CN104781695B - 用于探测器晶体的子带红外辐照 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有用于将入射辐射转换为电信号的直接转换半导体层的辐射探测。当直接转换半导体材料被辐照时，子带红外(IR)辐照大大减少了直接转换半导体材料中的极化，使得可能以较高的管电流来进行计数，而不存在任何基线偏移。IR辐照设备被集成到读出电路中，晶体被以倒装芯片的方式键合到所述读出电路，以便实现4侧可对接晶体。
Description
技术领域
本发明涉及辐射探测器领域，例如但不限于包括用于将入射辐射转换为电信号的直接转换半导体层的X射线探测器。更具体地，本发明涉及光子计数(能量解析)探测器领域，例如用于人体医学成像或其他目的。
背景技术
包括直接转换半导体层的X射线探测器使得个体X射线量子或光子能够定量地并以能量选择的方式被探测。在该类型X射线探测器的情况下，入射X射线光子部分地由于与半导体材料的多阶段物理相互作用过程而在半导体层中生成电子空穴对形式的自由电荷载体。通过范例，以CdTe、CdZnTe(CZT)、CdTeSe、CdZnTeSe、CdMnTe、InP、TIBr2或HGI2形式的半导体材料适合于探测X射线光子，这是因为这些材料在医学成像的能量范围中具有高X射线吸收。例如，与硅和锗探测器相比，CZT是独特的，即CZT在室温下工作并且能够处理多于一百万个光子每秒每平方毫米。CZT的光谱分辨率超过大部分其他探测器的光谱分辨率。
为了探测对应于X射线光子的吸收事件，电极被安装在半导体层的两侧，并且将电压施加到电极以便于生成电场。针对吸收事件的空间解析探测，一个电极被体现为像素化形式，并且被设计为读出电极。与其相对布置的另一电极通常被体现为平面形式，并且被设计为计数器电极。在这些电极(即阳极和阴极)之间生成的电场中，自由电荷载体在电极处依据电荷类型和极性而被加速，其中，自由电荷载体诱发电流形式的电信号。例如借助于评估单元，电流被转换为评估信号，所述评估信号的幅度与电流曲线的面积积分成比例，并且因此与由入射X射线光子释放的电荷量成比例。由此生成的评估信号随后被引导到脉冲鉴别器，所述脉冲鉴别器以基于阈值的方式探测X射线。
光子计数能量解析的光谱计算机断层摄影(PCS-CT)探测器被认为是医疗CT的下一大进步。由于个体光子将被以20Mcps/mm2或更高的光子计数率关于其能量粗略地进行计数和表征，所以这样的探测器必须被建立有直接转换材料，如Cd[Zn]Te，而不是展现闪烁(当由电离辐射激发时发光的性质)并且大大慢于CZT的闪烁器。对于未来基于石榴石的闪烁器，这是可以改变的，然而，对于这样的设备，也需要将光转换为电信号的非常快的光电二极管。因此，当前直接转换材料(如Cd[Zn]Te)仍然是PCS-CT的有利选择。
然而，CZT材料倾向于极化，即在被利用X射线辐照时形成像素体积内的空间电荷，所述空间电荷减弱施加的电场，使得在X射线光子与CZT材料的相互作用中生成电子空穴对不再足够快地朝向阳极和阴极漂移。因此，收集到不足的电荷或甚至收集不到电荷，并且测量结果无疑是错误的。这在图4a中被图示，图4a示出了在具有四个各自不同的阈值(30keV、33keV、36keV、51keV)的4个不同能量通道Ch1到Ch4上在12000个100μs的短测量周期内测得的计数。邻近2000个测量周期之前，X射线辐照开始(遮板打开)，并且在大约7000个测量周期处，X射线辐照停止(遮板关闭)。由于启动X射线辐照之后探测材料体积中的极化效应，计数的数量在后续的测量周期期间下跌。到来的空间电荷削弱了电场，使得更少的电子到达阳极，这本身在减少的计数数量中得到证明。依据实际阈值，这种下跌在不同的时间点处被观察到。
WO2004/095067A1公开了一种X射线探测器元件，所述X射线探测器元件可以被特别用于平动态X射线探测器(FDXD)中。在所述探测器元件中，直接转换的转换材料层被布置在电极层与像素电极矩阵之间，在像素电极与转换层之间还存在光导分离层。在未照射状态下，所述分离层用作针对转换层的自由电荷载体的电子屏障，所述自由电荷载体已经由X射线产生，并且在电极之间的电场中迁移。在读出像素电极中的电荷转移之后，分离层通过利用来自二极管布置的重置光照射而呈现导电，使得在其界面处的电荷累积可以流走。分离层可以避免微扰暗电流，同时通过重复重置的相位避免电荷聚集。
额外地，US 7223981B1公开了具有半导体探测器阵列基板的伽马射线探测器模块，所述半导体探测器阵列基板在其第一表面上具有多个探测器单元盘，所述盘具有接触金属化和焊料屏障金属化。内插器卡具有不比半导体探测器阵列基板的平面尺寸、在其第一表面上的多个互连盘的平面尺寸、至少一个读出半导体芯片的平面尺寸以及在其第二表面上的至少一个连接器的平面尺寸更大的平面尺寸，每个具有不大于内插器卡的平面尺寸的平面尺寸。内插器可以容纳读出设备、任选的无源部件以及其他支持电子器件。为这些提供了通过诸如管脚阵列的连接器到探测元件以及到模块母板的互连。
发明内容
本发明的目的是提供在转换材料中具有较小极化的更有效的辐射探测。
该目的是通过根据本发明的辐射探测器、根据本发明的探测方法以及根据本发明的制造方法来实现的。
因此，辐射光子减少了直接转换材料的像素内的极化倾向，使得以较高的X射线通量进行计数成为可能。增加的IR光导致深阱被释放，使得不形成空间电荷。更具体地，通过使用子带IR光，待探测的辐射并不简单地由直接转换材料吸收，并且可以生成电子空穴对(例如以缺陷态)。如果提出的IR辐照从不存在金属化的侧面完成，则IR光未被吸收(严格说，仅由缺陷态吸收)，也使得离IR光源最远的像素仍然接收足够的子带IR光。
根据第一方面，多个红外辐射源适于利用子带红外辐射来辐照直接转换半导体层，所述子带红外辐射具有小于所述直接转换半导体层的带隙的光子能量。具有小于所述带隙的能量的辐射光子还减少直接转换材料的像素内的极化倾向。
根据可以与第一方面组合的第二方面，所述多个红外辐射源可以被提供在红外源层上，所述红外源层被内插在所述直接转换半导体层和基板的读出芯片之间，并且经由像素盘被以倒装芯片的方式键合到所述直接转换半导体层。这样的具有以倒装芯片的方式键合的结构由于4侧可对接(buttable)结构而允许高实装密度。
根据可以与第一或第二方面组合的第三方面，所述多个红外辐射源中的每个可以被布置在所述像素盘的间隙部分处，即所述直接转换材料未被盘金属化覆盖的位置。由此，所述IR辐射的至少部分可以进入直所述接转换半导体层，而不受电极金属化的任何抑制。
根据可以与第一到第三方面中的任意一方面组合的第四方面，所述红外源层可以包括用于将所述像素盘电连接到所述读出芯片上的相关接触部分的穿过连接部分。该措施减少布线复杂性，并且因此进一步增加实装密度。
根据可以与第一到第四方面中的任意一方面组合的第五方面，所述多个红外源可以包括多个组，每个组包括具有所述子带红外辐射的不同波长的红外源。因此，可以通过提供较宽的辐射谱来增加IR辐照的效率。在第四方面的更具体的实现方式中，所述多个组中的一个的每个红外源可以被布置在所述直接转换半导体层的各自的像素盘的不同角处。由此，可以平衡不同波长的空间分布。
根据可以与第一到第五方面中的任意一方面组合的第六方面，所述多个红外源可以被布置为从阳极侧辐照所述直接转换半导体层。这提供的优势在于，由于阳极电极被提供具有间隙部分，所以由电极金属化导致的辐射损失可以被减少。
根据可以与第一到第六方面中的任意一方面组合的第七方面，其中，所述红外源中的每个可以被分配到辐射探测器的像素的子集。这减少了红外源的数量，并且允许较高的实装密度。
根据可以与第一到第七方面中的任意一方面组合的第八方面，所述直接转换半导体层可以由Cd[Zn]Te晶体制成。该材料允许快速光子计数。这里，符号Cd[Zn]Te被用于表示两种材料CdTe和CdZnTe(即CZT)。
根据可以与第一到第八方面中的任意一方面组合的第九方面，制造过程可以包括将具有所述多个红外辐射源的所述红外源层内插在所述直接转换半导体层与所述读出芯片之间。
根据可以与第一到第九方面中的任意一方面组合的第十方面，所述制造过程可以包括利用被连接或被集成的红外辐射源将所述直接转换半导体层键合到所述读出芯片。
根据可以与第一到第十方面中的任意一方面组合的第十一方面，制造方法还可以包括使用所述红外源层作为内插器，以在将所述红外源层安装到所述读出芯片之前测试所述直接转换半导体层。由此，可以在所述制造过程期间评估提出的额外IR辐射的效果。
应当理解，确定根据本发明的辐射探测器、根据本发明的探测方法和根据本发明的制造方法的实质具有相似和/或相同的(特别是如在从属权利要求中定义的)优选实施例。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与各自的独立权利要求的任何组合。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。
附图说明
在以下附图中：
图1示意性并且示范性地示出了根据第一实施例的辐射探测器的横截面侧视图；
图2示意性并且示范性地示出了根据第一实施例的辐射探测器的俯视图；
图3示意性并且示范性地示出了针对不同的IR波长的、根据第二实施例的辐射探测器俯视图；
图4a和图4b示出了分别在具有和不具有IR-LED辐照的情况下在短测量周期内测得的计数的示意图。
具体实施方式
图1示意性并且示范性地示出了根据第一实施例的辐射探测器的横截面侧视图，其中，IR LED层10被内插在4侧可对接CMOS(互补金属氧化物半导体)读出电路或芯片50(例如专用集成电路(ASIC))与CZT晶体60之间。CZT晶体60经由像素盘20被以倒装芯片的方式键合到基板(即IR LED层10和读出芯片50)，所述基板执行读出。更具体地，IR辐照设备(即IR LED层10)被集成到读出芯片50中，CZT晶体60被以倒装芯片的方式键合到读出芯片50，使得获得4侧可对接晶体，其中，电输入/输出电路被布置在设备下方，而不是在其边缘处。这种3D封装允许辐射探测器极为紧密的间距。
具有子带IR LED光的辐照降低了CZT晶体60的像素内的极化倾向，使得以较高的X射线通量计数成为可能，在所述子带IR LED光中光学光子具有小于带隙的能量。然而，来自侧面的IR辐照具有这样的缺陷，即它仅允许3侧可对接探测器模块。为了支持4侧可对接探测器，可以从阴极侧(即图1中的上侧)进行IR辐照，其中，阴极金属化(未示出)可能不是障碍物，因为它是薄的。然而，之后IR LED层10在X射线束内。作为备选选项，可以从阳极侧(即图1中的下侧)进行IR辐照，由于在阳极侧上无论如何都存在非金属化的区域，所以这是有利的。如果这些像素间隙被辐照，则IR辐照将进一步得到改善。
因此，如图1中指示的，读出芯片50的读出电子器件的像素经由各自的焊接凸点并且通过连接部分40被直接键合到CZT晶体60的像素盘20。此外，提供了针对IR LED层10的供电触点42。除读出电子器件外，具有读出电路的基板也实现一个或多个子带IR LED源30。任选地，如以下结合第二实施例描述的，如果要使用不同的IR光波长，则可以实现每个像素多于一个的IR LED源30，这可以有助于释放甚至更多的具有不同能量的深阱的电荷。
备选地，仅在像素的子集中实现IR LED源30可能是足够的。如在例如McKendry等人的IEEE Photonics Techn Let，Vol.21，No.12,2009年6月15日中的“Individuallyaddressable AlInGaN micro-LED arrays with CMOS control and subnanosecondoutput pulses”中讨论的，由于IR LED源30可以由不同于CMOS的GaAs或AlGaAs材料制成，因此可以在不同基板(即IR LED层10)上实现IR LED源30，然后IR LED源30被以倒装芯片的方式键合到以CMOS技术制成的读出芯片50的读出电子器件。读出芯片50的CMOS基板实现针对每个像素的接触盘，并且也可以实现针对IR LED层10的供电。IR LED层10通过穿过接触部分40与像素盘20穿过接触，使得IR LED层10可以被以倒装芯片的方式键合到CZT晶体60，其中，IRLED层10上的IR LED源30的发射点照射像素间隙，或通过像素盘20的薄盘金属化。
另外，在制造过程期间，LED IR层10可以被用作内插器，以在将LED IR层10安装到读出电子器件之前测试CZT晶体60，使得在安装LED IR层10之后，CZT晶体60可以被测试其用于与IR光辐照一起的能量解析的X射线光子探测的性能。因此，可能测量由于增加的IR辐照，考虑的CZT晶体60实际上能够在多大程度上改进其性能。
图2示意性并且示范性地示出了根据第一实施例的辐射探测器的俯视图(朝向阳极)，具有用于单个IR波长的IR LED层10上的IR LED源30的2D布置。根据图2可以总结出，IRLED源30被布置在CZT晶体60(图2中未示出)的像素盘20之间的像素间隙处。
图3示意性并且示范性地示出了根据第二实施例的辐射探测器的俯视图(朝向阳极)，具有提供四个不同IR波长的IR LED源32的2D布置。在第二实施例中，具有不同IR波长的四个IR LED源32被布置在CZT晶体60(图3中未示出)的相邻像素盘20的边缘处。
在以上的第一和第二实施例中，IR LED30、32可以被集成到CMOS读出芯片50中。例如，有机LED(OLED)可以被集成到Si CMOS ASIC中。利用这样的集成，对实施例的其他简化是可能的。
图4b示出了类似于图4a并且指示在增加的IR-LED辐照(880nm)的情况下在具有四个不同阈值(30keV、33keV、36keV、51keV)的四个不同能量通道Ch1到Ch4上的若干100μs的短测量周期内测得的光子计数的示意图。根据图4b可以总结出，IR光导致计数率降低至消失，这可以由深阱被释放使得不形成空间电荷来解释。利用提出的子带IR辐射，IR光不由CZT材料简单地吸收，并且能够生成电子空穴对(由于缺陷状态)。在以图4b的示意图为基础的实验中，从侧面完成IR辐照。由于光未被吸收，距离光源最远的像素仍然也接收足够的子带IR光。
总之，已经描述了具有用于将入射辐射转换为电信号的直接转换半导体层的辐射探测。子带红外(IR)辐照在大大减少了直接转换半导体材料在被辐照时的极化，使得可能以较高的管电流进行计数，而不存在任何基线偏移。IR辐照设备被集成到读出电路中，晶体被以倒装芯片的方式键合到所述读出电路，以便实现4侧可对接晶体。
尽管在上述实施例中，要被探测的辐射是X射线，但在其他实施例中，也可以使用其他类型的辐射。例如，辐射源可以是生成另一波长范围内(例如可见光波长范围中)的光的辐射源。辐射源还可以是激光设备。
另外，尽管在以上实施例中讨论了子带红外光，但其他辐射波长也可以允许减少极化效应。因此，本发明不旨在限于子带辐射。描述的IR源可以是IR激光二极管，而不是IRLED 30，或是具有其他波长的其他辐射源。读出芯片50也不旨在被限制为CMOS技术，并且可以基于任何其他半导体技术而被实现。直接转换材料不被限制为CZT。除此以外，可以使用CdTe、CdTeSe、CdZnTeSe、CdMnTe、InP、TIBr2或HGI2形式的任何其他适合的半导体材料，而不是CZT晶体60，以用于探测X射线或其他辐射光子。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。。
附图仅是示意性的。例如，它们不是成比例的，即，例如电极比附图中所示的更薄。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。
单个单元或其他设备可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (10)
1.一种辐射探测器，包括：
a)直接转换半导体层(60)，其用于将入射辐射转换为电信号；
b)包括读出电子器件的基板，所述读出电子器件用于经由被布置在所述直接转换半导体层(60)处的像素盘(20)来接收所述电信号；以及
c)多个红外辐射源(30、32)，其被连接或集成到所述基板，并且适于辐照所述直接转换半导体层(60)；
所述辐射探测器的特征在于：
d)所述多个红外辐射源(30；32)被提供在红外源层(10)上，所述红外源层被内插在所述直接转换半导体层(60)与所述基板的读出芯片(50)之间，并且所述红外源层经由所述像素盘(20)被以倒装芯片的方式键合到所述直接转换半导体层(60)，其中，所述红外源层包括用于将所述像素盘(20)电连接到所述读出芯片(50)上的相关接触部分的穿过连接部分(40)。
2.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中，所述多个红外辐射源(30、32)适于利用子带红外辐射来辐照所述直接转换半导体层(60)，所述子带红外辐射具有小于所述直接转换半导体层(60)的带隙的光子能量。
3.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中，所述多个红外辐射源(30、32)中的每个被布置在所述像素盘(20)的间隙部分处。
4.根据权利要求2所述的辐射探测器，其中，所述多个红外辐射源包括多个组，每个组包括具有所述子带红外辐射的不同波长的红外辐射源(32)。
5.根据权利要求4所述的辐射探测器，其中，所述多个组中的一组中的每个红外辐射源(32)被布置在所述直接转换半导体层(60)的各自的像素盘(20)的不同角处。
6.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中，所述多个红外辐射源(30、32)被布置为从阳极侧辐照所述直接转换半导体层(60)。
7.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中，所述多个红外辐射源(30、32)中的每个被分配到所述辐射探测器的像素的子集。
8.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中，所述直接转换半导体层(60)是由Cd[Zn]Te晶体制成的。
9.一种制造辐射探测器的方法，所述方法包括：
a)将多个像素盘(20)布置在用于将入射辐射转换为电信号的直接转换半导体层(60)上；
b)将用于接收所述电信号的读出芯片(50)连接到所述像素盘(20)；并且
c)将多个红外辐射源(30、32)连接或集成到所述读出芯片(50)；
所述方法的特征在于：
将具有所述多个红外辐射源(30、32)的红外源层(10)内插在所述直接转换半导体层(60)与所述读出芯片(50)之间并且经由所述像素盘(20)将所述多个红外辐射源(30、32)以倒装芯片的方式键合到所述直接转换半导体层(60)，
其中，所述红外源层包括用于将所述像素盘(20)电连接到所述读出芯片(50)上的相关接触部分的穿过连接部分(40)。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括使用所述红外源层作为内插器，以在将所述红外源层安装到所述读出芯片(50)之前测试所述直接转换半导体层(60)。
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