采用(bi) cmos工艺的雪崩光电二极管的实现的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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，Aro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。
[0005]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AH)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 implantat1n)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。
[0006]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】
[0007]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。
[0008]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η掺杂区和邻近η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η掺杂区电接触的传导电极。
[0009]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。
[0010]另一个优点在于增加了光电探测器的探测效率。
[0011 ] 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。
[0012]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】
[0013]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。
[0014]图1示出了示例性的医学成像系统。
[0015]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。
[0016]图3示出了图2中示出的光电二极管的俯视图。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]图6示出了图2的光电二极管的制作方法。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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】
[0023]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。
[0024]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η型(η-掺杂)阱16，P型区18和η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。
[0025]沟槽20形成在半导体层12之内并围绕着P型区18和部分η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