CN109416406B - 具有不同热膨胀系数的接合材料 - Google Patents

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Abstract

本文公开X射线检测器(100)，其包括：X射线吸收层(110)，其配置成吸收X射线光子；电子层(120)，其包括电子系统(121)，该电子系统配置成处理或解释X射线吸收层(110)上入射的X射线光子产生的信号；以及X射线吸收层(110)中或电子层(120)中的温度驱动器(5012，5022)。

Description

具有不同热膨胀系数的接合材料
【技术领域】
本公开涉及可在X射线检测器中使用的具有不同热膨胀系数的接合材料，例如GaAs和硅。
【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镭射光束的激励。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。收集的光转换成数字图像。与照相底片和照相胶片相比，PSP板可以被重复使用。
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，即不需要曝光后处理来产生图像。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分辨率之间达成妥协。
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具有大面积和大量像素的检测器难以生产或不可能生产。
【发明内容】
本文公开X射线检测器，其包括：X射线吸收层，其配置成吸收X射线光子；电子层，其包括电子系统，该电子系统配置成处理或解释X射线吸收层上入射的X射线光子产生的信号；以及X射线吸收层中或电子层中的温度驱动器。
根据实施例，X射线检测器进一步包括X射线吸收层或电子层中的温度感测器。
根据实施例，温度驱动器包括Peltier设备。
根据实施例，温度驱动器包括电阻加热器。
根据实施例，温度驱动器包括独立可寻址单元。
根据实施例，X射线吸收层或电子层包括多个晶片。
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，其配置成将该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从第一X射线吸收层的电极收集载流子。
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。
根据实施例，X射线吸收层包括GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合并且电子层包括硅。
本文公开这样的方法，其包括：将第一材料的层设置为第一温度；将第二材料的层设置为第二温度，其中该第一材料与第二材料具有不同的热膨胀系数；在第一材料层处于第一温度并且第二材料层处于第二温度时，使第一材料层和第二材料层接合；将第一材料层和第二材料层的温度朝第三温度改变同时在这些层达到第三温度之前使这些层的相对热膨胀维持总是基本相等；其中将第一材料层和第二材料层的温度朝第三温度改变包括使用第一材料层或第二材料层中的温度驱动器。
根据实施例，第一材料层和第二材料层通过直接接合或倒装接合而接合。
根据实施例，第三温度在40℃以下。
根据实施例，第一材料层是配置成吸收X射线光子的X射线吸收层；其中第二材料层是电子层，其包括电子系统，该电子系统配置成处理或解释X射线吸收层上入射的X射线光子产生的信号。
本文公开用于使第一层和第二层接合的系统，其包括：控制器，其包括处理器和内存，该内存配置成在其中存储程序，处理器配置成通过执行程序来控制对于第二层中的温度驱动器的功率；其中程序在执行时促使处理器设置对于温度驱动器的功率使得第一层和第二层的相对热膨胀在使第一层和第二层接合的工艺期间总是基本相同。
根据实施例，第一层是配置成吸收X射线光子的X射线吸收层；其中第二层是电子层，其包括电子系统，该电子系统配置成处理或解释X射线吸收层上入射的X射线光子产生的信号。
根据实施例，第二层安装到支承并且控制器通过支承上的电触点控制对于温度驱动器的功率。
根据实施例，第二层包括温度感测器。
根据实施例，控制器从温度感测器读取第二层的温度并且基于从温度感测器读取的温度控制对于第二层中的温度驱动器的功率。
本文公开这样的方法，其包括：将晶片安置到晶圆位点，该晶圆包括其中的温度驱动器，该温度驱动器包括多个独立可寻址单元；通过使用独立可寻址单元改变位点的温度来使晶片接合到晶圆，而未使用独立可寻址单元改变晶圆的另一个位点的温度。
根据实施例，晶片是X射线检测器的X射线吸收层的部分并且晶圆是X射线检测器的电子层的部分；其中X射线吸收层配置成吸收X射线光子并且电子层包括电子系统，其配置成处理或解释X射线吸收层上入射的X射线光子产生的信号。
根据实施例，晶片包括III-V半导体并且晶圆包括硅。
根据实施例，改变位点的温度使得位点处的焊料凸点熔融。
【附图说明】
图1A示意示出根据本教导的实施例的检测器的横截面图。
图1B示意示出根据本教导的实施例的检测器的详细横截面图。
图1C示意示出根据本教导的实施例的检测器的备选详细横截面图。
图1D示出根据本教导的实施例的检测器的一部分的示范性顶视图。
图2A示意示出电子层。
图2B示意示出电子层。
图2C示意示出电子层。
图3A示意示出如果X射线吸收层和电子层的衬底具有大致不同的热膨胀系数并且X射线吸收层和电子层在接合工艺期间在任何指定时刻总是处于相同温度则在接合工艺期间X射线吸收层和电子层的热膨胀。
图3B示出在X射线吸收层和电子层接合之前分别作为X射线吸收层和电子层的衬底的温度的函数的相对热膨胀的标绘图。
图4A示意示出如果X射线吸收层和电子层的衬底具有大致不同的热膨胀系数并且X射线吸收层和电子层的温度在接合工艺期间独立受控则在接合工艺期间X射线吸收层和电子层的热膨胀。
图4B示出在X射线吸收层和电子层接合之前分别作为X射线吸收层和电子层的衬底的温度的函数的相对热膨胀的标绘图。
图5示意示出晶圆接合系统的上卡盘和下卡盘。
图6示意示出使X射线吸收层和X射线检测器的电子层接合的方法的流程。
图7A示意示出X射线吸收层或电子层可包括其中的温度驱动器。
图7B示意示出X射线吸收层或电子层中的温度驱动器可包括多个独立可寻址单元。
图7C示意示出用于使多个晶片接合到具有温度驱动器(其包括多个独立可寻址单元)的晶圆的流程。
图8A示意示出电子层包括电连接到电子层中的温度驱动器的接合垫，作为示例。
图8B示出图8A中的X射线吸收层包括多个晶片。
图9示意示出晶圆接合系统，其配置成对X射线吸收层中或电子层中的温度驱动器供电并且控制它们。
图10A和图10B各自示出根据实施例的图1A、图1B或图1C中的检测器的电子系统的部件图。
图11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12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13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14示意示出根据实施例在采用图10A或图10B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15示意示出根据实施例在采用图10A或图10B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)。
【具体实施方式】
图1A示意示出根据实施例的X射线检测器100的横截面图。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质量衰减系数。
如在图1B中的检测器100的详细横截面图中示出的，根据实施例，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1B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1B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。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括二极管)时，X射线光子可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。载流子可在电场下向二极管中的一个的电极漂移。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。
如在图1C中的检测器100的备选详细横截面图中示出的，根据实施例，X射线吸收层110可包括具有半导体材料(例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合)的电阻器，但不包括二极管。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括电阻器但不包括二极管)时，它可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。载流子可在电场下向电触点119A和119B漂移。电触点119B包括离散部分。
电子层120可包括电子系统121，其配置成处理或解释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131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1D示意示出具有4×4阵列的离散区114/119B的半导体X射线检测器100的一部分的示范性顶视图。围绕这些离散区114/119B中的一个的足迹入射的X射线光子产生的载流子大致未与这些离散区114/119B中的另一个共用。围绕离散区114/119B的区域150叫作与该离散区114/119B关联的像素，其中由在其中入射的X射线光子产生的载流子中的大致全部(超过95％、超过98％或超过99％)流向离散区114/119B。即，当X射线光子在像素内部撞击时，这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％流到像素外。通过测量离散区114/119B中的每个的电压的变化率，可确定与离散区114/119B关联的像素中被吸收的X射线光子的数目(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)可通过单独测量离散区114/119B阵列中的每个的电压变化率来确定。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。像素可以是独立可寻址的。
图2A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的一个或多个电触点119B。电子系统121可在衬底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可包括第二表面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。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射线能量具有小的质量衰减系数的材料(例如Al)。RDL 123可将电连接再分布到更多便利位点。RDL 123在检测器100具有大量像素时尤其有用。如果检测器100没有大量像素，RDL 123可被省略并且来自像素的信号可在第一表面124上路由。
图2A进一步示意示出在电触点119B和电触点125处X射线吸收层110与电子层120之间的接合。该接合可以通过适合的技术，例如直接接合或倒装接合。
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。直接接合可在升高的温度下进行但不一定如此。
倒装接合使用沉积到接触垫(例如X射线吸收层110的电触点119B，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的电触点119B与电触点125对齐。焊料凸点199可熔融以将电触点119B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2B示意示出根据实施例的电子层120。图2B中示出的电子层120与图2A中示出的电子层120在下列方面不同。电子系统121掩埋在衬底122中。电子层120包括一个或多个通孔126A，其从第一表面124延伸到第二表面128。通孔126A使电触点125电连接到第二表面128上的RDL 123中的传输线127。电子层120进一步包括一个或多个通孔126B，其从第二表面128延伸到电子系统121。通孔126B使传输线127电连接到电子系统121。X射线吸收层110和电子层120也可通过例如直接接合或倒装接合等适合的技术接合在一起(例如，在电触点119B和电触点125处)。
图2C示意示出根据实施例的电子层120。图2C中示出的电子层120与图2A中示出的电子层120在下列方面不同。电子系统121掩埋在衬底122中。电子层120在第一表面124上不包括一个或多个电触点125。相反，包括掩埋电子系统121的衬底122通过直接接合而接合到X射线吸收层110。在衬底123中形成孔并且用金属填充它们来形成将电触点119B电布线到第二表面128的通孔126A并且形成将电子系统121电布线到第二表面128的通孔126B。然后在第二表面128上形成RDL 123使得传输线127使通孔126A和126B电连接来完成从电触点119B到电子系统121的电连接。
X射线吸收层110可包括多个离散晶片。这些晶片中的每个可独立或统一接合到电子层120。包括多个离散晶片的X射线吸收层110可有助于适应X射线吸收层110与电子层120的材料的热膨胀系数之间的差异。热膨胀系数可以是线性热膨胀或体积热膨胀的系数。
X射线吸收层110可以是与电子层120的衬底122不同的材料。例如，X射线层110可以是GaAs并且衬底122可以是硅。X射线吸收层110与电子层120的接合通常在升高的温度发生并且X射线吸收层110和电子层120在接合后冷却到室温。X射线吸收层110和电子层120在接合工艺期间在任何指定时刻通常处于相同温度。X射线吸收层110和电子层120通常一起被加热和冷却。当X射线吸收层110和电子层120的衬底122具有大致不同的热膨胀系数时，使X射线吸收层110和电子层120从相同的升高温度冷却到室温，这在X射线吸收层110与电子层120之间的介面处引起明显的应力。应力可在检测器100中引起失效。
图3A示意示出如果X射线吸收层110和电子层120的衬底122具有大致不同的热膨胀系数并且X射线吸收层110和电子层120在接合工艺期间在任何指定时刻总是处于相同温度则在接合工艺期间X射线吸收层110和电子层120的热膨胀。X射线吸收层110和电子层120的初始温度是T1。X射线吸收层110和电子层120然后被加热到T2。如图3A示意示出的，因为X射线吸收层110具有比衬底122更高的热膨胀系数，X射线吸收层110比电子层120的衬底122要膨胀更多。X射线吸收层110和电子层120进一步被加热到T3。在T3，X射线吸收层110的膨胀与电子层120的膨胀的差异比在T2甚至更显着。X射线吸收层110和电子层120在T3接合，这时它们处于它们相应但不同的膨胀状态。接合的X射线吸收层110和电子层120然后从T3冷却到T2。因为X射线吸收层110和电子层120现在接合，两者在接合之前在T2都无法收缩到它们相应的尺寸。压应力和张应力分别在X射线吸收层110和衬底122中发展。由于接合的X射线层110和电子层120从T2进一步冷却到T1，在X射线吸收层110和衬底122中的压应力和张应力分别增加。应力跨X射线吸收层110与电子层120之间的整个介面可不是均匀的。
如在图3B中示出的，线3010和3020分别是在X射线吸收层110和电子层120接合之前作为X射线吸收层110和衬底122的温度的函数的相对热膨胀的标绘图。线3010和3020的斜率分别是X射线吸收层110和电子层120的衬底122的热膨胀系数。线3010具有比线3020更高的斜率，这意指X射线吸收层110具有比衬底122更大的热膨胀系数。在T2或T3，X射线吸收层110的相对热膨胀大于衬底122的相对热膨胀。
图4A示意示出如果X射线吸收层110和电子层120的衬底122具有大致不同的热膨胀系数并且X射线吸收层110和电子层120的温度在接合工艺期间单独受控则在接合工艺期间X射线吸收层110和电子层120的热膨胀。X射线吸收层110和电子层120的初始温度是T1。X射线吸收层110被加热到T3并且电子层120被加热到T3’。X射线吸收层110和电子层120不一定同时被加热。例如，X射线吸收层110可被加热到T3而电子层120仍在T1，并且电子层120可被加热到T3’而X射线吸收层110保持在T3。在T3的X射线吸收层110具有与在T3’的电子层120相同的相对热膨胀。在示例中，T3’＝T1+(T3-T1)α110/α120，其中α110是X射线吸收层110的线性热膨胀系数并且α120是电子层120的衬底122的线性热膨胀系数。物体的线性热膨胀系数α定义为
Figure BDA0001893918350000131
其中L是物体的线性尺寸。当X射线吸收层110在T3并且电子层120在T3’时，X射线吸收层110和电子层120接合。接合的X射线吸收层110和电子层120然后分别从T3冷却到T1和从T3’冷却到T1。在冷却工艺期间，控制X射线吸收层110和电子层120的温度使得它们的相对热膨胀基本相同(即，<10％差异)。因此，在X射线吸收层110与电子层120的衬底122之间的介面处的热膨胀系数差异基本上没有引起应力。
如在图4B中示出的，线4010和4020分别是在X射线吸收层110和电子层120接合之前作为X射线吸收层110和电子层120的衬底122的温度的函数的相对热膨胀的标绘图。线4010和4020的斜率分别是X射线吸收层110和电子层120的衬底122的热膨胀系数。线4010具有比线4020更高的斜率，这意指X射线吸收层110具有比衬底122更大的热膨胀系数。当X射线吸收层110和电子层120分别在T3和T3’时，X射线吸收层110的相对热膨胀等于衬底122的相对热膨胀。
晶圆接合系统通常夹住两个晶圆(或晶圆和多个晶片)以在两个卡盘之间接合。图5示意示出晶圆接合系统的上卡盘5010和下卡盘5020，和安置在下卡盘5010与下卡盘5020之间的X射线吸收层110和电子层120。示出在X射线吸收层110与电子层120之间的间隙来指示X射线吸收层110和电子层120未接合。卡盘5010和5020可分别包括其中的温度驱动器(例如，加热器或冷却器)5012和5022。温度驱动器配置成分别改变卡盘5010和5020的温度。晶圆接合系统可具有温度感测器5011和5021，其配置成测量X射线吸收层110和电子层120的温度。卡盘5010和5020中的温度驱动器5012和5022可由控制器5500基于由温度感测器5011和5021获得的X射线吸收层110和电子层120的温度来控制。控制器5500可包括处理器和内存。内存配置成使程序存储在其中。处理器配置成通过执行内存中的程序来控制温度驱动器5012和5022的功率。例如，程序可促使处理器设置温度感测器5012和5022的功率使得X射线吸收层110和电子层120的相对热膨胀在接合工艺期间总是基本相同(即，<10％差异)。
图6示意示出使第一材料层和第二材料层接合的方法的流程，其中该第一和第二材料具有不同的热膨胀系数。例如，第一层可以是X射线吸收层110并且第二层可以是X射线检测器100的电子层120。在过程6010中，第一材料层(例如，X射线吸收层110)设置成第一温度并且第二材料层(例如，电子层120)设置成第二温度。在过程6020中，在第一材料层处于第一温度并且第二材料层处于第二温度时，第一材料层和第二材料层接合。第一材料层和第二材料层可通过适合的技术接合，例如直接接合或倒装接合。可以但不一定使用焊料凸点或球。在过程6030中，第一材料层和第二材料层的温度朝第三温度改变同时在第一材料层和第二材料层的温度达到第三温度之前使这些层的相对热膨胀维持总是基本相等(即，<10％差异)。改变第一材料层和第二材料层的温度包括在第一材料层中或第二材料层中使用温度驱动器。第三温度可以是室温。第三温度可以是40℃以下的温度。在该流程中相对热膨胀分别同处于第三温度的第一材料层和第二材料层的尺度相关。
图7A示意示出X射线吸收层110或电子层120可包括其中的温度驱动器7000。该温度驱动器7000配置成分别改变X射线吸收层110或电子层120的温度。温度驱动器7000可嵌入X射线吸收层110或电子层120的表面中或上。温度驱动器7000可以是电阻加热器或Peltier设备(其可根据通过Peltier设备的电流方向来加热或冷却)。温度驱动器7000可设置在电触点119B或电触点125周围、下方或之间。
图7B示意示出温度驱动器7000可包括多个独立可寻址单元。这些独立可寻址单元可彼此独立受制并且可用于局部加热或冷却X射线吸收层110或电子层120的一个或多个区域。独立可寻址单元对于使跨X射线吸收层110或电子层120的温度更均匀是有用的。独立可寻址单元在X射线吸收层110或电子层120包括多个离散晶片时尤其有用。在示例中，X射线吸收层110和电子层120中的一个的晶片可未同时安置到X射线吸收层110和电子层120中的另一个上。如果晶片安置到X射线吸收层110和电子层120中的另一个上而在安置下一个晶片之前没有接合于此，晶片可移动并且从而破坏晶片的对齐。独立可寻址单元可以用于局部加热晶片安置到的位点并且由此在安置下一个晶片之前使晶片接合。在X射线吸收层110包括多个晶片并且使用III-V半导体(例如，GaAs)用于吸收X射线并且电子层120的衬底122是硅衬底时，晶片可使用焊料凸点接合到衬底122。在硅上形成焊料凸点比在III-V半导体上形成焊料凸点更容易。独立可寻址单元可用于在安置下一个晶片之前使晶片安置到的位点处的凸点熔融由此使晶片接合，同时使别处的焊料凸点保持在它们的熔点以下。
图7C示意示出用于使多个晶片接合到具有温度驱动器(其包括多个独立可寻址单元)的晶圆的流程。在过程7010中，晶片中的一个安置到晶圆位点。在过程7020中，该晶片通过使用独立可寻址单元改变位点的温度来接合到晶圆，而没有使用独立可寻址单元改变晶圆的另一个位点的温度。晶片可在将另一个晶片安置到晶圆之前接合。晶片可以是X射线吸收层110的部分并且晶圆可以是电子层120的部分。晶片可包括III-V半导体，例如GaAs。晶圆可包括硅。在安置到位点的那个晶片与晶圆之间可存在焊料凸点。在晶圆上在别处可存在焊料凸点。位点的温度可使用独立可寻址单元来改变使得该位点处的焊料凸点在接合期间熔融。该位点处的焊料然后冷却且凝固。该位点处的焊料在其他位点处出现接合时可保持为固体。
图8A示意示出电子层120包括电连接到电子层120中的温度驱动器7000的接合垫129，作为示例。电子层120安装到支承500。支承500的接合垫129和接合垫510可通过引线接合而电连接。在支承500中或外部的控制器8800调节供应给温度驱动器7000的电力。图8B示出X射线吸收层110包括多个晶片。晶片可靠托架117支承。晶片安装到电子层120上使得电触点119B和电触点125对齐。图6的流程适用于X射线吸收层110和电子层120，其中电子层120的温度使用电子层120中的温度驱动器7000来控制。如果电子层120中的温度驱动器7000包括多个独立可寻址单元，使电子层120和X射线吸收层110的不同晶片接合可在不同时间出现。例如，晶片中的一些可在晶片中的其他晶片安装和接合到电子层120之前安装和接合到电子层120。X射线吸收层110的温度可使用外部温度驱动器或X射线吸收层110中的任何温度驱动器7000来控制。例如，X射线吸收层110的温度可使用托架117中或卡盘中的温度驱动器来控制。图8A和图8B的系统也能适用于电子层120包括多个晶片的情形。
图9示意示出晶圆接合系统，其配置成对第一层(例如X射线吸收层110)中或第二层中(例如电子层120中)的温度驱动器7000供电并且控制它们。图9示出系统对第二层(例如电子层120)中的温度驱动器7000供电并且控制它们但系统可以同样对第一层(例如X射线吸收层110)中的温度驱动器7000供电并且控制它们的示例。第一层(例如X射线吸收层110)可具有多个晶片。第一层可热连接到温度驱动器9010并且第一层的温度可由温度感测器9020测量。在该示例中，第二层(例如电子层120)在其中具有温度驱动器7000。第二层(例如电子层120)可在其中具有温度感测器7010或系统可在第二层外部具有温度7010。第一层的晶片安置在第二层上。示出第一层与第二层之间的间隙来指示它们未接合。第二层可安装到支承500，其具有电连接到电子层120中的温度驱动器7000的电触点598，和电连接到温度感测器7010的电触点599(如果温度感测器7010在第二层中)。温度驱动器7000和9010可由控制器9900基于温度感测器9020和7010获得的第一和第二层的温度来控制。控制器9900可包括处理器和内存。内存配置成将程序存储在其中。处理器配置成通过执行内存中的程序来控制温度驱动器7000和9010的功率。例如，程序在执行时可促使处理器设置对于温度驱动器7000和9010的功率使得第一和第二层的相对热膨胀在接合工艺期间总是基本相同(即，<10％差异)。
图10A和图10B各自示出根据实施例的电子系统121的部件图。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。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较低。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，
Figure BDA0001893918350000192
Figure BDA0001893918350000191
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阈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本身可被停用直到第一电压比较器301的输出在电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值时才启动控制器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带宽来提高信噪比。来自电极的载流子在一段时间(“整合期”)(例如，如在图11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，对电容器电压采样并且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11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11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率，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可能够检测X射线图像并且可能够分辨每个X射线光子的X射线光子能量。
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11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12示意示出在采用图11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如由第一电压比较器301确定的V1的绝对值，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13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13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14示意示出在采用图13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如由第一电压比较器301确定的V1的绝对值，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。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15示意示出在采用图13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15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。
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下列权利要求指示。

Claims (15)

1.一种X射线检测器，其包括：
X射线吸收层，其配置成吸收X射线光子；
电子层，其包括电子系统，所述电子系统配置成处理或解释所述X射线吸收层上入射的X射线光子产生的信号；
所述X射线吸收层中或所述电子层中的温度驱动器；以及
第一电压比较器，其配置成将所述X射线吸收层的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所述第二电压比较器；
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。
2.如权利要求1所述的X射线检测器，其进一步包括所述X射线吸收层或所述电子层中的温度感测器。
3.如权利要求1所述的X射线检测器，其中所述温度驱动器包括Peltier设备。
4.如权利要求1所述的X射线检测器，其中所述温度驱动器包括电阻加热器。
5.如权利要求1所述的X射线检测器，其中所述温度驱动器包括独立可寻址单元。
6.如权利要求1所述的X射线检测器，其中所述X射线吸收层或所述电子层包括多个晶片。
7.如权利要求1所述的X射线检测器，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X射线吸收层的电极，其中所述电容器模组配置成从所述X射线吸收层的电极收集载流子。
8.如权利要求1所述的X射线检测器，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。
9.如权利要求1所述的X射线检测器，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。
10.如权利要求1所述的X射线检测器，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。
11.如权利要求1所述的X射线检测器，其中所述控制器配置成使所述X射线吸收层的电极连接到电接地。
12.如权利要求1所述的X射线检测器，其中所述电压的变化率在所述时间延迟终止时大致为零。
13.如权利要求1所述的X射线检测器，其中所述电压的变化率在时间延迟终止时大致为非零。
14.如权利要求1所述的X射线检测器，其中所述X射线吸收层包括二极管。
15.如权利要求1所述的X射线检测器，其中所述X射线吸收层包括GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合并且所述电子层包括硅。
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