KR20200008582A - X-선 센서, x-선 검출기 시스템 및 x-선 영상화 시스템 - Google Patents

X-선 센서, x-선 검출기 시스템 및 x-선 영상화 시스템 Download PDF

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Abstract

센서의 제 2 대향하는 면에 접합 터미네이션(23)의 배치와 함께, 센서의 제 1 면에 다수의 검출기 다이오드(22)를 포함하는 능동형 검출기 영역을 갖는 x-선 센서가 제공된다. 보통, 이것은 접합 터미네이션이 능동형 검출기 영역이 센서의 바닥면에 위치되는 윗면으로부터 이동되는 것을 암시하고, 센서의 바로 에지 쪽으로 검출기 다이오드를 갖는 윗면에서 능동형 검출기 영역의 완전한 활용을 가능하게 한다.

Description

X-선 센서, X-선 검출기 시스템 및 X-선 영상화 시스템
제안된 기술은 일반적으로 x-선 영상화와 같은 x-선 응용에 관한 것이고, 더 자세하게는 x-선 검출기로도 언급되는, x-선 영상화 시스템 뿐만 아니라 상응하는 x-선 검출기 시스템에 관한 것이다.
x-선 영상화와 같은 방사선 영상화는 의료 응용 분야에서 및 비파괴 검사를 위해 수년간 사용되어 왔다.
보통, x-선 영상화 시스템은 x-선 광원 및 x-선 검출기 시스템을 포함한다. x-선 광원은 x-선을 방출하고, 이는 영상화될 피사체 또는 대상을 통과하여 x-선 검출기 시스템에 의해 등록된다. 일부 재료는 다른 재료 보다 x-선의 더 큰 분율(fraction)을 흡수하기 때문에, 영상은 피사체 또는 대상으로 형성된다. x-선 검출기는 에너지 통합 검출기 및 광자 계수 검출기를 포함하여, 상이한 유형일 수 있다.
종래의 x-선 검출기 설계는 보통, 윗면에, 검출기 다이오드(픽셀)에 의해 커버된, 예를 들어 스트립 또는 기판이 n-형의 고 저항 물질일 경우 p-형의 도핑된 직사각형 또는 육각형 영역의 형태로, 능동형 검출기 영역을 포함한다. 윗면은 또한 이른바 가드를 포함하는 이른바 접합 터미네이션(junction termination) 영역을 포함한다.
최대 감도를 위해서, 핀 다이오드 구조의 이른바 드리프트 영역을 빌드하는 검출기의 고 저항성 n-형 부분은 전하가 완전히 공핍되어야 한다. 이는 구조에 있어서 최대 전기장의 위치에서 접합 항복의 조건에 도달하지 않고 500 ~ 550 ㎛ 두께의 n-형 영역에 대해 적어도 400 볼트의 전압을 적용하는 것을 요구한다. 더욱이, 검출기는 패시베이팅 산화물(passivating oxide)에서 조사(irradiation)의 결과로써 생성되는 포지티브 표면 전하에 저항력을 확보하기 위해 상당히 높은 전압을 지탱해야 한다. 이는 표면에서 전기장을 증가시키고 항복 전압을 감소시키는 것으로 공지되어 있다. 접합 터미네이션의 기능은 전기장 강도를 감소시키고 조사 하에서 포지티브 산화물 전하에 대한 저항력 및 검출기의 충분히 긴 수명을 확보하기 위해 검출기의 표면을 따라 전기장을 확산시키는 것이다.
핀 다이오드 및 검출기에 적용되는 접합 터미네이션의 두 가지 주요 개념이 있다. 첫째는 다중 플로팅 필드 링(Multiple Floating Field Ring: MFFR)이고 둘째는 이른바 접합 터미네이션 익스텐션(Junction Termination Extension: JTE)이다. MFFR은 적용된 역전압을 애노드(p플러스 픽셀로 커버된 영역)를 둘러싸는 플로팅 링 사이의 공간에 포함된 작은 분율로 나누는 원칙을 이용하고, JTE는 공핍 하의 JTE에서 (네거티브하게 하전한 받개(acceptor)) 및 역시 공핍 하의 n-형 드리프트 영역에서 (포지티브하게 하전한 주개(donor)) 도펀트 전하 사이의 전하 중성의 원칙을 이용한다. 양 기술의 특징은 그들이 넓은 영역을 사용한다는 것이다. 필드 감소의 바로 그 원칙은 대부분의 물질의 그것과 비교하여 표면에서 공핍 영역 너비를 넓히는 것이다. 400V 내지 800V의 요구되는 전압에 대해서 접합 터미네이션의 너비는 가드를 포함하여 100 ㎛과 500 ㎛ 사이이다. 플로팅 링에는 보통 픽셀 다이오드의 에지에서 밀집하는 전위를 회피하는 것을 돕는 금속 플레이트가 갖춰진다. JTE는 어느 금속 플레이트도 허용하거나 요구하지 않고 보통 더욱 공간 효율적이다.
가드는 검출기의 외부 영역으로부터 및 검출기 에지를 향하여 누설 전류를 수집하는 기능을 갖는 최외곽의 p-형 도핑된 링을 접촉하는 최외곽 전극이다. 이 전극은 보통 접지에 연결된다.
터미네이션의 결점은 능동형 검출기 영역의 상실이다. 또한, 많은 검출기가 더 넓은 영역을 커버하기 위해 결합되기 때문에 각각의 개별적인 검출기에서 손실 영역은 획득된 영상의 품질에 부정적인 영향을 미치는 검출기 매트릭스에서 "데드(dead)" 또는 블라인드 영역을 구성한다.
미국 특허 제4,377,816호는 하나 이상의 p-n 접합을 갖고 p-n 접합의 억제 작용을 개선시키는 존 가드 링(zone guard ring)이 제공된 반도체 소자에 관한 것이다. 존 가드 링은 실질적으로 공간 전하 영역(전기장)이 장치의 에지에 도달하는 것을 방지하고 이에 따라 전류의 누수를 방지하는 이른바 채널 스토퍼(필드 스탑)로서의 역할을 한다. 이는 임의의 접합 터미네이션 없이 전기장이 장치의 측벽 표면에 도달하는 것을 방지하는 보호만으로 단순한 평판 다이오드를 제시한다.
미국 특허 제8,093,624호는 광학 포커싱 기술의 필요를 제거하는, 가시적이고 근적외선의 파장에 100% 접근하는 필-팩터(fill-factor)를 가능하게 하는 장치 구조를 갖는 애벌란시(avalanche) 포토 다이오드에 관한 것이다. n-형 능동형 영역 및 p-형 능동형 영역이 제공된다. n-형 및 p-형 능동형 영역 중 제 1 영역은 제 1 기판 표면에서 반도체 기판 내에 배치된다. n-형 및 p-형 능동형 영역 중 제 2 영역은 기판의 제 1 깊이에서 능동형 영역 중 제 1 영역 아래에 배치된 하이-필드 존, 제 1 깊이 보다 큰 기판의 제 2 깊이에서 제 1 능동형 영역의 바깥쪽 측면으로 배치된 미드-필드 존, 및 기판의 하이-필드 존 및 미드-필드 존을 연결하는 스텝 존을 포함한다. 이러한 구성으로, 포토 다이오드 구조는 장치의 하이-필드 애벌란시 영역을 피해가는 광전자 경로를 억제함으로써 실질적으로 비-애벌란시 광전자 수집을 방지한다. p플러스 영역으로 제공된, 종래의 채널 스탑 영역은, 포토 다이오드의 에지에 위치된다. 포토 다이오드는 또한 포토 다이오드 캐소드를 측면으로 둘러싸는, 예를 들어 원형의 구성으로, 캐소드의 주변에 종래의 가드 링 구조를 포함할 수 있다. 애벌란시 포토 다이오드는 저압의 애벌란시 조건(항복)에서 동작하고, 픽셀 다이오드의 전체 어레이를 터미네이트하는 문제는 언급되지 않는다. 미국 특허 제8,093,624호는 오히려 개별적인 포토 다이오드의 설계 및 구성에 관한 것이고, 여기에서 채널 스토퍼는 개별적인 픽셀 다이오드를 분리하기 위해 사용된다.
미국 특허 제9,087,755호는 반도체 기판 상에 형성된 애노드 및 캐소드를 포함하는 애벌란시 포토 다이오드에 관한 것이고, 여기에서 제한된 연장을 갖는 수직형 전극이 포토 다이오드의 매립된 구성 요소와 동작시 전기적 통신한다. 아이디어는 수직형 가드 링 또는 필드 플레이트에 의해 어레이의 개별적인 픽셀 다이오드 사이에서 측면의 종래 필드 플레이트를 대체하는 것이다. 개별적인 픽셀 사이의 격리는 트렌치 에칭(trench etching)을 사용하여 이루어지고, 수직형 가드 또는 필드 플레이트 전극은 트렌치 구조의 측벽을 이용하여 증착/형성된다.
검출기는 그들이 플로팅 링 또는 JTE 형식으로 접합 터미네이션을 포함하지 않기 때문에 저압으로 설계되고, 수직형 가드 또는 필드 플레이트는 개별적인 픽셀 다이오드를 보호하기 위해 사용된다.
일반적으로, 때로는 x-선 검출기로도 언급되는, 개선된 x-선 센서를 제공하는 것이 목적이다.
특히, 접합 터미네이션 구조(들)에 대해 센서의 윗면에 능동형 검출기 영역의 상실이 없는 x-선 센서를 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 그러한 x-선 센서로 구성되는 x-선 검출기 시스템을 제공하는 것이 목적이다.
다른 목적은 그러한 x-선 검출기 시스템을 구성하는 x-선 영상화 시스템을 제공하는 것이다.
기타 목적은 본 발명의 실시예에 의해 충족된다.
본 발명의 기본적인 아이디어는 접합 터미네이션을 검출기의 뒷면으로 이동시키는 것이다. 본 발명은 그럼으로써 능동형 검출기 영역으로써 전체 상부 검출기 영역의 활용을 가능하게 한다.
따라서, 센서의 제 2 대향하는 면에 접합 터미네이션의 배치와 함께 센서의 제 1 면에 다수의 검출기 다이오드를 포함하는 능동형 검출기 영역을 갖는 x-선 센서가 제공된다.
언급된 바와 같이, 이는 보통 접합 터미네이션이 능동형 검출기 영역이 센서의 뒷면에 위치되는 윗면으로부터 이동되는 것을 암시하고, 센서의 바로 에지 쪽으로 검출기 다이오드를 갖는 윗면에서 능동형 검출기 영역의 완전한 활용을 가능하게 한다.
관련된 양상에 따르면, 센서의 제 1 면에 다수의 검출기 다이오드를 포함하는 능동형 검출기 영역 및 센서의 제 2 대향하는 면에 공통 접합 터미네이션으로 구성되는 x-선 센서가 제공된다. 제 1 면은 센서의 애노드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 캐소드 면에 상응한다. 대안적으로, 제 1 면은 센서의 캐소드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 애노드 면에 상응한다.
다른 양상에 따르면, 그러한 x-선 센서로 구성되는 x-선 검출기 시스템이 제공된다.
또 다른 양상에 따르면, x-선 검출기 시스템으로 구성되는 x-선 영상화 시스템이 제공된다.
기타 이점은 발명의 상세한 설명을 독해할 때 이해될 것이다.
실시예는, 추가의 목적 및 그 이점과 함께, 첨부된 도면과 함께 다음의 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다:
도 1은 전체적인 x-선 영상화 시스템의 예를 예시하는 개략도이다.
도 2는 x-선 영상화 시스템의 다른 예를 예시하는 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 x-선 센서의 기본 예를 예시하는 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 위(평면도)로부터 보여지는 x-선 센서의 예를 예시하는 개략도이다.
도 5는 접합 터미네이션 구조를 포함하는 일반적인 x-선 센서 윗면의 예의 단면을 예시하는 개략도이다.
도 6은 센서의 뒷면에 접합 터미네이션 및 센서 에지의 산화물 패시베이션을 갖는 x-선 센서의 예의 단면을 예시하는 개략도이다.
도 7은 도 6의 x-선 센서의 상이한 부분의 전기 전위를 예시하는 개략도이다.
도 8은 센서 가드 구조를 구성하는 도핑된 에지를 갖는 x-선 센서 윗면의 예의 단면을 예시하는 개략도이다.
도 9는 캐소드와 관련된 JTE 및 센서 에지와 관련된 JTE를 갖는 x-선 센서의 바닥면의 예의 단면을 예시하는 개략도이고, 센서 에지는 가드 구조를 구성하는 도핑된 센서 에지이다.
도 10은 도 9의 x-선 센서의 상이한 부분의 전기 전위를 예시하는 개략도이다.
도 11은 캐소드와 관련된 JTE 및 센서 에지와 관련된 JTE를 갖는 x-선 센서의 바닥면의 다른 예의 단면을 예시하는 개략도이고, 센서 에지는 가드 구조를 구성하는 도핑된 센서 에지이다.
도 12는 도 11의 x-선 센서의 상이한 부분의 전기 전위를 예시하는 개략도이다.
도 13은 터미네이트 되지 않은 기준 구조와 비교할 때 상이한 실시예에 대해 획득된 항복 또는 블로킹 전압 값을 예시하는 개략도이다.
도 1을 참조하여, 예시적인 전체의 x-선 영상화 시스템의 개요로 시작하는 것이 유용할 수 있다. 이 비제한적인 예에서, x-선 영상화 시스템(100)은 기본적으로 x-선 광원(10), x-선 검출기 시스템(20) 및 관련된 영상 처리 장치(30)로 구성된다. 일반적으로, x-선 검출기 시스템(20)은 선택적인 x-선 광학에 의해 초점이 맞춰졌을 수 있고 대상 또는 피사체 또는 그 일부를 통과했을지도 모를 x-선 광원(10)으로부터 방사선을 등록하도록 설정된다. x-선 검출기 시스템(20)은 영상 처리 장치(30)에 의해 영상 처리 및/또는 영상 재구성을 가능하게 하기 위해 (x-선 검출기 시스템(20)에 통합될 수 있는) 적절한 아날로그 처리 및 판독 전자 기기를 통해 영상 처리 장치(30)에 연결된다.
도 2에 예시된 바와 같이, x-선 영상화 시스템(100)의 다른 예는 x-선을 방출하는 x-선 광원(10); x-선이 대상을 통과한 후 x-선을 검출하는 x-선 검출기 시스템(20); 검출기로부터 미가공 전기 신호를 처리하고 그것을 디지털화하는 아날로그 처리 회로(25); 보정을 적용하거나, 그것을 임시로 저장하거나, 필터링하는 것과 같은 측정된 데이터에 추가적인 처리 동작을 수행할 수 있는 디지털 처리 회로(40); 및 처리된 데이터를 저장하고 추가적인 후처리 및/또는 영상 재구성을 수행할 수 있는 컴퓨터(50)로 구성된다.
전체 검출기는 x-선 검출기 시스템(20) 또는 관련된 아날로그 처리 회로(25)에 결합된 x-선 검출기 시스템(20)으로 간주될 수 있다.
디지털 처리 회로(40) 및/또는 컴퓨터(50)를 포함하는 디지털 부는 디지털 영상 처리 시스템(30)으로 간주될 수 있고, 디지털 영상 처리 시스템(30)은 x-선 검출기로부터의 영상 데이터에 기초한 영상 재구성을 수행한다. 영상 처리 시스템(30)은 이에 따라 컴퓨터(50), 또는 대안적으로 디지털 처리 회로(40) 및 컴퓨터(50)의 결합된 시스템, 또는 가능할 경우 디지털 처리 회로가 영상 처리 및/또는 재구성에 대해서 또한 더 전문화될 경우 디지털 처리 회로(40) 그 자체로 여겨질 수 있다.
흔히 사용되는 x-선 영상화 시스템의 예는 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템이고, 이는 x-선의 팬 또는 콘 빔을 생산하는 x-선 광원 및 환자나 대상을 통해 전송되는 x-선의 분율을 등록하는 대향하는 x-선 검출기 시스템을 포함할 수 있다. x-선 광원 및 검출기 시스템은 보통 영상화된 대상 주위로 회전하는 갠트리 내에 장착된다.
따라서, 도 2에 예시된 x-선 광원(10) 및 x-선 검출기 시스템(20)은 이에 따라, CT 시스템의 일부로써, 예를 들어 CT 갠트리 내에 장착 가능하게 배치될 수 있다.
현대의 x-선 검출기는 보통 입사하는 x-선을 전자로 변환시켜야 하고, 이는 전형적으로 광흡착(photo absorption)을 통해 또는 컴프턴 상호 작용(Compton interaction)을 통해 일어나며, 결과로 초래된 전자는 보통 그의 에너지가 손실되고 이 광선이 감광성 물질에 의해 차례로 검출될 때까지 이차적인 가시광을 생성한다. 또한, 반도체에 기반한 검출기도 있고, 이 경우 x-선에 의해 생성된 전자는 적용된 전기장을 통해 수집된 전자-정공 쌍(electron-hole pair)으로써 전하를 생성한다.
종래의 x-선 검출기는 에너지 통합형이고, 각각의 검출된 광자로부터 검출된 신호로의 기여도는 따라서 그의 에너지에 비례하고, 종래의 CT에서, 측정은 단일 에너지에 대해 획득된다. 종래의 CT 시스템에 의해 생산된 영상은 따라서 일정한 모습을 갖고, 여기에서 상이한 조직 및 물질은 일정 범위에서 전형적인 값으로 나타난다.
광자 계수 검출기는 또한 일부 응용에서 현실성 있는 대안으로써 나타났고, 현재 그러한 검출기는 주로 유방조영술에서 상업적으로 이용 가능하다. 광자 계수 검출기는 원칙적으로 각각의 x-선에 대해 에너지가 측정될 수 있기 때문에 대상의 구성 요소에 대해 추가적인 정보를 산출하는 이점을 갖는다. 이러한 정보는 영상 품질을 증가시키고 및/또는 방사선량을 감소시키는데 사용될 수 있다.
에너지 통합 시스템과 비교하여, 광자 계수 CT는 다음의 이점을 갖는다. 첫째, 에너지-통합 검출기에 의해 신호에 통합되는 전자 잡음은 광자 계수 검출기에서 잡음 플로어 위에 최저 에너지 문턱을 세팅함으로써 제거(reject)될 수 있다. 둘째, 에너지 정보는 검출기에 의해 추출될 수 있고, 이는 최적의 에너지 가중에 의해 대조 대 잡음 비(contrast-to-noise ratio)를 개선시키고 또한 이른바 물질 기저 분해를 허용하며, 그에 의해 검사된 피사체 또는 대상의 상이한 물질 및/또는 구성 요소가 효과적으로 구현되도록, 식별되고 정량화될 수 있다. 셋째, K-에지 영상화와 같은, 분해 기술에 유용한 둘 이상의 기저 물질이 사용될 수 있고, 그럼으로써 조영제, 예를 들어 요오드 또는 가돌리늄의 분포는 정량적으로 결정된다. 넷째, 검출기 잔광(afterglow)이 없으며, 이는 높은 각도의 해상도가 획득될 수 있음을 의미한다. 마지막으로 중요한 것은, 더 작은 픽셀 크기를 이용하여 더 높은 공간 해상도가 달성될 수 있다는 것이다.
광자 계수 x-선 검출기용으로 가장 유망한 물질은 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 카드뮴 아연 텔루라이드(CZT) 및 실리콘(Si)이다. CdTe 및 CZT는 임상 CT에 사용되는 고 에너지 x-선의 높은 흡수 효율을 위해 여러 광자 계수 스펙트럼 CT 프로젝트에 사용된다. 그러나, 이들 프로젝트는 CdTe/CZT의 여러 결점으로 인해 처리가 느리다. CdTe/CZT는 낮은 전하 캐리어 이동성을 갖고, 이는 임상 실험에서 발생하는 것 보다 10 배 낮은 플럭스율에서 심각한 펄스 파일업을 유발한다. 이 문제를 완화하는 한 방법은 픽셀 크기를 감소시키는 것이지만, 그것은 전하 공유 및 K-이스케이프(escape)의 결과로써 증가된 스펙트럼 왜곡을 가져온다. 또한, CdTe/CZT는 전하 트랩(trap)을 야기하는데, 이는 광자 플럭스가 일정 레벨 위에 도달할 때 아웃풋 계수율의 급속한 하락을 유발하는 편광으로 이어질 수 있다.
대조적으로, 실리콘은 더 높은 전하 캐리어 이동성을 갖고 편광의 문제에서 자유롭다. 원만한 제조 공정 및 비교적 낮은 비용 또한 그의 장점이다. 그러나, 실리콘은 CdTe/CZT에 없는 한계가 있다. 실리콘 센서는 따라서 그의 낮은 정지력(stopping power)을 보완하기 위해 매우 두꺼워야 한다. 보통, 실리콘 센서는 입사하는 광자의 대부분을 흡수하기 위해 수 센티미터의 두께가 요구되고, 반면에 CdTe/CZT는 오직 수 밀리미터만 요구된다. 다른 한편으로, 실리콘의 긴 감쇠 경로는 또한 검출기를 상이한 깊이 세그먼트(depth segment)로 나누는 것을 가능하게 하고, 이는 아래에서 설명될 것이다. 이는 결국 실리콘 기반의 광자 계수 검출기가 CT에서 높은 플럭스를 적절하게 처리하는 것을 가능하게 한다.
실리콘 또는 게르마늄과 같은, 간단한 반도체 물질을 사용할 때, 컴프턴 산란은 많은 x-선 광자가 검출기에서 전자-정공 쌍으로의 변환 전에 고 에너지에서 저 에너지로 변환하도록 한다. 이는 예상한 것 보다 훨씬 적은 전자-정공 쌍을 생산하여, 최초의 더 높은 에너지에서, x-선 광자의 큰 분율을 가져오고, 이는 결국 에너지 분포의 로우 엔드(low end)에서 나타나는 광자 플럭스의 상당한 부분을 초래한다. 가능한 많은 x-선 광자를 검출하기 위해서, 따라서 가능한 저 에너지를 검출하는 것이 필요하다.
전통적인 x-선 센서/검출기 설계는 보통, 윗면에, 검출기 다이오드(픽셀)에 의해 커버된, 예를 들어 스트립 또는 기판이 n-형 고 저항 물질일 경우 p-형 도핑된 직사각형 또는 육각형 영역의 형태로, 능동형 검출기 영역을 포함한다. x-선 센서/검출기 설계의 뚜렷한 경향에 따르면, 윗면은 또한 이른바 접합 터미네이션 영역을 포함한다. 언급한 바와 같이, 발명자는 터미네이션의 결점은 능동형 검출기 영역의 상실이라는 것을 인지했다.
본 발명의 기본적인 아이디어는 검출기의 바닥면으로 접합 터미네이션을 이동시키는 것이다. 본 발명은 그럼으로써 능동형 검출기 영역으로써 전체 상부 검출기 영역의 활용을 가능하게 한다.
용어 "윗면(top side)"은 용어 "상부면(upper side)"과 교체하여 사용될 수 있고, 용어 "바닥면(bottom side)"은 용어 "뒷면(back side)" 또는 "하부면(lower side)"과 교체하여 사용될 수 있다. 더 일반적으로, 그러나 용어 "제 1 면(first side)" 및 "제 2 면(second side)"이 사용될 것이다.
도 3은 일 실시예에 따른 x-선 센서의 기본 예를 예시하는 개략도이다.
이 예에서, x-선 센서(21)는 센서의 제 2 대향하는 면에 접합 터미네이션(23)의 배치와 함께, 센서의 제 1 면에 금속 전극(27)을 갖는 다수의 검출기 다이오드(22)를 포함하는 능동형 검출기 영역을 갖는다.
제 1 예로써, 제 1 면은 센서의 애노드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 캐소드 면에 상응한다.
대안적으로, 제 2 예로써, 제 1 면은 센서의 캐소드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 애노드 면에 상응한다.
제 1 예에 기초하여 다양한 실시예를 시작하면:
예로써, x-선 센서(21)는 캐소드 영역(25)을 가질 수 있고 접합 터미네이션(23)은 캐소드 영역과 동일한 도핑 유형이 되는 캐소드 영역의 부근에서 제 1 터미네이팅 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 접합 터미네이션(23)은 센서 에지의 부근에서 대향하는 도핑 유형의 제 2 터미네이팅 구조를 포함할 수 있다.
특정 예에서, 캐소드 영역은 n플러스이고, 캐소드 영역의 부근에서 제 1 터미네이팅 구조는 n-형이고 센서 에지의 부근에서 대향하는 도핑 유형의 제 2 터미네이팅 구조는 p-형이다.
이 예에서, 검출기 다이오드(22)는 전형적으로 p플러스 다이오드이다. 드리프트 영역(26)은 보통 진성(낮게 도핑되거나 도핑되지 않은)이다.
예로써, 제 1 터미네이팅 구조는 n-형 접합 터미네이션 익스텐션인 JTE이고, 제 2 터미네이팅 구조는 p-형 접합 터미네이션 익스텐션인 JTE, 및/또는 필드 플레이트 터미네이션을 갖춘 하나 이상의 p-형 플로팅 링이다.
선택적으로, 센서(21)의 제 1 면에서 센서(21)의 제 2 대향하는 면까지 면을 따라 연장하고 능동형 검출기 영역의 주변 주위로 연장하는 센서의 영역(24)은 p-형 도핑된다.
제 2 예에 기초하여 다양한 실시예를 계속하면:
예로써, x-선 센서(21)는 애노드 영역(25)을 가질 수 있고 접합 터미네이션(23)은 애노드 영역과 동일한 도핑 유형이 되는 애노드 영역의 부근에서 제 1 터미네이팅 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 접합 터미네이션(23)은 센서 에지의 부근에서 대향하는 도핑 유형의 제 2 터미네이팅 구조를 포함할 수 있다.
특정 예에서, 애노드 영역은 p플러스이고, 애노드 영역의 부근에서 제 1 터미네이팅 구조는 p-형이고 센서 에지의 부근에서 대향하는 도핑 유형의 제 2 터미네이팅 구조는 n-형이다.
이 예에서, 검출기 다이오드(22)는 전형적으로 n플러스 다이오드이다. 드리프트 영역은 보통 진성(낮게 도핑되거나 도핑되지 않은)이다.
예로써, 제 1 터미네이팅 구조는 p-형 접합 터미네이션 익스텐션인 JTE이고, 제 2 터미네이팅 구조는 n-형 접합 터미네이션 익스텐션인 JTE, 및/또는 필드 플레이트 터미네이션을 갖춘 하나 이상의 n-형 플로팅 링이다.
선택적으로, 센서(21)의 제 1 면에서 센서(21)의 제 2 대향하는 면까지 면을 따라 연장하고 능동형 검출기 영역의 주변 주위로 연장하는 센서의 영역(24)은 n-형 도핑된다.
더 일반적으로, 센서의 제 1 면에 위치된 능동형 검출기 영역을 갖고 센서의 제 2 대향하는 면에 접합 터미네이션의 배치를 갖는 임의의 x-선 센서에 있어서, 도핑된 영역(24)이 도 3에 예시된 바와 같이 센서 에지에 선택적으로 제공될 수 있다. 이 영역(24)은 또한 사이드 에지 인접한 도핑된 영역으로 언급될 수 있고, 도핑된 영역(24)은 일반적으로 센서의 전체 주변 주위로 연장한다.
예를 들어, 센서(21)의 제 1 면에서 센서(21)의 제 2 대향하는 면까지 면을 따라 연장하고 능동형 검출기 영역의 주변 주위로 연장하는 센서의 영역(24)이 제공될 수 있고, 에지 영역은 센서의 사이드 에지 표면으로부터 p-n 접합 격리를 제공하기 위해 도핑된다. 도핑된 영역(24)은 또한 윗면으로부터 바닥면까지 전위 및 전기장을 분배/전송할 수 있다.
예로써, 도핑된 영역(24)은 가드 구조를 제공하기 위해 센서(21)의 제 1 면에 가드 전극과 추가적으로 연결될 수 있다. 도핑된 영역이 윗면과 바닥면 사이에서 연장하기 때문에, 이 가드 구조는 때로는 수직형 가드 구조 또는 수직형 가드 링으로 언급된다.
일반적으로, 접합 터미네이션은 접합 터미네이션 익스텐션(JTE) 및/또는 하나 이상의 플로팅 필드 링(FFR)과 같은 임의의 적합한 유형의 접합 터미네이션 구조를 포함할 수 있다.
여기 기술된 바와 같이, 능동형 검출기 영역 또는 구역은 검출기 다이오드(21)의 어레이를 포함할 수 있고 접합 터미네이션은 검출기 다이오드의 전체 어레이를 터미네이트하도록 설정될 수 있다.
다른 양상에 따르면, 센서의 사이드 에지에서 도핑된 영역은 센서의 바닥면에 접합 터미네이션을 배치하는 특징과 관계 없이 구현될 수 있다. 이 경우, 다수의 검출기 다이오드(22)를 포함하는 능동형 검출기 영역을 갖는 x-선 센서(21)가 제공되고, 센서(21)의 전체 사이드 에지를 따라 연장하고 능동형 검출기 영역의 주변 주위로 연장하는 센서의 영역(24)은 센서의 사이드 에지 표면으로부터 p-n 접합 격리를 제공하기 위해 도핑되고, 및/또는 도핑된 영역(24)에는 가드 구조를 제공하기 위해 센서의 제 1 면에 가드 전극이 제공된다.
관련된 양상에 따르면, 센서의 제 1 면에 다수의 검출기 다이오드(22)를 포함하는 능동형 검출기 영역, 및 센서의 제 2 대향하는 면에 공통 접합 터미네이션(23)으로 구성되는 x-선 센서(21)가 제공된다. 제 1 면은 센서의 애노드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 캐소드 면에 상응한다. 대안적으로, 제 1 면은 센서의 캐소드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 애노드 면에 상응한다. 접합 터미네이션(23)은 일반적으로 센서(21)의 다수의 검출기 다이오드(22)에 공통이고, 하나 이상의 터미네이팅 구조를 포함할 수 있다.
또 다른 양상에 따르면, 여기 기술된 바와 같이 x-선 센서(21)로 구성되는 x-선 검출기 시스템(20)이 또한 제공된다.
또 다른 양상에 따르면, 여기 기술된 바와 같이 x-선 검출기 시스템(20)으로 구성되는 x-선 영상화 시스템(100)이 또한 제공된다.
제안된 기술의 개선된 이해를 위해, 다음의 비-제한적인 예 구현이 참조될 수 있다.
바람직한 실시예의 경우, 획득할 수 있는 블로킹 전압은 검출기의 바닥에 검출기 윗면 설계와 관계 없이 터미네이션의 적절한 설계에 의해 조절될 수 있다.
도 5는 접합 터미네이션 구조를 포함하는 일반적인 x-선 센서 윗면의 예의 단면을 예시하는 개략도이다.
도 5의 예에서, 일반적인 검출기의 윗면은 필드 플레이트를 갖춘 4개의 플로팅 링(FR)을 갖는 접합 터미네이션 구조로 예시된다(오직 터미네이션 구조만 도시됨). 일반적인 터미네이션은 20개의 FR 링까지 포함할 수 있다.
도 6은 센서의 뒷면에 접합 터미네이션 및 센서 에지의 산화물 패시베이션을 갖는 x-선 센서의 예의 단면을 예시하는 개략도이다.
캐소드 영역에 가까운 n-형 JTE 및 검출기 에지에 가까운 필드 플레이트 터미네이션을 갖춘 추가적인 플로팅 링이 있는 예의 구현을 제공하는 것이 가능하다.
도 6에 예시된 설계는 실시예 A로써 언급된다.
도 7은 도 6의 x-선 센서의 상이한 부분의 전기 전위를 예시하는 개략도이다.
도 8은 센서 가드 구조를 구성하는 도핑된 에지를 갖는 x-선 센서 윗면의 예의 단면을 예시하는 개략도이다.
예로써, 센서 에지는 임플란테이션 및/또는 디퓨전에 의해 p-형 도핑될 수 있고 그럼으로써 센서 가드 또는 검출기 가드를 구성한다.
특정 예에서, p-도핑은 센서 에지에 도입되고 센서 또는 검출기의 윗(애노드)면 상의 가드 전극에 연결된다.
도 6 및 도 8에 예시된 설계의 조합이 가능하고 실시예 B로써 언급된다.
도 9는 캐소드와 관련된 JTE 및 센서 에지와 관련된 JTE를 갖는 x-선 센서의 바닥면의 예의 단면을 예시하는 개략도이고, 센서 에지는 가드 구조를 구성하는 도핑된 센서 에지이다.
특정 예에서, 구현은 캐소드 영역에 가까운 n-형 JTE, 센서 또는 검출기 에지에 가까운 p-형 JTE 터미네이션 및 동시에 센서 검출기 가드를 구성하는 p-형 도핑된 센서 또는 검출기 에지를 포함한다.
도 9에 예시된 설계는 실시예 C(a)로써 언급된다.
도 10은 도 9의 x-선 센서의 상이한 부분의 전기 전위를 예시하는 개략도이다.
도 11은 캐소드와 관련된 JTE 및 센서 에지와 관련된 JTE를 갖는 x-선 센서의 바닥면의 다른 예의 단면을 예시하는 개략도이고, 센서 에지는 가드 구조를 구성하는 도핑된 센서 에지이다.
도 9에 예시된 설계는 실시예 C(b)로써 언급되고 실시예 C의 최적화 가능성을 예시한다.
도 12는 도 11의 x-선 센서의 상이한 부분의 전기 전위를 예시하는 개략도이다.
표면 전하에 대한 항복/블로킹 전압 및 감도는, 예를 들어 도 9 및 도 11에 도시된 두 개의 약간 상이한 구현으로부터, 이해할 수 있는 바와 같이, 윗면 검출기 설계와 관계 없이 n-형 및 p-형 JTE의 설계에 의해 최적화될 수 있다.
도 13은 터미네이트 되지 않은 기준 구조와 비교할 때 상이한 실시예에 대해 획득된 항복 또는 블로킹 전압 값을 예시하는 개략도이다.
특히, 도 13은 검출기의 산화물 커버된 표면에서 항복 전압 대 포지티브 표면 전하의 농도를 예시한다. 두 곡선은 도 9 및 도 11에 각각 도시된 바닥면 JTE (C(a) 및 C(b))의 두 가지 설계에 대한 실시예 C를 나타내는 것을 주목하자. 기준 구조는 터미네이트 되지 않은 구조이다. 센서의 상하부 표면 및 에지 표면에 동일한 품질의 이상적인 산화물/반도체 인터페이스를 가정할 경우 터미네이트 되지 않은 구조는 모든 표면에 산화물 패시베이트된다.
에지 표면의 품질은 공정 후 개별적인 센서를 마더 웨이퍼에서 제거하기 위해 필요한 다이싱(dicing) 공정으로 인해 상부 표면의 품질만큼 좋을 것 같지 않다는 것은 여기에 공지된다. 개별적인 센서의 에지는 누설 전류 및 전하 트래핑 효과를 발생시키는 결함인 고농도를 갖기 쉽다.
이는 본 발명의 바람직한 실시예가 되는 실시예 C의 주요한 원인이다. 고압 센서 터미네이션 및 가드의 목적은 애노드 픽셀 다이오드의 보호이다. 도 4의 전통적인 센서 설계에서 가드 링의 기능 및 플로팅 링이나 JTE 터미네이션의 기능은 보통 명백하게 상이하고 독립된다. 플로팅 링 및 JTE의 기능은 장치 주변 및 표면에서 전기장을 제어하는 것이다. 보통, 가드 링의 기능은 전적으로 (픽셀 다이오드의 어레이가 되는) 센서의 주변에서 발생된 누설 전류를 수집하는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 이들 두 기능은 가드가 고압 터미네이션의 일체형 부품이라는 점에서 통합된다. 해결책에 의해 제공되는 명백한 이점은 x-선 검출기에 대한 상부 표면의 완전한 활용 및 전체 에지 표면의 효율적인 격리이다. 역 바이어스에서 전기장은 센서의 에지에서 p-도핑의 사용에 의해 뒷면 또는 바닥면으로 전송된다. 센서의 낮게 도핑된 드리프트 영역을 갖는 p-n 접합을 형성하는 이러한 p-도핑은 그 후 동시에 센서의 가드로서 이용된다. 또, 낮게 도핑된 드리프트 영역(n-형)을 갖는 센서의 p-도핑된 에지 영역 사이의 p-n 접합은 고 전기장(드리프트 영역)을 갖는 장치의 능동형 용적으로부터 센서의 불완전한 표면을 만들어내는 전체 누설을 격리시킨다. 전도 유형은 물론 뒤바뀔 수 있다.
예로써, 가드는 캐소드 면(뒷면; 바닥면)까지 완전히 연장한다. 센서의 고압 터미네이션 및 전기장 제어는 캐소드 영역과 가드 접합 사이의 공간에서 뒷면에 먼저 행해진다. 접합 터미네이션(JTE)의 적절한 설계에 의해 그 공간에서 가급적 고르게 전기장을 분배함으로써 이를 행하는 것이 바람직하다. 최상의 결과를 위해 가드 접합 및 캐소드 영역 모두의 터미네이션이 요구된다.
특정 예에서, 고압 터미네이션은 뒷면으로 이동되고 픽셀 다이오드는 센서의 바로 에지에 배열된다. 이러한 이유로, 센서의 측벽의 총 길이에 대해 p-형 도핑으로 형성된 p-n 접합에 의해 표면의 격리를 제공하는 것이 바람직하다. p-영역은 그 후 그것에 연결하는 상부 표면에 전극을 제공함으로써 (추가 특징으로) 가드로서 이용된다. 이는 대안적으로 잠재적인 누설 전류를 제어하기 위해 에지 영역으로부터 전류에 대한 대체 경로를 제공하기 위해 행해진다.
예로써, 센서/검출기의 캐소드 및 애노드 면은 평판 기술로 형성될 수 있다. JTE 터미네이션 및 가드 접촉 영역은 예를 들어 반응성 이온 에칭(ion etching) 대안적인 다이싱 전에 임플란테이션에 의해 행해질 수 있다. 센서 측벽 도핑은 센서/검출기를 캐리어 웨이퍼에 부착하여 상부 표면을 보호한 후 각도 임플란테이션에 의해 수행될 수 있다. 예로써, 도펀트의 저온 활성화는 캐리어로부터 센서/검출기의 분리 후 행해질 수 있다.
여기 도시되고 논의된 모든 실시예에 대해, 관련된 소자/영역의 전도성 유형은, 캐소드 및 애노드의 위치를 스위치하는 동안, 뒤바뀔 수 있다. 보통, 캐소드는 n-형(n플러스)이고 애노드는 p-형(p플러스)이다.
여기 기술된 메커니즘 및 장치는 다양한 방법으로 구현되고, 결합되고 재배열 될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
위에 기술한 실시예는 단지 예로서 제시된 것이고, 제안된 기술은 이에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 통상의 기술자는 첨부된 특허 청구의 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상기 실시예에 대하여 다양한 변형, 결합 및 변경이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 특히, 기타 실시예에서의 상이한 부분적인 해결책은 기술적으로 가능할 경우 기타의 구성으로 결합될 수 있다.

Claims (21)

  1. 센서의 제 2 대향하는 면에 접합 터미네이션(23)의 배치와 함께 센서의 제 1 면에 다수의 검출기 다이오드(22)를 포함하는 능동형 검출기 영역을 갖는 x-선 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 제 1 면은 센서의 애노드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 캐소드 면에 상응하는 x-선 센서.
  3. 청구항 1에 있어서, 제 1 면은 센서의 캐소드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 애노드 면에 상응하는 x-선 센서.
  4. 청구항 2에 있어서, x-선 센서(21)는 캐소드 영역을 갖고 접합 터미네이션(23)은 캐소드 영역과 동일한 도핑 유형이 되는 캐소드 영역의 부근에서 제 1 터미네이팅 구조를 포함하는 x-선 센서.
  5. 청구항 4에 있어서, 접합 터미네이션(23)은 센서 에지의 부근에서 대향하는 도핑 유형의 제 2 터미네이팅 구조를 포함하는 x-선 센서.
  6. 청구항 5에 있어서, 캐소드 영역은 n플러스이고, 캐소드 영역의 부근에서 제 1 터미네이팅 구조는 n-형이고 센서 에지의 부근에서 대향하는 도핑 유형의 제 2 터미네이팅 구조는 p-형인 x-선 센서.
  7. 청구항 6에 있어서, 제 1 터미네이팅 구조는 n-형 접합 터미네이션 익스텐션인 JTE이고, 제 2 터미네이팅 구조는 p-형 접합 터미네이션 익스텐션인 JTE, 및/또는 필드 플레이트 터미네이션을 갖춘 하나 이상의 p-형 플로팅 링인 x-선 센서.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 센서(21)의 제 1 면에서 센서(21)의 제 2 대향하는 면까지 면을 따라 연장하고 능동형 검출기 영역의 주변 주위로 연장하는 센서의 영역(24)은 p-형 도핑되는 x-선 센서.
  9. 청구항 3에 있어서, x-선 센서(21)는 애노드 영역을 갖고 접합 터미네이션(23)은 애노드 영역과 동일한 도핑 유형이 되는 애노드 영역의 부근에서 제 1 터미네이팅 구조를 포함하는 x-선 센서.
  10. 청구항 9에 있어서, 접합 터미네이션(23)은 센서 에지의 부근에서 대향하는 도핑 유형의 제 2 터미네이팅 구조를 포함하는 x-선 센서.
  11. 청구항 10에 있어서, 애노드 영역은 p플러스이고, 애노드 영역의 부근에서 제 1 터미네이팅 구조는 p-형이고 센서 에지의 부근에서 대향하는 도핑 유형의 제 2 터미네이팅 구조는 n-형인 x-선 센서.
  12. 청구항 11에 있어서,
    제 1 터미네이팅 구조는 p-형 접합 터미네이션 익스텐션인 JTE이고,
    제 2 터미네이팅 구조는 n-형 접합 터미네이션 익스텐션인 JTE, 및/또는 필드 플레이트 터미네이션을 갖춘 하나 이상의 n-형 플로팅 링인 x-선 센서.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 센서(21)의 제 1 면에서 센서(21)의 제 2 대향하는 면까지 면을 따라 연장하고 능동형 검출기 영역의 주변 주위로 연장하는 센서의 영역(24)은 n-형 도핑되는 x-선 센서.
  14. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 센서(21)의 제 1 면에서 센서(21)의 제 2 대향하는 면까지 면을 따라 연장하고 능동형 검출기 영역의 주변 주위로 연장하는 센서의 영역(24)은 센서의 사이드 에지 표면으로부터 p-n 접합 격리를 제공하기 위해 도핑되는 x-선 센서.
  15. 청구항 14에 있어서, 도핑된 영역(24)에는 가드 구조를 제공하기 위해 센서(21)의 제 1 면에 가드 전극이 제공되는 x-선 센서.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 접합 터미네이션은 접합 터미네이션 익스텐션(JTE) 및/또는 하나 이상의 플로팅 필드 링(FFR)을 포함하는 x-선 센서.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16에 있어서, 능동형 검출기 영역은 검출기 다이오드(21)의 어레이를 포함하고 접합 터미네이션은 검출기 다이오드의 어레이를 터미네이트하도록 설정되는 x-선 센서.
  18. 다수의 검출기 다이오드(22)를 포함하는 능동형 검출기 영역을 갖는 x-선 센서로서,
    센서(21)의 사이드 에지를 따라 연장하고 능동형 검출기 영역의 주변 주위로 연장하는 센서의 영역(24)은 센서의 사이드 에지 표면으로부터 p-n 접합 격리를 제공하기 위해 도핑되고/도핑되거나
    도핑된 영역(24)에는 가드 구조를 제공하기 위해 센서(21)의 제 1 면에 가드 전극이 제공되는 x-선 센서.
  19. - 센서의 제 1 면에 다수의 검출기 다이오드(22)를 포함하는 능동형 검출기 영역; 및
    - 센서의 제 2 대향하는 면에 공통 접합 터미네이션(23)으로 구성되는 x-선 센서로서,
    제 1 면은 센서의 애노드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 캐소드 면에 상응하고, 또는
    제 1 면은 센서의 캐소드 면에 상응하고 접합 터미네이션을 갖는 제 2 면은 센서의 애노드 면에 상응하는 x-선 센서.
  20. 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항의 x-선 센서(21)로 구성되는 x-선 검출기 시스템(20).
  21. 청구항 20의 x-선 검출기 시스템(20)으로 구성되는 x-선 영상화 시스템(100).
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