CN112490334B - X射线平板探测器的制作方法及x射线平板探测器 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种X射线平板探测器的制作方法及X射线平板探测器，涉及平板探测器技术领域，包括：提供基板，在所述基板的一侧沉积第一电极层，在所述第一电极层远离所述基板的一侧沉积非晶态氧化铅层，在所述非晶态氧化铅层远离所述第一电极层的一侧沉积第二电极层，以提供一种新的材料作为平板探测器的转光层，以解决现有的直接型平板探测器制造成本较高、稳定性较差等问题。

Description

X射线平板探测器的制作方法及X射线平板探测器
技术领域
本申请涉及探测器技术领域，尤其涉及一种X射线平板探测器的制作方法及X射线平板探测器。
背景技术
直接型平板探测器，是使用半导体材料将X射线光子直接转换成载流子(电子或空穴)并读出成像的技术。直接型平板探测器有着高灵敏度与高对比度的特点，可应用于医疗辐射成像、工业探伤、安检等领域。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种X射线平板探测器的制作方法及X射线平板探测器，以解决现有的平板探测器使用成本较高、稳定性较差等问题。
第一方面，本申请提供了一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，包括：
提供基板；
在所述基板的一侧沉积第一电极层；
在所述第一电极层远离所述基板的一侧沉积非晶态氧化铅层；
在所述非晶态氧化铅层远离所述第一电极层的一侧沉积第二电极层。
进一步地，所述非晶态氧化铅层的厚度为10-500μm。
进一步地，所述非晶态氧化铅层通过磁控溅射的方法制作获得。
进一步地，所述非晶态氧化铅层通过对向靶溅射的方法制作获得。
进一步地，所述对象靶溅射的压强位于0.1～0.6Pa之间，电流位于5～10A之间，电压位于200～500V之间，溅射等离子发生器总功率位于1500～4000W之间，Ar气与氧气比值位于50/2.0～50/0.1之间。
进一步地，所述在所述第一电极层远离所述基板的一侧沉积非晶态氧化铅层之前，还包括：
在所述第一电极层远离所述基板的一侧沉积第一界面层；
所述在所述第一电极层远离所述基板的一侧沉积所述非晶态氧化铅层之后，还包括：
在所述非晶态氧化铅层远离第一电极层的一侧沉积第二界面层。
进一步地，所述第一界面层包括TiO2、ZnO、AZO、MZO、SnO2以及PEIE中的至少一种，所述第二界面层包括Se、MoO3、WO3、NiO、V2O5以及PEDOT:PSS中的至少一种。
第二方面，本申请提供了一种X射线平板探测器，包括：
基板；
设置在所述基板一侧的第一电极层；
设置在所述第一电极层远离所述基板一侧的非晶态氧化铅层，所述非晶态氧化铅层包括非晶态氧化铅；
设置在所述非晶态氧化铅层远离所述第一电极层一侧的第二电极层。
进一步地，所述非晶态氧化铅层的厚度为10-500μm。
进一步地，所述非晶态氧化铅层通过磁控溅射的方法制作。
进一步地，所述非晶态氧化铅层通过对向靶溅射的方法制作获得。
进一步地，所述平板探测器还包括第一界面层和第二界面层，所述第一界面层位于所述第一电极层和所述非晶态氧化铅层之间，所述第二界面层位于所述非晶态氧化铅层和所述第二电极层之间。
进一步地，所述第一界面层包括TiO2、ZnO、AZO、MZO、SnO2以及PEIE中的至少一种，所述第二界面层包括Se、MoO3、WO3、NiO、V2O5以及PEDOT:PSS中的至少一种。
附图说明
图1为本申请实施例提供的X射线平板探测器的制作方法的流程图；
图2A-2F为本申请实施例提供的X射线平板探测器的工艺流程图；
图3为本申请实施例提供的X射线平板探测器的TFT层等效电路示意图；
图4为本申请实施例提供的X射线平板探测器的结构示意图；
具体实施方式
下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
基于非晶硒(Se)材料的商业化的直接型平板探测器占据了绝对的主流，非晶硒作为转光层((也称为转化层)作用是将高能量的入射X射线光子并转化为载流子(电子空穴对)的一种膜层)材料有着大规模均匀性成膜简单的优点，故而被广泛使用。
然而，发明人发现非晶硒材料有如下缺点：
非晶硒的晶化温度为70℃左右，晶化后变成多晶，会导致器件性能发生变化，在极端条件下引起器件失效。如：在夏天密闭的没有空调的车厢内运输时，由于车厢内长时间的高温会使得非晶硒薄膜逐渐晶化为多晶，最终导致产品性能变化甚至失效。
此外，硒的原子序数低(34)，对X射线(尤其是高能X射线)吸收较差，限制了其应用范围。故非晶硒应用局限在乳腺机(Mammography)，无法拓展至其他应用(如胸透、齿科、工业安防等)。
为了充分吸收X射线，需要提高非晶硒膜厚，膜厚的增加会导致膜层的均匀性变差，导致成像质量劣化。为了充分收集电荷，膜层两端的电压增加(如：膜层厚度在200um时，电压约为2000V；而当膜层厚度达到2000um时，需要的电压约为20000V)，高压的使用不仅会使器件的设计难度与成本上升、可靠性下降，更容易对操作者及患者造成安全隐患(如漏电)。
针对如上缺点，基于新型半导体材料的直接型X射线探测器亟待开发。其中，氧化铅是一种理想的X射线直接转换材料，由于氧化铅密度高(其密度高达9.53g/cm3)，原子序数大(铅的原子序数为82)，高密度与高原子序数保证了氧化铅对X射线有足够的吸收。发明人发现，在50KeV的X光子能量下，对X射线的衰减比非晶硒提高了约一个量级，意味着吸收同样能量与数量的X射线光子，PbO的膜厚仅需非晶硒的十分之一。
氧化铅载流子生成(chargecarriercreationenergy)能低，直接型探测需要将X射线光子直接转换成载流子，低的载流子生成能意味着在相同能量及数量的X射线光子下，载流子更容易生成，也意味着效率的提升。几种常见材料载流子生成能如下：
PbO 非晶硒(A-Se) CsI
8eV@3.5V/μm 45eV@10V/μm 30eV
综上，可以发现氧化铅是一种理想的X射线直接转换材料。
虽然PbO是非常理想的直接型材料，发明人发现存在几个问题限制了其商业化应用，呈晶态的PbO存在两个晶相，分别为四方晶系的α相与斜方晶系的β相。PbO转光层材料的加工工艺一般为蒸镀，蒸镀制备的PbO同时存在以上两种相，这种同时存在两种晶相的PbO膜层称为“多晶层”，多晶层的存在会导致如下几个问题：
α相PbO表观色为红色，β相为黄色，颜色的不同意味着两种结构PbO晶带宽度不同，其性能也略微不同。一种膜层中同时存在两种晶相不利于性能的均匀化。此外。多晶膜层晶体颗粒之间存在晶界，导致电荷(电子或空穴)在晶界处被阻挡，影响电荷的输运，从而影响量子效率。
晶界的存在还会在局部产生“空洞”，而这种空洞会有一定的概率导致膜层上下被击穿，增大漏电(暗电流)，导致背景噪音增大。晶界的存在也会引入“局域态缺陷”，这种局域态缺陷会导致电荷在晶界处被捕获，捕获的电荷无法在读取的时候被释放，从而影响量子效率；另外一方面，被捕获的电荷有很大的几率会在下一帧读取的时候释放，引起前后图像在同一像素交替，从而引起图像的残影/叠影(Lag)，极大的限制了在高帧率场景下的应用。晶界的存在还会使PbO膜层在宏观上密度低于理论值，影响X射线吸收，为了补偿吸收的损失，必须加厚膜层，而膜层加厚的缺点，已经在上述有详细说明。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种X射线平板探测器的制作方法，特别是用于制作直接型平板探测器，下面参照图1对本申请公开的X射线平板探测器的制作方法进行进一步解释和说明，其中图1具体涉及X射线平板探测器的制作方法的流程图，图2为本申请实施例提供的X射线平板探测器的工艺流程图该方法具体包括：
步骤102，参见图2A所示，提供基板202
提供基板202，基板202构成材料可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅等。当然，基板的构成材料还可以为柔性基板(如PI，PEN)。本申请中，作为示例，基板202的构成材料选用二氧化硅，即玻璃基板。
在一个实施例中，在形成上述基板202时，可在所述基板202上形成晶体管功能层，即TFT层，其中，所述晶体管功能层包括晶体管源极，所述晶体管源极与所述第一电极层相连接。在一个实施例中，参见图3，示出了本申请一个实施例公开的X射线平板探测器的TFT层等效电路示意图，TFT层(作为开关层)中的晶体管源极(source)(图3中的晶体管源极302)与第一电极层204电连接，即通过第一电极层202与平板探测器的转光层的实现电连接，进行信号传输，当然，所述晶体管功能层还包括晶体管栅极304和晶体管漏极306，在一示例中，所述晶体管功能层，如TFT层中的晶体管源极层和晶体管漏极层与所述第一电极层可共用同一材料层。需要说明的是晶体管功能层的具体布置并不限于上述示例，还可以存在其他布置，在此不进行限定。
步骤104，参见图2B所示，在基板202的一侧沉积第一电极层
该第一电极层可通过物理气相沉积、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)及原子层沉积(ALD)或其它先进的沉积技术形成。该第一电极层204的制作材料可包括但不限于ITO(氧化铟锡)或者Ag等。
在一个实施例中，参见图2C所示，可在第一电极层204远离基板202的一侧沉积第一界面层206。
该第一界面层层可通过物理气相沉积、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)，原子层沉积(ALD)，溶液法工艺，或其它先进的沉积技术形成。其中，物理气相沉积方法可包括溅射、蒸镀等方法。化学气相沉积包括溶液法等。下面以溶液法为例，对上述沉积第一界面层层206的方法进行示例性地说明，将第一界面层量子点或纳米颗粒分散在水、乙醇、异丙醇、或者丁醇内，充分搅拌均匀，在上述基板上用溶液法涂覆第一界面层，第一界面层用上述纳米材料/量子点分散液，膜层厚度可为10到100nm，如5nm。涂布完上述膜层后置于70～200摄氏度烘箱内干燥1～15分钟。
在一个示例中，可根据需要对所述第一界面层进行材料选择，以实现不同的功能，示例性地，该第一界面层的材料可包括、ZnO、AZO(Al掺杂ZnO)、MZO(Mg掺杂ZnO)、SnO2及PEIE(名称为：乙氧基化的聚乙烯亚胺)中的至少一种。使第一界面层可以作为探测器的电子传输层，即空穴阻挡层，可以实现载流子电子的传输，同时阻挡空穴传输，所述电子传输层将载流子在所述转光层)分离，使载流子能到达电极处，避免了载流子在膜层内复合，提高量子效率，同时可以阻止电荷的反向注入，降低暗电流，提升器件灵敏度及图像对比度。第一界面层的存在还可以降低转光层界面处的功函数。
步骤106，在所述第一电极层204远离所述基板202的一侧沉积非晶态氧化铅层208，使得该非晶态氧化铅层208作为平板探测器的转光层。
现有制造非晶态氧化铅的方法主要包括蒸镀法，但是蒸镀法制备的PbO膜层其化学式往往偏离理想PbO化学式，往往会形成PbO1-X的化学式，同时还可能产生α相PbO和β相氧化铅，由此产生晶界等问题。
发明人发现，蒸镀法制备的PbO膜层其化学式往往偏离理想PbO化学式的原因在于蒸镀时候的真空环境下PbO缺氧所致。此外，如果大面积蒸镀来制备氧化铅膜层会导致形成的氧化铅膜层严重不均匀。
基于此，发明人想到可以采用非晶态氧化铅来制造转光层，来解决或者部分解决上述问题。可以在需要说明的是，非晶态氧化铅制造的方法包括多种，例如，蒸镀法、磁控溅射法等等。蒸镀法、磁控溅射法可以制造晶态氧化铅，也可以制造非晶态氧化铅，但是，发明人发现，相关技术虽然能够制作非晶态氧化铅，但是，在X射线平板探测器领域内并没有使用非晶态氧化铅作为转光层的先例。
使用相关技术制作的非晶态氧化铅内基本都包括呈晶态的氧化铅，从而产生晶界，并不适合用作转光层。以蒸镀技术为例，蒸镀技术结合离子源技术可以制作呈晶态的氧化铅和非晶态氧化铅，当用于专门制作非晶态氧化铅时，制作工艺复杂，控制难度较大，制作的非晶态氧化铅内存在晶态氧化铅。此外，蒸镀技术由于工艺限制，制作的非晶态氧化铅的厚度有限，蒸镀太厚的氧化铅会呈现多晶相。
在一个实施例中，可以使用磁控溅射方法来在上述第一电极层上制作转光层，具体地，可以磁控溅射工艺中的任意一种来制作非晶态氧化铅构成的转光层。示例性地，可以通过直流反应磁控溅射的方法制备氧化铅薄膜，但是发明人发现其制作效果相比于蒸镀技术制作的非经氧化铅有很大的进步，可以制作更厚的非晶态氧化铅薄膜，但是，由于直流反应磁控溅射工艺的缺陷，制作的氧化铅薄膜内仍然存在少些呈晶态的氧化铅，相比其他相关技术已经是非常大的进步。
在另一个实施例中，可以使用对向靶溅射方法在第一电极层上制作由非晶态氧化铅薄膜。对向靶溅射又称低损伤溅射、镜面靶材溅射(mirror target sputtering)或者facing target sputtering。这种情况下，产生的等离子体无法直接到达靶材表面，就降低了溅射时候产生的等离子体损伤，构成低损伤溅射，可以防止溅射靶材与被溅射样品平行放置进行溅射时导致高能量的等离子体(例如，等离子的能量范围大致分布在50～100eV)直接轰击在被溅射样品的膜上，造成严重破坏的问题。
需要说明的是，并不是任何情况下使用磁控溅射制作的氧化铅层都是非晶态，沉积过程中的相关参数非常重要，否则，参数稍有变化，可能就会使得制作的多晶氧化铅层内包含晶态氧化铅。发明人发现使用向靶溅射方法制作非晶态氧化铅时，采用以下参数制作的非晶氧化铅层的效果最优，设置腔体内总压强介于0.1～0.6Pa之间，电流介于5～10A之间，电压介于200～500V之间，溅射等离子发生器总功率介于1500～4000W之间，Ar气与氧气比值介于50/2.0～50/0.1之间，氧化铅靶材至样品距离介于200～400mm之间，溅射速率介于1～20nm/s之间，基板温度在室温至150摄氏度之间，基板采用水冷控制温度。
发明人通过大量实验发现，使用对向靶溅射方法制作的氧化铅薄膜基本上呈非晶态，相比蒸镀法结合离子源技术制作非晶态氧化铅，对向靶溅射方法制作的氧化铅薄膜的厚度没有限制，同时相比直流反应磁控溅射等方法制作的非晶态氧化铅的纯度更高，基本上没有晶态氧化铅。
由此，解决了在探测器领域制作由非晶态氧化铅构成的转光层时所遇到的氧化铅呈多晶相问题。
在一个实施例中，上述非晶态氧化铅层208的厚度10-500μm，例如，100μm，150μm，200μm，300μm，350μm，示例性地，膜厚在200um时，驱动电压为-100～-200V，漏电流密度在1X10-9A/cm2至9X10-8A/cm2范围内。
可选的，沉积非晶态氧化铅层208可沉积在上述第一界面层206远离基板202的一侧。
在一个实施例中，在非晶态氧化铅层208远离第一电极层的一侧沉积第二界面层210
该第二界面层层210可通过物理气相沉积、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)及原子层沉积(ALD)或其它先进的沉积技术形成。其中，物理气相沉积方法可包括溅射、蒸镀等方法。化学气相沉积包括溶液法等。下面以溶液法为例，对上述沉积第一界面层层进行示例性地说明，在上述A-PbO转光层上面涂布空穴传输层，空穴传输层材料使用上述分散液，膜层厚度为5到100nm，涂布完上述膜层后置于70～200摄氏度烘箱内干燥1～15分钟，上述溶液法涂布可以使用，刮涂、喷墨打印、丝网印刷、或者狭缝涂布。
步骤108，在非晶态氧化铅层208远离所述第一电极层204的一侧沉积第二电极层212。
该第二电极层212可通过物理气相沉积、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)及原子层沉积(ALD)或其它先进的沉积技术形成。
该第二电极层的制作材料可包括但不限于ITO(氧化铟锡)、Ag、Al、透明导电氧化物薄膜等。
可选地，该第二电极层可沉积在上述第二界面层210上。
参见图4，在一个实施例中，本申请还提供了一种X射线平板探测器，特别是一种直接型平板探测器包括：
基板402；
设置在所述基板一侧的第一电极层404；
设置在所述第一电极层远离所述基板一侧的非晶态氧化铅层408，
设置在所述非晶态氧化铅层远离所述第一电极层一侧的第二电极层412。
进一步地，所述非晶态氧化铅层的厚度为10-500μm。
进一步地，所述非晶态氧化铅层通过磁控溅射的方法制作。
进一步地，所述非晶态氧化铅层通过对向靶溅射的方法制作获得。
进一步地，所述平板探测器还包括第一界面层406和第二界面层410，所述第一界面层位于所述第一电极层和所述非晶态氧化铅层之间，所述第二界面层位于所述非晶态氧化铅层和所述第二电极层之间。
进一步地，所述第一界面层包括TiO2、ZnO、AZO、MZO、SnO2以及PEIE中的至少一种，所述第二界面层包括Se、MoO3、WO3、NiO、V2O5以及PEDOT:PSS中的至少一种。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (8)

1.一种X射线平板探测器的制作方法，其特征在于，包括：
提供基板；
在所述基板的一侧沉积第一电极层；
在所述第一电极层远离所述基板的一侧沉积非晶态氧化铅层；
在所述非晶态氧化铅层远离所述第一电极层的一侧沉积第二电极层；
所非晶态氧化铅层通过磁控溅射的方法制作获得；
所述非晶态氧化铅层通过对向靶溅射的方法制作获得；
所述对向靶溅射的压强位于0.1～0.6Pa之间，电流位于5～10A之间，电压位于200～500V之间，溅射等离子发生器总功率位于1500～4000W之间，Ar气与氧气比值位于50/2.0～50/0.1之间。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述非晶态氧化铅层的厚度为10-500μm。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述第一电极层远离所述基板的一侧沉积非晶态氧化铅层之前，还包括：
在所述第一电极层远离所述基板的一侧沉积第一界面层；
所述在所述第一电极层远离所述基板的一侧沉积所述非晶态氧化铅层之后，还包括：
在所述非晶态氧化铅层远离第一电极层的一侧沉积第二界面层。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述第一界面层包括TiO2、ZnO、AZO、MZO、SnO2以及PEIE中的至少一种，所述第二界面层包括Se、MoO3、WO3、NiO、V2O5以及PEDOT:PSS中的至少一种。
5.一种X射线平板探测器，所述平板探测器使用如权利要求1-4所述的方法制作，其特征在于，包括：
基板；
设置在所述基板一侧的第一电极层；
设置在所述第一电极层远离所述基板一侧的非晶态氧化铅层，所述非晶态氧化铅层包括非晶态氧化铅；
设置在所述非晶态氧化铅层远离所述第一电极层一侧的第二电极层；
所述非晶态氧化铅层通过磁控溅射的方法制作；
所述非晶态氧化铅层通过对向靶溅射的方法制作获得。
6.根据权利要求5所述的X射线平板探测器，其特征在于，所述非晶态氧化铅层的厚度为10-500μm。
7.根据权利要求5所述的X射线平板探测器，其特征在于，所述平板探测器还包括第一界面层和第二界面层，所述第一界面层位于所述第一电极层和所述非晶态氧化铅层之间，所述第二界面层位于所述非晶态氧化铅层和所述第二电极层之间。
8.根据权利要求7所述的X射线平板探测器，其特征在于，所述第一界面层包括TiO2、ZnO、AZO、MZO、SnO2以及PEIE中的至少一种，所述第二界面层包括Se、MoO3、WO3、NiO、V2O5以及PEDOT:PSS中的至少一种。
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