CN115052116B - 像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器及制备方法。按其包括厚硅像素探测器本体，所述厚硅探测器本体包括用于对高能X射线探测的像素面以及用于接收高能X射线入射的入射探测面，其中，像素面包括若干呈阵列分布的像素单元，沿X射线的吸收路径上，像素面内位于的同一列像素单元配置成具有相同的饱和计数率，以使得经入射探测面入射的高能X射线沉积在同一列内任一像素单元的光子数相一致。本发明能实现对X射线高效的探测，像素单元采用非均匀大小设计，实现每个像素单元饱和计数率的一致，降低了后续读出电路的数量与探测成本，提高X射线探测的精度与可靠性。

Description

像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种厚硅像素探测器及制备方法，尤其是一种像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器及制备方法。

背景技术

高能X射线一般指能量30keV以上的X射线，例如，能量为30keV-200keV的X射线。在高能X射线的探测领域，X射线探测器负责将X射线转换为电学信号：电子空穴对，提供给后续的电子学系统进行测量和处理，获得X射线的位置、能量、时间等信息。目前，使用最广泛X射线检测器是基于半导体硅材料制成的，硅材料具有较低的成本、极高的工艺成熟度。但是硅材料的原子序数较低，采用传统的方案，无法实现高能X射线的高效率探测。

基于硅材料，目前提出采用厚硅技术，增加硅材料的吸收厚度以获得更高的探测效率。厚硅探测技术即是使用较厚的硅材料，在X射线吸收方向增加探测器的等效吸收厚度，以提高对高能X射线的探测效率。在吸收厚度方向，传统的厚硅探测器的像素依然是和常规平面像素检测器一样，像素大小一致。但实际上，X射线在硅材料中被吸收时，在X射线的吸收路径上，总是前面路径比后面路径吸收的X射线光子数多。

因此，在吸收路径上，如果像素的大小一致，那么每个像素上实际检测到的理论光子数将会不一致，导致每个像素在设计时的动态范围将会不一致，因此，必须按照最大的动态范围来设计，这就增加了后续读出电路等设计的难度，增加X射线探测的成本，降低X射线探测时的精度与可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器及制备方法，其能实现对X射线高效的探测，像素单元采用非均匀大小设计，实现每个像素单元饱和计数率的一致，降低了后续读出电路的数量与探测成本，提高X射线探测的精度与可靠性。

按照本发明提供的技术方案，所述像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器，包括厚硅像素探测器本体，所述厚硅探测器本体包括用于对高能X射线探测的像素面以及用于接收高能X射线入射的入射探测面，其中，像素面包括若干呈阵列分布的像素单元，

沿X射线的吸收路径上，像素面内位于的同一列像素单元配置成具有相同的饱和计数率，以使得经入射探测面入射的高能X射线沉积在同一列内任一像素单元的光子数相一致。

沿X射线的吸收路径方向上，将位于同一列的像素单元相应长度配置成逐渐增大状态，以使得像素面内位于的同一列像素单元具有相同的饱和计数率；

同一列像素单元沿垂直X射线吸收路径方向的长度相一致。

在像素面上，相邻列像素单元间的距离相同。

所述厚硅像素探测器本体包括第一导电类型的厚硅衬底，利用所述厚硅衬底的正面形成像素面，利用所述厚硅衬底的一端面形成入射探测面；

所述像素单元包括制备于所述厚硅衬底正面的第二导电类型像素块以及与所述第二导电类型像素块欧姆接触的像素块电极；

位于同一列的第二导电类型像素块，所述第二导电类型像素块沿X射线的吸收路径方向的长度逐渐增大。

一种像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器的制备方法，

确定对高能X射线探测时的探测性能指标，以根据所确定的探测性能指标确定像素单元在像素面上的阵列分布状态，并配置使得像素面内位于的同一列像素单元具有相同的饱和计数率；

根据所确定像素单元在像素面上的阵列分布状态，以及所配置同一列像素单元具有相同的饱和计数率，在厚硅衬底的正面进行像素单元工艺步骤，以经像素单元工艺步骤后，所述厚硅衬底的正面形成像素面且在像素面制备得到所需阵列分布的像素单元。

所述探测性能指标包括探测效率k、待检测高能X射线的能量NL、每个像素单元的饱和计数率Nc以及同一列像素单元的计数率阈值NT；

根据对高能X射线的探测性能指标确定像素单元在像素面上的阵列分布状态时，包括如下步骤：

步骤10、确定像素单元在像素面上沿垂直X射线吸收路径方向的位置分辨率，以根据所述位置分辨率确定任一像素单元沿垂直X射线吸收路径方向的长度；

步骤20、确定对高能X射线的探测效率k，以确定像素面沿X射线吸收路径的总长度T；

步骤30、确定每个像素单元的饱和计数率Nc以及沿X射线吸收路径上同一列像素单元的计数率阈值NT；

步骤40、根据待检测高能X射线的能量NL、每个像素单元的饱和计数率Nc以及同一列像素单元的计数率阈值NT，确定沿X射线吸收路径上一列像素单元的数量。

配置使得像素面内位于的同一列像素单元具有相同的饱和计数率时，沿X射线的吸收路径方向上，将位于同一列的像素单元相应长度配置成逐渐增大状态。

将位于同一列的像素单元相应长度配置成逐渐增大状态时，确定同一列每个像素单元沿X射线吸收路径方向的长度；

确定像素单元沿X射线吸收路径方向的长度的过程时，包括如下步骤：

步骤100、根据待检测高能X射线的能量NL，确定沿X射线吸收方向上的沉积光子数Nz；

根据所确定的沉积光子数Nz、同一列像素单元的计数率阈值NT以及像素面沿X射线吸收路径的总长度T，确定吸收系数u；

步骤110、根据同一列像素单元的计数率阈值NT以及每个像素单元的饱和计数率Nc，确定每个像素单元的光子吸收百分比η，其中，

步骤120、根据吸收系数u以及每个像素单元的光子吸收百分比η，确定每个像素单元沿X射线吸收路径方向的中心点坐标z_i，其中，通过计算确定每个像素单元沿X射线吸收路径方向的中心点坐标z_i；

步骤130、重复上述步骤120，直至根据当前像素单元沿X射线吸收路径方向的长度z_i大于像素面沿X射线吸收路径的总长度T。

在厚硅衬底的正面进行的像素单元工艺步骤，具体包括

步骤200、提供第一导电类型的厚硅衬底，并在所述厚硅衬底的正面制备衬底氧化层；

步骤210、选择性地掩蔽和刻蚀所述衬底氧化层，以得到若干贯通衬底氧化层的衬底氧化层窗口；

步骤220、在上述厚硅衬底的正面进行第二导电类型杂质离子注入，以在厚硅衬底内制备得到若干第二导电类型像素块，所述第二导电类型像素块与衬底氧化层窗口正对应，且配置第二导电类型像素块在厚硅衬底内沿X射线吸收路径方向上的长度，以使得同一列第二导电类型像素块具有相同的饱和计数率；

步骤230、在厚硅衬底的正面进行金属淀积，以得到与第二导电类型像素块欧姆接触的像素块电极，通过像素块电极以及与所述像素块电极欧姆接触的第二导电类型像素块形成所需的像素单元，像素块电极间通过衬底氧化层间隔与隔离。

还包括设置于厚硅衬底正面上方的钝化保护层以及与所述厚硅衬底背面欧姆接触的背面金属电极；

所述钝化保护层覆盖在衬底氧化层上，通过贯通钝化保护层的保护层窗口使得相应的像素块电极露出。

本发明的优点：将像素面内位于同一列的像素单元配置为具有相同的饱和计数率，从而高能X射线经入射探测面入射到厚硅像素探测器内时，像素面的同一列内任一像素单元的光子数相一致。当所有的像素单元所沉积的光子数相一致时，可以采用同样的读出电路，避免读出电路存在部分饱和或不饱和的情况，从而通过的读出电路可有效实现对高能X射线的探测，提高对高能X射线探测的精度与可靠性。由于可以采用相同的读出电路读取像素探测的结果，从而可以降低探测成本。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为对深度以及与X射线吸收之间的示意图。

图3为本发明确定像素单元在像素面上的阵列分布的流程图。

图4为本发明确定每个像素单元沿X射线吸收方向长度的流程图。

图5～图8为本发明像素单元工艺步骤的具体工艺步骤剖视图，其中

图5为本发明制备得到衬底氧化层后的剖视图。

图6为本发明制备得到衬底氧化层窗口后的剖视图。

图7为本发明制备得到P+像素块后的剖视图。

图8为本发明制备得到像素块电极后的剖视图。

图9为本发明制备得到钝化保护层以及背面电极后的剖视图。

图10为制备得到像素单元沿X射线吸收方向的探测效率以及长度分布示意图。

附图标记说明：1-厚硅衬底、2-入射探测面、3-像素面、4-像素单元、5-读出电路、6-衬底氧化层、7-衬底氧化层窗口、8-探测截止面、9-P+像素块、10-像素块电极、11-背面接触区、12-背面金属电极以及13-钝化保护层。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为本发明基于厚硅的像素探测器的一种具体实施例，具体地，厚硅像素探测器包括像素面3以及入射探测面2，其中，像素单元4分布于像素面3，但像素面3不作为高能X射线的入射面；入射探测面2为厚硅像素探测器的一端面，利用入射探测面2接收待检测的高能X射线，即入射探测面2为高能X射线的入射面。与现有像素探测器相比，厚硅衬底1的厚度t不再作为吸收层厚度，而是作为接受面积的元素。厚硅像素探测器将对高能X射线的探测，从二维分辨降为一维分辨，既满足吸收层厚度要求，又可以获得更高的吸收效率。具体地，所述入射探测面2、像素面3的具体作用等均与现有厚硅探测器相一致。

为便于表述，对图1中的厚硅像素探测器建立坐标系，其中，以像素面3与入射探测面2结合部的一端点为原点，以厚硅衬底1的厚度方向为y轴，以像素面3与入射探测面2结合部的直线作为x轴，以像素面3内与x轴垂直的侧边作为z轴，具体实施时，z轴的方向即为厚硅探测器的X射线吸收路径。z轴的方向作为吸收层的厚度，厚硅像素探测器在z方向的尺寸可以做成几厘米或者几十厘米，完全满足吸收层厚度的需求。

图1中，x方向作为一维的位置分辨，z方向作为吸收层厚度，y方向为厚硅衬底1的厚度，厚硅衬底1在y方向的厚度可以取1mm，完全符合半导体加工要求。对厚硅像素探测器，采用z方向的像素化设计，可以增加探测器的计数率，同时降低探测器电子学的输入电容。目前的厚硅像素探测器，z方向的像素为相同大小的像素，即现有厚硅像素探测器中的每个像素单元4具有相同的尺寸。

具体实施时，从吸收效率曲线上可以知道，假设在z方向有M个光子在吸收层内被吸收，以图1中的厚硅像素探测器为例，如果像素区p1、像素区p2与像素区p3具有相同的大小时，工作时，实际像素计数为像素区p1>像素区p2>像素区p3。当像素区p3的像素计数已经达到了读出电路5的最大计数值时，与像素区p1、像素区p2相对应连接的读出电路5将会饱和，无法通过与像素区p1、像素区p2对应适配连接的读出电路5记录真实的数据。此外，在探测时，像素需要与读出电路5呈一一对应连接配合，像素面3的像素单元4较多时，则需要较多的读出电路5，会增加X射线探测的成本。

综上，为了提高对高能X射线具有较高的探测效率，并提高对高能X射线探测的精度与可靠性，降低探测成本，以第一导电类型为N型，第二导电类型为P型为例，本发明的厚硅像素探测器包括厚硅像素探测器本体，所述厚硅探测器本体包括用于对高能X射线探测的像素面3以及用于接收高能X射线入射的入射探测面2，其中，像素面3包括若干呈阵列分布的像素单元4，

沿X射线的吸收路径上，像素面3内位于的同一列像素单元4配置成具有相同的饱和计数率，以使得经入射探测面2入射的高能X射线沉积在同一列内任一像素单元4的光子数相一致。

由上述说明可知，像素单元4在像素面3上呈阵列分布，对于阵列分布的像素单元4，同一列的像素单元4，具体是指沿z轴方向，处于同一列的像素单元4。像素单元4在像素面3上的阵列分布情况，可以根据需要选择，以能满足实际对高能X射线探测的分布为准。此处的z轴等坐标，均为以图1中的坐标系对应，下述对于x轴、y轴以及z轴的情况均为以图1中的坐标系对应，后续中存在x轴、y轴以及z轴的说明均与此处的说明对应。

如图2所示，沿X射线的吸收路径上，不同深度位置，单位深度里对X射线的吸收是不同的；即沿远离入射探测面2的方向上，对X射线的吸收逐渐降低。因此，像素面3上同一列的像素单元4采用相同大小的设计时，越靠近入射探测面2的像素单元4的总计数会越多，而远离入射探测面2的像素单元4的像素计数会越少。因此，对于同样的读出电路5，容易出现有些读出电路5所读取的像素饱和，有些读出电路5所读取的像素存在不饱和的情况。

本发明实施例中，沿X射线的吸收路径上，即沿上述z轴方向上，将像素面3内位于同一列的像素单元4配置为具有相同的饱和计数率，从而高能X射线经入射探测面2入射到厚硅像素探测器内时，像素面3的同一列内任一像素单元4的光子数相一致，即像素面3内所有的像素单元4所沉积的光子数相一致。当所有的像素单元4所沉积的光子数相一致时，可以采用同样的读出电路5，避免读出电路5存在部分饱和或不饱和的情况，从而通过的读出电路5可有效实现对高能X射线的探测，提高对高能X射线探测的精度与可靠性。由于可以采用相同的读出电路5读取像素探测的结果，从而可以降低探测成本。

进一步地，沿X射线的吸收路径方向上，将位于同一列的像素单元4相应长度配置成逐渐增大状态，以使得像素面3内位于的同一列像素单元4具有相同的饱和计数率；

同一列像素单元4沿垂直X射线吸收路径方向的长度相一致。

为了能实现同一列的像素单元4具有相同的饱和计数率，本发明实施例中，沿X射线的吸收路径方向上，将位于同一列的像素单元4相应长度配置成逐渐增大状态，即同一列像素单元4在z轴方向的长度逐渐增大，同一列内像素单元4在z轴方向的长度大小，以实现同一列像素单元4具有相同的饱和计数率为准。具体实施时，同一列像素单元4沿垂直X射线吸收路径方向的长度相一致，具体是指同一列的像素单元4在x轴方向的长度相同。

具体实施时，阵列分布的像素单元4，不同列的像素单元4在像素面3上的分布相同；其中，不同列像素单元4下像素面3上分布相同，具体是指像素面3上所有列像素单元4分布相同，所述分布相同包括不同列相应位置的像素单元4分布正对应，且每列的像素单元4均配置成具有相同的饱和计数率。

图1中，最右侧列的像素单元4在像素面3内的分布情况，与图1中其余列像素单元4在像素面3上分布情况相同，如最右侧列内的像素依次排布的像素区p1、像素区p2与像素区p3，则在其他列内相应的位置也存在依次相同排布的像素区p1、像素区p2与像素区p3。像素区p1、像素区p2与像素区p3即为分别形成同一列内的三个像素单元4。

具体实施时，在像素面3上，相邻列像素单元4间的距离相同，即像素面3的阵列中，相邻阵列间配置成相同的距离，具体距离的大小可以根据需要选择，以能满足对高能X射线的探测为准。

如图9所示，所述厚硅像素探测器本体包括N型的厚硅衬底1，利用所述厚硅衬底1的正面形成像素面3，利用所述厚硅衬底1的一端面形成入射探测面2；

所述像素单元4包括制备于所述厚硅衬底1正面的P+像素块9以及与所述P+像素块9欧姆接触的像素块电极10；

位于同一列的P+像素块9，所述P+像素块9沿X射线的吸收路径方向的长度逐渐增大。

本发明实施例中，厚硅衬底1具有N导电类型，厚硅衬底1的具体情况可以根据需要选择，以能满足实际应用需求为准。对所选择的厚硅衬底1，一般地，厚硅衬底1的一表面为正面，厚硅衬底1的另一表面形成背面，厚硅衬底1的一端面形成入射探测面2，厚硅衬底1的另一端面可形成探测截止面8，探测截止面8与入射探测面2为两个正对应的端面，正面与背面为厚硅衬底1上正对应的两个表面。X射线的吸收路径，具体是指沿入射探测面2指向探测截止面8之间的路径。

为了能形成像素单元4，在厚硅衬底1的正面制备P+像素块9，P+像素块9在衬底1为沿所述厚硅衬底1的正面指向所述厚硅衬底1背面的方向延伸，P+像素块9在厚硅衬底1内的深度等可以根据需要选择。P+像素块9与像素块电极10欧姆接触，且P+像素块9与像素块电极10呈一一对应的接触配合。通过多个P+像素块9以及与相应P+像素块9欧姆接触的像素块电极10，即在像素面3上形成阵列分布的像素单元4。

由上述说明可知，沿X射线的吸收路径方向上，将位于同一列的像素单元4相应长度配置成逐渐增大状态时，即将同一列P+像素块9沿X射线的吸收路径方向的长度逐渐增大，即满足同一列内P+像素块9具有相同的饱和计数率。

综上，对于上述的像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器，可以通过下述工艺步骤制备得到，具体地：

确定对高能X射线探测时的探测性能指标，以根据所确定的探测性能指标确定像素单元4在像素面3上的阵列分布状态，并配置使得像素面3内位于的同一列像素单元4具有相同的饱和计数率；

根据所确定像素单元4在像素面3上的阵列分布状态，以及所配置同一列像素单元4具有相同的饱和计数率，在厚硅衬底1的正面进行像素单元工艺步骤，以经像素单元工艺步骤后，所述厚硅衬底1的正面形成像素面3且在像素面3制备得到所需阵列分布的像素单元4。

具体地，制备厚硅像素探测器时，即需要确定像素单元4在像素面3上的阵列分布状态，并根据同一列像素单元4沿z轴方向的长度，即使得像素面3内位于的同一列像素单元4具有相同的饱和计数率。在确定像素单元4的阵列分布状态，以及同一列像素单元4沿z轴的长度后，通过像素单元工艺步骤，即可制备得到所需阵列分布的像素单元4。

下面对确定像素单元4在像素面3上的阵列分布状态、同一列像素单元4沿z轴方向的长度以及像素单元工艺步骤的具体情况进行详细具体说明。

进一步地，所述探测性能指标包括探测效率k、待检测高能X射线的能量NL、每个像素单元4的饱和计数率Nc以及同一列像素单元4的总计数率阈值NT；

根据对高能X射线的探测性能指标确定像素单元4在像素面3上的阵列分布状态时，包括如下步骤：

步骤10、确定像素单元4在像素面3沿垂直X射线吸收路径方向的位置分辨率，以根据所述位置分辨率确定任一像素单元4沿垂直X射线吸收路径方向的长度；

具体地，像素单元4沿像素面3沿垂直X射线吸收路径方向的位置分辨率，即沿图1中所建立坐标系的x轴方向的位置分辨率，根据位置分辨率即可确定像素单元4沿x轴方向的长度a。一般地，所有像素单元4沿x轴方向的位置分辨率相同，即像素单元4沿x轴方向的长度相同。像素单元4位置分辨率的具体情况可以根据需要选择，一般可以根据厚硅探测器的具体探测要求选择的经验值，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤20、确定对高能X射线的探测效率k，以确定像素面3沿X射线吸收路径的总长度T；

具体地，根据对高能X射线的探测效率k，以及高能X射线能量对应的吸收系数u，即可确定像素面3沿X射线吸收路径的总长度T，所述总长度T即为沿z轴方向的总长度。当高能X射线的能量确定后，则能确定在所述高能X射线能量下的吸收系数u，通过本技术领域常用的技术手段确定吸收系数u与高能X射线能量对应关系，具体以能得到所需的吸收系数u为准，此处不再赘述。

具体实施时，根据确定的探测效率k以及对应能量下的吸收系数u，即可得到所述总长度T，T＝-ln(1-k)/u。对探测效率k，具体是指沿X射线吸收路径，对入射X射线所包含光子的探测数量与光子数总数的比值，如上述光子数为M时，需要探测的光子数为M’，则至少应该探测的光子数M’为M*k。

此外，得到沿X射线吸收路径的总长度T后，还可以确定厚硅像素探测器的其他尺寸，如图1中x轴方向的长度以及y轴方向的长度t。一般地，x轴方向的长度取决于实际需求，例如x方向的长度可为5cm；y轴方向长度t的取值，一般受半导体硅晶圆加工要求和探测有效面积制约，如长度t的取值可为1mm。

步骤30、确定每个像素单元4的饱和计数率Nc以及沿X射线吸收路径上同一列像素单元4的总计数率阈值NT；

具体地，像素单元4的饱和计数率Nc与所适配连接的读出电路5相关，如可以确定读出电路5的最大计数率，所述读出电路5的最大计数率即为像素单元4的饱和计数率Nc，如目前读出电路5可较容易达到10^6cps的计数率，则此时，饱和计数率Nc可设置为10^6。对于总计数率阈值NT，具体是指同一列像素单元4总共可探测到光子数的数量。

对沿X射线吸收路径上同一列像素单元4的总计数率阈值NT，一般希望总计数率阈值NT越大越好，实际需要根据实际情况优化确定总计数率阈值NT，例如定总计数率阈值NT可设置为10^8。

步骤40、根据待检测高能X射线的能量NL、每个像素单元4的饱和计数率Nc以及同一列像素单元4的总计数率阈值NT，确定沿X射线吸收路径上一列像素单元4的数量。

具体地，根据待检测高能X射线的能量NL，可设定或选定高能X射线具有的光子数Nz，具体与现有相一致。一般地，X射线吸收路径沉积的光子数Nz与总计数率阈值NT间可存在如下的关系：Nz＝NT*(1-e^-uz)，u为吸收系数，所述吸收系数u只和高能X射线的能量相关，z即为像素单元4内P+像素块9沿z轴方向的尺寸。由上述说明可知，由于同一列P+像素块9沿z轴方向的尺寸需要逐渐增大，因此，根据所有P+像素块9沿z轴方向的尺寸与总长度T关系，可以确定沿X射线吸收路径上一列像素单元4的数量。

上述确定像素单元在像素面上的阵列分布的具体流程，可以参考图3的流程说明。此外，像素面3上像素单元4的列数，具体可以根据实际需要选择，如根据像素单元4的位置分辨率以及x轴方向的长度确定像素单元4的实际列数，具体以能满足实际探测需求为准，此处不再赘述。

如图4所示，将位于同一列的像素单元4相应长度配置成逐渐增大状态时，确定同一列每个像素单元4沿X射线吸收路径方向的长度；

确定像素单元4沿X射线吸收路径方向的长度的过程时，包括如下步骤：

步骤100、根据待检测高能X射线的能量NL，确定沿X射线吸收方向上的沉积光子数Nz；

根据所确定的沉积光子数Nz、同一列像素单元4的计数率阈值NT以及像素面3沿X射线吸收路径的总长度T，确定吸收系数u；

具体地，通过高能X射线的能量NL，确定吸收系数u的具体确定情况，可以参考上述说明，此处不再赘述。高能X射线的能量NL下，所对应的光子数Nz与高能X射线的具体情况相关，光子数Nz的具体情况与现有相一致，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤110、根据同一列像素单元4的总计数率阈值NT以及每个像素单元4的饱和计数率Nc，确定每个像素单元4的光子吸收百分比η，其中，

具体地，总计数率阈值NT、饱和计数率Nc的具体情况可以参考上述说明。在确定总计数率阈值NT、饱和计数率Nc后，可确定光子吸收百分比η。

步骤120、根据吸收系数u以及每个像素单元4的光子吸收百分比η，确定每个像素单元4沿X射线吸收路径方向的中心点坐标z_i，其中，通过计算确定每个像素单元4沿X射线吸收路径方向的中心点坐标z_i；

步骤130、重复上述步骤120，直至根据当前像素单元4沿X射线吸收路径方向的中心点坐标z_i大于像素面3沿X射线吸收路径的总长度T。

由图4可知，初始状态时，i＝0，z_i＝0，即初始化。重复循环过程中，随着i的递增，可以确定相应z_i的值，如i为1时，即可确定中心点z₁的值，可确定一列内第一个像素单元4的尺寸z。由于每个像素单元4的饱和计数率Nc已配置，Nc≤Nz(Nz＝NT*(1-e^-uz))，(由上述步骤30的说明可知，Nc＝10^6，NT＝10^8，即给出了一种具体实例)，则得到P+像素块9沿z轴方向的尺寸z≤100μm。具体地，若根据步骤120计算得到第一个像素单元4的z方向尺寸大于100μm，那么不符合读出电路5饱和计数率Nc的设计需求，因此，对第一个像素单元4的尺寸最大值可定为100μm，即可根据上述饱和计数率Nc以及总计数率阈值NT对第一个像素单元4尺寸的有效性进行校验，其他实施情况下，可进行相同的校验说明，此处不再赘述。

随着i的递增，能确定一列像素单元4内相应像素单元4在z轴方向的中心点z_i，如i为2时，z2为第二个像素单元4的中心点坐标，p2＝z₂-z₁，p2的值可以为第二个像素单元4沿z轴方向的长度，第一个像素单元4与第二像素单元4沿z轴方向的间隔距离，具体可以根据经验等选择确定。在选定第一个像素单元4与第二个像素单元4间沿z轴方向的间隔距离后，所有列内第一个像素单元4与第二个像素单元4之间的距离均采用相同的间隔距离。后续相邻像素单元4间的间隔距离可以根据需要选择或设置，此处不再一一举例说明。

由图4可知，在z_i的小于总长度T的坐标时，则重复上述步骤，即能依次确定相应像素单元4沿z轴方向的长度。根据当前像素单元4沿X射线吸收路径方向的中心点z_i大于像素面3沿X射线吸收路径的总长度T时，即确定像素单元4的数量超出了总长度T，则需要终止循环步骤。根据终止循环步骤，能确定像素单元4的数量，以及所有像素单元4在z轴方向的长度。

具体地，由于将同一列的像素单元4相应长度配置成逐渐增大状态，因此，在总长度T内一列像素单元4的数量相对于现有相同尺寸的情况可以大幅减少，当一列内像素单元4的数量减少时，则与像素单元4配合的读出电路5的数量减少，可以有效降低探测成本。

如图10所示，横坐标为z轴方向的深度值，纵坐标为不同坐标值处的探测效率；具体为：为针对50keV的高能X射线进行探测，每个读出电路5能处理饱和计数率Nc为Nc＝1Mcps，总计数率阈值为NT＝10Mcps，要求探测效率k达到80％以上；由图2可知，厚硅像素探测器z方向的长度T>2cm。为满足探测效率k大于80％，则通过在z轴方向设置9个像素单元4，则通过9个像素单元4使得一列像素单元4的探测效率大于80％，图10中z8位置像素单元4的探测效率k开始大于80％，即能满足探测效率k的设计要求。

图10中，根据上述步骤120和步骤130确定9个像素单元4相应的中心点坐标，其中，z1-z9分别为：1040μm，2210μm，3550μm，5100μm，6900μm，9100μm，12000μm，16000μm，22500μm。根据上述9个像素单元4相应的中心点坐标，可以得到9个像素单元4沿z轴方向的长度，具体地，p1-p9分别为：1040μm，1170μm，1340μm，1550μm，1800μm，2200μm，2900μm，4000μm，6500μm。

由背景技术等说明可知，目前，一般都是将像素单元4设计成均匀大小，比如此列中，像素单元4均是按照最小尺寸1040μm设计，在z方向上需要设计至少21个像素，采用像素非均匀分布设计时，像素单元4的数量为9个，极大减少了后续读出电路5的通道数目，降低探测成本。

如图5～图8所示，在厚硅衬底1的正面进行的像素单元工艺步骤，所述像素单元工艺步骤具体包括

步骤200、提供N型的厚硅衬底1，并在所述厚硅衬底1的正面制备衬底氧化层6；

具体地，厚硅衬底1的导电类型为N型，厚硅衬底1的具体情况可以根据需要选择，以能满足像素探测器的应用需求均可。采用本技术领域常用的技术手段在厚硅衬底1的正面制备衬底氧化层6，衬底氧化层6一般为二氧化硅层，衬底氧化层6可以采用热氧化等工艺制备得到，衬底氧化层6覆盖在厚硅衬底1的正面，如图5所示。

步骤210、选择性地掩蔽和刻蚀所述衬底氧化层6，以得到若干贯通衬底氧化层6的衬底氧化层窗口7；

具体地，可以采用本技术领域常用的技术手段实现对衬底氧化层6的刻蚀，从而得到若干衬底氧化层窗口7，衬底氧化层窗口7贯通衬底氧化层6，通过衬底氧化层窗口7使得厚硅衬底1相对应的正面露出，如图6所示。具体实施时，衬底氧化层窗口7在衬底氧化层6上的分布位置在等，以能形成下述所需的P+像素块9为准。

步骤220、在上述厚硅衬底1的正面进行P型杂质离子注入，以在厚硅衬底1内制备得到若干P+像素块9，所述P+像素块9与衬底氧化层窗口7正对应，且配置P+像素块9在厚硅衬底1内沿X射线吸收路径方向上的长度，以使得同一列P+像素块9具有相同的饱和计数率；

具体地，在厚硅衬底1正面上方进行P型杂质离子注入，在P型杂质离子注入时，利用衬底氧化层6的遮挡作用，从而在与衬底氧化层窗口7正对应的位置，以在厚硅衬底1内制备所需的P+像素块9，如图7所示；具体P型杂质离子注入形成P+像素块9的工艺方式以及条件可以根据需要选择，满足所需制备的P+像素块9为准。

由上述说明可知，制备得到的P+像素块9呈阵列分布，具体配置使得同一列P+像素块9具有相同的饱和计数率的具体方式等可以参考上述说明，此处不再赘述。

步骤230、在厚硅衬底1的正面进行金属淀积，以得到与P+像素块9欧姆接触的像素块电极10，通过像素块电极10以及与所述像素块电极10欧姆接触的P+像素块9形成所需的像素单元4，像素块电极10间通过衬底氧化层6间隔与隔离。

具体地，在制备得到P+像素块9后，在厚硅衬底1的正面采用本技术领域常用的技术手段进行金属淀积，以制备得到像素块电极10，像素块电极10的材料类型以及具体地工艺可以根据需要选择，以能满足像素块电极10与P+像素块9的欧姆接触为准。

具体实施时，像素块电极10与P+像素块9呈一一对应，像素块电极10间通过衬底氧化层6间隔与隔离，以使得利用P+像素块9与相对应的像素块电极10配合形成的像素单元4相互独立，如图8所述。

进一步地，还包括设置于厚硅衬底1正面上方的钝化保护层13以及与所述厚硅衬底1背面欧姆接触的背面金属电极12；

所述钝化保护层13覆盖在衬底氧化层6上，通过贯通钝化保护层13的保护层窗口使得相应的像素块电极10露出。

本发明实施例中，还可以在厚硅衬底1正面上方制备钝化保护层13，钝化保护层13可以采用现有常用的形式，如钝化保护层13可以为氮化硅层。钝化保护层13一般覆盖在衬底氧化层6以及像素块电极10上。为了不影响像素块电极10与读出电路5间的连接配合，需要对钝化保护层13图形化，以在图形化后，利用保护层窗口使得相应的像素块电极10露出。对钝化保护层13图形化时，可以采用本技术领域常用的技术手段，具体图形化的工艺以及过程可以根据需要选择，以能满足对钝化保护层13的图形化为准。

具体实施时，在厚硅衬底1的背面还制备背面金属电极12，背面金属电极12的材料等可以根据需要选择。一般地，在制备金属背面电极12前，还需要在厚硅衬底1的背面制备背面接触区11，背面接触区11可以通过在厚硅衬底1的背面离子注入方式制备得到，以能满足背面金属电极12通过所述背面接触区11与厚硅衬底1间的欧姆接触为准。背面接触区11的导电类型与厚硅衬底1的导电类型相同，背面接触区11的掺杂浓度一般大于厚硅衬底1的掺杂浓度。

如图9所示，为制备得到厚硅像素探测器的剖视图，厚硅衬底1的一端面形成入射探测面2，厚硅衬底1的另一端面形成探测截止面8。在厚硅衬底1内，沿入射探测面2指向探测截止面8的方向，即为X射线的吸收路径。图9中，沿入射探测面2指向探测截止面8的方向上，依次示出了同一列的六个像素单元4，所述六个像素单元4依次为像素区P1～像素区P6。具体实施时，像素区P1～像素区P6具有相同的饱和计数率。

Claims (5)

1.一种像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器的制备方法，其特征是：

确定对高能X射线探测时的探测性能指标，以根据所确定的探测性能指标确定像素单元(4)在像素面(3)上的阵列分布状态，并配置使得像素面(3)内位于同一列像素单元(4)具有相同的饱和计数率；

根据所确定像素单元(4)在像素面(3)上的阵列分布状态，以及所配置同一列像素单元(4)具有相同的饱和计数率，在厚硅衬底(1)的正面进行像素单元工艺步骤，以经像素单元工艺步骤后，所述厚硅衬底(1)的正面形成像素面(3)且在像素面(3)制备得到所需阵列分布的像素单元(4)；

所述探测性能指标包括探测效率k、待检测高能X射线的能量NL、每个像素单元(4)的饱和计数率Nc以及同一列像素单元(4)的总计数率阈值NT；

根据对高能X射线的探测性能指标确定像素单元(4)在像素面(3)上的阵列分布状态时，包括如下步骤：

步骤10、确定像素单元(4)在像素面(3)上沿垂直X射线吸收路径方向的位置分辨率，以根据所述位置分辨率确定任一像素单元(4)沿垂直X射线吸收路径方向的长度；

步骤20、确定对高能X射线的探测效率k，以确定像素面(3)沿X射线吸收路径的总长度T；

步骤30、确定每个像素单元(4)的饱和计数率Nc以及沿X射线吸收路径上同一列像素单元(4)的总计数率阈值NT；

步骤40、根据待检测高能X射线的能量NL、每个像素单元(4)的饱和计数率Nc以及同一列像素单元(4)的总计数率阈值NT，确定沿X射线吸收路径上一列像素单元(4)的数量。

2.根据权利要求1所述像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器的制备方法，其特征是，配置使得像素面(3)内位于同一列像素单元(4)具有相同的饱和计数率时，沿X射线的吸收路径方向上，将位于同一列的像素单元(4)相应长度配置成逐渐增大状态。

3.根据权利要求2所述像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器的制备方法，其特征是，将位于同一列的像素单元(4)相应长度配置成逐渐增大状态时，确定同一列每个像素单元(4)沿X射线吸收路径方向的长度；

确定像素单元(4)沿X射线吸收路径方向的长度的过程时，包括如下步骤：

步骤100、根据待检测高能X射线的能量NL，确定沿X射线吸收方向上的沉积光子数Nz；

根据所确定的沉积光子数Nz、同一列像素单元(4)的总计数率阈值NT以及像素面(3)沿X射线吸收路径的总长度T，确定吸收系数u；

步骤110、根据同一列像素单元(4)的总计数率阈值NT以及每个像素单元(4)的饱和计数率Nc，确定每个像素单元(4)的光子吸收百分比η，其中，

步骤120、根据吸收系数u以及每个像素单元(4)的光子吸收百分比η，确定每个像素单元(4)沿X射线吸收路径方向的中心点坐标z_i，其中，通过计算确定每个像素单元(4)沿X射线吸收路径方向的中心点坐标z_i；

步骤130、重复上述步骤120，直至根据当前像素单元(4)沿X射线吸收路径方向的中心点坐标z_i确定的长度大于像素面(3)沿X射线吸收路径的总长度T。

4.根据权利要求1至3任一项所述像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器的制备方法，其特征是，在厚硅衬底(1)的正面进行的像素单元工艺步骤，具体包括

步骤200、提供第一导电类型的厚硅衬底(1)，并在所述厚硅衬底(1)的正面制备衬底氧化层(6)；

步骤210、选择性地掩蔽和刻蚀所述衬底氧化层(6)，以得到若干贯通衬底氧化层(6)的衬底氧化层窗口(7)；

步骤220、在上述厚硅衬底(1)的正面进行第二导电类型杂质离子注入，以在厚硅衬底(1)内制备得到若干第二导电类型像素块(9)，所述第二导电类型像素块(9)与衬底氧化层窗口(7)正对应，且配置第二导电类型像素块(9)在厚硅衬底(1)内沿X射线吸收路径方向上的长度，以使得同一列第二导电类型像素块(9)具有相同的饱和计数率；

步骤230、在厚硅衬底(1)的正面进行金属淀积，以得到与第二导电类型像素块(9)欧姆接触的像素块电极(10)，通过像素块电极(10)以及与所述像素块电极(10)欧姆接触的第二导电类型像素块(9)形成所需的像素单元(4)，像素块电极(10)间通过衬底氧化层(6)间隔与隔离。

5.根据权利要求4所述像素单元非均匀分布的厚硅像素探测器的制备方法，其特征是，还包括设置于厚硅衬底(1)正面上方的钝化保护层(13)以及与所述厚硅衬底(1)背面欧姆接触的背面金属电极(12)；

所述钝化保护层(13)覆盖在衬底氧化层(6)上，通过贯通钝化保护层(13)的保护层窗口使得相应的像素块电极(10)露出。