CN106249270A - 半导体探测器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种半导体探测器。根据实施例，该半导体探测器可以包括：半导体探测材料，包括彼此相对的第一侧面和第二侧面；设置于第一侧面上的阴极；以及设置于第二侧面上的阳极，其中，阳极包括限定半导体探测器的探测像素的像素阳极阵列以及设置于相邻的像素阳极之间的中间阳极。根据本公开的实施例，可以实现信号修正，提高探测器的能量分辨率和信噪比。
Description
技术领域
本公开涉及辐射探测中的半导体探测器，具体涉及辐射探测成像中探测器的像素阳极电极设计。
背景技术
半导体探测器以其较高的探测效率、较好的能量分辨率受到广泛的关注，被应用到辐射探测的各项应用中，例如环境辐射检测中的核素识别仪、计量报警仪等；国家安全中的物品检测如物品机、工业计算机断层扫描(CT)；医疗应用中的CT、牙科成像、正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography，PET)、单光子计算机断层扫描(Single PhotonEmission Computer Tomography，SPECT)等。半导体材料的种类很多，例如CdMnTe(碲锰镉)、HgI2(碘化汞)、TlBr(溴化铊)、PbI2(碘化铅)、GaAs(砷化镓)、Ge(锗)等，它们分别具有不同的特点，被应用到不同的领域。
CdZnTe(碲锌镉，简写CZT)除具有很好的能量分辨率、高的探测效率外，它还能在室温下工作，这使它成为最有潜力的辐射探测材料。利用CZT半导体，设计成像素结构的探测器，能够应用在辐射成像的多个领域，例如牙科CT、SPECT等。
像素结构不仅可以获得良好的能量分辨率，还可以得到相对高的空间分辨率，在天文成像、医学成像等方面应用前景广阔。
像素电极(像素阴极或像素阳极)是一种单极性电荷灵敏技术，它的感应电荷仅由一种载流子的漂移所贡献。不同于平面探测器的均匀电场，像素探测器内部的电场分布是非均匀的。当产生的自由电荷在远离像素电极的区域漂移时，由于该自由电荷被多个像素电极共享，因此在单个像素电极上的感应电荷非常小。只有当自由电荷在像素电极附近漂移时，对应像素电极上的感应电荷才会迅速变化。单个像素电极上的感应电荷几乎全部由电荷在像素电极附近区域的漂移所贡献。采用像素阳极的CZT探测器，空穴漂移对感应电荷对像素阳极的贡献几乎可以忽略电荷，从而实现了单极性电荷灵敏技术，提高了能谱分辨率。
但是，自由电荷在漂移的过程中会扩散，部分电荷会被相邻的像素所收集，出现电荷分配问题。随着像素尺寸的减小，电荷分配越严重，造成单个像素的能谱分辨率变差。例如，当光子入射的位置在两个相邻像素的中间，那么由入射光子导致的电荷会被这两个相邻的像素收集，两个像素的信号均为错误信号；当光子入射的位置在4个相邻像素中间，那么由入射光子导致的电荷会被这4个相邻的像素收集。实际情况中入射光子的位置是不确定的，其次，各个像素贡献的信号量也是不确定的，因此很难准确定位射线的入射位置。
通过信号符合对电荷共享进行修正，在电路设计中的工作量是十分庞大的，信号修正的效率也不会很高。通过数据采集再进行数据处理，不能够实现信号的实时采集和分析。
发明内容
鉴于上述问题，本公开的目的至少部分地在于提供一种具有改进阳极结构的半导体探测器。
根据本公开的一个方面，提供了一种半导体探测器，包括：半导体探测材料，包括彼此相对的第一侧面和第二侧面；设置于第一侧面上的阴极；以及设置于第二侧面上的阳极，其中，阳极包括限定半导体探测器的探测像素的像素阳极阵列以及设置于相邻的像素阳极之间的中间阳极。
根据本公开的半导体探测器还可以包括设置于相邻的中间阳极之间的中心阳极。
根据本公开的半导体探测器还可以包括信号处理电路，用于针对像素阳极阵列中的每个像素阳极，基于该像素阳极上收集到的信号以及与该像素阳极相邻的中间阳极和/或中心阳极上收集到的信号，确定该像素阳极的探测信号。例如，信号处理电路可以基于加权求和，来确定探测信号。针对每个像素阳极，当与该像素阳极相邻的中间阳极和/或中心阳极上收集到的信号幅度大于该像素阳极上收集到的信号幅度时，信号处理电路可以将该像素阳极的探测信号确定为零。
像素阳极阵列可以是各种合适的形式，例如包括像素阳极的一维线阵、二维面阵或梯形结构。
像素阳极可以是各种合适的形状，例如正方形、矩形、圆形或椭圆形。
中间阳极可以是各种合适的形状，例如矩形、椭圆形、曲线形或菱形。
中心阳极可以是各种合适的形状，例如正方形、圆形、椭圆形、矩形或菱形。
半导体探测材料可以是各种合适的辐射探测材料，例如包括CdZnTe、Ge、CdTe、HgI2、PbI2、TlBr或GaAs。
像素阳极、中间阳极、中心阳极可以分别是各种合适的电极材料，例如包括金、铂、镍、钛、铟中至少一种。
阴极可以是各种合适的布局，例如平面型、像素型或条型。
根据本公开的实施例，可以在阳极像素阵列中结合中间阳极和/或中心阳极。通过采集阳极像素以及中间阳极和/或中心阳极上的信号，并结合信号修正(例如，上述的加权求和)，可以提高探测器的能量分辨率和信噪比。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是示出了根据本公开实施例的半导体探测器的透视图；
图2是示出了根据本公开实施例的阳极构造的平面图；
图3是示出了根据本公开另一实施例的阳极构造的平面图；以及
图4是示出了根据本公开又一实施例的阳极构造的平面图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
图1是示出了根据本公开实施例的半导体探测器的透视图。
如图1所示，根据该实施例的半导体探测器100可以包括半导体探测材料101。在此，半导体探测材料101能够与所要探测的辐射进行相互作用，并产生电荷。例如，半导体探测材料101可以包括CdZnTe、Ge、CdTe、HgI2、PbI2、TlBr或GaAs。在以下描述中，以CdZnTe(CZT)为例进行描述，但是本公开不限于此。半导体探测材料101可以是晶体材料，因此其至少一些表面例如可以通过解理来得到。在该示例中，将半导体探测材料101示出为六面体(更具体地，长方体)，尺寸为约10mm×10mm×5mm。但是本公开不限于此。
半导体探测材料101可以包括相对的侧面101S-1和101S-2，在这两个侧面上可以分别形成阴极103和阳极105。在阴极103和阳极105之间可以形成电场，用以引导辐射在半导体探测材料101中导致的电荷，以便对辐射进行探测。例如，辐射可以经阴极103入射到半导体探测材料101中，与半导体探测材料101相互作用，并产生电荷(例如，电子)。电荷可以被阳极105收集，并由此得到作为探测器探测结果的探测信号。
当然，本公开不限于此。例如，辐射也可以经阳极105入射。在这种情况下，以下关于阴极和阳极的描述可以互换。
阴极103和阳极105各自例如可以包括导电材料，例如金属材料如金、铂、镍、钛、铟中一种或它们的混合材料，或者它们的叠层。阴极103和阳极105例如可以通过在半导体探测材料101的侧面101S-1和101S-2上分别蒸镀导电材料，并对蒸镀的导电材料进行光刻来形成。在此需要指出的是，阴极103和阳极105可以包括相同或不同的材料。
阴极103和阳极105可以形成为各种样式。例如，阴极103可以形成为平面型(例如，覆盖侧面101S-1至少一部分的平面电极)、像素型(例如，在侧面101S-1上形成的像素阵列式的电极)或条型(例如，在侧面101S-1上形成的条带电极)。根据本公开的实施例，阳极105可以形成为像素型，即像素阵列的形式，这将在以下进一步详细描述。
图2是示出了根据本公开实施例的阳极构造的平面图。
如图2所示，根据该实施例的阳极200可以包括像素阳极201的二维阵列。这些像素阳极201限定了半导体探测器的探测像素。在此，所谓“探测像素”，是指探测器根据这些像素的探测结果，来对所探测的辐射进行成像，即探测像素对应于辐射图像中的像素。在图2中，示出了4×4的阵列，但是本公开不限于此。本公开可以包括更大或更小的阵列，且阵列中行中的像素数不必等于列中的像素数。
另外，在该示例中，将像素阳极201示出为正方形，但是本公开不限于此。例如，像素阳极201可以根据实际需要，形成为矩形、圆形或椭圆形等其他形状。
如在背景技术部分中所述，像素阳极201的阵列存在电荷分配问题。为此，根据该实施例的阳极200还包括设置于相邻的像素阳极201之间的中间阳极203。在该示例中，与相邻像素阳极201之间的间隙相对应，中间阳极203被形成为矩形。但是本公开不限于此。例如，中间阳极203可以形成为椭圆形、曲线形或菱形等其他形状。优选地，中间阳极203的形状可以适配相邻像素阳极201之间的间隙的形状。
像素阳极201和中间阳极203可以通过对相同的导电材料层进行构图(例如，光刻)来形成，因此它们可以包括相同的导电材料，如上述金属材料。
中间阳极203尽管也可以被施加偏压从而在探测过程中收集辐射所导致的电荷，但是其所收集的信号主要用以对像素阳极201收集的信号进行修正，而并不构成最终探测结果的像素。也就是说，对于具有图2所示阳极构造的半导体探测器，其探测结果是与像素阳极201的阵列相对应的4×4探测信号阵列。
对于探测过程中像素阳极201与中间电极203的偏压设置，例如可以通过校准过程来确定。例如，可以利用基准辐射来照射探测器。偏压的设置可以使得：对于照射在与某一像素阳极201相对应的区域内的基准辐射，该像素阳极201收集到的信号幅度大于与之相邻的中间阳极203收集到的信号幅度；对于照射在与某一中间阳极203相对应的区域内的基准辐射，该中间阳极203收集到的信号幅度大于与之相邻的像素阳极201收集到的信号幅度。
根据本公开的实施例，可以提供一种信号处理电路(未示出)，用以对阳极200收集的信号进行处理，以便得到最终的探测信号或探测结果。这种信号处理电路可以包括在半导体探测器中，或者可以与半导体探测器分离设置。
根据本公开的实施例，对于某一像素阳极201，如果与之相邻的中间阳极203中的一个或多个收集到的信号幅度大于该像素电极201收集到的信号幅度(意味着入射的射线在像素阳极的中间位置)，则信号处理电路可以将该像素电极201的探测信号确定为零(0)，尽管该像素电极201可能收集到非零的信号。这例如可以简单地通过比较器来实现。
另外，信号处理电路还可以对像素阳极201的探测信号进行修正。具体的，对于每个像素阳极201，可以基于该像素阳极201上收集到的信号以及与该像素阳极201相邻的中间阳极203上收集到的信号，确定该像素阳极201的探测信号。这种修正例如可以通过加强求和来进行。加权系数可以通过校准过程来确定。例如，可以利用不同幅度的基准辐射照射与某一像素阳极201相对应的位置，并获取该像素阳极201以及与之相邻的中间阳极203收集的信号。根据基准辐射的幅度以及与之相应的收集信号，可以确定加权系数。在简化情况下，加权系数可以为1。这例如可以简单地通过加法器来实现。
具备比较和加权求和功能的信号处理电路可以通过多种方式来实现。例如，可以通过组合逻辑电路来实现。具体地，像素阳极201及其相邻的中间阳极203所收集的信号可以分别输入到比较器和加法器中。在比较器中，可以将像素阳极201与中间阳极203所收集的信号进行比较。当像素阳极201所收集的信号大于中间阳极203所收集的信号时，比较器的输出可以使能加法器，使得加法器可以对输入信号进行相加。在加法器中，可以预设加权系数。另外，当像素阳极201所收集的信号大于中间阳极203所收集的信号时，比较器的输出可以复位加法器，使加法器输出为零。
以下，结合图2的示例来更详细地描述信号修正处理。
在同2的示例中，根据相邻像素阳极的数目，或者根据相邻的中间电极的数据，像素阳极201可以分为三类：与两个像素阳极或两个中间阳极相邻(a类)，与三个像素阳极或三个中间阳极相邻(b类)，与四个像素阳极或四个中间阳极相邻(c类)。
将像素阳极201采集的信号幅度定义为Va、Vb、Vc，其中下标a、b、c分别代表a、b、c三类像素阳极的信号；中间阳极203采集的信号幅度定义为V1、V2、V3、V4，其中下标1、2、3、4分别代表与像素阳极相邻的第1、2、3、4个中间阳极。
则对于a类像素阳极，其信号修正值V可以表示为：
V＝Va+k1V1+k2V2。
类似地，对于b类像素阳极，其信号修正值V可以表示为：
V＝Vb+k1V1+k2V2+k3V3。
类似地，对于c类像素阳极，其信号修正值V可以表示为：
V＝Vc+k1V1+k2V2+k3V3+k4V4。
其中，系数k1、k2、k3、k4的系数值根据实际探测器性能不同，在简化的情况下其值可以均为1。
经过数据修正后，探测器的像素阳极的能量分辨率会提高，信噪比会提高，采用该探测器的成像质量会提高。
图3是示出了根据本公开另一实施例的阳极构造的平面图。
如图3所示，与图2所示的阳极200类似，根据该实施例的阳极300可以包括像素阳极301的二维阵列以及设置于相邻的像素阳极301之间的中间阳极303。关于像素阳极301和中间阳极303，可以参见以上结合图2的描述，在此不再赘述。
为了进一步改善电荷分配问题，根据该实施例的阳极300还可以包括设置于相邻的中间阳极之间的中心阳极305。具体地，在相邻的中间阳极303之间的间隙中设置中心阳极305，从而中心阳极305可以被中间阳极303所围绕。在该示例中，中心阳极305被形成为圆形，但是本公开不限于此。例如，中心阳极305可以形成为正方形、椭圆形、矩形或菱形等其他形状。优选地，中心阳极305的形状可以适配相邻中间阳极303之间的间隙的形状。
像素阳极301、中间阳极303和中心阳极305可以通过对相同的导电材料层进行构图(例如，光刻)来形成，因此它们可以包括相同的导电材料，如上述金属材料。
对于像素阳极301、中间阳极303和中心阳极305的偏压设置，例如可以通过如上所述的校准过程来确定。
在此，中间阳极303和中心阳极305的作用类似，主要用以对像素阳极301收集的信号进行修正，而并不构成最终探测结果的像素。这种信号修正类似于以上结合图2描述的信号修正。在修正过程中，中间阳极303采集的信号与中心阳极305采集的信号可以按相同的方式予以考虑。这例如可以通过上述的信号处理电路来实现，只不过在考虑中间阳极303采集的信号之外，还需另外考虑中心阳极305采集的信号。
例如，对于某一像素阳极301，如果与之相邻的中间阳极303和/或中心阳极305中的一个或多个收集到的信号幅度大于该像素电极301收集到的信号幅度，则信号处理电路可以将该像素电极301的探测信号确定为零(0)。这例如可以简单地通过比较器来实现。
再如，对于每个像素阳极301，可以基于该像素阳极301上收集到的信号以及与该像素阳极301相邻的中间阳极303以及中心阳极305上收集到的信号，确定(例如，通过加权求和)该像素阳极301的探测信号。
以下，结合图3的示例来更详细地描述信号修正处理。与以上实施例中类似，在该示例中，像素阳极301同样可以分为三类(a、b、c)。
将像素阳极301采集的信号幅度定义为Va、Vb、Vc，其中下标a、b、c分别代表a、b、c三类像素阳极的信号；中间阳极303采集的信号幅度定义为V1、V2、V3、V4，其中下标1、2、3、4分别代表与像素阳极相邻的第1、2、3、4个中间阳极；中心阳极305采集的信号幅度定义为C1、C2、C3、C4，其中下标1、2、3、4分别代表与像素阳极相邻的第1、2、3、4个中心阳极。
则对于a类像素阳极，其信号修正值V可以表示为：
V＝Va+k1V1+k2V2+m1C1。
类似地，对于b类像素阳极，其信号修正值V可以表示为：
V＝Vb+k1V1+k2V2+k3V3+m1C1+m2C2。
类似地，对于c类像素阳极，其信号修正值V可以表示为：
V＝Vc+k1V1+k2V2+k3V3+k4V4+m1C1+m2C2+m3C3+m4C4。
其中，系数k1、k2、k3、k4、m1、m2、m3、m4的系数值根据实际探测器性能不同，在简化的情况下其值可以均为1。
在以上实施例中，将像素阳极的阵列示出为二维面阵，但是本公开不限于此。例如，像素阳极的阵列可以是一维线阵或梯形结构等其他布局。
图4是示出了根据本公开又一实施例的阳极构造的平面图。
如图4所示，根据该实施例的阳极400可以包括像素阳极401的一维线阵。这些像素阳极401限定了半导体探测器的探测像素。同样地，为应对电荷分配问题，阳极400还可以包括设置于相邻的像素阳极401之间的中间阳极403。在该示例中，与相邻像素阳极401之间的间隙相对应，中间阳极403被形成为长条形。
像素阳极401和中间阳极403可以通过对相同的导电材料层进行构图(例如，光刻)来形成，因此它们可以包括相同的导电材料，如上述金属材料。
对于像素阳极401和中间阳极403的偏压设置，例如可以通过如上所述的校准过程来确定。
在此，中间阳极403主要用以对像素阳极401收集的信号进行修正，而并不构成最终探测结果的像素。这种信号修正按以上结合图2描述的方式进行。
例如，在该示例中，像素阳极401可以分为两类：边缘阳极，与一个像素阳极或一个中间阳极相邻(a类)；与两个像素阳极或两个中间阳极相邻(b类)。
将像素阳极401采集的信号幅度定义为Va、Vb，其中下标a、b分别代表a、b类像素阳极的信号；中间阳极403采集的信号幅度定义为V1、V2，其中下标1、2分别代表与像素阳极相邻的第1、2个中间阳极。
则对于a类像素阳极，其信号修正值V可以表示为：
V＝Va+k1V1。
类似地，对于b类像素阳极，其信号修正值V可以表示为：
V＝Vb+k1V1+k2V2。
其中，系数k1、k2的系数值根据实际探测器性能不同，在简化的情况下其值可以均为1。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (12)
1.一种半导体探测器，包括：
半导体探测材料，包括彼此相对的第一侧面和第二侧面；
设置于第一侧面上的阴极；以及
设置于第二侧面上的阳极，
其中，阳极包括限定半导体探测器的探测像素的像素阳极阵列以及设置于相邻的像素阳极之间的中间阳极。
2.根据权利要求1所述的半导体探测器，还包括：设置于相邻的中间阳极之间的中心阳极。
3.根据权利要求1或2所述的半导体探测器，还包括：
信号处理电路，用于针对像素阳极阵列中的每个像素阳极，基于该像素阳极上收集到的信号以及与该像素阳极相邻的中间阳极和/或中心阳极上收集到的信号，确定该像素阳极的探测信号。
4.根据权利要求3所述的半导体探测器，其中，信号处理电路基于加权求和，来确定探测信号。
5.根据权利要求3所述的半导体探测器，其中，针对每个像素阳极，当与该像素阳极相邻的中间阳极和/或中心阳极上收集到的信号幅度大于该像素阳极上收集到的信号幅度时，信号处理电路配置为将该像素阳极的探测信号确定为零。
6.根据权利要求1或2所述的半导体探测器，其中，像素阳极阵列包括像素阳极的一维线阵、二维面阵或梯形结构。
7.根据权利要求1或2所述的半导体探测器，其中，像素阳极的形状为正方形、矩形、圆形或椭圆形。
8.根据权利要求1或2所述的半导体探测器，其中，中间阳极的形状为矩形、椭圆形、曲线形或菱形。
9.根据权利要求2所述的半导体探测器，其中，中心阳极的形状为正方形、圆形、椭圆形、矩形或菱形。
10.根据权利要求1或2所述的半导体探测器，其中，半导体探测材料包括CdZnTe、Ge、CdTe、HgI2、PbI2、TlBr或GaAs。
11.根据权利要求1或2所述的半导体探测器，其中，像素阳极、中间阳极、中心阳极分别包括金、铂、镍、钛、铟中至少一种。
12.根据权利要求1或2所述的半导体探测器，其中，阴极为平面型、像素型或条型。
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