说明书采用(BI) CMOS工艺的雪崩光电二极管的实现
技术领域
本发明涉及医学成像技术。它发现了对在医学成像系统和/或其他应用中使用的光电二极管（例如雪崩光电二极管）的特殊应用。
背景技术
在正电子发射断层成像（PET）中，两个同时产生的511 keV伽马光子借助于闪烁晶体被探测。闪烁晶体探测伽马光子并把它们的部分能量转换为具有在电磁波频谱蓝色部分的能量的光量子。这些光量子随后由一个或多个光电探测器被探测到，光电探测器一般为光电倍增器。被探测到的光子的数目指示出伽马的实际能量，该实际能量由于病人身体的散布而可能在511 keV以下。伽马撞击的时间通过光电探测器信号的上升沿定义。一般地，对于符合逻辑（coincidence logic），纳秒范围内的时间分辨率足够用来探测同时发生的撞击，即发生在约5-8ns宽的时间窗口中的撞击。然而，比一纳秒低得多的更高的时间分辨率将使得能够沿着由两次伽马撞击所确定的响应线而定位特定衰减。这个额外的信息可以用来显著地提高已获得的图像的信噪比。
传统地，光电倍增器能够提供足以实现飞行时间（time-of-flight）PET（TOF-PET）的时间分辨率。光电倍增器作为真空器件有几个缺点：它们体积大，需要高电压，并且在强磁场中工作效果不好。在用于PET的和/或其它诊断扫描仪的探测器中光电二极管相对光电倍增器来说有显著的优点；然而，光电二极管的缺点是它们的响应在其整个面内既不是线性的又不是均匀的。近来，已经出现的新一类的光电探测器（硅光电倍增器）可作为传统光电探测器可行的替代。硅光电倍增器的特性类似于它们的真空相似物（counterpart）；然而，它们没有上面提到的缺点。另外，读出电子系统可以沿着传感器集成。假定进行批量生产，标准的CMOS或BiCMOS硅光电倍增器有潜力导致产生更便宜的光电探测器，通过集成数字读出电子系统并显著地减小在二极管节点上的寄生现象可使其具有相同或更好的性能。然而，在标准的CMOS或BiCMOS工艺中，为了制作更理想的光电二极管，该工艺的适应的自由量是有限的。例如，避免类似离散二极管的pn结边缘击穿效应就不是简单的事情。
硅光电倍增器的基本构件块是以盖革（Geiger）模式驱动的雪崩光电二极管（APD）。在该工作模式中，APD在击穿电压之上被偏置若干伏特。在此模式下驱动，二极管结对于单个光子敏感。由于结内载流子的雪崩倍增，由被吸收的光量子在结中产生的电子-空穴对将会导致二极管的电流急剧增大。该电流主动地或被动地受到抑制，以允许二极管恢复并为探测另一光子做好准备。假定有好的基底材料特性和现代的处理技术，APD可以在这个不稳定区域中保持相当长的时间（达到几个毫秒），直到或者热生载流子或者隧道载流子促使其击穿并开始暗计数。因此，二极管结的击穿行为是至关重要的。击穿由结内载流子的雪崩倍增决定，而雪崩倍增取决于（半）局部电场强度。
由于pn结的曲度（curvature）较高，电场在二极管的边缘处呈现最大值，这导致在二极管周边处的提前击穿。图7示出了典型的现有技术APD的这种弯曲的pn结。为了使APD在大的区域上敏感，所述器件应该以这样的方式构建：使得耗尽层在该区域上也同样敏感。为了这个目的，必须避免边缘效应。许多技术已被提了出来，用来降低二极管周边的场强，这导致二极管的敏感区域的大量减小。图8示出了经常用来避免边缘击穿的技术，在该技术中，添加了额外的（在这种情况下为p型）扩散，这使击穿电压在边缘处更高。图9示出了另一项用于避免边缘击穿的技术，在该技术中，在敏感区域下面包含二级注入（secondary implantation）以局部地增加击穿区域中的场强。在该结构的边缘处所得到的掺杂梯度提高了击穿电压并且降低了边缘击穿的可能性。
这些和其它的技术通常以减小二极管的敏感区域为代价来抑制边缘击穿。此外，尽管在标准CMOS或BiCMOS工艺中所有要求的处理步骤通常都是可提供的，但是它们用以形成所要求的保护环结构的应用常常受到设计规则的妨碍，许多这样的二极管设计不得不使用技巧以便用给定的未更改的CMOS或BiCMOS工艺来实现保护环。
发明内容
本申请提供了一种新的改进的光电二极管以及制造该光电二极管的方法，其克服了上面提及到的问题和其他问题。
根据一个方面，示出了一种辐射探测器。该辐射探测器包括形成在基底上的半导体层。该半导体层包括邻近基底布置的n掺杂区和邻近n掺杂区布置的p掺杂区。沟槽形成在半导体层内并在p掺杂区周围，该沟槽填充有减小在pn结的边缘处pn结曲度的材料，这减少了在边缘处的击穿。闪烁体（30）被布置在p掺杂区（18）之上并与其光学耦合。辐射探测器进一步包括至少一个与n掺杂区电接触的传导电极。
一个优点是光子探测在其整个工作面上具有更一致的响应。
另一个优点在于增加了光电探测器的探测效率。
另一个优点在于减小了光电探测器或光电探测器阵列的封装尺寸。
本领域普通技术人员一旦阅读并理解了下面的详细描述，将能领会到本发明更进一步的优点。
附图说明
本发明可以采用各种部件和部件的安排以及各种步骤和步骤的安排。附图仅仅是为了说明优选实施例，并不能被认为为限制本发明。
图1示出了示例性的医学成像系统。
图2示出了光电二极管的侧视图，该光电二极管采用浅沟槽隔离技术制作，以减少传统光电二极管呈现的pn结边缘击穿。
图3示出了图2中示出的光电二极管的俯视图。
图4示出了图2中示出的多个光电二极管的布置的俯视图，这些光电二极管以阵列或矩阵结构的形式安置在公共的基底之上。
图5示出了图4示出的光电二极管的布置的侧视图，其上还安置有闪烁体或闪烁晶体。
图6示出了图2的光电二极管的制作方法。
图7示出了示例性的现有技术雪崩光电二极管的弯曲的pn结。
图8示出了通过添加额外的扩散材料来提高在pn结边缘处的击穿电压所使用的技术。
图9示出了通过靠近敏感区域的二级离子注入来增加击穿区域中的场强所使用的技术。
具体实施方式
参考图2和3，它们示出了被制作用来抑制、减小、消除等等与以传统盖革或其它模式驱动的传统光电二极管（例如雪崩光电二极管（APD））相关联的提前边缘击穿的光电二极管10。图2描绘了光电二极管10的侧视图，图3描绘了光电二极管10的俯视图。
光电二极管10包括半导体层12（例如硅（Si），锗（Ge），砷化镓（GaAs）等），其形成（例如，通过光刻术（photolithography），石版印刷术（lithography）等）在基底14（例如，硅，玻璃，蓝宝石等晶片（wafer））上。半导体层12包括邻近p型（p+掺杂）区18布置的n型（n-掺杂）阱16，p型区18和n型阱16之间形成了pn结。这样的区域通过已知的诸如离子注入（其中离子被注入，由此改变半导体层12的物理特性）、扩散、和/或类似的技术形成。
沟槽20形成在半导体层12之内并围绕着p型区18和部分n型区16。各种技术（比如蚀刻）被用来在半导体层12中形成沟槽20。在一个例子中，使用浅沟槽隔离（STI）技术或类似的技术在半导体层12中形成沟槽20。沟槽20被形成（例如，成型）以便大大减小pn结边缘处的曲度（例如图7-9中示出的光电二极管中图示的曲度），这减少了通过结边缘终端的扩散边缘处的击穿。就是说，形成的沟槽20具有基本垂直的侧壁，使得p区18陡峭地而不是弯曲地结束，以便减轻pn结处的击穿。
任选地，对沟槽20进行氧化，然后通过沉积或其它工艺使用诸如电介质和/或金属的材料22对其进行填充（例如，以减小由相邻的光电二极管等产生的光的串扰或交叉污染）。在使用离子注入来产生n型和p型区16、18的实例中，一般在离子注入过程之前形成和填充沟槽20。pn结处的弥散场(fringing field )和由沟槽20内的氧化物进行的吸收减少了光电二极管10边缘处的电场。由于这些边缘处的弥散场，沟槽20还加宽了边缘处的耗尽层。这个加宽作用可以消除或纠正发生在诸如硼等之类的p-型掺杂物被轻微吸出、n-型掺杂物被轻微堆积的沟槽边缘处的处理效应(processing effect)。
可以通过关于沟槽20的处理对标准CMOS或BiCMOS处理流程做一些小修改来加强对耗尽层的加宽。例如，耗尽层的加宽可以通过使用具有相对高的介电常数的电介质材料22来进行加强和变得更强健。合适的电介质22的实例包括但不限于氮化物（例如，其介电常数约为7-8）、未掺杂的硅（例如，其介电常数约为12）、Al2O3（例如，其介电常数约为8）、Ta2O5（例如，其介电常数约为22）、和/或HfO2（例如，其介电常数约为25）。沟槽20可附加地或可选择地填充有传导材料，该传导材料可以阻止由相邻雪崩光电二极管发射的光，并且，通过适当的偏置便于避免沟槽边缘处的提前击穿。
光电二极管10也包括至少一个传导电极（或n+触点）24和任选的抑制电阻（quenching resister）26（在p+触点），抑制电阻26限制流过光电二极管10的电流量，例如，以便或者主动地或者被动地抑制电流以允许二极管10恢复并准备对另一个光子的探测。抑制电阻26可以通过沉积、表面贴装（surface mount）、焊接等技术安装到光电二极管上。在下面详细讨论的某些例子中，至少一个电极24也被用来作为相邻光电二极管的电极，所述相邻的光电二极管例如在光电二极管阵列或矩阵之内和/或具有多个这样的阵列或矩阵的板之内的相邻光电二极管。
光电二极管10及其变型可以以任何使用深或浅沟槽隔离技术的未经修改的现代CMOS或BiCMOS工艺进行制作。得到的光电二极管10在阳极和阴极之间提供了极好的电绝缘，而只要求最小的敏感区域被牺牲，并且减小了相邻光电二极管单元之间的光学串扰。另外，得到的光电二极管10在尺寸上可以被减小，这使得封装尺寸更加紧密并且被减小。在此实例中，半导体层12被描述为矩形体；然而，也可想到诸如圆形、椭圆形、六边形、三角形、不规则等之类的其他形状。光电二极管10可以在诸如医学成像系统、使用光子纠缠（photon entanglement）的安全通信、高能物理和天文学、雷达等之类的应用中使用。在医学成像应用中，光电二极管10可以用来以盖革或其他模式以高的时间分辨率来探测（例如在低光子通量的）光。这样的应用包括飞行时间法正电子发射断层成像（TOF-PET）、单光子发射计算机断层成像（SPECT）、光学乳房X线照相术、光谱CT和时间分辨的光谱技术。
图4示出了光电二极管装置28的俯视图，其中，M×N的光电二极管10，即101,1, …, 10I,1, …, 10M,1; 101,2, …, 10I,2, …, 10M,2; …; 101,N-1, …, 10I,N-1, …, 10M,N-1; 101,N, …, 10I,N,…, 10M,N，被安装到基底上（不可见），这里M和N是大于等于1的整数。如上所述，每个光电二极管10都包括形成在n-阱16（不可见）和p+区18（即，181,1, …, 18I,1, …, 18M,1; 181,2, …, 18I,2, …, 18M,2; …; 181,N-1, …, 18I,N-1, …, 18M,N-1; 181,N, …, 18I,N, …, 18M,N）之间的结合处的pn结。另外，每个光电二极管包括适当成型的沟槽20，沟槽20由材料22填充，并包围着每个p+区18和p+触点24。STI和/或其它的技术被用来形成每个沟槽20。在该例中，电极24由光电二极管装置28中的M×N个光电二极管10的每一个所共享。然而，在其他例子中，在二极管装置28内可以形成不止一个电极24，其中，一个或多个电极24被单个或多个光电二极管10所使用，或者其中每个光电二极管10与其自身的电极24相关联。
在光电二极管装置28中的每个光电二极管10可以关于其长度、宽度和/或深度进行不同的封装。以非限制性实例的方式，在一个例子中每个光电二极管10大约为30或50平方微米或在约30到50平方微米的范围内。假如每个光电二极管10大约为50平方微米，那么在1×1毫米的基底上可以形成大约400或20×20个光电二极管10。在一个例子中，N掺杂区的深度大约为300-400纳米，p掺杂区的深度大约为100纳米。另外，光电二极管10的形状可以是矩形，如本文所图示说明的，或者是正方形、圆形、椭圆形等等。
图5示出了光电二极管装置28的侧视图，其中，闪烁体30横跨光电二极管10的至少一行（例如，10M,1,10M,2,…, 10M,N-1, 10M,N）而安装（例如层叠），并任选地覆盖1×1毫米阵列来限定一个探测器元件。闪烁体30包括一种材料（例如，晶体），该材料吸收高能（离子化）电磁的或带电粒子辐射并且作为响应发射出（fluoresce）特定波长的光子，释放先前吸收的能量。合适的闪烁体的实例包括但不限于用于核医学放射性同位素成像的伽马相机中的铊掺杂碘化钠晶体，用于探测正电子发射断层摄影机中正电子湮灭时发射的背对背伽马射线的锗酸铋（BGO）符合探测器，一些发光二极管（LED）中的芯片上涂敷的铈掺杂钇铝石榴石（Ce:YAG），以及LSO、YSO、LYSO、GSO、LGSO等等。每个闪烁体任选地被反射层所覆盖，以便在晶体中保持高光子并阻止相邻晶体间的串扰。可见光子（light photon）随后被光电二极管10探测，其中，每个光电二极管10探测单个光子。当具有足够的光子能量的光撞击光电二极管10时，光子被吸收，导致电子和/或电子空穴的生成。如果吸收发生在结的耗尽区，那么将这些载流子从结扫出，产生与被探测到的光子的能量成比例的电信号（例如，光电流）。对于雪崩光电二极管来说，每个载流子可以通过雪崩击穿而得到倍增，导致光电二极管中的内部增益，该增益增加了设备的有效响应度。
图6示出了用于制作光电二极管10的方法。在这个实例中，形成了单个光电二极管10；然而，可以意识到这些步骤可以用来并行地或串行地形成多个光电二极管10，以便建立图4和5中示出的光电二极管装置28，光电二极管装置28包括上述的光电二极管阵列或矩阵。另外，可以意识到得到的光电二极管10可以用在多种应用中，比如医学成像应用，其中闪烁体30层叠到光电二极管10上，并且在医学成像扫描器（例如SPECT、PET、CT等等）中使用多个探测器板（例如，多个印刷电路板，每个包括多个光电二极管装置28），以探测从受检体内发射的或穿过受检体传输的光。
在附图标记32处，获取（例如，购买、制作等）基底14。基底14是由硅和/或诸如玻璃、蓝宝石等之类的其它半导体材料制作的半导体晶片。在34处，在基底14之上形成半导体层12。各种已知的工艺技术可以用来在基底14之上形成半导体层12，所述工艺技术包括沉积技术，比如物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、电化学沉积（ECD）、分子束外延技术（MBE）、原子层沉积（ALD）等等。在36处，使用去除工艺来形成沟槽20。这样的工艺包括深或浅沟槽隔离（STI）技术、蚀刻（例如，湿、干、等离子体等）、化学机械平面化（CMP）等。形成具有基本垂直的侧壁的沟槽20，以防止pn结弯曲并在pn结处突然终止p层。在38处，任选地，沟槽20被氧化。在40处，用诸如电介质（例如，低k绝缘材料）和/或金属之类的材料填充沟槽20。在42处，半导体层12的特性被更改。例如，使用诸如扩散或离子注入之类的技术掺杂半导体层12以产生p掺杂区域和n掺杂区域。紧跟掺杂工艺之后的是炉内退火、快速热退火（RTA）、或激活注入的掺杂物的其他工艺。任选地，在单独的处理步骤中，闪烁体30被安装在光电二极管10之上。在另一个实施例中，掺杂步骤42在沟槽成型（trenching）步骤36之前进行。
参考图1，图示了使用多个探测器46来探测光子的医学成像系统44，每个探测器包括光电二极管装置28/闪烁体30组件。如所描绘的，每个探测器包括一个闪烁体30，由填充有材料22的沟槽20分开的n-阱16和阵列p+区18，以及相关联的一个或多个由相邻光电二极管10所共用的电极24。在该非限制性实例中，医学成像系统44是飞行时间正电子发射断层成像（TOF-PET）。然而，可以明白的是，在这里诸如传统的PET、单光子发射计算机断层成像（SPECT）、光学乳房X线照相术、光谱CT等之类的其他医学成像系统也是可以想到的。
成像系统44包括多个辐射探测器46的环（例如，数百个、数千个等），其设置在成像区域48的周围，以探测从成像区域48内发射出的辐射事件（例如，伽马射线）。每个辐射探测器46包括多个与一个或多个闪烁体30毗邻的并配置成阵列或矩阵的光电二极管10。如所描述的，多个辐射探测器46可以设置成沿着轴向方向的多个探测器的环（例如，两个、十个、一百个等）。成像系统44进一步包括支持机构50，其用来将患者或成像受检体定位在成像区域48中。在一些例子中，支持机构50在轴向方向上是可线性移动的，通常横穿辐射探测器46。
作为用所述系统44进行成像的准备，给待扫描的受检体使用适当的放射性药物，并把该受检体定位在成像区域48内。所述放射性药物经历放射衰变，其导致正电子的发射。每个正电子和附近的一个或多个电子相互作用而湮灭，这产生了两个方向相反的（180度）的伽马射线，每个伽马射线都具有约511 keV的能量。这两个方向相反的伽马射线可以在基本相同的时间（即当正电子与探测器等距离地产生时）撞击相对的探测器。由于行进距离的不同，同时发生的事件之间存在微小的时间偏移量。
当受到例如因正电子湮灭而产生的伽马射线之类的辐射事件撞击时，每个闪烁晶体30产生光的闪烁。由每个晶体产生的光被一个或多个光学耦合到晶体上的光电探测器10所接收，每个光电探测器10把光转换成代表性的电信号。每个探测器也可以和本地的和/或远程的处理电路（未显示）相关联，所述处理电路提供信号放大、滤波、调节（conditioning）等。从伽马光子到可见光子的转换和光（光子）到电信号的转换以及任何其他的处理都可以在每个最后产生的信号中引入不同的时间延迟。
电信号被传递给转换器52，转换器52将所述信号数字化并对它们加上时间戳。对探测器54识别大体同时的或同时发生的属于对应的电子-正电子湮灭事件的伽马射线探测对。该处理过程可以包括，例如加能量窗（energy windowing）（例如，抛弃配置为约511 keV的选定能量窗外部的辐射探测事件）和符合探测电路（例如，抛弃相互之间在时间上被分离得大于选定时间窗的辐射探测事件对）。
一旦识别出事件对，响应线（LOR）处理器56便处理每对事件的空间信息，以便识别出连接两个伽马射线探测的空间LOR。因为由正电子-电子湮灭事件发射的两个伽马射线具有相反的空间方向，所以已知电子-正电子湮灭事件已经在LOR上某处发生。在 TOF-PET中，辐射探测器46和转换器52的加时间戳具有足够高的时间分辨率，以便探测两个基本同时的伽马射线探测之间的飞行时间（TOF）差。TOF处理器58分析符合对（coincidence pair）的每个事件的时间之间的时间差，以便沿着LOR定位正电子-电子湮灭事件。
大量的正电子-电子湮灭事件的累积的结果包括一组柱状投影图。该柱状投影图被传递给重建引擎60，其使用诸如滤波反投影法、带修正的迭代反投影法等合适的重建算法对柱状投影图进行重建，以生成一幅或更多的图像。原始数据和/或重建的图像被存储在存储器62内，并将之显示、打印、存档、拍片、处理、传输到另一设备、在监视器64上显示等。放射科医师或其他合适的临床医生可以使用这些原始数据和/或重建的图像去控制TOF-PET系统44，对受检体进行诊断等。
本发明参考优选实施例进行了描述。当其他人阅读过并理解了先前的详细描述之后，可以想到做更改或变动。本发明旨在构建为包括所有的落在所附权利要求或其等价物的范围内的这样的修改和变动。