CN110537111A - 辐射检测器的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种制作辐射检测器的方法。该方法包括将凹陷部形成到衬底中，并在所述凹陷部中形成半导体单晶。半导体单晶可以是碲化锌镉(CdZnTe)单晶或碲化镉(CdTe)单晶。所述方法还包括在所述半导体单晶上形成电触点，并将所述衬底接合到另一衬底，在该衬底中或上包括电子系统。所述电子系统被连接到所述半导体单晶的电触点，并且被配置成处理所述半导体单晶基于吸收辐射粒子而产生的电信号。

Description

辐射检测器的制作方法
【技术领域】
本发明涉及制作辐射检测器的方法，特别涉及形成具有半导体单晶的辐射检测器的方法。
【背景技术】
辐射检测器是测量辐射特性的装置。该特性的例子可以包括辐射强度的空间分布、相位、偏振。所述辐射可以是与主体相互作用的辐射。例如，由辐射检测器测量的辐射可以是穿透主体或从主体反射的辐射。辐射可以是电磁辐射，比如红外光、可见光、紫外光、X射线或γ射线。辐射还可以是其它类型的辐射，比如α射线和β射线。
碲化锌镉(CdZnTe或Cd1-xZnxTe)是碲化锌和碲化镉的合金，并且是室温辐射检测的优秀候选者。X值是CdZnTe中Zn的摩尔浓度。X值为0.04到0.2的碲锌镉被认为有检测器开发前景，因为它提供了对入射的X射线、γ射线的良好吸收效率，同时在室温下具有相对较大的能量带隙(例如，1.5EV-1.6eV)。它还具有高的电阻率，以实现辐射检测器的良好信噪比。CdZnTe检测器的实际使用具有广泛的各种应用，比如医疗和工业成像、工业计量和无损检测、安全和监测、核保障与不扩散、以及天体物理。
【发明内容】
本文公开了一种包括下述各项的方法：将凹陷部形成到衬底中；在所述凹陷部中形成半导体单晶。
根据实施例，所述半导体单晶是碲化锌镉(GaAs)单晶或碲化镉(CdTe)单晶。
根据实施例，所述凹陷部不包含除半导体单晶之外的其它半导体材料。
根据实施例，所述凹陷部不包含半导体多晶。
根据实施例，所述衬底包括硅、锗、GaAs或其组合。
根据实施例，所述凹陷部具有截头锥体、棱柱、棱锥体、长方体、立方体或圆柱体的形状。
根据实施例，形成所述凹陷部包括在所述衬底上形成掩模，并刻蚀衬底的没有被掩膜覆盖的部分。
根据实施例，所述掩模包括金属、氮化硅、二氧化硅或碳。
根据实施例，通过湿式蚀刻、干式蚀刻或其组合来蚀刻所述部分。
根据实施例，在所述凹陷部中形成半导体单晶包括将半导体颗粒沉积到所述凹陷部中，通过熔化所述半导体颗粒形成熔体，以及在所述凹陷部中重结晶所述熔体。
根据实施例，在所述凹陷部中重结晶熔体包括以所述熔体重结晶为单晶的速率冷却所述熔体。
根据实施例，通过将所述熔体从温度大于等于半导体颗粒熔点的区域移动到温度比所述熔点低的另一区域来完成所述熔体的冷却。
根据实施例，形成半导体单晶包括使用气相前体。
根据实施例，所述方法还包括对所述衬底进行抛光，使得所述半导体单晶的表面与所述衬底的表面同延。
根据实施例，所述衬底是导电的，其中所述衬底与所述半导体单晶电接触。
根据实施例，所述方法还包括通过从所述衬底的表面掺杂所述衬底的层来形成电触点，其中所述电触点与所述半导体单晶电接触。
根据实施例，该方法还包括：通过在所述凹陷部的内部形成所述半导体单晶之前，在所述凹陷部内沉积导电材料层，来形成电触点。
根据实施例，该方法还包括形成电触点，其通过抛光所述衬底表面以暴露所述半导体单晶的表面，在所述半导体单晶表面沉积导电材料层。
根据实施例，所述电触点包括离散区域。
根据实施例，该方法还包括在所述半导体单晶的表面上形成电触点，其中，所述表面不与所述衬底直接接触。
根据实施例，所述电触点包括离散区域。
根据实施例，该方法还包括将所述衬底结合到在其中或其上包括电子系统的另一衬底，其中所述电子系统被连接到所述半导体单晶的电触点，并且被配置成处理来自所述电触点的电信号。
本文公开包括下述各项的辐射检测器：衬底；在所述衬底中的凹陷部中的半导体单晶；在所述半导体单晶上的电触点；其中，所述辐射检测器被配置成吸收入射在所述半导体单晶上的辐射粒子并产生载流子。
根据实施例，所述半导体单晶是CdZnTe单晶或CdTe单晶。
根实施例，所述凹陷部不包含除所述半导体单晶之外的其它半导体材料。
根据实施例，所述凹陷部不包含半导体多晶。
根据实施例，所述衬底包括硅、锗、GaAs或其组合。
根据实施例，所述凹陷部具有截头锥体、棱柱、棱锥体、长方体、立方体或圆柱体的形状。
根据实施例，所述电触点包括离散区域。
根据实施例，所述半导体单晶的表面和所述衬底的表面是同延的。
根据实施例，所述辐射检测器还包括所述衬底上的另一电触点。
根据实施例，所述另外的电触点包括离散区域。
根据实施例，所述辐射检测器还包括结合到所述衬底的电子层，所述电子层包括电子系统，其被配置为：处理由所述电触点收集的所述载流子所产生的电信号。
根据实施例，所述电子系统包括电压比较器，其被配置为将电触点的电压与第一阈值进行比较；计数器，其被配置为记录由所述衬底吸收的辐射粒子数目；控制器；电压计；其中，所述控制器被配置成从电压比较器确定电压的绝对值大于等于所述第一阈值的绝对值的时刻开始时间延迟；其中，所述控制器被配置成在所述时间延迟期满时使所述电压计测量电压；其中，所述控制器被配置成通过将所述电压计测量的电压除以单个辐射粒子在所述电触点上引起的电压来确定辐射粒子的数量；其中，所述控制器被配置成使由所述计数器记录的数字增加，增加幅度为所述辐射粒子的数量。
根据实施例，所述电子系统还包括电连接到所述电触点的电容器模块，其中，所述电容模块被配置成从所述电触点收集载流子。
根据实施例，所述控制器被配置成将电触点连接到电接地。
根据实施例，所述控制器被配置成在开始所述时间延迟时停用电压比较器。
【附图说明】
图1示意性地示出了根据实施例的辐射检测器。
图2A示意性地示出了根据实施例的辐射检测器的截面图。
图2B示意性地示出了根据实施例的辐射检测器的详细横截面视图。
图2C示意性地示出了根据实施例的图2B辐射吸收层的俯视图。
图3示意性地示出了根据实施例的图2B中的在衬底中形成凹陷部并在该凹陷部中形成半导体单晶的过程。
图4示意性地示出了根据实施例的图2B中的形成辐射吸收层的电触点的过程。
图5示意性地示出了根据实施例的将辐射吸收层和电子层之间接合以形成辐射检测器。
图6示意性地示出了根据实施例的具有被停用的像素的辐射检测器。
图7A和图7B各自示出了根据实施例的电子系统部件图。
图8示意性地示出了根据实施例的电极或电触点电压的时间变化。
【具体实施方式】
图1示意性地示出了作为例子的辐射检测器100。辐射检测器100具有像素150的阵列。阵列可以是矩形阵列、蜂窝阵列、六边形阵列或任意其他合适的阵列。每个像素150被配置成检测入射于其上的来自辐射源的辐射，并且可被配置成测量所述辐射的特征(例如，粒子的能量、波长以及频率)。例如，每个像素150被配置成在一段时间内对入射于其上的、能量落入多个仓中的辐射粒子(例如光子)进行计数。所有像素150可被配置成在同一时间段内对入射于其上的、能量落入多个仓中的辐射粒子进行计数。当入射辐射粒子具有相似能量的时候，像素150可被简单地配置成对一段时间内入射其上的辐射粒子数进行计数，而不测量单个辐射粒子的能量。每个像素150可具有其自己的模数转换器(ADC)，其被配置成将表示入射辐射粒子能量的模拟信号数字化为数字信号，或将代表多个入射辐射粒子总能量的模拟信号数字化为数字信号。每个像素150可被配置成测量其暗电流(例如在每个辐射粒子入射于其上之前或同时)。每个像素150可被配置成从入射于其上的辐射粒子的能量中减去暗电流的贡献。像素150可被配置成并行地操作。例如，当一个像素150测量入射辐射粒子时，另一像素150可等待辐射粒子到达。像素150可不必单独寻址。
图2A示意性地示出了根据实施例的辐射检测器100的截面图。辐射检测器100可包括：辐射吸收层110，该辐射吸收层被配置成吸收入射辐射并从该入射辐射产生电信号；以及电子层(例如，ASIC)，该电子层用于处理或分析所述入射辐射在辐射吸收层110中产生的电信号。辐射检测器100可以包括或不包括闪烁体。辐射吸收层110可包括半导体材料，诸如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。所述半导体对于感兴趣的辐射可具有高的质量衰减系数。
图2B示意性地示出了根据实施例的辐射检测器100的详细横截面视图。辐射吸收层110可以包括：衬底102；位于该衬底102中的一个或多个凹陷部104，每个凹陷部中有半导体单晶106；以及在一个或多个半导体单晶106上的电触点119A。在一实施例中，至少一些凹陷部104各自仅具有一个半导体单晶106，即，它们各自不包含除所述一个半导体单晶106之外的其它半导体材料。衬底102可以包括硅、锗、GaAs或其组合。每个半导体单晶106可以是碲化锌镉(CdZnTe)单晶、碲化镉(CdTe)单晶、或任何其它合适的单晶，其能被用于吸收入射于其上的辐射粒子并产生载流子。电触点119A可以包括诸如金属(例如金、铜、铝、铂等)的导电材料，或者任何其它合适的导电材料(例如，掺杂半导体)。在一实施例中，部分或整个衬底102可以掺杂p或n型掺杂剂，使得衬底102具有导电性，并且能够起到电触点119A的作用。电触点119A可包括离散区域。辐射吸收层110可以进一步包括位于半导体单晶106的表面(例如被暴露的表面，即，不直接与衬底102直接物理接触的表面)上的另一个电触点119B，并且该电触点119B可包括离散区域。每个半导体单晶106也可以与电触点119B的一个或多个离散区域相接触。衬底102的表面可以是与每个半导体单晶106的表面同延的。在实施例中，每个半导体单晶106的表面可容纳电触点119B的数十或数百个离散区域。电触点119B可以包括诸如金属(例如金、铜、铝、铂等)的导电材料，或任何其它合适的导电材料(例如，掺杂半导体)。电触点119A和119B可被配置成收集在半导体单晶106中产生的载流子。
当辐射撞击辐射吸收层110时，半导体单晶106可通过多种机制吸收入射于其上的辐射粒子，并产生一个或多个载流子。一个辐射粒子可以产生10至100000个载流子。载流子可在电场下漂移到电触点119A和119B。该电场可以是外部电场。在实施例中，载流子可这样沿各个方向漂移，以至于由单个辐射粒子产生的载流子基本上不被电触点119B的两个不同的离散部分共用(这里“基本不被共用”意味着这些载流子中小于2％、小于0.5％、小于0.1％或小于0.01％的载流子流至所述离散部分中与其余载流子不同的一个离散部分)。在电触点119B的这些离散部分中的一个离散部分的足迹周围入射的辐射粒子所产生的载流子基本上不与电触点119B的这些离散部分中的另一个离散部分共享。与电触点119B的离散部分相关联的像素150是这样的区域：该区域大致位于所述离散部分处，入射于该区域中的辐射粒子所产生的载流子基本上部(大于98％、大于99.5％、大于99.9％或大于99.99％)流到所述电触点119B的离散部分。即，这些载流子中小于2％、小于0.5％、小于0.1％或小于0.01％的载流子流到与所述电触点119B的离散部分相关联的所述像素之外。
图2C示意性地示出了根据实施例的图2B辐射吸收层110的俯视图。每个凹陷部104可以具有截头锥体、棱柱、棱锥体、长方体、立方体或圆柱体的形状。凹陷部104可以被布置成阵列，诸如矩形阵列、蜂窝阵列、六边形阵列或任意其他合适的阵列。在图2C的例子中，凹陷部104被排列成矩形阵列，每一个凹陷部104均具有棱锥形形状。凹陷104以虚线示出，因为它们不能直接从顶视图看到。
电子层120可包括电子系统121，其适合于处理电触点119B上的电信号(由被收集的载流子产生)。电子系统121可包括：模拟电路，例如滤波网路，放大器，积分器和比较器；或者数字电路，例如微处理器和内存。电子系统121可包括一个或多个ADC。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到辐射吸收层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示意性地示出了根据实施例的在图2B中的在衬底102中形成凹陷部104以及在凹陷部104中形成半导体单晶106的过程。
在步骤1000中，掩膜层203被形成到衬底200的表面202上。衬底200可包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs或其组合。如步骤1002A或步骤1002B中所示，掩模层203可以作为用于形成凹陷部204的蚀刻掩模。掩模层203可以包括诸如二氧化硅、氮化硅、无定形碳或金属(如铝、铬)的材料。掩膜层203的厚度可根据凹陷部204的深度和刻蚀(即，掩膜层203与衬底200的刻蚀速率之比)选择性地确定。在实施例中，掩模层203可以具有几微米的厚度。掩模层203可以通过各种技术形成到表面202上，例如物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂、溅射或任何其它合适的工艺。
在步骤1001中，从横截面图中示出，掩模层203被图案化，以便具有在其中暴露衬底200的开口。该开口的形状和位置对应于在步骤1002A或步骤1002B中形成的凹陷部204的足迹形状和位置。如果开口具有正方形形状(如步骤1001中的俯视图所示)并被设置成矩形阵列，凹陷部204在足迹中也具有正方形形状，并排列成矩形阵列。掩模层203上的图案形成可涉及光刻工艺或任何其它合适的工艺。例如，抵挡层可以被首先沉积(例如，通过旋涂)到掩膜层203表面，随后进行刻蚀以形成开口。光刻的解析度受到所用辐射的波长限制。使用深紫外光(DUV)的光刻工具具有大约为约248nm和193nm的波长，其允许最小特征尺寸降至约50nm。使用1kev到50kev的电子能量的E-束光刻工具允许最小特征尺寸降到几纳米。
在步骤1002A或步骤1002B中，通过将未被掩模层203覆盖的衬底200的数个部分刻蚀到所需深度，来在衬底200的表面中形成凹陷部204。凹陷部204可以起图2B中凹陷部104的作用。每个凹陷部204可以具有截头锥体、棱柱、棱锥体、长方体、立方体或圆柱体的形状。在步骤1002A的例子中，凹陷部204具有金字塔形状，并且在步骤1002B的例子中，凹陷部204呈长方体形状。每个凹陷部204可具有光滑的表面。
在实施例中，对衬底200数个部分的蚀刻可通过湿式蚀刻、干式蚀刻或其组合来实施。湿式蚀刻是使用液相蚀刻剂的一种蚀刻工艺。衬底可以浸入刻蚀剂的盆中，并且未被掩模保护的区域可被去除。凹陷部204的尺寸和形状可以不仅由掩蔽层203的开口的尺寸和形状来限定，还由衬底200的材料、所用的液体化学材料、或者刻蚀剂、刻蚀速率和持续时间等来限定。在实施例中，衬底200可以是硅衬底，并且可通过使用诸如氢氧化钾(KOH)、乙二胺邻苯二酚(EDP)、四甲基氢氧化铵(TMAH)等的刻蚀剂的各向异性湿法刻蚀来形成凹陷部204。在硅衬底的各向异性湿刻蚀过程中，液体蚀刻剂可以根据暴露于蚀刻剂的硅晶面以不同的速率蚀刻硅衬底，从而形成具有不同形状和尺寸的凹陷部204。在步骤1002A的例子中，当表面202为(100)硅晶面时，使用湿蚀刻剂(诸如KOH)能来自锥体形状的凹陷部204，其具有平坦和倾斜的蚀刻壁。在步骤1002B的例子中，当表面202为(110)硅晶面时，改为使用湿刻蚀剂(诸如KOH)的硅晶面能来自长方体形状的凹陷部204。
在步骤1003中，在形成凹陷部204后，掩膜层203可通过通过湿法刻蚀、化学机械抛光或一些其它合适的技术移除。
在步骤1004至1006中，半导体单晶(例如，步骤1006中206a)形成于在凹陷部204中。半导体单晶(例如，步骤1006中206a)可起到图2B中辐射吸收层110的半导体单晶106的作用。半导体单晶的形成(例如，步骤1006中206A)可以通过各种技术来完成(例如，熔体生长技术、流动加热器技术、气相沉积技术、外延结晶技术或任何其他合适的技术)。熔体生长技术包括熔化半导体颗粒(“前体”)，并将熔体重结晶成半导体单晶。例如，熔体生长技术(诸如垂直布里奇曼(Bridgeman)方法以及高压布里奇曼(Bridgeman)方法)可被用于形成的CdZnTe单晶。气相沉积技术可包括气化合适的半导体前体，并在衬底上从被蒸发的半导体前体形成半导体单晶。例如，可以从气化前体碲化镉和碲化锌在GaAs衬底上形成的CdZnTe单晶。气相沉积技术也可以与外延结晶技术一起应用。例如，可以采用金属有机气相外延技术以及前体(诸如二甲基镉(DMCd)、二甲基锌锌(DMZn)、二乙基碲(DETe)和作为运载气体的氢)来形成在GaAs或Si衬底上的CdTe或CdZnTe单晶的外延层。对凹陷部204中形成半导体单晶206a的合适技术的选择取决于半导体材料的性质、衬底材料等。
在步骤1004至1006的示例中，使用垂直布里奇曼(Bridgeman)技术来阐明在凹陷部204中形成CdZnTe单晶206。在步骤1004中，CdZnTe颗粒205(例如，CnZnTe多晶颗粒205)可以沉积到凹陷部204中。在步骤1005和步骤1006中，CdZnTe单晶206a(在步骤1006中示出)可以通过熔化CdZnTe颗粒205，然后通过在凹陷部204中冷却熔体熔体重结晶而形成。在步骤1005的例子中，形成过程可以在垂直布里奇曼(Bridgeman)炉210中进行，该炉包括生长室213和加热元件214。衬底200(具有CdZnTe颗粒205)被装在生长室213中，该生长室能相对于加热元件214移动。加热元件214可控制炉210的温度分布，使得炉210可具有热区215a和梯度区215b。热区215a可具有等于或高于CdZnTe颗粒205的融化温度。在梯度区215b中，温度从热区215中的温度逐渐降低到熔化温度以下的温度。当生长室213处于热区215a时，在凹陷部204中的CdZnTe颗粒205熔化。熔体包括挥发性组分，其在熔体上方形成蒸气，并且蒸气主要由镉原子组成，因为Cd在CdZnTe熔体组成成分中具有最高的蒸气压。为了抑制了蒸汽的可能泄漏，并减小室破裂的可能性，生长室213可以用惰性气体216(例如氩)加压。当生长室213以非常低的速度(例如为1-2mm/h)从热区215a上进入所述梯度区215b(例如，沿箭头所示的方向)时，熔体被冷却并开始从下端重结晶，从而在凹陷204中逐渐形成的CdZnTe单晶206a。在实施例中，可以将额外的Cd蒸汽送入生长室213中，以补偿任何Cd损耗，并对CdZnTe单晶的Cd和Zn的摩尔浓度提供精细控制。在实施例中，所述形成过程也能在水平几何结构中完成。
在实施例中，凹陷部204可以包含一个以上的半导体单晶。例如，半导体多晶206B或不规则(或非晶体)半导体粒子可以在凹陷部204中形成(而不是半导体单晶206A)。半导体多晶206B包括具有不同尺寸和取向的一个以上的晶粒。半导体单晶206A的产量(即，仅具有半导体单晶206A的凹陷部204的百分比)可取决于所应用的形成技术、半导体材料的性质、形成条件等。在步骤1005的例子中，CdZnTe单晶的产量可以通过冷却速率来调整，其能被调节生长室213的移动速度、梯度区215B的长度等。
在步骤1006中，在形成半导体单晶206A之后，可以通过湿法刻蚀、化学机械抛光或其他合适的技术对衬底200的表面202进行抛光。在抛光之后，表面202与每个半导体单晶体206a的一个表面208同延。表面202和208在抛光后可以是平坦且光滑的。
图4示意性地示出了根据实施例的图2B中的辐射吸收层110的电触点119A和119B的形成过程。
在步骤2000a或步骤2000b中，在半导体单晶体206a上形成电触点219A，其可起图2B中的电触点119A的功能。
在步骤2000a中，电触点219A可以是掺杂衬底200。在实施例中，在最开始时获取的衬底200可以被掺杂并导电，使得衬底200可被配置为起电触点219A的作用。在另一实施例中，电触点219A可通过从另一表面201使用p型或n型掺杂剂掺杂一层或整个衬底200来形成。如果电触点219A是被掺杂的衬底200的层，该层与每个半导体单晶体206a的另一个表面207接触。
在步骤2000b(其是步骤2000a的替代)中，电触点219A可以这样获得：通过抛光衬底200的表面201以暴露半导体单晶体206a的表面207，然后将导电材料层沉积在表面207上。对表面201进行抛光可以用湿法刻蚀、化学机械抛光或其它合适的技术来完成。在抛光后，半导体单晶体206a的表面207与衬底200的表面201同延。导电材料可以是诸如Pt、Au或In的金属，或任何其他合适的导电材料，并可以通过诸如物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂、溅射等合适的技术沉积在表面201和207上。电触点219A可包括离散区域。
在实施例中，可以通过在所述凹陷部形成半导体单晶206A之前，在凹陷部204的内部沉积一层导电材料(诸如Pt、Au或In)，来形成电触点219A。
在步骤2001中，在半导体单晶206A上形成电触点219B，并且其可以起图2B中的电触点119B的作用。电触点219B可包括离散区域，并且每个半导体单晶206A可以与一个或多个离散区域相接触。形成电触点219B可包括在抛光之后通过类似于图3所示步骤1001的过程在表面202和208上形成具有开口的掩模。将诸如金属(例如，Pt、Au、In)的导电材料可通过诸如物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂、溅射等合适的技术沉积在开口中，从而形成电触点219B。
在图3和图4中，一些诸如表面清洁、抛光、表面钝化、衬底切割的中间步骤可被执行，但未被示出。例如，可以在衬底200上形成一个以上的切块，并且每个切块可以从衬底200上切掉，并起辐射吸收层110的具体化的作用。可以改变图3和图4中所示步骤的顺序，以适应不同的形成需求。
图5示意性地示出了根据实施例的将辐射吸收层110和电子层120之间接合以形成辐射检测器100。在图5的例子中，辐射吸收层110也可以在一个或多个凹陷部104中分别包括一个或多个半导体多晶107或不规则(或非晶体)半导体粒子。电触点器119B的每一个离散区域可通过合适的技术(诸如直接接合或者倒装芯片接合之类)接合至每一个通孔131。
直接接合(Direct bonding)是没有任何额外的中间层(例如，焊料凸点)的晶片接合过程。接合过程基于两个表面之间的化学接合。可在升高的温度下进行直接接合，但不是必须如此。
倒装芯片接合(Flip chip bonding)使用沉积在接触衬垫(例如，辐射吸收层110电触点219B的离散区域或通孔131的接触表面)上的焊料凸块132。辐射吸收层110或电子层120被翻转，并且电触点119B的离散区域与通孔131对准。焊料凸块132可被熔化，以将电触点119B和通孔131焊接在一起。焊料凸块132之间的任何空隙空间可以填充有绝缘材料。
如图6所示，辐射检测器100可以具有被停用的电触点119B的一个或多个离散区域相关联的一个或多个像素150。可以执行生产测试，以便测试与电触点119B的离散区域相关联的每个像素150。可以将电压偏置(例如，5伏)施加到被测试的每个像素150。电子系统121可被配置为测量在固定时间段期间或者在第一电压到达电压阈值所需的时间期间由暗电流引起的电触点119B离散区域的第一电压，或者由在固定时间期间或在第二电压达到电压阈值所需的时间期间由吸收来自标准辐射源的辐射粒子而产生的电流引起的电触点119B离散区域的第二电压。第一电压或信号对噪音的比率(定义为电触点119B的第二电压与电触点119B的第一电压之比)可用于确定像素150是否需要停用或作废。例如，如果与像素150相关联的电触点119B的离散区域所具有的第一电压或信号对噪音的比率大于容许值，那么像素150可在辐射检测器100的正常操作期间由电子系统121停用。在图6的例子中，与半导体多晶206B或非规则(或非晶态)半导体颗粒接触的电触点119的离散区域可以具有大于容许值的第一电压或信号对噪音的比率，并且相关联的像素150可以被停用。
图7A和图7B各自示出了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、电压计306以及控制器310。
第一电压比较器301被配置成将电极(例如，半导体单晶106上的电触点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，或者通过对一段时间内流过电极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使得电子系统121错过由入射辐射粒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在入射辐射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错过由一些入射辐射粒子产生的信号。在入射辐射粒子强度低时，错过入射辐射粒子的机会因为两个连续辐射粒子之间的间隔相对长而低。因此，配置为钟控比较器的第一电压比较器301在入射辐射强度相对低时尤其适合。第一阈值可以是一个入射辐射粒子可以在半导体单晶106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辐射粒子的能量(即，入射辐射的波长)、第一辐射吸收层110的材料和其它因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器302被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，或者通过对一段时间内流过电极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辐射粒子可在半导体单晶106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310可以是相同的部件。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的阈值比较。
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，以允许电子系统121在高的入射辐射通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗为代价。
计数器320被配置成记录到达半导体单晶106的辐射粒子数目。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被配置成从第一电压比较器301确定电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从第一阈值绝对值以下增加到大于等于第一阈值绝对值的值)的时刻起启动时间延迟。在本文中，因为电压可以是负的或正的，因此使用了绝对值，这取决于是使用哪个电极(阴极还是阳极)的电压。控制器310可被配置成在第一电压比较器301确定电压的绝对值大于等于第一阈值绝对值的时间之前，保持停用第二电压比较器302、计数器320以及任何第一电压比较器301的操作所不需要的其他电路。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可被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倍被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的输出在电压绝对值大于等于第一阈值绝对值时启动控制器310。
如果在时间延迟期间，第二电压比较器302确定电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值，控制器310可被配置成促使计数器320记录的数目增加一。
控制器310可被配置成促使电压计306在时间延迟终止时测量电压。控制器310可被配置成使电极连接到电接地，以便使电压复位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。
电压计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。
电子系统121可包括电容器模组309，该电容器模组电连接到电极，其中电容器模组被配置成从电极收集载流子。电容器模组能包括放大器的回馈路径中的电容器。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4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，然后由复位开关将其复位。电容器模组可以包括直接连接到电极的电容器。
图8示意性地示出了由半导体单晶106上入射的辐射粒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)，以及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时，辐射粒子撞击半导体单晶106，载流子开始在半导体单晶106中产生，电流开始流过半导体单晶106的电极，并且电极或电极电压的绝对值开始增加。在时间t1时，第一电压比较器301确定电压的绝对值大于等于第一阈值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。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)及其之间的任何时间。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的电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值，控制器310促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，辐射粒子产生的所有载流子漂移出第一辐射吸收层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在辐射粒子产生的所有载流子漂移出第一辐射吸收层110之后终止电压的变化率，从而在ts大致为零。控制器310可被配置成在TD1终止时或在t2或在其之间的任何时间停用第二电压比较器302。
控制器310可被配置成促使电压计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促使电压计306测量电压。该时刻的电压与辐射粒子产生的载流子数量成正比，其与辐射粒子的能量有关。控制器310可被配置成基于电压计306测量的电压确定辐射粒子的能量。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确定辐射粒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，电子系统121可能够检测辐射图像，并且可以能够分辨每个辐射粒子的辐射粒子能量。
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并使电压复位。在RST之后，电子系统121准备检测另一个入射辐射粒子。电子系统121在图8的示例中可以处理的入射辐射粒子的比率隐式地受限于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。
尽管本文公开了各种方面和实施例，其它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示明。

Claims (37)

1.一种方法，包括：
将凹陷部形成到衬底中；
在所述凹陷部中形成半导体单晶。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半导体单晶是碲化镉锌(CdZnTe)单晶或碲化镉(CdTe)单晶。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹陷部不包含除所述半导体单晶之外的其它半导体材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹陷部不包含半导体多晶。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底包括硅、锗、GaAs或其组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹陷部具有截头锥体、棱柱、棱锥体、长方体、立方体或圆柱体的形状。
7.根据根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述凹陷部包括在所述衬底上形成掩模，并刻蚀所述衬底的未被所述掩模覆盖的部分。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述掩模包括金属、氮化硅、二氧化硅或碳。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，通过湿式蚀刻、干式蚀刻或其组合来蚀刻所述部分。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述凹陷部中形成所述半导体单晶包括将半导体颗粒沉积到所述凹陷部中，通过熔化所述半导体粒子而形成熔体，并且在所述凹陷部中重结晶所述熔体。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述凹陷部中重结晶所述熔体涉及以所述熔体重结晶为单晶的速率冷却所述熔体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过将所述熔体从温度大于等于所述半导体颗粒的熔点区域移动到温度低于所述熔点的另一区域来冷却所述熔体。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述半导体单晶包括使用气相前体。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括对所述衬底进行抛光，使得所述半导体单晶的表面和所述衬底的表面是同延的。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底是导电的，并且其中，所述衬底与所述半导体单晶电接触。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括通过从所述衬底的表面掺杂所述衬底的层来形成电触点，其中，所述电触点与所述半导体单晶电接触。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述凹陷部中形成所述半导体单晶之前，通过在所述凹陷部内沉积导电材料层来形成电触点。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括通过抛光所述衬底的表面以暴露所述半导体单晶的表面，在所述半导体单晶的表面上沉积导电材料层，来形成电触点。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电触点包括离散区域。
20.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述半导体单晶的表面上形成电触点，其中，所述表面不与所述衬底直接接触。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述电触点包括离散区域。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，还包括将所述衬底结合到另一衬底，在所述另一衬底中或上包括电子系统，其中所述电子系统被连接到所述半导体单晶的电触点并被配置成处理来自所述电触点的电信号。
23.一种辐射检测器，包括：
衬底；
在所述衬底的凹陷部中的半导体单晶；
在所述半导体单晶上的电触点；
其中，所述辐射检测器被配置成吸收入射在所述半导体单晶上的辐射粒子并产生载流子。
24.根据权利要求23所述的辐射检测器，其中，所述半导体单晶为CdZnTe单晶或CdTe单晶。
25.根据权利要求23所述的辐射检测器，其中，所述凹陷部不包含除所述半导体单晶之外的其它半导体材料。
26.根据权利要求23所述的辐射检测器，其中，所述凹陷部不包含半导体多晶。
27.根据权利要求23所述的辐射检测器，其中，所述衬底包括硅、锗、GaAs或其组合。
28.根据权利要求23所述的辐射检测器，其中，所述凹陷部具有截头锥体、棱柱、棱锥体、长方体、立方体或圆柱体的形状。
29.根据权利要求23所述的辐射检测器，其中，所述电触点包括离散区域。
30.根据权利要求23所述的辐射检测器，其中，所述半导体单晶的表面和所述衬底的表面是同延的。
31.根据权利要求23所述的辐射检测器，还包括所述衬底上的另一电触点。
32.根据权利要求31所述的辐射检测器，其中，所述另一电触点包括离散区域。
33.根据权利要求23所述的辐射检测器，还包括：
结合到所述衬底的电子层，所述电子层包括电子系统，该电子系统被配置成处理从所述电触点收集的载流子所产生的电信号。
34.根据权利要求33所述的辐射检测器，其中，所述电子系统包括：电压比较器，该电压比较器被配置成将所述电触点的电压与第一阈值进行比较；计数器，该计数器被配置成记录由所述衬底吸收的辐射粒子的数目；控制器；电压计；
其中，所述控制器被配置成从所述电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第一阈值的绝对值的时刻起开始时间延迟；
其中，所述控制器被配置成使所述电压计在所述时间延迟期满时测量所述电压；
其中，所述控制器被配置成通过将由所述电压计测量的电压除以单个辐射粒子在所述电触点上引起的电压来确定辐射粒子的数目；
其中，所述控制器被配置成使得由所述计数器记录的数字增加，所增加的幅度为所述辐射粒子的数目。
35.根据权利要求34所述的辐射检测器，其中，所述电子系统还包括电连接到所述电触点的电容器模块，其中所述电容模块被配置成从所述电触点收集载流子。
36.根据权利要求34所述的辐射检测器，其中，所述控制器被配置成将所述电触点连接到电接地。
37.根据权利要求34所述的辐射检测器，其中，所述控制器被配置为在开始所述时间延迟时停用所述电压比较器。
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