CN107799539A - 一种光电探测结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光电探测结构及其制备方法，包括：第一闪烁体层，用于吸收能量较低的X射线，并将X射线转化为可见光；第二闪烁体层，用于吸收能量较高的X射线，并将X射线转化为可见光；第一可见光传感器，位于所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层之间，用于将透过所述第一闪烁体层的可见光及所述第二闪烁体层反射的可见光转换为电荷，并存储于所述第一可见光传感器中。提供一基板，在所述基板上通过半导体制程逐层制备形成第一可见光传感器，在所述第一可见光传感器的第一表面形成第一闪烁体层，然后在所述第一可见光传感器的第二表面形成第二闪烁体层。本发明在高能射线下能有比较良好的图像清晰度，同时有更高的光响应度。

Description

一种光电探测结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及医疗影像诊断领域，特别是涉及一种光电探测结构及其制备方法。
背景技术
平板图像传感器，通常应用于医疗辐射成像、工业探伤、安检等领域。平板图像传感器，特别是大尺寸图像传感器，面积通常数十厘米，数百万至千万像素，在X射线图像探测器的应用中，一般要求面积达到43cm*43cm，所以目前都是采用非晶硅技术(单晶硅目前一般为24～30cm直径)。
如图1所示，当前所使用的非晶硅平板探测器通常为多层堆叠结构。包括，上层的闪烁体，将入射的X射线转换为可见光。可见光照射到下层的可见光传感器(sensor)上，可见光传感器将可见光转换为电子。该结构的问题是：X射线在物质中的吸收，大部分在接近入射的表面，而产生的可见光是任意方向的。由于X射线在闪烁体中的吸收发光主要集中在入射面，导致可见光集中产生的位置也在接近上表面。可见光发光点离下面可见光传感器较远，较远的传输距离将引起可见光的发散，从而起相邻像素的串扰，引起图像模糊。
为了解决上面所述的问题，专利EP2902807A1提出一种新的结构。如图2所示，上部分20为闪烁体；下部分为TFT传感器，其功能与图1中所示的可见光传感器一样，将闪烁体产生的可见光转换为电子。不同的是，该专利中X射线的入射面为TFT传感器面，而不是闪烁体面。这样X射线穿透TFT传感器后，照射到闪烁体上，集中在闪烁体与TFT传感器接触的界面附近。由于产生可见光的位置与接收可见光的TFT传感器的位置很近，减少了可见光的发散，从而提高图像的浅析度。但该方案仍然还有另一个问题，当具有穿透能力更强的高能的射线照射时，射线入射深度增加，当射线能量达到一定程度，入射深底可到达与TFT传感器表面较远的位置，仍然会有可见光的发散问题。
因此，如何有效解决平板图像传感器中可见光的发散，减小串扰、提高光响应度已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光电探测结构及其制备方法，用于解决现有技术中可见光的发散、串扰对图像质量产生影响，以及光响应度低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光电探测结构，所述光电探测结构至少包括：
第一闪烁体层，用于吸收能量较低的X射线，并将X射线转化为可见光；
第二闪烁体层，用于吸收能量较高的X射线，并将X射线转化为可见光；
第一可见光传感器，位于所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层之间，用于将透过所述第一闪烁体层的可见光及所述第二闪烁体层反射的可见光转换为电荷，并存储于所述第一可见光传感器中。
优选地，所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层的材质为碘化铯或硫氧化钆。
优选地，所述第一可见光传感器包括基板、及以二维阵列排列于所述基板上的多个像素单元；各像素单元包括薄膜晶体管及PIN光电二极管；所述基板及所述PIN光电二极管的顶电极和底电极为透明或半透明材质。
更优选地，所述薄膜晶体管及所述PIN光电二极管在X射线入射的垂面上非交叠设置。
更优选地，所述基板的厚度设定为15um～50um。
更优选地，所述基板为光纤导板，所述光纤导板中设置有多个垂直于表面的光纤导管。
更优选地，所述基板为密度不大于3g/cm3的材质。
更优选地，所述基板的材质为聚酰亚胺、塑料、硅。
优选地，所述光电探测结构还包括位于所述第二闪烁体层下层的第二可见光传感器，用于将透过所述第二闪烁体层的可见光转换为电荷，并存储于所述第二可见光传感器中。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种上述光电探测结构的制备方法，所述制备方法至少包括：
提供一基板，在所述基板上逐层制备各材料层以形成第一可见光传感器，在所述第一可见光传感器的第一表面形成第一闪烁体层，然后在所述第一可见光传感器的第二表面形成第二闪烁体层。
优选地，所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层通过光学耦合胶贴附于所述第一可见光传感器的表面。
优选地，所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层通过镀膜的方式形成。
如上所述，本发明的光电探测结构及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明的光电探测结构及其制备方法在高能射线下能有比较良好的图像清晰度(减少光的发散)，同时有更高的光响应度(转换效率)。
附图说明
图1显示为现有技术中的非晶硅平板探测器的结构示意图。
图2显示为现有技术中的一种减少可见光发散的非晶硅平板探测器的结构示意图。
图3显示为本发明的光电探测结构的一种实施方式。
图4显示为本发明的光电探测结构的另一种实施方式。
元件标号说明
5 光电探测结构
51 第一闪烁体层
52 第一可见光传感器
521 基板
522 非晶硅
523 漏端
524 栅端
525 源端
526 PIN光电二极管
527 底电极
528 顶电极
529 偏置线
53 第二闪烁体层
S1～S2 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图3所示，本发明提供一种光电探测结构5，所述光电探测结构5至少包括：
第一闪烁体层51、第一可见光传感器52、第二闪烁体层53。
如图3所示，所述第一闪烁体层51位于所述光电探测结构5的X射线(X ray)接收面，用于吸收能量较低的X射线，并将X射线转化为可见光V1，可见光V1从所述第一闪烁体层51出射，被所述第一可见光传感器52检测到。
具体地，所述第一闪烁体层51的材质包括但不限于碘化铯或硫氧化钆，任意可将X射线转换为可见光的材料均适用于本发明，不以本实施例为限。
如图3所示，所述第二闪烁体层53位于所述光电探测结构5的内部，用于吸收能量较高的X射线，并将X射线转化为可见光。
具体地，所述第二闪烁体层53的材质包括但不限于碘化铯或硫氧化钆，任意可将X射线转换为可见光的材料均适用于本发明，不以本实施例为限。X射线通过所述第一闪烁体层51，其中能量较低的一部分被所述第一闪烁体层51吸收并转化，能量较高的一部分透过所述第一闪烁体层51及所述第一可见光传感器52被所述第二闪烁体层53吸收，能量较高的X射线被转化为可见光，可见光V1经反射被所述第一可见光传感器52检测到。
更具体地，所述第一闪烁体层51及所述第二闪烁体层53的厚度之和与现有技术中的单层闪烁体层的厚度基本一致，设定为1mm以内，在使用不同材料时，其厚度也不相同。在本实施例中，采用碘化铯材料则所述第一闪烁体层51及所述第二闪烁体层53的厚度之和为0.2mm～0.3mm；采用硫氧化钆材料则所述第一闪烁体层51及所述第二闪烁体层53的厚度之和为0.6mm，本领域的技术人员可根据不同的材料对厚度进行设定，不以本实施例为限。
如图3所示，所述第一可见光传感器52位于所述第一闪烁体层51及所述第二闪烁体层53之间，用于将透过所述第一闪烁体层51的可见光及所述第二闪烁体层53反射的可见光转换为电荷，并存储于所述第一可见光传感器52中。
具体地，如图3所示，所述第一可见光传感器52包括基板521、及以二维阵列排列于所述基板521上的多个像素单元。
更具体地，在本实施例中，为保证所述第二闪烁体层53产生的可见光可以照射到所述PIN光电二极管526上，所述基板521为透明或半透明材质。所述基板521采用较薄的材料以降低可见光的发散，在本实施例中，所述基板521的厚度设定为15um～50um，应小于像素尺寸的1/3。同时，为了降低所述基板521对X射线的吸收，所述基板521的材质应选择低密度，低原子系数的材料，所述基板521为密度不大于3g/cm3的材质，包括但不限于PI(聚酰亚胺)、塑料及硅。
更具体地，各像素单元包括薄膜晶体管及PIN光电二极管526。所述薄膜晶体管(TFT)包括非晶硅522、漏端523、栅端524、源端525，通过控制所述栅端524的电压来导通所述薄膜晶体管，以此实现开关功能。为了降低寄生电阻，漏端523、栅端524、源端525采用金属材质，包括但不限于铝、钼等金属。所述PIN光电二极管526依次包括P型掺杂区、本征区及N型掺杂区，其下层设置有底电极527、上层设置有顶电极528，所述顶电极528上设置有偏置线529，所述PIN光电二极管526中吸收可见光并转换为电荷的过程主要在本征区完成。为保证所述第二闪烁体层53产生的可见光可以照射到所述PIN光电二极管526上，所述底电极527、所述顶电极528为透明或半透明材质，在本实施例中，所述底电极527及所述顶电极528采用ITO(铟锡氧化物半导体透明导电膜)。如图3所示，所述薄膜晶体管及所述PIN光电二极管526在X射线入射的垂面上非交叠设置，以减小所述薄膜晶体管对所述PIN光电二极管526吸收可见光的影响。
本发明采用双层闪烁体层，在保证了总厚度、总的吸收及转换效率与单层闪烁体层相同的情况下，减小了产生可见光传输距离，降低可见光的发散，同时增加可见光的穿透率，提高图像清晰度。
实施例二
本实施例提供一种光电探测结构，与实施例一的结构基本一致，不同之处在于，所述基板521为光纤导板(fiber optical plate)。
具体地，如图4所示，所述光纤导板中设置有多个垂直于表面的光纤导管，所述第二闪烁体层53产生的可见光通过各光纤导管折射至所述第一可见光传感器52，并被吸收，可有效减小可见光的发散。
实施例三
本实施例提供一种光电探测结构，与实施例一及实施例二的结构基本一致，不同之处在于，所述第二闪烁体层53的下层还包括第二可见光传感器(图中未显示)，用于将透过所述第二闪烁体层53的可见光转换为电荷，并存储于所述第二可见光传感器中。
进一步地，还可以扩展为多层闪烁体层与多层可见光传感器的相间分布结构。层数越多，可见光的通路越短，光的发散越轻微，图像越清晰；同时，不同层的闪烁体层使用独立的可见光传感器，X射线能量越大，照射深度越深，由此可达到多能级X射线的探测。
实施例四
本发明还提供一种所述光电探测结构5的制备方法，所述制备方法至少包括：
步骤S1：提供一基板，在所述基板上通过半导体制程逐层制备各材料层以形成第一可见光传感器。
具体地，在本实施例中，所述基板521为光纤导板。在所述基板521的表面沉积栅端524的材料层，在本实施例中，采用物理气相沉积法形成各材料层，在具体制备过程中可采用任意方式形成各材料层，不以本实施例为限；再经过曝光、刻蚀形成栅端524及相关金属连线；采用相同方法依次形成非晶硅522、漏端523以及源端525；以此形成所述薄膜晶体管。沉积所述PIN光电二极管526的底电极527金属层，同理，经过曝光、刻蚀形成底电极527及相关金属连线，所述PIN光电二极管526通过底电极527与所述薄膜晶体管连接；采用相同方法依次形成所述PIN光电二极管526的N型掺杂区、本征区、P型掺杂区、顶电极528及偏置线529，以此形成所述PIN光电二极管526。在偏置线529上涂布一层保护层，所述第一可见光传感器52制备完成。
若所述基板521的材质选用PI，则需要将PI涂布于玻璃上，完成所述第一可见光传感器52的制备后，将所述第一可见光传感器52从玻璃上剥离下来。
步骤S2：在所述第一可见光传感器52的第一表面形成第一闪烁体层51，然后在所述第一可见光传感器52的第二表面形成第二闪烁体层53。
作为本发明的一种实现方式，所述第一闪烁体层51及所述第二闪烁体层53通过光学耦合胶贴附于所述第一可见光传感器52的表面。
具体地，提供所述第一闪烁体层51及所述第二闪烁体层53，由于所述第一可见光传感器52的保护层非常薄，一般为um级别，容易损坏，不适宜机械手臂的拿取，因此先在所述第一可见光传感器52的第一表面通过光学耦合胶贴附所述第一闪烁体层51，这样所述第一可见光传感器52的两侧分别为所述基板521及所述第一闪烁体层51，相对所述第一可见光传感器52的保护层而言，厚度大大增加，可通过机械手臂直接抓取而不损伤所述第一可见光传感器52中的器件。然后通过机械手臂直接抓取已贴附的所述第一闪烁体层51及所述第一可见光传感器52，在所述第一可见光传感器52的第二表面通过光学耦合胶贴附所述第二闪烁体层53。所述第一可见光传感器52的第一表面与第二表面相对设置，在本实施例中，所述第一可见光传感器52的第一表面为像素单元表面，第二表面为基板表面。
作为本发明的另一种实现方式，所述第一闪烁体层51及所述第二闪烁体层53通过镀膜的方式形成于所述第一可见光传感器52的表面，其他步骤与上一实现方式一致，在此不一一赘述。
通过同样的方法形成所述第二可见光传感器，具体步骤在此不一一赘述。
如上所述，本发明的光电探测结构及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明的光电探测结构及其制备方法在高能射线下通过双层闪烁体的设计增加了图像的清晰度，同时，单层闪烁体的厚度小于现有技术中闪烁体的厚度，可有效缩短可见光的逃出路径，减小被吸收量，提高转换效率。
综上所述，本发明提供一种光电探测结构，包括：第一闪烁体层，用于吸收能量较低的X射线，并将X射线转化为可见光；第二闪烁体层，用于吸收能量较高的X射线，并将X射线转化为可见光；第一可见光传感器，位于所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层之间，用于将透过所述第一闪烁体层的可见光及所述第二闪烁体层反射的可见光转换为电荷，并存储于所述第一可见光传感器中。还提供一种制备方法，包括：提供一基板，在所述基板上通过物理气相沉积逐层制备形成第一可见光传感器，在所述第一可见光传感器的第一表面形成第一闪烁体层，然后在所述第一可见光传感器的第二表面形成第二闪烁体层。本发明的光电探测结构及其制备方法在高能射线下通过双层闪烁体的设计增加了图像的清晰度，同时，单层闪烁体的厚度小于现有技术中闪烁体的厚度，可有效缩短可见光的逃出路径，减小被吸收量，提高转换效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种光电探测结构，其特征在于，所述光电探测结构至少包括：
第一闪烁体层，用于吸收能量较低的X射线，并将X射线转化为可见光；
第二闪烁体层，用于吸收能量较高的X射线，并将X射线转化为可见光；
第一可见光传感器，位于所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层之间，用于将透过所述第一闪烁体层的可见光及所述第二闪烁体层反射的可见光转换为电荷，并存储于所述第一可见光传感器中。
2.根据权利要求1所述的光电探测结构，其特征在于：所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层的材质为碘化铯或硫氧化钆。
3.根据权利要求1所述的光电探测结构，其特征在于：所述第一可见光传感器包括基板、及以二维阵列排列于所述基板上的多个像素单元；各像素单元包括薄膜晶体管及PIN光电二极管；所述基板及所述PIN光电二极管的顶电极和底电极为透明或半透明材质。
4.根据权利要求3所述的光电探测结构，其特征在于：所述薄膜晶体管及所述PIN光电二极管在X射线入射的垂面上非交叠设置。
5.根据权利要求3所述的光电探测结构，其特征在于：所述基板的厚度设定为15um～50um。
6.根据权利要求3所述的光电探测结构，其特征在于：所述基板为光纤导板，所述光纤导板中设置有多个垂直于表面的光纤导管。
7.根据权利要求3所述的光电探测结构，其特征在于：所述基板为密度不大于3g/cm3的材质。
8.根据权利要求7所述的光电探测结构，其特征在于：所述基板的材质为聚酰亚胺、塑料、硅。
9.根据权利要求1所述的光电探测结构，其特征在于：所述光电探测结构还包括位于所述第二闪烁体层下层的第二可见光传感器，用于将透过所述第二闪烁体层的可见光转换为电荷，并存储于所述第二可见光传感器中。
10.一种如权利要求1～9所述的光电探测结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：
提供一基板，在所述基板上逐层制备各材料层以形成第一可见光传感器，在所述第一可见光传感器的第一表面形成第一闪烁体层，然后在所述第一可见光传感器的第二表面形成第二闪烁体层。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层通过光学耦合胶贴附于所述第一可见光传感器的表面。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述第一闪烁体层及所述第二闪烁体层通过镀膜的方式形成。
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