ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД В РЕЖИМЕ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА
AVALANCHE PHOTODIODE IN GEIGER COUNTER MODE

Настоящее изобретение имеет отношение к фотодатчикам, и, в частности, к фотодиодам лавинного режима. В частности, оно находит применение в датчиках излучения для медицинского оборудования для формирования изображений, а также в других ситуациях, в которых требуется относительно быстрое и эффективное фотодетектирование.
Лавинные фотодиоды, работающие в режиме счетчика Гейгера, являются твердотельными световыми датчиками, которые обычно имеют чувствительность, достаточную для обнаружения отдельных фотонов, и генерируют сигналы в диапазоне менее наносекунды. Например, см. Webb и McIntyre, "Обнаружение отдельных фотонов с помощью лавинных фотодиодов", Бюллетень американского Физического Общества, том 15, с.813 (1970); Rochas и др., "Первая полностью интегрированная двумерная матрица датчиков отдельных фотонов по стандартной технологии комплементарных металло-оксидных полупроводников (CMOS; КМОП), IEEE Phot. Tech. Lett., том 15, номер 6, с.963 (2003).
Устройства, работающие в режиме счетчика Гейгера, которые иногда называют однофотонными лавинными диодами (SPAD), аналогичны традиционным лавинным фотодиодам. Однако, как правило, они имеют смещение напряжения, которое на десять-двадцать процентов (10-20%) выше напряжения пробоя. Это состояние может быть поддержано, пока не запускается лавинный эффект посредством формирования электронно-дырочной пары в обедненном слое, например, с помощью падающего фотона. Схема подавления, такая как резистор или активная схема, используется для подавления лавинного процесса и возвращения устройства к чувствительному состоянию.
Хотя такие фотодиоды доказали свою полезность, остается возможность для усовершенствования. Во многих существующих реализациях фотодиода падающий свет, имеющий относительно более короткую длину волны (например, фотоны, имеющие длину волны в синем конце видимого спектра), в основном поглощается в сильнолегированном верхнем слое устройства, обычно в первых приблизительно 200 нанометрах (нм). В результате квантовая эффективность устройства уменьшается, особенно при этих относительно более коротких длинах волн.
Кроме того, носители, сформированные в сильнолегированной области, должны распространиться к краю обедненной области, чтобы инициализировать лавинный процесс. Время распространения может ограничить скорость устройства, особенно в синем режиме. Другое ограничение возникает, когда устройства используются в матрицах, например, для облегчения измерения потока фотонов. В таких матрицах область, занятая оптической изоляцией между элементами матрицы, электродами прибора и схемой подавления, уменьшает эффективность поверхности прибора.
Аспекты настоящего изобретения направлены на решение этих и других задач.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения лавинный фотодиод включает в себя полупроводниковую обедненную область, анод и катод. Падающие фотоны, имеющие длину волны в синем конце видимого спектра, поглощаются в обедненной области, с тем чтобы формировать носители заряда. Носители заряда подвергаются ударной ионизации в обедненной области, с тем чтобы формировать ток лавинного процесса в фотодиоде.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения способ производства матрицы лавинных фотодиодов использует пластину из кремния на диэлектрике, которая содержит подложку, кремниевый слой и слой из углубленного оксида, физически расположенный между подложкой и кремниевым слоем. Способ содержит этап, на котором формируют множество лавинных фотодиодов в кремниевом слое, причем фотодиоды содержат анод, катод и обедненную область. Способ также содержит этапы, на которых формируют множество электродов, электрически соединенных с анодами и катодами соответствующих фотодиодов, причем множество электродов расположено на стороне кремниевого слоя, который находится напротив слоя из углубленного оксида, и удаляют подложку, посредством чего фотодиоды освещаются через слой из углубленного оксида.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения фотодиодная матрица изготовляется с использованием пластины из кремния на диэлектрике. Фотодиодная матрица производится с использованием процесса, который содержит этапы, на которых формируют множество лавинных фотодиодов в кремниевом слое пластины из кремния на диэлектрике, формируют множество электродов, электрически соединенных с анодами и катодами соответствующих фотодиодов, прикрепляют несущую пластину к пластине из кремния на диэлектрике и удаляют подложку, посредством чего фотодиоды освещаются через слой из углубленного оксида. Фотодиоды содержат анод, катод и обедненную область, множество электродов располагается на стороне фотодиодов напротив слоя из углубленного оксида, и электроды физически располагаются между несущей пластиной и фотодиодами.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения лавинный фотодиод содержит первую легированную полупроводниковую область, которая образует катод фотодиода, вторую легированную полупроводниковую область, которая образует анод фотодиода, и третью полупроводниковую область, оптически соединенную с принимающей свет поверхностью фотодиода, и слой межсоединений, содержащий первый электрод, электрически соединенный с первой легированной полупроводниковой областью, и второй электрод, электрически соединенный со второй легированной полупроводниковой областью. Существенно вся третья полупроводниковая область истощается, когда фотодиод работает в лавинном режиме. Третья полупроводниковая область физически располагается между слоем межсоединений и принимающей свет поверхностью.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения устройство содержит область исследования, опору для объекта, выполненную с возможностью поддерживать объект исследования в области исследования, и матрицу датчиков излучения. Матрица датчиков содержит матрицу лавинных фотодиодов и чувствительную к излучению поверхность, которая обращена к области исследования. Фотодиоды содержат анод, катод и обедненную область. Матрица датчиков также содержит слой межсоединений, содержащий множество электродов, которые обеспечивают электрические соединения с фотодиодами. Фотоны, поглощенные в обедненной области фотодиода, формируют носители заряда, и носители заряда подвергаются ударной ионизации в обедненной области фотодиода, с тем чтобы формировать ток лавинного процесса в фотодиоде. Слой межсоединений располагается на стороне фотодиодной матрицы, которая находится напротив принимающей излучение поверхности.
Специалисты в области техники поймут другие аспекты настоящего изобретения после прочтения и осмысления приложенных чертежей и описания.
Настоящее изобретение проиллюстрировано посредством примера, но не ограничения, и сопроводительных чертежей, на которых аналогичные номера ссылок указывают на аналогичные элементы:
Фиг.1 - вид сверху фотодиодной матрицы.
Фиг.2 - вид фотодиода в поперечном разрезе через линию 2-2, показанную на фиг.1.
Фиг.3A, 3B, 3C, 3D, 3E и 3F - виды в поперечном разрезе, изображающие фотодиод на различных стадиях во время его изготовления.
Фиг.4 изображает стадии при производстве фотодиодной матрицы.
Фиг.5 изображает конструкцию маски для фотодиода.
Фиг.6 - вид в поперечном разрезе датчика излучения.
Специалистам в данной области техники очевидно, что для ясности и простоты объяснения различные признаки на чертежах могут быть выполнены без соблюдения масштаба.
Фиг.7 изображает сканер позитронно-эмиссионной томографии.
1
2
3
n
На фиг.1 и 2 показано, что фотодиодная матрица 102 включает в себя множество лавинных фотодиодов 100, 100, 100… 100, освещаемых сзади. Хотя проиллюстрирована двумерная матрица, предполагаются также другие конфигурации, такие как одномерные матрицы, нерегулярные матрицы и отдельные фотодиоды.
На фиг.2 показано, что фотодиоды 100 принимают падающий свет 220 через принимающую свет поверхность (222). Электроизолирующий слой 202, такой как слой из оксида кремния, имеет толщину, предпочтительно выбранную для максимизации его светопроницаемости, например толщину в диапазоне приблизительно 100-300 нанометров (нм). Например, для света, имеющего длину волны 400 нм, слой, имеющий толщину 200 нм, имеет коэффициент пропускания, равный приблизительно восьмидесяти процентам (80%) от воздуха. Предполагаются также другие длины волн и другие значения толщины слоя; изолирующий слой 202 также может быть исключен.
Обедненный слой 204, имеющий толщину приблизительно 100-500 нм, изготовляется из слоя из слаболегированного полупроводника, такого как кремний. Легирующая примесь прежде всего предназначена для уменьшения воздействия разброса параметров в полупроводниковом материале, принимая во внимание, что обедненный слой 204 характеризуется уменьшенным содержанием носителей во время работы прибора. Также может быть использован беспримесный (то есть, преднамеренно не легированный) полупроводник.
Фотодиод 100 также может быть обработан для уменьшения воздействий потенциально вредных дефектов кристаллической решетки, таких как свободные связи на поверхности раздела между изолирующим слоем 202 и обедненной областью 204. В одной реализации на поверхности раздела между обедненным слоем 204 и изолирующим слоем 202 предусматривается легированный слой 206 p-типа, имеющий толщину приблизительно 5-15 нм. Толщина легированного слоя предпочтительно выбирается для уменьшения воздействия дефектов в поверхности раздела без существенного поглощения падающих фотонов 220, особенно тех, длина волны которых находится в синем конце видимого спектра или короче. Легирующая примесь предпочтительно простирается в изолирующий слой 202. Поскольку концентрация примеси обычно соответствует гауссовой характеристике, пиковая концентрация предпочтительно располагается на поверхности раздела или вблизи него или немного на сторону изолирующего слоя 202 поверхности раздела. Предполагаются также другие технологии, такие как химическая пассивация. Легированный слой 206 или слой 206 пассивации также может быть исключен.
Первая область 208 кремниевого слоя имеет легирование p-типа и образует анод фотодиода 100, в то время как вторая легированная область 210 имеет легирование n-типа и образует катод. Вместе обедненный слой 204 и первая 208 и вторая 210 легированные области образуют фотодиод типа pπn, pνn или pin. Чтобы дополнительно уменьшить воздействие свободных связей, первая легированная область 208 и слой 206 предпочтительно взаимодействуют для предотвращения того, чтобы обедненная область 204 достигала изолирующего слоя 202 или изолирующей области 218. Следует отметить, что легирование слоя 206 и областей 208, 210 также может быть заменено на обратное, когда первая область 208 образует катод фотодиода, и вторая область 210 образует анод.
Внутренний слой 212 межсоединения, имеющий толщину несколько микрометров (мкм), включает в себя первый электрод 214, электрически соединенный с областью 208 p-типа. Хотя показаны два электрода, следует понимать, что они оба соединены с первой легированной областью; один из электродов может быть исключен. Второй электрод 216 электрически соединен с областью 210 n-типа. Подавляющий резистор, сделанный из поликристаллического кремния или другого соответствующего материала (не показан), может быть включен во внутренний слой 212. Несущая подложка или пластина 217, изготовленная из стекла или другого соответствующего материала, имеет толщину приблизительно 1 миллиметр (мм). Изолирующая область 218, такая как изолирующая канавка, изолирует фотодиод 100 от смежных фотодиодов или других приборов.
2
Каждый фотодиод 100 предпочтительно имеет площадь приблизительно 400-2500 мкм, хотя предполагаются также другие площади. Если цель состоит в том, чтобы получить сигнал, показывающий поток фотонов, принятый фотодиодами, выход различных фотодиодов 100 в матрице 102 предпочтительно суммируется для создания выходного сигнала, показывающего поток фотонов, принятый матрицей 102.
2
Фиг.3 и 4 описывают технологию изготовления фотодиодной матрицы 102 с использованием пластины 301 из кремния на диэлектрике (SOI; КНД) и процесса переноса подложки. На фиг.3A показано, что пластина 301 из кремния на диэлектрике (SOI; КНД) традиционно включает в себя кремниевую подложку 302, изолирующий слой 202 из диоксида кремния (SiO) или другого углубленного оксида и кремниевый слой 304. Особенное преимущество пластин из кремния на диэлектрике (SOI; КНД) состоит в том, что для производства фотодиодов 100 могут использоваться традиционные технологии (например, технологии обработки комплементарных металло-оксидных полупроводников (CMOS; КМОП)). Кроме того, желаемая электрическая схема обработки сигналов также может быть легко встроена в пластину из кремния на диэлектрике (SOI; КНД) как часть процесса производства. Хотя технология производства описывается относительно пластины 301 из кремния на диэлектрике (SOI; КНД), также могут быть реализованы другие технологии производства, которые обеспечивают желаемую структуру фотодиода 100.
Изолирующие области 218 изготовляются на этапе 402. Если изоляция обеспечивается посредством изолирующих канавок, наносится желаемая маска, канавки гравируются (предпочтительно с достижением изолирующего слоя 202) и заполняются диэлектриком. Также предполагается технология локального оксидирования кремния (LOCOS) или другие технологии изоляции. Операция химико-механической полировки (CMP) также применяется к верхней поверхности кремниевого слоя 304. Поперечный разрез пластины 301, показывающий изолирующие области 218 для иллюстративного фотодиода 100, показан на фиг.3B.
На этапе 404, как показано на фиг.3C, пластина 301 обрабатывается для уменьшения воздействия дефектов кристаллической решетки на поверхности раздела между изолирующим слоем 302 и кремниевым слоем 304. В одной реализации легированный слой 206 формируется посредством внедрения ионов легирующей примеси с передней стороны 399 пластины 301. Следует отметить, что этот слой не должен быть маскирован. Как отмечено выше, также могут быть реализованы химическая пассивация или другие соответствующие технологии. Этап 404 также может быть исключен, особенно когда пластины из кремния на диэлектрике (SOI; КНД) имеют достаточно высокое качество или были обработаны иным образом во время изготовления для минимизации ловушек на поверхности раздела.
На этапе 406, как показано на фиг.3D, первая легированная область 208 формируется посредством применения желаемой маски и внедрения ионов легирующей примеси. На этапе 408, как показано на фиг.3E, аналогичным образом формируется вторая легированная область 210. При желании также может быть реализована схема дополнительной обработки сигналов или другая электрическая схема. Операция отжига выполняется на этапе 410.
Следует отметить, что возможны различные альтернативные конфигурации фотодиода 100. Так, например, первая 208 и вторая 210 легированные области могут иметь кольцевую конфигурацию, изображенную на фиг.2. Первая 208 и вторая 210 области также могут переплетаться, например, как изображено на фиг.5.
На этапе 412, как показано на фиг.3F, слой 212 межсоединений и электроды 214, 216 изготовляются на монтажно-сборочном этапе обработки.
На этапе 414 операция переноса подложки выполняется таким образом, что слой 212 межсоединений прикрепляется к несущей подложке 217, и кремниевая подложка 302 пластины 301 из кремния на диэлектрике (SOI; КНД) удаляется, тем самым получается структура, изображенная на фиг.1. Подходящая технология для выполнения операции переноса подложки описывается в патенте США №6177707, опубликованном 23 января 2001 года и озаглавленном "Полупроводниковое устройство, содержащее стеклянную основу, на которую посредством клеящего вещества прикрепляется подложка с полупроводниковыми приборами и металлизацией", который явно включен по ссылке в настоящий документ во всей своей полноте.
В частности, слой 212 межсоединений приклеивается к несущей подложке 217 с использованием эпоксидной смолы, акрилата или другого подходящего клеящего вещества. Предпочтительно клеящее вещество включает в себя не содержащий растворителя мономер, к которому был добавлен чувствительный к ультрафиолетовому излучению катализатор. Мономер формирует поперечные связи под воздействием ультрафиолетового излучения и образует акриловый слой, имеющий толщину в диапазоне приблизительно 5-15 мкм. Затем подложка 302 удаляется снизу от изолирующего слоя 202. С этой целью подложка подвергается операции химико-механической полировки (CMP), которая продолжается до тех пор, пока расстояние до изолирующего слоя 202 не составит лишь несколько десятков мкм, после чего изолирующий слой помещается в травильную ванну с гидроксидом калия (KOH). Обработка травлением останавливается, когда достигается изолирующий слой 202. При использовании пластины не на основе кремния на диэлектрике (SOI; КМД) может быть использована литография нижней стороны для выборочного удаления подложки 302.
На фиг.6 показано, что матрица 600 датчиков излучения, особенно хорошо пригодная для использования в качестве датчика ионизирующего излучения, включает в себя сцинтиллятор 602, который оптически соединен с изолирующим слоем 202. Свет, сформированный сцинтиллятором 602 в ответ на излучение 604, принятое на принимающей излучение поверхности 604 сцинтиллятора 602, принимается фотоприемником 100. В прикладных областях позитронно-эмиссионной томографии (PET) могут предпочтительно использоваться более быстрые сцинтилляторы, такие как ортосиликат лютеция иттрия (LYSO), ортосиликат лютеция (LSO) и бромид лантана (LaBr) для обеспечения информации о времени пролета (TOF). LYSO и LSO испускают свет, имеющий длину волны приблизительно 420 нм, LaBr испускает свет, имеющий длину волны приблизительно 370 нм. Как видно, оба случая находятся в синем конце видимого спектра.
Другие подходящие сцинтилляторы, такие как оксисульфат гадолиния (GOS), йодид натрия (NaI), силикат гадолиния (GSO), германат висмута (BGO), смешанный силикат лютеция (MLS), силикат лютеция гадолиния (LGSO) и хлорид лантана (LaCl) и их смеси, также предполагаются в зависимости от требований конкретной области применения. Как будет понятно специалистам в области техники, выбор сцинтиллятора 602 и относительной толщины сцинтиллятора 602 и изолирующего слоя 202 предпочтительно настраивается для обеспечения желаемого квантового выхода сцинтиллятора 602 и желаемой светопроницаемости изолирующего слоя.
В режиме работы фотодиоды 100 предпочтительно имеют обратное смещение несколько выше напряжения пробоя диода, которое в иллюстрируемом варианте воплощения находится в диапазоне от пяти до десяти вольт постоянного тока (5-10 В); фотодиоды 100 также могут эксплуатироваться в лавинном режиме ниже напряжения пробоя. В любом случае вся или существенно вся обедненная область 204 и особенно часть обедненной области 204, в которой поглощаются фотоны с относительно более короткой длиной волны, поддерживается в истощенном состоянии.
Если прибор включает в себя сцинтиллятор 602, падающее излучение принимается сцинтиллятором 604, который формирует соответствующие световые импульсы. В случае сцинтилляторов из LYSO, LSO или LaBr фотоны имеют длину волны в синем конце видимого спектра.
Получающиеся в результате фотоны сначала сталкиваются с изолирующим слоем 202 и легированным слоем 206. Поскольку изолирующий слой 202 и легированный слой 206 являются предпочтительно относительно тонкими, относительно большое количество фотонов проходит через эти слои и поглощается в обедненной области 204.
Эти фотоны поглощаются в обедненной области 204, тем самым формируя электронно-дырочные пары. Электронно-дырочные пары взаимодействуют с электрическим полем, созданным в обедненной области 204, и через процесс ударной ионизации формируют дополнительные электронно-дырочные пары. Этот процесс повторяется для формирования так называемого лавинного процесса. Электронно-дырочные пары собираются в первой 208 и второй 210 легированных областях, тем самым создавая электрический выходной ток.
Следует отметить, что увеличение части поглощения фотонов, которое происходит в обедненной области 204, служит для улучшения квантовой эффективности фотодиода 100 и скорости относительно традиционных приборов, поскольку электронно-дырочные пары не должны распространяться в обедненную область 204, чтобы инициировать лавинный процесс. С этой целью объем обедненной области 204 предпочтительно является достаточно малой величиной, с тем чтобы большая часть обедненной области 204 и особенно часть обедненной области 204, в которой поглощаются падающие фотоны 220, имеющие относительно более короткую длину волны, истощалась во время работы фотодиода 100. Уменьшение расстояния между первой 208 и второй 210 легированными областями дополнительно уменьшает расстояние, которое должно быть пройдено лавинным процессом, также увеличивая скорость прибора. Кроме того, конструкция с задним освещением улучшает использование площади матрицы 102, которая преимущественно ограничена площадью, занятой изоляционными областями 218. В результате посредством подходящей конструкции фотодиода 100 и изоляционной области 218 могут быть реализованы фотодиодные матрицы 102, имеющие коэффициент использования участка, равный девяноста процентам (90%) или более.
Если фотодиод 100 поддерживается в режиме счетчика Гейгера, ток, сформированный заданным фотодиодом 100 вследствие лавинного процесса, является относительно независимым от потока фотонов. Ток впоследствии подавляется, и диод возвращается в стабильное состояние, пока не будет принят дополнительный свет. Поскольку ток, сформированный заданным фотодиодом 100 вследствие лавинного процесса, является относительно независимым от потока фотонов, выход от нескольких фотодиодов используется для обеспечения сигнала, показывающего поток, принятый на площади, покрытой матрицей 102. С другой стороны, если фотодиоды 100 работают в лавинном режиме, но ниже напряжения пробоя, фототок, сформированный заданным фотодиодом 100, является в общем случае пропорциональным падающему потоку фотонов.
Матрицы 600 датчиков излучения, описанные выше относительно фиг.6, особенно хорошо подходят для использования в системе позитронно-эмиссионной томографии (PET). На фиг.7 показано, что система 700 позитронно-эмиссионной томографии (PET) включает в себя раму 702, имеющую множество матриц 600 датчиков, расположенных в одном или более осевых кольцах, которые окружают область 708 исследования. В области применения позитронно-эмиссионной томографии (PET) матрицы 600 датчиков используются вместе с электрической схемой обнаружения совпадения для обнаружения пар гамма-квантов с энергией 511 кэВ, формируемых событиями позитронной аннигиляции, происходящими в области 708 исследования.
Опора 716 для объекта поддерживает объект, изображение которого будет формироваться, например пациента. Опора 716 для объекта предпочтительно является подвижной в продольном направлении с координацией с работой системы 700 позитронно-эмиссионной томографии (PET), с тем чтобы объект 718 мог быть сканирован во множестве позиций в продольном направлении.
Система 720 сбора данных выдает данные проецирования, которые включают в себя список явлений аннигиляции, обнаруженных матрицами 600 датчиков. Данные проецирования также могут включать в себя информацию о времени пролета (TOF). Устройство 729 восстановления формирует данные объемного образа, показывающие распределение радионуклида в объекте 718.
Рабочая станция служит в качестве операторской консоли 728. Консоль 728 содержит удобочитаемое устройство вывода, такое как монитор или дисплей, и устройства ввода, такие как клавиатура и мышь. Программное обеспечение, расположенное в консоли 728, позволяет оператору просматривать данные объемного образа, сформированные устройством 729 восстановления, и иным образом манипулировать ими. Программное обеспечение, расположенное в консоли 728, также позволяет оператору управлять работой системы 700 посредством установления желаемых протоколов сканирования, инициирования и завершения сканирования и других взаимодействий со сканирующим устройством. Воссозданные данные образа также могут быть сделаны доступными для других компьютеров, связанных с системой 100 или иным образом имеющих доступ к общей сети, такой как система хранения и передачи изображений (PACS), информационная система больницы/информационная система рентгенологии (HIS/RIS), Интернет и т.п.
Также возможны вариации в системе 700. Так, например, система 700 позитронно-эмиссионной томографии (PET) может быть комбинирована с системой компьютерной томографии (CT), магнитного резонанса (MR), рентгеноскопии или другой системой. Дополнительная информация обычно используется, чтобы предоставить структурную информацию об объекте 718, и может использоваться для выполнения коррекции ослабления над собранными данными позитронно-эмиссионной томографии (PET).
Кроме того, отдельные датчики или матрицы 600 датчиков могут использоваться для обнаружения излучения, отличного от гамма-излучения с энергией 511 кэВ, и в отличных от томографии областях применения. Например, датчики могут использоваться в системах радионуклидной визуализации, таких как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT), рентгеновская компьютерная томография (CT) или системы рентгенографии. Датчики также могут быть использованы во флуоресцентных или других системах формирования оптических изображений. Матрицы 600 датчиков также могут быть расположены в плоской, дугообразной или другой некруговой конфигурации. Если цель состоит в том, чтобы обнаружить световое излучение, сцинтиллятор 602 также может быть исключен.
Безусловно, модификации и изменения будут очевидны специалистам в области техники после прочтения и осмысления предыдущего описания. Предполагается, что изобретение рассматривается как включающее в себя все такие модификации и изменения, при условии, что они попадают в объем приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.