TWI793407B - 帶有閃爍體的輻射檢測器及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種帶有閃爍體的輻射檢測器，其包括：包括第一接面的第一光電二極體；第一閃爍體，其中在第一平面中並且在所述第一閃爍體內部的第一點在所述第一平面中基本上完全被所述第一平面和所述第一接面的交點所包圍。所述第一接面是p-n接面、p-i-n接面、異質接面或肖特基接面。所述輻射檢測器進一步包括第一反射器，所述第一反射器被配置為將由所述第一閃爍體發射的基本上全部的光子引導到所述第一光電二極體中。所述第一閃爍體基本上完全被所述第一反射器和所述第一光電二極體包圍。
Description
本發明是有關於一種輻射檢測器，特別是有關於一種帶有閃爍體的輻射檢測器及其製造方法。
輻射檢測器是一種測量輻射的特性的裝置。所述特性的示例可包括輻射的強度、相位和偏振的空間分佈。輻射可以是與物體相互作用的輻射。例如，由輻射檢測器測量的輻射可以是已經從物體穿透或從物體反射的輻射。輻射可以是電磁輻射，比如紅外光、可見光、紫外光、X射線或γ射線。輻射可以是其他類型，比如α射線和β射線。輻射可以包括輻射粒子，例如光子（電磁波）和亞原子粒子。
本發明公開了一種帶有閃爍體的輻射檢測器，其包括：包括第一接面的第一光電二極體，和第一閃爍體，其中在第一平面中並且在所述第一閃爍體內部的第一點在所述第一平面中基本上完全被所述第一平面和所述第一接面的交點所包圍。
根據實施例，所述第一接面是p-n接面、p-i-n接面、異質接面或肖特基接面。
根據實施例，所述第一光電二極體被配置為測量由所述第一閃爍體發射並入射在所述第一光電二極體上的光子的特性。
根據實施例，所述特性是能量、輻射通量、波長或頻率。
根據實施例，所述第一閃爍體與所述第一光電二極體直接物理接觸。
根據實施例，所述第一閃爍體包含碘化鈉。
根據實施例，所述第一閃爍體包括量子點。
根據實施例，所述輻射檢測器進一步包括基板，其中所述第一閃爍體在所述基板的基板表面的凹部中。
根據實施例，所述凹部具有截錐形的形狀。
根據實施例，所述第一光電二極體在所述基板中。
根據實施例，所述第一接面與所述凹部的側壁和底壁一致。
根據實施例，所述輻射檢測器進一步包括第一反射器，所述第一反射器被配置為將由所述第一閃爍體發射的基本上全部的光子引導到所述第一光電二極體中。
根據實施例，所述第一反射器被配置為將由所述第一閃爍體發射的光子朝向所述第一反射器反射。
根據實施例，所述第一反射器對於某些輻射粒子並非是不透明的，當所述輻射粒子入射到所述第一閃爍體上時，這些輻射粒子能夠使所述第一閃爍體發射光子。
根據實施例，所述第一閃爍體基本上完全被所述第一反射器和所述第一光電二極體包圍。
根據實施例，所述第一反射器包括選自鋁、銀、金、銅及其任意組合的材料。
根據實施例，所述第一反射器與所述第一閃爍體直接物理接觸。
根據實施例，所述第一反射器電連接到所述第一光電二極體。
根據實施例，所述輻射檢測器進一步包括第二光電二極體，其包括第二接面並且與第一光電二極體相鄰；和第二閃爍體，其中，在第二平面中並且在所述第二閃爍體內部的第二點在所述第二平面中基本上完全被所述第二平面和所述第二接面的相交點包圍。
根據實施例，所述輻射檢測器進一步包括第二反射器，所述第二反射器被配置為將由所述第二閃爍體發射的基本上全部的光子引導到所述第二光電二極體中。
根據實施例，所述輻射檢測器進一步包括電連接到所述第一光電二極體和所述第二光電二極體的公共電極。
本發明公佈一種帶有閃爍體的輻射檢測器的製造方法，其包括：在基板的基板表面上形成第一凹部；在所述基板中形成第一接面；以及在所述第一凹部中形成第一閃爍體，其中在第一平面中並且在所述第一閃爍體內部的第一點在所述第一平面中基本上完全被所述第一平面和所述第一接面的交點所包圍。
根據實施例，所述第一接面是p-n接面、p-i-n接面、異質接面或肖特基接面。
根據實施例，包括所述第一接面的第一光電二極體被配置為測量由所述第一閃爍體發射並入射在所述第一光電二極體上的光子的特性。
根據實施例，所述特性是能量、輻射通量、波長或頻率。
根據實施例，所述第一接面與所述第一凹部的側壁和底壁一致。
根據實施例，所述第一接面的形成包括離子注入。
根據實施例，所述第一閃爍體在所述第一凹部中的形成包括：在所述基板的所述基板表面上形成閃爍體層；以及拋光所述閃爍體層的層表面，直到所述基板表面被暴露在周圍環境中。
根據實施例，所述方法進一步包括在所述第一閃爍體上形成第一反射器，其中所述第一反射器被配置為將由所述第一閃爍體發射的基本上全部的光子引導到包括所述第一接面的第一光電二極體中。
根據實施例，所述第一反射器被配置為將由所述第一閃爍體發射的光子朝向所述第一反射器反射。
根據實施例，所述第一反射器對於某些輻射粒子並非是不透明的，當所述輻射粒子入射到所述第一閃爍體上時，這些輻射粒子能夠使所述第一閃爍體發射光子。
根據實施例，所述第一閃爍體基本上完全被所述第一反射器和所述第一光電二極體包圍。
根據實施例，所述第一反射器包括選自鋁、銀、金、銅及其任意組合的材料。
根據實施例，所述第一反射器與所述第一閃爍體直接物理接觸。
根據實施例，所述第一反射器電連接到所述第一光電二極體。
根據實施例，所述方法進一步包括：在所述基板的所述基板表面上形成第二凹部；在所述基板中形成第二接面；以及在所述第二凹部中形成第二閃爍體，其中在第二平面中並且在所述第二閃爍體內部的第二點在所述第二平面中基本上完全被所述第二平面和所述第二接面的交點所包圍。
根據實施例，所述方法進一步包括在所述第二閃爍體上形成第二反射器，其中所述第二反射器被配置為將由所述第二閃爍體發射的基本上全部的光子引導到包括所述第二接面的第二光電二極體中。
圖1至圖9是根據本發明一些實施例的輻射檢測器700的結構、製造過程以及操作的示意圖。具體地講，參照圖1，所述製造過程可以從基板100開始。所述基板100可以是半導體基板。例如，所述基板100可以包括可被輕摻雜有諸如硼原子的P型摻雜劑的矽（Si）。所述基板100可以具有表面100a和表面100b。所述表面100a可以與所述表面100b相對。
在實施例中，公共電極110可以形成在所述基板100的所述表面100a上。所述公共電極110可以包括金（Au）。如果使用金，則所述公共電極110可以使用諸如濺射沉積的物理氣相沉積（PVD）工藝形成。
參照圖3，在實施例中，可以在所述基板100的所述表面100b上形成凹部310。具體地講，在實施例中，所述凹部310可以形成如下。可以將具有孔的蝕刻掩模（例如，通過光刻形成的範本或圖案）放置在所述基板100的所述表面100b上，使得所述孔位於將要形成所述凹部310的位置。通過所述孔暴露的所述基板100的部分被蝕刻掉，從而形成所述凹部310（圖3）。所述蝕刻可以是使用諸如氫氧化鉀（KOH）的蝕刻劑的各向異性濕蝕刻或幹蝕刻。
在實施例中，所述基板100的所述表面100b可以是（100）矽晶體平面。其結果是，如圖3所示，由濕蝕刻產生的所述凹部310具有有著平坦的底壁和成角度的側壁的截錐形的形狀，取決於形成所述凹部310的方法，所述凹部310也可以具有其他形狀。
參照圖4，在實施例中，可以在所述基板100中形成接面。例如，可以在所述基板100中以及所述凹部310的側壁和底壁上形成N型Si區域410。具體地講，可以通過離子注入工藝來形成N型Si區域410。更具體地講，可以將具有孔的範本（未示出）放置在圖3的所述基板100的所述表面100b上，使得所述凹部310通過所述孔暴露。然後，所述模版可以用作蔭罩，以摻雜通過所述孔暴露的所述基板100的所述區域。所述摻雜中使用的摻雜劑可以是諸如磷原子的N型摻雜劑。所述範本阻止所述摻雜劑離子到達所述凹部310之間的所述基板100的所述區域，但是通過所述孔將所述基板100的其他區域（包括所述凹部310）暴露給摻雜劑離子。在所述離子注入之後，可以去除所述模版並且可以執行退火工藝，從而產生N型Si區域410（圖4）。在替代實施例中，代替使用所述範本，可以將圖案掩模（未示出）用於所述離子注入工藝。所述圖案掩模可以通過光刻法形成在圖3的所述基板100上。
在實施例中，可以在所述凹部310中形成閃爍體。具體地講，例如，可以將閃爍體材料沉積在圖4的結構上，從而產生如圖5所示的閃爍體層510t。所述閃爍體材料回應於入射在所述閃爍體材料上的輻射（例如，X射線）而發射光子（例如，可見光光子）。在實施例中，所述閃爍體層510t可以包括碘化鈉（NaI）或量子點。
參照圖5，在實施例中，形成所述閃爍體可以包括拋光所述閃爍體層510t的表面510t'，直到所述基板100的所述表面100b暴露于周圍的環境中，如圖6所示，在所述凹部310中形成閃爍體510（圖4）。圖7示意示出圖6的所述結構的沿平面6'-6'的截面圖。換句話說，圖7示意示出圖6的所述結構在平面6'-6'上的截面圖，所述平面6'-6'包括線6'-6'並且垂直於圖6的頁面。
在圖6中，應注意，每個N型區域410與所述P型基板100的基板部分100d一起形成了一個光電二極體410+100d，所述光電二極體410+100d在N型區域410與P型基板部分100d的介面處包含p-n接面410j。圖6示出了3個這樣的光電二極體410+100d。所述p-n接面410j可以與所述相關聯的閃爍體510現在佔據的所述凹部310（圖4）的側壁和底壁一致。
在實施例中，全部光電二極體410+100d可以共用（即，電連接到）所述公共電極110。在圖7中（即，在平面6'-6'中），應注意，在所述平面6'-6'中並在閃爍體510內部的點M在平面6'-6'中基本上完全被所述平面6'-6'和相關聯的光電二極體410的p-n接面410j的交點410j'包圍。“基本上完全”是指完全或幾乎完全。
參照圖8，在實施例中，反射器710可根據實施例在閃爍體510上形成。可以使用光刻工藝來形成所述反射器710。在實施例中，每個所述反射器710的材料和厚度710a可以使得所述反射器710對於來自物體730的輻射720的至少一部分輻射粒子並非是不透明的。在實施例中，每個反射器710的材料和厚度710a可以使得所述反射器710基本上將由相關聯的閃爍體510發射的全部光子朝著所述反射器710反射。具體地講，所述反射器710可以包括鋁、銀、金、銅或其任何組合。所述厚度710a可以為大約10微米（μm）。
在實施例中，所述反射器710可以與所述閃爍體510形成一對一的直接物理接觸。在實施例中，所述反射器710可以與所述光電二極體410+100d的N型區域410形成一對一的直接物理接觸。其結果是，每個反射器710電連接到所述關聯的光電二極體410+100d。在實施例中，所述反射器710可以被形成使得每個所述閃爍體510基本上完全被N型Si區域410和反射器710包圍。換句話說，每個閃爍體510基本上完全被光電二極體410+100d和反射器710包圍。
具體地講，在實施例中，所述反射器710可以形成如下。可以在圖6的結構上形成光致抗蝕劑層（未示出）。可以對所述光致抗蝕劑層進行構圖，以暴露所述閃爍體510和所述N型Si區域410但覆蓋所述N型Si區域410之間的區域。然後，可以執行物理氣相沉積工藝（例如，濺射沉積），以便在圖6的所述結構的未被所述圖案化的光致抗蝕劑層覆蓋的表面上沉積諸如鋁（Al）等合適的材料，從而形成反射器710（ 圖8）。之後，可以去除所述圖案化的光致抗蝕劑層，從而得到圖8的輻射檢測器700。圖9示意示出圖8的輻射檢測器700的俯視圖。
在實施例中，每個光電二極體410+100d可以被配置為檢測入射在其上的輻射粒子（例如，由所述相關聯的閃爍體510發射的入射光子），並且可以被配置為測量所述入射輻射粒子的特性（例如，能量、輻射通量、波長和頻率）。在實施例中，可以基於由所述相關聯的閃爍體510發射並入射在所述光電二極體410+100d上的光子的測量特性（例如，總能量）來確定入射在所述相關聯的閃爍體510上的輻射粒子的特性（例如，總能量）。
例如，每個光電二極體410+100d可以被配置為在一段時間內對入射在其上的，能量落入多個能量倉中的輻射粒子的數量進行計數。全部所述光電二極體410+100d可以被配置為對在相同時間段內入射在其上的的多個能量倉內的輻射粒子的數量進行計數。當所述入射的輻射粒子具有相似的能量時，所述光電二極體410+100d可以簡單地配置為對一段時間內入射到其上的輻射粒子的數量進行計數，而無需測量各個輻射粒子的能量。
每個光電二極體410+100d可以具有其自己的模數轉換器（ADC），所述模數轉換器被配置為將代表入射輻射粒子的能量的類比信號數位化為數位信號，或者將代表多個入射輻射粒子的總能量的類比信號數位化為數位信號。所述光電二極體410+100d可以被配置為平行作業。例如，當一個光電二極體410+100d測量一個入射輻射粒子時，另一光電二極體410+100d可能正在等待一個輻射粒子到達。所述光電二極體410+100d可以不必是可單獨定址的。
這裡描述的所述半導體X射線檢測器100可具有多種應用，比如X射線望遠鏡、乳腺X射線照相、工業X射線缺陷檢測、X射線顯微鏡或X射線顯微照相、X射線鑄件檢驗、X射線無損檢測、X射線焊縫檢驗、X射線數位減影血管造影等。它可適用於使用所述半導體X射線檢測器100代替照相底片、攝影膠片、PSP膠片、X射線圖像增強器、閃爍體或另一種半導體X射線檢測器。
在實施例中，所述輻射檢測器700可以有如下操作。假設所述輻射檢測器700暴露於較早與所述物體730（例如動物）相互作用的所述輻射720（例如X射線）。其結果是，所述輻射720攜帶所述物體730的資訊。
對於在所述輻射檢測器700的光電二極體410+100d方向上傳播的所述輻射720的輻射粒子，因為與所述光電二極體相關聯的所述反射器710對於如上所述的輻射720的至少一部分並非是不透明的，所以這些輻射粒子中的至少一部分穿過所述相關聯的反射器710並進入與所述光電二極體相關聯的閃爍體510。作為回應，所述相關聯的閃爍體510往基本上全部方向上發射光子。“基本上全部”是指全部或幾乎全部。
如上所述，由於每個閃爍體510基本上完全被所述相關聯的反射器710和所述相關聯的光電二極體410+100d包圍，所以由所述閃爍體510發射的每個光子可以進入所述光電二極體410+100d而與所述反射器710沒有相互作用，或者其在進入所述光電二極體410+100d之前從反射器710反彈。換句話說，所述反射器710防止了由所述閃爍體510發射的基本上全部（即，全部或幾乎全部）光子不進入所述光電二極體410+100d。換句話說，所述反射器710將由所述閃爍體510發射的基本上全部（即，全部或幾乎全部）光子引導到所述光電二極體410+100d中。
當由所述閃爍體510發射的所述光子分別被所述反射器710引導到所述光電二極體410+100d中時，這些光子在所述光電二極體中產生所述物體730的代表資訊（例如，圖像）的電信號。在實施例中，這些電信號可以在被發送到電腦（未示出）以進一步處理和顯示所述物體730的資訊（例如圖像）之前，從所述光電二極體中讀出並由所述輻射檢測器700的電子結構進行處理。
總之，當所述輻射檢測器700暴露於較早與所述物體730相互作用的所述輻射720時，沿每個光電二極體410+100d的方向傳播的所述輻射720的至少一部分輻射粒子穿過所述相關聯的反射器 710使所述相關聯的閃爍體510基本上在全部方向上發出光子。這些被發射的光子被所述相關聯的反射器710引導到所述光電二極體中，從而在所述光電二極體中產生相應的電信號。所述光電二極體中產生的電信號提供所述物體730的某些資訊（例如圖像）。
在上述實施例中，參照圖8和圖9，所述基板100被摻雜為P型，而所述區域410被摻雜為N型。在替代實施例中，所述基板100可以被摻雜為N型，而所述區域410可以被摻雜為P型。
在上述實施例中，每個光電二極體的接面是p-n接面。通常，每個光電二極體的所述接面可以是p-n接面、p-i-n接面、異質接面、肖特基接面或任何合適的接面。
在上述實施例中，所述反射器710存在於所述輻射檢測器700中。在替代實施例中，可以在所述輻射檢測器700中省略（即，不存在）所述反射器710。
在上述實施例中，參照圖6、圖7和圖8，所述輻射檢測器700包括以2行3列的陣列排列的6個光電二極體410+100d。通常，所述輻射檢測器700可以包括以任何方式排列的任何數量的光電二極體410+100d。
。雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:基板
100d:基板部分
100a、100b、510t':表面
110:公共電極
310:凹部
410:區域
410j:p-n接面
410j':交點
510:閃爍體
510t:閃爍體層
700:輻射檢測器
710:反射器
710a:厚度
720:輻射
730物體
圖1至圖9是根據本發明一些實施例的輻射檢測器的結構、製造過程以及操作的示意圖。
100:基板
100d:基板部分
100b:表面
110:公共電極
410:區域
410j:p-n接面
510:閃爍體
700:輻射檢測器
710:反射器
710a:厚度
720:輻射
730:物體
Claims (35)
- 一種帶有閃爍體的輻射檢測器，包括：包括第一接面的第一光電二極體；第一閃爍體；以及第一反射器，所述第一反射器被配置為將由所述第一閃爍體發射的基本上全部的光子引導到所述第一光電二極體中，且所述第一反射器電連接到所述第一光電二極體，其中在第一平面中並且在所述第一閃爍體內部的第一點，在所述第一平面中基本上完全被所述第一平面和所述第一接面的交點所包圍。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一接面是p-n接面、p-i-n接面、異質接面或肖特基接面。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一光電二極體被配置為測量由所述第一閃爍體發射並入射在所述第一光電二極體上的光子的特性。
- 如請求項3所述的輻射檢測器，其中所述特性是能量、輻射通量、波長或頻率。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一閃爍體與所述第一光電二極體直接物理接觸。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一閃爍體包含碘化鈉。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一閃爍體 包括量子點。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，更包括基板，其中所述第一閃爍體在所述基板的基板表面的凹部中。
- 如請求項8所述的輻射檢測器，其中所述凹部具有截錐形的形狀。
- 如請求項8所述的輻射檢測器，其中所述第一基板包含矽。
- 如請求項8所述的輻射檢測器，其中所述第一光電二極體在所述基板中。
- 如請求項8所述的輻射檢測器，其中所述第一接面與所述凹部的側壁和底壁一致。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一反射器被配置為將由所述第一閃爍體發射的光子朝向所述第一反射器反射。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一反射器對於某些輻射粒子並非是不透明的，當所述輻射粒子入射到所述第一閃爍體上時，這些輻射粒子能夠使所述第一閃爍體發射光子。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一閃爍體基本上完全被所述第一反射器和所述第一光電二極體包圍。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一反射器包括選自鋁、銀、金、銅及其任意組合的材料。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，其中所述第一反射器與所述第一閃爍體直接物理接觸。
- 如請求項1所述的輻射檢測器，更包括：第二光電二極體，其包括第二接面並且與第一光電二極體相鄰；和第二閃爍體，其中，在第二平面中並且在所述第二閃爍體內部的第二點，在所述第二平面中基本上完全被所述第二平面和所述第二接面的相交點包圍。
- 如請求項18所述的輻射檢測器，更包括第二反射器，所述第二反射器被配置為將由所述第二閃爍體發射的基本上全部的光子引導到所述第二光電二極體中。
- 如請求項18所述的輻射檢測器，更包括電連接到所述第一光電二極體和所述第二光電二極體的公共電極。
- 一種帶有閃爍體的輻射檢測器的製造方法，包括：在基板的基板表面上形成第一凹部；在所述基板中形成第一接面；在所述第一凹部中形成第一閃爍體；以及在所述第一閃爍體上形成第一反射器，其中所述第一反射器被配置為將由所述第一閃爍體發射的基本上全部的光子引導到包括所述第一接面的第一光電二極體中，且所述第一反射器電連接到所述第一光電二極體， 其中在第一平面中並且在所述第一閃爍體內部的第一點，在所述第一平面中基本上完全被所述第一平面和所述第一接面的交點所包圍。
- 如請求項21所述的製造方法，其中所述第一接面是p-n接面、p-i-n接面、異質接面或肖特基接面。
- 如請求項21所述的製造方法，其中包括所述第一接面的第一光電二極體被配置為測量由所述第一閃爍體發射並入射在所述第一光電二極體上的光子的特性。
- 如請求項23所述的製造方法，其中所述特性是能量、輻射通量、波長或頻率。
- 如請求項21所述的製造方法，其中所述第一接面與所述第一凹部的側壁和底壁一致。
- 如請求項21所述的方法，其中所述第一接面的形成包括離子注入。
- 如請求項21所述的製造方法，其中所述第一閃爍體在所述第一凹部中的形成包括：在所述基板的所述基板表面上形成閃爍體層；以及拋光所述閃爍體層的層表面，直到所述基板表面被暴露在周圍環境中。
- 如請求項21所述的製造方法，其中所述第一反射器被配置為將由所述第一閃爍體發射的光子朝向所述第一反射器反射。
- 如請求項21所述的製造方法，其中所述第一反射器對於某些輻射粒子並非是不透明的，當所述輻射粒子入射到所述第一閃爍體上時，這些輻射粒子能夠使所述第一閃爍體發射光子。
- 如請求項21所述的製造方法，其中所述第一閃爍體基本上完全被所述第一反射器和所述第一光電二極體包圍。
- 如請求項21所述的製造方法，其中所述第一反射器包括選自鋁、銀、金、銅及其任意組合的材料。
- 如請求項21所述的製造方法，其中所述第一反射器與所述第一閃爍體直接物理接觸。
- 如請求項21所述的製造方法，更包括：在所述基板的所述基板表面上形成第二凹部，在所述基板中形成第二接面；以及在所述第二凹部中形成第二閃爍體，其中在第二平面中並且在所述第二閃爍體內部的第二點，在所述第二平面中基本上完全被所述第二平面和所述第二接面的交點所包圍。
- 如請求項33所述的製造方法，更包括在所述第二閃爍體上形成第二反射器，其中所述第二反射器被配置為將由所述第二閃爍體發射的基本上全部的光子引導到包括所述第二接面的第二光電二極體中。
- 如請求項21所述的製造方法，其中所述第一閃爍 體與所述第一光電二極體直接物理接觸。
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