[发明专利]硒光电倍增管及其制造方法

说明书

提供一种场成形多井光电倍增管及其制造的方法。光电倍增管包括场成形多井雪崩探测器，包括下绝缘体、a‑Se光电导层和上绝缘体。该a‑Se光电导层位于下绝缘体和上绝缘体之间。沿光电倍增管的长度设置光相互作用区域、雪崩区域和收集区域，并且光相互作用区域和收集区域位于雪崩区域的相对侧。

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.62/275,927 的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。

技术领域

本发明通常涉及固态辐射成像探测器领域，尤其涉及具有场成形的多井探测器结构的非晶硒辐射探测器。

背景技术

核医学领域及其在诊断成像中的应用正在快速增长，并且正在研究使用单元件或像素阵列探测器的形式的固态光电倍增管，产生类似于传统光电倍增管(PMT)的性能特征。固态技术的优点是坚固耐用、尺寸紧凑、对磁场不敏感。到目前为止，从雪崩光电二极管(APD) 阵列构建的硅光电倍增管(SiPM)似乎是正电子发射断层扫描(PET)和单光子发射计算机断层扫描(SPECT)成像中替代PMT的唯一候选者，并迅速发展。然而，与PMT相比，SiPM不以线性模式运行，并且光子探测效率低、面积小、成本高、均匀性差且产率低。

为了实现类似于PMT大约10⁶的雪崩增益(g_av)，SiPM在高于击穿的非线性盖革模式下运行，这导致光学串扰。对于线性模式器件的高增益APD，由于碰撞电离引起的雪崩倍增过程是随机的并且产生过量噪声。

随着倍增因子(M)在APD中通过升高电场(F)而增加，雪崩增益的波动逐渐变得更差。考虑到在实际半导体材料中，单个载流子倍增的理想情况很少，并且电子和空穴都能够产生碰撞电离[1]，M对F的斜率是两个载流子电离率(k)之比的强函数，其中1≤k0。晶体硅中的高k值有助于APD和SiPM的均匀性和产率问题。先前为影印机开发的非晶硒(a-Se) 是该准则的唯一例外。

与结晶固体相比，a-Se容易在大面积上以低得多的成本均匀生产，并且a-Se是在高场下产生雪崩的唯一非晶材料。这种碰撞电离过程的关键特征在于只有空穴成为热载流子并经历雪崩倍增。因此，雪崩硒器件是具有非常低k值的线性模式器件。在商业上，a-Se中的雪崩增益使得能够开发第一个比人类视觉具有更高的灵敏度的光学相机，并且，该光学相机例如能够捕获诸如极光和日食的天文现象[2]。a-Se在蓝色波长下具有～90％的探测效率，这使其能够完美耦合到发射蓝光的闪烁体上，用于高能探测器辐射探测。a-Se是室温半导体，即使在高场下也具有宽带隙和超低漏电流。

直接转换型a-Se的FPD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-Se的FPD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，这种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吸收区域和探测器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探测器的高暗电流和对探测器潜在的不可逆转的损坏。