DE19944731A1 - Flächenhafter Bilddetektor für elektromagnetische Strahlen - Google Patents
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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-Si1-xCxH).
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-SiNx) 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-Si1-xCxH). 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-Si1-
xCxH).
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.
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