CN107533145B - 制作半导体x射线检测器的方法 - Google Patents

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Abstract

制作适合于检测x射线的装置的方法包括获得具有第一表面(124)和第二表面(128)的衬底(122)，其中衬底(122)包括衬底(122)中或衬底(122)上的电子系统(121)，以及所述第一表面(124)上的多个电触点(125)；获得包括第一X射线吸收层(110)的第一晶片，其中该第一X射线吸收层(110)包括电极；使第一晶片接合到衬底(122)，使得所述第一X射线吸收层(110)的电极电连接到电触点(125)中的至少一个。

Description

制作半导体X射线检测器的方法
【技术领域】
本公开涉及X射线检测器，特别涉及制作半导体X射线检测器的方法。
【背景技术】
X射线检测器可以是用于测量X射线的通量、空间分布、光谱或其他性质的设备。
X射线检测器可用于许多应用。一个重要应用是成像。X射线成像是放射摄影技术并且可以用于揭示组成不均匀和不透明物体(例如人体)的内部结构。
早期用于成像的X射线检测器包括照相底片和照相胶片。照相底片可以是具有感光乳剂涂层的玻璃底片。尽管照相底片被照相胶片取代，由于它们所提供的优越品质和它们的极端稳定性而仍可在特殊情形中使用它们。照相胶片可以是具有感光乳剂涂层的塑胶胶片(例如，带或片)。
在20世纪80年代，出现了光激励萤光板(PSP板)。PSP板可包含在它的晶格中具有色心的萤光材料。在将PSP板暴露于X射线时，X 射线激发的电子被困在色心中直到它们受到在板表面上扫描的雷射光束的激励。在镭射扫描板时，捕获的激发电子发出光，其被光电倍增管收集。收集的光转换成数码图像。与照相底片和照相胶片相比，PSP可以被重复使用。
另一种X射线检测器是X射线图像增强器。X射线图像增强器的部件通常在真空中密封。与照相底片、照相胶片和PSP板相比，X射线图像增强器可产生即时图像，即不需要后曝光处理来产生图像。X射线首先撞击输入萤光体(例如，碘化铯)并且被转换成可见光。可见光然后撞击光电阴极(例如，包含铯和锑复合物的薄金属层)并且促使电子发射。发射电子数量与入射X射线的强度成比例。发射电子通过电子光学器件投射到输出萤光体上并且促使该输出萤光体产生可见光图像。
闪烁体的操作与X射线图像增强器有些类似之处在于闪烁体(例如，碘化钠)吸收X射线并且发射可见光，其然后可以被对可见光合适的图像感测器检测到。在闪烁体中，可见光在各个方向上传播和散射并且从而降低空间分辨率。使闪烁体厚度减少有助于提高空间分辨率但也减少X射线吸收。闪烁体从而必须在吸收效率与解析度之间达成妥协。
半导体X射线检测器通过将X射线直接转换成电信号而在很大程度上克服该问题。半导体X射线检测器可包括半导体层，其在感兴趣波长吸收X射线。当在半导体层中吸收X射线光子时，产生多个载流子(例如，电子和空穴)并且在电场下，这些载流子被扫向半导体层上的电触点。现有的半导体X射线检测器(例如，Medipix)中需要的繁琐的热管理会使得难以或不能生产具有大面积和大量像素的检测器。
【发明内容】
本文公开制作适合于检测x射线的装置的方法，该方法包括：获得衬底，其具有第一表面和第二表面，其中该衬底包括衬底中或衬底上的电子系统，其中衬底包括第一表面上的多个电触点；获得第一晶片，其包括第一X射线吸收层，其中该第一X射线吸收层包括电极；使第一晶片接合到衬底，使得第一X射线吸收层的电极电连接到电触点中的至少一个。
根据实施例，方法进一步包括将背衬衬底安装到第一晶片，使得第一晶片夹在背衬衬底与衬底之间。
根据实施例，方法进一步包括：获得第二晶片，其包括第二X射线吸收层，其中该第二X射线吸收层包括电极；以及使第二晶片接合到衬底，使得第二X射线吸收层的电极电连接到电触点中的至少一个。
根据实施例，第一晶片与第二晶片之间的间隙小于100微米。
根据实施例，第一晶片的面积要小于衬底。
根据实施例，第一晶片的热膨胀系数与衬底的热膨胀系数之间的比率是二或以上。
根据实施例，X射线吸收层包括硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe 或其组合。
根据实施例，X射线吸收层与铬掺杂。
根据实施例，X射线吸收层具有200微米或更少的厚度。
根据实施例，第一晶片包括第二表面上的再分布层(RDL)。
根据实施例，第一晶片包括通孔，其中该通孔从第一表面延伸到第二表面。
根据实施例，电子系统包括：第一电压比较器，其配置成将电极的电压与第一阈值比较；第二电压比较器，其配置成将电压与第二阈值比较；计数器，其配置成记录到达X射线吸收层的X射线光子的数目；控制器；其中该控制器配置成从第一电压比较器确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间启动时间延迟；其中控制器配置成在该时间延迟期间启动第二电压比较器；其中控制器配置成如果第二电压比较器确定电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值则促使计数器记录的数目增加一。
根据实施例，电子系统进一步包括电容器模组，其电连接到第一X 射线吸收层的电极，其中该电容器模组配置成收集来自第一X射线吸收层的电极的载流子。
根据实施例，控制器配置成在时间延迟开始或终止时启动第二电压比较器。
根据实施例，电子系统进一步包括电压表，其中控制器配置成在时间延迟终止时促使电压表测量电压。
根据实施例，控制器配置成基于在时间延迟终止时测量的电压值来确定X射线光子能量。
根据实施例，控制器配置成使第一X射线吸收层的电极连接到电接地。
根据实施例，电压变化率在时间延迟终止时大致为零。
根据实施例，电压变化率在时间延迟终止时大致为非零。
根据实施例，X射线吸收层包括二极管。
【附图说明】
图1A示意示出根据实施例的半导体X射线检测器。
图1B示出根据实施例的半导体X射线检测器100。
图2示出根据实施例、图1A中的检测器的一部分的示范性顶视图。
图3示意示出根据实施例的电子层120。
图4A示意示出X射线吸收层与电子层之间的直接接合。
图4B示意示出X射线吸收层与电子层之间的倒装接合。
图4C示意示出根据实施例的电子层。
图4D示意示出可获得多个晶片并且这些晶片中的每个包括X射线吸收层，例如在图1A、图1B、图2、图3、图4A或图4B中示出的 X射线吸收层。
图4E示出晶片可接合到电子层的衬底。
图4F和图4G示意示出背衬衬底可安装到晶片，使得晶片夹在背衬衬底与电子层的衬底之间。
图5示意示出电子层的底视图。
图6A示意示出如在图3中示出的电子层允许使多个半导体X射线检测器堆叠。
图6B示意示出堆叠的多个半导体X射线检测器100的顶视图。
图7A和图7B各自示出根据实施例，图1A或图1B中的检测器的电子系统的部件图。
图8示意示出根据实施例流过暴露于X射线的X射线吸收层的二极管的电极或电阻器的电触点的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子引起。
图9示意示出根据实施例在采用图8中示出的方式操作的电子系统中噪声(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线) 和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图10示意示出根据实施例在电子系统操作来检测处于较高速率的入射X射线光子时流过暴露于X射线的X射线吸收层的电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由X 射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子引起。
图11示意示出根据实施例在采用图10中示出的方式操作的电子系统中噪声(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图12示意示出根据实施例在采用图10中示出的方式(其中RST 在te之前终止)操作的电子系统中由X射线吸收层上入射的一系列X射线光子产生的载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图13示出根据实施例适合于医学成像(例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影等)的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图14示意示出根据实施例适合于牙齿X射线放射摄影的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图15示意示出根据实施例的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图16示意示出根据实施例的另一个货物扫描或非侵入式检查(NII) 系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图17示意示出根据实施例的全身扫描器系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图18示意示出根据实施例的X射线电脑断层摄影(X射线CT) 系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图19示意示出根据实施例的电子显微镜，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
【具体实施方式】
图1A示意示出根据实施例的半导体X射线检测器100。半导体X 射线检测器100可包括X射线吸收层110和电子层120(例如，ASIC)，用于处理和分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，半导体X射线检测器100不包括闪烁体。X射线吸收层110可包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的品质衰减系数。X射线吸收层110 可包括由第一掺杂区111、第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可通过本征区112(可选)而与第一掺杂区111分离。离散部分114通过第一掺杂区111或本征区112而彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113 具有相反类型的掺杂(例如，区111是p型并且区113是n型，或区111 是n型并且区113是p型)。在图1A中的示例中，第二掺杂区113的离散区114中的每个与第一掺杂区111和本征区112(可选)一起形成二极管。即，在图1A中的示例中，X射线吸收层110具有多个二极管，其具有第一掺杂区111作为共用电极。第一掺杂区111还可具有离散部分。
图1B示出根据实施例的半导体X射线检测器100。该半导体X射线检测器100可包括X射线吸收层110和电子层120(例如，ASIC)，用于处理或分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，半导体X射线检测器100不包括闪烁体。X射线吸收层110可包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的品质衰减系数。X射线吸收层110 可不包括二极管但包括电阻器。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括二极管)时，它可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向二极管中的一个电极漂移。电场可以是外部电场。电触点119B可包括离散部分，其中的每个与离散区114电接触。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移，使得单个X射线光子产生的载流子大致未被两个不同离散区114共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％流向与余下载流子不同的离散区114中的一个)。在实施例中，单个X射线光子产生的载流子可以被两个不同离散区114共用。图2示出具有4 ×4阵列的离散区114的设备100的一部分的示范性顶视图。在这些离散区114中的一个的足迹内入射的X射线光子产生的载流子大致未与这些离散区114中的另一个共用。在离散区114周围的区域中，大致所有 (超过95％，超过98％或超过99％的)由X射线光子产生的载流子流向离散区114，这个区域被称作与离散区114相关联的像素。即，这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％流到该像素外。通过测量流入离散区114中的每个内的漂移电流或离散区114中的每个的电压的变化率，可确定与离散区114相关联的像素内吸收的X射线光子的数量(其与入射X射线强度有关)和/或其能量。从而，入射X射线强度的空间分布 (例如，图像)可通过单独测量到离散区114阵列中的每个内的漂移电流或测量离散区114阵列中的每个的电压的变化率来确定。这些像素可采用任何适合的阵列来组织，例如方形阵列、三角形阵列和蜂窝状阵列。像素可具有任何适合的形状，例如圆形、三角形、方形、矩形和六角形。像素可以是独立可定址的。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括电阻器而非二极管) 时，它可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向电触点119A 和119B漂移。电场可以是外部电场。电触点119B包括离散部分。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移，使得单个X射线光子产生的载流子大致未被电触点119B的两个不同离散区部分共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％流向与余下载流子不同的离散部分中的一个)。在实施例中，单个X射线光子产生的载流子可以被电触点119B的两个不同离散部分共用。在电触点119B的这些离散部分中的一个的足迹内入射的X射线光子产生的载流子大致未与电触点119B的这些离散部分中的另一个共用。在电触点119B离散部分周围的区域中，大致所有(超过95％，超过98％或超过99％的)由X 射线光子产生的载流子流向电触点119B离散部分，这个区域被称作与电触点119B离散部分相关联的像素。即，这些载流子中不到5％、不到 2％或不到1％流到与电触点119B的一个离散部分相关联的像素外。通过测量流入电触点119B的离散部分中的每个内的漂移电流或电触点 119B的离散部分中的每个的电压的变化率，可确定与电触点119B的离散部分相关联的像素内吸收的X射线光子的数量(其与入射X射线强度有关)和/或其能量。从而，入射X射线强度的空间分布(例如，图像) 可通过单独测量到电触点119B的离散部分阵列中的每个内的漂移电流或测量电触点119B的离散部分阵列中的每个的电压的变化率来确定。这些像素可采用任何适合的阵列来组织，例如方形阵列、三角形阵列和蜂窝状阵列。像素可具有任何适合的形状，例如圆形、三角形、方形、矩形和六角形。像素可以是独立可定址的。
电子层120可包括电子系统121，其适合于处理或解释X射线吸收层110上入射的X射线光子产生的信号。电子系统121可包括例如滤波网路、放大器、积分器和比较器等模拟电路或例如微处理器等数字电路和内存。电子系统121可包括像素共用的部件或专用于单个像素的部件。例如，电子系统121可包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共用的微处理器。电子系统121可通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可用填充材料130填充，其可使电子层120到X射线吸收层110的连接的机械稳定性增加。在不使用通孔的情况下使电子系统121 连接到像素的其他接合技术是可能的。
图3示意示出根据实施例的电子层120。该电子层120包括衬底 122，其具有第一表面124和第二表面128。如本文使用的“表面”不一定被暴露，而可以全部或部分被掩埋。电子层120包括第一表面124上的一个或多个电触点125。该一个或多个电触点125可配置成电连接到 X射线吸收层110的一个或多个电极。电子系统121可以在衬底122中或衬底122上。电子层120包括一个或多个通孔126，其从第一表面124 延伸到第二表面128。电子层120包括第二表面128上的再分布层(RDL) 123。RDL 123可包括一个或多个传输线127。电子系统121通过通孔 126电连接到电触点125和传输线127。
衬底122可以是变薄衬底。例如，衬底可具有750微米或更少、 200微米或更少、100微米或更少、50微米或更少、20微米或更少或5 微米或更少的厚度。衬底122可以是硅衬底或其他适合的半导体或绝缘体。衬底122可通过将较厚衬底研磨到期望厚度而产生。
一个或多个电触点125可以是金属或掺杂半导体的层。例如，电触点125可以是金、铜、铂、钯、掺杂硅等。
通孔126经过衬底122并且使第一表面124上的电部件(例如电触点125)电连接到第二表面128上的电部件(例如，RDL)。通孔126 有时称为“硅直通孔”，但它们可在除硅以外的材料的衬底中制造。
RDL 123可包括一个或多个传输线127。这些传输线127使衬底 122中的电部件(例如，通孔126)在衬底122上的其他位点电连接到接合垫。传输线127可与衬底122电隔离，但在某些通孔126和某些接合垫处除外。传输线127可以是对于感兴趣的X射线能量具有小的X射线衰减的材料(例如Al)。RDL 123可将电连接再分布到更多便利位点。
图4A示意示出X射线吸收层110与电子层120之间、在电极(例如离散区114)和电触点125处的直接接合。直接接合是没有任何额外中间层(例如，焊料凸点)的晶圆接合工艺。接合工艺基于两个表面之间的化学接合。直接接合可在高温下进行但不一定如此。
图4B示意示出X射线吸收层110与电子层120之间、在电极(例如离散区114)和电触点125处的倒装接合。倒装接合使用沉积到接触垫(例如X射线吸收层110的电极或电触点125)上的焊料凸点199。X 射线吸收层110或电子层120翻转并且X射线吸收层110的电极与电触点125对齐。焊料凸点199可熔融以将电极和电触点125焊接在一起。焊料凸点199之间的任何空隙空间可用绝缘材料填充。
图4C示意示出根据实施例的电子层120。电子层120的衬底122 具有第一表面124上的多个电触点125。该多个电触点125可组织到多个区129内。电子层121可在衬底122中或衬底122上。
图4D示意示出可获得多个晶片189并且晶片189中的每个包括X 射线吸收层，例如在图1、图2、图3、图4A或图4B中示出的X射线吸收层110。晶片189中的每个中的X射线吸收层具有电极。
图4E示出晶片189可使用适合的接合方法接合到衬底122，例如在图4A和图4B中示出的倒装接合或直接接合。在实施例中，晶片189 中的每个接合到区域129中的一个。晶片189中的每个的电极电连接到电触点125中的至少一个。在晶片189接合到衬底122之后，两个相邻晶片189之间的间隙可以是100微米或更少。晶片189的面积可小于衬底122。晶片189可在接合到衬底122后设置为阵列。晶片189相对于衬底122的尺寸更小可有助于适应晶片189和衬底122的热膨胀系数差异。晶片189的热膨胀系数与衬底122的热膨胀系数之间的比率可以是二或以上。晶片189中的X射线吸收层可以是200微米厚或更少、100 微米厚或更少或50微米厚或更少。X射线吸收层的较小厚度使载流子被X射线吸收层中的缺陷捕获的机会减少并且从而提高电子系统121的电荷收集效率(CCE)。晶片189中的X射线吸收层可以是掺杂铬的材料，尤其在材料是GaAs时更如此。GaAs中的铬掺杂可使GaAs中EL2 缺陷的浓度降低并且从而允许X射线吸收层的厚度更高(从而吸收效率更高)而未失去太多载流子到缺陷。衬底122可具有通孔(例如在图3 中示出的通孔126)和RDL，例如在图3或图5中示出的RDL。
图4F和图4G示意示出背衬衬底150可安装到晶片189，使得晶片189夹在背衬衬底150和衬底122之间。背衬衬底150可向晶片189 和衬底122提供机械支承。背衬衬底150可以是对于感兴趣的X射线能量具有小的品质衰减系数的材料(例如，硅、二氧化硅)。背衬衬底150 还可充当电极以跨X射线吸收层的厚度施加电场。为了更好传导，在背衬衬底150与X射线吸收层之间可存在薄的导体层。
图5示意示出RDL 123的底视图，其中妨碍视图的其他部件被省略。可以看到传输线127电连接到通孔126并且使通孔126再分布到其他位点。
图6A示出如在图3中示出的电子层120因为RDL 123和通孔126 促进信号路径通过多个层的路由并且因为如下文描述的电子系统121可具有足够低的功耗来消除庞大的冷却机构而允许使多个半导体X射线检测器100堆叠。堆叠中的多个半导体X射线检测器100不必相同。例如，多个半导体X射线检测器100在厚度、结构或材料方面可不同。
图6B示意示出堆叠的多个半导体X射线检测器100的顶视图。每个层可具有平铺来覆盖较大区域的多个检测器100。一个层中的平铺检测器100可以和另一个层中的平铺检测器100彼此交错，这可消除其中无法检测入射X射线光子的间隙。
根据实施例，多个半导体X射线检测器100可并排平铺来形成较大检测器。多个检测器中的每个可具有单个或多个晶片。例如，对于在乳房摄影中的应用，吸收层可在单个硅晶圆上制作，该单个硅晶圆可接合到在另一单个硅晶圆上制作的电子层。四至六个这样的检测器可像瓦片一样并排平铺来形成大到足以拍摄人的乳腺的X射线图像的平铺检测器。多个平铺检测器可与交错的每个层内的间隙一起堆叠。
根据实施例，半导体X射线检测器100可使用包括以下的方法来制造：获得X射线吸收层，其包括电极；获得电子层，该电子层包括：具有第一表面和第二表面的衬底、衬底中或衬底上的电子系统、第一表面上的电触点、通孔和第二表面上的再分布层(RDL)；使X射线吸收层和电子层接合，使得电极电连接到电触点；其中RDL包括传输线；其中通孔从第一表面延伸到第二表面；其中电子系统通过通孔电连接到电触点和传输线。
图7A和图7B各自示出根据实施例的电子系统121的部件图。该电子系统121可包括第一电压比较器301、第二电压比较器302、计数器320、开关305、电压表306和控制器310。
第一电压比较器301配置成将二极管300的电极的电压与第一阈值比较。该二极管可以是由第一掺杂区111、第二掺杂区113的离散区 114中的一个和本征区112(可选)形成的二极管。备选地，第一电压比较器301配置成将电触点(例如，电触点119B的离散部分)的电压与第一阈值比较。第一电压比较器301可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第一电压比较器301可由控制器310可控地启动或停用。第一电压比较器301可以是连续比较器。即，第一电压比较器301可配置成被连续启动，并且连续监测电压。配置为连续比较器的第一电压比较器301使系统121错过由入射X射线光子产生的信号的机会减少。配置为连续比较器的第一电压比较器301在入射X射线强度相对高时尤其适合。第一电压比较器301 可以是钟控比较器，其具有较低功耗的益处。配置为钟控比较器的第一电压比较器301可导致系统121错过由一些入射X射线光子产生的信号。在入射X射线强度低时，错过入射X射线光子的机会因为两个连续光子之间的间隔相对长而为低。因此，配置为钟控比较器的第一电压比较器 301在入射X射线强度相对低时尤其适合。第一阈值可以是一个入射X 射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的5-10％、10％-20％、 20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射X射线光子的能量(即，入射X射线的波长)，X射线吸收层110的材料和其他因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器302配置成将电压与第二阈值比较。第二电压比较器302可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第二电压比较器302可以是连续比较器。第二电压比较器302可由控制器310可控地启动或停用。在停用第二电压比较器302时，第二电压比较器302的功耗可以是启动第二电压比较器302时的功耗的不到1％、不到5％、不到10％或不到20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文使用的，术语实数x的“绝对值”或“模数”|x|是x的非负值而不考虑它的符号。即，第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器302和第一电压比较器301可以是相同部件。即，系统121可具有一个电压比较器，其可以在不同时间将电压与两个不同阈值比较。
第一电压比较器301或第二电压比较器302可包括一个或多个运算放大器或任何其他适合的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可具有高的速度以允许系统121在高的入射X射线通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗为代价。
计数器320配置成记录到达二极管或电阻器的X射线光子的数目。计数器320可以是软件部件(例如，电脑内存中存储的数目)或硬件部件(例如，4017IC和7490IC)。
控制器310可以是例如微控制器和微处理器等硬件部件。控制器 310配置成从第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从第一阈值的绝对值以下增加到等于或超过第一阈值的绝对值的值)的时间启动时间延迟。在这里因为电压可以是负的或正的而使用绝对值，这取决于是使用二极管的阴极还是阳极的电压或使用哪个电触点。控制器310可配置成在第一电压比较器301 确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间之前保持停用第二电压比较器302、计数器320和第一电压比较器301的操作不需要的任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定(即，电压的变化率大致为零)之前或之后终止。短语“电压的变化率大致为零”意指电压的时间变化小于0.1％/ns。短语“电压的变化率大致为非零”意指电压的时间变化是至少0.1％/ns。
控制器310可配置成在时间延迟期间(其包括开始和终止)启动第二电压比较器。在实施例中，控制器310配置成在时间延迟开始时启动第二电压比较器。术语“启动”意指促使部件进入操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过提供电力等)。术语“停用”意指促使部件进入非操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可被停用直到电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值时第一电压比较器301的输出才启动控制器310。
如果在时间延迟期间第二电压比较器302确定电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310可配置成促使计数器320记录的数目增加一。
控制器310可配置成促使电压表306在时间延迟终止时测量电压。控制器310可配置成使电极连接到电接地，以便使电压重定并且使电极上累积的任何载流子放电。在实施例中，电极在时间延迟终止后连接到电接地。在实施例中，电极在有限复位时期连接到电接地。控制器310 可通过控制开关305而使电极连接到电接地。开关可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。
在实施例中，系统121没有模拟滤波器网路(例如，RC网路)。在实施例中，系统121没有模拟电路。
电压表306可将它测量的电压作为模拟或数字信号馈送给控制器 310。
系统121可包括电容器模组309，其电连接到二极管300的电极或电触点，其中电容器模组配置成从电极收集载流子。电容器模组可以包括放大器的反馈路径中的电容器。如此配置的放大器叫作电容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通过防止放大器饱和而具有高的动态范围并且通过限制信号路径中的频宽来提高信噪比。来自电极的载流子在一段时间(“整合期”)(例如，如在图8中示出的，在t0至t1或t1-t2之间)内在电容器上累积。在整合期终止后，对电容器电压采样然后由重定开关将其重定。电容器模组可以包括直接连接到电极的电容器。
图8示意示出由二极管或电阻器上入射的X射线光子产生的载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器，并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值V1的绝对值，并且控制器310启动时间延迟TD1并且控制器 310可在TD1开始时停用第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被停用，在t1启动控制器310。在TD1期间，控制器310启动第二电压比较器302。如这里使用的术语在时间延迟“期间”意指开始和终止 (即，结束)和中间的任何时间。例如，控制器310可在TD1终止时启动第二电压比较器302。如果在TD1期间，第二电压比较器302确定在时间t2电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间ts，时间延迟TD1终止。在图8的示例中，时间ts在时间te之后；即TD1在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之后终止。电压的变化率从而在ts大致为零。控制器310可配置成在TD1终止时或在t2或中间的任何时间停用第二电压比较器302。
控制器310可配置成促使电压表306在时间延迟TD1终止时测量电压。在实施例中，在电压的变化率在时间延迟TD1终止后大致变为零之后，控制器310促使电压表306测量电压。该时刻的电压与X射线光子产生的载流子的数量成比例，该数量与X射线光子的能量有关。控制器310可配置成基于电压表306测量的电压确定X射线光子的能量。确定能量的一个方式是通过使电压装仓。计数器320对于每个仓可具有子计数器。在控制器310确定X射线光子的能量落在仓中时，控制器310 可促使对于该仓的子计数器中记录的数目增加一。因此，系统121能够检测X射线图像并且能够分辨每个X射线光子的能量。
在TD1终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重定。在RST之后，系统 121准备检测另一个入射X射线光子。系统121在图8的示例中可以应对的入射X射线光子的速率隐式地受限于1/(TD1+RST)。如果第一电压比较器301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启动它。
图9示意示出在采用图8中示出的方式操作的系统121中噪声(例如，暗电流、背景辐射、散射X射线、萤光X射线、来自相邻像素的共用电荷)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。在时间t0，噪声开始。如果噪声未大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值，控制器310未启动第二电压比较器 302。如果在时间t1噪声大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值(如由第一电压比较器301确定的)，控制器310启动时间延迟TD1并且控制器310可在TD1开始时停用第一电压比较器301。在TD1期间(例如，在TD1终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。在TD1期间，噪声不太可能大到足以促使电压的绝对值超出V2的绝对值。因此，控制器310未促使计数器320记录的数目增加。在时间te，噪声结束。在时间ts，时间延迟TD1终止。控制器310可配置成在TD1终止时停用第二电压比较器302。如果在TD1期间电压的绝对值未超出V2的绝对值，控制器310可配置成未促使电压表306测量电压。在TD1终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上由于噪声而累积的载流子流到地面并且使电压重定。因此，系统121在噪声抑制方面可非常有效。
图10示意示出在系统121操作来检测处于比1/(TD1+RST)更高速率的入射X射线光子时由二极管或电阻器上入射的X射线光子产生的载流子所引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0，X 射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器的电触点，并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值V1的绝对值，并且控制器310启动比时间延迟 TD1还短的时间延迟TD2，并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被停用，在t1启动控制器310。在TD2期间(例如，在TD2终止时)，控制器310启动第二电压比较器 302。如果在TD2期间，第二电压比较器302确定在时间t2电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间th，时间延迟TD2终止。在图10的示例中，时间th在时间te之前；即TD2在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之前终止。电压的变化率从而在th大致为非零。控制器310可配置成在TD2终止时或在t2或中间的任何时间停用第二电压比较器302。
控制器310可配置成从在TD2期间作为时间函数的电压推断在te的电压并且使用推断的电压来确定X射线光子的能量。
在TD2终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重定。在实施例中，RST 在te之前终止。当RST在te之前终止时，RST后电压的变化率可因为X 射线光子产生的所有载流子未漂移出X射线吸收层110而大致为非零。电压的变化率在te后大致变为零并且电压在te后稳定为残余电压VR。在实施例中，RST在te或te之后终止，并且RST后电压的变化率可因为 X射线光子产生的所有载流子在te漂移出X射线吸收层110而大致为零。在RST后，系统121准备检测另一个入射X射线光子。如果第一电压比较器301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启动它。
图11示意示出在采用图10中示出的方式操作的系统121中噪声 (例如，暗电流、背景辐射、散射X射线、萤光X射线、来自相邻像素的共用电荷)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。在时间t0，噪声开始。如果噪声未大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值，控制器310未启动第二电压比较器302。如果在时间t1噪声大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值(如由第一电压比较器301确定的)，控制器310启动时间延迟TD2 并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。在TD2期间 (例如，在TD2终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。在TD2 期间噪声不太可能大到足以促使电压的绝对值超出V2的绝对值。因此，控制器310未促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，噪声结束。在时间th，时间延迟TD2终止。控制器310可配置成在TD2终止时停用第二电压比较器302。在TD2终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上由于噪声而累积的载流子流到地面并且使电压重定。因此，系统121在噪声抑制方面可非常有效。
图12示意示出在采用图10中示出的方式(其中RST在te之前终止)操作的系统121中由二极管或电阻器上入射的一系列X射线光子产生的载流子所引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。由每个入射X射线光子产生的载流子引起的电压曲线在该光子之前偏移了残余电压。残余电压的绝对值随每个入射光子而依次增加。当残余电压的绝对值超出V1时(参见图12中的虚线矩形)，控制器启动时间延迟TD2并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。如果在TD2期间在二极管或电阻器上没有其他 X射线光子入射，控制器在TD2结束时在复位时期RST期间使电极连接到电接地，由此使残余电压重定。残余电压从而未促使计数器320记录的数目增加。
图13示意示出这样的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该系统可用于医学成像，例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影等。系统包括X摄影源1201。从X射线源1201发射的X射线穿过物体1202(例如，例如胸部、肢体、腹部等人体部位)、由于物体1202的内部结构(例如，骨头、肌肉、脂肪和器官等)而衰减不同程度并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100 通过检测X射线的强度分布来形成图像。
图14示意示出这样的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该系统可用于医学成像，例如牙齿X射线放射摄影。系统包括 X射线源1301。从X射线源1301发射的X射线穿过物体1302，其是哺乳动物(例如，人类)口腔的部分。物体1302可包括上颚骨、颚骨、牙齿、下颚或舌头。X射线由于物体1302的不同结构而衰减不同程度并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。牙齿比龋齿、感染和牙周膜吸收更多的X射线。牙科患者接收的X射线辐射的剂量典型地是小的(对于全口系列是近似0.150mSv)。
图15示意示出货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。系统可用于在例如海运集装箱、车辆、轮船、行李等传输系统中检查和识别物品。系统包括X射线源1401。从X射线源1401发射的X射线可从物体1402(例如，海运集装箱、车辆、轮船等)背散射并且被投射到半导体X射线检测器100。物体1402 的不同内部结构可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100 通过检测背散射X射线的强度分布和/或背散射X射线光子的能量来形成图像。
图16示意示出另一个货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。系统可用于公交站和机场处的行李筛查。系统包括X射线源1501。从X射线源1501发射的X射线可穿过行李1502、由于行李的内含物而有差异地衰减并且被投射到半导体 X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测透射的X射线的强度分布来形成图像。系统可揭示行李的内含物并且识别公共交通上禁用的专案，例如枪支、毒品、锋利武器、易燃物。
图17示意示出全身扫描器系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该全身扫描器系统可为了安全筛查目的来检测人体上的物体而不物理脱衣或进行物理接触。全身扫描器系统能够检测非金属物体。全身扫描器系统包括X射线源1601。从X射线源1601发射的X射线可从被筛查的人1602和其上的物体背散射，并且被投射到半导体X射线检测器100。物体和人体可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布来形成图像。半导体X射线检测器100和X射线源1601可配置成在线性或旋转方向上扫描人。
图18示意示出X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统。X射线 CT系统使用电脑处理的X射线来产生被扫描物体的特定区域的断层摄影图像(虚拟“切片”)。断层摄影图像在各种医学学科中可用于诊断和治疗目的，或用于缺陷检测、失效分析、计量、元件分析和逆向工程。 X射线CT系统包括本文描述的半导体X射线检测器100和X射线源 1701。半导体X射线检测器100和X射线源1701可配置成沿一个或多个圆形或螺旋形路径同步旋转。
图19示意示出电子显微镜。该电子显微镜包括电子源1801(也叫作电子枪)，其配置成发射电子。电子源1801可具有各种发射机制，例如热离子、光电阴极、冷发射或等离子体源。发射的电子经过电子光学系统1803，其可配置成使电子成形、加速或聚焦。电子然后到达样本 1802并且图像检测器可从其处形成图像。电子显微镜可包括本文描述的半导体X射线检测器100，用于进行能量色散X射线光谱分析(EDS)。 EDS是用于样本的元素分析或化学表征的分析技术。当电子入射在样本上时，它们促使从样本发射特征X射线。入射电子可激发样本中原子的内壳层中的电子、从壳层逐出它同时在电子所在的地方形成电子空穴。来自外部较高能量壳层的电子然后填充该空穴，并且较高能量壳层与较低能量壳层之间的能量差可采用X射线的形式释放。从样本发射的X射线的数量和能量可以被半导体X射线检测器100测量。
这里描述的半导体X射线检测器100可具有其他应用，例如在X 射线望远镜、X射线乳房摄影、工业X射线缺陷检测、X射线显微镜或显微放射摄影、X射线铸件检查、X射线无损检验、X射线焊缝检查、 X射线数字减影血管造影等中。可适合使用该半导体X射线检测器100 来代替照相底片、照相胶片、PSP板、X射线图像增强器、闪烁体或另一个半导体X射线检测器。
尽管本文公开各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由权利要求指示。

Claims (19)

1.一种制作适合于检测x射线的装置的方法，所述方法包括：
获得衬底，其具有第一表面和第二表面，其中所述衬底包括所述衬底中或所述衬底上的电子系统，其中所述衬底包括所述第一表面上的多个电触点；
获得第一晶片，其包括第一X射线吸收层，其中所述第一X射线吸收层包括电极；
使所述第一晶片接合到所述衬底，使得所述第一X射线吸收层的电极电连接到所述多个电触点中的至少一个；以及
获得第二晶片，其包括第二X射线吸收层，其中所述第二X射线吸收层包括电极；以及
使所述第二晶片接合到所述衬底，使得所述第二X射线吸收层的电极电连接到所述多个电触点中的至少一个。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将背衬衬底安装到所述第一晶片，使得所述第一晶片夹在所述背衬衬底与所述衬底之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片与所述第二晶片之间的间隙小于100微米。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片的面积要小于所述衬底。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片的热膨胀系数与所述衬底的热膨胀系数之间的比率是二或以上。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一X射线吸收层包括硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一X射线吸收层与铬掺杂。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一X射线吸收层具有200微米或更少的厚度。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括所述第二表面上的再分布层RDL。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括通孔，其中所述通孔从所述第一表面延伸到所述第二表面。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述电子系统包括：
第一电压比较器，其配置成将所述电极的电压与第一阈值比较；
第二电压比较器，其配置成将所述电压与第二阈值比较；
计数器，其配置成记录到达所述第一X射线吸收层的X射线光子的数目；
控制器；
其中所述控制器配置成从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超出所述第一阈值的绝对值的时间启动时间延迟；
其中所述控制器配置成在所述时间延迟期间启动第二电压比较器；
其中所述控制器配置成如果所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超出所述第二阈值的绝对值则促使所述计数器记录的数目增加一。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述电子系统进一步包括电容器模组，其电连接到所述第一X射线吸收层的电极，其中所述电容器模组配置成收集来自所述第一X射线吸收层的电极的载流子。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述控制器配置成在所述时间延迟开始或终止时启动所述第二电压比较器。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述电子系统进一步包括电压表，其中所述控制器配置成在所述时间延迟终止时促使所述电压表测量电压。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述控制器配置成基于在所述时间延迟终止时测量的电压值来确定X射线光子能量。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述控制器配置成使所述第一X射线吸收层的电极连接到电接地。
17.如权利要求11所述的方法，其中在所述时间延迟终止时电压的时间变化小于0.1％/ns。
18.如权利要求11所述的方法，其中在所述时间延迟终止时电压的时间变化是至少0.1％/ns。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述第一X射线吸收层包括二极管。
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