CN115274912B - 高空间分辨率的x射线探测器单元、探测器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高空间分辨率的X射线探测器单元，包括高阻外延衬底，所述高阻外延衬底包括背面、以及与背面相对的正面；所述正面设置有正面电极图，所述正面电极图包括最外环的第一隔离环、在所述第一隔离环内依次嵌套设置的至少两个正面电极环、以及设置在最内侧的正面电极环内的阳极电极；所述背面设置有第二隔离环、以及设置在所述第二隔离环内的背面电极。本发明中，通过采用高阻外延材料做衬底，可以减小衬底的厚度，进而在减小探测器单元的宽度尺寸的同时使探测器工作时耗尽层的深宽比≤1:1，可同时兼顾探测器的高探测效率、高空间分辨率和高MTF性能，保证探测和成像质量。

Description

高空间分辨率的X射线探测器单元、探测器及其制作方法

技术领域

本发明属于X射线探测器技术领域，涉及一种高空间分辨率的X射线探测器单元、探测器及其制作方法。

背景技术

直接探测类X射线探测器是将X射线光子直接打在探测器上，进行光电信号探测，探测效率高(约100％)；间接探测类X射线探测器，是通过闪烁晶体将X射线换为紫外光或近红外光，再由探测器探测转换后的光子进行探测，探测效率低(＜30％)。直接探测类X射线探测器在X射线探测时，由于X射线穿透能力强，在硅体内吸收深度较深(10keV有效吸收深度约140μm)，传统硅基X射线探测器，如SDD，由于衬底较厚(＞400μm)、工作电压高(＞-120V)等特点，像素单元无法做小(直径＞3000μm)，目前主流X射线探测器只能实现对X射线光子的探测，无法实现空间分辨能力。

为实现X射线探测的空间分辨率，现有技术通过采用闪烁晶体转换的间接X射线探测方式或多直接X射线探测器拼接方式来实现(如多个SDD、PIN探测器拼接)。以上方式均有具有明显缺点：采用间接X射线探测方式的探测效率低；通过多个X射线探测器拼接方式实现时，空间分辨率差(一般为cm级空间分辨率)。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高空间分辨率的X射线探测器单元、探测器及其制作方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高空间分辨率的X射线探测器单元，包括高阻外延衬底，所述高阻外延衬底为具有第一导电类型介质材料的高阻外延材料，所述高阻外延衬底包括用于接受X射线光子照射的背面、以及与背面相对的正面；所述正面设置有正面电极图，所述正面电极图包括最外环的第一隔离环、在所述第一隔离环内依次嵌套设置的至少两个正面电极环、以及设置在最内侧的正面电极环内的阳极电极；所述背面设置有第二隔离环、以及设置在所述第二隔离环内的背面电极，所述第一隔离环、第二隔离环和阳极电极采用第一导电类型介质材料掺杂注入形成，所述背面电极和各正面电极环采用第二导电类型介质材料掺杂注入形成。

进一步的，各个所述正面电极环的宽度从内向外依次增大。

进一步的，所述第一隔离环和各正面电极环的中心点重合。

进一步的，所述第一隔离环沿所述正面的外沿设置，所述第二隔离环沿所述背面的外沿设置。

进一步的，所述正面电极环、第一隔离环和第二隔离环均为方形环，所述阳极电极和背面电极均为矩形结构。

进一步的，所述高阻外延衬底的厚度为50μm～200μm。

进一步的，所述探测器单元工作时，在所述第一隔离环和第二隔离环上施加地电压，在所述背面电极和各个所述正面电极环上施加低于地电压的负电压；且在各个所述正面电极环上施加的负电压的幅值从内向外依次加大，在所述背面电极上施加的负电压的幅值为最外侧正面电极环上施加的负电压幅值的一半。

进一步的，所述正面电极环包括嵌套在第一隔离环中的第二电极环、以及嵌套在第二电极环中的第一电极环；所述第一隔离环和第二隔离环的典型宽度为10μm，所述阳极电极的典型宽度为20μm，所述第二电极环的典型宽度为20μm，所述第一电极环的典型宽度为10μm；在所述第一隔离环和第二隔离环上施加的地电压为0V，在所述第一电极环上施加的负电压为-2V～-5V，在所述第二电极环上施加的负电压为-15V～-25V。

一种高空间分辨率的X射线探测器，包括以阵列形式排布的多个高空间分辨率的X射线探测器单元。

一种高空间分辨率的X射线探测器单元的制作方法，包括以下步骤：

S101、取一具有第一导电类型介质材料的高阻外延层的衬底，所述衬底具有高阻外延层的表面为正面，与正面相对的为背面；

S102、在所述正面制作正面电极图，所述正面电极图包括沿正面的外沿通过第一导电类型介质材料掺杂注入形成的第一隔离环、在所述第一隔离环内依次嵌套设置的至少两个通过第二导电类型介质材料掺杂注入形成的正面电极环、以及设置在最内侧的正面电极环内的通过第一导电类型介质材料掺杂注入形成的阳极电极；

S103、将所述衬底的背面减薄至高阻外延层；

S104、在所述背面的中部进行大面积第二导电类型介质材料掺杂注入，形成背面电极，在背面的边沿对应第一隔离环的位置处通过第一导电类型介质材料掺杂注入形成第二隔离环。

本发明中，通过采用高阻外延材料做衬底，可以减小衬底的厚度，进而在将探测器单元的宽度尺寸减小至200μm或200μm以下时仍然使探测器工作时耗尽层的深宽比≤1:1，比现有高空间分辨率、闪烁晶体转换的间接X射线探测方式探测效率高；比现有多个X射线探测器拼接方式空间分辨率高；从而能够同时兼顾探测器的高探测效率、高空间分辨率和高MTF性能，保证探测和成像质量。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明高空间分辨率的X射线探测器单元的一个优选实施例的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2的A-A'向剖示图。

图4为探测器单元工作时形成的电势梯度、电子转移路径的示意图。

图5为本发明高空间分辨率的X射线探测器的一个优选实施例的结构示意图。

图6为本发明高空间分辨率的X射线探测器单元的制作方法的一个优选实施例的流程图。

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，以下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，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1、图2和图3所示，本发明公开了一种高空间分辨率的X射线探测器单元，本发明高空间分辨率的X射线探测器单元的一个优选实施例包括高阻外延衬底1，所述高阻外延衬底1采用第一导电类型介质材料的高阻外延材料，例如，所述高阻外延衬底1可采用N型高阻外延材料，所述高阻外延衬底1的厚度为50μm～200μm，优选为200μm。所述高阻外延衬底1包括用于接受X射线光子照射的背面20、以及与背面20相对的正面10。通过采用高阻外延材料做衬底，探测器单元的厚度可以达到50μm～200μm，从而可以减小探测器单元的宽度尺寸，使探测器单元的宽度尺寸≤200μm。以探测器单元的宽度为200μm为例，当探测器单元的厚度为50μm时，深宽比为1：4；当探测器单元的厚度为200μm时，深宽比为1：1；即X射线探测器单元工作时耗尽层深宽比为1：4～1：1，能够同时兼顾探测器高空间分辨率和高MTF(Modulation Transfer Function调制传递函数)的性能，保证X射线探测及成像效果。

所述正面10设置有正面电极图，所述正面电极图包括最外环的第一隔离环13、在所述第一隔离环13内依次嵌套设置的至少两个正面电极环12、以及设置在最内侧的正面电极环12内的阳极电极11，各个所述正面电极环12的宽度从内向外依次增大。所述第一隔离环13可以沿所述正面10的外沿设置，所述正面电极环12和第一隔离环13优选为方形环，所述阳极电极11优选为矩形结构，所述第一隔离环13和各正面电极环12的中心点可以重合。在本实施例中，优选为在所述第一隔离环13内依次嵌套第二电极环122和第一电极环121两个正面电极环12，所述第二电极环122的典型宽度为20μm，所述第一电极环121的典型宽度为10μm；所述第一隔离环13的典型宽度为10μm，所述阳极电极11的典型宽度为20μm(典型宽度只为通过示例进行说明，不仅限于典型宽度)。所述第一隔离环13和阳极电极11采用第一导电类型介质材料掺杂注入形成，各个所述正面电极环12采用第二导电类型介质材料掺杂注入形成。例如，所述第一隔离环13和阳极电极11可采用N型掺杂注入形成，所述第二电极环122和第一电极环121可采用P型掺杂注入形成。

所述背面20设置有第二隔离环22、以及设置在所述第二隔离环22内的背面电极21，所述第二隔离环22可以沿所述背面20的外沿与所述第一隔离环13相对设置。所述第二隔离环22可以为方形环，所述背面电极21可以为矩形结构。所述第二隔离环22采用第一导电类型介质材料掺杂注入形成，其典型宽度为10μm；所述背面电极21采用第二导电类型介质材料掺杂注入形成。例如，所述第二隔离环22可采用N型掺杂注入形成，所述背面电极21可采用大面积P型掺杂注入形成。

所述探测器单元工作时，在所述第一隔离环13和第二隔离环22上施加地电压，在所述背面电极21和各个所述正面电极环12上施加低于地电压的负电压；且在各个所述正面电极环12上施加的负电压的幅值从内向外依次加大，在所述背面电极21上施加的负电压的幅值为最外侧正面电极环12上施加的负电压幅值的一半。以两个正面电极环12为例，可在所述第一隔离环13和第二隔离环22上施加0V的地电压，在所述第一电极环121上施加的-2V～-5V负电压，在所述第二电极环122上施加-15V～-25V的负电压，在所述背面电极21上施加的第二电极环122上的电压的一半。

本实施例的工作原理如下：

如图1至图4所示，工作时，在第一隔离环13和第二隔离环22施加典型的地电压“0”V，在第二电极环122施加典型的-20V电压，在第一电极环121施加典型的-5V电压，在背面电极21加典型的-10V电压。如图4所示，为在第一隔离环13和第二隔离环22上施加0V电压，在第一电极环121上施加-5V电压，在第二电极环122上施加-20V电压，在背面电极21上施加-10V电压后的电势分布情况和信号电子被收集时的转移路径示意图。通过图4可知，通过在第一隔离环13和第二隔离环22上施加0V电压，能够在像元探测区的周围形成一圈像元隔离区；通过在第一电极环121、第二电极环122和背面电极21上施加的电压，能够在像元探测区形成由边缘指向中心的阳极电极11的电势梯度，且由于采用了两个正面电极环12，这样使得电势梯度分布更均匀，探测器对信号电荷的收集效率更高。探测器单元在接受X射线光子照射时，在体内产生电子-空穴对的电荷包，空穴电荷包分别被负电压的第一电极环121、第二电极环122和背面电极21收集并抽走，电子电荷包则沿探测器单元内部电势梯度被收集在中心的阳极电极11，再被读出，实现对X射线信号的探测。

如图5所示，本发明还公开了一种高空间分辨率的X射线探测器，包括以阵列形式排布的多个高空间分辨率的X射线探测器单元。通过对多个X射线探测器探测单元进行组合，探测器可以构成阵列式结构，使探测面积得到很大程度的扩展，从而可以实现X射线探测器的高空间分辨率探测和大靶面探测，满足用户对X射线探测的特殊应用需求。

如图6所示，本发明还公开了一种高空间分辨率的X射线探测器一种高空间分辨率的X射线探测器单元的制作方法，本发明高空间分辨率的X射线探测器的制作方法的一个优选实施例包括以下步骤：

S101、取一具有N型高阻外延层的衬底，所述高阻外延层采用N型高阻外延材料，所述高阻外延层的典型厚度为50μm～200μm，本实施例中优选为200μm。所述衬底具有高阻外延层的表面为正面10，与正面10相对的为背面20。

S102、在所述正面10制作正面电极图，所述正面电极图包括沿正面10的外沿通过P掺杂注入形成的第一隔离环13、在所述第一隔离环13内嵌套设置的通过P型掺杂注入形成的第二电极环122、在所述第二电极环122内嵌套设置的通过P型掺杂注入形成的第一电极环121、以及第一电极环121围合的区域内通过N型掺杂注入形成的阳极电极11。所述第一隔离环13的典型宽度为10μm，所述第二电极环122的典型宽度为20μm，所述第一电极环121的典型宽度为10μm；所述阳极电极11的典型宽度为20μm。

S103、在正面图形制作完成后，将所述衬底的背面20减薄至露出高阻外延层，从而形成高阻外延衬底1；通过将衬底的背面20减薄至高阻外延层，这样探测器的厚度即为高阻外延层衬底的厚度200μm。

S104、在所述背面20的中部进行大面积P型掺杂注入，形成背面电极21，在背面20的边沿对应第一隔离环13的位置处通过N型掺杂注入形成第二隔离环22；所述第二隔离环22的典型宽度为10μm。

采用本实施例的制作方法制作的探测器单元，施加适当的电压后可在整个探测器单元形成由边缘指向中心的阳极电极11的电势梯度，通过设置第一电极环121、第二电极环122两个正面电极环12，可以使得电势梯度分布更均匀，探测器对信号电荷的收集效率更高。选择50μm～200μm的高阻外延材料做衬底，由于探测器的厚度即为高阻外延层衬底的厚度，因此探测器单元的宽度尺寸≤200μm也可以使得探测器工作时耗尽层的深宽比≤1:1，可以在减小探测器单元的尺寸的同时保证高探测效率，比现有高空间分辨率、闪烁晶体转换的间接X射线探测方式探测效率高，比现有多个X射线探测器拼接方式空间分辨率高；从而可以同时兼顾探测器的高探测效率、高空间分辨率和高MTF性能，保证探测和成像质量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种高空间分辨率的X射线探测器单元，其特征在于：包括高阻外延衬底，所述高阻外延衬底为具有第一导电类型介质材料的高阻外延材料，所述高阻外延衬底的厚度为50μm～200μm；所述高阻外延衬底包括用于接受X射线光子照射的背面、以及与背面相对的正面；所述正面设置有正面电极图，所述正面电极图包括最外环的第一隔离环、在所述第一隔离环内依次嵌套设置的至少两个正面电极环、以及设置在最内侧的正面电极环内的阳极电极；所述背面设置有第二隔离环、以及设置在所述第二隔离环内的背面电极，所述第一隔离环、第二隔离环和阳极电极采用第一导电类型介质材料掺杂注入形成，所述背面电极和各正面电极环采用第二导电类型介质材料掺杂注入形成；所述正面电极环、第一隔离环和第二隔离环均为方形环，所述阳极电极和背面电极均为矩形结构。

2.根据权利要求1所述的高空间分辨率的X射线探测器单元，其特征在于：各个所述正面电极环的宽度从内向外依次增大。

3.根据权利要求1所述的高空间分辨率的X射线探测器单元，其特征在于：所述第一隔离环和各正面电极环的中心点重合。

4.根据权利要求1所述的高空间分辨率的X射线探测器单元，其特征在于：所述第一隔离环沿所述正面的外沿设置，所述第二隔离环沿所述背面的外沿设置。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高空间分辨率的X射线探测器单元，其特征在于：所述探测器单元工作时，在所述第一隔离环和第二隔离环上施加地电压，在所述背面电极和各个所述正面电极环上施加低于地电压的负电压；且在各个所述正面电极环上施加的负电压的幅值从内向外依次加大，在所述背面电极上施加的负电压的幅值为最外侧正面电极环上施加的负电压幅值的一半。

6.根据权利要求5所述的高空间分辨率的X射线探测器单元，其特征在于：所述正面电极环包括嵌套在第一隔离环中的第二电极环、以及嵌套在第二电极环中的第一电极环；所述第一隔离环和第二隔离环的典型宽度为10μm，所述阳极电极的典型宽度为20μm，所述第二电极环的典型宽度为20μm，所述第一电极环的典型宽度为10μm；在所述第一隔离环和第二隔离环上施加的地电压为0V，在所述第一电极环上施加的负电压为-2V～-5V，在所述第二电极环上施加的负电压为-15V～-25V。

7.一种高空间分辨率的X射线探测器，其特征在于：包括以阵列形式排布的多个如权利要求1至6任一项所述的高空间分辨率的X射线探测器单元。

8.一种高空间分辨率的X射线探测器单元的制作方法，用于制作如权利要求1至6任一项所述的高空间分辨率的X射线探测器单元；其特征在于：包括以下步骤：

S101、取一具有第一导电类型介质材料的高阻外延层的衬底，所述衬底具有高阻外延层的表面为正面，与正面相对的为背面；

S102、在所述正面制作正面电极图，所述正面电极图包括沿正面的外沿通过第一导电类型介质材料掺杂注入形成的第一隔离环、在所述第一隔离环内依次嵌套设置的至少两个通过第二导电类型介质材料掺杂注入形成的正面电极环、以及设置在最内侧的正面电极环内的通过第一导电类型介质材料掺杂注入形成的阳极电极；

S103、将所述衬底的背面减薄至高阻外延层；

S104、在所述背面的中部进行大面积第二导电类型介质材料掺杂注入，形成背面电极，在背面的边沿对应第一隔离环的位置处通过第一导电类型介质材料掺杂注入形成第二隔离环。