专利名称：X光影像传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种X光影像传感器，具体地说是利用场发射模式，使场发射电子移向位于场发射层对面的电荷收集极，以移入电荷收集极电容的电荷量多寡推断原始入射在转换层的X光暴露量的数字X光影像传感器。
将X光影像数字化并储存于数码记忆体中则可解决上述的储存空间及储存安全问题。数字资料易于携带及传送的特性也使得这些影像资料在调阅及远程医疗上变得相当方便。如果再加以处理，数字影像也可用来检测疾病。上述是数字X光影像优于传统X光底片的地方。
目前取得数字X光影像最常见的方式为使用转换质材料将X光转换成光或电的信号，搭配光电二极管或电荷收集装置，将X光影像转换成电子信号输出，再通过A/D(模拟/数字转换器)之后取得数字X光影像资料。上述通过X光转换为可见光(或可见光附近波长)原理的方式称为非直接方式(In-direct)，通过X光转换为电子原理的方式者称为直接式(Direct)。
上述直接式数字X光影像传感器，如图3所示，其使用半导体材料为X光转换层，如Se等等材料。
其运作流程为转换层将入射X光信号转换成e--h+对，在外加偏压的作用下，存在上、下部电极的电场e--h+对分离，其中e-被往下部电极移动，同时在下方的电极引发一相等于移入电子电荷，这些电荷储存于由TFT所构成的电容内再通过TFT模组中栅极(Gate)来控制何时将上述电荷移出电容(即读出信号)，并通过外部时序控制来做每个输出单位的输出顺序，最后经ADC输出数字影像信号。上述转换层的厚度一般约有数百μm，须加于上部电极的电压约在～kV至10KV间，Se材料则是常用的转换层材料，这类材料多选择具有产生e--h+对特性的半导体材料。
但是，由于此类X光影像传感器须施加相当高的电压(约数千伏特)，施加如此高电压主要是因为自由电子在Se的寿命(Lift Time)相当短及迁移率(Mobility)不够高，因此以高电场来使自由电子快速移动以提高其利用率，施加如此高的电压使传感器制作上相当困难，也使使用时所须的保护措施必须相当严格。
另一类非直接式数字X光影像传感器，此类传感器不须使用高电压操作，而是以闪烁体(Scintillator)将X光吸收后转成可成见光，再以光电二极管(Photodiode)来感测可见光。
但是以面板式X光影像传感器所须的此尺寸而言(4”×4”～7”×7”)，如此大的光电二极管在制作上合格率相当低且相当复杂，因此价格相当高。
一种X光影像传感器，该传感器主要包含有电极层、转换层、间隙层及电荷收集层等元件，其特征在于在转换层与电荷收集极之间设置一间隙层；依电极层而在转换层施加一适当电场，形成场发射模式，使转换层的场发射电子移向位于转换层对面的电荷收集极。
所述的X光影像传感器，其特征在于所述间隙层是在50μm～1000μm的范围。
所述的X光影像传感器，其特征在于转换层材料是选择具有较大能带隙的材料。
所述的X光影像传感器，其特征在于相邻于间隙层的转换层材料的表面形成凸出且具有相当小的曲率半径尖端的所谓粗燥形态。
所述的X光影像传感器，其特征在于所述转换层粗燥面为针状、片状或管状形态。
所述的X光影像传感器，其特征在于所述电荷收集层是以半导体材料制成。
所述的X光影像传感器，其特征在于所述转换层表面另外生长有一场发射层，所施加的适当电场将使得所述场发射电子移向所述电荷收集极。
所述的X光影像传感器，其特征在于场发射层材料是选择具有高能带隙及高导电性的材料。
所述的X光影像传感器，其特征在于场发射层材料为DLC的复合材料。
所述的X光影像传感器，其特征在于相邻于间隙层的场发射层材料的表面形成凸出且具相当小的曲率半径尖端的所谓粗燥面形态。
上述转换层材料加工成表面呈现凸出且具相当小的曲率半径尖端的所谓粗燥面形态；并在转换层与电荷收集极之间设置一间隙层。因此，将使场发射层形成局部场集中的区域，以利于场发射发生，同时上述传感器可以低电压操作，且提供对电荷收集极电容保护作用。
该传感器是利用“X光—电荷”转换层2在适当电场中运作“X光—电荷—场发射电子”模式，使场发射电子移向位于转换层2对面的电荷收集极3，并以移入电荷收集极3电容的电荷量多寡推断原始入射于“X光—电荷”转换层2的X光暴露量。
本实用新型X光影像传感器的操作，首先是在上述电极层1上施加一负偏压(negative bias)，由于电极层1为良导体，故偏压可均匀分布于电极层1上，即转换层2所受到的偏压也是均匀的。由于转换层2为高阻抗(接近绝缘状态)物质半导体，而且厚度相当厚，因此偏压电压在转换层2中将产生压降。
当X光开始作用于转换层2时，在转换层2中将生成许多电子-空穴对(e--h+pair)，而这些电子-空穴对将因加在电极层1之上的偏压所构成的电场而移动，此时自由电子移向相邻间隙层4的转换层2表面，而空穴则移到电极层1。由于上述电子—空穴对的生成及移动，使转换层1的阻抗下降，同时转换层2的压降也下降。
因为上述所加偏压为固定值，且此时间隙层4的阻抗并没有改变，因此所改变的压降，使场发射作用将在转换层2的表面发生。
上述场发射强度(发射电流)则与转换层2所生成或所提供的自由电子数目有关，而电子—空穴对的多少则与入射的X光强度有关(二者成正比)。
上述转换层2材料选择的考虑，首先是X光转换为电子的转换效率，一般而言，具有较大能带隙(bandgap energy)的材料的转换效率较小，但这也并不意味着具有低能带隙的材料就适于使用在此用途，因为考虑在室温使用时，外界温度所提供的能量可能高于1.5eV，即使用环境就足以使材料生成电子—空穴对，这些电荷是背景杂信号的来源。在外加电场的作用下这些电荷将因碰撞其他原子而生成更多的电子—空穴对，因此杂信号将很大。采用较高能带隙的材料将更合适于现实的操作环境，转换层2材料除了具有上述的X光转换为电荷功能外，还有保护后部电路的功能，即转换层2将入射X光吸收，降低未被吸收X光的量，以降低这些穿透X光照射在后部电路所引起的杂信号及材料元件的辐射损伤。
再者，场发射需要很大的场，为避免在高场作用下生成焦耳热，本实用新型使用减少局部区域曲率半径的方式，例如将转换层2材料的表面加工成具针状(Tip)或片状(Sheet)或管状(nanotube)等所谓的粗燥面形态，由于存在于材料内部的电子，其受到邻近原子核的吸引力无法轻易脱离原子核的束缚而成为可自由移动的电子(自由电子)。一般要得到自由电子可将材料施加适当的电场，使电子的能量提高到足以脱离原子的束缚，如此位于材料表面的电子将有可能脱离物质而成为自由电子。电子具有粒子及波动的特性，如果邻近原子与电子所在原子间的能障(Energy Well)厚度很薄，则电子的波动特性将使电子有较大的机率分布在能障以外。此时若适时地在电子周围施加一电场，则电子有机会脱离原子束缚成为自由电子(尤其是材料表面原子的电子)。上述方式产生的自由电子称为场发射电子。在规则排列的材料中，邻近原子所形成对电子的能障要以施加电场产生场发射所需的电场非常的大。位于材料内部的电子有来自四面八方邻近原子的作用力存在，但位于表面的电子因邻近原子较少因此所受的束缚也较少。因此表面的原子中的电子较易成为场发射电子。从减少电子束缚力的观点而言，减少原子周围邻近原子的数目是可以使用的方式。从材料表面的几何形状观察，平坦表面的原子虽然较内部原子承受较少束缚力，若能进一步使表面呈现凸出且具有相当小的曲率半径的尖端(粗燥面)，例如针状、片状或管状形态，则可得到较平坦表面原子所受束缚力更小的原子。如此将使该处形成局部场集中的区域，以利场发射发生。
再者，在转换层2与电荷收集极3之间必须存在一间隙层4，此一间隙层4必须具有电子易于通过的特性，真空环境正合乎这一要求。真空间隙层4存在有下列作用，首先是真空间隙层4隔离了转换层2与电荷收集极3，如此一来场发射作用才得以发生，也就是说真空间隙层4为发生场发射作用的必要条件之一。再者，真空间隙层4可作为电子从电场中获得能量(动能)的场所，真空间隙层4因外加的电压而存在一电场，同时以有适当的距离来使因场发射而来的电子加速到高动能状态，具有高动能的电子将撞击电荷收集极3，若使用具半导体特性的电极材料，此撞击将使电荷收集极3产生额外的电子—空穴对，相当于原始的电子信号被放大。公知直接式X光影像传感器常因传感区(Sensor Area)某处遭到过量的X光剂量，而使收集电荷的电容因充电过量产生过高的电压发生电容被打穿的现象。在本实用新型X光影像传感器结构中，真空间隙层4提供了缓冲上述电容被高电压击穿的功能。再者，在X光影像传感器结构中，真空间隙层4可视为与电荷收集极3电容串联的一个电容。因相对于个别电荷收集极3而言，真空间隙层4整体面积要大得多，当电荷收集极3电容电压过高时将使邻近真空间隙层4先发生导穿现象，将过多的电压由面积较大的转换层2(场发射层)来分摊。实际上，因局部电荷收集极3电容过多电荷导引到转换层2后对转换层2所造成的电压负担并不大，因此对转换层2并不会造成损伤。因此真空间隙层4可提供对电荷收集极3电容保护作用。
上述间隙层4可使因场发射离开物质表面的电子从电场中获得动能，进一步撞击电荷收集极3产生更多的电荷使电荷信号增强。因此在微弱的X光暴露量时仍能得到足够大的电荷信号。
电荷收集极3则为收集由转换层2表面发射经间隙层4而来的电子，这些自由电子在X光照射完之后再通过后段的公知TFT电路6逐次读出。
与前述公知直接式X光影像传感器收集电荷所需施加的高电压(～kV)相比，本实用新型所需产生场发射的电压比较低(数百伏特)。因电场大小由施加电压与两极间间隙层4距离所决定，通过将转换层2与电荷收集极3间的间隙层4距离缩小，将可明显地减少所需施加的电压，因为场发射的值相对于间隙层4与供应电压的关系为E＝V/d(E场发射值；V供应电压；d间隙层宽度)也就是说上述V值与d值是成正比，因此在考虑场发射的E值需在1MV/m以上的条件，及在未产生场发射前的外加电压均落在转换层2的情况下，太大的电压将使转换层2的耐电压特性产生很大的考验，有极大的可能发生击穿(Breakdown)而损坏。
再者，较小的d值虽然可以小电压产生很大的场，但是考虑加工的工艺水平及成本因素，当d值过小时，转换层2的表面平整度将涉及是否在外加电压时产生转换层2与电荷收集极3间的接触性短路(Short)的可能性。另一方面，合理的外加电场也有助于转换层2内生成电子-空穴对的移动，因此d值在考虑材料特性、加工精度及元件运作等因素下，间隙层4的d值选择在50μm～1000μm的范围较为合理，亦即在此范围下所需使用的外加电压是在50V～1000V范围，这些外加电压值确实较公知直接式X光影像传感器收集电荷所需施加的高电压～kV为低。
上述为本实用新型依据场发射模式而形成的X光影像传感器，但为进一步加强上述场发射模式的产生，本发明的另一实施例便是在上述转换层2的下方生长有场发射层5，如图2所示。
当X光开始作用于转换层2时，转换层2所改变的压降将全数反应在场发射层5上，即场发射层5所受的压降突然增大。
依据上述情况，大量自由电子将涌向场发射层5，且落在场发射层5的压降又突然增大，场发射作用将在场发射层5的表面发生。
如前所述，电子一空穴对的生成将转换层2的压降下降(即转换层内的电场下降)，且电子-空穴对愈多(即入射于此的X光较多时)的区域将下降更多的压降，但仍可保有移动电子-空穴对的能力，即在此区域下的场发射层5将获得更大的额外压降，因此此区域的场发射作用将更强烈。反之，在电子—空穴对生成较少区域下的场发射层5的场发射作用将较温和，如此一来X光的强弱差异将因此而拉大。
至于场发射层5材料的选择，上述物质发射(释出)自由电子(e-)的模式原理是利用外加的场(Field)以将物质中的电子吸引出来而成为自由电子，其并不须高温，但要相当大的外加场。由于场发射并非将电子的能量提高到可克服游离能障的程序来产生自由电子，而是所加的场使电子所在的能井(Energy Well)间的宽度变小，利用穿隧效应(Tumning Effect)，终致电子可穿过而产生自由电子。
但在以场生成自由电子的同时电子能量(振动)也将上升，若上述能井不够高，则可能发生电子越过能井而在原子间传递的可能，反而不利场发射作用，而且将因电荷移动所引起的焦耳热，使材料温度上升，甚至融化。因此场发射材料必须具有高的能带隙(Energy gap)，如SiC、金刚石、Mo、W等元素或其化合物，但为维持场发射的持续性则阻抗太大的材料也不合适，因为其无法提供自由电子供场发射之后的自由电子补充。因此具有高能带隙及高导电性的材料将是作为场发射材料的选择，例如具有双重特性的DLC(Diamond LikeCarbon)复合材料，该DLC具有高能带隙的Sp3碳，及导电性良好的Sp2碳。
有关场发射层5的表面形态，同样地为避免在高场作用下生成焦耳热，该场发射层5的表面是使用减少局部区域曲率半径的方式，例如表面加工成具针状或片状或管状等所谓的粗燥面形态，如此将使该处形成局部场集中的区域，以利场发射发生。
至于上述场发射层5与电荷收集极3之间的间隙层，该间隙层的d值也与前述原理相同是设定在50μm～1000μm的范围。
权利要求1.一种X光影像传感器，该传感器主要包含有电极层、转换层、间隙层及电荷收集层等元件，其特征在于在转换层与电荷收集极之间设置一间隙层；依电极层而在转换层施加一适当电场，形成场发射模式，使转换层的场发射电子移向位于转换层对面的电荷收集极。
2.如权利要求1所述的X光影像传感器，其特征在于所述间隙层是在50μm～1000μm的范围。
3.如权利要求1所述的X光影像传感器，其特征在于转换层材料是选择具有较大能带隙的材料。
4.如权利要求1所述的X光影像传感器，其特征在于相邻于间隙层的转换层材料的表面形成凸出且具有相当小的曲率半径尖端的所谓粗燥形态。
5.如权利要求1所述的X光影像传感器，其特征在于所述转换层粗燥面为针状、片状或管状形态。
6.如权利要求1所述的X光影像传感器，其特征在于所述电荷收集层是以半导体材料制成。
7.如权利要求1所述的X光影像传感器，其特征在于所述转换层表面另外生长有一场发射层，所施加的适当电场将使得所述场发射电子移向所述电荷收集极。
8.如权利要求7所述的X光影像传感器，其特征在于场发射层材料是选择具有高能带隙及高导电性的材料。
9.如权利要求7所述的X光影像传感器，其特征在于场发射层材料为DLC的复合材料。
10.如权利要求7所述的X光影像传感器，其特征在于相邻于间隙层的场发射层材料的表面形成凸出且具相当小的曲率半径尖端的所谓粗燥面形态。
专利摘要本实用新型涉及一种X光影像传感器，主要包含有电极层、转换层、间隙层及电荷收集层等元件，其中该传感器是利用“X光—电荷”转换层在适当电场中运作“X光—电荷—场发射电子”模式，使场发射电子移向位于转换层对面由半导体材料所帛成的电荷收集极，并从电荷收集极电容的电荷量多寡推断原始入射于“X光—电荷”转换层的X光暴露量。上述转换层材料加工成表面呈现凸出且具相当小的曲率半径尖端(Tip)的所谓粗燥面形态；及在转换层与电荷收集极之间存在一间隙层。因此，将使场发射层形成局部场集中的区域，以利场发射发生，同时上述传感器可以低电压操作，且提供对电荷收集极电容保护作用。
文档编号H01L27/14GK2574222SQ0225492
公开日2003年9月17日 申请日期2002年9月20日 优先权日2001年12月14日
发明者廖国富 申请人:廖国富