CN108291975A - 像素体积约束的方法 - Google Patents

Abstract

一种能量分辨辐射探测器的晶体中的像素体积约束方法，所述能量分辨辐射探测器优选地是X射线探测器，更优选地是计算机断层摄影探测器，所述晶体具有阴极侧和阳极侧，所述方法包括：a.沿像素虚拟界限在晶体中引起断裂线(501)，b.钝化所述断裂线。

Description

像素体积约束的方法

技术领域

本发明涉及能量分辨探测器的晶体中的像素体积约束的方法。虽然本发明应该主要应用于计算机断层摄影和谱计算机断层摄影，但它实际上可以应用于任何基于直接转换的能量分辨光子计数探测器。

背景技术

计算机断层摄影的能量分辨探测器依赖于直接转换材料。这样的探测器的像素大小取决于以每平方毫米Mcps(百万计数/秒)计量的每单位面积的计数率能力与可分辨的光谱信息之间的折衷。也就是说，较小的像素会以降低的能量分辨率为代价而得到更高的可实现的计数率密度。能量分辨率下降很大程度上是由像素间的电荷共享引起的：与给定像素体积中的相互作用相对应的部分电荷漂移到相邻像素，这导致对初级光子的能量估计中的误差以及关于相互作用的位置的不确定性。

当电荷涉及对应于相邻像素的电场线中的像素漂移时发生电荷共享。由于电荷云具有有限的非零体积，由于例如扩散，其在向阳极漂移时扩展。由于像素之间没有物理边界，除非存在某种像素限制机制，否则无法避免这种影响。

在负责采集作为对碰撞的X射线光子的响应而生成的电荷的电子器件中确实存在电荷共享校正方法，例如R.Ballabriga等人的“The Medipix3 Prototype，Pixel ReadoutChip Working with Single Photon Counting Mode With Improved SpectrometryPerformancee”Nuclear Science,IEEE Transactions，第54卷，第5期。然而，这种方法在计数率能力方面造成显著损失，因为对于每个碰撞光子而言，需要评估和决定任何邻居事件以便定位原始像素中的全部电荷。

过去已经提出了直接转换器的加工。然而这需要非常脆的晶体(例如CdTe，CdZnTe)中进行非常侵入性的方法，例如锯切，研磨和/或蚀刻，具有关于形成大的缺陷或甚至完全破裂的严重后果。根据MoberlyChan等人的(MRS BULLETIN·第32卷·2007年5月)已知通过利用FIB研磨/蚀刻在基板上形成波导结构。

已经开发了替代技术来尝试解决这个问题。例如，US20110211668教导通过操纵晶体生长来限制像素。根据US20140048714也已知通过感生电场来限制像素之间的电荷共享，而不是在晶体上断裂、蚀刻或研磨精细凹陷。

本发明的目的是提供一种物理地限制现有晶体的像素以避免电荷共享问题的方式。

发明内容

为了解决上述问题，本发明寻求通过创建像素边界来最小化跨越像素的电荷共享。更确切地说，本发明涉及能量分辨辐射探测器的晶体中的像素体积约束方法，所述能量分辨辐射探测器优选地是X射线探测器，更优选地是计算机断层摄影探测器，所述晶体具有阴极侧和阳极侧，所述方法包括：

沿像素虚拟界限在晶体中引起断裂线，

钝化所述断裂线，

其中，所述断裂线由聚焦离子束和离子注入中的至少一种引起。

像素虚拟界限对应于晶体的一区域，所述区域在阴极上的正交投影与实际像素限制相匹配。“沿着”像素虚拟界限应被理解为在与像素虚拟界限“相同的方向上”，也就是说，虚线应该近似地以像素的虚拟界限为中心。特别是，该措辞没有假设断裂线的厚度。

由于晶体结构的中断，由像素内的相互作用引起的电子不能跨晶体断裂线漂移到相邻的像素。但是，晶体缺陷通常会引起电荷捕获的位置。如果不进行处理，引起断裂线也会成为电荷捕获位置，对电场和电荷收集效率产生负面影响。

这就是为什么本发明的晶体断裂线要被钝化以防止其构成电荷捕获位置的原因。

断裂线可以由聚焦离子束(FIB)引起。

使用FIB可实现亚微米间隙，从而实现非常精细的分辨率，并使像素体积的损失可忽略不计。

替代地，可以通过将氧化物引入晶体中来诱发断裂线。替代像FIB那样物理地移除材料，由此执行了氧化物的离子实现方式，导致形成氧化区域，防止电荷云被相邻的像素收集。

断裂线可以通过对晶体进行氧化而被钝化，晶体的被氧化部分优选地具有小于10nm的厚度。

对所述晶体的所述氧化可以通过湿法化学或氧化物等离子体进行。在所述晶体的所述氧化之前，所述钝化可以还包括刻蚀所述断裂线的表面，其可以允许从所述断裂线的表面去除缺陷。之后可以用绝缘材料填充间隙。

为了不过多地减小像素尺寸，断裂线不应太宽。优选地，断裂线的宽度小于1μm。

断裂线通常在晶体的阳极侧结束，在所述阳极侧，电荷云趋向于最宽，并且对扩散的限制可能具有最大的贡献。

然而，由于断裂诱导方法的深度可以限制在几十微米，可能高达100微米深，所以根据本发明可能感兴趣的是也在阴极侧引起电荷限制结构，从而进一步有助于限制像素内的电场线。这样，断裂线可以在晶体的阴极侧具有端部。

为了进一步加强阳极结构附近的电场线，根据本发明的方法可以还包括利用掺杂材料来局部掺杂晶体的阳极侧。

掺杂通常可以通过以下方式进行：

将掺杂材料沉积在晶体的阳极侧的接收区域上，

加热接收区域，优选通过至少一个激光束，从而便于掺杂材料扩散通过晶体，并且

去除未扩散的掺杂材料，优选地通过蚀刻。

掺杂材料可以有利地为铟。事实上，已知铟易于扩散到CZT中，所述CZT是晶体的典型材料。

接收区域可以覆盖晶体的整个阳极侧或仅覆盖其一部分。接收区域可以位于像素之间或像素区域中。定位像素之间的接收区域可以防止在免除电场线的像素之间的区域中形成空间电荷区域。这样的空间电荷区域可以影响加权电位并因此影响阳极的电荷收集特性。在像素之间引入掺杂区域可以有助于去除该区域中的任何捕获电荷。然而，这可能具有由于低电阻路径而导致像素间串扰路径增加的缺点，但是断线的存在确实防止了这种缺点。

本发明还涉及一种辐射探测器，优选为X射线探测器，更优选地为计算机断层摄影探测器，其包括具有沿像素虚拟界限的钝化的断裂线的晶体。本发明还涉及能够实现根据本发明的方法的设备。具体而言，本发明还涉及一种X射线扫描器，优选为计算机断层摄影扫描器，其包括能量分辨探测器的晶体，所述晶体具有沿像素的虚拟界限的钝化的断裂线。

附图说明

通过阅读以下对本发明的实施例的详细描述并通过检查附图可以更好地理解本发明，在附图中：

图1表示计算机断层摄影设备，

图2表示尚未实施本发明的晶体上的电荷共享问题，

图3示意性地表示本发明如何允许解决图2中表示的电荷共享问题，

图4是根据本发明的包括钝化断裂线的探测器的示意性横截面图，

图5是示意性说明根据本发明的方法的简化处理流程，并且

图6是根据本发明的方法产生的探测器的示意性横截面图。

具体实施方式

图1示意性地示出了诸如计算断层摄影(CT)扫描机的范例成像系统100。成像系统100包括旋转机架102和固定机架104。旋转机架102由固定机架104可旋转地支撑。旋转机架102被配置为关于纵轴或z轴绕检查区域106旋转。成像系统100还包括在扫描之前、期间和/或之后支撑检查区域106中的对象或对象的对象支撑件107。对象支撑件107还可以用于将对象或目标加载到检查区域106或从检查区域106卸载对象或目标。成像系统100还包括由旋转机架102可旋转地支撑的辐射源112，例如X射线管。辐射源112与旋转机架102一起绕检查区域106旋转并且被配置为生成和发出穿过检查区域106的辐射。成像系统100还包括辐射源控制器114。辐射源控制器114被配置为调制所生成的辐射的通量。例如，辐射控制器114可以选择性地改变辐射源112的阴极加热电流，施加电荷以抑制辐射源112的电子流动，过滤发射的辐射等以调制通量。

成像系统100还包括辐射敏感探测器像素116的一维或二维阵列115。阵列115被定位为与辐射源112相对，在检查区域106的对面，探测穿过检查区域106的辐射，并且生成指示其的电信号(投影数据)。

该阵列典型地包括通常1至3mm厚的直接转换晶体的布置，该直接转换晶体具有：要被X射线光子冲击的阴极侧250；以及阳极阵列260，其被容纳在构成实际像素116的阳极阵列中，信号在所述实际像素116上生成。在其中未实施本发明的典型阵列中，阳极在晶体的阳极侧260中包含额外的金属板。板不直接接触在一起，并且每个板响应于X射线光子相互作用而生成它自己的信号。该信号典型地以电流瞬态响应的形式随后连接到未在图中示出的读出电子电路或专用集成电路(ASIC)。信号由读出电路处理以提供具有指示检测到的光子的能量的峰值幅度或峰值高度的电流或电压。因此，处理的信号的高度可以与预定义的能量阈值进行比较，并且每当光子被处理时导致对应的计数器增加，导致峰值高度高于一个或多个预定义的阈值。该晶体可以是任何合适的直接转换材料，例如CdTe，CdZnTe，Si，Ge，GaAs，PbO或其他直接转换材料。在下面进一步开发的实施例的情况下，假设晶体包括CdZnTe(CZT)。

如图2所示，当X射线光子201撞击直接转换晶体的阴极侧250时，在晶体中产生电子空穴云。100keV的能量对应于约22,000个电子。空穴对信号的贡献通常可以忽略不计，因为它们在像CZT这样的材料中速度太慢，因此在图中没有表示空穴。电子203沿着电场线202朝向阳极侧260漂移，为了清楚起见，在整个晶体中已经表现出直线并且平行，但是它们可能具有不同的形式，特别是在阳极侧260上。相对于阳极侧260，阴极侧250通常被偏压至约-300V/mm或更多。如图2B所示，随着云203漂移，它也由于扩散和其他机制(例如库仑排斥)而膨胀。

如上所述，在没有实施本发明的晶体中，像素116由构成阳极的金属板限定在晶体的外部。在图2上已经表示了两个阳极261和262以及它们相应的像素1161和1162。如果在两个像素的边界附近生成云，阳极在晶体外部产生的事实引发了一个问题。事实上，电子203的一部分将朝向与相邻像素对应的电场线扩散并且感生不能反映原始X射线光子撞击晶体的信号，参见图2C。特别是，阳极261和262都将发出信号，并且两个事件将被记录，但是它是由一次单一的相互作用产生的。

在本发明的情况下，电子203被限定到限制云的像素边界的任一侧或两侧，并且使电荷的一部分不太可能记录在相邻的像素上，如在图3中示意性地示出的。

限制是通过钝化断裂线501来在晶体内执行的。为了尽可能少地影响像素分辨率，引起的断裂线必须非常薄。事实上，两个像素之间的间隔必然比断开线的宽度更重要。为了产生非常细的断裂线，这些都是由聚焦离子束(FIB)引起的。FIB使用离子从晶体中物理移除原子。FIB用于准备用于TEM检查的样品，其中还应防止检查的晶体的损坏。可以控制FIB的离子轰击，使得对周围层的损伤最小化。与其他方法相比，这将大大降低由于晶体缺陷导致的性能下降。

然而，必须采取措施以使对一些漂移电子203的俘获从而对信号产生负面影响最小化。为了避免这种电荷俘获效应，断裂线然后被钝化。

钝化优选地通过氧化来执行。氧化本身可以通过任何方便的手段完成，例如使用氧化物等离子体，或者以更经典的方式，湿法化学。氧化是在非常薄的晶体层上进行的，通常是几个纳米。钝化与常用的侧壁钝化类似。在该氧化之前，可以引入短蚀刻步骤以从断裂线表面去除缺陷。如果需要，之后可以用绝缘材料填充间隙。

另一种在像素之间产生分隔的方法是将氧化物引入直接转换材料中。代替如上所提出的物理地移除材料，例如氧化物的离子实现形成氧离子被注入的氧化区域，具有防止电荷云被相邻像素收集的效果。

图4a和图4b示出了直接转换器体的截面。FIB结构将被理解为沿像素边界的所有侧面的沟槽状结构。

如图4a所示，由于电子云203在接近阳极侧时将更多地消耗，所以断裂线优选在阳极侧260上产生。然而，很明显，限制越多，电荷分享越少。这样，令人感兴趣的是具有源自阳极侧260的非常深的断裂线或彼此面对的两组断裂线，一组源自阳极侧260，另一组源自阴极侧250，如图4b中所示。

这样的配置可能会引起晶体的一些脆弱问题，并且必须针对晶体的寿命需求仔细权衡限制的量。

在晶体内部产生断裂线可能是有意义，在阳极或阴极侧不会有任何端部。然而，产生这样的断裂线而不影响太多晶体结构的技术并不准确，并且可能优选坚持前面的详细配置。

最终，为了进一步控制电子云203的漂移，阳极侧可以被掺杂感兴趣材料。在CZT晶体的情况下，典型的掺杂材料是铟。掺杂允许进一步加强阳极结构附近的电场线，参见图5。在第一步中，将掺杂材料沉积在晶体的阳极对面260。例如，已知铟易于扩散到CZT中。在第二步骤中，然后使用激光束来局部加热CZT区域260，CZT区域260随后将限定阳极结构。局部温度和照明时间限定了扩散区域的深度，有效地在阳极下形成掺杂区域。依次将剩余的(未扩散的)铟例如通过蚀刻除去。掺杂区域的侧面可以不同于图5中所示的区域，覆盖整个阳极区域或者仅覆盖整个阳极区域的一部分。

前一实施例的另一个用途是掺杂像素之间的区域，如图6所示，而不是像素区域。这可以防止在免除电场线的像素之间的区域中形成空间电荷区域。这样的空间电荷区域可以影响加权电位并因此影响阳极的电荷收集特性。在像素之间引入铟掺杂区域有助于去除该区域中的任何捕获电荷。

尽管已经在附图和前面的描述中详细例示和描述了本发明，但这样的例示和描述应当被认为是例示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于所讨论的实施例。

本领域技术人员通过研究附图、公开以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时，可以理解和实现对所公开实施例的其他的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或者其它单元可以实现权利要求书中记载的若干项的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种能量分辨辐射探测器的晶体中的像素体积约束方法，所述能量分辨辐射探测器优选地是X射线探测器，更优选地是计算机断层摄影探测器，所述晶体具有阴极侧和阳极侧，所述方法包括：

a、沿像素虚拟界限在晶体中引起断裂线，

b、钝化所述断裂线，

其中，所述断裂线由聚焦离子束和离子注入中的至少一种引起。

2.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述断裂线通过对所述晶体的氧化而被钝化，所述晶体的被氧化的部分优选地具有小于10nm的厚度。

3.根据权利要求2所述的方法，对所述晶体的所述氧化是以湿化学方式执行的。

4.根据权利要求2所述的方法，对所述晶体的所述氧化是通过等离子体氧化来执行的。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，当所述断裂线是使用聚焦离子束引起的时，还包括在对所述晶体进行氧化之前蚀刻所述断裂线的表面。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述断裂线具有小于1μm的宽度。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述断裂线具有在所述晶体的所述阳极侧上的端部和/或在所述晶体的所述阴极侧上的端部。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括利用掺杂材料局部掺杂所述晶体的所述阳极侧。

9.根据权利要求8所述的方法，所述掺杂通过以下操作来执行：

a、将所述掺杂材料沉积在所述晶体的所述阳极侧的接收区域上，

b、加热所述接收区域，优选地通过至少一个激光束，从而便于所述掺杂材料扩散通过所述晶体，并且

c、去除未扩散的掺杂材料，优选地通过蚀刻。

10.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，所述掺杂材料是铟。

11.根据权利要求8至9中的任一项所述的方法，所述接收区域覆盖所述晶体的所述阳极侧的至少部分，优选地覆盖所述晶体的整个阳极侧。

12.根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，所述接收区域被定位于所述像素之间和/或所述像素区域中。

13.一种辐射探测器，优选为X射线探测器，更优选为计算机断层摄影探测器，其包括具有沿着像素虚拟界限的钝化的断裂线的晶体。

14.一种X射线扫描器，优选为计算机断层摄影扫描器，包括能量分辨探测器的晶体，所述晶体具有沿着像素虚拟界限的钝化的断裂线。