JP2009186475A - 画像化検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】８〜２０ｋｅＶの範囲内で読出しチップを放射線損傷から保護するセンサの必要がある。
【解決手段】ハイブリッド画像化検出器が、Ｘ線又は電子放射線又は他のイオン化放射線のようなイオン化放射線を検出するためにある。検出器は、読出しチップ（２０）上にセンサ（１０）を有する。センサ（１０）は、異なる材料で異なる放射線吸収特性を有する重なり合った複数のセンサ材料層（１２，１４）を含む。材料は、例えば、Ｓｉ及びＳｉＧｅ、Ｓｉ及びＧｅ、又は、Ｓｉ及びアモルファスＳｅであり得る。読出しチップは、それが閾値より上のパルスを検出するときに単一の計数を記録する光子計算読出しチップである。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像化放射線検出器に関し、具体的な実施態様では、Ｘ線、電子、又は、概ねイオン化された放射線の計数を実行するための集積回路を含むハイブリッド型の放射線検出器に関する。

例えばＸ線又は電子のための画像化放射線検出器は、ハイブリッドの形態を取ることができ、そこでは、読出しチップが、データを読み出し且つ処理するための電子機器を含み、センサが、読出しチップの直ぐ上に取り付けられ、この組立体は、センサと読出しチップとの間の相互接続結合の規則的なグリッド（平面的幾何）に起因する多数の画素を有する。代替的な組立てでは、センサ自体が、センサ内に機械加工される電極の規則的な配置（３Ｄ幾何）に起因する画素を有する。画素は、空間的に解像され、それぞれの画素に到達する、Ｘ線、電子、又は、概ねイオン化された放射線を検出することが意図される。Ｘ線、電子、又は、概ねイオン化された放射線が画素と相互作用するとき、それは読出しチップによって読み出される電荷を創成する。そのような検出器は、画像化センサとして作用し得る。

第一の種類の商業的な放射線検出器は、Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ ＢＶによって販売されるＰＩＸｃｅｌ（商標）検出器であり、それはＳｉセンサを使用する。センサの各画素は、画素をそれぞれの読出し回路に接続するそれぞれのバンプ結合を有する。

Ｘ線がセンサの画素内に吸収されるとき、それは原子と反応して光電子を生成し、次いで、それは隣接する原子から多数の外殻電子を励起し、故に、センサ材料の小さい空間領域内に電子（及び正孔）の雲を創成する。雲内には数千のオーダの電子があり得る。電子の数は、Ｘ線光子のエネルギに比例する。バイアス電圧は、電子雲をセンサの背部に拡散させ、そこで、それは読出しチップに対するバンプ結合を通され、画素の個々の回路によって電気パルスに変換され、数として検出される。

読出しチップは、画像を構築するよう受信される電気パルスを処理し得る。これは多くの方法で行われ得る。普通、生成される電気パルスが電圧閾値を超えるや否や、検出器の画素マトリックス内で空間的に解像されて、数は集計される。画素マトリックス内で集計される計数の異なる量は、吸収コントラストパターン、即ち、対象の画像を形成する。Ｘ線回折実験において、画素の数は二次元Ｘ線回折パターンを形成し、そられは空間的に積分され或いは共に瓶されて(binned together)、フーリエ変換図形(diffractogram)を形成し、後者はＰＩＸｃｅｌ検出器で実現される。

放射線検出器中でのゲルマニウムの使用は、米国特許第６，９３３，５０３号によって教示されており、それは相応してｐｎダイオードを構成する２つの薄い逆ドープされたＧａＡｓ層の間に挟装される塊状（バルク）ゲルマニウムＸ線検出器を記載している。ＧａＡａ層の一方は、複数の画素を作成するよう分割されている。ゲルマニウムは、Ｘ線が実質的に全て塊状ゲルマニウム中に吸収されるよう、ＧａＡｓよりもずっと厚い。

Ｘ線又は電子は、それが読出しチップと相互作用するときに、読出しチップに損傷を招き得る。これは放射線検出器の問題及び故障を引き起こし得る。そのような問題は、１７．４ｋｅＶでＭｏ放射線を使用する、或いは、Ｓｉセンサを備えるときの検出器のためにより典型的な８ｋｅＶでのＣｕ放射線の代わりに最大で２０ｋｅＶでシンクロトロン源からのＸ線を使用する、試験室Ｘ線分析の場合に特に問題である。

Ｘ線又は電子によって引き起こされる損傷を減少する既知のアプローチは、Ｓｉの代わりに、ＧａＡｓ、ＣｄＺｎＴｅ、又は、ＣｅＴｅのような、より多くのＸ線又は電子を生来的に吸収する材料を使用することである。残念ながら、そのような材料は、センサとしては依然として極めて問題であり、通常、限定的な検出器性能をもたらす。Ｓｉに対する処理は、そのようなより外来性の材料を用いるよりもずっと容易である。

他のアプローチは、米国特許５，８８９，３１３号及び米国特許第６，２０４，０８７号において教示されるものであり、それはセンサを通じて延びる陽極バーを備える異なる構造を教示している。その構造は、放射線によって生成される電子が、センサの表面上の収集電極又は測定電極への移動よりも遠くない陽極バーへの移動を有するという利点を有する。その構造は、放射線損傷を減少すると言われている。

しかしながら、この構造は、商業的な装置を達成するために実際には製造が極めて困難であることが分かっている。正しいアスペクト比及び間隔を備えて３００μｍ厚の基板内に極めて狭い貫通孔を製造することは極めて困難である。もしより薄いセンサが使用されるならば、吸収は、Ｘ線試験室分析器の場合に典型的に当て嵌まるような最適な感度のためには、概ね低すぎる。

よって、８〜２０ｋｅＶの範囲内で読出しチップを放射線損傷から保護するＳｉ基センサの必要が残存する。高い空間解像検出器の読出しチップは、特定の放射線硬度を示すが、特別な放射線硬度設計を利用しない、サブミクロンＣＭＯＳ内で組み立てられ得るので、これは重要である。

本発明によれば、請求項１に従った放射線検出器配列が提供される。

本発明者は、問題の範囲に亘るセンサ内への吸収を増大することによって、読出しチップを含む検出器への放射線損傷を減少することが可能であることを認識した。

換言すれば、本発明者は、放射線損傷を減少するために、例えば、読出しチップの上に受動的放射線吸収層を塗布するよりもむしろ、追加的な能動的層を使用することが可能であることを認識した。

Ｓｉ基板の上に追加的な放射線吸収層を塗布することによって、例えば、読出しチップとセンサとを接続するバンプ結合のために放射線吸収層を通じる貫通孔を提供するために、放射線吸収層をパターン化する必要はない。

しかしながら、センサ層内に１つよりも多くの異なる材料を使用することに伴う大きな問題がある。これは各層がＸ線又は電子に異なって反応するという問題である。具体的には、特定エネルギのＸ線光子又は電子は、一般的には、それが吸収されるセンサの層に依存して、異なる量の電荷を発達する。これは読出しを困難にする。

しかしながら、読出しチップは、それが画素内で閾値よりも大きいパルスに対応する電荷を検出するときに単一の計数を記録する回路構成を有する。このようにして、読出しチップは、パルスが閾値よりも大きい限り、光子又は電子が吸収される層に拘わらず、光子又は電子を記録する。これはハイブリッド放射線検出器が依然として正しく機能することを可能にする。

その上、Ｘ線を吸収することに特に効率的でない、シリコンを単に使用するセンサを備えるハイブリッド検出器と比較すると、本発明に従ったハイブリッド検出器は、センサ内へＸ線をより良好に吸収することができ、それは感知効率を増大するという追加的な有意な利点を有する。

センサ材料層は、Ｓｉの層と、Ｓｉよりも高い原子番号を有する素子を含む素子とを含み得る。このようにして、より高い原子番号を有する層は、単位長さ当たりより高い吸収を有することができ、センサの所与の厚さのためにセンサ内でより高い吸収を可能にする。これは、例えば、試験室分析装置においてエネルギ範囲１１ｋｅＶ〜１５ｋｅＶ及びＭｏ放射線でのＸ線回折、１７．４ｋｅＶを使用してシンクロトロンリングで遂行されるタンパク質結晶学のために、適用範囲をより高いエネルギに拡張する。よって、有意な利益は、Ｓｉセンサのみと比較してより良好な吸収、及び、他の材料と比較して比較的容易な製造可能性である。

センサ材料層は、Ｓｉの第一センサ材料層の上にＧｅ又はＳｉＧｅの第二センサ材料層を含み得る。ＳｉＧｅ又はＧｅは、ＧａＡｓ、ＣｄＺｎＴｅ、又は、ＣｄＴｅのようなより複雑な材料よりも従来的なＳｉ処理に一層便利に統合される。しかしながら、１つよりも多くの能動層を備える光子計算検出器の読出しの作動原理は、一般的なものであり、所与の実施例に限定されない。

Ｓｉ／Ｇｅの場合におけるセンサ材料は、第一センサ材料層と第二センサ材料層との間のバッファ層を含み、バッファ層は、格子不整合に適合するために、第一センサ材料層から第二センサ材料層に変化する勾配付き組成を有する。

横方向にパターン化されるセンサを備えない平坦な検出器幾何の代替として、センサは、（米国特許第５，８８９，３１３号及び米国特許第６，２０４，０８７号に記載されるような）複数の伝導性ロッドも含み得るが、ここに報告される新規な発明のために、第一センサ材料層及び第二センサ材料層を通じて延びる。ロッドは、第一材料層と第二材料層との間の界面を横断する必要なしに、第一材料層及び第二材料層の両方内の電子及び正孔のための読出し回路構成への経路を提供し得る。

第二センサ材料層のための代替は、非晶質層、例えば、非晶質セレンでもあり得る。２つの層の間の界面は、界面に亘る電荷キャリア核酸のための障害を示し得るので、界面に対して本質的に垂直に延びる伝導性バーの使用は、この構造では特別な使用である。

本発明のより良好な理解のために、付属の図面を参照して、純粋に一例によって、実施態様が今や記載される。

本発明の第一実施態様を示す側面図である。 様々な層の組み合わせに関する吸収を示すグラフである。 エンドキャップを備える第二実施態様を示す側面図である。 本発明の第三実施態様を示す側面図である。

図面は概略的であり、原寸ではない。同等又は類似の構成部品は、異なる図面中で同じ参照番号が付与されている。

図１を参照すると、複数のバンプ結合３０を使用して、センサ１０が読出しチップ２０上に取り付けられており、各バンプ結合は、それぞれの画素に対応している。読出しチップは、各画素、故に、各バンプ結合３０のために別個の光子計算検出器を含む。

センサ１０は、２つのセンサ材料層１２，１４を含む。これらのセンサ材料層の第一は、シリコン基板１２であり、第二センサ材料層は、ゲルマニウムエピタキシャル層１４である。実施態様において、基板１２は、３００μｍの厚さであり、エピタキシャル層は、５０μｍの厚さである。薄いバッファ層１６が、基板１２とエピタキシャル層１４との間に設けられ、バッファ層１６は、シリコン及びゲルマニウムの組成勾配(compositional gradient)を有し、格子疲労及び歪みを最小限化するために、高いシリコン含有量をシリコン基板１２に隣接して備え、高いゲルマニウム含有量をゲルマニウムエピタキシャル層１４に隣接して備える。

オーム接点４２が、第二材料層１４内への移植（埋込）によって形成され、第二材料層１４へのオーム接触を行うオーム電極３２が、第二材料層１４上に設けられている。

シリコン基板の使用は、従来的な半導体製造施設の使用を可能にし、統合を助け、並びに、製造を容易にする。実施態様において、センサ１０及び読出しチップ２０の両方はＳｉから成り、高オーム材料のセンサ、及び、ＣＭＯＳプロセスのために使用される通常型の読出しチップである。

各光子計算検出器２２は、閾値と、閾値を超える計数パルスとを有する。光子計算検出器２２は、バイアス回路２４を含み、バイアス回路は、正バイアスをオーム電極３２に対して読出しチップ２０に加え、故に、センサ１０の後部に正バイアスを加え、それは放射線光子又は電子によって励起される電子を後部に向かって漂流させる。読出しチップは、正孔収集モードにおいても動作し得る。その場合には、読出しチップ２０は接地に置かれ、正バイアスがオーム電極３２に加えられる。

記載の便宜のために、以下の記載はＸ線に対する応答を記載するが、同じ検出器は電子又は概ねイオン化された放射線も同様に検出する。

入射Ｘ線光子がセンサ１０内に吸収されるとき、それは電子及び正孔の雲を生成する。雲内の光子の数は、入射Ｘ線光子のエネルギに比例する。しかしながら、Ｘ線はゲルマニウムエピタキシャル層１４又は基板１２中に吸収され得るので、パラスの大きさは、正確に同じエネルギを有する光子に関してさえ異なる。例えば、単一の光子は、もしＳｉ層中に吸収されるならば、Ｃｕ管放射線（８ｋｅＶ）のために２２００光子の雲を創成し得るが、同じ光子は、もしゲルマニウム中に吸収されるならば、おおよそ３０％より多くの光子（２８５０光子）を創成する。

両方の材料層１２，１４が所定エネルギ範囲内の有意な量のＸ線を吸収することに留意せよ。よって、第一及び第二の材料層のそれぞれは、関心のエネルギ範囲の少なくとも一部において、入射Ｘ線又は電子の少なくとも１０％を吸収し得る。より重要なことには、総吸収は、好ましくは、関心の所定エネルギ範囲の全体に亘って７０％を越え、さらに好ましくは、少なくとも９０％を越え、或いは、９５％さえも越える。

本発明は、比較的薄いシリコン基板を使用するときでさえ、簡単なＳｉセンサと比較して増大された吸収を可能にする。Ｓｉ基板の厚さは、例えば、２００〜５００μｍであり得る。上方層は、これ未満の厚さ、例えば、２０〜５０又は１００μｍの厚さを有し得る。実際には、層厚は、適切な層成長に依存して検出器特性によって制限される。

図２は、頂部に１０、５０、及び、１００μｍの厚さのＧｅを備える２００μｍのＳｉに関して、７〜２０ｋｅＶに対応する０．１７〜０．０６ｎｍの波長範囲に亘る吸収を例証している。５０μｍが単にＳｉを使用するよりも極めて有意に良好な結果を既にもたらしていること、並びに、１００μｍが優れた結果をもたらしていることが見られる。具体的には、Ｍｏ放射線（０．０７ｎｍ波長）に関する吸収は、Ｓｉのみを備える３７％から５０μｍＧｅを備える８４％及び１００μｍＧｅを備える９７％に上昇する。１１ｋｅＶから１５ｋｅＶ（波長０．１１ｎｍ〜０．０８ｎｍ）の範囲内で、１００μｍＧｅは、９９．５％よりも多くの吸収を終始供給し、１１ｋｅＶと１４ｋｅＶとの間では９９．９％である。この後者の範囲は、シンクロトロンＸ線源を使用してタンパク質結晶学を実施するのに特に適する。

Ｓｉ及びＧｅの双方を使用することのさらなる利益は、Ｓｉが１１ｋｅＶより下のエネルギの良好な吸収体であることである。Ｇｅは、その領域ではＳｉほど良好ではないが、シンクロトロンシステムにおけるタンパク質結晶学を可能にする１１〜１５ｋｅＶの範囲内では優れており、Ｍｏ放射線に適する１７．４ｋｅＶでも良好である。よって、組み合わせられたシステムは、広い範囲に亘って改良された特性を有する。

加えられるバイアスは、センサ１０の後部を通じて、次に、バンプ３０を通じてそれぞれの読出し回路に、電子を読出しチップ２０で加えられる正電位に向かって漂流させる。電荷は増幅され、電荷の量、故に、生成される電子の数に対応する電気パルスを創成するよう変換される。

読出しチップは、電荷共有に起因する計数の損失を回避し、且つ、隣接するバンプを通過する単一の光子又は電子によって励起される組の幾つかの電子によって引き起こされる二重計算に起因する過剰計数を回避する回路構成を含み得る。パルスが隣接する画素内で同時に検出されるとき、それは１つの画素、例えば、最高電荷を検出する画素にのみ帰される。高い空間解像力を有する矯正回路を具備しない他のチップには、これらの効果は存在し、適切な閾値設定によって最小限化される。

２つの異なる材料を使用することによって引き起こされる可変パルスサイズに対処するために、光子計算検出器は閾値付けされ、もしパルスが所定サイズを超えるならば、各パルスを単一計数として計算する。このようにして、それらが吸収される層に拘わらず、全ての光子が等しく計算される。

典型的には、特定の所定エネルギで放射線を使用する実験動作のために、閾電圧レベルは、より多くの電子を生成する層内のそのエネルギの光子によって誘起される電子の数の半分に便利に対応する。光子の特定のエネルギが１つの層内で２２００電子の雲、頂部の他の層内で２８５０電子の雲を生成する上記の実施例を考えよ。閾値は、パルス内で１４００電子、即ち、生成されるより高い数の電子の半分であるべきである。一般的には、閾値は、生成される電子のより高い数の４５％から６０％であるべきである。

もし光子が１つの画素と他の画素との間の縁部に近接して光子雲を生成するならば、光子雲は、両方の画素の読出しセンサを通じて読み出され得る。提案される閾値を用いるならば、雲は画素の最大でも１つにおいてのみ読み出され、二重計算を回避する。何故ならば、雲の少なくとも半分は、計数を創成するために１つの読出し画素を通過しなければならないからである。よって、適切な閾値自体を使用することは、二重計算を回避すると同時に、電荷共有に起因する損失を最小限化する。

１つよりも多くの吸収層を誘起することは、追加的な利益を有する。これは、検出器の雑音レベルの近傍におけるより低いエネルギのために、並びに、追加的な層が、Ｓｉ上のＧｅの場合におけるように、入射光子毎に撚り多くの電子を生成するときに、極めて重要である。普通、Ｘ線回折実験は、８ｋｅＶでＣｕ放射線で遂行される。雑音レベルは、Ｓｉセンサに関して３と４ｋｅＶとの間であり得る。層状検出器に関して、値は、はるかにより高くなければならない。その場合には、閾値は、約４ｋｅＶと等しい１１００電子に設定され得る。電荷共有に起因する平坦分配が、雑音とＣｕピークとの間に存在する。雑音に対する８ｋｅＶのＣｕピークの近距離は、閾値レベルの選択に対する制約を課し、良好な電子を備え且つ正しく組み立てられるチップのために、１１００電子レベルが正に実現され得る。

そのような状況においては、電子の安定問題に起因する閾値レベルの小さな変動さえも、有意な影響を有し得るし、測定における強度変動を引き起こし得る。

対照的に、２つの吸収層を備えるここに記載される装置において、第一吸収層の上の第二吸収層は、この第二吸収層内の絶対吸収を最大限化する。重要な事実は、８ｋｅＶのためのＧｅに関する約２８５０電子での検出器応答ピークが、Ｓｉに関する２２００電子と比較して、検出器の雑音レベルから今やさらに一層離れることである。これは検出器の応答の安定性にとって、画素対画素応答の均質性にとって、並びに、反復測定の精度にとって極めて有益である。

現在の二層検出器における１４００電子に対する電圧閾値レベルの設定も、１１００に比較して、今や雑音からさらに離れている。この閾値レベルは、より高い数の電子を備えるピーク（実施例中の第二吸収層）に極めて適しており、二重計算及び電荷共有の故の損失を回避する。イオン化された放射線がＳｉ層内で吸収されるとき、閾値は電荷共有レベルよりも少し高い（生成される電子の数の半分）。この損失は極めて少量の計数であるが、二重計算を最小限化し、信号を雑音からさらに離す。

具体的な実施態様において、より高い数の電子を生成する層も最強を吸収する。何故ならば、イオン化放射線が到達するのは第一層だからであり、第一層はより大きな吸収を有するからでもある。より多くの電子を生成する層、実施例では、Ｇｅ層内で生成される電子の数の半分に閾値を設定することによって、検出器は、その雑音レベルからさらに離れて効果的に動作し、極めて適切に設定され、よって、安定性、応答の均質性、及び、精度を増大する。

層状検出器は、例えば、医療用途のような、より高いエネルギのためにも機能することが概ね留意されるべきである。その上、２つのピークが強度、位置、及び、形状において相関されるという事実は、放射線の１つよりも多くのエネルギが同時に使用される場合に、エネルギウィンド化(energy windowing)が、エネルギ分散分析のために使用され得ることを意味する。

電子パルスは、可能な限り効率的に且つ電荷の最小損失で収集されなければならない。これに関して、電荷の損失を引き起こす層間の干渉を回避するために、複数の層が配置されなければならない。実施態様中のバッファ層１６は、急な干渉を回避する効果を有し、それによって、如何なる潜在的なバリアも滑らかであることを保証する。界面での欠陥構造の調査は、良好に成長したエピタキシャル層のための界面を通じた電荷輸送に対する弱い影響のみを示唆する。

選択的に、センサ１０は、材料パターン化によって別個の画素に分割され得る。しかしながら、これは不連続な界面を創成するアモルファス（非晶質）層又は界面を通じた適切な電子輸送のための高すぎるバリアがそれらの間に創成される層の場合にだけ求められる。代わりに、適切なエピタキシャルシステムでは、センサは、横方向に連続的に重なり合って積み重ねられるセンサ材料層を単に含み得るし、画素は、バンプの位置又は読出しチップに対する交互接続によって決定され得る。電子の各雲は最も近いバンプで収集される傾向にあるので、画素場所はバンプによって効果的に決定される。

検出器の良好に機能するために、層は十分に除去され、それは適切なバイアス電位の適応によって達成され得る。３００μｍＳｉだけのために、１００Ｖが普通であり、１００μｍＧａＡｓだけのために、３５０Ｖが報告される。既述のＧｅ／Ｓｉシステムは、類似の動作範囲を有するべきである。バイアス電位は、電荷キャリアが両側の異なるバンドギャップ幅で構成される界面を横断して輸送するのを助ける。

読出しチップが層と共に正しく機能するよう設計されることに気付くのが重要である。Ｇｅは、室温でＳｉよりも１００倍高い漏洩電流を有することが既知である。読出し電子機器は、この状況を解決する漏洩電流補償回路を有する。これが引き起こし得る装置問題にも関わらず、そのような大きな追加的な電流を伴う回路は、検出器として依然として適切に作動する。

この他の結果は、原則的に、従来的なＧｅ検出器と異なり、層状構成のために冷却は不要であり得ることである。それにも拘わらず、最適化の目的のために、温度安定化又は適度の冷却（Ｐｅｌｔｉｅｒ）が依然として有用であり得る。具体的には、大きすぎる電荷がＧｅ内の漏洩電流によって生成されない特別な配慮が取られる必要があり得る。何故ならば、空間電荷は高抵抗性Ｓｉを通じて輸送され得るからである。この場合には冷却が役立つ。

第二感知材料層１４のための材料の選択は異なり得る。１つの選択肢は、上記されたエピタキシャルゲルマニウムの代わりに、エピタキシャルシリコンゲルマニウムを使用することである。

代替的な実施態様は、複数の層を使用する。例えば、１つの実施例では、シリコン基板は、１〜５μｍの厚さの勾配付き(graded)バッファ１６を有し、３０μｍＧｅが続き、さらなるバッファ、１０μｍＳｉ、さらなるバッファ及び３０μｍＧｅが続く。Ｇｅ層の数は要求に応じて増大され得るし、必要に応じて追加的なバッファ層及びＳｉ層を備え得る。

複数のＧｅ層の使用は、仮にそれが単一層内に十分な厚さの単結晶Ｇｅを確実に成長するのが困難であると分かるとしても、十分な厚さのＧｅをもたらし得る。そのような構成では、格子及び界面の良好な結晶学的成長及び最小限化された転位密度を備える積重ねを実現することが重大である。さらに、帯域オフセットは、急なバリアを回避するために、勾配付きバッファ層によって平滑化されなければならない。次に、加えられるバイアスは、層を通じて収集されるべき選択の電荷キャリアを電子の場合には伝導帯変動の小さい変動より上に並びに正孔の場合には価電子帯変動内の変動より上に駆動するのに十分高くなければならない。残留疲労の故に層内の電子及び正孔のための帯域オフセットの変動の非対称的な高ささえもあり得るし、技術は、層の厚さの適切な選択と共に、収集されるべき電荷キャリアの種類、電子、又は、正孔のために最良の選択にある。

図３は、第二実施態様を例証している。具体的には、１μｍよりも小さく最大でも１０μｍまでの厚さを有するＧｅＳｉ勾配付きバッファ層と組み合わされたＳｉ／ＳｉＯ_２のエンドキャップ４０が、Ｇｅ層１４の上に加えられている。

エンドキャップの理由は、センサがあたかもＳｉチップであり、Ｇｅを備えるチップではないかのように、センサ１０が処理されることを可能にすることである。センサ１０を動作するために、電圧がチップを横断して（図面において垂直に）印可される必要があり、それはオーム接点をチップの前部に取付け、バンプ結合３０をチップの後部にオーム接触することを意味する。

多くの技術的努力が多数のグループによってＧｅへのオーム接触を行うことに投入された。これらの努力は幾分かの成功で満足され、Ｇｅへのオーム接触を行うことは可能であるが、それは極めて困難な技術であり、広く利用可能ではないか或いは実施されない。

対照的に、図３の構成においては、頂部上に薄いＳｉキャッピング層を形成することによって、より一層良く知られ且つ理解される技術を使用して、頂部オーム接点がＳｉに作成され得る。

具体的には、移植（埋設）によって、オーム接点がシリコンのキャッピング層内に形成され得る。次に、電極３２がオーム接点と接触する。オーム接点は、Ｓｉ−Ｇｅ界面の如何なる影響をも回避するために、キャッピング層の全厚さに延在しない薄いオーム接点であり得る。

図４に例証される第三実施態様において、電子収集に対する界面電位の可能な衝撃は、異なる方法で取り扱われる。具体的には、第一及び第二の感知材料層の両方を通じて延びるロッド１８が提供され、従って、ロッドは、センサ１０の平面に対して実質的に垂直に延びる。ロッド１８は、陽極ロッド４０と、陰極ロッド４２とに分割され、センサ１０を横断して交互になっている。ロッドは、センサの表面の上で配列に配置され得る。ロッド１８のそれぞれは、読出しチップに接続され、陽極ロッド４０は、それぞれの光子計算検出器２２に接続され、陰極ロッド４２は、バイアス回路２４に接続されている。

そのようなロッド１８は、センサ１０を通じる孔を通じて機械加工し、貫通孔を金属のような適切な導体で充填することによって作成され得る。

バイアスが陰極ロッド４２と陽極ロッド４０との間に提供され、横方向バイアスをもたらす。このアプローチでは、第一又は第二の材料層内でＸ線によって励起される電子雲が、第一及び第二の材料層１２，１４の間の界面を横断せずに、それぞれの陽極ロッド４０に到達し得る。

この構成に従ったアプローチは、米国特許第５，８８９，３１３号又は米国特許第６，２０４，０８７号に記載されるような陽極ロッドを使用して、既存のＸ線検出器に伴って存在する問題を解決する。その研究で調査された検出器は、より厚い基板を通じて適切な孔を形成することの困難性に鑑み、２００μｍＳｉ基板を使用する。問題は、一部のＸ線、例えば、商業的な機器において使用される８ｋｅＶ Ｃｕ Ｘ線は、最適な感度のために少なくとも３００μｍのＳｉを必要とすることである。

Ｓｉよりも効率的にＸ線を吸収する１つの層を含む多層アプローチを使用することによって、基板は、本発明を使用して、米国特許第５，８８９，３１３号及び米国特許第６，２０４，０８７号のＳｉ基板を単に使用することによるよりも薄くあり得る。これは孔が基板全厚を通じて機械加工されることを可能にする。

より薄い基板の孔が求められるならば、これはレーザ穿孔によって代替的に達成され得る。この方法はより困難であり（、故に、より高価である）。しかしながら、３００μｍの厚さにおける孔の高アスペクト比が、良好な結果を伴って達成され得る。

ロッド１８を使用するアプローチは、アモルファス（非晶質）セレン／シリコン検出器と共に特に使用され得る。何故ならば、これは何れかの層内で収集される電子が収集される前に界面を通過する必要を回避するからである。

この実施態様は、代替として、第二感知材料層としてアモルファス（非晶質）セレン層を使用し得る。これは急な界面を創成するが、表面に対して垂直な陽極−陰極ロッド構造は、読出しチップへの電荷キャリアの流れを可能にする。

上記の実施態様は純粋に一例であり、多くの変形が可能であることが当業者によって理解されるであろう。

フリップチップバンプ３０は丸いバンプとして図面中に示されているが、実際には、バンプ３０は、もちろん、蒸発によって蒸着される平坦な層であり得る。

好ましくは、層は検出器工学目的を助け、構造的或いは電子的特性を改良すべきである。

１０ センサ
１２ シリコン基板、第一センサ材料層
１４ エピタキシャル層１４、第二センサ材料層
１６ バッファ層
１８ ロッド
２０ 読出しチップ
２２ 光子計算検出器
２４ バイアス回路
３０ バンプ結合
３２ オーム電極
４０ 陽極ロッド
４２ オーム接点、陰極ロッド

Claims (16)

1. 所定エネルギ範囲のＸ線又は電子のようなイオン化放射線を検出するための画像化検出器であって、
   読出し回路構成を含む読出しチップを含み、
   複数の画素の上でイオン化放射線を吸収するためのセンサを含み、該センサは、前記読出しチップに電気的に接続され、
   前記読出しチップは、それが閾電荷よりも大きい光子又は電子によって励起される電荷を検出するときに、画素内のパルスを記録する回路構成を有し、
   前記センサは、異なる放射線吸収特性を有する、重なり合った異なる材料の複数のセンサ材料層を含み、該複数のセンサ材料層は、前記所定エネルギ範囲に亘って入射放射線の少なくとも７０％を吸収し、
   前記センサ材料層は、第一半導体の第一センサ材料層と、第二半導体の第二センサ材料層と、前記第一センサ材料層と前記第二センサ材料層との間のバッファ層とを含み、該バッファ層は、前記第一センサ材料層の材料から前記第二センサ材料層の材料に変化する勾配付き組成を有する、
   画像化検出器。
2. 前記第一材料層及び前記第二材料層は、前記所定エネルギ範囲内のイオン化放射線が、前記第一材料層内に吸収されるときに、少なくとも第一電荷を生成し、且つ、前記第二材料層内に吸収されるときに、少なくとも第二電荷を生成する特性を有し、前記閾電荷は、前記第一電荷及び前記第二電荷のより高い方の４５％と６０％との間にある、請求項１に記載の検出器。
3. 前記読出しチップは、イオン化放射線が検出されるときに、電荷の量に対応する電圧パルスを生成し、該電圧パルスを閾値と比較し、前記電圧パルスが前記閾値を超えるパルスだけ計算するよう構成される、請求項２に記載の検出器。
4. 前記複数のセンサ材料層のそれぞれは、前記所定エネルギ範囲内少なくとも１つのエネルギで入射放射線の少なくとも２０％を吸収する、請求項１又は２に記載の検出器。
5. 前記第一センサ材料層は、前記読出しチップに隣接し、前記第二センサ材料層は、前記第一センサ材料層の上にあり、前記第二センサ材料層は、前記所定エネルギ範囲に亘って入射放射線の少なくとも３０％、好ましくは、入射放射線の少なくとも５０％を吸収する、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の検出器。
6. 前記センサ材料層は、Ｓｉの１つの材料層と、Ｇｅ又はＳｉＧｅの他の材料層とを含む、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の検出器。
7. 前記第一センサ材料層はＳｉであり、前記第二センサ材料層はＧｅ又はＳｉＧｅである、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の検出器。
8. 交互の第一材料及び第二材料層と、前記第一材料層と前記第二材料層との間のバッファ層とを含む、複数層を有する、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の検出器。
9. 少なくとも２つの第一材料層と、少なくとも２つの第二材料層とを含む、請求項８に記載の検出器。
10. 前記第二材料層の上にキャッピング層をさらに含む、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の検出器。
11. 前記キャッピング層は、１μｍから１０μｍの範囲内の厚さを有するＳｉの層である、請求項１０に記載の検出器。
12. 前記キャッピング層内に形成されるオーム接点をさらに含む、請求項１０又は１１に記載の検出器。
13. 前記センサは、前記第一センサ材料層及び前記第二センサ材料層を通じて延びる複数の伝導性ロッドを含み、該ロッドは、前記読出しチップに接続される、請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載の検出器。
14. 前記第一センサ材料層及び前記第二センサ材料層の少なくとも１つは、非晶質である、請求項１３に記載の検出器。
15. 前記非晶質第二センサ材料層は、非晶質セレンから成る、請求項１４に記載の検出器。
16. 前記読出しチップは、複数の読出しチップ回路を含み、各読出しチップ回路は、単一の画素に電気的に接続される、請求項１乃至１５のうちのいずれか１項に記載の検出器。

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