DE19944731A1 - Flächenhafter Bilddetektor für elektromagnetische Strahlen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen flächenhaften Bilddetektor (5) für elektromagnetische Strahlen (3), bei dem auf einem Substrat (11) eine Matrix (20) aus Dünnfilm-Transistoren (TFT) aufgebracht ist, über der eine Isolierschicht (21) angeordnet ist, auf der sich Metallelektroden (23) mit Kontaktlöchern (22) zu der Matrix (20) befinden, mit einer Photodiodenschicht (24), die von einer oberen Elektrode (25) abgedeckt ist. Der Bilddetektor (5) ist derart ausgebildet, daß zwischen den einzelnen Metallelektroden (23) in der Photodiodenschicht (24) isolierende Bereiche (27, 30) gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen flächenhaften Bilddetektor für elektromagnetische Strahlen, bei dem auf einem Substrat eine Matrix aus Dünnfilm-Transistoren aufgebracht ist, über der eine Isolierschicht angeordnet ist, auf der sich Metallelek­ troden mit Kontaktlöchern zu der Matrix befinden, und mit ei­ ner in einer darüber liegenden Ebene angeordneten Photo­ diodenschicht, die von einer oberen Elektrode abgedeckt ist. Derartige Bilddetektoren werden beispielsweise in Röntgendia­ gnostikeinrichtungen eingesetzt, wie sie in Fig. 1 darge­ stellt sind.

In der Fig. 1 ist eine aus der DE 195 27 148 C1 bekannte Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer von einem Röntgengene­ rator 1 mit Hoch- und Heizspannung versorgte Röntgenröhre 2 wiedergegeben, die eine kegelförmige Röntgenstrahlung 3 er­ zeugt, die einen Patienten 4 durchdringt und auf einem für Röntgenstrahlung 3 empfindlichen Festkörper-Detektor 5 Strah­ lenbilder erzeugt. Das Ausgangssignal des Festkörper-Detek­ tors 5, die Bilddaten 6, wird einem Bildsystem 7 zugeführt. Das Bildsystem 7 kann Wandler, Bildspeicher und Verarbei­ tungsschaltungen aufweisen. Es ist zur Wiedergabe der erfaß­ ten Röntgenbilder mit einem Monitor 8 verbunden. Bedienele­ mente 9 sind über eine Systemsteuerung und -kommunikation 10 mit den übrigen Komponenten der Röntgendiagnostikeinrichtung verbunden.

Derartige Festkörper-Röntgendetektoren sind beispielsweise aus M. Hoheisel et al., Journal of Non-Crystalline Solids Vol. 227-230, 1998, Seite 1300ff, bekannt und in der Fig. 2 im perspektivischem Querschnitt dargestellt. Auf einem Glas­ substrat 11 ist eine Schicht, beispielsweise aus amorphem Si­ lizium, mit einer Pixelmatrix 12 von Detektorelementen aus Photodioden 13 und Schaltelementen 14 aufgebracht, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, die durch Zeilen- 15 und Spaltenleitungen 16 verbunden sind. Darüber ist eine Szintil­ latorschicht 17, beispielsweise bestehend aus Caesiumjodid (CsI), angeordnet, die die einfallende Röntgenstrahlung 3 in sichtbares Licht umwandelt.

Es werden jeweils alle Pixel einer Zeile gleichzeitig von den Zeilentreibern 18 adressiert und ausgelesen. Die Signale wer­ den in einer Vielzahl von Verstärkern 19 parallel verarbei­ tet. Ein Bild wird im einfachsten Fall Zeile für Zeile pro­ gressiv ausgelesen.

Soll ein derartiger Röntgendetektor ein hohes Ortsauflösever­ mögen aufweisen, müssen die verwendeten Detektorelemente mög­ lichst klein sein. Da die Größe der Schaltelemente und Ver­ bindungsleitungen bei einer Verkleinerung der Detektorelemen­ te unverändert bleiben muß, müssen die Photodioden 13 noch kleiner als das Reduzierungsverhältnis werden. Damit exi­ stiert eine untere Grenze für die Größe der Detektorelemente bei vorgegebener Technologie.

Zu weiteren Verkleinerung wurde vorgeschlagen, die Photo­ dioden in einer getrennten Ebene oberhalb der Schaltelemente und Verbindungsleitungen anzuordnen, wobei die Photodioden dann die gesamte Fläche beanspruchen können. Mit einer derar­ tigen Anordnung sind wesentlich kleinere Detektorelemente herstellbar, wobei die Fläche der Photodioden einen hohen An­ teil an der Gesamtfläche einnehmen kann.

Dazu wird eine ganzflächige pin-Photodiode aufgebracht, deren untere Elektrode für die einzelnen Detektorelemente struktu­ riert wird, so daß auch Ladungsträger, die zwischen den ein­ zelnen Elektroden angeregt wurden, vom elektrischen Feld je­ weils zu einer Elektrode gezogen und dort gesammelt werden, so daß sie zum Nutzsignal beitragen.

Diese Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß das elek­ trische Feld zwischen Anode und Kathode der Photodioden im Bereich zwischen jeweils zwei Elektroden sehr gering wird. Genau in der Mitte verschwindet es sogar gänzlich. Das führt dazu, daß zwar die meisten Ladungsträger aus diesem Bereich gesammelt werden, allerdings aufgrund der geringen Feldstärke wesentlich langsamer als die Ladungsträger, die sich im Be­ reich der Elektroden befinden. Ein Teil der Ladungsträger wird auch rekombinieren, bevor es überhaupt eine Elektrode erreichen kann. Dies führt zu einer Trägheit des Detektors, die sich bei sich ändernden Eingangssignalen störend bemerk­ bar machen kann. Diese Problematik ist auch von anderen Bild­ sensoren her bekannt, wie beispielsweise von M. Hoheisel et al. im Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 90, 1987, Seite 243ff, beschrieben ist.

Weiterhin kann zwischen benachbarten Detektorelementen ein Übersprechen auftreten, das seine Ursache in den Potential­ differenzen zwischen den Elektroden hat. Dadurch kann das Ortsauflösungsvermögen eines Detektors in unerwünschter Weise vermindert werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen Bilddetektor der eingangs genannten Art derart auszubilden, der nur eine geringe Trägheit und wenig Übersprechen aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bilddetektor derart ausgebildet ist, daß zwischen den einzel­ nen Metallelektroden in der Photodiodenschicht isolierende Bereiche gebildet werden. Durch die Einführung eines zwischen den einzelnen Elektroden liegenden isolierenden Bereiches können keine langsamen Ladungsträger der oben beschriebenen Art mehr auftreten und es wird ein Übersprechen verhindert.

Dies kann entweder derart geschehen, daß ein schmaler Strei­ fen des Halbleitermaterials zwischen den Photodioden entfernt wird. Dies erfolgt bevorzugt durch Plasmaätzung der Halblei­ terschicht der Diode. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, die dadurch entstandenen Oberflächen durch eine Passivierungs­ schicht zu schützen.

Alternativ kann ein schmaler Streifen nicht beleuchtet wer­ den, damit er hochohmig bleibt und somit die Photodioden von­ einander isoliert. Dies soll erfindungsgemäß durch eine strukturierte, für das Szintillationslicht undurchsichtige Metallschicht erfolgen, die auf die Oberseite der durchgängi­ gen Photodiode jeweils zwischen den Detektorelementen aufge­ bracht wird. Dies hat den Vorteil, daß in der darunterliegen­ den Zone keine Ladungsträger generiert werden, bei denen die Gefahr einer verzögerten Auslesung aufgrund der dort herr­ schenden geringen elektrischen Feldstärke besteht.

In vorteilhafter Weise kann in einer ersten Ausführungsform im Bereich zwischen den Metallelektroden die Photodioden­ schicht durch schmale Schlitze zur Bildung einzelner Photo­ dioden getrennt sein.

Es hat sich für die Langzeitstabilität des Bilddetektors als vorteilhaft erwiesen, wenn die Oberfläche durch eine Passi­ vierungsschicht abgedeckt ist, so daß die Schlitze ganz oder teilweise ausgefüllt sind.

Als erfindungsgemäße Alternative kann eine entsprechend den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Metallelektroden git­ terförmig strukturierte, für die die Photodiodenschicht be­ leuchtenden Strahlen undurchlässige Metallschicht auf der Oberseite oberen Elektrode aufgebracht sein.

In vorteilhafter Weise kann die Photodiodenschicht aus einer Schichtfolge aus Phosphor-dotiertem, amorphen Silizium, undo­ tiertem amorphen Silizium, und Bor-dotiertem, amorphen Sili­ zium oder einer Silizium-Kohlenstoff-Legierung bestehen (n-a- Si:H/i-a-Si:H/p-a-Si_1-xC_xH).

Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bilddetektors können die schmalen Schlitze durch Plasma-Ätzen der Photo­ diodenschicht hergestellt sein.

Die alternative Metallschicht kann auf der oberen Elektrode aufgebracht und derart gitterförmig mittels Photolithographie strukturiert sein, daß die Gitterstege jeweils oberhalb der Mitte der Zwischenräume zwischen benachbarten unteren Metal­ lelektroden angeordnet sind.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Breite der Gitterstege etwa dem Abstand der unteren Elektroden ver­ mindert um die doppelte Dicke der Photodiode entspricht.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine bekannte Röntgendiagnostikeinrichtung mit ei­ nem Röntgendetektor,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Rönt­ gendetektors,

Fig. 3 den Grundaufbau des erfindungsgemäßen Röntgendetek­ tors,

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä­ ßen Röntgendetektors,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Röntgendetektors gemäß Fig. 4 und

Fig. 6 alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Röntgendetektors.

In Fig. 3 ist der Grundaufbau des Bilddetektors 5 darge­ stellt, bei dem auf einem Glassubstrat 11 eine Matrix 20 aus Dünnfilm-Transistoren (TFT) mit den dazugehörigen Zuleitungen aufgetragen wird, wie es beispielsweise von L. E. Antonuk et al., SPIE Vol. 3336, 1998, Seite 2ff, beschrieben ist. Dar­ über wird eine Isolierschicht 21 abgeschieden, die vorzugs­ weise aus durch Plasma-Deposition (PECVD) erzeugtem, amorphem Siliziumnitrid (a-SiN_x) oder aus Polyimid besteht.

In die Isolierschicht 21 werden Kontaktlöcher 22 geätzt. Dann wird eine Metallelektrode 23 vorzugsweise durch Kathodenzer­ stäubung aufgebracht, welche die elektrische Verbindung zu den Drainkontakten der TFT in der unteren Ebene herstellt. Die Metallelektrode 23 wird durch Photolithographie derart strukturiert, daß die unteren Elektroden von Photodioden 24 jedes Bildelementes gebildet werden.

Darüber wird die zusammenhängende Photodiode 24 aufgebracht, die aus einer Schichtfolge aus Phosphor-dotiertem, amorphen Silizium, undotiertem amorphen Silizium, Bor-dotiertem, amor­ phen Silizium oder einer Silizium-Kohlenstoff-Legierung be­ steht (n-a-Si:H/i-a-Si:H/p-a-Si_1-xC_xH). Als obere Elektro­ de 25 wird abschließend eine optisch transparente, leitfähige Schicht beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufgebracht, wie es von R. A. Street et al., Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 198-200, 1996, Seite 1151ff beschrieben ist.

Fig. 4 zeigt den Röntgendetektor gemäß Fig. 3 in lateral vergrößertem Maßstab. Auf den derart erstellten Sensor wird die erfindungsgemäße Metallschicht 26 aufgebracht und in Ge­ stalt eines Gitters mittels Photolithographie so struktu­ riert, daß die Gitterstege jeweils oberhalb der Mitte der Zwischenräume zwischen benachbarten unteren Metallelektroden 23 angeordnet sind. Beispielsweise kann die Breite der Git­ terstege etwa dem Abstand der unteren Metallelektroden 23 vermindert um die doppelte Dicke der Photodiode 24 entspre­ chen. Dadurch entstehen unbeleuchtete Bereiche 27, in denen keine freien Ladungsträger angeregt werden können. Deshalb gibt es auch keinen zeitverzögerten Beitrag zur Signalladung, so daß man einen Detektor ohne störende Trägheit erhält.

Ein hochauflösender Detektor könnte beispielsweise aus qua­ dratischen Bildelementen von 75 µm Kantenlänge bestehen, wo­ bei der Abstand zwischen je zwei benachbarten Metallelektro­ den 23 10 µm betragen soll. Die Dicke der pin-Photodiode 24 kann 1,5 µm betragen. Dann sollten die Gitterstege der Me­ tallschicht 26 vorteilhafterweise eine Breite von 7 µm auf­ weisen. Damit ergibt sich ein Flächenanteil der Photodioden 24 an der Gesamtfläche von 82,2%, während mit der herkömmli­ chen Technik nur deutlich weniger als 50% erreichbar sind.

Fig. 5 zeigt das auf dem Glassubstrat 11 aufgebrachte Schichtpaket 28, bestehend aus Auslesematrix, Verbindungslei­ tungen, Isolationsschichten und Photodioden. Darauf wird das oben beschriebene, erfindungsgemäße Metallgitter 29 angeord­ net. Da dieses Metallgitter 29 einen wesentlich niedrigeren elektrischen Widerstand als die darunter liegende, optisch transparente, leitfähige Schicht der oberen Elektrode 25 auf­ weist, wird durch die erfindungsgemäße Anordnung für jedes Detektorelement der elektrische Zuleitungswiderstand vermin­ dert. Dies führt zu einem schnelleren Ladungstransfer und zu einem geringeren Betrag der Zuleitungen zum elektronischen Rauschen des Detektors.

In der Fig. 6 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dar­ gestellt, bei dem auf den gemäß in Fig. 3 erstellten Rönt­ gendetektor eine Photolackschicht aufgebracht und in Gestalt eines Gitters mittels Photolithographie so strukturiert wird, daß jeweils oberhalb der Mitte der Zwischenräume zwischen be­ nachbarten unteren Metallelektroden 23 Streifen freigelegt werden. Dort wird vorzugsweise durch Plasma-Ätzen die Schichtfolge der Photodiode 24 entfernt, wobei sorgfältig darauf zu achten ist, daß die darunterliegende Isolierschicht 21 nicht angegriffen wird. Dabei entstehen die erfindungsge­ mäßen Schlitze 30. Dadurch können weder langsam reagierende Ladungsträger erzeugt werden, noch kann ein Übersprechen zwi­ schen benachbarten Bildelementen auftreten.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht allerdings darin, daß die optisch transparente, leitfähige Schicht der oberen Elek­ trode 25 ebenfalls unterbrochen werden muß. Dies macht eine weitere, hier nicht dargestellte, leitfähige Schicht erfor­ derlich, welche die elektrische Verbindung der oberen Elek­ troden 25 gewährleistet. Abschließend wird zum Schutz der ge­ samten Anordnung eine Passivierungschicht 31 aufgebracht.

Durch die erfindungsgemäßen Ausbildungen des Röntgendetektors 5 werden die Vorteile einer Photodiode 24 genutzt, die in ei­ ner getrennten Ebene oberhalb der Schaltelemente 14 und Ver­ bindungsleitungen 15 und 16 angeordnet ist, und dabei aber gleichzeitig die störende Trägheit vermieden, die bei den bisher vorgeschlagenen Lösungswegen auftrat.

Die Erfindung ist gleichermaßen auf Röntgendetektoren wie auch auf optische Bildsensoren anwendbar.

Claims (9)

1. Flächenhafter Bilddetektor (5) für elektromagnetische Strahlen (3), bei dem auf einem Substrat (11) eine Matrix (20) aus Dünnfilm-Transistoren (TFT) aufgebracht ist, über der eine Isolierschicht (21) angeordnet ist, auf der sich Me­ tallelektroden (23) mit Kontaktlöchern (22) zu der Matrix (20) befinden, und mit einer in einer darüber liegenden Ebene angeordneten Photodiodenschicht (24), die von einer oberen Elektrode (25) abgedeckt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Bilddetektor (5) derart ausgebildet ist, daß zwischen den einzelnen Metallelektroden (23) in der Photodiodenschicht (24) isolierende Bereiche (27, 30) gebildet werden.

2. Bilddetektor (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zwischen den Metallelektroden (23) die Photodiodenschicht (24) durch schmale Schlitze (30) zur Bildung einzelner Photodioden ge­ trennt ist.

3. Bilddetektor (5) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche durch ei­ ne Passivierungsschicht (31) abgedeckt ist, so daß die Schlitze (30) ausgefüllt sind.

4. Bilddetektor (5) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche durch eine Passivierungsschicht (31) abgedeckt ist, so daß die Schlitze (30) teilweise ausgefüllt sind.

5. Bilddetektor (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine entsprechend den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Metallelektroden (23) gitterförmig strukturierte, für die die Photodiodenschicht (24) beleuchtenden Strahlen undurchlässige Metallschicht (26) auf der Oberseite der oberen Elektrode (25) aufgebracht ist.

6. Bilddetektor (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pho­ todiodenschicht (24) aus einer Schichtfolge aus Phosphor­ dotiertem, amorphen Silizium, undotiertem amorphen Silizium, und Bor-dotiertem, amorphen Silizium oder einer Silizium- Kohlenstoff-Legierung besteht (n-a-Si:H/i-a-Si:H/p-a-Si_{1- x}C_xH).

7. Verfahren zur Herstellung eines Bilddetektors (5) nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die schmalen Schlitze (30) durch Plasma-Ätzen der Photodiodenschicht (24) hergestellt wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Bilddetektors (5) nach ei­ nem der Ansprüche 1, 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Metallschicht (26) auf der oberen Elektrode (25) aufgebracht und gitterförmig mit­ tels Photolithographie derart strukturiert wird, daß die Git­ terstege jeweils oberhalb der Mitte der Zwischenräume zwi­ schen benachbarten unteren Metallelektroden (23) angeordnet sind.

9. Verfahren zur Herstellung eines Bilddetektors (5) nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Gitterstege der Metallschicht (26) etwa dem Abstand der unteren Metallelektroden (23) vermindert um die doppelte Dicke der Photodiode (24) entspricht.