CN113169194A - 图像传感器、图像传感器装置以及包括所述两者的计算机断层成像设备 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器(100)包括设置在半导体衬底(101)的相邻的第一部分和第二部分(110、120)中的多个光电二极管(112a、112b、112h)和模数转换器(121a、121b、121h)。光电二极管表现出X射线辐射耐受性。相邻行中若干图像传感器装置能够用于计算机断层成像设备中的X射线探测器。
Description
技术领域
本公开内容涉及一种图像传感器。具体地，本公开内容涉及一种包括半导体衬底、光电二极管、模数转换器和电连接件的图像传感器。本公开内容还涉及一种若干图像传感器在衬底上的装置并且涉及一种包括图像传感器装置的计算机断层成像设备。
背景技术
图像传感器可以在计算机断层成像(CT)设备中使用，以响应于X射线辐射记录人、动物或物体的图像。图像传感器是CT设备性能的重要部分，也是主要的成本因素。
用于CT应用的常规图像传感器可以由两个接合的半导体衬底组成，所述两个接合的半导体衬底在衬底之一中具有光电二极管，且另一个衬底中具有模数转换器(ADC)。该工艺需要对两个半导体晶片进行预处理和接合，并且形成硅通孔(TSV)，以将晶片夹层一侧处的光电二极管连接到该夹层另一侧处的ADC。使用两个晶片和TSV是一种复杂且成本高昂的工艺。
用于CT应用的另一常规图像传感器包括在半导体衬底一侧处彼此靠近的光电二极管和ADC，其中，TSV在衬底另一侧处提供到外部端子的连接。这种工艺也相当高昂，并且在衬底前侧处的ADC的面积降低了传感器的分辨率。
需要在CT应用中使用避免上述缺点的图像传感器。特别地，针对低端CT应用的图像传感器应当具有良好的图像分辨率，同时要求不太复杂的制造工艺以满足成本预期。
本公开内容的一个目的是提供一种具有高图像分辨率并且能够利用标准CMOS制造工艺来制造的图像传感器。
本公开内容的另一目的是提供一种在计算机断层成像应用中使用的图像传感器装置。
本公开内容的又一目的是提供一种包括这种图像传感器装置的计算机断层成像设备。
发明内容
根据实施例，通过根据本权利要求1的特征的图像传感器来实现上述目的中的一个或更多个。
根据本公开内容的图像传感器包括具有第一部分和第二部分的半导体衬底。该半导体衬底可以是在互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺中使用的n-掺杂或p-掺杂的硅晶片。
多个配置为将接收到的电磁辐射(诸如可见光)转换为电信号的光电二极管被设置在半导体衬底的第一部分中。由于光电二极管是在X射线环境中使用的，所以所述光电二极管应当表现出X射线辐射耐受性。尽管可以用保护层覆盖光电二极管使得X射线辐射不直接撞击在光电二极管上，但X射线辐射的至少一小部分可能穿透保护机构，使得光电二极管应当为X射线辐射耐受的。光电二极管应当具有性能不经受接收X射线辐射的影响的结构。本领域技术人员已知半导体层的X射线辐射耐受装置的各种可能性。在下文中描述了可用于本公开内容的特定X射线辐射耐受光电二极管结构。
提供模数转换器(ADC)将由光电二极管生成的电模拟信号转换为数字信号，以允许进一步的数字处理。ADC被设置在半导体衬底的第二部分中。ADC中的每一个都与光电二极管之一相关联，使得光电二极管与ADC之间存在一对一的关系以确保在死区时间的情况下信号的快速处理。几乎所有的辐射都被转换成图像信息，以使得受检查的人不会受到不必要的过量辐射。
提供诸如连接通孔的电连接件，以将光电二极管中的每一个都连接到ADC中相关联的一个。电连接件可以埋在半导体衬底中，以使得更多有源表面可用于光电二极管。替代地，电连接件可以设置在半导体衬底上的一个或更多个介电层中，其使用可容许的表面积量并且能够用标准的、具有成本效益的CMOS制造工艺来制成。
根据一个实施例，X射线辐射耐受光电二极管包括第一导电类型的半导体衬底和设置在半导体衬底中的与第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂阱区。该掺杂阱面向半导体衬底的表面以接收辐射，诸如紫外辐射、人类可见光或红外光。在一个实施例中，光电二极管配置为接收可见光并将其转换成模拟电信号。第一导电类型的相对浅掺杂的表面区设置在半导体衬底的上部中，其掺杂浓度高于半导体衬底的掺杂浓度以实现X射线辐射耐受性。掺杂表面区包围掺杂阱区。掺杂表面区减少了由接收较高能量辐射诸如X射线辐射所产生的漏电荷。掺杂表面区可以通过浅注入来实现，该浅注入在不对光电二极管的电容产生不利影响的情况下对感兴趣的光谱范围产生表面钝化。光电二极管具有高灵敏度，并且实现了在X射线照射之后几乎不增加的低暗电流。在一个实施例中，第一导电类型可以由p-掺杂剂生成，并且第二导电类型可以由n-掺杂剂生成。
根据一个实施例，掺杂阱区能够被第一导电类型例如p-掺杂导电类型的另一掺杂阱区包围。另一个掺杂阱区可以与掺杂阱区和掺杂表面区接触以确保例如p型的掺杂表面区与例如n型的掺杂阱区具有良好的接触。
根据一个实施例，光电二极管中的每一个都包括可以通过电线来彼此互连的多个掺杂阱区，该电线设置在在衬底上的介电层中。因此，一个光电二极管包括多个例如n-阱类型的岛，其有助于光电二极管的光有源区域以在半导体表面处的n-掺杂区与p-掺杂区之间生成相对高的接触表面。在欧洲专利申请公开EP 3 331 034 A1中更详细地描述了上述用于光电二极管的层的装置，通过引用包括在本文中。X射线辐射耐受光电二极管结构或X射线辐射硬光电二极管结构也在其他现有技术参考文献中公开，并且也可以用于实现根据本公开内容的图像传感器。
与为不同于计算机断层扫描的其他应用领域设计的光电二极管相比，由光电二极管覆盖的半导体衬底的面积相对较大。虽然相机应用可以使用微米或更小量级的光电二极管来实现尽可能高的像素分辨率，但是用于CT应用的光电二极管的面积在毫米量级。根据实施例，光电二极管可以占据的半导体衬底面积为0.5mm×0.5mm至2.0mm×2.0mm。实际范围可以为1.0mm×1.0mm。可以预计的未来发展趋势是达到低至0.1mm×0.1mm以及高至2.5mm×2.5mm。这些范围一方面允许接收足够量的辐射以产生适当动态范围的电信号，并且使得待检查的人、动物或物体的记录图像能够具有足够的分辨率。
根据一个实施例，可以用波长转换层覆盖图像传感器，该波长转换层将接收到的X射线辐射转换为较长波长的电磁辐射，诸如紫外光、可见光或红外光。具体地，波长转换层将X射线辐射转换为能够由光电二极管检测的人类可见光辐射。波长转换层可以是将X射线转换为可见光的闪烁体。波长转换层或闪烁体可以连续地设置在连续地覆盖光电二极管阵列的图像传感器的表面上。根据另一实施例，波长转换层或闪烁体可以单独地设置在每个光电二极管上。虽然逐像素闪烁体层表现出了良好的转换质量，但是可以更容易地制造连续层，然而，需要考虑光电二极管之间的串扰。
根据一个实施例，模数转换器也可以由波长转换层或闪烁体来覆盖。替代地，可以使用设置在ADC上以用于X射线保护的X射线辐射屏蔽，诸如金属层，例如钨层。类似的波长转换层或X射线辐射屏蔽也可以设置在设置在半导体衬底的第二部分中的其他电子元件上。
根据一个实施例，半导体衬底可以具有矩形或正方形形状，其中，矩形或正方形具有设置在半导体衬底的相对端处的第一边缘和第二边缘。包括光电二极管或者包括ADC的第一部分和第二部分是彼此相邻设置的连续区域。第一部分包括第一边缘和第二边缘中的一个，而第二部分包括第一边缘和第二边缘中的另一个。
根据一个实施例，可以在衬底的第二部分中提供包括并行端口和串行端口的并联到串联接口，以在串行端口处将从连接到并行端口的ADC接收到的信号转换为串行比特流。串行端口处的输出端子将图像信息的串行比特流转发到图像传感器外部的电路。可以将串行比特流供应到在CT设备中的计算装置上运行的图像处理算法。实际上，一个图像传感器包括一个串行输出端口，该串行输出端口可以配置为提供差分信号的双线端口。串行端口可以配置为低压差分信号接口(LVDS)，该低压差分信号接口是专用于串行高速数据传输的标准化物理接口。
根据一个实施例，利用关于光电二极管阵列的更详细的视图，光电二极管可以布置成行。光电二极管的子集可以设置在对应的行中，其中一行被设置为与另一行相邻。与行中之一的光电二极管相关联的ADC被设置为与该行相对，即设置为与形成所述行的端部的光电二极管相对。在电子电路旁边的行的端部处的光电二极管与从光电二极管中接收信号的电子电路(诸如ADC)之间保持一定的距离是有益的。该距离应当足以确保光电二极管与ADC之间的热解耦，以确保由ADC的数字操作所产生的热量不会耦合到光电二极管中。在一行的端部处的光电二极管与ADC之间使用适当的距离，确保在整个阵列上光电二极管的均匀灵敏度。此外，在光电二极管和ADC上的闪烁体和/或X射线辐射屏蔽之间分别存在间隙的情况下，光电二极管与ADC之间的距离确保没有X射线辐射通过所述材料的不连续性到达光电二极管/ADC。距离的有效尺寸为至少100ym。实际上，该距离可以为100至200ym。取决于用于保护光电二极管和ADC免受X射线辐射的材料，有效距离甚至可以大于200ym。
根据一个实施例，关于图像传感器的结构的又一更近视图示出了包括行和列的多个光电二极管的矩阵布置。与行中之一的光电二极管相关联的模数转换器设置在相应行的空间附近。这意味着与行中之一的光电二极管相关联的模数转换器被设置在如上所述的相应行的旁边。光电二极管的行间距与和光电二极管的相应行相关联的ADC间距有关。当半导体衬底具有矩形形状时，光电二极管被设置在该矩形的边缘中的一个边缘附近并且远离边缘中的另一边缘。ADC被设置在边缘中的另一边缘附近并且远离边缘中的一个边缘。在半导体衬底上的一个或更多个介电层中制造光电二极管与相关联的ADC之间的电连接件使得连接线位于两个相邻行之间是有益的。所述线所需的空间相对较小，以使得光有源区域的损失看起来是可容忍的。
根据实施例，通过根据本权利要求11的特征的图像传感器装置来实现上述目的中的一个或更多个。
根据本公开内容的一个实施例，多个图像传感器的装置包括设置在载体衬底上的图像传感器。载体衬底是刚性衬底(诸如陶瓷衬底)，其包括供电并接收电信号的线，并且耗散从单个图像传感器在操作期间生成的热量。图像传感器以第一行和第二行安装在载体衬底上，其中，每行都包括一个或更多个图像传感器。图像传感器被定向为使得第一行和第二行图像传感器的半导体衬底的包含光电二极管的第一部分被设置为彼此相邻。因此，第一行的图像传感器的所有第一部分都面向第二行的图像传感器的第一部分。相邻图像传感器的光电二极管阵列彼此级联，以便实现光电二极管的连续扩展区域。在一个实施例中，该装置包括多个布置成两行、每行都包括数量为N的图像传感器的2×N的图像传感器。当一行的光电二极管包括例如8个光电二极管时，第一行和第二行的对接图像传感器形成了16个光电二极管宽度的阵列，即设置在CT设备的X射线探测器中的所谓的16片光电二极管。当前的发展针对具有16个或甚至32个光电二极管的行的图像传感器，以使得传感器装置的宽度包括32个或64个光电二极管或片。图像传感器装置的宽度足以以合理的复杂性和成本来提供适合于人、动物或物体的良好CT表现的相当大的尺寸和分辨率的图像。注意，ADC被设置在彼此相距一定距离的对接图像传感器的半导体衬底的第二区域内，其中，光电二极管阵列覆盖了设置在ADC之间的区域。
根据一个实施例，波长转换层可以设置在第一行和第二行中的每一行的图像传感器的第一部分上。此外，波长转换层或者X射线辐射屏蔽可以设置在第一行和第二行的图像传感器的第二部分上，以保护ADC中的电子器件免受X射线辐射。
根据一个实施例，可以提供接合线以将半导体衬底上的焊盘连接到设置在载体衬底上的焊盘。焊盘提供诸如电源电势VDD和接地电势VSS的电源，并接收包含由光电二极管记录并通过ADC转换到数字域图像信息的差分电输出信号。
为了耗散在诸如ADC的图像传感器上的电子电路中产生的热量，将散热片或散热器安装到载体衬底，以耗散在电子电路中产生的热量，并将其从光电二极管阵列中移除。散热片可以安装在包括ADC的半导体衬底的第二部分附近。该装置允许从ADC中产生的热量直接流向散热片，以将热量从光电二极管中移除，从而在整个图像传感器装置中实现光电二极管的均匀灵敏度。注意，光电二极管的漏电流在很大程度上取决于温度。
根据实施例，通过根据本权利要求15的特征的计算机断层成像设备来实现上述目的中的一个或更多个。
根据一个实施例，计算机断层扫描(CT)设备包括可以生成连续X射线辐射的X射线管。X射线探测器被设置为与该X射线管相对，使得在X射线探测器中接收由X射线管发射的辐射。X射线探测器包括多个彼此相邻设置的上述图像传感器装置。X射线探测器可以具有圆柱表面的形状。取决于图像传感器的可用预算，X射线探测器的宽度可以是16个光电二极管/片或其倍数。X射线管和X射线探测器可以围绕配置为容纳待检查对象或物体的空间来转动，以使得穿过对象/物体的X射线辐射被记录在X射线探测器中。计算机可以连接到X射线探测器以从传感器装置中接收图像信息，其中，软件安装在计算机上以将其置成根据接收到的图像信息来计算二维或三维表示。
根据本公开内容的CT设备以合理的复杂性和成本来提供高分辨率图像，其中，X射线探测器包含多个图像传感器装置，所述多个图像传感器装置由形成宽度为16个光电二极管/片或其倍数的光电二极管的连续区域的若干图像传感器组成。
应当理解，上述一般性描述和以下详细描述这两者仅仅是示例性的，并旨在提供理解权利要求的性质和特征的概述或框架。包括附图以提供进一步的理解，并且将附图并入本说明书并构成本说明书的一部分。附图示出了一个或更多个实施例，并且与说明书一起用于说明各种实施例的原理和操作。附图中不同图形中的相同元件用相同的附图标记表示。
附图说明
在附图中：
图1示出了图像传感器的俯视图；
图2示出了光电二极管的一部分的截面图；
图3示出了光电二极管的一部分的另一截面图；
图4示出了包括若干图像传感器的图像传感器的装置的俯视图；
图5示出了图4的图像传感器装置的一部分的截面图；以及
图6示出了包括根据图4所示的原理的若干图像传感器装置的CT设备的原理框图。
具体实施方式
现在，将在下文中参照示出本公开内容的实施例的附图来更全面地描述本公开内容。然而，本公开内容可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本公开内容将向本领域技术人员充分传达本公开内容的范围。附图不一定按比例绘制，而是被配置为清楚地说明本公开内容。
图1描绘了根据本公开内容的图像传感器的俯视图。图像传感器100实现为半导体衬底101的集成电路。半导体衬底具有矩形或正方形形状。半导体衬底矩形包括四个边缘，其中边缘102和103设置在半导体衬底101的相对端上。衬底101包括两个部分110、120，所述两个部分包括不同功能的部件。部分110、120是连续的、不重叠的矩形部分，其中，部分110包括边缘102，而部分120包括边缘103。
半导体衬底101的第一部分110包括以行和列布置的光电二极管阵列。光电二极管阵列包括设置成八行和八列的8×8个光电二极管。例如，行114和115彼此相邻地设置，每一行都包括8个光电二极管的子集，诸如设置在行114中的光电二极管112a、112b、112h。在图1中，行114、115在竖直方向上延伸，并且列116在水平方向上延伸。光电二极管的布置为规则矩阵，其中，光电二极管设置在行和列的交叉处。
第二部分120包括模数转换器，其中，一个ADC与光电二极管之一相关联。与行114的光电二极管相关联的ADC一个接一个地布置在与形成行114的端部的光电二极管112h相对的区域121中。ADC 121a与光电二极管112a相关联，ADC 121b与光电二极管112b相关联，ADC 121h与光电二极管112h相关联。由光电二极管生成的电信号通过线来供应到相关联的ADC，该线诸如为将光电二极管112a连接到ADC 121a的线113a和将光电二极管112b连接到ADC 121b的线113b。ADC 121a、121b、121h被布置为使得它们适合于由行114所限定的间距。图像传感器100的所有其他八行具有相应的结构。
图像传感器100专用于计算机断层成像设备，以使得其满足若干要求。图像传感器接收连续的辐射流并且没有死区时间，以避免对待检查的人产生不必要的辐射。同时对图像的所有光电二极管或像素进行测量。除了连接光电二极管与ADC的线之外，光电二极管覆盖了半导体芯片的尽可能多的区域，以使得它们提供尽可能多的图像信息。光电二极管与照相机应用中的光电二极管相比尺寸相当大。在一个实施例中，光电二极管的竖直尺寸142为约1mm(毫米)，且水平尺寸为约1mm。取决于工艺技术，该尺寸可以变化至至多约2.5mm×2.5mm。随着工艺技术的进步，将光电二极管的尺寸缩小到约0.1mm×0.1mm可能是有益的。在许多实施例中，该尺寸将为0.5mm×0.5mm至2.0mm×2.0mm。
由衬底的第二部分120中的ADC生成的数字信号被连接至并行到串行接口130中，使得它们能够通过串行接口从图像传感器芯片输出。在一个实施例中，串行接口端口132可以是标准化的低压差分信号接口(LVDS)，该低压差分信号接口在半导体芯片101的对应端子焊盘135、136处提供两个差分信号Q1、Q2。ADC被连接至并行接口端口131。接口130执行从ADC到高速串行输出131的并行提供的数字信息的复用，使得图像传感器的外部布线量被减少。芯片101还包括焊盘133、134，以向芯片101上的电路供电，诸如正电源电势VDD和接地电势VSS。
图像传感器100包括8×8像素的阵列和诸如ADC的电路元件以及并行/串行接口，其中，能够使用标准CMOS工艺来从半导体衬底的一侧制造这些部件。这避免了通过硅(诸如通过硅过孔)进行接触的必要性。尽管提供了足够的图像信息和分辨率，但是其可以高效且低成本地制造以使得其适合于具有成本效益的计算机断层成像设备。根据工艺技术，可以在一个单个芯片上包括较大的光电二极管阵列，诸如16×16或32×32个光电二极管。
光电二极管阵列布置为接近半导体衬底的边缘102且远离衬底的相对边缘103。ADC布置为接近边缘103且远离边缘102。这允许衬底部分101经受辐射，其中，能够保护部分120的ADC免受辐射。在光电二极管与ADC之间，即在衬底的第一部分110与第二部分120之间，存在足够大的间隙或距离190，以使得可以在不影响光电二极管中辐射的接收的情况下提供对ADC的良好X射线保护。另一方面，距离190应当使得功耗和由ADC的操作生成的相应热量与和ADC相对的光电二极管(诸如行114的端部处的光电二极管112h)基本上解耦。由于光电二极管的温度升高增加了光电二极管的漏电流，因此热解耦间隙190确保了在整个阵列中光电二极管的均匀特性。实际上，间隙120应该为至少100ym。更实际地，间隙190可以大于200ym。
光电二极管阵列覆盖有将X射线辐射转换为较长波长的辐射诸如可见光(图1中未示出)的闪烁体。其他闪烁体可以取决于光电二极管的接收能力来将X射线辐射转换为紫外光或红外光。闪烁体将X射线辐射转换为能够由光电二极管来评估的光。尽管光的最大部分将被转换为能够被光电二极管使用的光，但是X射线辐射的一小部分可能穿过闪烁体层，使得光电二极管必须表现出X射线辐射耐受性。
闪烁体能够设置为光电二极管阵列上的一个连续层或设置为仅在光电二极管之间具有间隙的覆盖光电二极管区域的间歇层。光电二极管上的单个闪烁体元件在邻近光电二极管之间提供高水平的光学隔离，使得几乎避免了相邻光电二极管之间的光学串扰。
现在转到图2，示出了穿过光电二极管的一部分的截面图。衬底201由体p-衬底211组成，在该体p-衬底上设置有p-外延层212。外延层212包括多个n-掺杂阱区203。所有区都通过设置在介电层209中的布线层204来连接以形成光电二极管的阴极。n-阱区203包括高掺杂n+区213以使得能够接触到互连层204。为了X射线辐射耐受性，在n-阱区203之间提供p-掺杂表面层202。p-掺杂区202接触n-阱区203，并且减小了可由接收X射线辐射所产生的漏电流。p-表面掺杂区203可以从表面210注入到半导体衬底201的外延层212中。表面区202的p-掺杂浓度高于衬底层212的p-掺杂浓度。附加线205向表面掺杂层202提供多个接触以形成阴极端子。
图3示出了具有改进层结构的光电二极管的一部分的另一截面图。图3包括以环形形状围绕n-阱区203的附加p-掺杂区219。p-掺杂区219接触表面掺杂区202和n-阱区203，使得它们确保了表面掺杂区202与n-阱区203之间的良好接触，以避免来自X射线辐射的漏电流。图2和图3中描绘的二极管结构对于形成图1的图像传感器的光电二极管而言是尤其有益的。对于技术人员来说显而易见的其他X射线辐射耐受光电二极管结构也可以是有益的。
现在转到图4，根据图1的若干(例如6个)图像传感器以紧密的空间关系设置在衬底430上。具体地，所有传感器411、412、413、421、422、423以在水平方向上延伸的两个相邻行410、420安装在衬底430上。光电二极管的方向使得两行光电二极管诸如光电二极管412、422被彼此相邻地设置，其中光电二极管阵列彼此相对地设置。因此，图像传感器412、422的边缘102彼此邻接。一般而言，许多N个图像传感器一个接一个地布置在每行410、420中，使得衬底430上的布置包括2×N个图像传感器。当每个图像传感器的第一部分110面向另一图像传感器的第一部分110时，包括ADC和接触焊盘的第二部分120彼此远离且面向衬底430的相对边缘431、432。与图像传感器412——其中图像传感器是3侧可对接(buttable)的——相邻的部件的布置使得在水平方向452上的邻近图像传感器411、413和在竖直方向451上的图像传感器422形成光电二极管的连续阵列。在竖直方向451上，连续地布置许多16个光电二极管，使得CT设备的X射线探测器包括在水平方向452上延伸的16片光电二极管。根据图像传感器的尺寸，32或64片也是可行的。
图像传感器的电触点设置在传感器的靠近载体衬底430的边缘431、432的外部区域中。具体地，接合线440在设置在图像传感器芯片中的每个上的焊盘端子441与设置在衬底430上的焊盘端子442之间提供电连接。焊盘端子向图像传感器供电，诸如工作电压VDD、VSS，并且从图像传感器中检索差分串行信号Q1、Q2的形式的图像信号。
载体衬底430可以是用胶水来安装图像传感器的刚性衬底。衬底可以由陶瓷材料制成，并包括一个或更多个布线层以传输电信号和电源。此外，衬底430被用于散热，以通过合适的散热片或散热器来移除并耗散在图像传感器的ADC中生成的热量。这要求图像传感器与散热片之间具有良好的导热性，并且要求图像传感器的ADC与散热片之间具有紧密的空间关系。优选地，散热片与图像传感器的ADC紧密相关地安装在衬底430上。散热片可以安装到衬底430的边缘431、432。将图像传感器安装至衬底430的胶水材料应当表现出足够的导热性。
图5示出了沿线460穿过图4的装置的横截面。图5示出了其上安装有半导体芯片100的陶瓷载体衬底的部分510。半导体芯片100的所示部分包括设置在第一衬底部分110中的三个光电二极管541、542、543。ADC 561位于光电二极管543旁边。并联到串联接口570位于ADC 561旁边。接口570的输出端连接至设置在芯片100的表面上的接合焊盘530。对应的接合焊盘532设置在载体衬底510的表面上。接合线531连接焊盘530和532。散热片550安装至衬底510的侧壁，靠近可能生成大量热量的ADC 561和接口570。ADC 561与散热器550之间的紧密空间关系允许热量从ADC 561直接流到散热片550，以使得热量从邻近光电二极管543中去除。
波长转换层520设置在芯片100的第一部分110上，即设置在光电二极管541、542、543上。波长转换层520可以是将X射线辐射转换为可见光的闪烁体，该可见光能够由光电二极管转换为电信号。闪烁体层520可以延伸(未示出)到包括ADC 561和接口570的芯片100的第二部分120上。根据图5所示的另一实施例，ADC 561和接口570被X射线辐射屏蔽层521覆盖，该X射线辐射屏蔽层对ADC 561和接口570进行屏蔽以使其免受任何X射线辐射。屏蔽层521在图像传感器的第二部分120的整个表面上延伸以覆盖芯片100的第二部分120中的电子电路。X射线辐射屏蔽521可以由不被X射线辐射穿透的材料——诸如金属层，例如钨——制成，以使其拒绝任何X射线辐射。其他X射线屏蔽金属材料也可以是有益的。邻近ADC 561的光电二极管543之间的距离应当足够大，使得没有X射线辐射能够穿过闪烁体520与X射线辐射屏蔽521之间的电势间隙，以避免X射线辐射击中半导体芯片的有源衬底区域，半导体芯片诸如光电二极管543或ADC 561。
图6示出了包括上述图像传感器和图像传感器装置的计算机断层成像装置600的原理构造。X射线管610连续发射具有所限定的孔径的X射线辐射束611。X射线由X射线探测器620接收，该X射线探测器由根据结合图4所讨论的原理的多个——例如大约30个——传感器装置622组成。X射线管610和X射线探测器620的装置围绕配置为容纳待检查的人、动物或物体的内部空间630连续地转动。X射线探测器620呈现具有16mm的宽度623和约1000mm的长度624的桶形表面形状的接收区域。假设实际探测器620的光电二极管或像素的正方形表面积为1mm×1mm，则沿着方向620布置16个光电二极管，并且沿着方向624布置约1000个光电二极管。传感器装置622中的每一个都包括安装在陶瓷衬底628上的一组2×4＝8个图像传感器。同样附接至陶瓷衬底628的是设置在印刷电路板上的提供了到计算机640的接口和连接的电子电路629。虽然所示CT设备在探测器620中包括16片沿方向623彼此相邻地布置的光电二极管，但是更低或更高数量的片也是有益的。目前的制造技术还允许制造适当尺寸的图像传感器，使得甚至32或64片也是可以的。
根据CT设备的工作原理，在围绕空间630中的个体或物体来转动X射线管610和X射线探测器620的装置的同时，连续地接收图像信息Q1、Q2。空间630中的个体或物体沿着方向623移动，从而记录若干转动X射线图像。计算机640根据CT技术领域的技术人员已知的图像处理算法，根据图像信息Q1、Q2生成空间630中的个体或物体的一个或更多个2D或3D表示。
本公开内容描述了一种每像素具有一个ADC的图像传感器，其中，ADC紧邻光电二极管阵列放置。光电二极管阵列本身包含例如8×8像素的光电二极管的装置，其允许同时测量由光电二极管生成的光电流信号。将半导体衬底芯片分割成光电二极管部分和包括ADC的部分允许能够使用线接合技术安装在衬底上的3侧可对接图像传感器。传感器本身能够利用标准CMOS工艺技术来制造。
在两行内的若干3侧可对接图像传感器的装置使得能够实现用于CT设备的例如16或更多片的X射线探测器。由于X射线探测器占据CT设备的成本的主要部分，并且能够利用标准CMOS工艺来有效地制造，因此其对于成本敏感的CT应用而言是特别有益的。
对本领域技术人员而言，在不脱离如所附权利要求中规定的本公开内容的精神或范围的情况下，能够进行各种修改和变型将是显而易见的。由于结合本公开内容的精神和实质的所公开的实施例的修改、组合、子组合和变型对本领域技术人员而言可以想到，因此本公开内容应解释为包括所附权利要求的范围内的所有内容。
Claims (15)
1.一种图像传感器(100)，包括：
-半导体衬底(101)，其包括第一部分(110)和第二部分(120)；
-多个光电二极管(112a、112b、112h；541、542、543)，所述多个光电二极管设置在所述半导体衬底的第一部分(110)中，所述光电二极管表现出X射线辐射耐受性；
-模数转换器(121a、121b、121h)，所述模数转换器设置在所述半导体衬底的第二部分(120)中，所述模数转换器中的每一个都与所述多个光电二极管之一相关联；以及
-电连接件(113a、113b)，所述电连接件中的每一个都连接至所述多个光电二极管之一(112a)并且连接至所述模数转换器中的相关联的一个(121a)。
2.根据权利要求1所述的图像传感器(100)，其中，所述光电二极管各自包括具有第一导电类型的半导体衬底(101、211、212)、掺杂阱区(203)、掺杂表面区(202)，所述掺杂阱区设置在所述半导体衬底中并具有与第一导电类型相反的第二导电类型且面向所述半导体衬底的表面(210)，所述掺杂表面区设置在所述半导体衬底(212)中、具有第一导电类型且掺杂浓度高于所述半导体衬底(212)的掺杂浓度，并且围绕所述掺杂阱区(213)。
3.根据权利要求2所述的图像传感器(100)，其中，所述光电二极管各自还包括第一导电类型的另一掺杂阱区(219)，所述另一掺杂阱区围绕所述掺杂阱区(213)并与所述掺杂阱区(213)和所述掺杂表面区(202)相接触。
4.根据权利要求2或3所述的图像传感器(100)，其中，所述光电二极管各自包括彼此互连(204)的多个第二导电类型的掺杂阱区(203、213)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的图像传感器(100)，其中，所述光电二极管(112a、112b、112h)各自占据所述半导体衬底(101)的面积为0.1mm×0.1mm至2.5mm×2.5mm或者为0.5mm×0.5mm至2.0mm×2.0mm或者为1.0mm×1.0mm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的图像传感器(100)，还包括设置在所述多个光电二极管(541、542、543)上的波长转换层(520)以及设置在所述模数转换器(561)上的波长转换层和X射线辐射屏蔽中之一。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的图像传感器(100)，其中，所述半导体衬底(101)具有矩形或正方形形状以及设置在所述半导体衬底(101)的相对端处的第一边缘和第二边缘(102、103)，其中，所述第一部分和所述第二部分(110、120)中的每一个都是连续的并且包括所述第一边缘和所述第二边缘(102；103)中的一个。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的图像传感器(100)，还包括具有并行端口(131)和串行端口(132)的并行至串行接口(130)，其中，所述模数转换器(121a、121b、121h)被连接到并行端口(131)，并且至少一个串行输出端子(135、136)被连接到所述串行端口(132)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的图像传感器(100)，其中，所述光电二极管的子集布置成行(114、115)，所述行彼此相邻地设置，其中，与所述行中的一行(114)的光电二极管相关联的模数转换器(121a、121b、121h)被设置为与形成所述行(114)的端部的光电二极管(112h)相对，其中，形成所述行的端部的光电二极管(112h)与和所述行的光电二极管相关联的模数转换器(121a、121b、121h)之间的距离(190)为至少100ym或至少200ym。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的图像传感器，其中，所述多个光电二极管(112a、112b、112h)被设置在包括行(114、115)和列(116)的矩阵中，与所述行中的一行(114)的光电二极管(112a、112b、112h)相关联的模数转换器(121a、121b、121h)被设置在与所述行中的一行(114)对齐的空间附近，其中，所述半导体衬底(101)具有矩形形状，所述矩形形状具有至少两个平行设置的边缘(102、103)，所述光电二极管设置在所述边缘中的一个边缘(102)附近且远离所述边缘中的另一边缘(103)，而所述模数转换器(121a、121b、121h)设置在所述边缘中的另一边缘(103)附近且远离所述边缘中的一个边缘(102)，其中，所述电连接件(113a、113b)在光电二极管的两个相邻行(114、115)之间的空间中延伸。
11.一种图像传感器装置，其包括：
-载体衬底(430)；
-根据权利要求1至10中任一项所述的图像传感器(411、412、413、421、422、423)，所述图像传感器以第一行和第二行(410、420)安装在所述载体衬底(430)上，其中，所述第一行(410)的一个或更多个图像传感器(411、412、413)的半导体衬底的第一部分(110)中的每一个都被设置为与所述第二行(420)的一个或更多个图像传感器(421、422、423)的半导体衬底的第一部分(110)中的一个相邻。
12.根据权利要求11所述的图像传感器装置，其中，波长转换层(520)设置在所述第一行和第二行(410、420)中的每一行的图像传感器的第一部分(110)上，并且波长转换层和X射线辐射屏蔽(521)中的一个设置在所述第一行和第二行(410、420)的图像传感器的第二部分(120)上。
13.根据权利要求12所述的图像传感器装置，还包括接合线(440、531)，所述接合线连接到设置在所述图像传感器的半导体衬底上的焊盘端子(530)以及设置在所述载体衬底(510)上的焊盘端子(532)，以向所述图像传感器供电(VDD、VSS)或者输出包含光电二极管从图像传感器接收的图像信息的电信号(Q1、Q2)。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的图像传感器装置，
还包括至少一个散热器(550)，所述至少一个散热器安装至所述载体衬底(510)靠近行(410、420)的图像传感器的半导体衬底的第二部分(120)，以允许从模数转换器(121a)生成的热量直接流向所述至少一个散热器(550)。
15.一种计算机断层成像设备(600)，其包括：
-X射线管(610)；
-X射线探测器(620)，其被设置为接收由所述X射线管(610)发射的辐射，所述X射线探测器(620)包括根据权利要求11至14中任一项所述的彼此相邻设置的多个图像传感器装置(622)；
-用于容纳对象或物体的空间(630)，其中，所述X射线管(610)和所述X射线探测器(620)配置为围绕所述空间(630)转动；
-计算机(640)，其被连接到所述X射线探测器(620)以接收由X射线探测器(620)的传感器装置(622)接收的图像信息(Q1、Q2)，并且配置为根据接收到的图像信息(Q1、Q2)计算至少一个二维或三维表示。
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