專利名稱：降低輻射損傷影響的二極管設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種諸如用于X射線成像應(yīng)用的光電探測器。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于這種探測器的光電二極管設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)降低可以由光電探測器隨著時(shí)間過去在輻射中暴露引起的來自該光電二極管的電荷泄漏。
背景技術(shù)：
數(shù)字X射線成像系統(tǒng)在許多技術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)變得日益重要。這種成像系統(tǒng)目前用于醫(yī)療應(yīng)用，諸如投影X射線、層析X射線合成、計(jì)算機(jī)X射線斷層分析系統(tǒng)等等。數(shù)字X射線系統(tǒng)還普遍用于零件和包裹檢驗(yàn)，以及其它這種非醫(yī)療應(yīng)用。通常，數(shù)字X射線成像系統(tǒng)依靠來自輻射源的X射線輻射流，該輻射在橫穿過所關(guān)心的受檢物或物體后沖擊探測器陣列。由該探測器中的閃爍器接收該X射線輻射，并且來自該閃爍器的光子耗盡光電二極管中的電荷。可以測量該電荷耗盡，產(chǎn)生關(guān)于光電二極管位置處的分散圖像元素(“像素”)的信息，可以分析該信息用于圖像的重構(gòu)。
當(dāng)前用在數(shù)字X射線系統(tǒng)中的類型的基于平板非晶硅的X射線探測器具有極好的性能，但隨著時(shí)間過去可能會退化。這種退化的一種機(jī)理涉及該非晶硅光電二極管，該二極管可以以X射線劑量的函數(shù)變得泄漏。該泄漏可以與該光電二極管的面積、該光電二極管周邊的長度或者兩者的組合成比例。
在將平板探測器用于醫(yī)療應(yīng)用的場合，基于病人和醫(yī)務(wù)人員的最大暴露限度典型地規(guī)定劑量。但是，在其它的環(huán)境下，諸如用于工業(yè)零件檢驗(yàn)，可以使用更強(qiáng)的X射線劑量。通過顯著地增加該泄漏，該強(qiáng)劑量趨向于顯著地縮短傳統(tǒng)數(shù)字X射線探測器的壽命。盡管經(jīng)過較長的時(shí)間間隔，但類似的退化也會發(fā)生在醫(yī)療應(yīng)用中。隨著該泄漏的增加，可以改變暗圖偏移值來調(diào)節(jié)該泄漏，但這最終導(dǎo)致各個(gè)像素動態(tài)范圍的降低。即，該暗圖電荷和全部暴露的電荷之間的電荷量被減少，最終導(dǎo)致在減短有效壽命的后期探測器的退役。
因此，需要一種改進(jìn)的數(shù)字X射線探測器，其可以避免由于暴露引起的光電二極管退化的問題。特別需要一種光電二極管設(shè)計(jì)，其可以以傳統(tǒng)的X射線設(shè)置操作，同時(shí)降低或限制泄漏和隨之發(fā)生的由于這種泄漏引起的該探測器像素和它們性能的退化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種對應(yīng)于這些需要設(shè)計(jì)的光電二極管和探測器的新穎設(shè)計(jì)。配置該光電二極管諸如通過接收X射線輻射的閃爍器來接收光子并且基于接收到的光子來產(chǎn)生信號。非晶硅光電二極管被提供在該探測器的每個(gè)像素位置上，以相似光電二極管陣列方式排列。該非晶硅光電二極管被門電路層所圍繞，該門電路層限制該二極管邊緣周圍的電荷(即，電子)泄漏。該門電路層可以形成在該二極管整個(gè)周邊周圍，并且可以形成該二極管的接觸，諸如通過接觸它的上表面。該門電路層可以連同分離的接觸層一同使用，并且保持在與該接觸層相同的電勢(即，依靠連接這兩個(gè)層的通路)，或者保持在不同的電勢。


當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些特征及其它特征、觀點(diǎn)和優(yōu)勢將變得更好理解，在整個(gè)附圖中相同的標(biāo)記代表相同的零件，其中圖1是X射線成像系統(tǒng)的圖解表示，該系統(tǒng)包括依據(jù)本發(fā)明的觀點(diǎn)制造的數(shù)字探測器；圖2是圖1探測器的示例像素的俯視圖，說明具有用來降低泄漏的門電路機(jī)構(gòu)的第一示例布局；圖3是該示例光電二極管邊緣的一部分的局部剖視圖和圖2中它的周圍結(jié)構(gòu)，說明該光電二極管的示例層和門電路結(jié)構(gòu)；圖4是又一個(gè)光電二極管示例結(jié)構(gòu)的俯視圖，該光電二極管適于通過減小該非晶硅光敏區(qū)域的面積和周邊長度，以及使用周圍結(jié)構(gòu)作為反射體/接觸來降低泄漏；圖5是示于圖4中結(jié)構(gòu)的一部分的局部剖視圖，說明示例實(shí)施例中的各種不同層；和圖6是利用二極管門電路連同反射體/接觸的處于像素位置的光電二極管的又一個(gè)可替換實(shí)施例的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，并首先參考圖1，用圖解法說明了X射線成像系統(tǒng)10。將該成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)為投影X射線系統(tǒng)，盡管可以使用其它的系統(tǒng)。例如，本發(fā)明可以用于投影X射線系統(tǒng)、層析X射線合成系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)X射線斷層造影系統(tǒng)等的探測器中。
在圖1中所示的示例系統(tǒng)中，將受檢物12定位在X射線輻射源14和探測器16之間。該受檢物可以是通過暴露到輻射中接受檢查的任何人或物體，諸如在醫(yī)療應(yīng)用中的人體或動物對象、在工業(yè)應(yīng)用中的零件和類似物、包裹和在更進(jìn)一步設(shè)置中的受檢物等等。該源14可以移動或可以靜止。而且，可以使用不同的X射線源，包括傳統(tǒng)的X射線管和其它類型的X射線發(fā)射器。該X射線源14發(fā)射X射線束18，在圖1中顯示為扇形射束。不同的射束結(jié)構(gòu)在本領(lǐng)域中是已知的，并且可以在本發(fā)明中使用。
探測器16是通常已知和目前使用類型的數(shù)字探測器，但具有如下所述改進(jìn)的像素結(jié)構(gòu)。該探測器16具有表面20，該表面被再分成離散圖像元素或像素22的陣列。正如那些本領(lǐng)域技術(shù)人員所能理解的，在每個(gè)像素位置22上，像素區(qū)域包括光電二極管和場效應(yīng)晶體管(FET)。依據(jù)本發(fā)明，這些部件在下面得到更加詳細(xì)地描述。但是，實(shí)質(zhì)上，沖擊該探測器的X射線輻射接觸該探測器的閃爍器層(下面描述)，其導(dǎo)致低能電子沖擊每個(gè)光電二極管。該光子損耗在這些光電二極管處的電荷，并且通過啟動和改變相應(yīng)場效應(yīng)晶體管FET的導(dǎo)電狀態(tài)可對這些光電二極管再充電。如此，可以讀取在每個(gè)光電二極管(像素)位置處的電荷耗盡情況，并且以在每個(gè)像素位置接收的輻射相對量為基礎(chǔ)用來重構(gòu)圖像的信息。
圖1所說明的該系統(tǒng)進(jìn)一步包括源控制電路24，其指揮該源14的操作。數(shù)據(jù)采集電路26控制該數(shù)字探測器16的啟動、讀取和其它功能。該源控制電路24和數(shù)據(jù)采集電路26在系統(tǒng)控制電路28的整個(gè)控制下運(yùn)行。該系統(tǒng)控制電路典型地使能各種成像程序被執(zhí)行，提供校準(zhǔn)和其它系統(tǒng)功能。提供圖像處理電路30，用于以來自該探測器16的采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)重構(gòu)用戶可視的圖像。最后，工作站32的觀察和界面電路使得用戶或操作者來控制整個(gè)系統(tǒng)功能、觀察圖像等等。用于控制、圖像重構(gòu)和處理的這些電路的特定結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上可以類似于那些現(xiàn)有的X射線成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖2說明了某些可以定位在圖1中所示探測器的各個(gè)像素22處的功能部件。在圖2的實(shí)施例中，每個(gè)像素包括光電二極管34，其被設(shè)計(jì)來接收由X射線輻射對該探測器的沖擊引起的光子。該光電二極管34由二極管門電路36圍繞。雖然門電路36可以部分地圍繞該二極管，在所說明的實(shí)施例中，該二極管門電路圍繞著二極管的整個(gè)周邊。通常，目前預(yù)想到該二極管門電路可以圍繞該二極管周邊的至少大約25％，并且該結(jié)構(gòu)得益于甚至更大的選通。將反射體/接觸層38布置在該二極管門電路之上和該光電二極管周邊周圍。如下面更加詳細(xì)地討論的，該反射體/接觸38用來將來自該二極管周邊周圍的的光子朝著該二極管的讀出表面反射回去，并且與該二極管的上表面接觸以用作接觸。
每個(gè)像素22進(jìn)一步包括FET40。在該像素位置提供導(dǎo)電跡線，以使得該像素能夠被連接到陣列中其它的像素，特別用于在該光電二極管處電荷的讀取。在所說明的實(shí)施例中，將連接線42和44提供在該光電二極管的任一側(cè)上，以將該光電二極管連接到那些相鄰像素的光電二極管。類似地，提供導(dǎo)電跡線46和48來使能該FET40(改變其導(dǎo)電狀態(tài))，并經(jīng)由該場效應(yīng)晶體管從該像素中讀取電荷(例如，通過對該像素的光電二極管和任何電荷承載結(jié)構(gòu)再充電)。在所說明的實(shí)施例中，跡線46是用于使能該場效應(yīng)晶體管FET的掃描線，跡線48是用于讀取該像素位置的電荷的數(shù)據(jù)線。正如將由那些本領(lǐng)域技術(shù)人員所能意識到的，實(shí)際上，數(shù)據(jù)線48用來對該光電二極管再充電，因此被添加到該光電二極管處現(xiàn)有電荷的電荷將與由曝光事件產(chǎn)生的電荷耗盡成比例。
在圖2中說明的結(jié)構(gòu)以局部剖視的方式顯示在圖3中。如圖3中所說明的，像素和像素整個(gè)陣列都被閃爍器層S所覆蓋。該閃爍器用來將由該探測器接收的X射線輻射轉(zhuǎn)換成可以由光電二極管34探測的低能光子。將該像素結(jié)構(gòu)構(gòu)建在基底層50之上，其可以是例如玻璃。將介電層52布置在該基底50上。示例的電介質(zhì)可以包括諸如氮化物、玻璃等材料。在介電層52上，布置接觸層54。通常，接觸層54將是金屬導(dǎo)電層，類似于用在傳統(tǒng)數(shù)字探測器結(jié)構(gòu)上的這些層，諸如鉬，盡管許多其它的材料可以是適合的，諸如鋁、鎢、鈦、銅等。該二極管34本身形成在該接觸層54上，接觸層54用作對用于讀取的二極管充電和再充電的接觸之一。
二極管門電路36是圍繞二極管34的導(dǎo)電層，并且通過鈍化層56與該二極管分離。該鈍化層56可以由例如二氧化硅、氮化硅、它們的組合或由各種其它適合的材料包括聚合物制成。二極管門電路36可以由類似于接觸層54材料的材料制成?？刂圃撯g化層56的厚度，以使得該門電路層36實(shí)質(zhì)上限制電荷(即電子)沿著光電二極管34的邊緣向下從反射體/接觸層38移動到接觸層54。在圖3的實(shí)施例中，反射體/接觸層38通過實(shí)質(zhì)上可以類似于鈍化層56的附加鈍化層58與二極管門電路層36分離。正如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員所能意識到的，這些鈍化層可以通過任何適當(dāng)?shù)奶幚碇T如化學(xué)氣相沉積形成。這些鈍化層實(shí)質(zhì)上確定了該結(jié)構(gòu)中的絕緣層或介電層。
在本實(shí)施例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在厚度上處于從500到1μm的范圍的鈍化層56在降低來自光電二極管的電荷的泄漏上是有效的。大約2500的厚度可以是優(yōu)選的。而且，正如圖3中所說明的，二極管門電路層36可以被保持在與反射體/接觸層38公共電壓上，諸如依靠接觸通道60。在本實(shí)施例中，例如，將反射體/接觸層38保持在相對于接觸層54大約8伏的電壓差。依賴于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該二極管上的電壓差可以變化，諸如從大約4伏到大約15伏。但是，應(yīng)當(dāng)注意到，僅作為例子提供上面描述的特定電壓、厚度、材料等。在不脫離本發(fā)明精神和內(nèi)容的情況下，可以對這些元件使用其它的規(guī)范。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該門電路層36使降低來自該光電二極管的泄漏更容易，顯著降低了隨著時(shí)間的過去光電二極管性能的退化。因?yàn)閷⒃撻T電路層提供在該光電二極管周邊的周圍，所以最小化了在這點(diǎn)處的泄漏。依據(jù)本設(shè)計(jì)的其它觀點(diǎn)，通過減小該光電二極管的表面面積和通過修改該光電二極管周邊的結(jié)構(gòu)(如，形狀)，進(jìn)一步最小化了泄漏。圖4說明了結(jié)合這些特征的光電二極管的示例實(shí)施例。
如圖4中所示，說明了具有減少了表面面積的圓形(環(huán)狀)光電二極管的像素62。光電二極管64通常在結(jié)構(gòu)上類似于上面所描述的結(jié)構(gòu)，但在周邊上是圓形的。將接觸/反射體層66設(shè)置在光電二極管的周圍，并通過接觸突出部68被接合到用于讀取的光電二極管。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，接觸突出部68的使用可以降低由接觸/反射體層66覆蓋的該光電二極管的有效表面面積，由此降低該接觸/反射體層到該光電二極管的靈敏區(qū)域的侵入。該像素結(jié)構(gòu)的其它方面總體類似于參照圖2在上面描述的結(jié)構(gòu)。
如圖5中所示，圖4的結(jié)構(gòu)包括基底50，將介電層52和接觸層54布置在該基底上。將鈍化層或介電層70提供在接觸/反射體66和接觸層54之間。
接觸/反射體層66反射可以沖擊該層的光子，從而增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的靈敏性和數(shù)據(jù)收集能力。即，接觸閃爍器S的入射輻射18將包括直接進(jìn)入該光電二極管圓形靈敏區(qū)域的光子，如由參考符號72所指示的，或被反射的光子74。這些被反射的光子可以被該接觸/反射體66的任何部分反射，并且將回彈到該閃爍器材料中，直到它們最終接觸光電二極管64的靈敏區(qū)域。在目前預(yù)期的實(shí)施例中，減小了表面面積的光電二極管64占據(jù)該像素面積的20％到60％。然后，在目前預(yù)期的實(shí)施例中，接觸/反射體層66將由光電二極管和接觸/反射體層66合在一起覆蓋的像素的有效填充因數(shù)提高到大于60％。還應(yīng)該注意到，還可以設(shè)想該光電二極管的其它結(jié)構(gòu)，諸如橢圓形形狀等。但是，所說明的圓形形狀將可能出現(xiàn)泄漏的周長最小化。
而且，在圖5中所說明的實(shí)施例中，接觸/反射體層66用來增加該光電二極管的總電容，和更一般的像素位置的總電容。例如，如圖6中所說明的，通過鈍化層將接觸/反射體層66與接觸層54分離，該鈍化層被做得相對薄，以便作為由這些層限定的有效電容器76的電介質(zhì)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這樣一種用于存儲像素位置電荷的固有電容器的使用可以將有效像素電容增加到超過由大光電二極管(即，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu))提供的電容的60％。
對像素和探測器設(shè)計(jì)的上述改進(jìn)可以被一起結(jié)合到探測器中。圖6說明了這樣一種組合的和改進(jìn)的像素結(jié)構(gòu)。如圖6中所示，接觸/反射體66本身可以用來限制從該光電二極管周邊的泄漏。即，當(dāng)接觸/反射體66被定位在非常接近該光電二極管周邊邊緣，并被一個(gè)或多個(gè)鈍化層分離時(shí)，該接觸/反射體層66本身可以作為限制該二極管邊緣周圍的電荷泄漏的門電路。
然后，圖6說明了結(jié)合在具有提高電容的降低了面積、被選通的二極管像素78中的前述改進(jìn)。如圖6中所注意到的，降低了面積的光電二極管64再次具有圓形形狀，以降低它的表面面積和它的周邊邊緣的長度。接觸/反射體層66覆在圍繞光電二極管64的區(qū)域上，并且依靠接觸突出部68與光電二極管接觸。在接觸/反射體層66下面，提供二極管門電路36。通過上面描述的導(dǎo)電通路60將二極管門電路36電耦合到接觸/反射體層66。而且，在二極管門電路36下面，接觸層54延伸，并被與二極管門電路36分離，從而形成電容器來增加光電二極管的有效電容。包括場效應(yīng)晶體管FET40、導(dǎo)電跡線42和44、與掃描和數(shù)據(jù)線46和48的其它結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上類似于那些上面描述的結(jié)構(gòu)。
那么，圖6的改進(jìn)像素結(jié)構(gòu)，通過減小光電二極管的表面面積，減小光電二極管周邊邊緣的長度，和選通該邊緣來降低沿著該邊緣的電子泄漏，有效地降低泄漏和因此降低在像素位置處的退化，同時(shí)依靠接觸/反射體層66的反射率仍舊保持提高的靈敏度。通過依靠中間鈍化層或介電層確定導(dǎo)電層之間的電容器，該結(jié)構(gòu)還增加了像素位置處的有效電容。
應(yīng)當(dāng)注意，雖然上面描述的減小了表面面積的二極管具有通常的圓形形狀時(shí)，其它形狀當(dāng)然可以從在此描述的設(shè)計(jì)和技術(shù)的優(yōu)勢中受益。例如，可以形成圓形或甚至多邊形(例如，正方形)的二極管，其仍舊一起或結(jié)合使用上面描述的選通、或反射體、或電容器方面。類似地，雖然目前預(yù)期的實(shí)施例具有該像素表面面積大約60％的填充因數(shù)，但可以使用其它的填充因數(shù)。而且，該反射體可以占據(jù)比二極管本身更大的表面面積，并且該像素仍舊提供好的靈敏度。
雖然在這里只說明和描述了本發(fā)明的一些特征，但對于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將出現(xiàn)許多修改和改變。因此，應(yīng)當(dāng)理解，所附的權(quán)利要求意在覆蓋所有落入本發(fā)明的真實(shí)精神內(nèi)的這些修改和變化。
元件列表10X射線成像系統(tǒng)12受檢物14源16探測器18X射線束20探測器表面22像素24源控制電路26數(shù)據(jù)采集電路28系統(tǒng)控制電路30圖像處理電路32觀察/界面工作站34二極管36二極管門電路38反射體/接觸40FET42連接44連接46掃描線48數(shù)據(jù)線50基底52介電層54接觸層56鈍化層58鈍化層60通路62降低了面積的像素
64二極管66門電路/反射體68接觸突出部70鈍化層72直射的光子74反射的光子76鈍化層78鈍化層80電容器82降低了面積、選通的二極管像素
權(quán)利要求
1.一種光電探測器(16)，其由基底(50)上的像素陣列(22)形成，并由閃爍器覆蓋，每個(gè)像素包括光電二極管(34，64)，其被配置來接收光子，并響應(yīng)該接收的光子耗盡存儲的電荷；和門電路層(36)，其至少圍繞該光電二極管邊緣的一部分，該門電路層限制該光電二極管的接觸之間的電荷泄漏。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光電探測器，其中在每個(gè)像素處該門電路層(36)被電耦合到該光電二極管的接觸(38)，并被保持在與該接觸共同的電壓上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光電探測器，其中在每個(gè)像素處該二極管形成在下面的接觸層(54)中，并且通過鈍化層(56)將該門電路層與該下面的接觸層分離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光電探測器，其中在每個(gè)像素處該門電路層(36)是該光電二極管(34，64)的接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光電探測器，其中在每個(gè)像素處該光電二極管包括上接觸層(38)，并且通過通道(60)將該門電路層耦合到該上接觸層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光電探測器，其中在每個(gè)像素處，將該門電路層(36)保持在與該光電二極管的兩個(gè)接觸(42，44)的電壓電平不同的電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光電探測器，其中每個(gè)光電二極管(34，64)具有基本上圓形周邊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光電探測器，其中每個(gè)像素進(jìn)一步包含場效應(yīng)晶體管(40)，該晶體管被耦合到該光電二極管，并且是可開關(guān)的來對該光電二極管再充電，用于讀取由光子的接收耗盡的電荷。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的光電探測器，其中每個(gè)光電二極管(34，64)占據(jù)相應(yīng)像素(22)總表面面積的大約20％到大約60％的表面面積。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的光電探測器，其中該反射層(66)和該光電二極管(34，64)占據(jù)大于每個(gè)像素總表面面積大約60％的組合表面面積。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于X射線應(yīng)用的光電探測器(16)，其包括在每個(gè)像素位置處的光電二極管(34，64)，其被選通來降低來自該光電二極管的電荷泄漏。門電路層(36)可以被布置在該探測器整個(gè)周邊邊緣的周圍，并被保持在與接觸層(38)共同的或不同的電勢。鈍化層或介電層(56)將該門電路層與該光電二極管分離。該門電路層降低由在輻射中的延伸暴露引起的二極管邊緣周圍的泄漏。
文檔編號H01L27/146GK101030590SQ200610063958
公開日2007年9月5日 申請日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者S·S·澤拉基維茨, S·伯格達(dá)諾維奇, A·J·庫圖爾, D·阿爾巴格利, W·A·亨尼西 申請人:通用電氣檢查技術(shù)有限合伙人公司