CN109920809A - 一种x射线平板探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种X射线平板探测器及其制作方法。X射线平板探测器包括TFT背板、传感光电二极管矩阵面板、栅驱动信号电路系统、传感信号读取电路系统、图像信号处理电路系统以及其他的外围功能电路等部分。其中TFT背板是整个系统的重要部分，TFT可实现开关信号通道的功能。本发明的特别之处在于，在TFT背板中引入了多晶硅TFT技术，由于多晶硅TFT的沟道材料具有较大的电子迁移率，可有效提高TFT的开关速率，进而提高X射线平板探测器的数据读取速率，使平板探测器更加适合高速连续拍照的应用场合，有效提高了X射线平板探测器的性能，减少了鬼影和拖尾的现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种X射线平板探测器，具体涉及一种基于多晶硅薄膜晶体管(polySi-TFT)的X射线平板探测器，属于探测器技术领域。
背景技术
自从1905年科学家伦琴发现X射线，并很快将其应用到了医疗领域以来，X射线摄影技术一直是医学影像技术的主流核心技术之一。X射线探测器也可以应用于物质分析、设备探伤以及安防等领域，在现今社会中具有举足轻重的作用。
X射线平板探测器相继经过了模拟技术和数字技术的发展阶段。在模拟技术的发展阶段中，X射线直接投射到荧光屏上，通过冲洗胶片技术得到一张X光片。模拟技术的过程较为繁琐，并且图片不宜保存，现在逐渐被数字X射线平板探测器所取代。X射线平板探测器属于高精密传感部件，主要分为直接型和间接型两类。
直接型平板探测器主要结构包含机器外壳、电阻型X光敏传感材料、电荷收集电极、TFT开关阵列、电荷放大器、双采样电路以及模数转换电路等组成。直接型平板探测器的原理为X射线照射在电阻型X光敏传感材料上，直接转化为电子空穴对，并在一个高压电场的作用下，电子和空穴向正负电极移动，并由正负电极收集，外围电路通过检测电流信号，从而探测X射线的强度。
间接型平板探测器的主要结构包含机器外壳、闪烁晶体材料膜、光电二极管阵列、电荷收集电极、TFT开关阵列、电荷放大器、双采样电路以及模数转换电路等组成。间接型X射线平板探测器的工作原理：先通过一层闪烁晶体材料膜将X射线转化为可见光，之后使用光电二极管阵列将可见光转化为电信号，外围电路通过测量光生电流的大小探测X射线的强度。
以上两种类型的X射线平板探测器中都包含TFT阵列的玻璃背板，TFT的性能对于整个X射线平板探测器具有重要的影响。为了能够获得最佳的信号读取质量，现有的非晶硅TFT的电子迁移率逐渐不能满足需求，其电子迁移率一般不足1cm2/(V·s)。此外，有使用铟镓锌氧(IGZO)薄膜作为TFT的沟道层，其迁移率可到40cm2/(V·s)以上，但是铟镓锌氧(IGZO)薄膜也有一定的局限性，其受X射线影响较大，并且化学稳定性不佳，容易受环境影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：在现有X射线平板探测器中，TFT的沟道材料电子迁移率不高而影响图像质量。
为了解决上述技术问题，本发明将多晶硅TFT技术应用到X射线平板探测器中，提出了一种使用了多晶硅TFT矩阵面板的X射线平板探测器。技术方案如下：
一种X射线平板探测器，包括TFT背板、传感光电二极管矩阵面板、栅驱动信号电路系统、传感信号读取电路系统、图像信号处理电路系统以及外围功能电路，其中TFT背板采用包含多晶硅薄膜材料的TFT背板。
进一步地，多晶硅薄膜材料的多晶硅晶化率在30～95％之间。
进一步地，多晶硅薄膜材料的迁移率范围为10～200cm2/(V·s)。
进一步地，TFT背板的开关器件为多晶硅薄膜晶体管，TFT背板还包含有传感器信号数据导线、TFT栅极信号扫描导线和偏置电压导线。
进一步地，多晶硅薄膜晶体管的沟道长度在1～100μm之间，多晶硅薄膜材料的厚度在10nm～5μm之间。
进一步地，开关器件的沟道层薄膜材料是直接沉积的多晶硅薄膜材料。多晶硅薄膜材料由低温工艺制得，低温工艺的温度范围是20～450℃。或者，多晶硅薄膜材料由高温工艺制得，高温工艺的温度范围是450～900℃。
进一步地，开关器件的沟道层薄膜材料是在沉积的非晶硅薄膜材料的基础上，进行多晶化技术处理后得到的多晶硅薄膜材料。多晶硅薄膜使用的多晶化技术包含快速热退火技术、金属诱导晶化技术以及激光晶化技术的一种或多种的组合使用。
本发明的有益效果：经优化的多晶硅TFT适用于X射线平板探测器，在大幅度增加TFT迁移率的同时，提高了TFT的稳定性，更适于在高速动态平板探测器中的应用。
附图说明
图1是本发明的多晶硅TFT的截面结构示意图；
图2至图5是本发明实施例中的多晶硅薄膜材料的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图6是本发明使用的p-i-n光电二极管X射线传感结构；
图7是本发明的多晶硅X射线探测器的一个像素的结构示意图；
图8是本发明的X射线探测器的多晶硅TFT背板电路图。
以上各图中的附图标记说明如下：
1-AlCu金属源漏极
2-非晶SiNx介电层
3-多晶硅薄膜
4-闪烁晶体薄膜
5-透明导电薄膜
6-p型非晶硅薄膜
7-本征非晶硅薄膜
8-n型非晶硅薄膜
9-多晶硅TFT的源漏极电极
10-多晶硅薄膜有源区
11-多晶硅TFT的源漏极电极
12-多晶硅TFT驱动芯片
13-信号电流读取芯片
具体实施方式
图1至图8通过图片方式说明本发明的一种较佳实施方式。需要说明的是，本具体实施例中所提供的图示，仅仅是以示意的方式，说明本发明的一种行之有效的实施或者应用，所以各个图示中显示的尺寸、形态、数量以及显示的比例并非按照实际实施时的情况，并且其实际情况可能更加复杂。
以下详细阐述本发明提供的基于多晶硅薄膜晶体管的X射线平板探测器的制备过程和结构。
基于多晶硅薄膜晶体管的X射线平板探测器结构包含TFT背板、传感光电二极管矩阵面板、栅驱动信号电路系统、传感信号读取电路系统、图像信号处理电路系统以及其他的外围功能电路等部分。
X射线平板探测器的数字信号处理部分主要是以嵌入式系统为主，使用的芯片主要是ARM和DSP构架芯片，其嵌入式系统可以是各个版本的Linux系统，也可以是Android系统，主要功能是进行数字信号处理，通过一定的算法将图像信号进一步地处理，并将图像信号传到上位机。嵌入式系统功能还包括通过系统控制其他外设组件，可以控制5G Wifi模块、显示模块、有线通讯模块、存储模块以及安全报警模块等。
传感信号读取模块是自主组成一个独立的PCB板，连接X射线传感面板和探测器的主板，其组成主要包括模拟前端芯片和模数转换芯片，此外还有相适应的电源芯片。其主要功能是将X射线传感面板传出的微弱模拟信号经过放大后进行数字化，并将数字信号传输到主板。
X射线传感面板主要组成部分为：闪烁晶体屏、光电二极管阵列以及TFT背板。X射线传感面板是整个平板探测器最重要的组成部分，作用是将X射线转化为可见光，再将可见光转化为可以探测的电信号。
本发明的特别之处在于，X射线探测器的传感面板使用的是多晶硅的TFT背板，所谓多晶硅TFT是指半导体沟道材料为多晶硅薄膜材料的TFT，由于其具有比非晶硅TFT大得多的电子迁移率，可以大大地提高X射线的传感速率，提高动态平板探测器的拍照帧数。
TFT背板中的开关器件为薄膜晶体管，包含多晶硅薄膜材料。多晶硅薄膜材料多晶硅的晶化率在30％到95％之间。多晶硅薄膜材料TFT的沟道长度在1μm到100μm之间，其多晶硅沟道材料的薄膜厚度在10nm到5μm之间。多晶硅薄膜材料的迁移率范围为10～200cm2/(V·s)。
多晶硅TFT可以是交叠型TFT，也可以是反交叠型TFT，可以是共面型TFT，也可以是反共面型TFT。在X射线传感面板中，光电二极管的n级连接于TFT，p级连接于光电二极管的偏置电压；或者也可以为光电二极管的p级连接于TFT，n级连接于光电二极管的偏置电压。
TFT背板上还包含有传感器信号数据导线、TFT栅极信号扫描导线和偏置电压导线。以上金属连接导线的材料可以为任何比例的钼/铝/钼的合金，或者其他结构和材料组成的导线。
TFT开关器件的沟道层薄膜材料可以是直接沉积的多晶硅材料，可以是低温工艺制备，也可以是高温工艺制备。低温工艺为20℃到450℃(包含250℃)的工艺温度范围，高温工艺为450℃到900℃的工艺温度范围。也可以是在沉积的非晶硅薄膜材料的基础上进行多晶化技术后得到的多晶硅薄膜材料，多晶化技术包含快速热退火技术、金属诱导晶化技术以及激光晶化技术。
康宁品牌或者其他品牌TFT专用玻璃经过严格的清洗工艺和预处理之后，在其上制备多晶硅TFT器件，如图1所示为TFT器件的截面示意图，基本的制备步骤包括在玻璃基板上通过物理气相沉积(PVD)溅射工艺沉积金属门极薄膜与导线，化学气相沉积(CVD)一层非晶SiNx介电层2，CVD一层多晶硅薄膜3，溅射沉积一层AlCu金属源漏极1，以及各层薄膜的光刻与图形化工艺。
在多晶硅薄膜的CVD工艺(或者其他可行的多晶硅薄膜沉积工艺)中，从X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶转换红外光谱(FTIR)等测量数据可以明显看出，改变氢(H)的稀释比，可以优化所沉积多晶硅薄膜的质量，使其更适合用于TFT器件结构。同时还观察到，随着H的稀释度从20％增长到98％，硅薄膜的生长速率从降低到因此，得到的较高沉积速率的工艺可优选用于多晶硅薄膜沉积。在多晶硅薄膜沉积工艺中，发展了一种新的方法用于组装柱状结构的多晶硅薄膜，该方法包括层层沉积和随后的氢化，以及通过CVD在375℃下的退火。经过每一步处理后(即层层沉积、随后的氢化、以及退火)，Si:H膜的结构性质和晶粒尺寸得到了改善。
如图2和图3所示为多晶硅薄膜的SEM截面照片，图4和图5所示为多晶硅薄膜俯视的SEM形貌照片，薄膜的形态得到了很大的改善。这表明在ITO薄膜衬底上采用我们提出的多步沉积方法，可以很好地制备多晶硅薄膜。拉曼分析表明微晶硅薄膜在单层沉积过程中拥有72％的结晶度，不经任何氢化及加热处理转变为多晶柱状结构后可将其结晶度优化至83％。XRD谱表明三层硅薄膜的峰强度远远高于单层及双层硅薄膜，这与拉曼分析结果非常吻合。三层硅薄膜的沉积速率(3.04nm/s)也远远高于未经任何氢化及退火的单层(1.42nm/s)硅薄膜。因此此方法非常适合制备高钝化高结晶度的多晶硅薄膜，进而广泛地应用于TFT器件以及其他电子器件领域。
制备完成多晶硅TFT之后，通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)和电子束蒸发技术制备X射线传感器，图6为传感器截面图，各层分别为：电子束蒸发工艺制备的闪烁晶体薄膜4、溅射工艺制备的透明导电薄膜5、p型非晶硅薄膜6、本征非晶硅薄膜7、n型非晶硅薄膜8。制备的X射线传感器和多晶硅TFT组成了一个X射线平板探测器的像素单元，如图7所示为一个像素单元的示意图，9和11为读出信号的多晶硅TFT的源漏极电极，10为多晶硅薄膜有源区。X射线平板探测器是由许多的如图7所示的X射线传感器像素组成的传感器矩阵，并由导线将他们连接起来，如图8所示为这个矩阵的示意图，传感器数量不限于此。这个传感器矩阵配有多晶硅TFT驱动芯片12和信号电流读取芯片13，使其正常工作。
通过上述的文字表述可以看出，采用多晶硅TFT之后，通过制备参数的优化设计，可以提高TFT的电子迁移率，有效提高TFT的响应速度。经不同的优化方案后，应用了多晶硅TFT的X射线平板探测器，可以提高相应图像处理速度10％到30％之间，有能力提高10％到30％的单位时间的X摄影拍摄帧数。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种X射线平板探测器，其特征在于，包括TFT背板、传感光电二极管矩阵面板、栅驱动信号电路系统、传感信号读取电路系统、图像信号处理电路系统以及外围功能电路，其中所述TFT背板采用包含多晶硅薄膜材料的TFT背板。
2.如权利要求1所述的一种X射线平板探测器，其特征在于，所述多晶硅薄膜材料的多晶硅晶化率在30～95％之间。
3.如权利要求1所述的一种X射线平板探测器，其特征在于，所述多晶硅薄膜材料的迁移率范围为10～200cm2/(V·s)。
4.如权利要求1所述的一种X射线平板探测器，其特征在于，所述TFT背板的开关器件为多晶硅薄膜晶体管，所述TFT背板还包含有传感器信号数据导线、TFT栅极信号扫描导线和偏置电压导线。
5.如权利要求4所述的一种X射线平板探测器，其特征在于，所述多晶硅薄膜晶体管的沟道长度在1～100μm之间，所述多晶硅薄膜材料的厚度在10nm～5μm之间。
6.如权利要求4所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述开关器件的沟道层薄膜材料是直接沉积的多晶硅薄膜材料。
7.如权利要求6所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述多晶硅薄膜材料由低温工艺制得，所述低温工艺的温度范围是20～450℃。
8.如权利要求6所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述多晶硅薄膜材料由高温工艺制得，所述高温工艺的温度范围是450～900℃。
9.如权利要求4所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述开关器件的沟道层薄膜材料是在沉积的非晶硅薄膜材料的基础上，进行多晶化技术处理后得到的多晶硅薄膜材料。
10.如权利要求9所述的一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，所述多晶硅薄膜使用的多晶化技术包含快速热退火技术、金属诱导晶化技术以及激光晶化技术的一种或多种的组合使用。
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