CN115020531B - 一种硅漂移探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅漂移探测器，X射线自硅漂移探测器的入射端面入射，入射端面的两侧具有相对设置的第一表面和第二表面，对设置于第一表面的阳极施加高电位，对设置于第二表面的阴极施加均匀变化的负偏压，使硅漂移探测器内形成漂移电场，探测器的衬底内形成电子空穴对，在电场的作用下成电脉冲，实现入射射线的探测。本发明提供的硅漂移探测器增加了X射线的吸收深度，以获得更佳清晰的探测图像；另外，探测器的输出电容不依赖于探测器的灵敏区的面积，有助于减小探测器的噪声，提高能量分辨率，同时也有助于提高探测器的空间分辨率，获得更优的探测效果。
Description
技术领域
本发明属于X射线探测器领域，具体涉及一种硅漂移探测器。
背景技术
光子计数X射线探测器可以将每个入射的光子作为一个独立的事件分析，能够将宽能谱的X射线分能区进行计数，并判断其所属的能量区间，因而具有能谱分辨能力，应用在医学影像设备如计算机断层扫描器(CT)上具有出色的表现。
由于硅的原子序数低，在进行计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)的高能X射线探测时，需要将硅探测器垂直放置，使X射线从侧面入射，以增加X射线的吸收深度，即深硅探测。
现有深硅探测器采用深度分段的PIN二极管阵列，为了应对临床CT中的高光子通量，每个条带被细分为数段，为保证沿检测路径的计数率大致相同，每段长度各不相同。像素规模为数百个，需要同样数量的读出电子学ASIC来处理探测器收集到的信号，从像素读出电极到ASIC之间的引线串扰严重，会增加系统的功耗及设计的复杂性；且像素之间存在电荷共享问题，不仅会降低分辨率，还会破坏图像中的能谱信息；另外，其噪声随探测器面积的增大而增大，限制了其能量分辨率和计数率的提高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种硅漂移探测器，X射线自硅漂移探测器的入射端面入射，入射端面的两侧具有相对设置的第一表面和第二表面，第一表面上设置有探测器的阳极和阴极，第二表面上设置有探测器的阴极，对阳极施加高电位，对阴极施加均匀变化的负偏压，使硅漂移探测器内形成漂移电场，探测器的衬底内形成电子空穴对，在电场的作用下成电脉冲，实现入射射线的探测。本发明提供的硅漂移探测器大大增加了X射线的吸收深度，有助于获得更佳清晰的探测图像；且与现有技术中的深硅探测器相比，本发明提供的硅漂移探测器像素间的串扰减小，电荷共享效应降低，读出电子学数量减少，降低了器件设计的复杂性；另外，探测器的输出电容不依赖于探测器的灵敏区的面积，有助于减小探测器的噪声，提高能量分辨率，同时也有助于提高探测器的空间分辨率，获得更优的探测效果。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅漂移探测器，所述硅漂移探测器包括半导体衬底，所述半导体衬底包括入射端面、第一表面和第二表面，其中，所述入射端面用于接收入射的X射线，所述第一表面、第二表面分别位于所述入射端面的两侧，且分别与所述入射端面垂直；所述第一表面具有第一掺杂区阵列和第二掺杂区阵列，所述第二表面具有第三掺杂区阵列，其中，所述第一掺杂区阵列形成探测器的阳极区，所述第二掺杂区阵列和所述第三掺杂区阵列形成探测器的漂移区。
可选的，所述半导体衬底为第一导电类型掺杂衬底，掺杂浓度为1×1011cm-3～1×1012cm-3。
可选的，与所述入射端面垂直的所述半导体衬底的高度至少为1cm。
可选的，所述第二掺杂区阵列包括N个在第一方向上间隔排布的第二导电类型掺杂区，所述第二导电类型掺杂区为在第二方向上延伸的长方形区域，所述第一方向与所述第二方向垂直，N为大于等于0的整数。
可选的，所述第一掺杂区阵列包括多个在所述第二方向上间隔排布的第一导电类型掺杂区。
可选的，所述第二掺杂区阵列包括N个在第二方向上间隔排布的第二导电类型掺杂区，所述第二导电类型掺杂区为在第一方向上延伸的长方形区域，所述第一方向与所述第二方向垂直，N为大于等于0的整数。
可选的，所述第一掺杂区阵列包括多个在所述第一方向上间隔排布的第一导电类型掺杂区。
可选的，所述第二导电类型掺杂区的数量N≥10。
可选的，所述第三掺杂区阵列包括N+1个所述第二导电类型掺杂区，其中，N个所述第二导电类型掺杂区与所述第二掺杂区阵列中的N个第二导电类型掺杂区一一相对设置，第N+1个所述第二导电类型掺杂区与所述第一掺杂区阵列所在区域相对设置。
可选的，相邻所述第一导电类型掺杂区间隔介于200μm～300μm。
可选的，相邻所述第二导电类型掺杂区间隔介于70μm～150μm。
可选的，所述第一导电类型掺杂区与所述第二导电类型掺杂区表面均设置有金属电极。
可选的，所述半导体衬底表面还设置有隔离层，所述隔离层位于所述第一掺杂区阵列与所述第二掺杂区阵列之间，以及所述第二导电类型掺杂区之间。
可选的，所述第二导电类型掺杂区之间设置有分压电阻，所述分压电阻位于所述隔离层的下表面。
本发明提供的硅漂移探测器，至少具有以下技术效果：
本发明提供的硅漂移探测器大大增加了X射线的吸收深度，有助于获得更佳清晰的探测图像；且与现有技术中的深硅探测器相比，本发明提供的硅漂移探测器像素间的串扰减小，电荷共享效应降低，读出电子学数量减少，降低了器件设计的复杂性；另外，探测器的输出电容不依赖于探测器的灵敏区的面积，有助于减小探测器的噪声，提高能量分辨率，同时也有助于提高探测器的空间分辨率，获得更优的探测效果。
附图说明
图1显示为实施例一提供的硅漂移探测器的半导体衬底的立体图。
图2显示为实施例一提供的硅漂移探测器的第一表面的结构示意图。
图3显示为实施例一提供的硅漂移探测器的第二表面的结构示意图。
图4显示为实施例一提供的硅漂移探测器的正视图。
图5显示为实施例二提供的硅漂移探测器的第一表面的结构示意图。
图6显示为实施例二提供的硅漂移探测器的第二表面的结构示意图。
元件标号说明
10 半导体衬底 163 第三阴极
11 第一掺杂区阵列 164 第四阴极
12 第二掺杂区阵列 17 分压电阻
13 第三掺杂区阵列 100 入射端面
14 隔离层 101 第一表面
15 阳极 102 第二表面
16 阴极 110 第一导电类型掺杂区
161 第一阴极 120 第二导电类型掺杂区
162 第二阴极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例提供一种硅漂移探测器，如图1所示，包括半导体衬底10，半导体衬底10包括入射端面100、第一表面101和第二表面102，其中，入射端面100用于接收入射的X射线，第一表面101和第二表面102分别位于入射端面100的两侧，且分别与入射端面100垂直。
半导体衬底10为第一导电类型掺杂衬底，掺杂浓度为1×1011cm-3～1×1012cm-3。作为示例，第一导电类型包括N型或P型中的一种，第二导电类型包括N型或P型中的一种，且所述第一导电类型与所述第二导电类型的导电类型相反。在本实施例中，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。半导体衬底10可以采用常用的半导体材料制成，例如硅、砷化镓、碲化镉、碲锌镉等，在本实施例中，半导体衬底10为硅衬底。在本实施例中，半导体衬底10的宽度w介于300μm～500μm，半导体衬底10的高度h至少为1cm。X射线自入射端面100入射，使得X射线的吸收深度大大增加，从而获得更佳清晰的探测图像。
如图2和图3所示，第一表面101具有第一掺杂区阵列11和第二掺杂区阵列12，第二表面102具有第三掺杂区阵列13，其中，第一掺杂区阵列11形成探测器的阳极区，第二掺杂区阵列12和第三掺杂区阵列13形成探测器的漂移区。
参照图2和图4所示，第二掺杂区阵列12包括N个在第一方向(图2所示Y方向)上间隔排布的第二导电类型掺杂区120，第二导电类型掺杂区120为在第二方向(图2所示X方向)上延伸的长方形区域，在本实施例中，第二导电类型掺杂区120的数量N≥10。作为示例，第二导电类型掺杂区120的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3；相邻第二导电类型掺杂区120的间隔d1介于70μm～150μm，间隔d1可以为自一个第二导电类型掺杂区的中点至相邻第二导电类型掺杂区中点的距离，也可以为自一个第二导电类型掺杂区的边缘至相邻第二导电类型掺杂区同边缘的距离。第一掺杂区阵列11包括多个在第二方向(图2所示X方向)上间隔排布的第一导电类型掺杂区110，作为示例，第一导电类型掺杂区110的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，相邻第一导电类型掺杂区110的间隔d2介于200μm～300μm。
参照图3和图4所示，第三掺杂区阵列13包括N+1个在第一方向(图3所示Y方向)上间隔排布的第二导电类型掺杂区120，第二导电类型掺杂区120为在第二方向(图3所示X方向)上延伸的长方形区域。如图4所示，第三掺杂区阵列13中的N个第二导电类型掺杂区120与第二掺杂区阵列12中的N个第二导电类型掺杂区120一一相对设置，第N+1个第二导电类型掺杂区120与第一掺杂区阵列11所在区域相对设置。作为示例，第三掺杂区阵列13中的第二导电类型掺杂区与第二掺杂区阵列12中的第二导电类型掺杂区相同，掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，相邻第二导电类型掺杂区120的间隔d1介于70μm～150μm。
如图4所示，半导体衬底表面10还设置有隔离层14，隔离层14位于第一掺杂区阵列11与第二掺杂区阵列12之间，以及第二导电类型掺杂区120之间，以减小半导体衬底表面的沾污，防止PN结连通，提高击穿电压。作为示例，隔离层14的材料可以选择二氧化硅、氮化硅等材料，厚度介于这样既可以起到很好地隔离作用，同时也避免了隔离层14的厚度较大给后续的工艺带来的麻烦。
如图4所示，第一导电类型掺杂区110表面形成有电极材料，以形成探测器的阳极15；第二导电类型掺杂区120表面形成有电极材料，以形成探测器的阴极16。在本实施例中，电极材料选用铝，也可以根据需要选择其他电极材料，电极材料的厚度介于
如图4所示，第二导电类型掺杂区120之间设置有分压电阻17，分压电阻17位于隔离层14的下表面。分压电阻17将相邻的两个第二导电类型掺杂区120电连接，使得在施加电压时，无需向每个阴极16加电压，只需在最靠近阳极15的阴极，以及最远离阳极15的阴极上施加电压，通过分压电阻17产生中间电压，使得该探测器使用时操作简单，在其他可选实施例中，也可以通过外接分压电阻的方式实现上述功能。在使用本实施例提供的硅漂移探测器时，对阳极15施加高电位(一般为0V)，在第一表面101最靠近阳极15的第一阴极161，以及最远离阳极15的第二阴极162上施加负偏压，且在第二阴极162上施加的负偏压的绝对值大于在第一阴极161上施加的负偏压的绝对值，通过分压电阻17即可以实现在第一阴极161至第二阴极162中间的阴极上施加均匀变化的电压；同样，在第二表面最靠近阳极15的第三阴极163，以及最远离阳极15的第四阴极164上施加负偏压，通过分压电阻17即可以实现在第三阴极163至第四阴极164中间的阴极上施加均匀变化的电压。通过上述设置，使硅漂移探测器内形成漂移电场，经由入射端面100进入到半导体衬底10中X射线照射电子而使得半导体衬底10形成电子空穴对，由于电场的作用，电子逐渐向阳极15漂移，形成电脉冲，从而实现入射射线的探测。上述结构特点使探测器充分利用了侧向耗尽的特性，使得探测器的输出电容较小且不依赖于探测器的灵敏区的面积，有助于减小探测器的噪声，提高能量分辨率，同时也有助于提高探测器的空间分辨率，获得更优的探测效果。
作为示例，阳极15与读出电子学电路(未在图中示出)相连，以放大探测器输出的信号，并经行阻抗变换以降低所受噪声和外界干扰的影响。在可选实施例中，读出电子学电路内可以包括一个场效应晶体管，场效应晶体管对探测得到的信号进行放大，即通过阳极电连接，进而将阳极的探测信号进行放大，该场效应晶体管可以为结型场效应晶体管(JFET)。
实施例二
本实施例同样提供一种硅漂移探测器，参照图1所示，包括半导体衬底10，半导体衬底10包括入射端面100、第一表面101和第二表面102，其中，入射端面100用于接收入射的X射线，第一表面101和第二表面102分别位于入射端面100的两侧，且分别与入射端面100垂直。本实施例与实施例一的相同之处不再赘述，不同之处在于：
如图5和图6所示，第一表面101具有第一掺杂区阵列11和第二掺杂区阵列12，第二表面102具有第三掺杂区阵列13，其中，第一掺杂区阵列11形成探测器的阳极区，第二掺杂区阵列12和第三掺杂区阵列13形成探测器的漂移区。
如图5所示，第二掺杂区阵列12包括N个在第二方向(图5所示X方向)上间隔排布的第二导电类型掺杂区120，第二导电类型掺杂区120为在第一方向(图5所示Y方向)上延伸的长方形区域，在本实施例中，第二导电类型掺杂区120的数量N≥10。第一掺杂区阵列11包括多个在第一方向(图5所示Y方向)上间隔排布的第一导电类型掺杂区110。
如图6所示，第三掺杂区阵列13包括N+1个在第二方向(图6所示X方向)上间隔排布的第二导电类型掺杂区120，第二导电类型掺杂区120为在第一方向(图6所示Y方向)上延伸的长方形区域。参照图4所示，第三掺杂区阵列13中的N个第二导电类型掺杂区120与第二掺杂区阵列12中的N个第二导电类型掺杂区120一一相对设置，第N+1个第二导电类型掺杂区120与第一掺杂区阵列11所在区域相对设置。
在使用本实施例提供的硅漂移探测器时，对阳极15施加高电位(一般为0V)，对阴极16施加均匀变化的负偏压，使硅漂移探测器内形成漂移电场，经由入射端面100进入到半导体衬底10中X射线照射电子而使得半导体衬底10形成电子空穴对，由于电场的作用，电子逐渐向阳极15漂移，形成电脉冲，实现入射射线的探测。上述结构特点使探测器充分利用了侧向耗尽的特性，使得探测器的输出电容较小且不依赖于探测器的灵敏区的面积，有助于减小探测器的噪声，提高能量分辨率，同时也有助于提高探测器的空间分辨率，获得更优的探测效果。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种硅漂移探测器，其特征在于，所述硅漂移探测器包括半导体衬底，所述半导体衬底包括入射端面、第一表面和第二表面，其中，所述入射端面用于接收入射的X射线，所述第一表面、第二表面分别位于所述入射端面的两侧，且分别与所述入射端面垂直；所述第一表面具有第一掺杂区阵列和第二掺杂区阵列，所述第二表面具有第三掺杂区阵列，其中，所述第一掺杂区阵列形成探测器的阳极区，所述第二掺杂区阵列和所述第三掺杂区阵列形成探测器的漂移区；与所述入射端面垂直的所述半导体衬底的高度至少为1cm。
2.根据权利要求1所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述半导体衬底为第一导电类型掺杂衬底，掺杂浓度为1×1011cm-3～1×1012cm-3。
3.根据权利要求1所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述第二掺杂区阵列包括N个在第一方向上间隔排布的第二导电类型掺杂区，所述第二导电类型掺杂区为在第二方向上延伸的长方形区域，所述第一方向与所述第二方向垂直，N为大于等于0的整数。
4.根据权利要求3所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述第一掺杂区阵列包括多个在所述第二方向上间隔排布的第一导电类型掺杂区。
5.根据权利要求1所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述第二掺杂区阵列包括N个在第二方向上间隔排布的第二导电类型掺杂区，所述第二导电类型掺杂区为在第一方向上延伸的长方形区域，所述第一方向与所述第二方向垂直，N为大于等于0的整数。
6.根据权利要求5所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述第一掺杂区阵列包括多个在所述第一方向上间隔排布的第一导电类型掺杂区。
7.根据权利要求3或5所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述第二导电类型掺杂区的数量N≥10。
8.根据权利要求4或6所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述第三掺杂区阵列包括N+1个所述第二导电类型掺杂区，其中，N个所述第二导电类型掺杂区与所述第二掺杂区阵列中的N个第二导电类型掺杂区一一相对设置，第N+1个所述第二导电类型掺杂区与所述第一掺杂区阵列所在区域相对设置。
9.根据权利要求4或6所述的硅漂移探测器，其特征在于，相邻所述第一导电类型掺杂区间隔介于200μm～300μm。
10.根据权利要求8所述的硅漂移探测器，其特征在于，相邻所述第二导电类型掺杂区间隔介于70μm～150μm。
11.根据权利要求8所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述第一导电类型掺杂区与所述第二导电类型掺杂区表面均设置有金属电极。
12.根据权利要求11所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述半导体衬底表面还设置有隔离层，所述隔离层位于所述第一掺杂区阵列与所述第二掺杂区阵列之间，以及所述第二导电类型掺杂区之间。
13.根据权利要求12所述的硅漂移探测器，其特征在于，所述第二导电类型掺杂区之间设置有分压电阻，所述分压电阻位于所述隔离层的下表面。
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| CN108920758A (zh) * | 2018-05-30 | 2018-11-30 | 李正 | 大面积同心圆状圆柱形双面硅漂移探测器及其设计方法 |
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