专利名称：辐射敏感探测器的制作方法
技术领域：
本申请总体上涉及辐射敏感探测器。尽管是结合在计算机断层成像
(CT)系统的特定应用描述的本申请，但其还涉及到希望探测辐射并生成 表示所探测辐射的信号的其他应用。
背景技术：
X射线计算机断层成像(CT)系统包括具有多个切片的二维探测器或 探测器元件的行。例如，示范性系统包括十六(16)、三十二 (32)或六十 四(64)行以及其他行数的探测器元件。
适当的探测器元件包括将闪烁体生成的光转换成相应电流或光电流的 光电二极管。 一种这样的光电二极管是背照明光电二极管(BIP)，其一般 在第一 (或背)侧接收光并通过位于与第一侧相对的第二 (或前)侧上的 电触点输送相应的电流。前侧通常是在其上执行CMOS处理步骤，例如处 理电路的一侧，而在背侧上通常不实施电路。使用电触点位于与光接收侧 (背侧)相对的一侧(前侧)的光电二极管允许较紧密地将这种探测器元 件的矩阵之内的个体探测器元件对接(在所有4个侧面)，因为探测器元件 不需要间隔开来容纳导电迹线，在其他情况下，迹线从光电二极管向读出 电子装置传送电流。减小探测器元件之间的空间可以增大每单位面积的光 接收区域。
通过BIP的电触点和集成电路的电触点将BIP电连接到具有读出电子 装置的集成电路。不过，触点之间的电连接可能会带来电噪声。在低电流 水平下，这种噪声可能大于量子噪声。结果，可能无法在输入信号范围上 实现量子受限操作；尽管对于较高电流水平而言这是可能实现的。
还将读出电子装置与BIP集成在公共衬底中，由此来减轻电连接带来 的电噪声。令人遗憾的是，读出电子装置可能需要比用于形成BIP的CMOS 工艺更昂贵的CMOS工艺，使用更昂贵的CMOS工艺来形成具有集成读出电子装置的BIP可能会增加BIP的制造成本。此外，集成的读出电子装置 可能会占据探测器元件之内本来用于接收辐射的空间，从而可能会减少光 电二极管的有效光接收面积。此外，可能会限制读出电子装置可用的空间， 从而仅能在其中集成读出电子装置的子集。
本申请的各个方面解决了上述问题和其他问题。
发明内容
根据一个方面， 一种设备包括X射线源，其生成横穿检查区域的透 射辐射；以及探测器，其包括探测所述辐射并生成表示辐射的信号的光转 换器。所述光转换器包括背侧上的光接收区域。光接收区域接收表示所探 测辐射的光。所述光转换器还包括前侧之内的读出电子装置，前侧与所述 背侧相对。读出电子装置处理表示所接收光的光电流以生成表示所探测辐 射的信号。所述光转换器还包括置于光接收区域和读出电子装置之间的光 电二极管。光电二极管产生光电流。重建器重建所述信号以生成表示检查 区域的图像数据。
在另一方面中， 一种设备包括X射线源，其生成横穿检査区域的透 射辐射；以及探测器，其包括半导体衬底，所述探测器探测所述辐射并生 成表示辐射的信号。半导体衬底包括背侧上的光接收区域。光接收区域接 收表示所接收辐射的光。半导体衬底还包括产生表示光的光电流的光电二 极管、位于前侧且处理光电流以生成信号的读出电子装置以及位于背侧和 读出电子装置之间的势垒。势垒屏蔽读出电子装置，使其不受光电二极管 的p掺杂外延区域中的电荷影响。重建器重建所述信号以生成表示检查区 域的图像数据。
在另一方面中， 一种方法包括在光转换器的背侧体积中接收光；利 用所述光转换器的光电二极管产生表示所述光的光电流信号；以及利用位 于所述光转换器前侧上的读出电子装置输出表示所述光电流的信号。前侧 与背侧相对，电荷势垒位于所述体积和读出电子装置之间并较靠近读出电 子装置。
在另一方面中，辐射敏感探测器元件包括位于所述探测器元件背侧 上的光接收区域，所述光接收区域接收光。置于探测器元件之内的光电二极管产生表示光的光电流。读出电子装置位于所述探测器元件的前侧上， 从而使得所述光电二极管位于所述光接收区域和所述读出电子装置之间， 所述读出电子装置处理所述光电流以生成表示所述光电流的信号。所述光 电二极管和所述读出电子装置形成于公共衬底中。
在另一方面中，辐射敏感探测器元件包括位于所述探测器元件背侧 上的光接收区域，所述光接收区域接收光。置于探测器元件之内的光电二 极管产生表示光的光电流。位于所述探测器元件前侧上的读出电子装置处 理所述光电流以生成表示所述光电流的信号。电荷势垒置于在所述光接收 区域和所述读出电子装置之间。所述光电二极管、所述读出电子装置和所
述电荷势垒形成于公共衬底(204)中。
在阅读并理解以下详细说明的基础上，本领域的普通技术人员将会理 解本发明的其他方面。
本发明可以采用各种部件和部件布置以及各种步骤和步骤的布置。附 图仅用于例示优选实施例，不应视为限制本发明。
图l示出了示范性成像系统；
图2和3示出了示范性光电转换器；
图4示出了示范性光电转换器；
图5示出了示范性方法。
具体实施例方式
参考图1，计算机断层成像(CT)系统100包括围绕纵向或z轴相对 于检查区域108旋转的旋转扫描架部分104。旋转扫描架部分104支撑着x 射线源112，例如x射线管，其生成并发射横穿检查区域108的辐射。
旋转扫描架部分104还支撑着x射线探测器116。探测器116接收源112 在多个投影角度或视角上发射的x射线光子或辐射，从而使得至少在一百 八十(180)度加扇形角上获得x射线投影。
探测器116是包括探测器像素或元件120的矩阵的多层探测器，包括 沿纵向延伸的多行探测器元件120和沿横向延伸的多列探测器元件120。通常，探测器元件的行数限定可以扫描的切片数量，因此限定了对于给定数 据采集周期的扫描体积。
在图示的实施例中，探测器元件有利地包括背照明光电二极管(BIP)， 其具有集成的诸如积分器的探测器读出电子装置、模数转换器和放大器， 以及其他有源和无源电气部件。BIP和读出电子装置是集成的，这是因为它 们形成于公共衬底中。BIP接收表示所探测x射线光子的光，并产生对应于 其的电流或光电流。集成的读出电子装置处理电流并生成表示其的信号。
闪烁体124对应行和列的矩阵与探测器元件120的行和列光学相通。 闪烁体124接收x射线辐射并产生表示其的光。可以使用抗散射栅(ASG) 和/或屏蔽来遮挡散射和/或其他无关辐射，防止其击中闪烁体124。
重建器128重建投影数据以生成体积图像数据。体积图像数据表示检 査区域108。
诸如座椅的对象支撑132在检査区域108中支撑着患者或其他对象。 对象支撑132是可移动的，从而在执行扫描过程的同时相对于检査区域108 引导对象。
通用计算机用作操作控制台136。控制台136包括诸如监视器或显示器 的人可读输出装置以及诸如键盘和鼠标的输入装置。位于控制台上的软件 允许操作员通过例如图形用户界面(GUI)控制扫描仪100并与其交互。 如上所述，图示的探测器116包括探测器元件120的矩阵。图2示出 了探测器元件120的矩阵之内两个相邻探测器元件120j卩1202的放大视图， 下文针对探测器元件120,更详细地描述探测器元件120。
如图所示，探测器元件12(h包括具有(p--)掺杂外延层208的光转换 器或半导体衬底204。有利地，(p-)掺杂外延层208所具有的电阻率减少 了电荷或电子-空穴对在抵达pn结212之前的复合。光与(p--)掺杂外延 层208交互生成了电子-空穴对。图示的(p-)掺杂外延层208具有大约 700-1000微米的扩散长度216和大约120微米或更小的厚度220。在另一个 实施例中，厚度大约是扩散长度值的十分之一。
与衬底204的第一或前侧228的第一表面224相邻，且在(p-)掺杂 外延层208之内的是11++掺杂n阱232，该n阱与(p—)掺杂外延层208 一起形成具有pn结212的光电二极管，该pn结212具有耗尽区域236。在该范例中，11++掺杂11阱232充当着光电二极管的阴极。也与表面224相邻 且在外延层208之内的p+区域244充当着光电二极管的阳极。
包括积分器、模数转换器、放大器以及其他有源和无源部件的读出电 子装置244也与表面224相邻且在(p--)掺杂外延层208之内。由(p--) 掺杂外延层208的一部分将读出电子装置240与(p--)掺杂外延层208之 内的11++惨杂11阱232 (阴极)和p+区域244 (阳极)物理分隔。导电触点 248和252分别将n+十掺杂n阱232 (阴极)和p+区域244 (阳极)电连接 到读出电子装置240。
衬底204还包括(p-)掺杂外延层208的第二或背侧264的第二体积 260上的较薄p+掺杂扩散层256。p+掺杂扩散层256在体积260处提供电势 势垒，促进电子向着pn结212扩散而不是复合。结果，p+掺杂的扩散层256 可以减少装置背侧表面附近电子-空穴对的复合。
有利地，任选的深p阱268位于背侧264和读出电子装置240之间， 以提供电势垒，所述电势垒屏蔽电荷，防止其扩散到读出电子装置240而 不是光电二极管的pn结212。这种电荷的扩散可能引起读出电子装置中的 电干扰。
有利地选择读出电子装置240的特征尺寸和电气部件，从而使得使用 较不昂贵的CMOS工艺来形成公共衬底204中的光电二极管和适当的读出 电子装置。例如，可以有利地选择读出电子装置240的特征尺寸和电气部 件，从而使得可以使用.8微米CMOS工艺而不是.18微米CMOS工艺来形 成公共衬底204中光电二极管和读出电子装置。当然，在这里也可以预想 到其他CMOS工艺，例如.5、 .35和.25 CMOS工艺。另一方面，对于辐射 硬度而言，.18微米CMOS工艺可以优于更大特征尺寸的工艺。
用于诸如CT系统100的CT系统以及其他系统的探测器元件120具有 大约75%的扩散长度216的光电二极管填充系数，这为读出电子装置留下 大约25%的可用面积。在图示的衬底204中， 一般25%的这种面积就为利 用较不昂贵的CMOS工艺形成读出电子装置240提供了足够的空间。在这 里也预想到了其他光电二极管填充系数。
如图3所示，在一种情况下，用于读出电子装置的区域有利地与耦合 到探测器元件120连同闪烁体124的抗散射栅304和/或屏蔽308重合。结果，将适当的读出电子装置240与衬底204集成而没有减小有效的光接收 面积。此外，ASG 304和/或屏蔽308可以遮挡本来会击中到读出电子装置 240的辐射，这可以减少对可能消耗更大面积和更高成本的抗辐射 (radiation-hard)电子装置的需求。
在图4所示的备选实施例中，1!++掺杂n阱212掩埋在背侧260和读出 电子装置240之间的(p-)掺杂外延层208之内，读出电子装置240同样 与表面224相邻且位于(p—)掺杂外延层208之内。将pn结212电耦合到 读出电子装置的一个或多个导电触点248位于(p--)掺杂外延层208之内。 通过这样定位读出电子装置240，相对于图2和3中所示的，可以得到更大 的面积用于读出电子装置240。此外，11++惨杂11阱212屏蔽读出电子装置 240以防止电荷，否则，电荷可能在读出电子装置240之内复合和/或干扰 读出电子装置240。
要认识到，结合图1-4所讨论的各元件尺寸和形状是例示性的而非限制 性的。此外，上文针对利用p衬底的CMOS技术进行论述。不过，在这里 也预想到了采用n衬底的实施例。在n衬底的情况中，结构将与这里所述 的结构"互补"。例如，pn结将由p阱实现。
现在结合图5描述探测器元件120的运行。
在504，由(p--)掺杂外延层208接收表示所探测x射线辐射的光。 在508，光在(p-)掺杂外延层208之内激发电子，由此生成电荷。 在512，电荷扩散到pn结212的耗尽区域236。
在516，将电荷传送到11++掺杂11阱212 (阴极)中，由此产生表示所 接收辐射的光电流。
在520，由读出电子装置240接收和处理光电流。
在524，从探测器元件120输出处理过的光电流或表示光电流的信号。
上述内容及其变型的应用包括，但不限于CT、 x射线、核医学和摄像 机应用以及包括探测辐射的其他成像模式的应用。
己经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解前述详细说明的基 础上，其他人可以想到各种修改和变化。只要修改和变化落入所附权利要 求或其等价要件的范围内，本发明意在被视为包括所有这种修改和变化。
权利要求
在描述优选实施例之后，对本发明做出如下的权利主张1、一种设备，包括X射线源(112)，其生成横穿检查区域(108)的透射辐射；探测器(116)，其包括探测所述辐射并生成表示所述辐射的信号的光转换器(204)，其中，所述光转换器(204)包括光接收区域(260)，其位于背侧(264)上，其中，所述光接收区域接收表示所探测辐射的光，读出电子装置(240)，其位于前侧(228)之内，所述前侧与所述背侧(264)相对，其中，所述读出电子装置(240)处理表示所接收光的光电流以生成表示所述所探测辐射的所述信号，以及光电二极管(208，212，232)，其置于所述光接收区域(260)和所述读出电子装置(240)之间，其中，所述光电二极管(212)产生所述光电流；以及重建器(128)，所述重建器重建所述信号以生成表示所述检查区域(108)的图像数据。
1、 一种设备，包括X射线源(112)，其生成横穿检查区域(108)的透射辐射；探测器(116)，其包括探测所述辐射并生成表示所述辐射的信号的光转换器(204)，其中，所述光转换器(204)包括光接收区域(260)，其位于背侧(264)上，其中，所述光接收区 域接收表示所探测辐射的光，读出电子装置(240)，其位于前侧(228)之内，所述前侧与所述 背侧(264)相对，其中，所述读出电子装置(240)处理表示所接收光的 光电流以生成表示所述所探测辐射的所述信号，以及光电二极管(208， 212， 232)，其置于所述光接收区域(260)和 所述读出电子装置(240)之间，其中，所述光电二极管(212)产生所述 光电流；以及重建器(128)，所述重建器重建所述信号以生成表示所述检査区域 (108)的图像数据。
2、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述光转换器(204)是形成 于公共衬底中的背照明光电二极管和读出电子装置。
3、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电二极管(208， 212， 232)的n阱区域(232)屏蔽所述读出电子装置(240)，使其不受所述光 电二极管(208， 212， 232)的外延区域(208)中的激励电子影响。
4、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述读出电子装置(240)包 括积分器和模数转换器。
5、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述光转换器(204)是利用.8微米CMOS工艺形成的。
6、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电二极管(208， 212, 232)的n阱区域(232)屏蔽所述读出电子装置(240)，使其不受所述光 电二极管(208， 212， 232)的外延层(208)中的电荷扩散影响。
7、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电二极管(208， 212， 232)包括与掺杂n型半导体区域(232)相通的掺杂p型半导体区域(208)。
8、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电二极管(208， 212， 232)的p型半导体区域(208)具有大约700到1000微米的少数电荷载流 子扩散长度。
9、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电二极管(208， 212， 232)的p型半导体区域(208)具有大约30至l」120微米的厚度。
10、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电二极管(208， 212， 232)的p型半导体区域(208)具有大约为少数电荷载流子扩散长度十分 之一的厚度。
11、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述探测器(116)至少还包 括第二个光转换器(204)，其中，所述光转换器(204)物理地耦合以形成 探测器元件(120)的阵列。
12、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述光转换器(204)还包括 减少所述光接收区域(260)处的电子-空穴载流子复合的层(256)。
13、 根据权利要求1所述的系统，还包括与所述光接收区域(260)光 学相通的闪烁体(124)，其中，所述闪烁体(124)接收所述辐射并产生所 述光。
14、 一种设备系统，包括X射线源(112)，其生成横穿检查区域(108)的透射辐射；探测器(116)，其包括半导体衬底(204)，所述探测器探测所述辐射 并生成表示所述辐射的信号，其中，所述半导体衬底(204)包括光接收区域(260)，其位于背侧(264)上，其中，所述光接收区 域接收表示所接收辐射的光，光电二极管(204， 212， 232)，其产生表示所述光的光电流；以及读出电子装置(240)，其位于前侧(228)之内，其中，所述读出 电子装置(240)处理所述光电流以生成所述信号，以及势垒(268)，其位于所述背侧(264)和所述读出电子装置(240) 之间，其中，所述势垒(268)屏蔽所述读出电子装置(240)，使其不受 所述光电二极管(204， 212， 232)的p掺杂外延区域(208)中的电荷影 响，以及重建器(128)，所述重建器重建所述信号以生成表示所述检査区域 (108)的图像数据。
15、 根据权利要求14所述的系统，还包括与所述光接收区域(260) 光学相通的闪烁体(124)，其中，所述闪烁体(124)接收所述辐射并产生 所述光。
16、 根据权利要求14所述的系统，其中，所述p掺杂外延区域(208) 具有大约700到1000微米的扩散长度。
17、 根据权利要求14所述的系统，其中，所述p掺杂外延区域(208) 具有大约120微米的厚度。
18、 根据权利要求14所述的系统，其中，所述p掺杂外延区域(208) 具有大约为所述厚度大小的十倍的扩散长度。
19、 根据权利要求14所述的系统，其中，所述探测器(116)还包括 半导体衬底(204)的矩阵。
20、 根据权利要求14所述的系统，其中，所述半导体衬底(204)是 由.8微米CMOS工艺形成的。
21、 根据权利要求14所述的系统，其中，所述半导体衬底(204)还 包括减少所述光接收区域(260)处的电子-空穴载流子复合的与所述光接收 区域(260)相邻的势垒层(256)。
22、 一种方法，其包括在光转换器(204)的背侧的体积(260)中接收光；利用所述光转换器(204)的光电二极管(208， 212， 232)产生表示 所述光的光电流信号；以及利用位于所述光转换器(204)前侧(228)上的读出电子装置(240) 输出表示所述光电流的信号；其中，所述前侧(228)与所述背侧(264)相对，并且其中，电荷势 垒(232， 268)位于所述体积(260)和所述读出电子装置(240)之间并 且更靠近所述读出电子装置(240)。
23、 根据权利要求22所述的方法，其中，所述电荷势垒包括掺杂n阱 (232)。
24、 根据权利要求22所述的方法，其中，所述光电二极管(208， 212， 232)的n型区域(232)为所述电荷势垒。
25、 根据权利要求22所述的方法，其中，所述电荷势垒包括掺杂p阱 (268)。
26、 根据权利要求22所述的方法，其中，所述势垒(232， 268)屏蔽 所述读出电子装置(240)，使其不受所述光电二极管(204， 212， 232)之 内的扩散电荷影响。
27、 一种辐射敏感探测器元件(120)，包括光接收区域(260),其位于所述探测器元件(120)背侧上，所述光接 收区域接收光；光电二极管(204， 212， 232)，其置于所述探测器元件(120)之内， 所述光电二极管产生表示所述光的光电流；以及读出电子装置(240)，其位于所述探测器元件(120)的前侧(228) 上，从而使得所述光电二极管(204， 212， 232)在所述光接收区域(260) 和所述读出电子装置(240)之间，所述读出电子装置处理所述光电流并生 成表示所述光电流的信号；其中，所述光电二极管(204， 212， 232)和所述读出电子装置(240) 形成于公共衬底(204)中。
28、 根据权利要求27所述的辐射敏感探测器元件，其中，所述光电二 极管(204， 212， 232)的n型区域(232)屏蔽所述读出电子装置(240)， 使其不受所述光在所述光电二极管(204， 212， 232)之内激励的电子影响。
29、 根据权利要求27所述的辐射敏感探测器元件，其中，所述光电二 极管(204， 212， 232)和所述读出电子装置(240)是利用.8微米CMOS 工艺形成的。
30、 根据权利要求27所述的辐射敏感探测器元件，还包括作用于所述 光接收区域(260)的势垒层(256)，其减少所述光接收区域(260)处的 电子-空穴载流子复合。
31、 根据权利要求27所述的辐射敏感探测器元件，其中，所述辐射敏 感探测器元件(120)用于医学成像扫描仪(100)中。
32、 根据权利要求27所述的辐射敏感探测器元件(120)，其中，所述 辐射敏感探测器元件(120)包括形成于公共衬底(204)中的背照明光电 二极管和读出电子装置D
33、 一种辐射敏感探测器元件(120)，包括光接收区域(260)，其位于所述探测器元件(120)背侧(264)上， 所述光接收区域接收光；光电二极管(204， 212， 232)，其置于所述探测器元件(120)之内， 所述光电二极管产生表示所述光的光电流；读出电子装置(240)，其位于所述探测器元件(120)前侧(228)上， 所述读出电子装置处理所述光电流以生成表示所述光电流的信号；以及电荷势垒(268)，其置于所述光接收区域(260)和所述读出电子装置 (244)之间；其中，所述光电二极管(204， 212， 232)、所述读出电子装置(240) 和所述电荷势垒(244)形成于公共衬底(204)中。
34、 根据权利要求33所述的辐射敏感探测器元件(120)，其中，所述 势垒(268)屏蔽所述读出电子装置(240)，使其不受所述光电二极管(204， 212， 232)中的电荷扩散影响。
35、 根据权利要求33所述的辐射敏感探测器元件(120)，其中，所述 势垒(268)包括p型阱。
36、 根据权利要求33所述的辐射敏感探测器元件(120)，其中，所述 光电二极管(204， 212， 232)、所述读出电子装置(240)和所述电荷势垒(244)是利用.8微米CMOS工艺形成的。
37、 根据权利要求33所述的辐射敏感探测器元件(120)，其中，所述 辐射敏感探测器元件(120)用于医学成像扫描仪(100)中。
38、 根据权利要求33所述的辐射敏感探测器元件(120)，其中，所述 辐射敏感探测器元件(120)包括形成于公共衬底(204)中的背照明光电 二极管和读出电子装置。
39、 根据权利要求33所述的辐射敏感探测器元件(120)，还包括作用 于所述光接收区域(260)的势垒层(256)，其减少所述光接收区域(260) 处的电子-空穴载流子复合。
全文摘要
一种设备包括X射线源(112)，其生成横穿检查区域(108)的透射辐射；以及探测器(116)，其包括探测所述辐射并生成表示辐射的信号的光转换器(204)。所述光转换器(204)包括背侧(264)上的光接收区域(260)。光接收区域接收表示所探测辐射的光。所述光转换器(204)还包括前侧(228)之内的读出电子装置(240)，前侧与所述背侧(264)相对。读出电子装置(240)处理表示所接收光的光电流以生成表示所探测辐射的信号。光转换器(204)还包括置于光接收区域(260)和读出电子装置(240)之间的光电二极管(208，212，232)。光电二极管(212)产生光电流。重建器(128)重建所述信号以生成表示检查区域(108)的图像数据。
文档编号G01T1/20GK101595399SQ200880003626
公开日2009年12月2日 申请日期2008年1月10日 优先权日2007年1月31日
发明者C·赫尔曼, M·奥弗迪克, R·基维特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司