CMOS工艺X射线图像传感器设计

孟丽娅，袁 松，王庆祥

(1.光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400032；2.重庆大学 光电工程学院，重庆 400032)

X射线在医学成像、生物分子结构研究、空间应用、工业产品质量检查和评估等方面具有广泛、重要的应用。常规的高精度X射线数字化成像技术通常需采用CsI(Tl)闪烁体或Gd2O2S增感屏将X射线转换为可见绿光或蓝光[1]，然后通过光纤或透镜系统，经CCD或CMOS图像传感器将该荧光信号变换为电信号从而获得图像，而闪烁体或增感屏会降低成像信号的空间分辨率和时间分辨率。若能省略闪烁体或增感屏，直接对X射线进行数字成像，有望进一步提高X射线成像检测系统的分辨率和探测效率[2]。本文研究一种不需中间光转换层，直接对X射线进行成像的低成本标准CMOS工艺图像传感器，设计该种图像传感器的像元结构，对其X射线探测原理进行理论分析，并采用0.5 μm标准CMOS工艺制作含不同光敏元的线阵图像传感器，进行X射线探测实验。

1 像元结构

光敏元采用N阱/P衬底二极管结构，像元内电路为典型的3-T读出结构[3]，像元内晶体管采用N型MOS晶体管以避免影响光敏元对电荷的收集。X射线对N型MOS晶体管器件的影响主要为阈值电压漂移和漏电流的增加[4]，可采用环形栅结构进行辐射加固[5]。X射线入射到硅电路上，将穿透制作在硅表面上的电路结构，沿着射线穿过的轨迹按一定比例损失能量，并在硅材料中引起电离辐射效应，激发出电子/空穴对，激发出的电子一部分在扩散过程中与空穴复合，另一部分到达N阱被收集。……