具有電荷排斥段間隙的輻射敏感探測器設備的製作方法

2023-05-11 10:21:06

具有電荷排斥段間隙的輻射敏感探測器設備的製作方法
【專利摘要】在諸如直接轉換探測器的輻射敏感探測器設備中，電荷在外加電場內向收集電極(4)漂移，所述收集電極(4)是分段的(例如表示像素陣列)。在段之間的間隙處，電場線可能離開所述探測器，並且沿那些場線漂移的電荷可能被捕獲在所述間隙內。這可以通過將電場線推回到所述直接轉換材料外部電極(8)來避免。
【專利說明】具有電荷排斥段間隙的輻射敏感探測器設備
【技術領域】
[0001]本申請大體涉及成像系統，用於探測輻射的方法，以及具有用於空間分辨的分段電極圖樣的輻射敏感探測器設備。
【背景技術】
[0002]醫學或其他成像系統可以包括間接轉換(閃爍體/光傳感器)探測器的陣列，例如硫氧化釓(GOS)探測器；或直接轉換探測器，例如碲鋅鎘(CZT)探測器或碲化鎘(CdTe)探測器。在具有單層的直接轉換探測器中，偏壓在大的負電壓的公共陰極電極定位於探測器層的一側上。偏壓在接地或接近接地的像素化陽極定位於所述層的另一側上。來自陽極像素的信號被路由通過襯底和/或電路板到達讀出電子器件。碲化鎘(CdTe)和碲鋅鎘(CZT)包括具有高阻止能力(例如X射線衰減)但低遷移率和長電荷傳輸時間的半導體材料。例如，具有1.0到5.0mm厚度的CZT或CdTe單層直接轉換探測器典型地在約一百萬到一千萬計數每秒每平方毫米飽和。矽(Si)和砷化鎵(GaAs)包括具有高遷移率和短電荷傳輸時間但是低X射線阻止能力(例如X射線衰減)的半導體材料。
[0003]作為範例，輻射敏感半導體襯底可以被劃分成多個行的探測器元件和多個列的探測器元件，以形成探測器元件的二維陣列。每個探測器元件均與相應的電觸頭相關聯，用於將相應的電信號轉移到讀出襯底，所述讀出襯底繼而包括用於將所述電信號從所述探測器轉移的電觸頭。在基於CZT的探測器中，所述CZT輻射敏感半導體襯底上的電觸頭可以為(Au)、鉬(Pt)或銦(In)，取決於所述探測器的製造者和/或其他因素。
[0004]以上提及的基於直接轉換材料的針對X射線和伽馬輻射的能量分辨探測器已被證明是測量光子能量的有效方式。入射光子創建大量的電子/空穴對。此後，電子與空穴典型地在由電極供應的電場內沿不同方向漂移。在所述漂移過程期間，根據Shockley-Ramo定理，在被附接到探測器系統的每個電極上電容性地感生電流。
[0005]典型地，所述電極被分段成條帶或像素的圖樣，以提供對創建所述電子/空穴雲的交互事件的空間分辨。如在例如US5677539中所描述的，電極分段的另一原因為對僅一種電荷載體的改進的探測，由於較小的電極段具有相對低的面積，從而僅在所述電荷漂移在接近所述電極段附近時，才感生相關電流脈衝。然而，電場線可能在電極段之間的間隙處離開所述探測器晶體。沿循所述電場線的電荷(例如，電子)可能因此被捕獲在所述表面相對長的時間，因此，它們不再貢獻於要被測量的所述脈衝信號。該問題的一種解決方案是如在上面的US5677539中建議的轉向電極的實現方式，其中，所述轉向電極被置於所述探測器段之間的所述間隙內並且荷電，使得所述電場線總被向著所述收集(即，信號生成)電極引導。然而，該技術的所述實現方式在一些情況中是不可能的(因為需要額外的小型化或結構化)，或者要驅動所述轉向電極所要求的電壓感生偏置電流，其不利地影響噪聲性質。

【發明內容】

[0006]本發明的目標是提供一種探測器設備和一種探測輻射的方法，藉助於其，可以實現改進的成像性能。
[0007]該目標通過如在權利要求1中要求保護的探測器發射設備、如在權利要求9中要求保護的製作方法，以及如在權利要求11中要求保護的成像系統，而得以實現。
[0008]因此，遠端引導電極被提供並荷電，使得將在間隙部分處通常會離開所述探測器晶體的電場線被推回到所述探測器晶體，使得它們結束於收集電極的內側上。由此可以防止對電荷的捕獲，使得更多的電荷貢獻於所述輸出信號。
[0009]根據第一個方面，所述多個引導電極可以被置於連接層，所述連接層被提供用於連接所述電荷收集電極。這提供以下優點:所述引導電極可以被置於已有層上，使得可以通過簡單地修改所述掩模過程增加它們。然而，注意到，所述引導電極可以被置於任意其他遠端位置，例如在另一中間層處或不同於所述轉換層的層內或在電路中，它們可以在其中履行它們將電場線推回到所述轉換層的功能。
[0010]根據可以與所述第一個方面組合的第二個方面，所述電荷收集電極為用於電子收集的陽極或用於空穴收集的陰極。因此，可以針對具有兩種電荷載體類型的轉換層，實施所提出的解決方法。
[0011]根據可以與所述第一個方面和第二方面中的任意一個組合的第三個方面，所述電荷收集電極的所述圖樣限定用於將所述輻射轉換成圖像的像素陣列。所述改進的探測器因此可以被用作用於基於輻射的成像系統的探測器。
[0012]根據可以與所述第一至第三個方面中的任意一個組合的第四個方面，可以提供至少一個對電極,其被布置在所述轉換層的第二表面處,所述第二表面與所述第一表面相對。在該情況中，對電極也可以形成具有中間間隙的預定圖樣，其中，所述外部引導電極中另外的一些可以被布置為防止電場線通過所述對電極的所述預定圖樣的所述間隙離開所述轉換層。由此，可以針對在相對側的間隙結構或所述轉換層的表面達到相同的優點。
[0013]根據可以與所述第一至第四個方面中的任意一個組合的第五個方面，被提供在所述轉換層與所述連接層之間的空間可以至少部分地被填充以膠粘物。這改善了所述設備的機械穩定性。在更具體的範例中，所述膠粘物可以僅被局部地置於所述間隙與所述引導電極之間，例如，使得所述膠粘物不接觸所述電荷收集電極。由此，所述引導功能得以改進並且偏置電流得以改進。
[0014]根據可以與所述第一至第五個方面中的任意一個組合的第六個方面，向所述引導電極施加接近Ug = Uis壓.(d_g/2+dg.ε。/ ε g) / (dg/2+dc)的電壓，其中Uis壓指代被施加在所述電荷收集電極與通過其接收所述輻射的對電極之間的電壓，d㈤^指代所述電荷收集電極之間的間隙的寬度，(18指代所述引導電極被布置於其上的連接層與所述轉換層之間的距離，ε。指代所述轉換層的相對介電常數，％指代所述收集電極與所述引導電極之間的體積的相對介電常數，並且d。指代所述轉換層的厚度。這提供以下優點:可以針對給定的探測器幾何結構來優化被施加到引導電極的電壓。
[0015]下文限定進一步有利的實施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]根據後文描述的實施例，本發明的這些以及其他方面將是顯而易見的，並且本發明的這些以及其他方面將參考後文描述的實施例得以闡明。[0017]在附圖中:
[0018]圖1示出了可以在其中實施本發明的醫學成像系統的示意性框圖；
[0019]圖2示出了可以在其中實施本發明的輻射敏感探測器陣列的示意性透視圖；
[0020]圖3示出了受捕獲問題影響的常規探測器設計的橫截面視圖；並且
[0021]圖4示出了根據實施例的改進探測設計的橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0022]現在基於輻射敏感直接轉換探測器描述各個實施例。然而，注意到，本發明可以被應用於成像系統的任意類型的探測器，在其中電子/空穴對被生成並通過電場被收集。
[0023]示範性診斷設備包括X射線系統、單光子發射計算機斷層攝影系統(SPCT)、超聲系統、計算機斷層攝影(CT)系統、正電子發射斷層攝影(PET)系統，以及其他類型的成像系統。X射線源的示範性應用包括成像、醫學、安檢，以及工業檢測應用。然而，本領域技術人員將認識到，示範性實現方式適用於與單片或其他多片配置一起使用。此外，示範性實施例可被用於對X射線的探測和轉換。然而，本領域技術人員將進一步認識到，示範性實現方式可被用於對其他高頻電磁能量和/或高頻多色電磁能量，和/或其他種類的電離輻射(例如α或β粒子)的探測和轉換。
[0024]圖1示出了示意性成像系統，例如單光子發射計算機斷層攝影(SPECT)系統100，包括至少一個輻射敏感探測器陣列110。如所描繪的，所圖示的系統100包括兩個輻射敏感探測器陣列IlO1和1102。所述輻射敏感探測器陣列IlO1和IlO2被設置為相對於彼此處於大致90至102度範圍的角。預期其他數目的探測器陣列110以及它們之間的角度。所述輻射敏感探測器陣列IlO1和IlO2關於檢查區域112旋轉並且針對多個投影角度或視圖採集投影。
[0025]在所圖示的範例中，所述輻射敏感探測器陣列IlOdP IlO2為包括各種層的二維直接轉換探測器陣列。這樣的層可以包括輻射敏感層114、讀出層116，以及中間層118。所述中間層118電氣且物理地耦合輻射敏感層114和讀出層116。輻射敏感層114可以包括具有至少一個電觸點的CZT襯底，所述至少一個電觸點由將孔粘附到CZT的材料形成的。此夕卜，中間層118可以包括非常適合形成與所述CZT襯底上的所述電觸點電互連的材料。
[0026]大體上，輻射敏感層114接收來自發生在檢查區域112中的放射性核素衰變108的伽馬輻射，並生成指示其的信號。所述信號通過中間層118被傳送到讀出層116。所述信號經由讀出層116從探測器110輸出。重建器120重建所述投影，以生成指示所探測的伽馬輻射的體積圖像數據。所述體積圖像數據指示檢查區域112。此外，計算機充當操作者控制臺122。控制臺122包括諸如監視器或顯示器的人可讀輸出設備，以及諸如鍵盤和滑鼠的輸入設備。駐留於所述控制臺上的軟體允許操作者控制成像系統100並例如通過圖形用戶界面(⑶I)與之交互。
[0027]諸如臥榻的對象支撐體124支撐檢查區域112中的患者或其他對象。對象支撐體可以移動，從而在執行掃描程序時，相對於檢查區域112引導對象。這可以包括與所述伽馬輻射敏感探測器110的操作協調地，縱向移動對象支撐體124，使得對象可以根據期望的掃描軌跡，在多個縱向位置被掃描。
[0028]根據本實施例，提供直接轉換器，轉向電極的實現方式對於該直接轉換器由於某些原因而不可能或不被期望，並且該直接轉換器經受收集電極之間的間隙問題。建議設置額外的電極，不是在所述直接轉換器晶體上，而是外連接件(例如，所述直接轉換器被結合到其的插入器或電路)外部。所述電極荷電，使得將通常離開所述探測器晶體的電場線被推回到所述探測器晶體，從而它們結束於收集電極的內側上。
[0029]圖2示出了在圖1中所示的探測器110的非限制性探測器的子部分。所述子部分包括CZT輻射敏感探測或轉換襯底或層2、電荷收集電極4、焊料互連或焊球5、讀出襯底或連接層7、第一電觸頭或電極6，以及導通8。導通8從第一電極6中的每個延伸，通過連接層7，到多個第二電觸頭或電極8中相應的一個，由此提供第一電觸頭6與第二電觸頭9之間的電氣通路。由輻射轉換層2的電荷收集電極4產生的所述電信號可以被從探測器110的所述探測器陣列轉移通過所述第一電極6和第二電極9。在該範例中，所述探測器陣列包括多個行和多個列的探測器元件或段，以形成探測器110的二維探測器陣列，例如其對應於所探測的圖像的像素陣列。要認識到，探測器110可以與一個或多個其他探測器陣列拼貼，以增大探測器110的探測表面。
[0030]圖3示出了探測器陣列的常用或常規設計的橫截面視圖，其經受電場線通過收集電極段之間的間隙離開所述探測器的問題。注意到，在圖3中，圖2的探測器堆疊被倒裝，使得轉換層2被示於上側，額外的連續對電極I被置於轉換層2的上方，來自圖1的檢查區域112的所述輻射通過其而入射。轉換層2可以由直接轉換晶體製成，例如CZT。焊球5被提供為將電荷收集電極4中的每個與第一電極6中相應的一個連接，其中第一電極6充當連接層7上針對焊球5的接觸墊，其例如可以為插入器或電路。出於簡潔和簡要的目的，在圖3中未示出圖2的其餘部件。
[0031]電壓被施加在對電極I與電荷收集電極4之間，從而——如在圖3中所示——上部連續電極I與電荷收集電極4之間的電場線3a中的大部分都結束於電荷收集電極4中的一個上的轉換層2的「內側」。然而，在電荷收集電極4之間的間隙的區域中，一些電場線3b離開轉換層2，並結束於電荷收集電極4中的一個上的轉換層2的「外側」或某些其他地方。
[0032]圖4示出了根據一實施例的改進的探測器設計的橫截面視圖。所提出的探測器的設計適於防止電場線離開所述探測器，因為它們被「推回」到轉換層2。為了實現該目的，提供額外的引導電極8，其推動圖3的電場線，以表現得向圖4中所示的電場線3c，並且不再尚開轉換層2。
[0033]根據第一個實施例，額外的引導電極8不是被置於所述探測器晶體上，而是在通常被用於連接電荷收集電極4的連接層7上。引導電極8通過具有與意圖被電荷收集電極4收集的電荷符號相同的電勢而荷電。在其中測量電子的信號的典型探測器中，引導電極8將荷負電，以排斥電子。取決於引導電極8的電壓，引導電極8中缺乏的電場線3b將離開轉換層2，被所述電勢「排斥」，使得理想地沒有電場線通過電荷收集電極4之間的所述間隙離開轉換層2。結果，在圖3的情況中將沿循場線3b並被捕獲在所述間隙處的電子或空穴，現在將沿循圖4中的任意場線，使得它們被電荷收集電極4收集，與它們是在轉換層2的體積內側的哪裡生成的無關。
[0034]取決於被施加在對電極I與電荷收集電極4之間的所述電壓，電荷收集電極4可以充當陽極(用於電子收集)或充當陰極(用於空穴收集)。[0035]此外，電荷收集電極4的分段不需要為像素陣列。任意形狀和圖樣都是可能的，例如條帶。
[0036]在第二個實施例中，連續電極I也可以向電荷收集電極4那樣是分段的。那麼，可以在轉換層2的相對側提供類似的引導電極8，以使所述電場線保持在轉換層2中。
[0037]作為另一種選擇，轉換層2與連接層7之間的空間可以被填充以空氣，但更優選地被填充以任意種類的膠粘物，以得到更加機械穩定的設備。所述膠粘物應被選擇為具有相對低的電導率，並且應被僅局部地置於所述間隙與引導電極8之間。在一個範利中，所述膠粘物應被置為使得不接觸收集電極4，並因此提供對電場線的最佳「引導」，並使電荷收集電極4與引導電極之間可能的偏置電流最小化。
[0038]額外地，連接層7可以被配置為提供足夠的電阻，以避免第一電極6與引導電極8之間的顯著偏置電流。
[0039]此外，可以取決於幾何結構，選擇被施加到引導電極8的推動或排斥電壓，所述幾何結構即以下中的至少一個:電荷收集電極4之間的間隙大小(例如像素間隙大小)、轉換層2與連接層7之間的距離、轉換層2的厚度、所用的材料的相對介電常數，以及對電極I的電壓。
[0040]根據第三個實施例，其中，轉換層2的探測器材料以及轉換層2與連接層7之間的填充膠粘物具有可比的相對介電常數，並且間隙寬度以及轉換層2與連接層7之間的距離與轉換層2的厚度相比是小的，可以大致上根據以下等式設置被施加到引導電極8的電壓
Ug:
[0041]Ug = U 偏壓.(d 間隙 2+dg.ε c ε g) (d 間隙 2+dc)
[0042]其中指代被施加在(一個或多個)對電極I與電荷收集電極4之間的電壓，d_s指代所述相鄰收集電極4之間的間隙的寬度，dg指代轉換層2與連接層7之間的距離，ε。指代轉換層材料的相對介電常數，ε g指代轉換層2與連接層7之間的體積的相對介電常數，並且d。指代轉換層2的厚度。在實際範例中，典型的值可以為Uisffi= 900V、d_s =100 μ m、dg = 30 μ m、ε。= 10、ε g = 4 並且 d。= 3mm,這將得到引導電極電壓 Ug = 37V。
[0043]總結，已描述了諸如直接轉換探測器的輻射敏感探測器設備，以及探測輻射的方法，其中，電荷在外加電場內向著收集電極漂移，所述收集電極是分段的(例如，代表像素陣列)。在段之間的間隙處，電場線可以離開所述探測器，並且沿那些場線漂移的電荷可以被捕獲在所述間隙內。通過增加外部或遠端引導電極避免了該現象，所述引導電極將電場線推回到所述直接轉換材料中。
[0044]儘管已在附圖和前文的描述中詳細圖示並描述了本發明，但是要將這種圖示和描述視為示例性或示範性的而非限制性的。本發明不限於所公開的實施例，並且適用於在其中電子/空穴對被生成並通過電場被收集的所有種類的探測器。所述引導電極可以為任何形狀，並且可以提供在遠離所述轉換層的各種位置處，以提供對抗否則將離開所述轉換層的電場線的推動功能。它們可以被提供在中間層中，或所述連接層內或其他側上，或所述探測器的電路上。
[0045]此外，本領域技術人員根據對附圖、公開內容以及所附權利要求書的研究，在實踐要求保護的本發明時，可以理解並實現對所公開實施例的其他變型。在權利要求書中，詞語「包括」不排除其他元件或步驟，並且定語「一」或「一個」不排除複數。儘管在互不相同的從屬權利要求中記載了特定措施，但這並不指示不能有利地組合這些措施。權利要求書中的任意附圖標記都不應被解釋為對範圍的限制。
【權利要求】
1.一種用於探測輻射的探測器設備，包括: a.轉換層(2)，其用於將入射輻射轉換成電荷； b.多個電荷收集電極(4),其被布置在所述轉換層(2)的第一表面,並且適於收集在所述轉換層(2)中生成的電荷，所述電荷收集電極形成具有中間間隙的預定圖樣；以及 c.多個外部引導電極(8)，其被置於遠離所述轉換層(2)處並且被連接到與要由所述電荷收集電極(4)收集的所述電荷具有相同符號的電勢，所述外部引導電極(8)被布置為防止電場線通過所述間隙離開所述轉換層(2)。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述多個引導電極⑶被置於連接層(7)上，所述連接層被提供用於連接所述電荷收集電極(4)。
3.根據權利要求1所述的設備，其中，所述電荷收集電極(4)為用於電子收集的陽極或用於空穴收集的陰極。
4.根據權利要求1所述的設備，其中，所述電荷收集電極(4)的所述圖樣限定用於將所述輻射轉換成圖像的像素陣列。
5.根據權利要求1所述的設備，還包括被布置在所述轉換層(2)的第二表面的至少一個對電極(I)，所述第二表面與所述第一表面相對。
6.根據權利要求5所述的設備，其中，所述對電極(I)形成具有中間間隙的預定圖樣，並且其中，所述外部引導電極(8)中的另外的電極被布置為防止電場線通過所述對電極(I)的所述預定圖樣的所述間隙離開所述轉換層(2)。
7.根據權利要求2所述的設備，其中，被提供在所述轉換層(2)與所述連接層(7)之間的空間至少部分地被以膠粘物填充。
8.根據權利要求7所述的設備，其中，所述膠粘物僅局部地被置為處於所述間隙與所述引導電極⑶之間。
9.根據權利要求8所述的設備，其中，所述膠粘物被布置為使得其不接觸所述電荷收集電極⑷。
10.一種探測輻射的方法，所述方法包括: a.通過使用轉換層(2)將入射輻射轉換成電荷； b.通過使用具有中間間隙的電極⑷的圖樣，收集在所述轉換層(2)中生成的電荷；並且 c.將多個外部引導電極⑶連接到與要由所述電荷收集電極⑷收集的所述電荷具有相同符號的電勢，所述外部引導電極(8)以防止電場線通過所述間隙離開所述轉換層(2)的方式，被置於遠離所述轉換層(2)處。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括向所述引導電極⑶施加電壓Ug= Uisffi.((!間隙/2+dg.ε。/ ε g) / (dg/2+d。)，其中，Uisffi指代被施加在所述電荷收集電極(4)與通過其接收所述輻射的對電極⑴之間的電壓，d_s指代所述電荷收集電極(4)之間的所述間隙的寬度，dg指代所述引導電極(8)被布置於其上的連接層(7)與所述轉換層(2)之間的距離，ε。指代所述轉換層(2)的相對介電常數，eg指代所述收集電極⑷與所述引導電極(8)之間的層中的相對介電常 數，並且d。指代所述轉換層(2)的厚度。
12.一種包括根據權利要求1所述的用於探測輻射的探測器設備的成像系統。
【文檔編號】H01L27/146GK103917897SQ201280055158
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年11月7日 優先權日:2011年11月9日
【發明者】K·J·恩格爾, C·赫爾曼 申請人:皇家飛利浦有限公司