[发明专利]高电荷容量像素架构、辐射图像摄像系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及成像阵列中使用的像素。更具体地说，本发明涉及具有可适于在可包括医疗诊断、无损检测等的可见和X射线图像传感应用中使用的较高电荷容量和较高填充因数的共面像素。

发明背景

由多个传感器像素100组成的成像阵列在成像技术中众所周知。传感器像素100通常包括切换元件210(诸如薄膜晶体管(TFT))和光电转换元件220(诸如光二极管)。图1示出传感器像素100的示意性等效像素电路。光电转换元件220或光传感器对入射辐射敏感且可以产生许多电荷载子，其中电荷载子的数量取决于辐射剂量。在由多个像素组成的成像阵列中，通常在读出之前跨传感器的内部电容暂时存储光产生的载子。额外像素上存储电容器230可以添加至每个像素以增加像素的电荷容量Q_pix。切换元件210的任务是维持像素内的信号并随后启用信号的读出。关注的信号通常由保持于像素的浮动节点240处的电荷载子的改变表示，此改变通常表现为浮动节点240的电势改变。除了装置元件210、220、230之外，信号线也对传感器像素和成像阵列的功能性至关重要。切换元件210受控于规定信号电荷释放过程的时间和持续时间的扫描线250。数据线260为释放的电荷载子提供至读出电子器件的路径。偏压线270为光电转换元件220提供适当的偏压电压

多个传感器像素可以矩阵样式平铺以形成成像阵列。图2示出可以用于一般辐射探测装置的3×3像素成像阵列的示意性等效图。偏压 线270可以在每列中的像素之间共享且连接至传感器偏压电路。接地线340可以在平行于扫描线250的每行中的像素之间共享。像素上存储电容器230的下电极330(未在图2中标记)连接至提供共同接地参考电势的接地线340。数据线260在每列中的像素之间共享且连接至读出电子器件。扫描线250在每行中的像素之间共享且连接至驱动电子器件。驱动电路在扫描线250上提供适当的信号以通常按顺序、通常一次一行地将存储于像素100的浮动节点240上的信号释放至数据线260。

像素上存储电容器230的并入解决大多数信号电荷跨光电转换元件220的内部电容存储的情况下的相关技术像素的若干问题。举例而言，像素上存储电容器230的添加帮助增加像素电荷容量Q_pix。像素的电荷容量规定在读出之前可存储于像素中的光产生的信号电荷的最大量。Q_pix可近似为Q_pix＝C_pix×V_max，其中C_pix是光电转换元件220的内部电容(下文中指示为C_pd)与像素上存储电容器230的电容(下文中指示为C_st)之和，且V_max是像素的正常操作下允许的最大电势改变。对于像素上存储电容器230并不存在的情况下的相关技术像素，C_pix的量值由C_pd控制。当V_max保持恒定时，像素上存储电容器230的添加增加C_pix的量值，使得Q_pix增加。增加像素电荷容量可以解决受到高暴露的成像区域中的限幅问题。

美国专利第7,524,711号公开了一种制造用于在间接X射线传感器中使用的TFT阵列底板的像素上存储电容器230的方法。图3A至图6A图示TFT阵列底板300的不同制造阶段下的像素的自顶向下图。图3B至图6B图示对应于图3A至图6A的像素的截面图。截面图的切面线A-A’示出于自顶向下图说明中。应注意，图6A和图6B中所示的传感器像素TFT底板结构300并不构成图1中所示的整个传感器像素100；其仅仅示出美国专利第7,524,711号中公开的切换元件210和像素上存储电容器230的制造步骤。