CN114902081A - 辐射检测器 - Google Patents

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Abstract

一种辐射检测器和一种制造辐射检测器的方法。该方法包括：在半导体衬底(111)上形成包括碳化硅层的辐射吸收层(110)；在辐射吸收层(110)的第一表面上形成第一电触点(119B)；将辐射吸收层(110)与电子层(120)结合；去除半导体衬底(111)；在辐射吸收层(110)远离电子层(120)的第二表面上形成第二电触点(119A)。辐射检测器(100)包括：辐射吸收层(110)其包括碳化硅层，被配置为从入射辐射吸收层(110)上的辐射在辐射吸收层(110)中产生载流子；具有多个离散区域的电触点(119B)，被配置为从辐射吸收层(110)收集载流子；电子系统(121)，其被配置为确定由所述多个离散区域分别收集的载流子的数量。

Description

辐射检测器
【技术领域】
本文的公开涉及辐射检测器。
【背景技术】
辐射检测器是可用于测量辐射的通量、空间分布、光谱或其他特性的装置。辐射检测器可用于许多应用，其中一个重要的应用是成像。辐射成像是一种放射线照相技术，并且可用于揭示非均匀组成和不透明物体，例如人体，的内部结构。
用于成像的早期辐射检测器包括照相底片和照相胶片。照相底片可以是具有光敏乳剂涂层的玻璃板。虽然照相底片被照相胶片取代，但由于它们提供的优良品质和极端稳定性，使得它们仍可用于特殊情况。照相胶片可以是具有光敏乳剂涂层的塑料薄膜(比如，条状或片状)。
在20世纪80年代，可光激发的磷光板(PSP板)开始可用。可光激发的磷光板在其晶格中包含具有色心的磷光体材料。当可光激发的磷光板暴露于辐射时，由辐射激发的电子被捕获在色心中，直到它们被在可光激发的磷光板表面上扫描的激光束激发。当激光扫描所述可光激发的磷光板时，被捕获的激发电子发出光，这些光被光电倍增管收集，收集的光被转换成数字图像。与照相底片和照相胶片相比，可光激发的磷光板可重复使用。
另一种辐射检测器是辐射图像增强器。辐射图像增强器的组件通常在真空中密封。与照相底片、照相胶片以及可光激发的磷光板相比，辐射图像增强器可产生实时图像，即，不需要曝光后处理来产生图像。辐射首先撞击输入磷光体(例如，碘化铯)并被转换成可见光。然后可见光撞击光电阴极(例如，含有铯和锑化合物的薄金属层)并引起电子发射。发射的电子数目与入射辐射的强度成正比。发射的电子通过电子光学器件投射到输出磷光体上并使输出磷光体产生可见光图像。
闪烁体在某种程度上与辐射图像增强器的操作类似，因为闪烁体(例如，碘化钠)吸收辐射并发射可见光，然后可通过合适的图像传感器检测到可见光。在闪烁体中，可见光在所有方向上扩散和散射，从而降低空间分辨率。减小闪烁体厚度有助于改善空间分辨率，但也减少了辐射的吸收。因此，闪烁体必须在吸收效率和分辨率之间达成折衷。
半导体辐射检测器通过将辐射直接转换成电信号很大程度上克服了如上所述问题。半导体辐射检测器可包括吸收感兴趣波长辐射的半导体层。当在半导体层中吸收辐射粒子时，产生多个载流子(例如，电子和空穴)并在电场下朝向半导体层上的电触点扫过。
【发明内容】
本文公开一种方法，其包括：在半导体衬底上形成包括碳化硅层的辐射吸收层；在所述辐射吸收层的第一表面上形成第一电触点；将所述辐射吸收层与电子层键合；去除所述半导体衬底；在远离所述电子层的所述辐射吸收层的第二表面上形成第二电触点。
根据实施例，所述碳化硅层的厚度可达10微米。
根据实施例，所述第一电触点包括多个离散区域，所述多个离散区域被配置为从所述辐射吸收层收集载流子。
根据实施例，所述第一电触点的所述多个离散区域以阵列布置。
根据实施例，所述电子层包括电子系统，所述电子系统被配置为确定由所述第一电触点的所述离散区域分别收集的载流子的数量。
根据实施例，所述电子系统被配置为确定在同一时间段内收集的载流子的数量。
根据实施例，所述电子系统进一步包括积分器，所述积分器被配置为对通过所述第一电触点的所述多个离散区域的电流进行积分。
根据实施例，所述电子系统进一步包括控制器，所述控制器被配置为将所述第一电触点连接到电接地。
根据实施例，所述控制器被配置为在所述数量的变化率几乎为零之后将所述第一电触点连接到电接地。
本文公开一种辐射检测器，其包括：辐射吸收层，其包括碳化硅层，所述辐射吸收层被配置为由入射在所述辐射吸收层上的辐射在所述辐射吸收层中产生载流子；电触点，其具有多个离散区域，所述电触点被配置为从所述辐射吸收层收集载流子；以及电子系统，其被配置为确定由所述多个离散区域分别收集的载流子的数量。
根据实施例，所述碳化硅层的厚度可达10微米。
根据实施例，所述多个离散区域以阵列布置。
根据实施例，所述电子系统被配置为确定在同一时间段内的所述数量。
根据实施例，所述电子系统包括积分器，所述积分器被配置为对通过所述多个离散区域的电流进行积分。
根据实施例，所述辐射检测器进一步包括控制器，所述控制器被配置为将所述电触点连接到电接地。
根据实施例，所述控制器被配置为在所述数量的变化率几乎为零之后将所述电触点连接到电接地。
根据实施例，所述辐射检测器不包括闪烁体。
【附图说明】
图1A示意示出根据实施例的辐射检测器的横截面图。
图1B示意示出根据实施例的所述辐射检测器的详细横截面图。
图1C示意示出根据实施例的所述辐射检测器的俯视图。
图2A-图2F示意示出根据实施例的制造所述辐射检测器的过程。
图3示意示出根据实施例的所述辐射检测器的电子系统的组件图。
【具体实施方式】
图1A示意示出根据实施例的辐射检测器100的横截面图。所述辐射检测器100可包括辐射吸收层110和电子层120(例如，专用集成电路)，用于处理或分析电信号。所述电信号可以由于入射在所述辐射吸收层110上的辐射在所述辐射吸收层110中产生的载流子产生。在实施例中，所述辐射检测器100不包括闪烁体。所述辐射吸收层110可包括碳化硅(SiC)层。在示例中，所述碳化硅层的厚度可达10微米。
如图1B中根据实施例的辐射检测器100的详细截面图所示。所述辐射吸收层110可以包括电触点(例如，如图1B所示的119A、119B)。所述电触点119B可以具有多个离散区域，所述多个离散区域被配置为收集来自所述辐射吸收层110的载流子。当辐射粒子撞击所述辐射吸收层110时，该辐射粒子可被吸收并通过若干机制产生一个或多个载流子。一个辐射粒子可产生10到100000个载流子。所述载流子可在电场下向电触点119A和电触点119B漂移。所述电场可以是外部电场。所述电触点119B包括离散区域。在实施例中，所述载流子可向不同方向漂移，使得由单个辐射粒子产生的所述载流子大致未被所述电触点119B两个不同的离散区域共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％流向与余下载流子不同组的离散区域)。与所述电触点119B的所述离散区域之一相关联的所述像素150的足迹可以是所述离散区域周围的区，由入射在其中的一个辐射粒子所产生的载流子大致全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％)流向所述电触点119B的所述离散区域。即，所述载流子中的不到2％、不到0.5％、不到0.1％、或不到0.01％流到与所述电触点119B的所述离散区域之一相关联的所述像素150之外。由入射在所述电触点119B的离散区域之一的足迹周围的一个辐射粒子所产生的载流子大致未被所述电触点119B的另一个离散部分共用。
图1C示意示出根据实施例的辐射检测器100中的像素150可以被布置成阵列。即，所述电触点119B的所述多个离散区域可以布置成阵列。所述阵列可以是矩形阵列、蜂窝状阵列、六边形阵列或任何其他合适的阵列。
所述电子层120可包括电子系统121，其适用于处理或解释由入射在所述辐射吸收层110上的辐射粒子所产生的信号，并确定由所述多个离散区域分别收集的所述载流子的数量。所述电子系统121可包括模拟电路比如滤波器网络、放大器、积分器、比较器，或数字电路比如微处理器和存储器。所述电子系统121可包括由所述多个离散区域共用的组件或专用于每个所述多个离散区域的组件。在实施例中，所述电子系统被配置为确定同一时间段内由所述电触点119B的所述多个离散区域分别收集的载流子的数量。所述电子系统121可通过通孔131电连接到所述电触点119B的所述离散区域。所述通孔之间的空间可用填充材料130填充，其可增加所述电子层120到所述辐射吸收层110连接的机械稳定性。其他键合技术有可能在不使用所述通孔的情况下将所述电子系统121连接到所述离散区域。
图2A-图2F示意示出根据实施例的制造所述辐射检测器的过程。图2A示意示出所述方法可以从半导体衬底111开始。在实施例中，所述半导体衬底111包括诸如硅、锗、砷化镓或其组合的半导体材料。
图2B示意示出根据实施例的在所述半导体衬底111上形成所述辐射吸收层110。可以使用诸如化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)之类的任何适当的技术来形成所述辐射吸收层110。
图2C示意示出在所述辐射吸收层110的表面上形成具有多个离散区域的所述电触点119B。在其上形成所述电触点119B的表面可以是所述碳化硅层的表面。即，所述电触点119B可以与所述碳化硅层直接物理接触。
图2D示意示出具有所述电触点119B的所述辐射吸收层110使用诸如直接键合或倒装芯片键合的合适的键合方法键合到所述电子层120。直接键合是没有任何其他中间层(例如，焊料凸点)的晶片键合工艺。所述键合过程基于两个表面之间的化学键。直接键合可以在高温下进行，但不一定如此。倒装芯片键合使用沉积在接触垫(例如，所述辐射吸收层110的所述电触点119B)上的焊料凸点199，如图2D所示。所述辐射吸收层110被键合到所述电子层120，使得所述电触点119B被连接到所述电子层120中的所述电子系统121。
图2E示意示出，在将所述辐射吸收层110键合至所述电子层120之后，使用诸如研磨或蚀刻的合适方法去除所述半导体衬底111。
图2F示意示出所述电触点119A形成在远离所述电子层120的所述辐射吸收层110的表面上。形成所述电触点119A的所述表面可以是所述碳化硅层。即，所述电触点119A可以与所述碳化硅层直接物理接触。
图3示出根据实施例的所述电子系统121的组件图。所述电子系统121可包括存储器320、电压表306、积分器309和控制器310。
所述控制器310可被配置为使所述电触点119B连接到电接地，以使累积在所述电触点119B上的任何载流子放电。在实施例中，所述电触点119B在由所述电触点119B的所述离散区域所分别收集的载流子的所述数量的变化率几乎为零后连接到电接地。所述数量的变化率几乎为零意味着所述数量的时间变化小于0.1％/ns。在实施例中，所述电触点119B被连接到电接地并持续有限的复位时段。所述控制器310可通过控制复位开关305而使所述电触点119B连接到所述电接地。所述复位开关305可以是晶体管比如场效应晶体管(FET)。
所述电压表306可将其测量的电压以模拟或数字信号馈送给所述控制器310。
在示例中，所述积分器309被配置为对通过所述电触点119B的所述多个离散区域的电流进行积分。所述积分器309可以包括具有电容反馈回路的运算放大器(例如，在所述运算放大器的反相输入和输出之间)。所述积分器309电连接到所述电触点119B，并被配置为对在一段时间内流过所述电触点119B的所述离散区域的电流(即，由所述电触点收集的载流子)进行积分。所述积分器309可以被配置为电容跨阻放大器(CTIA)。电容跨阻放大器通过防止所述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。来自所述电触点119B的载流子累积在所述电容器上并且在一段时间(“积分期”)内被积分。在所述积分期终结后，所述电容器上的电压被采样，然后通过复位开关305对所述电容器进行复位。所述积分器309可包括直接连接到所述电触点119B的电容器。在示例中，当由所述电触点119B的所述离散区域分别收集的载流子的数量的变化率几乎为零时，所述积分期终结。
所述存储器320可以被配置为存储诸如载流子的所述数量的数据。
所述控制器310可以被配置为使所述电压表306测量来自所述积分器309的电压，所述电压代表由所述积分器309积分的载流子的所述数量(例如，所述积分器309中的所述电容器上的电压)。所述控制器310可以被配置为基于所述电压确定载流子的所述数量。
尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是为了说明的目的而不是限制性的，其真正的范围和精神应该以本文中的权利要求书为准。

Claims (17)

1.一种方法，其包括：
在半导体衬底上形成包括碳化硅层的辐射吸收层；
在所述辐射吸收层的第一表面上形成第一电触点；
将所述辐射吸收层与电子层键合；
去除所述半导体衬底；
在远离所述电子层的所述辐射吸收层的第二表面上形成第二电触点。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述碳化硅层的厚度可达10微米。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一电触点包括多个离散区域，所述多个离散区域被配置为从所述辐射吸收层收集载流子。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述第一电触点的所述多个离散区域以阵列布置。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述电子层包括电子系统，所述电子系统被配置为确定由所述第一电触点的所述离散区域分别收集的载流子的数量。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述电子系统被配置为确定在同一时间段内收集的载流子的数量。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述电子系统进一步包括积分器，所述积分器被配置为对通过所述第一电触点的所述多个离散区域的电流进行积分。
8.如权利要求5所述的方法，其中所述电子系统进一步包括控制器，所述控制器被配置为将所述第一电触点连接到电接地。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述控制器被配置为在所述数量的变化率几乎为零之后将所述第一电触点连接到电接地。
10.一种辐射检测器，其包括：
辐射吸收层，其包括碳化硅层，所述辐射吸收层被配置为由入射在所述辐射吸收层上的辐射在所述辐射吸收层中产生载流子；
电触点，其具有多个离散区域，所述电触点被配置为从所述辐射吸收层收集载流子；以及
电子系统，其被配置为确定由所述多个离散区域分别收集的载流子的数量。
11.如权利要求10所述的辐射检测器，其中所述碳化硅层的厚度可达10微米。
12.如权利要求10所述的辐射检测器，其中所述多个离散区域以阵列布置。
13.如权利要求10所述的辐射检测器，其中所述电子系统被配置为确定在同一时间段内的所述数量。
14.如权利要求10所述的辐射检测器，其中所述电子系统包括积分器，所述积分器被配置为对通过所述多个离散区域的电流进行积分。
15.如权利要求10所述的辐射检测器，其进一步包括控制器，所述控制器被配置为将所述电触点连接到电接地。
16.如权利要求15所述的辐射检测器，其中所述控制器被配置为在所述数量的变化率几乎为零之后将所述电触点连接到电接地。
17.如权利要求10所述的辐射检测器，其中所述辐射检测器不包括闪烁体。
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