CMOS工藝X射線圖像傳感器設(shè)計(jì)

孟麗婭，袁 松，王慶祥

(1.光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400032；2.重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400032)

X射線在醫(yī)學(xué)成像、生物分子結(jié)構(gòu)研究、空間應(yīng)用、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢查和評估等方面具有廣泛、重要的應(yīng)用。常規(guī)的高精度X射線數(shù)字化成像技術(shù)通常需采用CsI(Tl)閃爍體或Gd2O2S增感屏將X射線轉(zhuǎn)換為可見綠光或藍(lán)光[1]，然后通過光纖或透鏡系統(tǒng)，經(jīng)CCD或CMOS圖像傳感器將該熒光信號變換為電信號從而獲得圖像，而閃爍體或增感屏?xí)档统上裥盘柕目臻g分辨率和時(shí)間分辨率。若能省略閃爍體或增感屏，直接對X射線進(jìn)行數(shù)字成像，有望進(jìn)一步提高X射線成像檢測系統(tǒng)的分辨率和探測效率[2]。本文研究一種不需中間光轉(zhuǎn)換層，直接對X射線進(jìn)行成像的低成本標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝圖像傳感器，設(shè)計(jì)該種圖像傳感器的像元結(jié)構(gòu)，對其X射線探測原理進(jìn)行理論分析，并采用0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作含不同光敏元的線陣圖像傳感器，進(jìn)行X射線探測實(shí)驗(yàn)。

1 像元結(jié)構(gòu)

光敏元采用N阱/P襯底二極管結(jié)構(gòu)，像元內(nèi)電路為典型的3-T讀出結(jié)構(gòu)[3]，像元內(nèi)晶體管采用N型MOS晶體管以避免影響光敏元對電荷的收集。X射線對N型MOS晶體管器件的影響主要為閾值電壓漂移和漏電流的增加[4]，可采用環(huán)形柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻射加固[5]。X射線入射到硅電路上，將穿透制作在硅表面上的電路結(jié)構(gòu)，沿著射線穿過的軌跡按一定比例損失能量，并在硅材料中引起電離輻射效應(yīng)，激發(fā)出電子/空穴對，激發(fā)出的電子一部分在擴(kuò)散過程中與空穴復(fù)合，另一部分到達(dá)N阱被收集。在低載流子密度情況下，決定非平衡載流子壽命的主要復(fù)合機(jī)制是借助于缺陷能級的間接復(fù)合[6]。

當(dāng)X射線持續(xù)入射到探測器中，單位時(shí)間內(nèi)在每μm硅襯底中激發(fā)的電子/空穴對數(shù)目n為：

n=C1ρDX/Eg

(1)

式中：C1為每μm硅襯底所吸收的X射線能量的比率；DX為單位時(shí)間內(nèi)X射線劑量；Eg為硅中電子/空穴對的電離能；ρ為探測器材料的密度。

施加了正偏壓的N阱將不斷吸引被激發(fā)出來的電子，N阱深度越大，吸引的電子數(shù)目越多。若電荷載流子的產(chǎn)生壽命為τ′，則持續(xù)的X射線入射不斷地產(chǎn)生電子/空穴對，所生成的額外載流子的密度N(t)為：

N(t)=nτ′(1-et/τ′)=C1ρDXτ′(1-et/τ′)/Eg

(2)

(3)

電子速度ve為：

(4)

式中：E為電場強(qiáng)度；Ec=vs/μ，vs為電子漂移飽和速度。

在300 K時(shí)，μ=1 450 cm2/(V·s)，β=1.30，Ec=7 240 V/cm，則單位時(shí)間內(nèi)收集的電荷總數(shù)為：

Q=N(t)s=C1ρDXτ′(1-et/τ′)·

(5)

電荷形成的電壓VX=Q/CT，二極管勢壘電容CT為：

(6)

式中：ε為相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；NA為P區(qū)摻雜濃度；q為電子電荷；V為外加電壓；Vbi為硅的內(nèi)建電勢。

則有：

(7)

由式(7)可知，光敏元面積越小、襯底的摻雜濃度越低、襯底缺陷越少、施加的偏壓越大，VX越大。另外，在同一像元中有多個(gè)光敏元有利于更好地收集X射線在襯底上激發(fā)的電子，但隨光敏元個(gè)數(shù)的增加，其寄生電容和漏電流也將增大。本文設(shè)計(jì)了4種像元：單個(gè)像元內(nèi)含1、2、3及4個(gè)光敏元，每個(gè)光敏元面積均為5 μm×5 μm，像元內(nèi)的光敏元的水平中心距為25 μm，垂直中心距為30 μm，相對位置如圖1所示。

X射線對光敏元的影響主要體現(xiàn)為漏電流的增大[7]，光敏元漏電流增大的原因是對光敏元進(jìn)行隔離的場氧具有較柵氧更多的缺陷，更易捕獲電荷從而導(dǎo)致電荷的堆積，因此在光敏元邊緣處利用多晶硅層在N阱的邊緣處形成較薄的柵氧，減少捕獲電荷[8]，但在柵氧和場氧的交界處會形成寄生的邊緣N型場效應(yīng)晶體管，該寄生場效應(yīng)晶體管同樣具有閾值電壓漂移特性，這樣在寄生晶體管的柵極電壓為0 V時(shí)可能會有源漏電流，因此，采用P+保護(hù)環(huán)以避免該源漏電流的產(chǎn)生。

圖1 4種光敏元結(jié)構(gòu)

2 X射線實(shí)驗(yàn)

本文采用0.5 μm DPTM CMOS工藝制作了40位線陣，比較不同結(jié)構(gòu)像元的電荷收集效果。流片封裝后的40位線陣由40位光敏元、源隨器、相關(guān)雙采樣電路和輸出緩沖器及移位寄存器[9]組成。該線陣中像元結(jié)構(gòu)依次為1、2、3和4個(gè)光敏元結(jié)構(gòu)，每種類型設(shè)計(jì)了10位像元，中心距100 μm。圖2為示波器記錄的對牙科射線儀的輸出響應(yīng)，由于牙科射線儀為整流輸出，并不是恒定直流射線源，而線陣的積分時(shí)間很短，因此示波器上出現(xiàn)高低不同的多條曲線。

圖2 線陣在牙科射線儀照射下的輸出

利用NI數(shù)據(jù)采集卡PCI 6115和LabView虛擬儀器程序及SB-80-250直流X射線源對該線陣進(jìn)行測試，采用厚0.12 mm的鋁片將實(shí)驗(yàn)用線陣的窗口進(jìn)行高頻壓焊密封。SB-80-250直流X射線源的管電流范圍為10～250 μA，管電壓范圍為35～80 kV。本文分別測試3片線陣樣管在無入射光時(shí)的暗信號電壓及在不同射線源輸出下的電壓響應(yīng)曲線(積分時(shí)間tint=18.7 ms)，結(jié)果示于圖3～5。圖3～5中所有數(shù)據(jù)均為測試100次的均值(圖中未顯示第1位像元的輸出)。圖3為無X射線照射時(shí)測得的線陣暗信號電壓Vod，含1個(gè)光敏元的像元暗信號電壓均值為0.914 V，含2個(gè)光敏元的像元暗信號電壓均值為0.929 V，含3個(gè)光敏元的像元暗信號電壓均值為0.945 V，含4個(gè)光敏元的像元暗信號電壓均值為0.990 V。暗信號電壓隨像元中光敏元個(gè)數(shù)的增加而增大，總的漏電流隨光敏元個(gè)數(shù)的增加而增大。

圖3 線陣輸出暗信號電壓

圖4為將X射線源的管電流固定為250 μA，改變其管電壓時(shí)線陣的有效輸出電壓Voe(Voe為線陣各像元的輸出電壓減去相應(yīng)的暗信號電壓)?？煽闯觯?dāng)X射線源管電壓為75 kV以上時(shí)，線陣輸出已基本飽和，飽和有效輸出電壓約為1.4 V。

圖4 線陣在不同管電壓X射線源下的有效輸出電壓

圖5為將X射線源管電壓固定為80 kV，改變其管電流時(shí)線陣的有效輸出電壓?？煽闯?，當(dāng)X射線源管電流為200 μA時(shí)陣列輸出未飽和，而增大X射線源管電流至250 μA時(shí)陣列輸出飽和。

圖5 線陣在不同管電流X射線源下的有效輸出電壓

由圖4和5可見，對于含1個(gè)光敏元、2個(gè)光敏元和3個(gè)光敏元的像元結(jié)構(gòu)，隨著光敏元個(gè)數(shù)的增加有效輸出電壓增大；但對于含4個(gè)光敏元的像元結(jié)構(gòu)，有效輸出電壓低于2個(gè)光敏元和3個(gè)光敏元的像元結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)橄裨目偧纳娙莺吐╇娏麟S光敏元個(gè)數(shù)增加的結(jié)果。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了用于X射線直接成像的圖像傳感器線陣，分析了其電荷收集的原理，設(shè)計(jì)了含多個(gè)光敏元的輻射加固像元結(jié)構(gòu)。采用虛擬儀器技術(shù)對該線陣進(jìn)行了測試，該線陣的暗信號電壓約為1 V，飽和輸出電壓約為2.4 V。在單個(gè)像元內(nèi)設(shè)計(jì)多個(gè)光敏元有利于電荷的收集，但隨著光敏元個(gè)數(shù)的增加寄生電容和漏電流增加，針對本文所設(shè)計(jì)的光敏元結(jié)構(gòu)及所采用的工藝，單個(gè)像元內(nèi)含3個(gè)光敏元的結(jié)構(gòu)得到的有效輸出電壓最大。

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