多井硒器件及其制造方法技术

技术编号:19398041 阅读:28 留言:0更新日期:2018-11-10 05:21
提供了一种场成形多井探测器及其制造方法。通过在衬底上沉积像素电极、沉积第一介电层、在第一介电层上沉积第一导电栅极层、在第一导电栅极层上沉积第二介电层,在第二电介质层上沉积第二导电栅极层、在第二导电栅层上沉积第三电介质层、在第三电介质层上沉积蚀刻掩模来配置该探测器。通过蚀刻第三介电层、第二导电栅极层、第二介电层、第一导电栅极层和第一介电层来形成两个柱。通过蚀刻到像素电极而不蚀刻像素电极来形成两个柱之间的井,并且用a‑Se填充井。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多井硒器件及其制造方法优先权本申请要求于2016年1月7日向美国专利商标局提交的美国临时专利申请No.62/275,919的优先权,其全部内容通过引用并入本申请。政府支持本专利技术是在国立卫生研究院给予的基金号为1R21EB01952601A1的政府支持下完成的。美国政府对本专利技术具有一定权利。
本专利技术通常涉及固态辐射成像探测器领域,尤其涉及具有场成形多井探测器结构的非晶硒辐射探测器。
技术介绍
由Charpak在1968年专利技术的充气多丝正比室赢得诺贝尔奖之后不久,与微电子学的发展并行,开发了微结构气体探测器用于提高位置分辨率。然而,辐射诱导光电子的范围是微米到毫米,对于气体固态探测器,由于其高得多的密度,其具有的光电子范围低三个数量级。因此,固态探测器产生具有实质上更高的空间/时间分辨率的图像。由于低载流子迁移率和渡越时间限制的光响应,比单晶固体研制更容易且更便宜的无序固体没有用作光子计数模式检测介质。之前为影印机研制的非晶硒(a-Se)已经作为平板探测器(FPD)的直接X射线光电导体商业复苏,因为a-Se具有高的X射线灵敏度,并且能够在大块区域上均匀蒸发为厚膜。无序固体中,强场存在的情况下,可能发生非欧姆效应,具有从局域态转变为扩展态的传输机制,在扩展态中,迁移率可以增加100至1000倍。在扩展态中这样的热载流子具有接近迁移率边的迁移率,相比它们对声子失去能量能够更快地获得能量。因此,碰撞电离导致的雪崩是可能的[2],例如,在a-Se[3-5]中的热空穴,与非晶硅中的热电子[6]。a-Se中已经显示出连续稳定的雪崩倍增,这一特点使得具有比人眼更高灵敏度,即为人眼光圈F8的11倍,或者比CCD相机灵敏100倍[7]的光学相机能够发展。对于高能贯穿辐射,挑战在于雪崩模式硒不能是大块介质,因为雪崩层不能非常厚(<25μm),并且在大块中,均匀的雪崩场导致与深度相关的增益变化。正电子发射断层造影术(PET)是一种核医学成像模式,其生成三维(3D)图像,以查看人体内的功能过程。PET最常在临床肿瘤学中用于检测癌症和用于心脏问题和/或大脑疾病的临床诊断。在被引入体内后,发射正电子的放射性核素随着每次湮灭而衰减,每次湮灭在正好相反的方向上发射出两个光子。可以利用渡越时间(TOF)测量来测量电磁波穿过介质行进一段距离的时间。TOFPET系统检测光子,并使用TOF信息来确定两个配准的光子是否在时间上重合,即,属于同一正电子湮灭事件。TOFPET系统使用到达时间差来定位每个湮灭事件。在没有TOF定位数据时,使用计算上昂贵的迭代重建算法来估计事件的3D分布,该事件的3D分布提供与测量的投影数据的最佳匹配。TOFPET系统的定位精度Δx根据等式(1)由辐射探测器的时间分辨率Δt确定:Δx=cΔt/2………………………(1),其中c是光速。TOFPET探测器的目标是Δt<10皮秒(ps)。但是,这个目标还没有实现。现有系统利用昂贵的基于复杂的平凹光电阴极的光电倍增管(PMT),仍然仅能获得~500ps的Δt。基于盖革模式运行雪崩光电二极管的硅光电倍增管(SiPM)正在迅速发展。SiPM实现了比PMT更好的Δt,即SiPM获得~100ps的Δt。然而,SiPM具有较差的光子探测效率、光学串扰、面积小、均匀性差且成本高。已经提出了具有分开的吸收区域和雪崩增益区域的直接转换型a-SeFPD[8,9],并且已经分析了理论成像性能[4]。已经表明,与大部雪崩即整个a-Se中的雪崩相比,分开的局部雪崩倍增区域使增益变化最小化[10]。然而,由于场热点的形成,其中施加的电场(F)超过150V/μm,将导致不可逆的材料击穿,因此这样的直接转换型a-SeFPD尚未实现。直接转换型a-SeFPD的限制包括由于电子噪声导致的低剂量成像性能降低,因为在10V/微米时,在a-Se中产生电子-空穴对所需的能量为50eV。尽管已经研究了具有更高转换的其他光电导材料,但由于电荷俘获和制造问题,直接转换型a-SeFPD仍远未商业化。通过使电场增加到高于30V/微米,即在1000微米层上为30,000V,可能改善a-Se的转换。然而,此电场增加对于可靠的探测器构造和运行极具挑战性,并且是不切实际的。由于低载流子迁移率和越渡时间限制的脉冲响应导致时间分辨率低且高能辐射转换为电荷的转换增益低,非晶固体即无序的非晶固体作为光子计数模式下的可行的辐射成像探测器已被排除。已经提议了具有分开的吸收区域和雪崩区域的直接转换a-Se层,但是重大障碍阻碍了具有分开的吸收区域和雪崩区域的直接转换a-Se层的实际实施。已经提出了具有Frisch栅的单极固态探测器[11-13]。然而,这种探测器结构对于直接转换雪崩增益是不实用的,因为井中的最高电场在半导体和像素电极之间的界面处发展,导致了大电荷注入引起的高暗电流和对探测器潜在的不可逆转的损坏。已经使用高粒度微观结构多井结构,即多井固态探测器(MWSD)制造了单极时间差分(UTD)固态探测器,如图1所示,其是通过扫描电子显微镜(SEM)获得的MWSD的横截面[12]。如图1所示,公共电极110设置在其上部,衬底160设置在相对的下部。像素电极130在衬底160的上表面上形成为集电极,并且多个绝缘体在像素电极130的上表面上形成,在多个绝缘体的每个绝缘体150的顶部形成有防护罩120。多个井140,142设置在多个绝缘体的各个绝缘体之间。渡越时间实验结果表明了由UTD电荷感应引起的探测器的时间分辨率的实质性改善。此外,实现了由光生载流子包的传播所设定的信号上升时间的最终物理限制[12,13,15-17]。然而,传统的系统不会在井的底部蚀刻电介质,也不会在其每一侧上提供用介电层封装的栅极。已经提出将其他非晶硒多井雪崩探测器制造方法用于纳米电极多井高增益雪崩冲击光电导体和场成形多井雪崩探测器[15,16]。然而,这些方法需要对准,即在光刻期间对准,以用绝缘体/电介质封装栅极,同时去除井底部的绝缘体/电介质。
技术实现思路
为了克服常规系统的缺点,本专利技术提供的多井硒探测器及其制造方法去除了所需的对准并用绝缘体/电介质封装栅极。因此,本专利技术的各方面处理了上述问题和缺点,并提供了以下优点。本专利技术的一个方面提供了没有场热点的实用探测器结构,以实现直接转换雪崩a-Se。本专利技术的一个方面提供了一种制造多井非晶硒(a-Se)探测器的方法,包括:在衬底上沉积像素电极;沉积第一介电层;在第一介电层上沉积第一导电栅极层;在第一导电栅极层上沉积第二介电层;在第二介电层上沉积第二导电栅极层;在第二导电栅极层上沉积第三介电层;在第三介电层上沉积蚀刻掩模;执行第一蚀刻以形成至少两个柱,其间具有至少一个井;在该至少两个柱上和该至少一个井的底部上沉积氧化物介电层;以及执行第二蚀刻以从该至少一个井的底部去除氧化物介电层。本专利技术的另一方面提供纳米结构的多井固态a-Se辐射探测器,包括半导体、像素电极、第一介电层、第二介电层、第三介电层、第一导电栅极层和第二导电栅极层。像素电极沉积在衬底上,第一导电栅极层沉积在第一介电层上,第二介电层沉积在第一导电栅极层上,第二导电栅极层沉积在第二介电层上,第三介电层沉积在第二导电栅极层上,蚀刻掩模沉积在第三本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种制造多井非晶硒(a‑Se)探测器的方法,包括:邻近衬底沉积像素电极;沉积第一介电层;在第一介电层上沉积第一导电栅极层;在第一导电栅极层上沉积第二介电层;在第二介电层上沉积第二导电栅极层;在第二导电栅极层上沉积第三介电层;在第三介电层上沉积蚀刻掩模;执行第一蚀刻以形成至少两个柱,其间具有至少一个井;在所述至少两个柱上和所述至少一个井的底部上沉积氧化物介电层;以及执行第二蚀刻以从所述至少一个井的底部去除氧化物介电层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.07 US 62/275,9191.一种制造多井非晶硒(a-Se)探测器的方法,包括:邻近衬底沉积像素电极;沉积第一介电层;在第一介电层上沉积第一导电栅极层;在第一导电栅极层上沉积第二介电层;在第二介电层上沉积第二导电栅极层;在第二导电栅极层上沉积第三介电层;在第三介电层上沉积蚀刻掩模;执行第一蚀刻以形成至少两个柱,其间具有至少一个井;在所述至少两个柱上和所述至少一个井的底部上沉积氧化物介电层;以及执行第二蚀刻以从所述至少一个井的底部去除氧化物介电层。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,第一蚀刻执行为从第三介电层向第二导电栅极层、第二介电层、第一导电栅极、到第一介电层、并到像素电极。3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,第一蚀刻是各向异性的,并且其中第一蚀刻不蚀刻像素电极。4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第二蚀刻不从具有所述至少一个井的所述至少两个柱的侧面移除所述氧化物介电层。5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第二蚀刻不蚀刻所述像素电极。6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述至少两个柱中的每一个包括所述第一导电栅极层和所述第二导电栅极层,在所述至少一个井的相对侧上形成一对第一导电栅极层和一对第二导电栅极层。7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述一对第一导电栅极层与所述像素电极间隔开第一距离,其中,所述一对第二导电栅极层与所述像素电极隔开第二距离,并且其中第一距离不同于第二距离。8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述氧化物介电层完全封装所述一对第一导电栅极层中的每一个。9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述氧化物介电层完全封装所述一对第二导电栅极层中的每一个。10.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述一对第一导电栅极层与所述一对第二导电栅极层对准,而不必在执行所述第一蚀刻之前对准所述第一导电栅极层和所述第二导电栅极层。11.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一导电栅极层和所述第二导电栅极层分别堆叠在所述第一介电层上或所述第二介电层上之前,未被图案化。12.一种纳米结构...

【专利技术属性】
技术研发人员:阿米尔侯赛因·戈登赵伟
申请(专利权)人:纽约州立大学研究基金会
类型:发明
国别省市:美国,US

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