光子计数半导体探测器.pdf

一种辐射探测器(10)，包括：半导体元件(1)，其用于生成正空穴和电子；阴极(2)，其被形成在所述半导体元件(1)的第一表面上；以及，多个分段式阳极(3)，其被形成在所述半导体元件(1)的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对。此外，多个分段式转向电极(5a)被定位为毗邻所述多个分段式阳极(3)。此外，多个掺杂原子被定位在所述多个分段式阳极(3)的至少部分之上，以降低所述多个分段式阳极(3)与所述多个分段式转向电极(5a)之间的电压差。

权利要求书1.  一种装置(10)，包括：集电极对(2、3)，所述集电极对彼此相对；半导体(1)，其被放置在所述集电极对之间；转向电极(5a)，其被定位为毗邻所述集电极对中的一个；以及空间调制的掺杂形态，其被定位于所述转向电极(5a)的至少部分之上，并且在所述半导体(1)之内。2.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述集电极对的第一集电极是阴极(2)，并且所述集电极对的第二集电极是阳极(3)。3.  根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述转向电极(5a)是被定位为毗邻所述第二集电极的多个电极(5)。4.  根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述掺杂形态包括至少一种掺杂材料的多个掺杂原子。5.  根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述多个掺杂原子经由扫描离子束而被植入；其中，所述多个掺杂原子经由通过预先被附着于所述半导体而使得仅转向电极区被覆盖的掩膜的蒸发而生成；或者其中，所述多个掺杂原子经由以下方式被植入：蒸发到被植入到预先被附着于所述半导体而使得仅转向电极区被覆盖的掩膜上，并且之后继而加热所述半导体以允许所述多个掺杂原子的局部深入扩散。6.  根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述空间调制的掺杂形态允许降低被施加在所述第二集电极与所述转向电极之间的电压差，所述第二集电极与所述转向电极被放置为毗邻于彼此。7.  根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，向所述第二集电极 以及向所述转向电极的外部地施加的电势实质上相同。8.  根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述空间调制的掺杂形态与所述转向电极(5a)通过电绝缘区域(5b)而被分开。9.  一种辐射探测器(10)，包括：半导体元件(1)，其用于生成正空穴和电子；阴极(2)，其被形成在所述半导体元件(1)的第一表面上；多个分段式阳极(3)，其被形成在所述半导体元件(1)的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对；至少一个转向电极(5a)，其被定位为毗邻所述多个分段式阳极(3)；以及多个掺杂原子，其被定位于所述转向电极(5a)的至少部分之上并且在所述半导体元件(1)之内。10.  根据权利要求9所述的辐射探测器，其中，所述多个掺杂原子经由扫描离子束而被植入。11.  根据权利要求9至10中的一项所述的辐射探测器，其中，所述多个掺杂原子经由通过预先被附着于所述半导体以使得仅转向电极区被覆盖的掩膜的蒸发而生成；其中，所述多个掺杂原子通过以下方式而被植入：经由蒸发到预先附着于所述半导体的掩膜上以使得仅转向电极区被覆盖，并且之后继而加热所述半导体以允许所述多个掺杂原子的局部深入扩散；或者其中，所述空间调制的掺杂形态允许降低被施加在所述第二集电极与所述转向电极之间的电压差，所述第二集电极与所述转向电极被放置为毗邻于彼此。12.  根据权利要求9至11中的一项所述的辐射探测器，其中，向所述多个分段式阳极以及向所述转向电极外部地施加的电势实质上相同。13.  根据权利要求9至12中的一项所述的辐射探测器，其中，所述空间调制的掺杂形态与所述转向电极(5a)通过电绝缘区域(5b)而被分开。14.  一种方法，包括：提供彼此相对的集电极对(2、3)；将半导体(1)放置在所述集电极对(2、3)之间；将转向电极(5a)定位为毗邻所述集电极对(2、3)中的一个；并且创建空间调制的掺杂形态，所述空间调制的掺杂形态包括在所述半导体(1)之内的多个掺杂原子。15.  根据权利要求14所述的方法，还包括：经由扫描离子束植入所述掺杂原子；或者经由通过预先被附着于所述半导体而使得仅转向电极区被覆盖的掩模的蒸发而植入所述掺杂原子。16.  根据权利要求14至15中的一项所述的方法，还包括经由隔离区域的所述多个掺杂原子，允许降低被施加在所述第二集电极与所述转向电极之间的电压差，所述第二集电极与所述转向电极被放置为毗邻于彼此。

说明书光子计数半导体探测器
技术领域
本申请总体上涉及X射线光子计数探测器。尽管与针对计算机断层摄影(CT)的特殊应用一起描述本申请，但是本申请也涉及可期望对探测到的具有不同能量的光子进行能量解析的其他应用。
背景技术
计算机断层摄影(CT)系统包括辐射源，所述辐射源发射穿过检查区域的多能量电离光子。这样的系统还包括辐射敏感探测器，所述辐射敏感探测器被定位在检查区域的对侧与辐射源相对，所述辐射敏感探测器探测穿过检查区域的光子。探测器产生针对每个探测到的光子的电信号，例如电流或电压。探测器还包括用于基于电信号对探测到的光子进行能量解析的电子器件。
直接转换光子计数探测器包括在两个电极之间的半导体材料的块，高电压被施加到所述半导体材料的块。入射光子创建许多电子/空穴对。电荷在电场中被分离，即，电子朝向(最终分段式)阳极漂移，并且空穴朝向(最终分段式)阴极漂移。例如，探测器能够对X射线光子、伽马射线光子或光学光子敏感。例如，探测器能够包括专门用于X射线光子计数的CdTe或CZT。例如，光子能够通过阴极入射，并且电子能够被分段式(即，像素化的)阳极收集。一般而言，电荷的数量正比于原始光子能量。除纯粹探测吸收的光子之外，可能测量全部收集的电荷，以确定原始光子能量。
在电荷的漂移期间，由于电容性耦合，电流被感应到任意电极中。穿过直接转换器由具有电荷q的电荷载体和轨迹在像素j中生成的电流脉冲Ij(t)解析性地由以下公式计算：其中，表示第j个电极(或像素)在电荷位置处的权重势(也被称为权重场)的梯度，并且表示电荷的速度向量。简单地说，电极感应到的电流越大，对应的电极的权重势梯度越大，并且电荷移动越快。
为了实现快速计数性能，需要生成尽可能短的脉冲。通常，其目标是降低信号生成电极的尺寸，这是因为较小的尺寸能够实现对电极周围的权重势的约束，即，权重势梯度被局部地增强。在实践中，选择矩形或六边形像素阵列，其中，由于已知小像素效应的效应，每个像素生成尖锐脉冲。
因此，就在漂移电荷进入像素电极之前感应到脉冲的主要部分，相比于连续层电极，所述像素电极引起严重的尖锐脉冲。然而，在不接受已知为电荷共享的重大退化效应的情况下，不能够降低像素周期，因为随着像素尺寸减小，电荷云被近邻像素部分收集的可能性增加，因此在像素中的每个中生成计数。在将脉冲用于光子能量测量的情况下，出现仅电荷的部分被每个像素收集，使得丢失原始能量信息。
在转向电极的概念的情况下，进一步使像素尖锐化是可能的。在这一概念中，保持像素间距，但是进一步降低了收集像素电极的尺寸，使得提供甚至更好的约束的权重势。由所谓的转向电极围绕集电极，所述转向电极尽可能好地填充收集像素电极之间的间隙。为了避免电荷由转向电极收集，所述转向电极一般设置在与电荷相同极性的电势上。为了达到适当的势差，在半导体之内的电场被弯曲，使得电荷实质上被引导朝向集电极。能够通过使用不仅一个而是若干交错排列的转向电极改善该概念。
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，一种装置，包括：集电极对，所述集电极对彼此相对；半导体，其被放置在所述集电极对之间；以及，转向电极，其被定位为毗邻所述集电极对中的一个。此外，空间调制的掺杂形态定位在所述转向电极的至少部分之上，并且在所述半导体之内。
在另一方面中，一种辐射探测器，包括：半导体元件，其用于生成空穴和电子；阴极，其被形成在所述半导体元件的第一表面上；以及，多个分段式阳极，其被形成在所述半导体元件的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对。所述辐射探测器还包括：至少一个转向电极，所述至少一个转向电极被定位为毗邻所述多个阳极；以及，多个掺杂原子，其 被创建在所述至少一个转向电极的至少部分之上并且在所述半导体元件之内。在另一方面中，一种方法，包括：提供彼此相对的集电极对；将半导体放置在所述集电极对之间；将转向电极定位为毗邻所述集电极对中的一个；并且在所述转向电极的至少部分之上直接产生隔离区域，使得空间调制的掺杂形态包括多个掺杂原子，所述多个掺杂原子定位在所述隔离区域之上并且在所述半导体之内。
对本领域的普通技术人员而言，在阅读并理解了以下具体实施方式之后，本发明的其他方面将是显而易见的。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，而不应被解释为对本发明的约束。
图1图示了装备有转向电极的半导体探测器的范例。
图2图示了图1的半导体探测器的描绘阴极表面的侧视图的范例。
图3图示了转向电极的范例，所述转向电极通过绝缘层与半导体晶体分开，并且具有之上的空间掺杂区域。
图4图示了转向电极的范例，所述转向电极通过绝缘层与半导体晶体分开，并且具有之上的空间掺杂区域，偏置电压被施加在阴极和阳极之间。
图5图示了用于在光子计数半导体设备中的电荷云引导的流程图。
具体实施方式
在转向电极的本概念中，需要在集电极与转向电极之间施加电压，所述电压引起由转向电极和/或由集电极注入的补偿电流。此外，两个不同电压需要被施加到彼此接近的电极这一事实增加了技术复杂性，例如，在将电极彼此电隔离方面，以及在结合基底上提供相对高的电压(例如，50-200V)方面。
通过使用在探测器晶体之内的空间调制的掺杂形态，避免了向转向电极供应相对高的电压。掺杂实质上被定位在转向电极的表面之上，所述 转向电极被置于与收集阳极相同或相似的电势上。在室温处，掺杂原子取决于其类型释放空穴或者释放电子，使得离子仍然固定在晶体结构之内。如果存在外部电场，则所释放的电子被移除并且被外部电极收集，使得剩下的离子创建背景电荷，所述背景电荷修改电场。选择电离的掺杂原子的位置和类型，使得得到的电场以等同于转向电极被置于相对高的电压上的情况的方式被修改。
转向电极的几何结构被图示在图1和图2中。在图1中，探测器实质上包括半导电材料1的切片。半导体晶体1是高电阻率高阻抗半导体材料板或晶片。优选地，半导体晶体1包括高电阻率CdZnTe板，CdZnTe能够在室温下操作并且能够被制造为探测器。备选地，半导体晶体1可以由CdTe、HgI2、PbI或具有高电阻率并且能够被制造为探测器的其他半导体材料形成。当然，本领域的技术人员将认识到，实际上在本发明中可以使用任何半导体材料。
在当前情况下，选择具有在“顶部”表面(光子通过其入射)上的阴极2的几何结构作为范例。对侧表面被通过约束的权重势4表征的收集阳极像素3进行分段，所述收集阳极像素通常由至少一个转向电极5a围绕。如在图2中指示的，收集阳极像素3通常是圆形，与具有转向电极5a(示出在图3和图4中)的区5相比其通常具有小的区。
使用各种技术，转向电极5a可以被形成在半导体晶体1上或中。优选地，电极是通常用于CdZnTe探测器制造中被电化学地沉积在半导体晶体1的表面上的金膜。备选地，其他导电材料(包括铂、铑以及其他金属)能够被电化学地沉积在晶体表面上，以形成电极。本领域的技术人员将认识到，其他导体可以用于电极。作为对电化学沉积的备选，电极材料可以经由蒸发、溅射或表面合金化被沉积在晶体上。电极也可以通过其他技术形成，诸如导电材料的离子束沉积和化学气相沉积。电极可以被形成在各种构造中，包括台面、沟槽以及埋入构造。
在普通转向电极探测器中，相较于通常是接地7的阳极像素3，转向电极5a被设置为负电势。如在图4中示出的，在这一构造中，电场线6被弯曲，使得其实质上结束在阳极3上。换言之，电子(几乎循着电场线的路径)被带负电荷的转向电极5a排斥，并且被带更多正电荷的阳极像素3 (相对于阴极2和转向电极5a)吸引。
因此，由在转向电极5a之上的区域5d中的负电荷替换在转向电极5a上的负电荷，同时转向电极5a能够被设置为与阳极像素3的电势十分相似的几乎中性的电势。如图3所示，这能够通过将掺杂原子引入在转向电极之上而实现。本领域的技术人员能够设想若干技术，例如，在仅转向电极区被掺杂材料覆盖的条件下，通过将掺杂物材料蒸发到掩膜上，以及持续地加热半导体，以允许掺杂材料的局部深入扩散。另一种方法是借助于扫描离子束植入掺杂物。第三种方法是适当掺杂的半导体材料通过附着于原始晶体而使得仅转向电极区被覆盖的掩膜的蒸发。
在本公开内容的示范性实施例中，使用p型掺杂。换言之，使用受主原子，其均能够分别释放空穴，并且成为固定在晶体矩阵之内的带负电荷的离子。
参考图3和图4，假设建立了掺杂形态，则一旦偏置电压被施加在阴极2和阳极像素3之间，就出现自组织电离过程(假设转向电极5被设置在与阳极像素3相同的电势上)。只要电场存在于掺杂的区域的特定部分之内，自由空穴就被电场从所述区域移除，使得剩下带负电荷的离子的区域(被称为在半导体之内的耗尽的过程)。只要离子的背景电荷不足以大到生成补偿原始场的极化场，则耗尽“生长”到掺杂的区域中。
本公开内容的示范性实施例可以是在两种静态情况之间有区别的。在第一种情况下，掺杂的区域是部分带负电荷5c的，使得得到的极化场在掺杂的区域之内的部分5d中补偿了外部施加的电场，使得这些区域没有电场(即，未耗尽的)。在这一情况下，电场线并不横切该区域5d，而是在周围被弯曲。在适当掺杂浓度的情况下，能够生成与由通常带电荷的转向电极5a创建的电场相似的电场，即，场线被弯曲，使得所述场线实质上结束在阳极3上。这一情况能够被认为是甚至在放射条件下的静态平衡，这是因为从块晶体接近的电子被引导在区域5d的周围，同时所述电子不被在耗尽区域中的带负电荷的离子捕获。另一方面，在阳极附近由辐射感应的空穴的浓度能够被认为是可忽略的，此外能够假设存在由电极注入的仅可忽略的数量的空穴。
在第二种情况下，掺杂的区域被充分耗尽。在这一情况下，通过定 义，电场线能够横切区域5c，使得一些场线可以结束在转向电极上。为了避免电子被转向电极收集，负电压被施加于转向电极，如同在没有掺杂的区域5c的“经典”方法中的情况。然而，由于掺杂的区域辅助于使场线弯曲，在转向电极5a与阳极3之间的较低电势差异已经足以使全部场线弯曲到阳极3。
最后应当注意，即使转向电极设置在地电势上，带电荷的区域5c在所述转向电极5a上电容性地感应出正电荷。所述情况能够被经典静电学认为是可与由平行极板电容器创建的场相比的偶极子。“在外部，”电容器的电场被引导与外部施加的场相对。另一方面，而“在内部，”电容器的电场被引导，以使得在耗尽区域5c和电极5a之间的区域中，场被加强。因此建议在转向电极5a之上放置绝缘(隔离)层5b，以避免将空穴注入到晶体块中。当然，绝缘层5b是任选的。否则，注入的空穴能够由电离的掺杂原子捕获，使其成为电中性。这能够潜在地导致与时间相关的极化效应，这对于系统的稳定性是不利的。
参考图5，提出了用于在光子计数半导体设备中的电荷云引导的流程图500。在步骤510中，提供了彼此相对的集电极对。在步骤520中，半导体被放置在集电极对之间。在步骤530中，转向电极被定位为毗邻集电极对中的一个。在步骤540中，创建空间调制的掺杂形态，所述空间调制的掺杂形态包括在半导体之内的多个掺杂原子。然后，过程结束以完成第一循环。
应意识到上述实施例可以单独或组合使用。
应用包括行李检查、非破坏性测试、医学数字透视、乳腺摄影、X射线以及其他工业和医学应用。应用还包括被设计为高计数率的所有种类的光子计数探测器(针对在光学与伽玛射线(从大约1eV直到若干MeV)之间的范围中的能量)，即，用在以下中的探测器：医学成像应用，例如，光谱X射线或光谱CT；工业成像应用，例如用于质量保证的应用；国土安全，例如，用于行李扫描；或天文学；以及，用于科学目的的其他探测器。
本发明的原理也可应用于其他类型的探测器，诸如，液体电离探测器和气体电离探测器。上述类型的半导体辐射探测器仅是被称为电离探测器的辐射探测器的类别中的一个成员。在这样的探测器中，辐射在适当的辐射交互材 料中被吸收，以产生由电极收集的移动电荷，从而产生电输出信号。除半导体材料外，辐射交互材料可以是固体绝缘子(能够被认为是具有非常宽的能带隙的半导体)、液体或气体。应当注意，在这样的液体和气体电离探测器中，掺杂物原子应当优选地被固定以创建电场。
液体和气体电离探测器(也被称为电离规)已经商品化多年并且广泛用于核技术。这样的探测器实质上包括封闭的液体或气体物质以及两个电极，阴极和阳极。在气体中吸收的伽马射线或X射线产生电子以及正离子，当施加偏置电压时，所述电子以及正离子分别扫向阴极和阳极。因此，尽管在原理上类似于半导体辐射探测器，但是中心差异是正电荷由正离子承载而不是空穴承载。
可以经由一个或多个处理器实施本文描述的方法，所述一个或多个处理器执行一个或多个计算机可读指令，所述一个或多个计算机可读指令被编码或实现在诸如物理存储器的计算机可读存储介质上，所述一个或多个计算机可读指令使所述一个或多个处理器执行各种动作和/或其他功能。一个或多个处理器还能够执行由诸如信号或载波的暂态介质承载的指令。
尽管已经分别公开并示出了若干部件，以便容易理解本发明，但是应意识到，由于能够对电气/电子部件进行集成，因此两个或多个部件也能够组合为包括这些两个或更多部件的功能/特征的一个部件。
互不相同的从属权利要求中记载了特定措施这一仅有事实并不指示不能有利地组合这些措施。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解以上具体实施方式的情况下对于其他人可能想到修改或替代变型。本文意图将本发明解释为包括所有这种修改和替代变型，只要它们落入所附权利要求及其等价方案的范围之内。