低電容光電二極管元件和計算機斷層造影檢測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] -般來說，本公開涉及光電二極管元件和光電二極管陣列的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 最常規(guī)的計算機斷層造影（CT)系統(tǒng)使用包括閃爍器和光電二極管陣列的檢測 器。閃爍器將X射線光子轉(zhuǎn)換成可見光的光子，并且光電二極管陣列將可見光的光子轉(zhuǎn)換 成電信號電流。光電二極管陣列所產(chǎn)生的電信號電流的積分電荷與閃爍器所捕捉的X射線 光子的能量成比例。
[0003] 通常，計算機斷層造影檢測器中使用的光電二極管陣列包括采取諸如16X16、 16 X 32、16 X 64和24 X 64之類的排列的多個光電二極管元件。光電二極管陣列通常耦合到 閃爍器陣列。光電二極管陣列的每個光電二極管元件一般大約為I mm寬和I mm長。這通 常導(dǎo)致每個光電二極管元件有大約10 PF至15 pF的范圍內(nèi)的電容。
[0004] 為了產(chǎn)生具有高時間分辨率的圖像，存在提高CT系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的速度的一貫壓 力。另外，為了患者安全，希望減少產(chǎn)生臨床有用圖像所需的X射線光子量。減少檢測器所 產(chǎn)生的噪聲可有助于提高獲取速度以及降低產(chǎn)生滿意圖像所需的X射線劑量。圖像噪聲的 顯著來源之一是檢測器所產(chǎn)生的電子噪聲。降低檢測器所引起的電子噪聲的一種方式是減 小光電二極管陣列中的每個光電二極管元件的電容。
[0005] 因此，為了降低電子噪聲，需要開發(fā)較低電容的光電二極管元件和較低電容的光 電二極管陣列，而不損害每個光電二極管元件的響應(yīng)時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本文針對上述不足、缺點和問題，這通過閱讀和理解以下說明書將會理解。
[0007] 在一個實施例中，光電二極管元件包括具有第一擴散類型的第一層以及第二層。 第二層定義電荷收集區(qū)域，所述電荷收集區(qū)域包括第二擴散類型的活性區(qū)以及無活性區(qū)。 活性區(qū)圍繞無活性區(qū)。光電二極管還包括第一層與第二層之間的本征半導(dǎo)體層。
[0008] 在一個實施例中，光電二極管元件包括具有第一擴散類型的第一層以及定義電荷 收集區(qū)域的第二層。電荷收集區(qū)域包括第二擴散類型的多個活性區(qū)以及無活性區(qū)。將多個 活性區(qū)電互連。光電二極管還包括第一層與第二層之間的本征半導(dǎo)體層。
[0009] 在一個實施例中，計算機斷層造影檢測器包括用于將X射線轉(zhuǎn)換成可見光的閃爍 器。計算機斷層造影檢測器還包括定位成接收來自閃爍器的可見光的光電二極管陣列。光 電二極管陣列包括多個光電二極管元件。多個光電二極管元件中的每個包括具有第一擴散 類型的第一層以及第二層。第二層定義電荷收集區(qū)域。電荷收集區(qū)域包括第二擴散類型的 活性區(qū)以及多個無活性區(qū)?；钚詤^(qū)圍繞多個無活性區(qū)。多個光電二極管元件中的每個還包 括設(shè)置在第一層與第二層之間的本征半導(dǎo)體層。
[0010] 通過附圖及其詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會清楚地知道本發(fā)明的各種其它特 征、目的和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0011] 圖1是根據(jù)一個實施例的計算機斷層造影檢測器的截面的示意表示； 圖2是根據(jù)一個實施例的光電二極管陣列的示意表示； 圖3是根據(jù)一個實施例的光電二極管元件的示意表示； 圖4是根據(jù)一個實施例的光電二極管元件的截面的示意表示； 圖5是根據(jù)一個實施例的光電二極管元件的示意表示；以及 圖6是根據(jù)一個實施例的光電二極管元件的截面的示意表示。
【具體實施方式】
[0012] 在以下詳細(xì)描述中，參照構(gòu)成其部分的附圖，附圖中通過舉例說明的方式示出可 實施的具體實施例。對這些實施例進(jìn)行了充分詳細(xì)的描述，以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠 實施實施例，并且要理解，可采用其它實施例，可進(jìn)行邏輯、機械、電氣及其它變更，而沒有 背離實施例的范圍。因此，以下詳細(xì)描述不要視為限制本發(fā)明的范圍。
[0013] 參照圖1，根據(jù)一個實施例示出計算機斷層造影檢測器10的截面的示意表示。計 算機斷層造影檢測器10包括閃爍器陣列12和光電二極管陣列14。閃爍器陣列12被設(shè)計 成將X射線光子轉(zhuǎn)換成可見光的光子。閃爍器陣列12可包括由石榴石水晶與稀土磷組合 所形成的材料。其它實施例可將不同的材料用于閃爍器陣列12,例如氧硫化釓。閃爍器陣 列12可包括大約I mm至5 mm厚的層，如尺寸16所示。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù) 其它實施例，閃爍器陣列12的厚度可超出這個范圍。閃爍器陣列12的厚度將取決于為閃 爍器陣列12所選的材料以及閃爍器陣列12將被預(yù)期轉(zhuǎn)換成可見光的光子的X射線光子的 預(yù)期能級。
[0014] 光電二極管陣列14包括多個光電二極管元件17。圖1中示意表示6個光電二極 管元件17的截面。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，計算機斷層造影檢測器中使用的光電二極 管陣列可包括明顯多于6個光電二極管。
[0015] 參照圖2,示出光電二極管陣列18的示意表示。光電二極管陣列18包括多個光電 二極管元件19。光電二極管陣列18包括光電二極管元件19的16X16陣列。光電二極管 元件19中的每個能夠響應(yīng)檢測到光而產(chǎn)生信號。光電二極管元件19的大小限制光電二極 管陣列18的最大分辨率。為此，光電二極管元件19有時被本領(lǐng)域的技術(shù)人員稱作像素或 單元。
[0016] 根據(jù)一個實施例，每個光電二極管陣列可配置為分開的檢測器模塊的一部分。根 據(jù)一個不范實施例，檢測器模塊中的每個光電二極管陣列可在X方向包括16個光電二極管 元件以及在z方向包括64個光電二極管元件。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)附加實施例，光電二極管陣 列可在X方向和/或z方向具有不同數(shù)量的光電二極管元件。
[0017] 參照圖3,根據(jù)一個實施例示出光電二極管元件20的示意表示。參照圖4,根據(jù)一 個實施例示出從圖3沿剖面線A-A的光電二極管元件20的截面圖的示意表示。共同的參 考標(biāo)號將用于標(biāo)識圖3和圖4中都出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。
[0018] 參照圖3和圖4,光電二極管元件20包括第一層22、第二層24和本征半導(dǎo)體層 26。第一層22由具有N+擴散的摻雜硅半導(dǎo)體制成。為了本公開的目的，術(shù)語"N+擴散"被 定義成包括具有自由電子余量的半導(dǎo)體材料。根據(jù)一個實施例，第一層22的厚度小于0. 5 μ m，并且附到陰極27。本征半導(dǎo)體層26可包括硅或者為本征半導(dǎo)體的其它材料。根據(jù)一 個實施例，第二層24的厚度可小于10 μπι。根據(jù)一個實施例，第二層24的厚度可在2 μπι 與5 μπι之間。第二層24包括活性體積28和多個無活性體積30?；钚泽w積28可包括具 有P+擴散的摻雜硅半導(dǎo)體。為了本公開的目的，術(shù)語"Ρ+擴散"被定義成包括具有空穴余 量的半導(dǎo)體材料?；钚泽w積28連接到陽極31。多個無活性體積30中的每個可包括未摻雜 半導(dǎo)體。多個無活性體積30可包括與本征半導(dǎo)體層26相同的材料。為了本公開的目的， 第二層24的厚度可通過活性體積28的厚度來確定。例如，參照圖3,第二層24的厚度通過 活性體積28的厚度來定義，根據(jù)一個實施例，活性體積28的厚度大約為3 μ m。
[0019] 第二層24定義電荷收集區(qū)域29。根據(jù)一個實施例，圖3是光電二極管元件20的 電荷收集區(qū)域29的表示。為了本公開的目的，術(shù)語"電荷收集區(qū)域"被定義成包括光電二極 管元件中被設(shè)計成收集通過到達(dá)光電二極管元件的光的輸入光子所產(chǎn)生的載荷子的區(qū)域。 例如，如果光的光子到達(dá)電荷收集區(qū)域29內(nèi)的光電二極管元件20,則光電二極管元件20被 設(shè)計成作為光電流來檢測光的光子?；钚泽w積28定義電荷收集區(qū)域29內(nèi)的活性區(qū)32。多 個無活性體積30定義電荷收集區(qū)域29內(nèi)的多個無活性區(qū)33。光電二極管元件20可通過 摻雜本征半導(dǎo)體以形成第一層22和第二層24來形成。根據(jù)一個實施例，在摻雜過程中，屏 蔽掉多個無活性區(qū)33,并且僅對活性體積28摻雜以獲得P+擴散?；钚泽w積28在第二層 24內(nèi)的不同深度處具有一般一致的截面，如圖4所示。
[0020] 根據(jù)圖3和圖4所示的實施例，活性區(qū)32可包括網(wǎng)格34。網(wǎng)格34包括4個橫檔， 它們通過兩個側(cè)板相互連接。網(wǎng)格34圍繞多個無活性區(qū)33。為了本公開的目的，術(shù)語"網(wǎng) 格"被定義成包括一種圖案，其中包含與沿第二方向延伸的第二組一般平行的線條相交的 沿第一方向延伸的第一組一般平行的線條。網(wǎng)格34上的4個橫檔中的每個為44 μπι寬， 如尺寸35所示，并且橫檔通過側(cè)板連接，側(cè)板也為44 μ m寬，如尺寸36所示。4個橫檔中 的每個分隔開200 μ m，如尺寸38所示。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其它實施例可具有成 形為具有與圖3和圖4所示的實施例不同的尺寸的網(wǎng)格的活性區(qū)。另外，其它實施例可具 有不是成形為網(wǎng)格的活性區(qū)。下面將論述影響活性區(qū)32的形狀和尺寸的一些限制。
[0021] 光電二極管元件通過將光的光子轉(zhuǎn)換成可測量的光電流來工作。當(dāng)光的光子在 本征半導(dǎo)體層26中被吸收時，光電二極管20創(chuàng)建自由電子和空穴。仍然參照圖3和圖4， 空穴向陽極31擴散，在那里空穴被收集。同時，自由電子向陰極27擴散，在那里電子被收 集。如前面所述，陽極31電耦合到活性體積28,并且陰極27電耦合到第一層22。自由電 子和空穴的移動創(chuàng)建光電流，它與光電二極管中吸收的光通量成比例，并且因而與閃爍器 中吸收的X射線強度成比例。光電二極管所吸收的光子的能級和/或數(shù)量可根據(jù)光電流來 確定。根據(jù)一個實施例，第一層22是具有N+擴散的摻雜半導(dǎo)體。N+擴散表示第一層22中 的材料具有比空穴多的自由電子。第二層24的活性體積28包括具有P+擴散的摻雜半導(dǎo) 體。第二層24還包括多個無活性體積30。為了確保第二層24保持其電荷收集能力，重要 的是，多個無活性區(qū)33中的每個內(nèi)沒有點離活性區(qū)32太遠(yuǎn)。只要多個無活性區(qū)33中的每 個中的所有點都在活性區(qū)32的載流子擴散長度之內(nèi)，則朝陽極31移動的電子將會被吸引 到活性區(qū)32的最接近部分，并且光電二極管的電荷收集能力將近似相同，好像整個電荷收 集區(qū)域29包括具有P+擴散的活性區(qū)。
[0022] 仍然參照圖3和圖4,空穴花時間穿過半導(dǎo)體，以便在陽極被收集。通過限制本征 半導(dǎo)體層26的厚度并且還對無活性區(qū)33的大小進(jìn)行限制，能夠設(shè)計具