CN107819054B - 一种直接x射线探测结构、探测器及探测结构制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接X射线探测结构、探测器及探测结构制作方法。所述直接X射线探测结构包括：电子发射电极，包括用于吸收X射线的射线吸收面，以及电子出射面，所述电子发射电极中吸收所述X射线的能量的电子从所述电子出射面出射；隧穿层，位于所述电子出射面一侧，从所述电子出射面出射的电子穿过所述隧穿层，成为隧穿电子；电子接收电极，位于所述隧穿层远离所述电子发射电极的一侧，用于接收所述隧穿电子。其中，所述电子发射电极上连接的第一引线和所述电子接收电极上连接的第二引线与外部电路连接，以便检测电路中形成的隧穿电流。本发明实施例提供的技术方案具有结构简单，体积小、成本低、探测方便，响应时间快等一系列特点。
Description
技术领域
本发明实施例涉及X射线探测技术，尤其涉及一种直接X射线探测结构、探测器及探测结构制作方法。基本该技术制备的直接X射线探测结构、探测器可广泛用于无损检测、生物医疗、工业生产和物性分析等领域。
背景技术
X射线是由于原子内部电子受到激发后产生的一种电磁波，其波长范围在通常在0.001-10nm之间，对物体具有极强的穿透性，在医疗、安检、质检、荧光分析和天文研究等领域具有广泛的应用价值，有效地对X射线进行探测是各种应用活动的必要前提。
目前，X射线探测器主要有三类：气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。尽管上述的各种探测器各自具有自身优点，且在不同领域均一定应用，但随着社会发展，这些探测器自身的技术缺陷愈发明显。比如，气体探测器一般体积庞大、不易阵列化集成，且使用中容易漏气失效；闪烁体探测器构造相对复杂，探测灵敏度较低，成本昂贵；半导体探测器一般采用PN结结构，存在一定的暗电流噪声。
发明内容
本发明提供一种直接X射线探测结构、探测器及探测结构制作方法，以实现X射线探测结构简单、体积小、成本低、探测方便，以及暗噪音小等效果。
第一方面，本发明实施例提供了一种直接X射线探测结构，该直接X射线探测结构包括：
电子发射电极，包括用于吸收X射线的射线吸收面，以及电子出射面，所述电子发射电极中吸收所述X射线的能量的电子从所述电子出射面出射；
隧穿层，位于所述电子出射面一侧，从所述电子出射面出射的电子穿过所述隧穿层，成为隧穿电子；
电子接收电极，位于所述隧穿层远离所述电子发射电极的一侧，用于接收所述隧穿电子；
其中，所述电子发射电极上连有第一引线，所述电子接收电极上连有第二引线，所述第一引线与所述第二引线用于与外部电路连接，以便检测电路中形成的所述电子发射电极与所述电子接收电极之间的隧穿电流。
可选的，所述的直接X射线探测结构还包括：
衬底，所述电子发射电极、所述隧穿层和所述电子接收电极均形成在所述衬底上；
密封层，用于密封形成在所述衬底上的所述电子发射电极、所述隧穿层和所述电子接收电极。
可选的，所述电子发射电极的射线吸收面与所述电子出射面平行，且均与所述衬底平行设置，所述衬底设置在所述电子接收电极远离所述隧穿层的一侧。
可选的，所述的直接X射线探测结构还包括：
隧穿隔离层，设置在所述电子发射电极与所述隧穿层之间，以使所述电子发射电极的电子出射面远离所述电子接收电极的边缘。
可选的，所述电子发射电极的射线吸收面与所述电子出射面垂直，且所述电子发射电极的射线吸收面与所述衬底平行设置。
可选的，所述电子发射电极的尺寸沿远离所述隧穿层到接近所述隧穿层的方向逐渐减小，以使所述电子出射面的面积，小于远离所述隧穿层的电子发射电极的端面的面积。
可选的，所述的直接X射线探测结构还包括：
外部电源，用于向所述电子发射电极和所述电子接收电极施加预设电压。
可选的，所述电子发射电极的材质包括铅、钨、钼、金、银、铂和钯中的至少一种；
所述隧穿层的材质为绝缘材料或半导体材料；
所述电子接收电极的材质为金属材料或有机导体材料。
第二方面，本发明实施例还提供了一种直接X射线探测器，该直接X射线探测器包括本发明任意实施例提供的直接X射线探测结构。
可选的，所述的直接X射线探测器，当包括多个直接X射线探测结构，所述多个直接X射线探测结构呈直线形排列，或者矩阵排序。
第三方面，本发明实施例还提供了一种直接X射线探测结构的制作方法，该直接X射线探测结构的制作方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成电子接收电极、隧穿层和电子发射电极；
所述电子发射电极，包括用于吸收X射线的射线吸收面，以及电子出射面，所述电子发射电极中吸收所述X射线的能量的电子从所述电子出射面出射；
所述隧穿层，位于所述电子出射面一侧，从所述电子出射面出射的电子穿过所述隧穿层，成为隧穿电子；
所述电子接收电极，位于所述隧穿层远离所述电子发射电极的一侧，用于接收所述隧穿电子；
所述电子发射电极上连有第一引线，所述电子接收电极上连有第二引线，所述第一引线与所述第二引线用于与外部电路连接，以便检测电路中形成的所述电子发射电极与所述电子接收电极之间的隧穿电流。
可选的，所述在衬底上形成电子接收电极、隧穿层和电子发射电子电极包括：
利用磁控溅射技术在所述衬底上沉积所述电子接收电极；
利用原子层沉积技术制备所述隧穿层，所述隧穿层位于所述电子接收电极远离所述衬底的一侧；
利用等离子体化学气相沉积技术沉积隧穿隔离层，所述隧穿隔离层位于所述电子发射电极与所述隧穿层之间，以使所述电子发射电极的电子出射面远离所述电子吸收电极的边缘；
利用磁控溅射技术制备所述电子发射电极，所述电子发射电极位于所述隧穿层远离所述电子接收电极的一侧，所述电子发射电极的射线吸收面与所述电子出射面平行，且均与所述衬底平行设置。
可选的，所述在衬底上形成电子接收电极、隧穿层和电子发射电子电极包括：
利用磁控溅射技术在所述衬底上沉积所述电子发射电极，所述电子发射电极的射线吸收面与所述电子出射面垂直，所述射线吸收面与所述衬底平行设置；
利用原子层沉积技术制备所述隧穿层，所述隧穿层位于所述电子发射电极的电子出射面一侧；
利用磁控溅射技术制备所述电子接收电极，所述电子接收电极位于所述隧穿层远离所述电子出射面的一侧；
其中，所述电子发射电极的尺寸沿远离所述隧穿层到接近所述隧穿层的方向逐渐减小，以使所述电子出射面的面积小于远离所述隧穿层的电子发射电极的端面的面积。
本发明实施例提供了一种直接X射线探测结构、探测器和探测结构的制作方法。该直接X射线探测结构包括：电子发射电极，包括用于吸收X射线的射线吸收面，以及电子出射面，所述电子发射电极中吸收所述X射线的能量的电子从所述电子出射面出射；隧穿层，位于所述电子出射面一侧，从所述电子出射面出射的电子穿过所述隧穿层，成为隧穿电子；电子接收电极，位于所述隧穿层远离所述电子发射电极的一侧，用于接收所述隧穿电子；其中，所述电子发射电极上连有第一引线，所述电子接收电极上连有第二引线，所述第一引线与所述第二引线用于与外部电路连接，以便检测电路中形成的所述电子发射电极与所述电子接收电极之间的隧穿电流。本发明提供的直接X射线探测结构基于电子隧穿原理实现对X射线进行探测，结构简单，制作容易，且体积小，成本低，灵敏度高，噪声小，并且电子穿过隧穿层的时间在亚皮秒到飞秒量级，X射线探测时响应时间极短，解决了现有X射线探测器体积庞大、成本昂贵、灵敏度低以及响应时间长等问题。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种直接X射线探测结构的剖面图；
图2是本发明实施例一提供的直接X射线探测结构的制作方法的步骤流程图；
图3是本发明实施例二提供的一种直接X射线探测结构的剖面图；
图4是本发明实施例二提供的直接X射线探测结构的部分制作方法的步骤流程图；
图5是本发明实施例三提供的一种直接X射线探测结构的剖面图；
图6是本发明实施例三提供的一种直接X射线探测结构的俯视图；
图7是本发明实施例三提供的直接X射线探测结构的部分制作方法的步骤流程图；
图8是本发明实施例四提供的一种直接X射线探测器的结构示意图；
图9是本发明实施例四提供的又一种直接X射线探测器的结构示意图；
图10是本发明实施例四提供的另一种直接X射线探测器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种直接X射线探测结构的剖面图，该直接X射线探测结构的具体结构如下：
直接X射线探测结构包括：电子发射电极1，包括用于吸收X射线的射线吸收面101，以及电子出射面102，电子发射电极1中吸收X射线的能量的电子从电子出射面102出射；隧穿层2，位于电子出射面102一侧，从电子出射面102出射的电子穿过隧穿层2，成为隧穿电子；电子接收电极3，位于隧穿层3远离电子发射电极2的一侧，用于接收隧穿电子；其中，电子发射电极1上连有第一引线4，电子接收电极3上连有第二引线5，第一引线4与第二引线5用于与外部电路连接，以便检测电路中形成的电子发射电极1与电子接收电极3之间的隧穿电流。
其中，根据量子力学的基本原理，当电子从势垒的一边入射时，即使它们不具有足够的动能从势垒顶部翻越势垒，它们仍然能够在势垒入射的一边消失而在势垒的另一端出现，这种现象被称为电子隧穿。
根据电子隧穿原理，当X射线照射到电子发射电极1的射线吸收面101时，X射线的能量会被电子发射电极1中内部的电子吸收，吸收X射线能量的部分电子会向更高能级跃迁。跃迁到高能级的电子发生电子隧穿的几率会相应提升。处于高能级的电子从电子出射面102出射，穿过位于电子出射面102一侧的隧穿层2，成为隧穿电子。其中，电子发射电极1的射线吸收面101和电子出射面102所在平面之间可以是有夹角的，也可以是平行的。位于隧穿层2远离电子发射电极1一侧的电子接收电极3接收隧穿电子。当大量电子发生电子隧穿时，电子发射电极1和电子接收电极3之间会存在大量的隧穿电子，大量的隧穿电子会表现为可测量的隧穿电流。电子发射电极1上连有第一引线4，电子接收电极3上连有第二引线5，第一引线4与第二引线5均为金属导线。第一引线4与第二引线5用于与外部电路电连接，以使外部电路检测电子发射电极1与电子接收电极3之间的隧穿电流。当X射线停止照射时，电子发射电极1中的电子处于较低的能级，发生电子隧穿的几率极小，电子发射电极1与电子接收电极3之间检测不到隧穿电流。
隧穿电流的大小与X射线强度、电子发射电极1与电子接收电极3功函数之差成正比，与隧穿层2的高度和宽度成反比，可以通过调节电子发射电极1或电子接收电极3的材料以及隧穿层2的高度和宽度，调节隧穿电流大小与X射线强度之间的关系。当电子发射电极1与电子接收电极3功函数之差以及隧穿层2的高度和宽度确定时，可以根据检测到的隧穿电流表征X射线的强度，使用灵活、方便，便于对探测器进行保护。
根据检测到的隧穿电流表征X射线的强度，直接探测X射线，这种直接X射线探测结构效率更高，在实际应用中可减少对人体或物理的辐射，减少损伤。
由于本实施例提供的直接X射线探测结构的隧穿层2势垒高度较高，没有X射线照射时，发生电子隧穿的几率极小，因此，对应的暗电流噪声极小。此外，电子在隧穿层2中隧穿所需时间在10-13-10-15s之间，因此，直接X射线探测结构响应时间极短。并且本实施例提供的直接X射线探测结构无需闪烁体、无需真空封装、工艺要求简单，成本低廉。
本发明实施例中提供的直接X射线探测结构包括：电子发射电极、隧穿层和电子接收电极，并且通过与电子发射电极连接的第一引线和与电子接收电极连接的第二引线与外部电路连接，以使外部电路检测电子发射电极与电子接收电极之间的隧穿电流，通过隧穿电流的大小表征X射线强度。本发明实施例提供的直接X射线探测结构，结构简单，体积小，成本低，灵敏度高，噪声小，并且响应时间短，解决了现有X射线探测器体积庞大、成本昂贵、灵敏度低以及响应时间长等问题。
可选的，本实施例提供的直接X射线探测结构还包括：衬底6，电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3均形成在衬底6上；密封层7，用于密封形成在衬底6上的电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3。
其中，衬底6可以由绝缘性材料制成，例如石英玻璃、蓝宝石(Al2O3)以及带氧化层的硅(Si)等。电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3均形成在衬底6上，并确保隧穿层2位于电子发射电极1与电子接收电极3之间。电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3可以在衬底6垂直层叠排列，也可以在衬底6上平行平铺排列。为了保证位于衬底6上的各个结构的的平整，可以尽可能降低衬底6的表面的粗糙度，例如可以采用抛光等方式确保衬底6表面平整。
密封层7，用于密封形成在衬底6上的电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3。密封层可以采用有机层或无机层形成的单层结构，也可以采用有机层和无机层形成的多层结构，其中，多层结构可以是由多层无机层或有机层组成，也可以是由多层有机层和无机层交叠组成。有机层的材料可以为聚对二甲苯、聚乙烯薄膜或丙烯酸类树脂等有机材料。无机层的材料可以为无机陶瓷材料或无机氧化物等绝缘材料，例如Si或SiO2。
密封层7可以滤除可见光子、红外光子等杂光，并且可以保护器件，隔绝空气和水汽对电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3的侵蚀。
可选的，直接X射线探测结构还包括：外部电源，用于向电子发射电极1和电子接收电极3施加预设电压。
其中，电子发射电极1和电子接收电极3的材料可以相同也可以不相同，当两种电极的材料相同时，两电极中电子的费米能级相等。当X射线照射电子发射电极1时，电子发射电极1中的电子向高能级跃迁，表现为受X射线照射时电子发射电极1的费米能级升高，两电极的费米能级之差增大时，电子发射电极1中电子发生电子隧穿几率增大，在电子发射电极1与电子接收电极3之间出现可以检测到的隧穿电流。X射线停止照射时，电子发射电极1的费米能级恢复到照射前，隧穿电流消失。两电极的费米能级相同时，没有X射线照射时，两电极向另一电极发生电子隧穿的概率基本相等，暗电流噪声最小。
当电子发射电极1与电子接收电极3的材料不同时，由于两电极的费米能级存在差别，虽然发生电子隧穿的几率仍然极小，但暗电流噪声会相应的有所提高。可以通过外部电源在电子发射电极1和电子接收电极3施加预设电压，以此调节两电极的费米能级差，当没有X射线照射时，使两电极之间的费米能级差尽量减小，使暗电流噪声减小。
此外，在有X射线照射时，可以通过外部电源在电子发射电极1和电子接收电极3施加预设电压，增大两电极之间的费米能级差，使隧穿电流变大，以便外部电路更易检测到隧穿电流，避免只有X射线照射时，两电极的费米能级差较小，隧穿电流过小而使外部电路检测不到。
可选的，电子发射电极1的材质包括铅、钨、钼、金、银、铂和钯中的至少一种；隧穿层2的材质为绝缘材料或半导体材料；电子接收电极3的材质为金属材料或有机导体材料。
其中，电子发射电极1的材料可以选取为对X射线吸收系数较高的高原子序数金属材料，例如可以是铅、钨、钼、金、银、铂和钯中的至少一种。
隧穿层2的材质既可以选取绝缘材料，例如二氧化硅、三氧化二铝、氧化铪等，也可选取宽禁带半导体材料，例如氧化锌、氮化镓、金刚石等，其中，隧穿层2也可以是气体或者真空结构。
电子接收电极3的材质可以选取金属，例如铝、铜、金、银、锌、锡等，也可以选取导电碳材料，例如石墨烯、碳纳米管薄膜、富勒烯等含碳导体，或者有机导体材料。
本发明实施例还提供一种直接X射线探测结构的制作方法，图2是本发明实施例一提供的直接X射线探测结构的制作方法的步骤流程图，参见图2所示，包括如下步骤：
步骤110、提供衬底6；
具体的，上述步骤110中提供的衬底6可以由绝缘性材料制成，例如石英玻璃、蓝宝石(Al2O3)以及带氧化层的硅(Si)等。
步骤120、在衬底6上形成电子接收电极3、隧穿层2和电子发射电极1；
其中，电子发射电极1，包括用于吸收X射线的射线吸收面101，以及电子出射面102，电子发射电极1中吸收X射线的能量的电子从电子出射面102出射；隧穿层2位于电子出射面102一侧，从电子出射面102出射的电子穿过隧穿层2，成为隧穿电子；电子接收电极3位于隧穿层2远离电子发射电极1的一侧，用于接收隧穿电子；电子发射电极1上连有第一引线4，电子接收电极3上连有第二引线5，第一引线4与第二引线5用于与外部电路连接，以便检测电路中形成的电子发射电极1与电子接收电极2之间的隧穿电流。
上述步骤120中在衬底6上形成电子接收电极3、隧穿层2和电子发射电极1。具体可以是：在提供的衬底上，可以采用磁控溅射技术、电子束蒸发技术、热蒸镀技术等技术沉积或制备电子接收电极3，电子接收电极3的厚度可以控制在50-500nm之间，在保证导电性能的前提下，电子接收电极3越薄越好。
隧穿层2位于电子发射电极1和电子接收电极3之间，可以采用分子束外延技术、原子层沉积技术、等离子增强化学气相沉积技术或磁控溅射技术等技术制备隧穿层2。隧穿层2的厚度可以控制在1-100nm之间。
电子发射电极1可以采用磁控溅射技术、电子束蒸发技术、热蒸镀技术等制备方法进行沉积，可选的，电子发射电极1的材料厚度控制在100nm-100μm之间。可以采用紫外光刻技术或电子束曝光技术制备电子发射电极1的图案化区域。
可选的，在上述步骤120之后，还可以进一步包括如下步骤：
步骤130、在衬底6上的电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3上制备密封层7。密封层7可以采用有机层或无机层形成的单层结构，也可以采用有机层和无机层形成的多层结构，用于密封形成在在衬底6上的电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3。
本发明实施例提供的直接X射线探测结构的制作方法，方法简单，不需要精准、复杂的结构，成本低。根据本发明实施例提供的直接X射线探测结构的制作方法制作的直接X射线探测结构，灵敏度高，噪声小，并且响应时间短，解决了现有X射线探测器体积庞大、成本昂贵、灵敏度低以及响应时间长等问题。
实施例二
本实施例可以以上述实施例为基础，提供了一种可选的实例。图3是本发明实施例二提供的一种直接X射线探测结构的剖面图。
可选的，电子发射电极1的射线吸收面101与电子出射面102平行，且均与衬底6平行设置，衬底6设置在电子接收电极1远离隧穿层2的一侧。
本实施例提供的直接X射线探测结构中电子发射电极1、隧穿层2和电子吸收电极3均平行放置，形成垂直层叠结构，并且电子发射电极1与衬底6平行设置，衬底6设置在电子接收电极1远离隧穿层2的一侧，密封层7设置在电子发射电极1远离隧穿层2的一侧。X射线穿过密封层射到电子发射电极1的射线吸收面101上，电子隧穿方向与X射线的入射方向均为沿着电子发射电极1、隧穿层2和电子吸收电极3的层叠排列的方向。
参见图3，可选的，直接X射线探测结构还包括：隧穿隔离层8，设置在电子发射电极1与隧穿层2之间，以使电子发射电极1的电子出射面102远离电子接收电极3的边缘。
其中，隧穿隔离层8位于电子发射电极1与隧穿层2之间。隧穿隔离层8呈中空结构，中间部分是空的，可以使电子发射电极1与隧穿层2接触，四周部分将电子发射电极1与隧穿层2隔离开，使电子发射电极1的电子出射面102远离电子接收电极3的边缘，防止由于边缘效应使电子隧穿大部分发生在两电极的边缘，造成损坏电极或发生漏电的问题。同时，可以通过调节隧穿隔离层8，调节电子发射电极1与隧穿层2接触的区域。根据隧穿隔离层的中空部分，确定可以发生电子隧穿的区域，进而区分进行X射线探测的单元。
本发明实施例提供一种可选的直接X射线探测结构，电子接收电极、隧穿层以及电子发射电极垂直层叠分布。为了防止由于边缘效应使电子隧穿大部分发生在两电极的边缘，造成损坏电极或发生漏电的问题，在电子接收电极与隧穿层之间设置隧穿隔离层。本发明实施例提供的直接X射线探测结构，结构简单，体积小，成本低，灵敏度高，噪声小，并且响应时间短，解决了现有X射线探测器体积庞大、成本昂贵、灵敏度低以及响应时间长等问题。
本发明实施例二还提供一种直接X射线探测结构的制作方法，参见图2，本发明实施例提供的一种直接X射线探测结构的制作方法，包括：
步骤110：提供衬底6；
步骤120：在衬底6上形成电子接收电极3、隧穿层2和电子发射电极1；
步骤130：在衬底6上的电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3上制备密封层7。
图4是本发明实施例二提供的直接X射线探测结构的部分制作方法的步骤流程图，参见图4所示，步骤120在衬底6上形成电子接收电极3、隧穿层2和电子发射电极1中，可以包括如下步骤：
步骤210：利用磁控溅射技术在衬底6上沉积电子接收电极3；
步骤220：利用原子层沉积技术制备隧穿层2，隧穿层2位于电子接收电极3远离衬底6的一侧；
步骤230：利用等离子体化学气相沉积技术沉积隧穿隔离层8，隧穿隔离层8位于电子发射电极1与隧穿层2之间，以使电子发射电极1的电子出射面101远离电子接收电极2的边缘；
步骤240：利用磁控溅射技术制备电子发射电极1，电子发射电极1位于隧穿层2远离电子接收电极3的一侧，电子发射电极1的射线吸收面101与电子出射面102平行，且均与衬底6平行设置。
根据本实施例提供的直接X射线探测结构，电子接收电极、隧穿层以及电子发射电极垂直层叠分布。
电子发射电极1和电子接收电极3可以利用磁控溅射技术沉积，也可以采用电子束蒸发技术、热蒸镀技术等技术沉积或制备。电子发射电极1和电子接收电极3可以采用相同的制备工艺制造，简化直接X射线探测结构的制备工艺，也可以根据电子发射电极1和电子接收电极3各自的电极材料或沉积效果采用不同的制备工艺，使直接X射线探测结构的探测效果更好。
隧穿层2可以利用原子层沉积技术制备，也可以采用分子束外延技术、等离子增强化学气相沉积技术或磁控溅射技术等技术制备。
隧穿隔离层8可以是由绝缘材料制成，例如二氧化硅、三氧化二铝、氧化铪等。采用等离子化学气相沉积技术或磁控溅射技术沉积该隧穿隔离层8，其厚度可以控制在1-5μm，采用紫外光刻技术或电子束曝光技术制备隧穿隔离层8的图案化区域。
本发明实施例提供的直接X射线探测结构的制作方法，电子接收电极、隧穿层以及电子发射电极垂直层叠分布。为了防止由于边缘效应使电子隧穿大部分发生在两电极的边缘，造成损坏电极或发生漏电的问题，在电子接收电极与隧穿层之间设置隧穿隔离层。根据本发明实施例提供的直接X射线探测结构的制作方法得到的直接X射线探测结构，结构简单，体积小，成本低，灵敏度高，噪声小，并且响应时间短，解决了现有X射线探测器体积庞大、成本昂贵、灵敏度低以及响应时间长等问题。
实施例三
本实施例可以以上述实施例为基础，提供了一种可选的实例。图5是本发明实施例三提供的一种直接X射线探测结构的剖面图。
可选的，电子发射电极1的射线吸收面101与电子出射面102垂直，且电子发射电极1的射线吸收面101与衬底6平行设置。
其中，由上述可知，电子发射电极1的射线吸收面101和电子出射面102所在平面之间可以是有夹角的，也可以是平行的。示例性地，参见图5，图5给出了当电子发射电极1的射线吸收面101与电子出射面102垂直时直接X射线探测结构的剖面图，电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3平行平铺放置在衬底6上，处于同一平面，可以减少直接X射线探测结构的层数，减小了直接X射线探测结构的厚度，也可以使直接X射线探测结构体积变小。
电子发射电极1的射线吸收面101与衬底6平行放置，电子出射面102与衬底6垂直放置。X射线穿过密封层7照射在电子发射电极1的射线吸收面101上，电子发射电极1中的电子沿着与衬底6平行的方向穿过隧穿层2发生电子隧穿，X射线的入射方向与电子隧穿方向并不相同。
可选的，在上述方案的基础上，电子发射电极1的尺寸沿远离隧穿层2到接近隧穿层2的方向逐渐减小，以使电子出射面102的面积小于远离隧穿层2的电子发射电极1的端面的面积。
示例性地，参见图6，图6是本发明实施例三提供的一种直接X射线探测结构的俯视图。其中，密封层7密封形成在衬底6上的电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3，为了结构清楚，其并未在图6中示出。
电子发射电极1的具体形状并不做限制，其中，为了有效的避免电子隧穿大部分只发生在电子发射电极的边缘部分，并且确定发生电子隧穿的区域，电子发射电极1的尺寸在接近隧穿层2的位置可以比电子发射电极1其他部分的尺寸小。可选的，电子发射电极1的尺寸可以沿远离隧穿层2到接近隧穿层2的方向逐渐减小，使电子出射面102的面积小于远离隧穿层2的电子发射电极1的端面的面积。同时可以通过密封层7隔绝电子发射电极1与隧穿层2距离较小的区域发生电子隧穿，避免了隧穿隔离层8的介入，可以简化制作工艺，使直接X射线探测结构更加简单。
本发明实施例中提供的直接X射线探测结构包括：电子发射电极、隧穿层和电子接收电极平行平铺放置在衬底上，处于同一平面，使直接X射线探测结构的层数减少，也避免了隧穿隔离层的介入，使直接X射线探测结构更加简单。本发明实施例提供的直接X射线探测结构，结构简单，体积小，成本低，灵敏度高，噪声小，并且响应时间短，解决了现有X射线探测器体积庞大、成本昂贵、灵敏度低以及响应时间长等问题。
本发明实施例一提供一种直接X射线探测结构的制作方法，包括：步骤110：提供衬底6；步骤120：在衬底6上形成电子接收电极3、隧穿层2和电子发射电极1：步骤130：在衬底6上的电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3上制备密封层7。
其中，本发明实施例三提供一种直接X射线探测结构的部分制作方法，图7是本发明实施例三提供的直接X射线探测结构的部分制作方法的步骤流程图，参见图7所示，步骤120在衬底6上形成电子接收电极3、隧穿层2和电子发射电极1中，可以包括如下步骤：
步骤310：利用磁控溅射技术在衬底6上沉积电子发射电极1，电子发射电极1的射线吸收面101与电子出射面102垂直，射线吸收面101与衬底6平行设置；
步骤320：利用原子层沉积技术制备隧穿层2，隧穿层2位于电子发射电极1的电子出射面102一侧；
步骤330：利用磁控溅射技术制备电子接收电极3，电子接收电极位于隧穿层2远离电子出射面101的一侧。
其中，电子发射电极1的尺寸沿远离隧穿层2到接近隧穿层2的方向逐渐减小，以使电子出射面102的面积小于远离隧穿层2的电子发射电极1的端面的面积。
需要说明的是，本实施例中电子发射电极1、隧穿层2和电子接收电极3的制备方法可以为实施例一或实施例二提供的制备方法，在此不再赘述。
本发明实施例中提供的直接X射线探测结构的制作方法，电子发射电极、隧穿层和电子接收电极平行平铺放置在衬底上，处于同一平面，使直接X射线探测结构的层数减少，也避免了隧穿隔离层的介入，使直接X射线探测结构更加简单。根据本发明实施例中提供的直接X射线探测结构的制作方法得到的直接X射线探测结构，结构简单，体积小，成本低，灵敏度高，噪声小，并且响应时间短，解决了现有X射线探测器体积庞大、成本昂贵、灵敏度低以及响应时间长等问题。
实施例四
本发明实施例四为利用上述实施例提供的直接X射线探测结构制备的一种直接X射线探测器。
图8是本发明实施例四提供的一种直接X射线探测器的结构示意图。
可选的，该直接X射线探测器9包括本发明任意实施例提供的直接X射线探测结构10。
其中，直接X射线探测器9中不仅包括本发明任意实施例提供的直接X射线探测结构10，还包括X射线探测过程中其他必要的结构，例如，显示电流数值的装置、显示X射线强度数值的装置以及控制单元等。
还可以通过适当调节电子发射电极1和电子接收电极3的材料以及隧穿层2的宽度和高度等，调节直接X射线探测器9的探测X射线时的灵敏度以及隧穿电流大小等参数。
本发明实施例四提供的直接X射线探测器具有结构简单，体积小，成本低，灵敏度高，噪声小，以及响应时间短等优点，解决了现有X射线探测器体积庞大、成本昂贵、灵敏度低以及响应时间长等问题。
可选的，直接X射线探测器9，当包括多个直接X射线探测结构10，多个直接X射线探测结构10呈直线形排列，或者矩阵排序。
示例性地，参见图9和图10，图9是本发明实施例四提供的又一种直接X射线探测器的结构示意图。图10是本发明实施例四提供的另一种直接X射线探测器的结构示意图。图9和图10中分别给出了当直接X射线探测器9包括多个直接X射线探测结构10时，直接X射线探测结构10呈直线形排列和矩阵排序的结构示意图。
其中本发明实施例四提供的直接X射线探测器采用本发明任意实施例提供的直接X射线探测结构10为基本单元，可以利用晶体管控制逐行扫描的办法，分别读取各个直接X射线探测结构10的隧穿电流，利用隧穿电流的数值在同一图像中还原探测器影像中的灰度图像，根据基于电子隧穿原理制成的直接X射线探测器实现直接X射线影像探测功能。本发明实施例提供的直接X射线探测器可用于医疗、安检、探伤和元素分析等领域。
实施例五
本实施例可以以上述实施例二为基础，提供了一种可选的具体实例。
其中，电子发射电极1的射线吸收面101与电子出射面102平行，且均与衬底6平行设置，衬底6设置在电子接收电极1远离隧穿层2的一侧。隧穿层2在电极发射电极1与电子接收电极3之间。
示例性地，本实施例提供的直接X射线探测结构的具体参数可以如下：选用500μm厚的蓝宝石作为衬底6，沉积100nm金薄膜并在150℃退火30min后作为电子接收电极3；利用原子层沉积技术生长10nm厚的三氧化二铝薄膜作为隧穿层2；利用紫外光刻技术和等离子增强化学气相沉积技术制备2μm厚的二氧化硅图案化隧穿隔离层8；利用紫外光刻技术和磁控溅射技术制备5μm厚的钨作为电子发射电极1；利用等离子体增强化学气相沉积技术制备2μm厚的二氧化硅作为密封层7；利用铜引线作为第一引线4和第二引线5。
实施例六
本实施例可以以上述实施例三为基础，提供了一种可选的具体实例。
其中，电子发射电极1的射线吸收面101与电子出射面102垂直，且电子发射电极1的射线吸收面101与衬底6平行设置。隧穿层2在电极发射电极1与电子接收电极3之间。
示例性地，本实施例提供的直接X射线探测结构的具体参数可以如下：选用带300nm厚的硅片作为衬底6，利用紫外光刻技术和磁控溅射技术制备厚度为5μm钨薄膜并在150℃退火30min后作为电子接收电极3；利用100nm的空气(或者真空)间隙作为隧穿层2；利用紫外光刻技术和磁控溅射技术制备5μm厚的钨薄膜作为电子发射电极1；利用等离子增强化学气相沉积技术制备5μm厚的多晶硅作为密封层7；利用银引线作为第一引线4和第二引线5。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (11)
1.一种直接X射线探测结构，其特征在于，包括：
电子发射电极，包括用于吸收X射线的射线吸收面，以及电子出射面，所述电子发射电极中吸收所述X射线的能量的电子从所述电子出射面出射；
隧穿层，位于所述电子出射面一侧，从所述电子出射面出射的电子穿过所述隧穿层，成为隧穿电子；
电子接收电极，位于所述隧穿层远离所述电子发射电极的一侧，用于接收所述隧穿电子；
其中，所述电子发射电极上连有第一引线，所述电子接收电极上连有第二引线，所述第一引线与所述第二引线用于与外部电路连接，以便检测电路中形成的所述电子发射电极与所述电子接收电极之间的隧穿电流；
隧穿隔离层，设置在所述电子发射电极与所述隧穿层之间，以使所述电子发射电极的电子出射面远离所述电子接收电极的边缘。
2.根据权利要求1所述的直接X射线探测结构，其特征在于，还包括：
衬底，所述电子发射电极、所述隧穿层和所述电子接收电极均形成在所述衬底上；
密封层，用于密封形成在所述衬底上的所述电子发射电极、所述隧穿层和所述电子接收电极。
3.根据权利要求2所述的直接X射线探测结构，其特征在于，所述电子发射电极的射线吸收面与所述电子出射面平行，且均与所述衬底平行设置，所述衬底设置在所述电子接收电极远离所述隧穿层的一侧。
4.根据权利要求2所述的直接X射线探测结构，其特征在于，所述电子发射电极的射线吸收面与所述电子出射面垂直，且所述电子发射电极的射线吸收面与所述衬底平行设置。
5.根据权利要求4所述的直接X射线探测结构，其特征在于，所述电子发射电极的尺寸沿远离所述隧穿层到接近所述隧穿层的方向逐渐减小，以使所述电子出射面的面积小于远离所述隧穿层的电子发射电极的端面的面积。
6.根据权利要求1所述的直接X射线探测结构，其特征在于，还包括：
外部电源，用于向所述电子发射电极和所述电子接收电极施加预设电压。
7.根据权利要求1-6任一所述的X射线探测结构，其特征在于，所述电子发射电极的材质包括铅、钨、钼、金、银、铂和钯中的至少一种；
所述隧穿层的材质为绝缘材料或半导体材料；
所述电子接收电极的材质为金属材料或有机导体材料。
8.一种直接X射线探测器，其特征在于，包括至少一个权利要求1-7任一项所述的直接X射线探测结构。
9.根据权利要求8所述的直接X射线探测器，其特征在于，当包括多个直接X射线探测结构，所述多个直接X射线探测结构呈直线形排列，或者矩阵排序。
10.一种直接X射线探测结构的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成电子接收电极、隧穿层和电子发射电极；
其中，所述电子发射电极，包括用于吸收X射线的射线吸收面，以及电子出射面，所述电子发射电极中吸收所述X射线的能量的电子从所述电子出射面出射；所述隧穿层位于所述电子出射面一侧，从所述电子出射面出射的电子穿过所述隧穿层，成为隧穿电子；所述电子接收电极位于所述隧穿层远离所述电子发射电极的一侧，用于接收所述隧穿电子；
所述电子发射电极上连有第一引线，所述电子接收电极上连有第二引线，所述第一引线与所述第二引线用于与外部电路连接，以便检测电路中形成的所述电子发射电极与所述电子接收电极之间的隧穿电流；
在所述衬底上形成电子接收电极、隧穿层和电子发射电极包括：
利用磁控溅射技术在所述衬底上沉积所述电子接收电极；
利用原子层沉积技术制备所述隧穿层，所述隧穿层位于所述电子接收电极远离所述衬底的一侧；
利用等离子体化学气相沉积技术沉积隧穿隔离层，所述隧穿隔离层位于所述电子发射电极与所述隧穿层之间，以使所述电子发射电极的电子出射面远离所述电子吸收电极的边缘；
利用磁控溅射技术制备所述电子发射电极，所述电子发射电极位于所述隧穿层远离所述电子接收电极的一侧，所述电子发射电极的射线吸收面与所述电子出射面平行，且均与所述衬底平行设置。
11.根据权利要求10所述的直接X射线探测结构的制作方法，其特征在于，在所述衬底上形成电子接收电极、隧穿层和电子发射电极包括：
利用磁控溅射技术在所述衬底上沉积所述电子发射电极，所述电子发射电极的射线吸收面与所述电子出射面垂直，所述射线吸收面与所述衬底平行设置；
利用原子层沉积技术制备所述隧穿层，所述隧穿层位于所述电子发射电极的电子出射面一侧；
利用磁控溅射技术制备所述电子接收电极，所述电子接收电极位于所述隧穿层远离所述电子出射面的一侧；
其中，所述电子发射电极的尺寸沿远离所述隧穿层到接近所述隧穿层的方向逐渐减小，以使所述电子出射面的面积小于远离所述隧穿层的电子发射电极的端面的面积。
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