21相分离；
在源/漏极21和正电极层110上制成绝缘层7，并在绝缘层7与源/漏极21相对应的位置形成过孔；
在绝缘层7上制成像素电极层3，像素电极层3通过过孔与源/漏极21连接；
在像素电极层3上依次制成光电二极管4、透明电极层5、绝缘层130、负电极层120和X射线转换层6。
通过上述的几个步骤能够制成本发明第一实施例的X射线平板探测器，具体制成各层所采用工艺和方式为本领域的常规技术，且该部分技术并非为本发明的研究重点，在此不作详细说明。
实施例二
图4为本发明第二实施例所述X射线平板探测器的剖面结构示意图。如图4所示，在第二实施例中，所述X射线平板探测器除包括通常结构的衬底1、设置于衬底1上的薄膜晶体管2、像素电极层3、光电二极管4、透明电极层5和X射线转换层6外，还包括正电极层210和负电极层220，负电极层220由透明材料制成。具体地，透明电极层5和负电极层220为同层、同材料且相互绝缘设置，正电极层210与薄膜晶体管2的栅极22同层且同材料设置。
较佳地，透明电极层5和负电极层220的电极分别形成为相互交叉且分离的条状，如图5所示，透明电极层5包括多个相平行且呈条状的第一透明电极51，负电极层220包括多个相平行呈条状的第一负电极221，且第一透明电极51和第一负电极221平行，依次间隔设置，且相邻的第一负电极221和第一透明电极51之间相分离。另外，透明电极层5还包括与第一透明电极51相垂直并分别连接各个第一透明电极51的第二透明电极52；负电极层220还包括与第一负电极221相垂直并分别连接各个第一负电极221的第二负电极222。
利用透明电极层5的第二透明电极52实现各个第一透明电极51的连接，可以为整个透明电极层5输入控制信号；利用负电极层220的第二负电极222实现各个第一负电极221的连接，可以为整个负电极层220输入电压信号。
图4所示的第二实施例所述X射线平板探测器，通过与透明电极层5同层、同材料且相互绝缘设置负电极层220，与薄膜晶体管2的栅极22同层且同材料设置正电极层210，使光电二极管4处于正电极层110与负电极层120所形成的电场中，且所形成电场的方向与光电二极管4将可见光转换为电信号时正电荷的移动方向相同，从而使光电二极管4的电子和空穴的移动加速，电信号能够快速达到像素电极层3，达到提高X射线探测器的量子探测效率和灵敏度的效果。
此外，由于负电极层220与透明电极层5同层设置，正电极层210与薄膜晶体管2的栅极22同层且同材料设置，使得负电极层220能够与透明电极层5采用一次掩膜工艺制成，正电极层210能够与薄膜晶体管2的栅极22采用一次掩膜工艺制成，因此使得正电极层210和负电极层220的制备不会增加X射线平板探测器的制作工序。
如图6所示为本发明第二实施例所述X射线平板探测器中，正电极层210与薄膜晶体管2的栅极22同层同材料的平面结构示意图。结合图4和图6，制成第二实施例所述X射线平板探测器的方法具体包括步骤：
在衬底1上采用一次掩膜工艺形成薄膜晶体管2的栅极22和正电极层210，且使栅极22和正电极层210相分离，如图6所示；
在栅极22和正电极层210上依次形成栅绝缘层23和有源层24；
在有源层24上制成源/漏极21；
在源/漏极21上制成绝缘层7，并在绝缘层7与源/漏极21相对应的位置形成过孔；
在绝缘层7上制成像素电极层3，像素电极层3通过过孔与源/漏极21连接；
在像素电极层3依次制成光电二极管4；
在光电二极管4上采用一次掩膜工艺制成如图5所示结构的透明电极层5和负电极层220；
在透明电极层5和负电极层220上制成X射线转换层6。
上述正电极层210和负电极层220的制作工艺为本领域的常规技术，在此不详细说明。
实施例三
图7为本发明第三实施例所述X射线平板探测器的剖面结构示意图。如图7所示，在第三实施例中，在第三实施例中，所述X射线平板探测器除包括通常结构的衬底1、设置于衬底1上的薄膜晶体管2、像素电极层3、光电二极管4、透明电极层5和X射线转换层6外，还包括正电极层310和负电极层320，负电极层320由透明材料制成。具体地，透明电极层5和负电极层320为同层、同材料且相互绝缘设置，正电极层310与像素电极层3同层、同材料且相互绝缘设置。
另外，较佳地，透明电极层5和负电极层320的电极分别形成为相互交叉且分离的条状，且依次间隔，相邻的透明电极层5的电极和负电极层320的电极之间相互分离，具体可以结构可以参阅第二实施例的图5所示；另外，正电极层310与像素电极层3的电极也可以形成为相互交叉且分离的条状，与透明电极层5和负电极层320的结构形式相同，正电极层310的电极与像素电极层3的电极依次间隔，且相邻的电极之间相互分离。
通过上述方式设置的正电极层310和负电极层320，能够在光电二极管4的两侧形成电场，且所形成电场的方向与光电二极管4将可见光转换为电信号时正电荷的移动方向相同，从而使光电二极管4的电子和空穴的移动加速，电信号能够快速达到像素电极层3，达到提高X射线探测器的量子探测效率和灵敏度的效果。
以上实施例一至实施例三仅为采用本发明原理在X射线平板探测器的光电二极管两侧形成电场的几种较佳实施结构，但采用本发明原理的X射线平板探测器的具体结构并不限于仅包括以上的三种，如依据上述三个实施例，正电极层和负电极层的位置可以有其他组合形式，例如另一个实施例中，负电极层设置于透明电极层和X射线转换层之间，正电极层与薄膜晶体管的栅极同层设置；或者再一个实施例，透明电极层和负电极层为同层且相互绝缘设置，正电极层与薄膜晶体管的源/漏极同层设置等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种X射线平板探测器，包括衬底和设置于衬底上的薄膜晶体管、像素电极层、光电二极管、透明电极层、X射线转化层，其特征在于，所述X射线平板探测器还包括电场施加结构，用于形成一电场，所述光电二极管处于所述电场中，且所述电场的方向与所述光电二极管将可见光转换为电信号时正电荷的移动方向相同；
其中，所述电场施加结构包括：
正电极层，设置于所述衬底和所述光电二极管之间；其中，所述正电极层与所述薄膜晶体管的源/漏极同层同材料设置；或者，所述正电极层与所述薄膜晶体管的栅极同层同材料设置；或者，所述正电极层与所述像素电极层为同层、同材料且相互绝缘设置；
负电极层，设置于所述X射线转换层和所述光电二极管之间，且所述负电极层采用透光材料制成。
2.如权利要求1所述的X射线平板探测器，其特征在于，所述负电极层设置于所述透明电极层和所述X射线转换层之间，且所述透明电极层和所述负电极层之间设置有透光的绝缘层。
3.如权利要求1所述的X射线平板探测器，其特征在于，所述透明电极层和所述负电极层为同层、同材料且相互绝缘设置。
4.如权利要求3所述的X射线平板探测器，其特征在于，所述透明电极层包括多个相平行呈条状的第一透明电极，所述负电极层包括多个相平行呈条状的第一负电极，且所述第一透明电极和所述第一负电极平行，依次间隔设置。
5.如权利要求4所述的X射线平板探测器，其特征在于，所述透明电极层还包括与所述第一透明电极相垂直并分别连接各个所述第一透明电极的第二透明电极；所述负电极层还包括与所述第一负电极相垂直并分别连接各个所述第一负电极的第二负电极。
6.如权利要求1所述的X射线平板探测器，其特征在于，所述正电极层与所述薄膜晶体管的源/漏极同层同材料设置时，所述正电极层与所述薄膜晶体管的源/漏极之间具有预定间距。
7.如权利要求1所述的X射线平板探测器，其特征在于，所述薄膜晶体管与所述像素电极层之间设置有绝缘层，所述像素电极层通过所述绝缘层上的过孔与所述薄膜晶体管的源/漏极连接。
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