CN1892250A - 具有电绝缘像素的探测器 - Google Patents

Abstract

根据本技术的实施，公开了一种探测器(18)。该探测器包含光电探测器阵列(44)和衬底层(50)。该光电探测器阵列包含多个光电二极管以及电绝缘该多个光电二极管的每个光电二极管的沟槽结构(81)或扩散栅格。该多个光电二极管和沟槽结构或深扩散栅格置于该光电探测器阵列的第一表面上，与第一表面相对的第二表面键合到衬底层。该衬底层通常由和光电探测器阵列相同的半导体材料制成，但制成衬底层的半导体材料是重掺杂且是导电的，从而提供与光电探测器阵列的阴极接触并提供机械支持。

Description

具有电绝缘像素的探测器

技术领域

本发明通常涉及非侵害性成像，更为特别地涉及这种成像技术中的包含光电二极管阵列的探测器的使用。

背景技术

非侵害性成像领域在医疗、工业、和安全领域内有着广泛的应用。例如，在现代医疗保健设施中，医学诊断和成像系统对于诊断和治疗人体内部的物理状况和异常是非常重要的。类似地，在工业应用中，非侵害性成像是用于扫描各种对象以进行质量控制和缺陷识别的重要工具。相似地，在安全应用中，非侵害性成像使得能够以非侵害、非引人注目、快速的方式执行包裹、行李、甚至乘客筛查。

例如，可用于这些各种领域的一种非侵害成像技术是基于穿过患者和对象的X射线的差分透射率。在医疗应用中，简单的X射线成像技术涉及使用X射线管或其它源产生X射线，并引导该X射线穿过一成像体积，其中待成像的患者部分置于该成像体积内。X射线穿过患者时，X射线基于其所穿过的组织的成分而被衰减。衰减的X射线随后照射探测器，该探测器将X射线转换成信号，可以处理该信号从而基于X射线的衰减产生该X射线所穿过的患者部分的图像。典型地，X射线探测过程使用被X射线照射时产生光子的闪烁体，以及基于探测到的光子的数目而产生电信号的光电传感器元件阵列。典型地，光电传感器元件阵列为光电二极管阵列，其中每个光电二极管等同于使用该探测器产生的图像中的图像单元或像素。

当用于探测光子的光电二极管之一断路时，即不形成闭合电路时，发生探测过程中可能出现的一个问题。在成像操作期间，这种断路的光电二极管可能继续积累电荷，电荷最终会作为双极扩散电流注入到相邻光电二极管。这种扩散电流干扰相邻像素的工作。因此，光电二极管阵列中间的断路光电二极管会干扰九个像素(即，该断路光电二极管本身以及毗邻的八个光电二极管)的工作。

对于单个坏像素，可以使用基于邻近良好像素的插值提供一定程度的校正。然而，对于整个3×3像素阵列受到断路光电二极管影响的情形，难以或者不可能单纯基于插值而获得期望的校正程度。类似地，校准有助于在一定程度上减轻断路光电二极管的影响。然而，由于注入扩散电流与诸如信号电平和温度的变化的环境因素的依赖关系，校准不足以获得令人满意的校正。

在包含更多更小的光电二极管组件的更大更高分辨率探测器阵列中，由断路的光电二极管所致的问题有害的。例如，在CT扫描机能够同时采集不止一幅图像切片的多切片计算机断层摄影(CT)系统中，探测器尺寸大且复杂度高。由于这种探测器中光电二极管阵列的复杂度增大，适当地连接该阵列中的每个光电二极管则变得更加困难。因此，多切片CT阵列增大的尺寸和复杂度会导致断路的光电二极管，断路光电二极管会降低其周围的图像质量。类似地，诸如射线照相、乳房X射线照相、X射线断层摄影等其它X射线成像模式中的探测器在探测器尺寸与/或复杂度增大时会遭受相似的探测器质量问题。

因此需要一种能够防止探测器阵列中断路光电二极管损害相邻光电二极管的技术。

发明内容

根据本技术的实施，公开了一种探测器。该探测器包含光电探测器阵列。该光电探测器阵列包含多个光电二极管以及将该多个光电二极管中的每个光电二极管分开的电绝缘结构。

根据本技术的另一个实施，公开了一种探测器制造方法。该方法涉及提供包含多个光电二极管的光电探测器阵列。该方法还涉及使用电绝缘结构将该多个光电二极管中的每个光电二极管分开。

根据本技术的又一个实施，公开了一种成像系统。该成像系统包含配置成发射辐射的辐射源以及配置成响应于所发射的辐射而产生多个信号的探测器。该成像系统中的探测器进一步包含具有多个光电二极管的光电探测器阵列以及将该多个光电二极管中的每个光电二极管分开的电绝缘结构。

根据本技术的又一个实施，公开了电连接光电二极管阵列的方法。该方法涉及提供穿过该光电二极管阵列的多个通路。另外，该方法涉及将每个通路电连接到该多个光电二极管中的相应光电二极管，并将每个通路电连接到读出电路，谊读出电路配置成每次从至少一个光电二极管采集信号。

附图说明

参考附图阅读了下述详细描述之后，可以更好地了解本发明的这些及其它特征、方面、和优点，附图中用相同的字符表示相似的部件，其中：

图1为根据本技术一个实施例工作的示例成像系统的示意性图示；

图2为根据本技术某些实施的多切片计算机断层摄影系统的示例描述；

图3为根据本技术某些实施的示例探测器模块的示意性图示；

图4为根据本技术一个实施例的示例探测器阵列的示意性图示；

图5为根据本技术另一个实施例的示例探测器阵列的示意性图示；

图6为根据本技术又一个实施例的示例探测器阵列的示意性图示；

图7为根据本技术的另外的实施例的示例探测器阵列的示意性图示；

图8为根据本技术另一个实施例的另一个示例探测器阵列的示意性图示；

图9为根据本技术一个实施例的互连结构的示意性图示；以及

图10为根据本技术另一个实施例的互连结构的示意性图示。

附图标记

10成像系统(图1)

12辐射源

16目标

18探测器

20探测器采集电路

22图像处理电路

24操作人员工作站

26图像显示工作站

28系统控制器

30运动子系统

32示例性多切片CT系统(图2)

34探测器组件

36x射线源

40对象

41示例性探测器模块(图3)

42闪烁体阵列

44光电探测器阵列

48光电探测器层

50衬底层

52P+层

54高电阻率半导体的本征层

56N+扩散层

60本征半导体层

62图5的N+扩散层

64图6的N+扩散层

66本征半导体层

70P+层

72单个光电二极管像素

74将两个光电二极管像素分开的沟槽

76本征半导体层

78单个光电二极管像素

P+层

81图8中将两个光电二极管像素分开的沟槽

82图7所示探测器阵列的另一个示例性实施例

84P+层

88本征半导体层

90衬底

92通路

94图4所示探测器阵列的另一个示例性实施例

具体实施方式

现在讨论附图并先参考图1，阐述了根据本技术特定方面工作的示例成像系统10。

成像系统10包括适于发射X射线的源12，该X射线穿过置于成像体积内的目标16。X射线穿过该目标16之后照射探测器18，谊探测器响应于入射X射线产生信号。所述信号被探测器采集电路20采集并被图像处理电路22处理以产生一个或多个图像，从而显示在操作人员工作站24或图像显示工作站26上。该成像系统10也包括适于至少与X射线源12、探测器18、以及操作人员工作站24通信的系统控制器28。在本技术的某些实施中，成像系统10还包括运动子系统30，该运动子系统受系统控制器28控制并适用于控制至少X射线源12与/或探测器18的运动。或者，在其它实施例中，除了或代替控制X射线源12与/或探测器18的运动，运动子系统30可用于控制目标16(或者目标16位于其上的支撑)的运动。本领域普通技术人员将理解，操作人员工作站24可配置成与系统控制器28通信以控制源12、探测器采集电路20、与/或运动子系统30(如果存在)的工作。

在本示例性实施例中，源12配置成发射X射线。然而，在其它实施例中，该源可配置成以适当的波长和强度产生波长位于本领域已知的x射线能谱范围以外的电磁能量(例如伽马射线、可见光或近可见光)，使得该电磁能量可与适当的探测器18相结合用于成像(例如通过透射或反射)。另外，在某些其它实施中，应该注意，探测器采集电路20、图像处理电路22、操作人员工作站24、图像显示工作站26、系统控制器28以及运动子系统30中的一些或全部的功能可组成单个单元或各种子单元，且应认为这些调整落在本技术的范围内。例如，在一个实施例中，可由基于处理器的系统，例如通用或专用计算机系统或工作站，执行系统控制器28、图像处理电路22、以及操作人员工作站24的功能。在另一实施例中，可由这种基于处理器的系统或计算机工作站执行操作人员工作站24和图像显示工作站26的功能。

在一个示例性实施例中，探测器18适于响应于入射在探测器18上诸如X射线的辐射产生电信号。在某些实施中，探测器18可配置成直接响应于入射辐射产生电信号。然而，在其它实施中，探测器18可配置成响应于响应入射辐射所产生的中间信号产生电信号。例如，在一个实施例中，探测器18包含闪烁体阵列和光电探测器阵列。照射探测器18的辐射撞击该闪烁体阵列，该闪烁体阵列响应于该辐射产生光子。在这些实施例中，该光电探测器阵列可以是前射光电探测器或者是背射光电探测器。前射光电探测器是指这种光电探测器，其中辐射首先碰到包含光电二极管的光电探测器阵列的表面，即光电探测器的“正面”。相反，在背射光电探测器中，辐射首先碰到和光电二极管相对的光电探测器阵列的表面，即光电探测器的“背面”。每个光电二极管配置成响应于撞击光电二极管的光子而产生电信号或电荷。每个光电二极管上的每个电荷随后被读出以确定在该光电二极管位置处的光子入射，并因此确定在该光电二极管位置处的辐射的入射。因此，可收集并处理该阵列的部分或全部的这种电荷信息，以产生描述在特定时间该探测器上辐射入射的图像。根据本技术，探测器18的每个光电二极管与相邻的光电二极管电绝缘，以便减少或消除串扰和扩散电流，由此防止来自断路光电二极管的电荷积累干扰从相邻光电二极管采集到的信号。下面描述根据本技术的探测器18内的光电探测器阵列的不同实施例。

尽管图1所示实施例提供了根据本发明使用的系统的全貌，在图2中提供了这种系统的具体示例以便于讨论和解释。具体地，图2提供了根据本技术特定方面工作的多切片计算机断层摄影(MSCT)系统32的示例描述。MSCT系统32包含外壳34，该外壳包含X射线源36和探测器阵列18。在MSCT系统32上进行扫描的患者40置于X射线源36和探测器18之间。MSCT系统32还包含参考图1所讨论的探测器采集电路20、图像处理电路22、操作人员工作站24、以及系统控制器28。此外，在所述实施例中，还存在图像显示工作站26。在该示例实施例中，探测器18包括光电二极管的二维阵列，每个光电二极管都与相邻光电二极管电绝缘以减少或消除与断路光电二极管相关联的扩散电流。

图3描述了示例探测器模块41，该探测器模块41可用于分别如图1和图2所示的示例成像系统10与/或32。具体地，相应探测器18可以是探测器模块41的组件，这些模块被连接以形成该相应探测器18。这样，通过替换一个或几个探测器模块41而不替换整个探测器18，可以解决探测器18的问题区域。然而，应该理解，在极端情况下，探测器18可由单个探测器模块41构成。在所述实施例中，探测器模块41包括由多个闪烁体单元组成的闪烁体层42。类似地，在所述实施例中，探测器模块41包含光电探测器阵列44，该光电探测器阵列部分由多个光电二极管构成。典型地，每个闪烁体单元和对应光电二极管相关联。类似地，每个光电二极菅通常对应于图像数据像素。在某些实施中，光电探测器阵列44可固定于附加的衬底层(未示出)以提供机械稳定性。

图4为根据本技术某些实施的示例性光电探测器阵列44的截面视图。所示光电探测器阵列44包含光电二极管层48以及通常是导电的衬底层50。例如，在一个实施例中，衬底层50包含N+掺杂硅。本领域普通技术人员将理解，该衬底层的掺杂类型可以互换成P+、N-、或P-掺杂硅。在一个实施例中，光电二极管层48比衬底层50薄得多。在所示实施例中，光电二极管层48包括多个光电二极管，每个光电二极管形成为嵌在高电阻率的n型层54内的P+层52，其中该n型层通常称为本征层，尽管该层并非真正本征。本征层54通常为适合用作光电二极管的任何适当半导体材料(例如硅)的轻掺杂形式。本领域普通技术人员将理解，选择硅作为该半导体，可以使用本技术领域中已知的技术容易地进行预处理和后处理。然而，随着半导体工业的发展，可以恰当地使用任何其它合适的半导体材料替代硅。

在当前所述实施例中，每个光电二极管通过例如所示扩散栅格的N+扩散区56与相邻光电二极管电绝缘，该扩散栅格向下到达底下面的衬底50以实现电绝缘。例如，N+扩散区56形成于每个光电二极管周围，使得任何来自断路光电二极管的扩散电流不会流到任何相邻的光电二极管。本领域技术人员将会理解，该扩散区也可以是其它掺杂类型。

图5为示出了根据本技术某些实施的另一个示例阵列44的截面视图。在所示实施例中，光电探测器阵列44为单层结构，通常包含诸如硅的本征半导体材料60，通常用数字52表示的多个P+层嵌在该本征半导体材料上以形成光电二极管。在所示实施例中，每个光电二极管像素通过诸如所示深扩散栅格的深N+扩散区62与相邻的光电二极管像素电绝缘。通过执行本领域中通常已知的技术可以将深N+扩散区62扩散到本征层60内。

图6为根据本技术某些其它实施的另一个示例性光电探测器的截面视图。在本实施例中，光电探测器阵列44为单层结构，其中诸如所示扩散栅格的对齐及相对的N+扩散区64扩散成使得相对的扩散区在光电探测器阵列44内相互接触。由于存在相对的扩散区64，每个光电二极管被电绝缘。

图7为根据本技术某些其它实施的另一个示例性光电探测器阵列44的截面视图。在当前所示实施例中，光电探测器阵列44为包含光电二极管层48和衬底层50的双层结构。光电二极管层48为高电阻率半导体材料(通常是硅)的本征层，并包含多个光电二极管，每个光电二极管通常用参考数字70表示。每个光电二极管形成为嵌在光电二极管层48的通常为硅的本征半导体材料内的P+层70。例如，在一个实施例中，衬底层50包含N+掺杂硅。通常，衬底50由与光电二极管层48相同的半导体材料制成，但进行恰当地掺杂而变为N+衬底。

在所示实施例中，每个光电二极管72通过沟槽74与相邻的光电二极管电绝缘，所述沟槽形成于每个光电二极管之间并向下到达衬底50。本领域技术人员将会理解，可通过诸如精确机械锯切、腐蚀等化学或机械方法在该光电二极管层48内形成沟槽74。可通过化学腐蚀技术、反应离子蚀刻、或本领域中已知的其它蚀刻技术进行蚀刻。在每个光电二极管之间形成沟槽电绝缘了每个光电二极管。

在一个实施例中，使用包含热氧化物、其它沉积薄膜、或N+掺杂层的已知方法钝化和保护每个沟槽的各侧。这种钝化技术降低了信号载流子在这些表面的复合或损耗，并减少了光电二极管内漏电流的产生。

类似地，图8为根据本技术另一个实施的又一个示例性光电探测器阵列44的示意性表示。在本实施例中，光电探测器阵列44为单层76，由诸如硅的高电阻率半导体材料制成。层76包含多个光电二极管，每个光电二极管用参考数字78表示。每个光电二极管由P+层80及层76形成。在所示实施例中，每个光电二极管78通过深沟槽81与相邻光电二极管部分地电绝缘，所述深沟槽81并不穿透本征半导体材料的整个层76。可按参考图7所述的方式形成和钝化沟槽81。

尽管在前述讨论中所讨论的示例实施例中，光电二极管阵列的每个光电二极管相互电绝缘，但其它实施例也是可能的。例如，代替隔离每个光电二极管，隔离光电二极管的行或列可能是理想的，即和前述的二维隔离方案相反，只在一个维度提供电绝缘可能是理想的。本领域普通技术人员将会理解，在这种实施中可采用这里所述的技术；然而，代替扩散区或沟槽的完整栅格，可提供平行条状的扩散区或沟槽，将这些光电二极管分离成所需的行或列。这样，光电二极管的每行或各列与其它各行或各列相互电绝缘，但各个行或列内的光电二极管并不相互电绝缘。此外，本领域普通技术人员将会理解，为了简单前述示例分别只描述了电绝缘光电二极管的一种技术。然而，在其它实施例中可以采用沟槽和扩散栅格的组合。例如，可通过平行条状的扩散区实现一个维度上的电绝缘，而通过平行沟槽实现第二维度上的电绝缘。类似地，如果需要，可同时采用不同的技术即扩散区与/或沟槽，以获得一个维度上的电绝缘。

尽管前述讨论提供了用于电绝缘探测器阵列的光电二极管的各种技术，此外理想地是，也可在二极管背侧提供互连结构，用于将如这里所述的电绝缘光电二极管连接到适当的读出电路，例如连接到图1和2的探测器采集电路。例如，现在参考图9，描述这种互连结构的示例，该互连结构应用于采用沟槽83电绝缘相邻光电二极管的实施例。出于讨论目的将探测器阵列82示成包含两个光电二极管像素的双层结构，每个包含位于高电阻率半导体材料本征层88上的P+区84。衬底90通常固定于本征层88一面，该面和嵌入了P+层的面相对。电互连结构或通路92穿过衬底90和沟槽以接触各个光电二极管。在本实施例中，通路92配置成提供从P+层84跨过衬底90并穿过隔离该两个光电二极管像素的沟槽的导电路径。通过使通路92位于沟槽内，暴露于入射光子或辐射的P+层84的表面积的降幅很小或不减小。这可增大图像信号的产生效率。尽管所示实施例参考了双层结构，本领域技术人员将会理解，本互连技术也适用于采用单层探测器层与/或深沟槽电绝缘相邻光电二极管的实施例，如这里所述。还会理解，所述通路不一定穿过沟槽，而是可以穿过二极管有源区的一部分。

图10示出互连结构或通路93的实施例，该互连结构或通路用于采用扩散区或栅格电绝缘相邻光电二极管的本技术的实施例。在本实施例中，通路92穿过衬底90并穿过本征层88内的扩散区56，从而接触由P+层52和本征层88形成的光电二极管。本领域普通技术人员将会理解，本互连技术也适用于采用单层探测器层、深扩散区、与/或对置扩散区或沟槽电绝缘相邻光电二极管的实施例，如这里所述。

本领域普通技术人员将会理解，这里所描述的电绝缘技术以及互连技术可结合分别参考图1和2所述的探测器或探测器阵列使用。在某些情况下，该探测器阵列可用于直接探测来自目标的衰减辐射。在某些其它实施中，该探测器阵列可按图3所示方式包含闪烁体阵列。另外，尽管已经使用硅作为半导体材料讨论了各种实施例，应该指出，本技术可包含任何其它合适的半导体材料以形成能够探测入射辐射的有效探测器阵列。这里所述本技术各个方面减少或防止光电二极管之间的扩散电流和串扰电流，例如对于断路光电二极管的情形。这样，光电二极管之间的扩散和其它电流的影响得到减轻，而不损失一个以上光电二极管的信号。另外，适用于一个像素但不适用于一批像素的诸如插值的校正技术可用于解决不影响其相邻光电二极管的信号的电绝缘光电二极管的信号损失。

尽管这里仅仅阐述和描述了本发明的特定特征，本领域技术人员可想到许多调整和改变。因此将会理解，所附权利要求旨在覆盖所有这种调整和改变，只要这些调整和改变落在本发明的真实精神范围内。

Claims (10)

1.一种探测器(18)，包含：

光电探测器阵列(44)，包含多个光电二极管以及将该多个光电二极管中每个光电二极管电绝缘的沟槽(74)结构。

2.权利要求1所述的探测器，其中该沟槽(81)结构延伸到通常置于该光电探测器阵列之下的衬底层(50)，且其中该沟槽结构中的每个沟槽被钝化。

3.权利要求1所述的探测器，进一步包含适于提供与该光电探测器阵列背侧电接触的至少一个通路(92)，且其中该探测器适用于成像系统(10)。

4.一种探测器(18)，包含：

前射光电探测器阵列(44)，包含多个光电二极管以及将该多个光电二极管中每个光电二极管分开的电绝缘结构。

5.权利要求4所述的探测器，其中该电绝缘结构包含沟槽(81)结构或扩散栅格，且其中该沟槽结构中的每个沟槽被钝化且其中该电绝缘结构延伸到衬底层(50)，其中该衬底层通常置于该前射光电探测器阵列之下。

6.权利要求4所述的探测器，进一步包含配置成提供与该光电探测器阵列背侧电接触的至少一个通路(92)，且其中该探测器适用于成像系统(10)。

7.一种探测器制造方法，包含：

提供包含多个光电二极管的光电探测器阵列(44)；

使用沟槽(81)结构将该多个光电二极管中的每个光电二极管电绝缘；以及

提供衬底层(50)，该衬底层通常置于该光电探测器阵列之下。

8.权利要求7所述的方法，包含钝化该沟槽结构。

9.权利要求7所述的方法，包含设置配置成提供与该光电探测器阵列背侧电接触的至少一个通路(92)，且其中该探测器适用于成像系统。

10.一种探测器制造方法，包含：

提供前射光电探测器阵列(44)，该光电探测器阵列包含前表面、后表面、以及置于前表面上的多个光电二极管；以及

使用电绝缘结构将该多个光电二极管中的每个光电二极管分开，其中该电绝缘结构包含沟槽(81)结构或扩散栅格。

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