KR102499097B1 - 전자기 방사선 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

전자기 방사선 검출 장치(1)는 셀들(2)의 복수의 M 열들로 분할되는 복수의 N 행들을 갖는 매트릭스를 포함하는데, 각 셀은 상기 장치(1) 상에 입사되는 전자기 방사선에 반응하는, 복수의 다이오드 세그먼트들(3)을 포함한다. 스캔 드라이버(4)는 상기 매트릭스의 개별적인 행들에 복수의 N 스캔 라인 신호들을 제공하는데, 그 각각은 상기 매트릭스의 선택되는 행의 셀들(2)로부터 전하 값들이 판독되도록 해주기 위한 것이다. 판독기(5)는 상기 매트릭스의 개별적인 열들로부터 복수의 M 가변적인 전하 값 신호들을 판독하는데, 그 각각은 상기 매트릭스의 선택되는 행 내의 셀(2)에 대응한다. 각각의 다이오드 세그먼트(3)는 아발란쉬 증폭 가이거 모드에서 각각의 다이오드 세그먼트(3)를 작동시키기에 충분한 구동 전압에 연결되고; 또한 상기 판독기에 아발란쉬 퀀칭 레지스터(8)와 직렬로 연결된다.

Description

전자기 방사선 검출 장치
본 발명은 전자기 방사선 검출 장치에 관한 것이다.
디지털 방사선 촬영(Digital Radiography, DR)와 같은 응용들에 있어서, 평판 검출기들(Flat Panel Detectors, FPDs)은 간접적으로 X-선 이미지들을 획득하는 데 이용될 수 있다. FPD들은 통상적으로 개별적인 화소 센서 회로들의 매트릭스를 포함하고 또한 검출기의 전체 영역에 걸쳐 "인광물질(phosphor)"(미도시)를 이용한 X-선 광자들(X-ray photons)로부터 광학적 광자들(optical photons)로의 간접 변환을 이용한다. X-선 촬영에 이용되는 통상적인 섬광 물질들은 구조화된 세슘 요오드화물(structured Cesium Iodide, CsI(Tl)) 및 GadOx 또는 GOS로 알려진, 가돌리늄 산황화물(Gadolinium OxySulfide(Gd2O2S(Tb))과 같은 인광물질들이다. 개별적인 화소 회로들 내의 광다이오드들에 도달하는 인광물질로부터의 광학적 광 광자들(optical light photons)은 하나의 전자-홀 쌍들(electron-hole pairs)로 변환되고, 최종 전하는 별개의 커패시터들(discrete capacitors) 및/또는 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)를 이용해, 화소 회로들 내에 저장된다.
도 1은 능동 매트릭스(Active Matrix, AM) 순차적 어드레싱 스킴을 이용하는 종래의 비정질 실리콘 뒤판 실리콘(amorphous silicon backplane silicon) FPD의 3x3 화소 부분에 대한 회로도를 보여준다. 도 2는 도 1에 도시된 매트릭스 부분에 대한 개별 화소의 제1 예의 단면을 보여준다. 도 3은 실리콘-온-글라스 프로세스(Silicon-on-Glass process)를 이용해 형성되는 개별 화소의 제2 예의 단면을 보여준다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 개별 화소는 대응하는 박막 스위칭 트랜지스터에 전기적으로 연결되는 하나의 검출 다이오드를 포함한다.
작동시, 화소 회로의 X-선 노출 동안 (도시되지 않은 커패시터들 내에) 축적되는 전하(charge)는, 행(row) 게이트 전극을 순차적으로 어드레싱하는 것에 의해 판독되는데, 이것은 오프-상태로부터 온-상태로 화소 회로의 스위칭 박막 트랜지스터를 켠다. 최종 전하는, 그 화소 위치에서 X-선 세기에 비례하는데, 그후 열(column)에 대한 개별적인 판독 회로로 전도된다.
US 7,323,692, Rowlands 및 Zhao는, 능동 매트릭스 어드레싱 스킴을 이용해, X-선 촬영 간접 변환 검출기들에 있어서 아발란쉬 층(avalanche layer)의 이용을 기술한다. 여기서 X-선들은 세슘 요오드화물(CsI)와 같은 인광물질을 도입하고, 광학적 광자들의 샤워를 생성하는데, 이것은 나아가 아발란쉬 층에 광전 효과를 통해 전자-홀 쌍들을 더 생성하는데, 이것은 비정질 셀레늄 또는 비정질 실리콘일 수 있다.
그럼에도 불구하고, 이 검출기들은 입사 전자기 방사선들(incident electromagnetic radiations)의 저선량(low dose)에 있어서 검출 양자 효율(Detection Quantum Efficiency, DQE)에 의해 한정된다.
그러므로, 임산부, 유아, 또는 비만인과 같은, 고위험 범주 주체들의 고품질 대면적 X-선 이미지들은, 유용한 이미지를 달성하기 위해 고선량 레벨들이 필요하다. 노출 위험이 진행하기에 너무 높다고 간주된다면, 대안적인, 열등한, 진단 방법이 이용되어야 한다.
별도로, 가상 현실 응용들에 있어서, 제스쳐 인식 및 안구 추적은 현재 조명 하에서, 통상적으로 적외선 파장 범위 내에서, 몸체 또는 눈들을 촬영하는 것에 의해 달성된다. 그럼에도 불구하고, 특히 안구 추적을 위한, 근적외선 촬영 센서들은 현장 조명 세기 및 획득/통합 시간에 의해 한정되는 속력에 의해 한정된다.
WO2013/018006은 광자의 충돌(impingement)에 반응하여 항복(break down)하도록 구성되는 단일 광자 아발란쉬 다이오드(single photon avalanche diode, SPAD) 검출기들을 포함하는 검출기 어레이를 포함하는 광자 검출기를 개시한다.
삭제
본 발명에 따르면, 제 1 항에 따른 전자기 방사선 검출 장치가 제공된다.
본 발명은 신호로 변환되는, 모든 전자기 방사선 양자, 또는 광자에 대하여 높은 전하 펄스를 생성하기 위해, 방사선 검출 장치의 다이오드들에서 아발란쉬 증폭 가이거 모드 항복(avalanche multiplication Geiger mode breakdown)에 의존한다. 이것은 수 천의 전자 전하들이 하나의 광자에 의해 생성되는 신호에 기여할 수 있음을 의미하는데, 이것은 변환 이득이 1 이하인, 종래의 비정질 실리콘 다이오드들 구현에 있어서의 프로세스와 다르다.
방사선 검출 장치의, 각각의 셀, 또는 화소는, 아발란쉬 증폭의 이득을 제어하기 위해, 복수의 다이오드 세그먼트들을 포함하는, 세분화된 구조를 가진다.
큰 저항을 갖는 레지스터는 아발란쉬가 시작되기만 하면, 개별적인 다이오드 세그먼트들의 폭주 아발란쉬(runaway avalanche)를 방지하거나 또는 없애기 위해 셀들의 각각의 다이오드 세그먼트에 직렬로 연결된다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 더 낮고, 더 안전한 노출 선량들을 가지고 고위험 범주 주체들과 같은, 주체들의 고품질 대면적 X-선 촬영(high-quality large-area X-ray imaging)을 가능하게 해준다.
몇몇의 사용 예들에 있어서, 예를 들어, 혈관촬영도들(angiograms)과 같은, 주체들의 큰 프레임-속도 순차적 촬영은 현재 기술보다 더 낮은 선량 및 더 큰 프레임-속도를 가지고 수행될 수 있다.
대안적으로, X-선량을 한정할 필요가 없는 검출 장치의 사용 예들에 있어서, 프레임 당 노출 시간은 감소될 수 있다. 이것은 노출 동안, 예를 들어 혈류 또는 심박동으로 인한, 환자의 움직임으로 인한 이미지들의 흐려짐(blurring)을 감소시키는데, 이것은 개선된 이미지 품질로 귀결될 수 있다. 또한, 화물이 동적으로 스캔되는, 위험하고 위협적인 응용들에 있어서, 더 짧은 노출 시간은 스캐닝 동안 물체의 감소된 움직임으로 인해 덜 흐려짐으로 귀결될 것이다.
본 발명에 따른 방사선 검출 장치의 의료적 응용들은, CT 촬영, PET 촬영, SPECT 촬영, 및 DR(Digital Radiography) 촬영 중에 있다.
다른 비의료적 응용들은, 공항에서 화물 스캐닝 또는 검출, 또는 방사선 검출(예. 핵물리 실험들, 비파괴 검사에 있어서, 또는 대면적 위험 및 위협에 있어서)을 포함한다.
이 전자기 방사선 검출 장치의 이용으로 이득을 얻을 수 있는 촬영 응용들 중에는, LiDAR 촬영, VR 망막 카메라, 저조도 접촉 이미지 센서들(low light level contact image sensors(CIS)), 및 보안 응용들(예. 저조도 카메라들에 있어서)이 있다.
다른 실시예들은 광자가 다이오드 내에서 복수의 전자들을 생성하고, 이로써 이러한 장치들의 검출 품질을 개선시키는, 하나의 광자의 도달 시간을 캡쳐하는 것을 목표로 하는 응용을 찾는다.
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이 측면의 실시예들을 위한 응용들은 거리측정(ranging) 또는 삼각측량 응용들을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 이제 예를 들어, 첨부된 도면들을 참조하여, 설명될 것이다.
도 1은 종래의 비정질 실리콘 능동 매트릭스 FPD의 일부를 보여준다.
도 2는 도 1에 도시된 FPD 부분의 종래의 개별적인 셀의 제1 예의 단면을 보여주는데, 이때 다이오드의 양극(anode)은 박막 트랜지스터를 통해 데이터-라인에 연결된다.
도 3은 종래의 개별적인 화소의 제2 예의 단면을 보여주는데, 이때 다이오드는 실리콘-온-글라스 프로세스로부터 형성되는 박막 트랜지스터를 통해 데이터-라인에 연결된다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 능동 매트릭스 FPD의 일부를 보여준다.
도 5는 도 4에 도시된 FPD 부분의 개별적인 셀의 일 실시예의 단면을 보여준다.
도 6은 이 세그먼트를 형성하는 층들의 평면 결합도들 뿐만 아니라, 도 5에 도시된 개별적인 셀의 하나의 다이오드 세그먼트 구조의 평면도를 보여준다.
도 7은 이 셀을 형성하는 층들의 평면 결합도들 뿐만 아니라, 도 5에 도시된 개별적인 셀의 평면도를 보여준다.
도 8(a)는 도 4에 도시된 FPD에서 이용가능한 비정질 실리콘 다이오드의 예시적인 다이오드 스택을 보여준다.
도 8(b)는 도 8(a)의 다이오드 스택의 대안을 보여준다.
도 9는 일 실시예에 따라 도 4에 도시된 FPD에서 이용가능한 혼합 위상(mixed-phase) 실리콘 다이오드의 다이오드 스택을 보여준다.
도 10은 광학적 전도성 투명 층을 가지는, 도 5에 도시된 셀의 변형을 단면으로 보여준다.
도 11은 도 4에 도시된 FPD 부분의 개별적인 셀의 또 다른 실시예를 단면으로 보여준다.
도 12는 도 4에 도시된 FPD 실시예와 비교하여 도 1의 예시적인 FPD에 대한 시뮬레이션된 DQE 대 선량을 보여준다.
도 13은 도 4의 실시예의 대안적인 구성을 보여준다.
도 14는 실리콘-온-글라스 프로세스로부터 형성되는 도 13에 도시된 FPD 부분의 개별적인 셀의 일 실시예의 단면을 보여준다.
도 15는 도 4의 실시예의 또 다른 대안적인 구성을 보여준다.
도 16은 실리콘-온-글라스 프로세스로부터 형성되는 도 15에 도시된 FPD 부분의 개별적인 셀의 일 실시예의 단면을 보여준다.
도 17은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 능동 매트릭스 비행시간 촬영 장치의 일부를 보여준다.
도 18은 실리콘-온-글라스 프로세스로부터 형성되는 도 17에 도시된 FPD 부분의 개별적인 셀의 일 실시예의 단면을 보여준다.
도 19 내지 도 21은 도 17의 장치에 대한 예시적인 타이밍도를 보여준다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 능동 매트릭스 FPD(1)의 예시적인 실시예가 개시되어 있다. FPD(1)은 셀들(2)의 복수의 M 열들로 분할되는 복수의 N 행들을 갖는 매트릭스(그 중 단지 3x3 부분만 도시되어 있음)를 포함한다. 매트릭스는 검출기의 시야를 결정하는 포커싱 광학계(focussing optics, 미도시)를 포함할 수 있는 검출기 내에, 그렇지 않다면 통상적인 검출기 내에 포함된다.
각각의 셀(2)은 FPD(1) 상에 입사하는 전자기 방사선에 반응하는 복수의 다이오드 세그먼트들(3)을 포함한다. 이 실시예에 있어서, 각각의 셀은 3x3 그리드 내에 놓이는 9 개의 다이오드 세그먼트들을 포함한다. 그럼에도 불구하고, 이 배치는 변경될 수 있고 또한 대안적인 배치들에서 놓이는 많은 세그먼트들의 변경을 수반할 수 있음이 이해될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 출원서의 실시예들에 있어서의 다이오드 세그먼트들은 유사한 영역을 차지할 수 있어 이로써 종래 기술의 통합된 다이오드 구현들과 유사한 해상도를 제공할 수 있다.
각각의 셀(2)은 셀(2)의 다이오드 세그먼트들(3)을 판독기(5)와 연관된 데이터 라인(6)에 선택적으로 연결하기 위한 트랜지스터(10)를 더 포함한다. 다이오드 세그먼트들(3) 각각은, 각각의 아발란쉬 퀀칭 레지스터(avalanche quenching resistor, 8)를 통해 트랜지스터(10)에 병렬로 연결된다.
간접적인 X-선 검출 응용들에 있어서, FPD(1)은 입사하는 X-선 광자들을 셀들(2)의 다이오드 세그먼트들(3)에 도달할 수 있는 광학적 광자들로 변환하기 위한, 섬광 물질(scintillation material), 예를 들어 인광 물질(phosphor)의 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 입사하는 광학적 광자들에 응답하여, 다이오드 세그먼트들(3)은 전하 신호들을 생성한다. 이러한 방식으로, FPD(1)은 간접적인 X-선/전하 신호 변환을 수행할 수 있다.
다이오드 세그먼트들(3)의 작동은 전력 공급 수단(7)에 의해 다이오드 세그먼트들(3)의 음극들(cathodes)에 적용되는 역 구동 전압 바이어스(reverse drive voltage bias) 아래에 있다. 역 전압 바이어스는 다이오드 세그먼트들(3)의 항복전압(breakdown voltage) 위에 있어, 다이오드 세그먼트들(3)은 아발란쉬 증폭 가이거 모드(avalanche multiplication Geiger mode)에서 작동한다. 이 모드에서, 많은 전자-홀 쌍들이 하나의 광자 흡수 이벤트에 대하여 다이오드 세그먼트(3)에 의해 생성되어, 도 12의 그래프에 도시된 바와 같이, 종래 기술에서의 해법과 비교하여 주어진 X-선 노출에 대하여 더 많이 생성되는 전하로 귀결된다.
도 4에 도시되지는 않았지만, 이 전하는 셀 내부에 마련되는 분리된 커패시터 내에 또는 기생 커패시턴스를 이용해 저장될 수 있다.
다이오드 세그먼트들(3)의 항복전압에 따라서, 역 전압 바이어스에 대한 통상적인 값들은 10 V와 30 V 사이의 범위 내에 있을 수 있다. 적용되는 역 전압 바이어스는 DC 전압이지만, 프레임 시간에 의해 게이팅될 수 있다(통상적으로 50 Hz 프레임 속도에 대하여 20 ms). 또는, 역 전압 바이어스는 펄스 폭이 X-선 펄스 폭(통상적으로 대략 2ms)에 의해 결정되는, 펄스 모드에서 적용될 수 있는데, 이러한 방식으로, 신뢰도는 개선되고 또한 FPD(1)의 판독 동작이 DC 바이어스를 이용할 때보다 더 낮은 전압들에서 발생할 수 있다.
도 5, 도 10, 도 11 및 도 14에 도시된 예시적인 실시예들을 참조하면, 셀(2) 내의 다이오드 세그먼트들(3)의 측벽들(22)은 유전체 물질(23)에 의해 측면으로 서로로부터 분리되어 있고, 이로써 가이거 아발란쉬 증폭(Geiger avalanche multiplication) 이득을 제어하도록 측면으로 한정되는 구조들을 제공하게 된다. 다이오드 세그먼트 크기는 2 ㎛(통상적인 포토리소그래피적인 제조 프로세스들의 특성 크기에 의해 부여되는 한계) 내지 150 ㎛(최대 화소 크기 한계) 사이에 있을 수 있다.
각각의 레지스터(8)는 다이오드 세그먼트들(3)이 아발란쉬 이벤트 후 선-항복 상태(pre-breakdown state)로 복귀하기에 충분히 높은 전류 제한 저항(current limiting resistance)을 제공하도록 설계된다. 이 저항 값은, 사용되는 다이오드 세그먼트들(3)에 따라서, 50 kΩ과 2 MΩ 사이의, 그리고 보다 더 전형적으로는 100 kΩ과 400 kΩ 사이의 범위 내에 있을 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 셀들(2)의 판독은 도 1에 도시된 종래 기술의 예와 동일한 방식으로 발생한다. 특히, FPD(1)은 이하를 포함한다:
- 매트릭스의 개별적인 행들에 복수의 N 스캔 라인 신호들을 제공하기 위한 스캔 드라이버(4), 그 각각은 매트릭스의 선택되는 행의 셀들(2)로부터 전하 값들이 판독되도록 해주기 위한 것이고; 및
- 매트릭스의 개별적인 열들로부터 복수의 M 가변적인 전하 값 신호들을 판독하는 판독기(5), 그 각각은 선택되는 행 내의 셀(2)에 대응한다.
스캔 드라이버(4)로부터의 스캔 라인 신호들은 선택된 행들 내의 트랜지스터들(10)의 게이트들(11)에 적용된다. 이러한 방식으로, 선택된 행 내의 셀들(2)의 다이오드 세그먼트들(3)은 대응하는 데이터 라인들(6)에 작동가능하게 연결되고, 또한 판독기(5)는 데이터 라인들(6)로부터, 선택된 행 내의 셀들(2)의 다이오드 세그먼트들(3)에 의해 생성되는 가변적인 전하 값 신호들을 순차적으로 읽을 수 있다. 이러한 방식으로, 행 라인들의 순차적인 능동 매트릭스 어드레싱은, FPD(1)의 각각의 셀 위치에서, 전하 값, 및 이로써 입사하는 방사선 세기를 결정하기 위해 수행될 수 있다.
제조와 관련하여, 도 5, 도 10 및 도 11에 도시된 예시적인 실시예들에 있어서, 셀(2)은 기판(20) 상에 형성되는 금속 층(11, 21)을 포함하고, 셀(2)의 다이오드 세그먼트들(3)은 금속 층의 각각의 부분들(21) 상에 서로로부터 이격되어 형성된다. 상기에서 언급된 바와 같이, 금속 부분(11)은 트랜지스터(10)에 대한 게이트 접촉부(gate contact)로서 행동한다. 금속 층(21)의 그 부분은 다이오드 세그먼트들(3)에 대한 음극으로서 행동하고 또한 전력 공급 수단(7)에 연결되고, 이러한 방식으로, 작동하는 역 바이어스 전압은 다이오드 세그먼트들(3)에 적용될 수 있다.
셀(2)은 다이오드 세그먼트들(3) 상에 형성되는, 전자기 방사선에 투명한, 전도성 투명 층(conductive transparent layer, 25)을 더 포함한다. 예를 들어, 이 층(25)은 전도성이 있는 산화물, 예를 들어 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)로 만들어질 수 있다.
FPD(1) 내에 존재할 때, 섬광 물질 층은 이 층(25) 상에 배치되어, 이 층(25)이 섬광 물질에 의해 생성된 광자들이 이를 관통해 다이오드 세그먼트들(3)에 도달하는 것을 허용하게 된다.
이 층(25)을 증착하기 전에, 패시베이팅 유전체 물질(passivating dielectric material, 23), 예를 들어 실리콘 산화물은, 다이오드 세그먼트들(3)의 측벽들(22) 주위에 증착된다. 이 물질(23)의 노출된 표면은 다이오드 세그먼트들(3)의 노출된 표면과 동일 평면 상에 있을 필요는 없고, 실시예들에 도시된 바와 같이, 다이오드 세그먼트들(3) 상에 증착되는 이 층(25)과 유전체 물질(23)은 동일 평면 상에 있을 필요가 없어 이 경우에 있어서 이 층(25)은, 각각의 다이오드 세그먼트(3)에 있어서, 다이오드 세그먼트(3)의 상부 끝단들 상에 놓인 패드(27) 및 패시베이팅 물질 상의 패드(27)로부터 연장되는 2 개의 측면 부분들(28)을 포함한다.
다이오드 세그먼트 및 층들(3, 23 및 25)의 표면들을 성형하는 확률은 도 10의 실시예에 있어서 도시된 바와 같은 기회들(opportunities)로 이어지는데, 이때 패드(27)는 대응하는 아래에 놓인 다이오드 세그먼트(3)의 중심으로 입사 방사선을 포커싱하는 광학 렌즈로서 행동하기 위해 돔-형상(done-shape, 29)으로 형성된다. 이 돔-형상은 다수의 증착 단계들을 이용해 웰들(wells) 내에 층(25)의 후속하는 부분들을 증착하는 것에 의해 생성되고 제어될 수 있다.
도 5 및 도 10의 실시예들에 있어서, 이 층(25)은 레지스터(8)를 제공하는 연결 트랙을 갖는 셀(2)의 다이오드 세그먼트들(3)의 양극들과 트랜지스터(10) 사이의 전기적 연결로서 행동한다. 트랜지스터(10)는 금속 층(12)을 통해, 셀(2)이 속하는 매트리스 열의 데이터-라인(6)에 작동가능하게 연결된다. 이러한 방식으로, 스캔 드라이버(4)로부터 스캔 행 신호가 트랜지스터(10)를 켜기 위해 게이트(11)에 적용될 때, 다이오드 세그먼트들(3)에 의해 생성되는 전하 신호는 판독기(5)에 의해 판독되기 위해 데이터-라인(6)에 도달할 수 있다.
도 5 및 도 10에 도시된 셀(2)의 구조를 더 잘 시각화하기 위해, 도 6은 셀(2)에 대한 하나의 다이오드 세그먼트 구조(26)의 평면도 뿐만 아니라, 이 구조(26)를 구성하는 기본 층들의 평면도를 보여준다. 부분들(11, 21)을 포함하는 금속 층이 먼저, 반도체 다이오드 층(3)이 이후에 증착된다. 패시베이션 층(23)이 그후 증착된다(도 6의 (c)에 있어서, 사각형들은 이를 통해 다이오드 층(3)과 접촉하고 금속 접촉부(11)는 가 만들어지는 이 층에 있어서의 구멍들을 나타낸다). ITO 층(25)이 그후 증착되고 도 6의 (d)는 다이오드 세그먼트를 트랜지스터(10)에 연결하는 레지스터(8)를 형성하는 트랙을 보여준다. 트랜지스터(10) 및 접촉 층(12)을 제조하기 위한 추가적인 층들은 도시되지 않았지만, 그렇지 않다면 종래와 같다.
도 7은 완전한 셀(2)의 평면도 뿐만 아니라, 그 층들(21, 11; 3; 23 및 25)의 평면도들을 보여주는데, 다이오드 세그먼트들(3) 및 이들의 레지스터들(8)은 서로 병렬로 연결되어 있다.
이제 도 13을 참조하면, 셀들(2') 내의 다이오드 세그먼트들(3')의 극성을 역전시키는 것 또한 가능하다. 이 경우에 있어서, 각각의 다이오드 양극은 퀀칭 레지스터(8)를 거쳐 전력 공급 수단(7)에 연결되는 한편, 각각의 음극은 트랜지스터(10)에 연결된다. 도 14는, 실리콘-온-글라스 프로세스를 이용해 그 위에 다이오드 세그먼트들(3') 및 박막 트랜지스터(10)가 형성되어 있는, 기판(20)을 포함하는 이러한 셀(2')을 보여준다. 이 경우에 있어서, 셀(2')은 트랜지스터(10)에 연결하는, 제1 금속 층 부분(31) 및 제2 금속 층 부분(32)을 포함한다. 금속 층(31)은 셀(2)이 속하는 매트릭스 열의 데이터-라인(6)과 연관된다.
유전체 물질(23a)의 제1 층은 금속 층 부분들(31 및 32)과 기판(20) 사이의 공간을 채운다. 유전체(23c)는 물질(23a)과 동시에 증착될 수 있다. 유전체 물질(23b)의 제2 층은 제1 및 제2 금속 층 부분들(31, 32) 상에 배치되고, 금속 물질(33)의 제3 층은 유전체 물질(23b)의 제2 층 상에 배치되고 제2 금속 층 부분(32)에 연결된다.
다이오드 세그먼트들(3')은 금속 물질(33)의 제3 층 상에 배치되고 전도성 투명 층(25)은 다이오드 세그먼트들(3')의 상부 끝단들 및 패시베이션 물질(23) 상에 놓인다. 다시, 이 층(25)은 전력 공급 수단(7)에 다이오드 세그먼트들(3)의 양극을 위한 접촉부로서 행동하고, 다이오드 음극들은 레지스터들(8)이 이 층(25) 내에 정의되고 또한 이 층들(33 및 32)을 거쳐 트랜지스터에 연결된다.
스캔 드라이버(4)로부터의 스캔 구동 신호가 켜기 위해 트랜지스터(10)의 게이트(11)를 구동시킬 때, 다이오드 세그먼트들(3')에 의해 생성되는 전하 신호는, 금속 층들(33, 32, 31)을 통해, 판독기(5)에 의해 판독되도록 데이터-라인(6)에 도달할 수 있다.
도 4 및 도 13에 도시된 실시예의 변형들에 있어서, 레지스터들(8)은 다이오드들(3)과 전력 공급 수단(7) 사이에, 또는 다이오드들(3')과 트랜지스터들(10) 사이에 각각 연결될 수 있음이 이해될 것이다.
다시, FPD(1)에 존재할 때, 섬광 물질의 층은 이 층(25) 상에 배치된다.
도 11에 도시된 실시예에 있어서, 셀(2)은 도 5 및 도 10에 도시된 구조들과 유사하게, 기판(20) 상의 금속 층(21, 11) 상에 놓인, 이격된 다이오드 세그먼트들(3a)의 하부 어레이를 포함한다. 셀(2)은 이격된 다이오드 세그먼트들(3b)의 상부 어레이를 더 포함하는데, 이때 다이오드 세그먼트들(3a)은 상부 어레이의 다이오드 세그먼트들(3b)에 대하여 오프셋되어 있고, 이러한 방식으로 다이오드 세그먼트들(3b) 사이의 공간들 아래에 배치되게 된다. ITO 층(25a, 25b)은 다이오드 세그먼트들(3a, 3b)의 각각의 어레이 상에, 각각 형성된다.
다이오드 세그먼트들(3b)은 다이오드 세그먼트들(3b)에 대한 음극 접촉부들로서 행동하는, 대응하는 이격된 금속 부분들(30) 상에 놓인다. 금속 부분들(30)은 Z-방향으로 하부 행 내의 다이오드 세그먼트들(3a)의 상부 끝단들 상에 놓인 전도성 투명 층(25) 위에 하지만 측면으로 오프셋되어 배치된다. 층들(25a 및 25b)은 비아(25c)를 통해 연결되어 이러한 다이오드 세그먼트들(3b) 뿐만 아니라 세그먼트들(3a)에 대한 양극 연결로서 행동하게 된다.
이러한 방식으로, 상부 다이오드 세그먼트들(3b)의 다이오드 세그먼트들(3b)에 의해 흡수되지 않은 광자들은 하부 행의 다이오드 세그먼트들(3a)에 의해 흡수되고, 이로써 세분화된 다이오드 구조를 이용해 100% 채움 인자 검출(fill factor detection)에 도달하게 된다.
나아가, 도 11에 도시된 바와 같이, 검출 율은 다이오드 세그먼트들(3b)의 상부 행을 연장하여 그 다이오드 세그먼트들(3b) 중 일부가 트랜지스터(10) 상에 배치되도록 하는 것에 의해 더 증가될 수 있다.
도 11에 도시된 원리는 도 14의 실리콘-온-글라스 실시예에 동일하게 적용가능하다.
이제 도 15 및 도 16을 참조하면, 이전의 실시예들의 또 다른 변형에 있어서, 판독기(5")가 아닌 매트릭스는 리셋 회로부(9)를 포함한다. 이로써 각각의 셀은 전력 공급 수단(7) 및 다이오드들(2") 사이에 연결되는 추가의 트랜지스터(12)를 포함한다. 트랜지스터 게이트는 각각의 다이오드(2") 상의 전하를 필요하다면 제거하기 위해 리셋 회로부(9)에 의해 구동된다. 이전과 같이, 각각의 다이오드(2")는 신호 수집이 시작되기 전에 초기화되어야 한다. 이것은 가이거-모드 작동을 위해 다이오드에 걸리는 전압을 설정하도록 리셋 트랜지스터(12)를 펄싱하는 것에 의해 달성된다. 리셋 트랜지스터(12)가 오프되기만 하면, 통합 구간(integration period)이 시작한다. 입사 광(방사선)은 각각의 다이오드(2") 내에서 아발란쉬 이벤트들을 시작할 수 있는 전자-홀 쌍들을 생성하여, 화소 상에서 전하에 있어서의 변화로 귀결된다. 통합 구간의 끝에서, 판독 TFT(행)는 트랜지스터(11)를 스위칭하는 것에 의해 선택되고 또한 총 축적된 전하는 판독 회로(5")로 전달된다. 도 15의 예에 있어서, 로드 레지스터들(13')은 데이터 라인들(6)을 도 4 및 도 13의 실시예들의 전하 증폭기들(13)이 아닌 판독 회로(5")에 연결하고, 또한 이것들은 상호교체가능하게 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 도 16은 도 14의 구현과 동일한 방식으로 이 회로부의 예시적인 실리콘-온-글라스 구현을 보여주는데, 이때 ITO 층(25)은 다이오드 세그먼트들(3")을 별도의 레지스터들(미도시)을 통해 추가적인 트랜지스터(12)에 연결한다.
FPD 촬영 시스템들에는 보편적인 판독 시스템들을 가지고 구현되는 본 발명의 실시예들은, 화소들에서 주어진 광자 속도에 있어서 전자기 방사선 검출 장치의 신호대잡음비를 증가시킨다. 검출 장치의 최종적인 검출 양자 효율(DQE)은 입사 전자기 방사선의 주어진 선량에 대하여 증가된다. 반대로, 주어진 DQE 값에 대한 선량은 감소된다. 설명을 위해, 도 4의 실시예와 비교하여 도 1의 종래 접근법에 대한 DQE 대 선량의 그래프가 도 12에 도시되어 있다.
도 12는 어떻게 본 발명의 실시예들에 대한 S-형상의 DQE 대 X-선 선량 레벨 곡선이 도 1, 도 2 및 도 3의 종래의 접근법에 대한 곡선의 좌측으로 천이되는지를 보여준다. 이것은 50%의 DQE를 필요로 하는 X-선 이미지들에 대하여, 달성되는 선량에 있어서의 감소는, 5-배 선량 레벨 감소에 대응하는, 82%인 것을 의미한다. DQE가, 특히 낮은 노출 레벨들에 있어서, X-선 이미지의 품질에 영향을 미치는 장점의 주요한 특징이지만, 변조 전달 함수(Modulation Transfer Function, MTF)와 같은, 다른 매개변수들이 본 발명에 의해 악영향을 받을 필요는 없음에 유의해야 한다.
도 5 내지 도 7, 도 10 내지 도 11, 및 도 13 내지 도 14에 도시된 실시예들에 있어서, 셀(2, 2')의 다이오드 세그먼트들(3, 3')과 직렬인 아발란쉬 퀀칭 레지스터(8)는, 다이오드 세그먼트들(3)에 대한 접촉부로서 사용되는, 전도성 투명 층(25)에 패터닝된다. 대안적으로 또는 이에 더하여, 아발란쉬 퀀칭 레지스터들(8)은
- 추가적인 고저항 층으로서 다이오드 메사(diode mesa)에 통합되거나; 및/또는
- 다이오드 세그먼트들(3) 아래에 놓인 금속 층들(21, 33)로 통합될 수 있다.
이제 도 8 내지 도 9를 참조하면, FPD(1)의 다이오드 세그먼트들(3, 또는 3')을 실현하기 위한 예시적인 실시예들이 개시되어 있다.
다이오드 세그먼트들(3)은 비정질 실리콘(a-Si)으로 실현될 수 있고, J.-W. Hong et al, "The Hydrogenated Amorphous Silicon Reach-Through Avalanche Diodes", IEEE Journal of Quantum Electronics, IEEE, 1990에는 비정질 실리콘 아발란쉬 광다이오드들의 제조 프로세스가 기술되어 있다. 도 8(a)는 이하의 서로 다른 도핑된 층들을 포함하는, 예시적인 a-Si 다이오드 세그먼트(3)를 보여준다:
- (도 5에 도시된 셀(2)의 금속 층 부분(21)과 같은) 금속 층(21) 상에, 심하게 도핑된 n-타입 층(heavily doped n-type layer, 41);
- 이 층(41) 상에, 가볍게 도핑된 n-타입 층(lightly doped n-type layer, 42); 및
- 이 층(41) 상에, 그리고 (도 5에 도시된 셀(2)의 층(25)과 같은) 전도성 투명 층(25) 하에, 심하게 도핑된 p-타입 층(42).
다이오드 세그먼트(3)의 층들은 연속적인 층 내의 다이오드 세그먼트(3)를 도핑하기 위해 이온 주입(ion implantation), 예를 들어 패터닝된 이온 주입을 이용해 도핑될 수 있다.
도 8(a)의 스택의 대안에 있어서, 도 8(b)에 있어서, 전자-홀 쌍 생성을 위한, 유전체 하부층(40a)이, 감광성 전자-홀 쌍 생성을 위한, 반도체 층(40b) 아래에 제공된다.
일 실시예에 있어서, 다이오드 세그먼트들(3)은 혼합된-위상 실리콘을 포함할 수 있다. 도 9를 참조하면, 이러한 다이오드 세그먼트(3)는
- 금속 층(21) 상에, 심하게 도핑된 n-타입 층(41);
- 가볍게 도핑된 n-타입 혼합된-위상 실리콘 층(43); 및
- 이 층(43) 상에, 그리고 전도성 투명 층(25) 하에, 심하게 도핑된 p-층(42)을 포함한다.
혼합된-위상 실리콘 층(43)은 비정질 실리콘과 다결정질 또는 나노-결정질 실리콘과 같은, 결정질 실리콘의, 교차 영역들(alternate regions, 44, 45)로 구성된다. 이 혼합된-위상 실리콘 층(43)은 다이오드 세그먼트(3)의 항복전압을 감소시킨다. P.A. Beck, "High Current Density in mc-Si PECVD Diodes for Low Temperature Applications"의 그 개시 내용은 여기에 참조에 의해 포함되는데, 이러한 μc-Si 다이오드들을 제조하는 방법들을 개시한다.
상기의 실시예들에서 도시된 바와 같은 별도의 분리된 전자-홀 생성 및 아발란쉬 층들의 이용은 얇은 절연 아발란쉬 층들의 이용을 허용한다는 것이 이해될 것이다.
또한 도 8(a), 도 8(b) 및 도 9에 도시된, 심하게 도핑된 p-타입 층(42) 및 심하게 도핑된 n-타입 층(41)의 위치들은 스와핑될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
언급된 바와 같이, 몇몇의 실시예들에 있어서, FPD(1)은 X-선들/전기적 전하의 간접 변환을 위한 섬광 물질의 층을 포함한다. 다른 실시예들에 있어서, FPD(1)은 예를 들어 적외선(IR) 광을 검출하기 위한, 직접 검출기로서 이용될 수 있다. 이 경우에 있어서, 섬광 물질은 필요치 않고 IR 선들/전기적 전하의 직접 변환은 매트릭스 셀들(2)의 다이오드 세그먼트들(3)에서 발생할 수 있다.
이 실시예들의 또 다른 변형들에 있어서, 다이오드 세그먼트들(3)에 적절한 물질들을 선택하는 것에 의해, FPD(1)은 섬광 물질 없이, X-선들을 직접 검출하는 데 이용될 수 있다.
예를 들어, 다이오드 세그먼트들(3)은 갈륨 인듐 아연 산화물(Gallium Indium Zinc Oxide, GIZO 또는 IGZO)의 m-타입 층들과 같이, 비-상보적 반도체들(non-complementary semiconductors)의 하나 또는 그 이상의 층들을 포함할 수 있다.
X-선 방사선에 직접적으로 민감한 다른 다이오드들은, 예를 들어 R.B. Gomes et al, "GaAs/Al0.8Ga0.2As avalanche photodiodes for soft X-ray spectroscopy", Journal of Instrumentation, Volume 9, Issue 03, article id. P03014 (2014); 및 http://www2.le.ac.uk/departments/physics/research/src/res/bioimaging-unit/silicon-carbide-detectors에 기술된 바와 같이, GaA 또는 SiC를 포함한다.
또 다른 변형들에 있어서, 다이오드 세그먼트들(3)은 펜타센(Pentacene)의 p-타입 층들과 같이, 유기 반도체들의 하나 또는 그 이상의 층들을 포함할 수 있다.
상기의 실시예들은 능동 매트릭스 측면에서 설명되었지만, 본 발명의 다른 실시예들은 또한, 매트릭스 셀들(2)의 다이오드 세그먼트들(3)이 스위칭 장치들을 이용하지 않고 FPD(1)의 각각의 행들 및 열들 라인들에 연결되는, 수동 매트릭스 회로부로 구현될 수 있다.
또한 다이오드들과 데이터 라인들 사이에 일대일 대응관계가 존재할 필요는 없고 또한 데이터-라인들(6)의 그룹들은 세분화된 FPD(1)을 실현하기 위해 결합될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들을 생산하기 위해 채용되는 제조 기술은, 예를 들어 그 개시 내용이 참조에 의해 여기에 반영되는, W. Boer, "Active Matrix Liquid Crystal Displays", 2005, ISBN-10: 0-7506-7813-5에 개시되어 있는 것과 같이, 평판 디스플레이들을 생산하는 데 이용되는 것과 동일할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서 본 발명에 따른 FPD들은 평판 매트릭스 디스플레이들에 통합될 수 있다.
그러므로, 이미지 획득 장치가 착용자의 눈의 이미지들을 획득하는 데 이용되어 시선을 추적할 수 있는 것과 같은, 가상 현실 응용들에 있어서, 이미지 획득 장치는 VR 디스플레이와 통합될 수 있다. 이러한 응용들은 이미지 획득 장치를 통해, 저조도 레벨들 하에서 고속으로 고품질의 착용자의 눈의 이미지들을 제공하기 위해, VR 헤드셋 디스플레이로부터 조명을 이용할 수 있다.
VR이 아닌 응용들은 지문 또는 제스쳐 인식, 또는 디스플레이-통합된 방사선 모니터링과 같이, 디스플레이를 위해 이 이미지 획득 장치를 후판에 통합하는 것에 의해 제공되는 개선된 형태-인자(form-factor)로부터 이득을 얻을 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이러한 검출기의 생산은 CMOS에 기반할 수 있다. 이러한 응용은 단순한 에너지 스펙트럼 결정 장치들과 관련되거나; 또는 검출 장치는 거리측정 응용들을 위한 시간-거리 변환기들(Time-to-Distance convertors, TDC)과 결합될 수 있다. 이러한 응용들에 있어서, 더 짧고 더 예리한 윈도우 내에서 반사 펄스를 캡쳐하기 위한 본 발명에 따른 더 민감한 검출 장치의 능력은 이러한 거리측정 장치들의 정확도를 증가시키는 데 기여한다.
또한 상기의 실시예들의 더 복잡한 구현들에 있어서, 다른 환경들에서의 장치의 일관된 작동을 보장하기 위해 온도 보상 회로부(미도시)가 셀들(2) 또는 구동 회로부(7) 중 하나에 결합될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
마지막으로, 상기의 실시예들의 원리들은 현장(scene)의 깊이 지도들(depth maps)을 생성하기 위한 관점에서 비행 시간 이미지들(ToF images)을 생성하는 데 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이제 도 17 및 도 18을 참조하면, 매트릭스는 각각의 장치 행의 판독과 비교하여, 알려진 시간에 현장을 조명하기 위해 펄싱되는 광(방사선) 소스(미도시)와 작동가능하게 결합되어 있다. 초기화되기만 하면, 다이오드 세그먼트들(3''')의 양극에 연결된 트랜지스터(14)는 선형 모드에서 개방되고 커패시터(19)와 병렬인 저항 요소로서 행동하고, 커패시터(19)의 RC 시간은 화소 상의 전하가 시간에 따라서 변할 수 있고 또한 ToF 검출기의 원하는 범위에 대응하는 시간 구간 내에서 방전되도록 선택된다. 전형적인 실내 응용들에 있어서, 10 m의 최대 범위가 적용될 수 있고, 이로써 67 ns의 총 왕복 시간(round trip time)에 필적하는 RC 시간이 선택될 수 있다. 조명된 현장으로부터 반사된 광자들이 검출기 화소에 도달한 때, 아발란쉬 다이오드 세그먼트들(3''')은 작동시작(fire)되고, 트랜지스터(14)는 닫혀서 Vdd로의 화소 커패시터(19)의 방전을 중단시킨다. 화소 상에 남아 있는 전하는 그후 광의 비행 시간과 특유하게 관련되고, 화소 어레이는 초점 평면 어레이를 형성하는 매트릭스 내에서 각각의 위치에 대한 거리의 지도가 생성되도록 허용하는, 종래의 방식으로 판독될 수 있다.
도 19는 도 17의 비행시간 촬영 회로에 대한 예시적인 타이밍도이다. 초기화 동안, Vreset이 도 15의 예에서와 같이 발휘될 때, 다이오드 세그먼트들(3''')은 리셋된다. Vreset이 여전히 발휘되는 동안, 행 드라이버 신호(Vrow)는 커패시터(19)가 Vpixel로 도시된 알려진 전압까지 충전되도록 발휘된다. 행 드라이버 신호(Vrow)가 발휘되지 않기만 하면, 커패시터(19)는, 다이오드 세그먼트들(3''')이 수신된 광자에 응답하여 스위치 온할 때까지, 알려진 속도로 방전을 시작한다. 소소한 누출은 별론으로 하고, 전하는 행 드라이버 신호가 다시 발휘될 때까지, 커패시터(19) 상에서 유지될 것이다. 그 단계에서 커패시터(19) 상의 아날로그 전하 값(VTOF)은 Vrow 신호가 발휘되는 동안 판독될 수 있다. 도 20은 더 긴 비행 시간, 예를 들어 50 ns을 보여주는 반면, 도 21은 더 짧은 비행 시간, 예를 들어 10 ns를 보여준다.
도 17의 매트릭스는 그 각각의 행이 순차적으로 판독되는, 방사선의 하나의 펄스에 응답할 수 있다. 이 경우에 있어서, 행별로 다른 누출을 고려하기 위한 다소의 캘리브레이션이 필요할 수 있다.
대안적으로, 이미지의 각 행은 이러한 캘리브레이션을 채용할 필요 없이, 방사선의 하나의 펄스에 응답하여 생성될 수 있다.
상기의 실시예는 비행 시간을 결정하기 위해 커패시터(19)의 방전 정도를 측정하는 것에 기초하였지만, 도 17의 대안적인 구현들에 있어서, 커패시터는 방전 상태에서 시작할 수 있고 또한 비행 시간은 다이오드 세그먼트들(3''')이 작동시작한 때 그 충전 상태에 따라 결정될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (27)

  1. 매트릭스 영역의 적어도 일부를 포함하는 기판(20) 상에서 연장되는 복수의 층들을 포함하는 방사선 검출 장치에 있어서, 상기 매트릭스 영역은 셀들(2)의 복수의 M 열들로 분할되는 복수의 N 행들을 갖고, 각 셀은 복수의 다이오드 세그먼트들(3)을 포함하고, 다이오드 세그먼트들 각각은 아발란쉬 증폭 가이거 모드에서 작동하기 위해 구동 전압에 아발란쉬 퀀칭 레지스터(8)를 통해 직렬로 연결되고, 상기 방사선 검출 장치는,
    상기 구동 전압으로부터 상기 매트릭스 영역의 개별적인 셀들로의 연결들의 제1 세트를 제공하는 금속 층(21)을 포함하고;
    각각의 다이오드 세그먼트는,
    상기 금속 층 상에 형성되는 제1 반도체 타입의 제1 도핑된 층(41);
    상기 제1 도핑된 층 상에 형성되는 비정질 실리콘 및 결정질 실리콘의 교차 영역들(44, 45)로 구성되는 혼합된-위상 실리콘 층(43);
    상기 혼합된-위상 실리콘 층 상에 형성되는 반도체 물질의 제2 도핑된 층(42);
    하나의 셀 내의 상기 다이오드 세그먼트들 각각은 유전체 물질로 서로 분리되어 있고; 및
    상기 제2 층 상에 형성되고 또한 전자적 스위칭 장치(10)로부터 상기 매트릭스 영역의 개별적인 셀들로의 연결들의 제2 세트를 제공하는 적어도 하나의 전도성 투명 층(25)을 포함하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 물질의 제2 층은 상기 제1 도핑된 층과 반대되는 타입인, 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 셀들(2)의 다이오드 세그먼트들(3) 상에 섬광 물질의 적어도 하나의 층을 더 포함하는, 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전도성 투명 층(25)은 상기 다이오드 세그먼트들(3)과 상기 섬광 물질의 적어도 하나의 층 사이에 배치되는, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전도성 투명 층(25)은 상기 셀들(2)의 다이오드 세그먼트들(3) 상에 입사 전자기 방사선을 수렴시키는 이러한 방식으로 성형되는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전도성 투명 층(25)은, 각각의 다이오드 세그먼트(3)에 있어서, 상기 다이오드 세그먼트(3) 상에 위치되는 돔-형상 부분(27)을 포함하는, 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전도성 투명 층(25)은 전도성 산화물을 포함하는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 다이오드 세그먼트들(3)은 서로를 향하고 서로 분리되어 있는 측벽들(22)을 가지고, 상기 유전체 물질은 상기 다이오드 세그먼트들(3)의 상기 측벽들(22)을 커버하는, 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 다이오드 세그먼트들(3)은 적어도 이격된 제1 다이오드 세그먼트들(3b)의 상부 어레이 및 제2 다이오드 세그먼트들(3a)의 하부 어레이를 포함하고 상기 제2 다이오드 세그먼트들(3a)은 상기 제1 다이오드 세그먼트들(3b)에 대하여 측면으로 오프셋되어 있어 상기 제1 다이오드 세그먼트들(3b)과 기판(20) 사이, 상기 제1 다이오드 세그먼트들(3b) 사이의 공간들 아래에 배치되게 되는, 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 각각의 셀은 상기 다이오드 세그먼트들에 의해 생성되는 전하를 저장하기 위한 저장 커패시터를 더 포함하는, 장치.
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