新結構線陣列x光探測器及其探測方法
2023-06-04 16:32:06 1
專利名稱：新結構線陣列x光探測器及其探測方法
技術領域：
本發明涉及一種X光探測器及其探測方法，屬於H01L27/00類半導體器件技術領域。
在醫學中拍X光片是目前廣泛採用並且非常有效的疾病診斷技術之一，如用在牙科、骨科、拍胸片、乳腺癌檢查以及各種結石診斷等，它需要用到大量底片和化學顯影過程，既浪費又不便於保存，而且不能馬上知道結果。除醫學外，X光技術還廣泛應用於安全檢查、無損探傷、物質結構分析、天文觀測以及高能物理研究等領域。近年來，計算機數位化技術發展非常迅速，數位化的X光診斷技術是X光醫學發展的必然趨勢，是計算機輔助診斷技術的重要組成部分(參閱Yaffe，et al.，Physics in Medicine and Biology，Vol.42，p.1-39，1997)。由於數字X光技術可以更準確地記錄X光，能夠得到更高質量的X光圖象，能夠更容易地進行圖象處理、分析與傳送，因而近年來對這項技術的研究與開發受到人們的極大關注，其市場潛力和經濟效益非常巨大(參閱Frost Sullivan-Company Press Release，November 16，1998)。
由於一般材料對X光的吸收係數非常小，目前獲取數位化X光圖象的方法，如醫學中的CT，都是先用螢光板將X光圖象轉變成可見光圖象，然後再用對可見光靈敏的光電陣列探測器-數字攝像儀(例如CCD)得到最終數位化的X光圖象。螢光板的引入，不但增加成本，而且會降低X光圖象的質量(螢光板越厚，靈敏度越高，但解析度越低；反之亦然)。因此，利用集成的固態X光陣列探測單元將X光圖象直接轉變成可供微型計算機讀取的數值化的電信號，以取代螢光板和對可見光靈敏的數字攝像儀組合，應該是一種最直接、圖象的質量最好、成本最低廉的獲取二維數位化X光圖象的方法，該技術近年受到研究人員的高度重視。由於單晶矽半導體材料具有工藝成熟、便宜、適合較大陣列探測器的製作、長期使用材料不易退化以及所製作的器件工作速度較快等優點，在數字X光探測器的研究中受到高度重視(參閱Cisternino，A.，et al.，Physica Medica，Vol13，p.214-17，1997)。Arfelli等人採用矽材料和端面接收X光的器件結構，與一般利用材料正面或背面接收X光的探測器相比，吸收X光的長度在沒有增加材料厚度(因而沒有增加工作電壓)的情況下大幅增加，有效地彌補了一般材料對X光吸收係數小的缺點，對能量為20KeV的X光其量子效率達到80％。但Arfelli等人報導的器件為PIN光電二極體結構，沒有增益，靈敏度較低；並且器件採用的矽材料較厚，工作電壓較高，PN結暴露在容易損壞的端面，致使器件的漏電流大幅增加(參閱Arfelli，et al.，Nucl.Instr. Meth.in Phys.Res.A，Vol377，p.508-13，1996)。Lynch等人報導了採用矽材料和雪崩光電二極體(APD)結構的X光探測器，雖然此種器件結構有增益，靈敏度較高，但由於採用正面入射，吸收X光的長度小，該器件只能用於能量小於2KeV的X光探測(參閱S.P Lynch，et al.，IEEE Trans.On Nucl.Science，Vol.44，p.581-586，1997)。並且，APD有工作電壓較高，雪崩工作點不易控制，常產生較大噪聲的缺點。
光電電晶體和APD一樣對光信號產生的光電流具有放大作用(參閱Y.Wang，et al.，J.Appl.Phys.，Vol.74，p.6978-6991，1993)。光電電晶體由一個稱為基區的半導體導電層以及在其兩側的半導體PN結構成，在PN結之外是電極。器件工作時一個PN結處於正向偏置狀態，該PN結稱為發射結，另外一個PN結處於反向耗盡偏置狀態，該PN結稱為集電結。如果基區的電阻率選擇恰當，光電電晶體可以工作在集電結耗盡區和發射結耗盡區將要或者已經相碰的狀態。這種光電電晶體一般稱作穿通型光電電晶體。穿通型光電電晶體不但有較大的光電轉換增益，而且噪聲較小(參閱Y.Wang，et al.，J.Appl.Phys.，Vol.74，p.6978-6991，1993)。
針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠直接探測X光圖象、獲取的圖象質量好、製造成本低廉的線陣列X光探測器，並提出一種使用該線陣列X光探測器探測X光的方法。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種新結構線陣列X光探測器，其特徵在於它由多個按一維排列的光電電晶體組成，每個光電電晶體包括基區、發射區、集電區、發射結、集電結、自然解理面；發射區和集電區之一的外側制有獨立的電極條，另一區的外側制有公共電極；各光電電晶體的自然解理面在同一平面上。
所述基區的摻雜濃度大於其本徵載流子濃度且小於1014cm-3。
所述光電電晶體為N+-P--N+或P+-N--P+基本結構，所用的半導體材料是100晶向或110晶向的單晶矽、100晶向的砷化鎵、CdZnTe半導體單晶材料之一，所用半導體材料的厚度為50-200μm，以便容易解理，形成鏡面般光滑的入射端面。
所述光電電晶體為穿通型光電電晶體。
所述電極條的方向與自然解理面垂直。
與所述電極條相接觸的區，對於襯底為矽的材料而言是單晶矽、多晶矽或非晶矽，對於襯底為砷化鎵的材料而言是砷化鎵或鋁鎵砷。
使用本發明的新結構線陣列X光探測器探測X光的方法是以光電電晶體的自然解理面作為接收X光入射的端面；使X光入射方向平行於光電電晶體的電極條且與單晶材料的晶向垂直；在每個光電電晶體的兩個電極上施加工作電壓，使其一個PN結處於正向偏置而另一個PN結處於反向偏置；從每個光電電晶體的電極條取出光電信號。
由於本發明採用穿通型光電電晶體，故不但有較大的光電轉換增益、工作電壓低，而且噪聲較小。由於本發明採用的半導體材料較薄以便於解理，故暴露在解理端面上的PN結的損傷小，表面漏電和暗電流小。由於本發明採用端面接受X光入射的結構，吸收X光的路徑長，因此量子效率高、可探測的X光的能量範圍廣。和目前廣泛採用的螢光板加對可見光靈敏的光電陣列探測器組合相比，本發明既有穿通型光電電晶體具有的高靈敏度、低噪聲的優點，又有端面接受X光入射結構的高量子效率的優點。本發明配合機械掃描可以直接獲取反差特性好、靈敏度和解析度高的二維X光圖象。此外，由於該陣列探測器的探測靈敏度高，與之相配的數據讀取電路也較簡單。
以下結合實施例具體地說明本發明
圖1是本發明的結構示意圖。
本發明新結構線陣列X光探測器由多個在同一晶片上按一維排列的光電電晶體組成。圖1所示為成一行排列的光電電晶體陣列，豎直虛線右側表示其中一個光電電晶體。每個光電電晶體包括P型基區1、N+型發射區2、N+型集電區3、自然解理面4，基區1與發射區2、集電區3交界處分別形成發射結、集電結，發射區2的外側制有獨立的電極條5，集電區3的外側制有公共電極6。各光電電晶體的自然解理面4在同一平面上，各公共電極6連通。
器件用100晶向矽材料製作，光電電晶體為N+-P--N+基本結構，基區1的電阻率很高，摻雜濃度很低，摻雜濃度大於其本徵載流子濃度且小於1014cm-3。器件所用半導體材料的厚度a為50-200μm，以便容易解理，形成鏡面般光滑的入射端面。
本發明的新結構線陣列X光探測器用於探測X光，其方法是以光電電晶體的自然解理面4作為接收X光入射的端面；使X光入射方向平行於光電電晶體的電極條5且與單晶材料的晶向垂直；在每個光電電晶體的兩個電極5、6之間施加工作電壓，使發射結處於正向偏置而集電結處於反向偏置；從每個光電電晶體的電極條5處取出光電信號。此光電信號已是對入射基區1的X光信號進行探測並且放大後的信號。
使用中，每個光電電晶體作為一個X光接收單元，每個X光接收單元的面積由半導體材料厚度a和電極條5的寬度決定。將本發明的新結構線陣列X光探測器做成掃描頭，配合相應的機械動作，即可直接獲取反差特性好、靈敏度和解析度高的二維X光圖象。
在本發明的其它實施例中光電電晶體可以工作在集電結耗盡區和發射結耗盡區將要或者已經相碰的狀態，即該光電電晶體可以為穿通型光電電晶體。
電極條的方向與自然解理面垂直。
與電極條5相接觸的區，對於襯底為矽的材料而言可以是多晶矽或非晶矽，對於襯底為砷化鎵的材料而言可以是鋁鎵砷，以便形成寬禁帶發射結、提高光電電晶體的光電流增益。
光電電晶體最好是N+-P--N+基本結構，也可以是P+-N--P+或其它變種形式的結構。其中P+和N+分別指受主和施主重摻雜層，其摻雜濃度大於1018cm-3；P-和N-分別指摻雜濃度很低，小於1014cm-3的受主層和施主層。
器件最好用矽材料製作，也可選用砷化鎵或CdZnTe等其它半導體單晶材料。對矽材料可以是100晶向或110晶向；對砷化鎵材料最好是100晶向。
需要說明的是，上述實施例僅為說明本發明而非限制本發明的專利範圍，任何基於本發明的等同變換技術，均應在本發明的專利保護範圍內。
權利要求
1.一種新結構線陣列X光探測器，其特徵在於它由多個按一維排列的光電電晶體組成，每個光電電晶體包括基區、發射區、集電區、發射結、集電結、自然解理面；發射區和集電區之一的外側制有獨立的電極條，另一區的外側制有公共電極；各光電電晶體的自然解理面在同一平面上。
2.如權利要求1所述的新結構線陣列X光探測器，其特徵在於所述基區的摻雜濃度大於其本徵載流子濃度且小於1014cm-3。
3.如權利要求1所述的新結構線陣列X光探測器，其特徵在於所述光電電晶體為N+-P--N+基本結構。
4.如權利要求1所述的新結構線陣列X光探測器，其特徵在於所述光電電晶體為P+-N--P+基本結構。
5.如權利要求1所述的新結構線陣列X光探測器，其特徵在於所述光電電晶體所用的半導體材料是100晶向或110晶向的單晶矽、100晶向的砷化鎵、CdZnTe半導體單晶材料之一。
6.如權利要求1所述的新結構線陣列X光探測器，其特徵在於所述光電電晶體所用半導體材料的厚度為50-200μm。
7.如權利要求1所述的新結構線陣列X光探測器，其特徵在於所述電極條的方向與自然解理面垂直。
8.如權利要求1所述的新結構線陣列X光探測器，其特徵在於所述光電電晶體為穿通型光電電晶體。
9.如權利要求1所述的新結構線陣列X光探測器，其特徵在於與所述電極條相接觸的區，對於襯底為矽的材料而言是單晶矽、多晶矽或非晶矽，對於襯底為砷化鎵的材料而言是砷化鎵或鋁鎵砷。
10.一種使用權利要求1所述的新結構線陣列X光探測器探測X光的方法，其特徵在於以光電電晶體的自然解理面作為接收X光入射的端面；使X光入射方向平行於光電電晶體的電極條且與單晶材料的晶向垂直；在每個光電電晶體的兩個電極上施加工作電壓，使其一個PN結處於正向偏置而另一個PN結處於反向偏置；從每個光電電晶體的電極條取出光電信號。
全文摘要
本發明X光探測器由多個按一維排列的光電電晶體組成,各光電電晶體由高電阻率的基區及其兩側的PN結構成。工作時,使其發射結正偏而集電結反偏,以半導體材料的自然解理面為接收X光入射的端面,使X光的入射方向平行於光電電晶體的電極條方向且與單晶材料的晶向垂直,然後從每個光電電晶體的電極條取出經過放大的光電信號。本發明工作電壓低、獲取的圖象質量好、製造成本低廉,配合機械掃描可以直接探測二維X光圖象。
文檔編號H01L31/00GK1250230SQ99122309
公開日2000年4月12日 申請日期1999年10月29日 優先權日1999年10月29日
發明者韓德俊 申請人:北京師範大學