DE19521075A1 - CT-Anordnung mit verbesserter Photosensor-Linearität und verringertem Übersprechen - Google Patents

Description

Bildgebungsanordnungen für Computertomographie (CT) enthalten typischerweise große Gruppen oder Felder (Arrays) von Photosensor-Bauelementen, die über eine optische Kopp­ lungs- oder Verbindungsschicht mit einem Szintillator ver­ bunden sind, in dem die einfallende Strahlung (beispielsweise Röntgenstrahlen), die vom Bildgeber zu de­ tektieren ist, absorbiert wird. Lichtphotonen, die infolge der Absorption der einfallenden Strahlung in dem Szintilla­ tor erzeugt werden, wandern zum Photodetektorfeld und wer­ den wiederum von dem Photosensor absorbiert, was zur La­ dungsakkumulation oder -speicherung in dem Photosensor führt, die dem Lichtphotonenstrom entspricht. Ein Lesen oder Entladen der in den jeweiligen Photosensoren gespei­ cherten Ladung liefert ein Maß für die Intensität der ein­ fallenden Röntgenstrahlen und für die relative Position in dem Feld, an der die Röntgenstrahlung absorbiert worden ist.

Bei herkömmlichen CT-Anordnungen sind Photosensoren in einem eindimensionalen Feld angeordnet, wobei jeder Pho­ tosensor unmittelbar mit einer Auslese-Elektronik verbunden ist. (In einer eindimensionalen Anordnung sind die Photo­ sensoren entlang einer Achse ausgerichtet.) In volumetri­ schen CT-Geräten enthalten die Photosensorfelder typischer­ weise Photosensorarray-Blöcke, in denen Photodioden in ei­ ner zweidimensionalen Pixelanordnung angeordnet sind, d. h. sie sind entlang zwei Achsen angeordnet. Diese Photosenso­ ranordnungen weisen typischerweise einen Block aus halblei­ tendem Material auf, in dem Kontaktierungsflecken oder - flächen entlang einer Oberfläche des Arrayblocks gebildet sind und eine Elektrode entlang einer gegenüberliegenden Oberfläche des Arrayblocks angeordnet ist. Die Photosensoren in dem Block entsprechen dem jeweiligen Kon­ taktierungsfleck. Eine Vorspannung wird durch die Rückelek­ trode an die Photosensoren des Feldes angelegt und führt zu einer Verarmungszone, die in dem halbleitenden Material ge­ bildet wird, das die Kontaktierungsflecke umgibt. Die La­ dung, die in der Photodiode aufgrund der Absorption von Lichtphotonen von dem Szintillator erzeugt wird, wird an den jeweiligen Pixel-Kontaktierungsflecken gesammelt und von der Auslese-Elektronik verarbeitet, um das Ausgangssi­ gnal des Bildgebers zu erzeugen.

Es ist wünschenswert, daß das Photosensorfeld in einer CT-Bildgebungsanordnung rauscharm ist, ein niedriges Über sprechen zwischen den Photodioden und einen hohen Li­ nearitätsgrad zeitigt, (d. h. die Photosensoren erzeugen entsprechende Ladungsmengen unter Ansprechen auf die glei­ che Intensität einfallender Strahlung auf dem Bildgeber.) Um beispielsweise das Übersprechen zwischen Photodioden zu minimieren, ist ein reflektierendes oder lichtaufnehmendes Material um die Bereiche des Szintillators herum angeord­ net, die über den jeweiligen Pixeln liegen, um eine Streu­ ung von Lichtphotonen innerhalb des Szintillators zu Pixeln zu verringern, die nicht die Pixel sind, die unter dem Be­ reich des Szintillators liegen, in dem die Lichtphotonen unter Ansprechen auf die Absorption der einfallenden Strah­ lung erzeugt werden.

Wenn neue zweidimensionale Anordnungen für einen Einsatz in der volumetrischen CT entwickelt werden, wird angenommen, daß die lichtdurchlässige optische Kopplungs­ schicht bei bekannten Bildgebungsanordnungen vom CT-Typ be­ züglich des Übersprechens und der Linearität der jeweiligen Photodioden ein Problem darstellt. Optische Photonen, die in einem Bereich des Szintillators erzeugt werden, der über einem bestimmten Pixel liegt, können gestreut werden und die optische Kopplungsschicht zu einem benachbarten Pixel durchwandern. Dieser Durchgang sorgt für ein erhöhtes Über­ sprechen in der Anordnung, d. h. es erfolgt in den Photodi­ oden eine Detektion von Licht, das in Bereichen des Szin­ tillators absorbiert wird, die nicht dem Bereich des Szintillators entsprechen, der über dem Pixel liegt, was die räumliche Auflösung der Anordnung verringert.

Weiter kann die Absorption von Photonen im Bereich zwischen den Dioden die Linearität der Anordnung beeinflus­ sen, da die Ladungsmenge, die in einer bestimmten Diode ge­ speichert wird, eine Funktion der Spannung über der Diode ist. (Die Vorspannung über der Diode beeinflußt die Ausdeh­ nung der Verarmungszone, die den Kontaktierungsfleck um­ gibt, und daher die lichtempfindliche oder photoaktive Zone einer bestimmten Photodiode.) Daher wird die Größe der Ver­ armungszone einer bestimmten Photodiode durch eine Signal­ stärke beeinflußt, d. h. je größer die Anzahl einfallender optischer Photonen, desto größer die gespeicherte Ladungs­ menge und daher die Verringerung der Größe der Verarmungs­ zone. Die Ladung, die nicht von einer Photodiode gesammelt wird, in der die Verarmungszone aufgrund einer verringerten Vorspannung kleiner wurde, kann durch Rekombination verlo­ ren gehen. Dieser Verlust führt zu einer Nicht-Linearität der Anordnung. Eine derartige Photonenabsorption in dem Be­ reich zwischen den Dioden kann sich aus folgenden Gründen ergeben: Der Szintillator ist größer als die darunterlie­ genden Dioden, optische Photonen verlassen den Szintillator unter einem Winkel derart, daß sie auf die Fläche zwischen den Dioden treffen, und Streuung optischer Photonen in der optischen Kopplungsschicht zwischen dem Szintillator und dem Photosensorfeld.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine CT-Photo­ sensoranordnung mit einem niedrigen Übersprechen und einer hohen Linearität der Photosensor-Bauelemente zu schaffen.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine rauscharme Photosensoranordnung zu schaffen.

Erfindungsgemäß enthält ein Bildgeber für Computer­ tomographie (CT) einen Szintillator und ein Photosensorfeld oder Photosensor-Array, das über eine optische Kopplungs­ schicht mit dem Szintillator verbunden ist. Das Photosen­ sorfeld enthält einen Block mit mehreren lichtempfindlichen Bauelementen, die einfallendes Licht vom Szintillator durch eine erste Oberfläche des Blocks aufnehmen. Jedes lichtempfindliche Element bildet ein Pixel in dem Feld, und jedes Pixel wiederum weist eine voll photoaktive Zone auf, in der die interne Quantenausbeute des Photosensors größer als etwa 65% ist. Die optische Kopplungsschicht enthält eine Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere, die wiederum lichtab­ sorbierendes Material aufweist, das über den Bereichen der ersten Oberfläche des Photosensorfeldes zwischen den jewei­ ligen, vollphotoaktiven Zonen der photoempfindlichen Bau­ elemente liegt. Die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere absor­ biert im wesentlichen alle Lichtphotonen, die entlang eines Weges zwischen dem Szintillator und den Pixeln in dem Pho­ tosensorfeld wandern, die nicht die Pixel sind, die unter dem Bereich des Szintillators liegen, in dem die Lichtpho­ tonen erzeugt werden.

Die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere enthält typi­ scherweise ein wärmebeständiges Polymer, das mit einem lichtabsorbierenden Material vermischt ist, beispielsweise einem organischen Farbstoff, Kohlenstoff oder Graphit, und zwar derart, daß die Extinktion der Lichtbarriere nicht kleiner als 1 und typischerweise 2 oder größer ist. Die Breite der jeweiligen Segmente der Pixel-Begrenzungs-Licht­ barriere zwischen Pixeln entspricht typischerweise einem potentiellen nicht voll photoaktiven Zwischenraum zwischen den Pixeln. Die Abmessungen des potentiellen, nicht voll photoaktiven Zwischenraums entsprechen dem Abstand zwischen der seitlichen Ausdehnung der Verarmungszonen benachbarter Photodioden. Der Zwischenraum entspricht wenigstens dem Ab­ stand zwischen der seitlichen Ausdehnung der voll vorge­ spannten Verarmungszonen jedes der benachbarten Pixel und typischerweise dem Abstand zwischen der seitlichen Ausdeh­ nung der nicht vorgespannten Verarmungszone der Photodiode. Bei einer Ausführungsform bedeckt die Lichtbarriere die Oberfläche des Array-Blocks zwischen den jeweiligen Kontak­ tierungsflecken benachbarter Pixel. Die Lichtbarrieren­ schicht ist typischerweise auch auf der ersten Oberfläche des Photosensorfeldes über den Schaltkomponenten angeord­ net, die mit den Photosensoren in dem Feld verbunden sind. Wenigstens ein Kanal ist typischerweise durch einen Teil der Pixel-Begrenzungs-Lichtbarrierenschicht angeordnet, die jedes Pixel in dem Feld umgibt.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Photosensorfeldes mit einer Pixel-Begrenzungs- Lichtbarrierenschicht gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht eines Abschnitts eines Photosensorfelds mit einer Pixel-Begrenzungs- Lichtbarrierenschicht gemäß der Erfindung.

Ein Strahlungsbildgeber 100 für Computertomogra­ phie (CT) weist einen Szintillator 110 auf, der optisch mit einem Photosensorfeld 120 über eine optische Kopplungs­ schicht 170 verbunden ist, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Erfindungsgemäß weist die optische Kopplungsschicht 170 eine Pixel-Begrenzungs-Lichtbarrierenschicht 180 auf, die über Bereichen des Photosensorfeldes aufgebracht ist.

Der Szintillator 110 enthält ein szintillierendes Material, das so ausgewählt ist, daß es einen hohen Absorp­ tionsquerschnitt für einen gewünschten Strahlungstyp be­ sitzt, der mit dem Bildgeber 100 detektiert werden soll. Beispielsweise wird für CT-Bildgeber, die für die Detektion von Röntgenstrahlen entwickelt werden, gewöhnlich ein Szin­ tillationsmaterial, beispielsweise LUMEX^TM, das bei General Electric Co. erhältlich ist, benutzt. Die Absorption ein­ fallender Strahlung in das Szintillationsmaterial führt zur Erzeugung von optischen Photonen, wobei einige von ihnen in das Photosensorfeld 126 über die optische Kopplungsschicht 170 durchgehen. Der Szintillator 110 enthält typischerweise mehrere Szintillationselemente 112, die durch Trennwände 115 gegenüber benachbarten Elementen getrennt sind. Die Trennwände weisen typischerweise ein undurchlässiges, re­ flektierendes Material, beispielsweise Aluminium, Silber, Gold oder dergleichen, oder alternativ Kunststoff oder Epo­ xidmaterialien auf, die mit streuenden (oder absorbieren­ den) Materialien, beispielsweise Titanoxid-Partikel (TiO₂), vermischt sind, um so den Durchgang optischer Photonen, die in einem Szintillationselement 112 erzeugt werden, in ein benachbartes Szintillationselement 112 zu begrenzen.

Das Photosensorfeld enthält einen Arrayblock 130, in dem mehrere Photosensorelemente 124 angeordnet sind. Je­ des Photosensorelement 124 enthält ein jeweiliges Pixel 125 im Feld. Der Arrayblock 130 besitzt eine erste Oberfläche 131, auf der die optische Kopplungsschicht 170 aufgebracht ist und durch die optische Photonen von den Szintillations­ elementen 112 in die jeweiligen Photosensoren 124 eindrin­ gen. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist jeder Photosensor im Block 130 eine Photodiode, die einen jeweiligen Kontak­ tierungsfleck 132 besitzt, der entlang der ersten Oberflä­ che 131 im Block 130 angeordnet ist. Jeder Kontaktierungs­ fleck 132 enthält ein dotiertes p⁺-Typ- Einkristallsilicium (d. h. das Silicium ist derart dotiert, daß es eine p-lei­ tende Dotierungsdichte in der Größenordnung von etwa 10¹⁶ bis 10²⁰ besitzt). Das Dotieren der Kontaktierungsflecken 132 erfolgt typischerweise in einem Ionen-Implantationspro­ zeß von der ersten Oberfläche 131 aus. Die Dicke der Kon­ taktierungsflecken 132 liegt typischerweise im Bereich zwi­ schen 0,1 µm und 2 µm.

Der Block 130 enthält ferner eine erste Halbleiter­ schicht mit einem n⁺-Typ-Einkristallsilicium (d. h. das Si­ licium ist derart dotiert, daß es eine n-leitende Dotie­ rungsdichte in einer Größenordnung von etwa 10¹⁶ bis 10²⁰ besitzt). Die Dicke der ersten Halbleiterschicht 134 liegt typischerweise im Bereich zwischen etwa 100 µm und 500 µm. Eine epitaxiale Halbleiterschicht 136 ist auf der ersten Halbleiterschicht 134 aufgebracht. Die Schicht 136 weist typischerweise ein einkristallines Silicium vom n-Typ auf (d. h. das Silicium ist derart dotiert, daß es eine n-lei­ tende Dotierungsdichte in der Größenordnung von etwa 10¹² bis 10¹⁵ besitzt). Die Dicke der Epitaxialschicht 136 liegt typischerweise im Bereich zwischen etwa 5 µm und 100 µm. Eine elektrisch leitfähige, rückseitige Kontaktschicht 138 ist entlang der der ersten Oberfläche 131 des Blocks 130 gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet und mit einer Spannungsquelle 139 verbunden. Die Spannungsquelle 139 legt eine gewünschte Vorspannung an die jeweiligen Photodioden 124 in dem Photosensorfeld 120 an. Typischerweise liefert die Spannungsquelle eine Spannung im Bereich zwischen etwa 1 und 20 V, um so jede Photodiode 124 in dem Feld umgekehrt vorzuspannen. Alternativ dazu kann das Photosensorfeld mit gegenüber den oben diskutierten Dotierungstypen umgekehrten Dotierungstypen hergestellt werden, d. h. der Block 130 ent­ hält p-Typ-Silicium, und die jeweiligen Kontaktierungsflec­ ken 132 enthalten ein n⁺-Typ-Silicium.

In einer beispielhaften Ausführungsform (nicht dar­ gestellt) enthält der Block 130 des Photosensorfeldes eine einzelne Masse- bzw. Bulkschicht aus n-Typ-Silicium, in der die jeweiligen Kontaktierungsflecken 132 aus p⁺-Typ-Sili­ cium angeordnet sind. Eine rückseitige Kontaktschicht ist in Kontakt zur Bulkschicht aus n-Typ-Silicium angeordnet, um so die gewünschte Vorspannung anzulegen.

Wenn eine Vorspannung an den Photosensor 124 ange­ legt wird, besitzt jedes Pixel 125 außerdem eine photoak­ tive Zone, d. h. eine Fläche, in der die Absorption ein­ fallender Lichtphotonen zu einer Erzeugung von Ladung führt, die in dem Kontaktierungsfleck 132 gesammelt wird. Nicht die gesamte in der Photodiode erzeugte Ladung wird an dem jeweiligen Kontaktierungsfleck 132 der Diode gesammelt. Ein Teil der Ladung geht durch Rekombination verloren. Ein anderer Teil der Ladung wandert zu benachbarten oder an­ grenzenden Photodioden. (Der Begriff "angrenzend" bezeich­ net Photodioden, die in dem Photosensorfeld nächst benach­ bart angeordnet sind.) Ein Maß für die Effektivität des La­ dungs-Sammelprozesses ist die Quantenausbeute der Photodi­ ode. Die Quantenausbeute ist definiert als das Verhältnis der Anzahl elektronischer Ladungen, die von einer Diode ge­ sammelt oder gespeichert werden, zur Anzahl von Photonen, die auf die Diodenoberfläche fallen. Die externe Quanten­ ausbeutung bezeichnet den Photonenstrom, der auf die opti­ sche Kopplungsoberfläche der Photodiode fällt, wohingegen die interne Quantenausbeute den Photonenstrom bezeichnet, der in die Halbleiterzone der Photodiode eindringt. Jede Photodiode 124 enthält ferner eine vollphotoaktive Zone. Der hierin benutzte Term "vollphotoaktiv" oder ähnliches bezeichnet eine photoaktive Zone oder einen Bereich der Photodiode mit einer internen Quantenausbeute, die nicht kleiner ist als etwa 65%.

Die Ausdehnung der vollphotoaktiven Zone der Photo­ diode entspricht der Verarmungszone in dem n-Typ-Silicium, das den Kontaktierungsfleck umgibt. Wenn die Diode voll in Sperrichtung vorgespannt ist, (z. B. wird die ganze Sperr­ vorspannung im wesentlichen über die Diode angelegt und es wird im wesentlichen keine Ladung in dem jeweiligen Kontak­ tierungsfleck 132 angesammelt) existiert eine voll vorge­ spannte Verarmungszone, die durch die in Fig. 1 darge­ stellte voll vorgespannte Verarmungszonengrenze 126 festge­ legt ist. Nachdem Ladung von der Photodiode 124 angesammelt worden ist (wobei die Diode nicht mit einer Ausleseelektro­ nik verbunden ist), fällt die Sperrvorspannung über der Di­ ode ab. Im höchstmöglichen Signalpegel, den die Diode lesen kann, erreicht die Diode eine Null-Vorspannung (oder alter­ nativ einen geringen, z. B. 0,1 V, Vorwärts-Vorspannungszu­ stand). In dieser Situation ist die Ausdehnung der nicht vorgespannten Verarmungszone durch die nicht vorgespannte Verarmungszonen-Grenze 128 gegeben, wie dies in Fig. 1 dar­ gestellt ist. Die jeweiligen nicht vorgespannten und voll vorgespannten Verarmungszonen entsprechen den vollphotoak­ tiven Zonen der Photodiode in den jeweiligen Vorspannungs­ zuständen, d. h. wenn die Sperrvorspannung über der Photodi­ ode abnimmt, verkleinert sich die Ausdehnung der vollpho­ toaktiven Zone ebenfalls. In der nicht vollphotoaktiven Zone des Feldes, d. h. der Bereich des Feldes außerhalb der jeweiligen vollphotoaktiven Zonen der Photodioden, fällt die Quantenausbeute des Elements auf eine im wesentlichen exponentielle Art und Weise ab, wobei die abfallende Stei­ gung eines bestimmten Elements eine Funktion eines bestimm­ ten Elements und der Herstellungsprozesse ist.

Die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarrierenschicht 180 enthält ein lichtabsorbierendes Material mit einer Extink­ tion oder einem Wert des Absorptionsvermögens von wenigstens 1 und gewöhnlich 2 oder mehr. Die Extinktion, die hierin benutzt wird, ist ein Maß für die Lichtabsorpti­ onscharakteristik des Materials und wird durch den negati­ ven Logarithmus (Basis 10) des Transmissionsgrads bestimmt. (Das ist der Lichtbruchteil, der durch eine Probe geht.) Das lichtabsorbierende Material enthält typischerweise ein Polymer, das mit einem organischen Farbstoff, z. B. Sudan Black B, oder alternativ einer Substanz, wie z. B. Ruß, Gra­ phit oder dergleichen, vermischt worden ist, um den ge­ wünschten Extinktionswert zu erhalten. Es kann jedes Poly­ iner, das mit dem Photosensorfeld 120 kompatibel ist, ver­ wendet werden. Beispiele enthalten Polyamide, Polyimide, Polycarbonate, Polyester, Polyphenylenäther, Acryle und daraus hergestellte Mischungen oder Verbindungen. Die Pi­ xel-Begrenzungs-Lichtbarrierenschicht 180 ist darüber hin­ aus wärmebeständig, d. h. die Extinktion der Schicht wird nicht kleiner als 1, wenn sie für etwa 6 Stunden bis zu ei­ ner Temperatur von etwa 250°C erhitzt wird. Unter den oben­ erwähnten Erwärmungsbedingungen erfährt die Polymerstruktur keine chemischen Zersetzung, die Sprünge, Risse oder ein Abheben der Schicht verursachen würde, was dazu führen würde, daß die Schicht ihre dielektrischen Eigenschaften verliert oder die strukturelle Unversehrtheit der Schicht zerstört wird. (Dadurch wären die darunter liegenden Kompo­ nenten des Feldes Materialien ausgesetzt, die in anderen Prozeßschritten bei der Herstellung des Feldes benutzt wer­ den.)

Die Lichtbarriere 180 wird typischerweise dadurch gebildet, daß man das Polyimid-Farbstoff-Gemisch auf die erste Oberfläche 131 des Photosensorfeldes bis zu einer Dicke im Bereich zwischen 1 und 100 µm aufschleudert (gewöhnlich etwa 5 µm), das Polyimid-Farbstoff-Gemisch trocknen und/oder aushärten läßt (indem man es gewöhnlich bei Temperaturen zwischen 200°C und 400°C backt) und danach das ausgehärtete Polyimid-Farbstoff-Material strukturiert, um die Lichtbarrierenschicht 180 herzustellen. Als Alterna­ tive enthält die Lichtbarrierenschicht 180 entweder eine anorganische oder eine organische dielektrische Schicht mit Metallpartikeln, z. B. Keramik-Metall-Gemisch, die darin eingemischt sind, um die gewünschten Extinktionswerte zu erreichen. Eine derartige Schicht wird typischerweise in einem Zerstäubungs- bzw. Sputterschritt auf einem isolie­ renden dielektrischen Material abgeschieden.

Erfindungsgemäß ist die Pixel-Begrenzungs-Lichtbar­ riere 180 auf der ersten Oberfläche 131 des Photosensor­ blocks 130 aufgebracht, um so über dem Bereich des Photo­ sensorfeldes 120 zwischen den jeweiligen vollphotoaktiven Zonen benachbarter Pixel 125 zu liegen. Wie in Fig. 2 dar­ gestellt ist, enthält die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere 180 mehrere Segmente 182, die die Fläche der jeweiligen Pi­ xel 125 begrenzen. Jedes Segment 182 liegt über nicht voll­ photoaktiven Zonen zwischen benachbarten Pixeln 125, wobei die Breite "W" eines bestimmten Segments 182, das sich zwi­ schen benachbarten Pixeln 125 befindet, im wesentlichen dem potentiellen, nicht vollphotoaktiven Zwischenraum zwischen Pixeln entspricht. Der potentielle, nicht vollphotoaktive Zwischenraum ist der Abstand zwischen der seitlichen Aus­ dehnung der Verarmungszonen benachbarter Photodioden. Der Zwischenraum entspricht wenigstens dem Abstand zwischen der seitlichen Ausdehnung der voll vorgespannten Verarmungszo­ nen der jeweiligen benachbarten Pixel und typischerweise dem Abstand zwischen der seitlichen Ausdehnung der nicht vorgespannten Verarmungszone der Photodiode. Der hierin be­ nutzte Begriff "seitliche Ausdehnung" bezeichnet die äußer­ ste Ausdehnung der Verarmungszone innerhalb des Diodenkör­ pers und nicht nur die Ausdehnung der Verarmungszone ent­ lang der ersten Oberfläche 131 (die Verarmungszone er­ streckt sich in dem Diodenkörper typischerweise weiter weg vom Mittelpunkt der Diode als an der Oberfläche). Alterna­ tiv entspricht die Breite der jeweiligen Segmente der Pi­ xel-Begrenzungs-Lichtbarriere 180 dem Abstand zwischen den jeweiligen Kontaktierungsflecken 132 (Fig. 1), die entlang der ersten Oberfläche des Photosensorfeldes 120 angeordnet sind. Die Breite W der Segmente 182 wird daher so ausge­ wählt, daß die Linearität des Arrays verbessert und das Übersprechen verringert wird, indem eine gewünschte Lichtabsorption optischer Photonen ausgebildet wird, die entlang eines Weges (z. B. durch mehrere Reflexionen (Streuung) in der optischen Kopplungsschicht) von einem Szintillationselement 112 zu der Photodiode wandern, die unter einem anderen Szintillationselement 112 liegt.

Erfindungsgemäß wird bei einem zweidimensionalen VCT-Photosensorfeld jede Kontaktfläche 132 typischerweise über eine gemeinsame Elektrode (nicht gezeigt) und ein schaltendes Bauelement 140 (beispielsweise ein Feldef­ fekttransistor (FET) oder dergleichen) mit einer Adreßlei­ tung verbunden, die an eine Ausleseelektronik (nicht darge­ stellt) angeschlossen ist, so daß die Ladung, die von der Photodiode gespeichert wird, wenn sie während eines Inte­ grationszyklus der einfallenden Strahlung ausgesetzt ist, gelesen werden kann. Die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere 180 ist typischerweise auch über den Schaltelementen 140 in dem Photosensorfeld angeordnet. Ein repräsentativer FET- Schalter 140 mit einer p⁺-Typ-Source-Elektrode und einer p⁺-Typ-Drain-Elektrode 142 ist in Fig. 1 dargestellt (allerdings sind Adreßleitungen und damit verbundene Pho­ tosensor-Kontaktleitungen nicht dargestellt). Da das Halb­ leitermaterial, das den FET 140 bildet, ähnlich der bei den Photodioden 124 benutzten Materialien ist, kann ein Licht­ einfall auf die FETs 140 auf ähnliche Weise zu einer La­ dungserzeugung führen, die eine Rauschquelle beim Auslesen des Photosensorfeldes bildet.

Die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere 180 ist in ei­ ner optischen Kopplungsschicht angeordnet, d. h. sie ist auf der ersten Oberfläche 131 des Photosensorfeldes 120 aufge­ bracht und sonst von der optischen Kopplungsschicht 170 um­ geben, die typischerweise ein lichtdurchlässiges Material aufweist, beispielsweise ein thermisch stabiles Polymer, ein Epoxid oder dergleichen. Das Material mit der optischen Kopplungsschicht wird optimal ausgewählt, damit es einen optischen Brechungsindex besitzt, der zwischen den jeweili­ gen Brechungsindizes der Szintillationselemente 112 und der den Photodioden 124 liegt, um so eine effektive optische Kopplungsschicht dazwischen zu bilden.

Die optische Kopplungsschicht 170 und die Pixel-Be­ grenzungs-Lichtbarriere 180 werden gewöhnlich auf die fol­ gende Art und Weise gebildet: Die Lichtbarriere wird zuerst gebildet, beispielsweise durch Aufschleudern des Polyimid- Farbstoff-Gemischs auf die erste Oberfläche 131; nach dem Aushärten wird das lichtundurchlässige Polyimid-Farbstoff- Material unter Anwendung photolithographischer Prozesse strukturiert (diese können für eine hohe Auflösung, z. B. < 5 µm, sorgen), um die gewünschten Abmessungen für die Seg­ mente 182 (Fig. 2) zu liefern, um so eine Lichtbarriere zu erhalten, die auf der ersten Oberfläche 131 über den Flä­ chen zwischen den vollphotoaktiven Zonen benachbarter Pho­ todioden und über den Schaltelementen liegt.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform befin­ det sich ein Kanal 184 in wenigstens einem der Segmente 182, die jedes Pixel 125 umgeben, um so eine Fluidkommuni­ kation zwischen der ersten Oberfläche und den Flächen zu gestatten, die über den vollphotoaktiven Zonen benachbarter Pixel 125 liegen. Die optische Kopplungsschicht 170 wird anschließend abgeschieden. Dabei handelt es sich beispiels­ weise um ein durch UV-Licht härtbares Epoxid. Das nicht ausgehärtete Epoxid befindet sich in einem flüssigen oder gasförmigen Zustand und erstreckt sich daher über die Pixel 125 und um die Lichtbarriere 180 herum. Die Kanäle 184 un­ terstützen die gleichmäßige Verteilung des flüssigen Polyi­ mid zwischen den Pixeln 125 und daher die Bildung einer op­ tischen Kopplungsschicht, die die Lichtbarriere 180 bedeckt und im wesentlichen eben ist. Nachdem das optisch transpa­ rente Epoxid mittels UV-Bestrahlung gehärtet worden ist, wird der Szintillator 110 darüber gebildet.

Beim Betrieb dient die Anwesenheit der Pixel-Be­ grenzungs-Lichtbarrierenschicht 180 dazu, die Streuung op­ tischer Photonen, die in einem Szintillationselement 112 in einer Photodiode erzeugt werden, die nicht die Photodiode ist, die unter dem Szintillationselement in dem Photosen­ sorfeld 120 liegt, im wesentlichen zu verhindern und da­ durch Rauschen und Übersprechen zu verringern sowie die li­ nearen Betriebscharakteristiken der einzelnen Photosensoren 124 in dem Feld 120 zu verbessern.

Claims (21)

1. Strahlungs-Bildgeber für die Computertomographie (CT), enthaltend:
einen Szintillator (110),
ein Photosensor-Feld (120), das optisch mit dem Szin­ tillator (110) gekoppelt ist, wobei das Photosensor- Feld (120) einen Block (130) mit mehreren lichtempfind­ lichen Elementen (124) aufweist, die einfallendes Licht von dem Szintillator (110) durch eine erste Oberfläche (131) des Blocks (130) aufnehmen können, wobei jedes lichtempfindliche Element (124) ein Pixel (125) in die­ sem Feld bildet, welches je eine voll photoaktive Zone aufweist, und
eine optische Kopplungsschicht (170) zwischen dem Szintillator (110) und dem Photosensor-Feld (120), wo­ bei die optische Kopplungsschicht (170) eine Pixel-Be­ grenzungs-Lichtbarriere (180) mit einem Licht-aufnahme­ fähigen Material aufweist, die in der optischen Kopp­ lungsschicht (1?0) angeordnet ist und über einem Be­ reich auf der ersten Oberfläche (131) des Photosensor- Feldes (120) zwischen den jeweiligen vollphotoaktiven Zonen benachbarter, lichtempfindlicher Elemente liegt, wobei die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) derart angeordnet ist, daß sie Lichtphotonen absorbieren kann, die entlang eines Weges zwischen dem Szintillator (110) und den Pixeln in dem Photosensor-Feld (120) wandern, die nicht unter dem Bereich des Szintillators (110) liegen, in dem die Lichtphotonen erzeugt wurden.

2. Bildgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Quantenausbeute der voll photoaktiven Zonen größer ist als etwa 65°.

3. Bildgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (130) des Photosensor-Feldes (120) ein Halb­ leitermaterial mit mehreren Kontaktierungsflecken (132) aufweist, die entlang der ersten Oberfläche (131) ange­ ordnet sind, wobei jeder Kontaktierungsfleck (132) ei­ nem lichtempfindlichen Element (124) entspricht, und daß die jeweiligen lichtempfindlichen Elemente in dem Block (130) angeordnet und wenigstens zu einem anderen lichtempfindlichen Element benachbart angeordnet sind, wobei jede vollphotoaktive Zone den jeweiligen Photo­ sensor-Kontaktierungsfleck (132) und eine voll vorge­ spannte Verarmungszone in dem Halbleitermaterial auf­ weist, die den Kontaktierungsfleck (132) umgibt.

4. Bildgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes lichtempfindliche Element eine nicht vorge­ spannte Verarmungszone enthält.

5. Bildgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) mehrere Segmente (182) aufweist, die um die jeweiligen Pixel herum in dem Photosensor-Feld angeordnet sind, wobei die Breite jedes Segments sich über wenigstens einen Zwischenraum zwischen den jeweiligen nicht vorgespann­ ten Verarmungszonen benachbarter, lichtempfindlicher Elemente erstreckt.

6. Bildgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere mehrere Seg­ mente aufweist, die um jeweilige Pixel in dem Photosen­ sor-Feld angeordnet sind, wobei die Breite der Segmente dem Abstand entlang der ersten Oberfläche zwischen den Kontaktierungsflecken benachbarter, lichtempfindlicher Elemente entspricht.

7. Bildgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) über schaltende Elemente (140) in dem Photosensor-Feld er­ streckt.

8. Bildgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) ein ther­ misch stabiles Polymer und ein lichtabsorbierendes Ma­ terial enthält.

9. Bildgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch stabile Polymer aus der Gruppe ausge­ wählt ist, die Polyamide, Polyimide, Polycarbonate, Po­ lyester, Polyphenyl-Ether, Acryle und daraus herge­ stellte Gemische umfaßt.

10. Bildgeber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtabsorbierende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die organische Farbstoffe, Ruß und Gra­ phite umfaßt.

11. Bildgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) eine Ex­ tinktion von größer als 1 besitzt.

12. Bildgeber nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Extinktion der Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) nicht kleiner als 2 ist.

13. Bildgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der optischen Kopplungsschicht im Bereich zwischen 1 und 200 µm liegt.

14. Bildgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) im Bereich zwischen etwa 1 µm und 100 µm liegt.

15. Bildgeber nach, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) auf der ersten Oberfläche des Photosensor-Feldes angeordnet ist, um so über den schaltenden Komponenten (140) zu liegen, die mit den lichtempfindlichen Elementen des Feldes verbunden sind.

16. Bildgeber nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltenden Elemente (140) Feldeffekttransisto­ ren (FET) sind.

17. Bildgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) Kanäle derartig enthalten sind, daß wenigstens ein Kanal durch wenigstens ein Segment der Pixel-Begrenzungs-Lichtbar­ riere verläuft, die um das jeweilige Pixel in dem Pho­ tosensor-Feld herum angeordnet ist.

18. Bildgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Block des Photosensor-Feldes eine erste Schicht aus einem n⁺-Typ-Silicium und eine Epitaxialschicht aus einem n-Typ-Silicium aufweist, wobei jeder Pixel-Kon­ taktierungsfleck in der Epitaxialschicht angeordnet ist.

19. Bildgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixel-Begrenzungs-Lichtbarriere (180) ein Me­ tall aufweist, das in einer dielektrischen Schicht an­ geordnet ist.

20. Bildgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Elemente in dem Photosensor- Feld in einem eindimensionalen Muster angeordnet sind.

21. Bildgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Elemente des Photosensor- Feldes in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sind.