X射线直接成像用CMOS有源像素图像传感器技术研究

本课题拟研究一种不需要使用闪烁体或荧光屏的新型X射线探测用图像传感器。该传感器采用不带外延层的普通标准CMOS工艺制作。由于去掉了通常X射线成像中由闪烁体或荧光屏构成的X射线－荧光转换环节，该传感器具有更高的X射线成像空间分辨率和可靠性；直接从高阻硅衬底上收集电荷，有望得到更大的信号输出，从而提高传感器性能。研究采用不带外延层的普通CMOS标准工艺设计、制作耐辐射探测器的方法，利用ISE TCAD软件进行器件仿真，结合流片测试实验数据，优化器件结构和参数。探讨可拼接芯片的设计及拼接技术，以获得大尺寸的X射线直接成像用图像传感器。探索耐辐射器件结构和电路设计的方法，设计适用于X射线成像的高速低噪声读出电路结构和读出方法。研究不带外延层CMOS工艺的图像传感器提高X射线探测的效果。该研究对于医学用成像、空间应用和科学研究等都具有很大的实用意义。

常规高精度X射线成像技术需采用闪烁体或荧光层将入射的X射线转换为荧光，故其空间分辨率和时间分辨率会受到闪烁体(或荧光层)的限制，且闪烁体或荧光层的不均匀以及闪烁体或荧光层与成像器件之间相互耦合的不均匀也将影响输出信号的质量。另外某些闪烁体材料(比如CsI(Tl))本身是有毒性的，这也提高了加工和使用要求，限制了其使用场合。针对以上问题，本项目研究了一种不需要使用闪烁体或荧光屏的新型CMOS工艺X射线探测用图像传感器。.项目主要研究了标准CMOS工艺半导体器件探测X射线的机理，仿真分析了像元中心距和衬底掺杂浓度以及收集元的阱深对探测阵列各像元电荷收集的影响。研究了MOS器件辐射损害的机理，利用器件/工艺仿真软件对辐射致MOS器件损害进行了仿真。设计了收集元的辐射加固结构，结合流片测试实验数据优化了器件结构和参数。设计了全包闭合栅和半包闭合栅辐射加固MOS场效应晶体管结构，该辐射加固结构符合标准CMOS工艺的版图设计规则，对MOS晶体管宽长比没有尺寸约束。仿真拟合了该辐射加固MOS晶体管等效宽长比的计算式，经与0.5um工艺的样管流片测试数据比较，利用该式计算的数值与实测结果吻合较好。对晶体管抗总电离剂量效应的能力进行了测试和对比，测试结果表明半包闭合栅结构和全包闭合栅结构都在一定程度上能够减小总电离剂量效应引起的漏电流，全包闭合栅结构晶体管效果略优于半包闭合栅结构晶体管。.设计了单粒子效应加固的移位寄存器，采用0.5um DPTM CMOS工艺设计流片了X射线探测线阵图像传感器。进行了最大累计辐射剂量为5Mrad和3Mrad 两个批次的辐射实验测试。实验结果表明随着累计辐射剂量的增加，辐射加固线阵和未加固线阵暗信号都有所增加，有效输出信号幅度略有降低，未加固线阵的有效输出信号幅度下降得更多。研究了可拼接图像传感器的设计及拼接方法，利用位移台、直流X射线源和线阵图像传感器搭建了机械扫描成像实验台，获得了物体良好的X射线二维密度图像。.项目所研究的X射线直接成像图像传感器由于不需要X射线－荧光转换环节，能够提高X射线数字成像技术的分辨率和探测效率，不仅对于医学用成像、空间应用和科学研究等具有实用价值，其中关于耐辐射电路和器件结构的研究对于空间用电子电路的研究工作也有参考作用。