专利名称：新结构线阵列x光探测器及其探测方法
技术领域：
本发明涉及一种X光探测器及其探测方法，属于H01L27/00类半导体器件技术领域。
在医学中拍X光片是目前广泛采用并且非常有效的疾病诊断技术之一，如用在牙科、骨科、拍胸片、乳腺癌检查以及各种结石诊断等，它需要用到大量底片和化学显影过程，既浪费又不便于保存，而且不能马上知道结果。除医学外，X光技术还广泛应用于安全检查、无损探伤、物质结构分析、天文观测以及高能物理研究等领域。近年来，计算机数字化技术发展非常迅速，数字化的X光诊断技术是X光医学发展的必然趋势，是计算机辅助诊断技术的重要组成部分(参阅Yaffe，et al.，Physics in Medicine and Biology，Vol.42，p.1-39，1997)。由于数字X光技术可以更准确地记录X光，能够得到更高质量的X光图象，能够更容易地进行图象处理、分析与传送，因而近年来对这项技术的研究与开发受到人们的极大关注，其市场潜力和经济效益非常巨大(参阅Frost& Sullivan-Company Press Release，November 16，1998)。
由于一般材料对X光的吸收系数非常小，目前获取数字化X光图象的方法，如医学中的CT，都是先用荧光板将X光图象转变成可见光图象，然后再用对可见光灵敏的光电阵列探测器-数字摄像仪(例如CCD)得到最终数字化的X光图象。荧光板的引入，不但增加成本，而且会降低X光图象的质量(荧光板越厚，灵敏度越高，但分辨率越低；反之亦然)。因此，利用集成的固态X光阵列探测单元将X光图象直接转变成可供微型计算机读取的数值化的电信号，以取代荧光板和对可见光灵敏的数字摄像仪组合，应该是一种最直接、图象的质量最好、成本最低廉的获取二维数字化X光图象的方法，该技术近年受到研究人员的高度重视。由于单晶硅半导体材料具有工艺成熟、便宜、适合较大阵列探测器的制作、长期使用材料不易退化以及所制作的器件工作速度较快等优点，在数字X光探测器的研究中受到高度重视(参阅Cisternino，A.，et al.，Physica Medica，Vol13，p.214-17，1997)。Arfelli等人采用硅材料和端面接收X光的器件结构，与一般利用材料正面或背面接收X光的探测器相比，吸收X光的长度在没有增加材料厚度(因而没有增加工作电压)的情况下大幅增加，有效地弥补了一般材料对X光吸收系数小的缺点，对能量为20KeV的X光其量子效率达到80％。但Arfelli等人报导的器件为PIN光电二极管结构，没有增益，灵敏度较低；并且器件采用的硅材料较厚，工作电压较高，PN结暴露在容易损坏的端面，致使器件的漏电流大幅增加(参阅Arfelli，et al.，Nucl.Instr.& Meth.in Phys.Res.A，Vol377，p.508-13，1996)。Lynch等人报道了采用硅材料和雪崩光电二极管(APD)结构的X光探测器，虽然此种器件结构有增益，灵敏度较高，但由于采用正面入射，吸收X光的长度小，该器件只能用于能量小于2KeV的X光探测(参阅S.P Lynch，et al.，IEEE Trans.On Nucl.Science，Vol.44，p.581-586，1997)。并且，APD有工作电压较高，雪崩工作点不易控制，常产生较大噪声的缺点。
光电晶体管和APD一样对光信号产生的光电流具有放大作用(参阅Y.Wang，et al.，J.Appl.Phys.，Vol.74，p.6978-6991，1993)。光电晶体管由一个称为基区的半导体导电层以及在其两侧的半导体PN结构成，在PN结之外是电极。器件工作时一个PN结处于正向偏置状态，该PN结称为发射结，另外一个PN结处于反向耗尽偏置状态，该PN结称为集电结。如果基区的电阻率选择恰当，光电晶体管可以工作在集电结耗尽区和发射结耗尽区将要或者已经相碰的状态。这种光电晶体管一般称作穿通型光电晶体管。穿通型光电晶体管不但有较大的光电转换增益，而且噪声较小(参阅Y.Wang，et al.，J.Appl.Phys.，Vol.74，p.6978-6991，1993)。
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够直接探测X光图象、获取的图象质量好、制造成本低廉的线阵列X光探测器，并提出一种使用该线阵列X光探测器探测X光的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种新结构线阵列X光探测器，其特征在于它由多个按一维排列的光电晶体管组成，每个光电晶体管包括基区、发射区、集电区、发射结、集电结、自然解理面；发射区和集电区之一的外侧制有独立的电极条，另一区的外侧制有公共电极；各光电晶体管的自然解理面在同一平面上。
所述基区的掺杂浓度大于其本征载流子浓度且小于1014cm-3。
所述光电晶体管为N+-P--N+或P+-N--P+基本结构，所用的半导体材料是<100>晶向或<110>晶向的单晶硅、<100>晶向的砷化镓、CdZnTe半导体单晶材料之一，所用半导体材料的厚度为50-200μm，以便容易解理，形成镜面般光滑的入射端面。
所述光电晶体管为穿通型光电晶体管。
所述电极条的方向与自然解理面垂直。
与所述电极条相接触的区，对于衬底为硅的材料而言是单晶硅、多晶硅或非晶硅，对于衬底为砷化镓的材料而言是砷化镓或铝镓砷。
使用本发明的新结构线阵列X光探测器探测X光的方法是以光电晶体管的自然解理面作为接收X光入射的端面；使X光入射方向平行于光电晶体管的电极条且与单晶材料的晶向垂直；在每个光电晶体管的两个电极上施加工作电压，使其一个PN结处于正向偏置而另一个PN结处于反向偏置；从每个光电晶体管的电极条取出光电信号。
由于本发明采用穿通型光电晶体管，故不但有较大的光电转换增益、工作电压低，而且噪声较小。由于本发明采用的半导体材料较薄以便于解理，故暴露在解理端面上的PN结的损伤小，表面漏电和暗电流小。由于本发明采用端面接受X光入射的结构，吸收X光的路径长，因此量子效率高、可探测的X光的能量范围广。和目前广泛采用的荧光板加对可见光灵敏的光电阵列探测器组合相比，本发明既有穿通型光电晶体管具有的高灵敏度、低噪声的优点，又有端面接受X光入射结构的高量子效率的优点。本发明配合机械扫描可以直接获取反差特性好、灵敏度和分辨率高的二维X光图象。此外，由于该阵列探测器的探测灵敏度高，与之相配的数据读取电路也较简单。
以下结合实施例具体地说明本发明
图1是本发明的结构示意图。
本发明新结构线阵列X光探测器由多个在同一芯片上按一维排列的光电晶体管组成。图1所示为成一行排列的光电晶体管阵列，竖直虚线右侧表示其中一个光电晶体管。每个光电晶体管包括P型基区1、N+型发射区2、N+型集电区3、自然解理面4，基区1与发射区2、集电区3交界处分别形成发射结、集电结，发射区2的外侧制有独立的电极条5，集电区3的外侧制有公共电极6。各光电晶体管的自然解理面4在同一平面上，各公共电极6连通。
器件用<100>晶向硅材料制作，光电晶体管为N+-P--N+基本结构，基区1的电阻率很高，掺杂浓度很低，掺杂浓度大于其本征载流子浓度且小于1014cm-3。器件所用半导体材料的厚度a为50-200μm，以便容易解理，形成镜面般光滑的入射端面。
本发明的新结构线阵列X光探测器用于探测X光，其方法是以光电晶体管的自然解理面4作为接收X光入射的端面；使X光入射方向平行于光电晶体管的电极条5且与单晶材料的晶向垂直；在每个光电晶体管的两个电极5、6之间施加工作电压，使发射结处于正向偏置而集电结处于反向偏置；从每个光电晶体管的电极条5处取出光电信号。此光电信号已是对入射基区1的X光信号进行探测并且放大后的信号。
使用中，每个光电晶体管作为一个X光接收单元，每个X光接收单元的面积由半导体材料厚度a和电极条5的宽度决定。将本发明的新结构线阵列X光探测器做成扫描头，配合相应的机械动作，即可直接获取反差特性好、灵敏度和分辨率高的二维X光图象。
在本发明的其它实施例中光电晶体管可以工作在集电结耗尽区和发射结耗尽区将要或者已经相碰的状态，即该光电晶体管可以为穿通型光电晶体管。
电极条的方向与自然解理面垂直。
与电极条5相接触的区，对于衬底为硅的材料而言可以是多晶硅或非晶硅，对于衬底为砷化镓的材料而言可以是铝镓砷，以便形成宽禁带发射结、提高光电晶体管的光电流增益。
光电晶体管最好是N+-P--N+基本结构，也可以是P+-N--P+或其它变种形式的结构。其中P+和N+分别指受主和施主重掺杂层，其掺杂浓度大于1018cm-3；P-和N-分别指掺杂浓度很低，小于1014cm-3的受主层和施主层。
器件最好用硅材料制作，也可选用砷化镓或CdZnTe等其它半导体单晶材料。对硅材料可以是<100>晶向或<110>晶向；对砷化镓材料最好是<100>晶向。
需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明的等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种新结构线阵列X光探测器，其特征在于它由多个按一维排列的光电晶体管组成，每个光电晶体管包括基区、发射区、集电区、发射结、集电结、自然解理面；发射区和集电区之一的外侧制有独立的电极条，另一区的外侧制有公共电极；各光电晶体管的自然解理面在同一平面上。
2.如权利要求1所述的新结构线阵列X光探测器，其特征在于所述基区的掺杂浓度大于其本征载流子浓度且小于1014cm-3。
3.如权利要求1所述的新结构线阵列X光探测器，其特征在于所述光电晶体管为N+-P--N+基本结构。
4.如权利要求1所述的新结构线阵列X光探测器，其特征在于所述光电晶体管为P+-N--P+基本结构。
5.如权利要求1所述的新结构线阵列X光探测器，其特征在于所述光电晶体管所用的半导体材料是<100>晶向或<110>晶向的单晶硅、<100>晶向的砷化镓、CdZnTe半导体单晶材料之一。
6.如权利要求1所述的新结构线阵列X光探测器，其特征在于所述光电晶体管所用半导体材料的厚度为50-200μm。
7.如权利要求1所述的新结构线阵列X光探测器，其特征在于所述电极条的方向与自然解理面垂直。
8.如权利要求1所述的新结构线阵列X光探测器，其特征在于所述光电晶体管为穿通型光电晶体管。
9.如权利要求1所述的新结构线阵列X光探测器，其特征在于与所述电极条相接触的区，对于衬底为硅的材料而言是单晶硅、多晶硅或非晶硅，对于衬底为砷化镓的材料而言是砷化镓或铝镓砷。
10.一种使用权利要求1所述的新结构线阵列X光探测器探测X光的方法，其特征在于以光电晶体管的自然解理面作为接收X光入射的端面；使X光入射方向平行于光电晶体管的电极条且与单晶材料的晶向垂直；在每个光电晶体管的两个电极上施加工作电压，使其一个PN结处于正向偏置而另一个PN结处于反向偏置；从每个光电晶体管的电极条取出光电信号。
全文摘要
本发明X光探测器由多个按一维排列的光电晶体管组成,各光电晶体管由高电阻率的基区及其两侧的PN结构成。工作时,使其发射结正偏而集电结反偏,以半导体材料的自然解理面为接收X光入射的端面,使X光的入射方向平行于光电晶体管的电极条方向且与单晶材料的晶向垂直,然后从每个光电晶体管的电极条取出经过放大的光电信号。本发明工作电压低、获取的图象质量好、制造成本低廉,配合机械扫描可以直接探测二维X光图象。
文档编号H01L31/00GK1250230SQ99122309
公开日2000年4月12日 申请日期1999年10月29日 优先权日1999年10月29日
发明者韩德俊 申请人:北京师范大学