CN105118885B - 低电容光电二极管元件和计算机断层造影检测器 - Google Patents
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Abstract
一种光电二极管元件(20)包括第一扩散类型的第一层以及第二层。第二层定义电荷收集区域(29)。电荷收集区域(29)包括第二扩散类型的活性区(32)以及无活性区(33)。活性区(32)围绕无活性区(33)。光电二极管元件(20)还包括第一层与第二层之间的本征半导体层。
Description
技术领域
一般来说，本公开涉及光电二极管元件和光电二极管阵列的领域。
背景技术
最常规的计算机断层造影(CT)系统使用包括闪烁器和光电二极管阵列的检测器。闪烁器将x射线光子转换成可见光的光子，并且光电二极管阵列将可见光的光子转换成电信号电流。光电二极管阵列所产生的电信号电流的积分电荷与闪烁器所捕捉的x射线光子的能量成比例。
通常，计算机断层造影检测器中使用的光电二极管阵列包括采取诸如16×16、16×32、16×64和24×64之类的排列的多个光电二极管元件。光电二极管阵列通常耦合到闪烁器阵列。光电二极管阵列的每个光电二极管元件一般大约为1 mm宽和1 mm长。这通常导致每个光电二极管元件有大约10 pF至15 pF的范围内的电容。
为了产生具有高时间分辨率的图像，存在提高CT系统获取数据的速度的一贯压力。另外，为了患者安全，希望减少产生临床有用图像所需的x射线光子量。减少检测器所产生的噪声可有助于提高获取速度以及降低产生满意图像所需的x射线剂量。图像噪声的显著来源之一是检测器所产生的电子噪声。降低检测器所引起的电子噪声的一种方式是减小光电二极管阵列中的每个光电二极管元件的电容。
因此，为了降低电子噪声，需要开发较低电容的光电二极管元件和较低电容的光电二极管阵列，而不损害每个光电二极管元件的响应时间。
发明内容
本文针对上述不足、缺点和问题，这通过阅读和理解以下说明书将会理解。
在一个实施例中，光电二极管元件包括具有第一扩散类型的第一层以及第二层。第二层定义电荷收集区域，所述电荷收集区域包括第二扩散类型的活性区以及无活性区。活性区围绕无活性区。光电二极管还包括第一层与第二层之间的本征半导体层。
在一个实施例中，光电二极管元件包括具有第一扩散类型的第一层以及定义电荷收集区域的第二层。电荷收集区域包括第二扩散类型的多个活性区以及无活性区。将多个活性区电互连。光电二极管还包括第一层与第二层之间的本征半导体层。
在一个实施例中，计算机断层造影检测器包括用于将x射线转换成可见光的闪烁器。计算机断层造影检测器还包括定位成接收来自闪烁器的可见光的光电二极管阵列。光电二极管阵列包括多个光电二极管元件。多个光电二极管元件中的每个包括具有第一扩散类型的第一层以及第二层。第二层定义电荷收集区域。电荷收集区域包括第二扩散类型的活性区以及多个无活性区。活性区围绕多个无活性区。多个光电二极管元件中的每个还包括设置在第一层与第二层之间的本征半导体层。
通过附图及其详细描述，本领域的技术人员将会清楚地知道本发明的各种其它特征、目的和优点。
附图说明
图1是根据一个实施例的计算机断层造影检测器的截面的示意表示；
图2是根据一个实施例的光电二极管阵列的示意表示；
图3是根据一个实施例的光电二极管元件的示意表示；
图4是根据一个实施例的光电二极管元件的截面的示意表示；
图5是根据一个实施例的光电二极管元件的示意表示；以及
图6是根据一个实施例的光电二极管元件的截面的示意表示。
具体实施方式
在以下详细描述中，参照构成其部分的附图，附图中通过举例说明的方式示出可实施的具体实施例。对这些实施例进行了充分详细的描述，以便使本领域的技术人员能够实施实施例，并且要理解，可采用其它实施例，可进行逻辑、机械、电气及其它变更，而没有背离实施例的范围。因此，以下详细描述不要视为限制本发明的范围。
参照图1，根据一个实施例示出计算机断层造影检测器10的截面的示意表示。计算机断层造影检测器10包括闪烁器阵列12和光电二极管阵列14。闪烁器阵列12被设计成将x射线光子转换成可见光的光子。闪烁器阵列12可包括由石榴石水晶与稀土磷组合所形成的材料。其它实施例可将不同的材料用于闪烁器阵列12，例如氧硫化钆。闪烁器阵列12可包括大约1 mm至5 mm厚的层，如尺寸16所示。本领域的技术人员应当理解，根据其它实施例，闪烁器阵列12的厚度可超出这个范围。闪烁器阵列12的厚度将取决于为闪烁器阵列12所选的材料以及闪烁器阵列12将被预期转换成可见光的光子的x射线光子的预期能级。
光电二极管阵列14包括多个光电二极管元件17。图1中示意表示6个光电二极管元件17的截面。本领域的技术人员应当理解，计算机断层造影检测器中使用的光电二极管阵列可包括明显多于6个光电二极管。
参照图2，示出光电二极管阵列18的示意表示。光电二极管阵列18包括多个光电二极管元件19。光电二极管阵列18包括光电二极管元件19的16×16阵列。光电二极管元件19中的每个能够响应检测到光而产生信号。光电二极管元件19的大小限制光电二极管阵列18的最大分辨率。为此，光电二极管元件19有时被本领域的技术人员称作像素或单元。
根据一个实施例，每个光电二极管阵列可配置为分开的检测器模块的一部分。根据一个示范实施例，检测器模块中的每个光电二极管阵列可在x方向包括16个光电二极管元件以及在z方向包括64个光电二极管元件。应当理解，根据附加实施例，光电二极管阵列可在x方向和/或z方向具有不同数量的光电二极管元件。
参照图3，根据一个实施例示出光电二极管元件20的示意表示。参照图4，根据一个实施例示出从图3沿剖面线A-A的光电二极管元件20的截面图的示意表示。共同的参考标号将用于标识图3和图4中都出现的结构。
参照图3和图4，光电二极管元件20包括第一层22、第二层24和本征半导体层26。第一层22由具有N+扩散的掺杂硅半导体制成。为了本公开的目的，术语“N+扩散”被定义成包括具有自由电子余量的半导体材料。根据一个实施例，第一层22的厚度小于0.5 μm，并且附到阴极27。本征半导体层26可包括硅或者为本征半导体的其它材料。根据一个实施例，第二层24的厚度可小于10 μm。根据一个实施例，第二层24的厚度可在2 μm与5 μm之间。第二层24包括活性体积28和多个无活性体积30。活性体积28可包括具有P+扩散的掺杂硅半导体。为了本公开的目的，术语“P+扩散”被定义成包括具有空穴余量的半导体材料。活性体积28连接到阳极31。多个无活性体积30中的每个可包括未掺杂半导体。多个无活性体积30可包括与本征半导体层26相同的材料。为了本公开的目的，第二层24的厚度可通过活性体积28的厚度来确定。例如，参照图3，第二层24的厚度通过活性体积28的厚度来定义，根据一个实施例，活性体积28的厚度大约为3 μm。
第二层24定义电荷收集区域29。根据一个实施例，图3是光电二极管元件20的电荷收集区域29的表示。为了本公开的目的，术语“电荷收集区域”被定义成包括光电二极管元件中被设计成收集通过到达光电二极管元件的光的输入光子所产生的载荷子的区域。例如，如果光的光子到达电荷收集区域29内的光电二极管元件20，则光电二极管元件20被设计成作为光电流来检测光的光子。活性体积28定义电荷收集区域29内的活性区32。多个无活性体积30定义电荷收集区域29内的多个无活性区33。光电二极管元件20可通过掺杂本征半导体以形成第一层22和第二层24来形成。根据一个实施例，在掺杂过程中，屏蔽掉多个无活性区33，并且仅对活性体积28掺杂以获得P+扩散。活性体积28在第二层24内的不同深度处具有一般一致的截面，如图4所示。
根据图3和图4所示的实施例，活性区32可包括网格34。网格34包括4个横档，它们通过两个侧板相互连接。网格34围绕多个无活性区33。为了本公开的目的，术语“网格”被定义成包括一种图案，其中包含与沿第二方向延伸的第二组一般平行的线条相交的沿第一方向延伸的第一组一般平行的线条。网格34上的4个横档中的每个为44 μm宽，如尺寸35所示，并且横档通过侧板连接，侧板也为44 μm宽，如尺寸36所示。4个横档中的每个分隔开200 μm，如尺寸38所示。本领域的技术人员应当理解，其它实施例可具有成形为具有与图3和图4所示的实施例不同的尺寸的网格的活性区。另外，其它实施例可具有不是成形为网格的活性区。下面将论述影响活性区32的形状和尺寸的一些限制。
光电二极管元件通过将光的光子转换成可测量的光电流来工作。当光的光子在本征半导体层26中被吸收时，光电二极管20创建自由电子和空穴。仍然参照图3和图4，空穴向阳极31扩散，在那里空穴被收集。同时，自由电子向阴极27扩散，在那里电子被收集。如前面所述，阳极31电耦合到活性体积28，并且阴极27电耦合到第一层22。自由电子和空穴的移动创建光电流，它与光电二极管中吸收的光通量成比例，并且因而与闪烁器中吸收的x射线强度成比例。光电二极管所吸收的光子的能级和/或数量可根据光电流来确定。根据一个实施例，第一层22是具有N+扩散的掺杂半导体。N+扩散表示第一层22中的材料具有比空穴多的自由电子。第二层24的活性体积28包括具有P+扩散的掺杂半导体。第二层24还包括多个无活性体积30。为了确保第二层24保持其电荷收集能力，重要的是，多个无活性区33中的每个内没有点离活性区32太远。只要多个无活性区33中的每个中的所有点都在活性区32的载流子扩散长度之内，则朝阳极31移动的电子将会被吸引到活性区32的最接近部分，并且光电二极管的电荷收集能力将近似相同，好像整个电荷收集区域29包括具有P+扩散的活性区。
仍然参照图3和图4，空穴花时间穿过半导体，以便在阳极被收集。通过限制本征半导体层26的厚度并且还对无活性区33的大小进行限制，能够设计具有合理响应时间的光电二极管元件。例如，根据一个实施例，对于被设计成用于计算机断层造影检测器中的光电二极管元件，希望具有大约10 μS的响应时间。实验结果表明，空穴在硅半导体中的200 μm间隙上扩散需要大约10 μS或更少的时间。因此，如果希望具有10 μS的响应时间，则重要的是，对于多个无活性区中的每个，最短载流子扩散距离为200 μm或以下。为了本公开的目的，术语“最短载流子扩散距离”被定义成包括从无活性区中的任何点到活性区的最短直线路径。因此，如果最短载流子扩散距离对于无活性区为200 μm，则无活性区内的所有点都在活性区的200 μm之内。本领域的技术人员应当理解，可能希望具有比10 μS明显更快的响应时间。为了设计具有小于10 μS的响应时间的光电二极管元件，最短载流子扩散距离必须是比200 μm更小的值。同样，如果光电二极管不需要快的响应时间，则有可能具有更大的无活性区，其中无活性区内的某些点离活性区的最接近部分超过200 μm。
仍然参照图3和图4所示的实施例，多个无活性区33中的每个被活性区32围绕。多个无活性体积30中的每个一直贯穿第二层24。对于图3和图4所示的实施例，多个无活性区33中的每个被活性区32围绕。本领域的技术人员应当理解，其它实施例可具有形状与图3所示的形状相当不同的无活性区。另外，其它实施例可包括不同数量的无活性区。
参照图5，根据一个实施例示出光电二极管元件44的示意表示。参照图6，沿剖面线B-B示出光电二极管元件44的截面的示意表示。共同的参考标号将用于标识图5和图6中都出现的结构。对于图5和图6可能不详细描述与先前对于图3和图4所描述的那些元件实质上相同的元件。
参照图5和图6，光电二极管元件44包括第一层46、第二层48和本征半导体层50。第一层46由具有N+扩散的掺杂半导体制成。第一层连接到阴极47。第二层48包括多个活性体积52和无活性体积54。在其它实施例，第二层可包括多个活性体积和多个无活性体积。多个活性体积52中的每个包括具有P+扩散的掺杂半导体。将多个活性体积52电互连，并且将多个活性体积52连接到阳极53。多个导电触点56可用于将多个活性元件52电互连。根据一个实施例，多个导电触点可包括金属触点。根据其它实施例，两个或更多活性体积还可通过与活性体积相同的扩散类型的扩散线来电互连。根据一个实施例，扩散线可比第一层的厚度明显要薄。
第二层48定义电荷收集区域49。根据一个实施例，图5是光电二极管元件44的电荷收集区域49的表示。多个活性体积52定义电荷收集区域49内的多个活性区55，而无活性体积54定义电荷收集区域49内的无活性区57。光电二极管元件44可通过掺杂本征半导体以形成第一层46和第二层48来形成。
根据一个实施例，多个活性区55中的每个可均匀地间隔开以形成活性区的阵列。多个活性区55中的每个可大约为80 μm宽×80 μm长。活性区55中的每个可分隔开尺寸59。根据一个实施例，分隔活性区的尺寸59可大约为100 μm。根据另一个实施例，分隔活性区的尺寸59可大约为200 μm。其它实施例可具有按照不同方式来排列的活性区55。
光电二极管元件的电容取决于(单数或复数个)活性区的总面积以及(单数或复数个)活性区与(单数或复数个)无活性区之间的边界的总周长。下式可用于估计(单数或复数个)活性区的总面积对电容C1的影响：
其中，ND是半导体的本征掺杂密度；NA是P+掺杂密度；A是(单数或复数个)活性区的总面积；Ve(ND,NA)是PN结的内建电压；K是玻尔兹曼常数；T是温度；ε是硅的介电常数；ε0是自由空间电容率；以及e是电子的单位电荷。
另外，下式可用于估计(单数或复数个)活性区的周长对电容C2的影响：
其中，CP是电容系数，以及PT是(单数或复数个)活性区的周长的总长度。
根据上式，为了使给定的电荷收集区域的光电二极管元件的电容最小，希望使活性区的面积最小，同时还使(单数或复数个)活性区的周长最小。为(单数或复数个)活性区和(单数或复数个)无活性区选择的准确形状可部分通过使用以上两个等式来优化。本领域的技术人员应当理解，对于光电二极管的(单数或复数个)活性区和(单数或复数个)无活性区的最终设计，也可考虑如预期响应时间之类的其它因素。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使任何本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言无差异的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们应当是在权利要求的范围之内。
Claims (21)
1.一种光电二极管元件(20)，包括：
包括第一扩散类型的第一层(22)；
定义电荷收集区域(29)的第二层(24)，所述电荷收集区域(29)包括第二扩散类型的活性区(32)以及无活性区(33)；所述活性区（32）闭合地围绕所述无活性区（33）；以及
设置在所述第一层(22)与所述第二层(24)之间的本征半导体层(26)；
其中，所述无活性区(33)的尺寸由最短载流子扩散距离来确定。
2.如权利要求1所述的光电二极管元件(20)，其中，所述活性区(32)和所述无活性区(33)被配置成降低所述光电二极管元件(20)的电容。
3.如权利要求1所述的光电二极管元件(20)，其中，所述第一扩散类型包括P+扩散。
4.如权利要求1所述的光电二极管元件(20)，其中，所述第一扩散类型包括N+扩散。
5.如权利要求1所述的光电二极管元件(20)，其中，所述活性区(32)包括网格。
6.一种光电二极管元件(20)，包括：
包括第一扩散类型的第一层(22)；
定义电荷收集区域(29)的第二层(24)，所述电荷收集区域(29)包括第二扩散类型的多个活性区(55)以及无活性区(57)，所述多个活性区(55)被电互连；以及
设置在所述第一层(22)与所述第二层(24)之间的本征半导体层(26)；
所述活性区（32）闭合地围绕所述无活性区（33）；
其中，所述无活性区(33)的尺寸由最短载流子扩散距离来确定。
7.如权利要求6所述的光电二极管元件(20)，其中，所述第一扩散类型包括P+扩散。
8.如权利要求6所述的光电二极管元件(20)，其中，所述第一扩散类型包括N+扩散。
9.如权利要求6所述的光电二极管元件(20)，还包括连接所述多个活性区中的两个的导电触点(56)。
10.如权利要求1所述的光电二极管元件(20)，其中，所述活性区(32)包括网格(34)，所述网格(34)包括四个或更多平行横档，这些横档通过两个侧板相互连接。
11.如权利要求10所述的光电二极管元件(20)，其中，所述横档分隔开200 μm或更小的尺寸(38)。
12.如权利要求3所述的光电二极管元件(20)，其中，所述第二扩散类型包括N+扩散。
13.如权利要求4所述的光电二极管元件(20)，其中，所述第二扩散类型包括P+扩散。
14.如权利要求1所述的光电二极管元件(20)，其中，所述最短载流子扩散距离包括200μm或更小。
15.如权利要求9所述的光电二极管元件(20)，其中，所述导电触点(56)包括金属触点。
16.如权利要求6所述的光电二极管元件(20)，其中，所述无活性区(57)包括本征半导体。
17.如权利要求6所述的光电二极管元件(20)，其中，所述多个活性区(55)排列成阵列。
18.一种计算机断层造影检测器(10)，包括：
用于将x射线转换成可见光的闪烁器阵列(12)；以及
定位成接收来自所述闪烁器(12)的可见光的光电二极管阵列(14)，所述光电二极管阵列(14)包括多个光电二极管元件(20)，所述多个光电二极管元件(20)中的每个包括：
包含第一扩散类型的第一层(22)；
定义电荷收集区域(29)的第二层(24)，所述电荷收集区域(29)包括第二扩散类型的活性区(32)以及多个无活性区(33)；以及
设置在所述第一层(22)与所述第二层(24)之间的本征半导体层(26)；
所述活性区（32）闭合地围绕所述无活性区（33）；
其中，所述无活性区(33)的尺寸由最短载流子扩散距离来确定。
19.如权利要求18所述的计算机断层造影检测器(10)，其中，所述多个无活性区(33)中的每个包括本征半导体。
20.如权利要求18所述的计算机断层造影检测器(10)，其中，所述活性区(32)包括网格。
21.如权利要求20所述的计算机断层造影检测器(10)，其中，所述网格包括四个横档，每个横档同时连接到两个侧板，其中，所述横档垂直于所述侧板。
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