TW201643468A - 半導體ｘ射線檢測器 - Google Patents

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Abstract

本文公開適合於檢測X射線的裝置，其包括：X射線吸收層，其包括電極；電子層，該電子層包括：具有第一表面和第二表面的襯底、襯底中或襯底上的電子系統、第一表面上的電觸點、通孔和第二表面上的再分佈層(RDL)；其中RDL包括傳輸線；其中通孔從第一表面延伸到第二表面；其中電極電連接到電觸點；其中電子系統通過通孔電連接到電觸點和所述傳輸線。

Description

半導體X射線檢測器
本公開涉及X射線檢測器，特別涉及半導體X射線檢測器。
X射線檢測器可以是用於測量X射線的通量、空間分佈、光譜或其他性質的設備。
X射線檢測器可用于許多應用。一個重要應用是成像。X射線成像是放射攝影技術並且可以用於揭示組成不均勻和不透明物體(例如人體)的內部結構。
早期用於成像的X射線檢測器包括照相底片和照相膠片。照相底片可以是具有感光乳劑塗層的玻璃底片。儘管照相底片被照相膠片取代，由於它們所提供的優越品質和它們的極端穩定性而仍可在特殊情形中使用它們。照相膠片可以是具有感光乳劑塗層的塑膠膠片(例如，帶或片)。
在20世紀80年代，出現了光激勵螢光板(PSP板)。PSP板可包含在它的晶格中具有色心的螢光材料。在將PSP板暴露于X射線時，X射線激發的電子被困在色心中直到它們受到在板表面上掃描的雷射光束的激勵。在鐳射掃描板時，捕獲的激發電子發出光，其被光電倍增管收集。收集的光轉換成數位圖像。與照相底片和照相膠片相比，PSP可以被重複使用。
另一種X射線檢測器是X射線圖像增強器。X射線圖像增強器的部件通常在真空中密封。與照相底片、照相膠片和PSP板相比，X射線圖像增強器可產 生即時圖像，即不需要後曝光處理來產生圖像。X射線首先撞擊輸入螢光體(例如，碘化銫)並且被轉換成可見光。可見光然後撞擊光電陰極(例如，包含銫和銻複合物的薄金屬層)並且促使電子發射。發射電子數量與入射X射線的強度成比例。發射電子通過電子光學器件投射到輸出螢光體上並且促使該輸出螢光體產生可見光圖像。
閃爍體的操作與X射線圖像增強器有些類似之處在於閃爍體(例如，碘化鈉)吸收X射線並且發射可見光，其然後可以被對可見光合適的圖像感測器檢測到。在閃爍體中，可見光在各個方向上傳播和散射並且從而降低空間解析度。使閃爍體厚度減少有助於提高空間解析度但也減少X射線吸收。閃爍體從而必須在吸收效率與解析度之間達成妥協。
半導體X射線檢測器通過將X射線直接轉換成電信號而在很大程度上克服該問題。半導體X射線檢測器可包括半導體層，其在感興趣波長吸收X射線。當在半導體層中吸收X射線光子時，產生多個載荷子(例如，電子和空穴)並且在朝向半導體層上的電觸點的電場下掃過它們。當前可用半導體X射線檢測器(例如，Medipix)中需要的繁瑣的熱管理可能使得難以或不能生產具有大面積和大量圖元的檢測器。
本文公開適合於檢測x射線的裝置，其包括：X射線吸收層，其包括電極；電子層，該電子層包括：具有第一表面和第二表面的襯底、襯底中或襯底上的電子系統、第一表面上的電觸點、通孔和第二表面上的再分佈層(RDL)；其中RDL包括傳輸線；其中通孔從第一表面延伸到第二表面；其中電極電連接到電觸點；其中電子系統通過通孔電連接到電觸點和傳輸線。
根據實施例，襯底具有200μm或更少的厚度。
根據實施例，電子系統包括：第一電壓比較器，其配置成將電極的電壓與第一閾值比較；第二電壓比較器，其配置成將電壓與第二閾值比較；計數器，其配置成記錄到達X射線吸收層的X射線光子的數目；控制器；其中該控制器配置成從第一電壓比較器確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值的時間啟動時間延遲；其中控制器配置成在該時間延遲期間啟動第二電壓比較器；其中控制器配置成如果第二電壓比較器確定電壓的絕對值等於或超出第二閾值的絕對值則促使計數器記錄的數目增加一。
根據實施例，控制器配置成在時間延遲開始時停用第一電壓比較器。
根據實施例，控制器配置成在時間延遲終止時或在第二電壓比較器確定電壓絕對值等於或超出第二閾值的絕對值的時間或中間的時間停用第二電壓比較器。
根據實施例，裝置進一步包括電容器模組，其電連接到電極，其中該電容器模組配置成收集來自電極的載荷子。
根據實施例，控制器配置成在時間延遲開始或終止時啟動第二電壓比較器。
根據實施例，裝置進一步包括電壓表，其中控制器配置成在時間延遲終止時促使電壓表測量電壓。
根據實施例，控制器配置成基於在時間延遲終止時測量的電壓值來確定X射線光子能量。
根據實施例，控制器配置成使電極連接到電接地。
根據實施例，電壓變化率在時間延遲終止時大致為零。
根據實施例，電壓變化率在時間延遲終止時大致為非零。
根據實施例，X射線吸收層包括二極體。
根據實施例，X射線吸收層包括矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合。
根據實施例，裝置不包括閃爍體。
根據實施例，裝置包括圖元陣列。
本文公開這樣的系統，其包括本文公開的裝置以及X射線源，其中該系統組態成進行對人的胸部或腹部進行X射線放射攝影。
根據實施例，系統包括上文描述的裝置以及X射線源，其中系統組態成對人的口腔進行X射線放射攝影。
本文公開貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其包括本文公開的裝置以及X射線源，其中該貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統組態成使用背散射X射線形成圖像。
本文公開貨物掃描或非侵入式檢測(NII)系統，其包括本文公開的裝置以及X射線源，其中該貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統組態成使用透射通過所檢查物體的X射線形成圖像。
本文公開全身掃描器系統，其包括本文公開的裝置以及X射線源。
本文公開X射線電腦斷層攝影(X射線CT)系統，其包括本文公開的裝置以及X射線源。
本文公開電子顯微鏡，其包括本文公開的裝置、電子源和電子光學系統。
本文公開這樣的系統，其包括本文公開的裝置，其中該系統是X射線望遠鏡或X射線顯微鏡，或其中系統組態成進行乳房攝影、工業缺陷檢測、顯微放射攝影、鑄件檢查、焊縫檢查或數字減影血管攝影。
本文公開這樣的方法，其包括：獲得X射線吸收層，其包括電極；獲得電子層，該電子層包括：具有第一表面和第二表面的襯底、襯底中或襯底上的電子系統、第一表面上的電觸點、通孔和第二表面上的再分佈層(RDL)；使X射線吸收層與電子層接合使得電極電連接到電觸點；其中RDL包括傳輸線；其中通孔從第一表面延伸到第二表面；其中電極電連接到電觸點；其中電子系統通過通孔電連接到電觸點和傳輸線。
100‧‧‧X射線檢測器
110‧‧‧X射線吸收層
111‧‧‧第一摻雜區
112‧‧‧本征區
113‧‧‧第二摻雜區
114‧‧‧離散區
119A‧‧‧電觸點
119B‧‧‧電觸點
120‧‧‧電子層
121‧‧‧電子系統
122‧‧‧襯底
123‧‧‧再分佈層/RDL
123A‧‧‧襯底
124‧‧‧第一表面
125‧‧‧電觸點
126‧‧‧通孔
126A‧‧‧通孔
126B‧‧‧通孔
127‧‧‧傳輸線
128‧‧‧第二表面
130‧‧‧填充材料
131‧‧‧通孔
199‧‧‧焊料凸點
300‧‧‧二極體
301‧‧‧第一電壓比較器
302‧‧‧第二電壓比較器
305‧‧‧開關
306‧‧‧電壓表
309‧‧‧電容器模組
310‧‧‧控制器
319‧‧‧週邊電路
320‧‧‧計數器
1201‧‧‧X射線源
1202‧‧‧物體
1301‧‧‧X射線源
1302‧‧‧物體
1401‧‧‧X射線源
1402‧‧‧物體
1501‧‧‧X射線源
1502‧‧‧行李
1601‧‧‧X射線源
1602‧‧‧人
1701‧‧‧X射線源
1801‧‧‧電子源
1802‧‧‧樣本
1803‧‧‧電子光學系統
圖1A示意示出根據實施例的半導體X射線檢測器。
圖1B示出根據實施例的半導體X射線檢測器100。
圖2示出根據實施例、圖1A中的檢測器的一部分的示範性頂視圖。
圖3A示意示出根據實施例的電子層120。
圖3B示意示出根據實施例的電子層120。
圖3C示意示出根據實施例的電子層120的頂視圖。
圖3D示意示出根據實施例的電子層120的頂視圖。
圖3E示意示出根據實施例的電子層120的橫截面圖。
圖4A示意示出X射線吸收層與電子層之間的直接接合。
圖4B示意示出X射線吸收層與電子層之間的倒裝接合。
圖5示意示出電子層的底視圖。
圖6A示出如在圖3A、圖3B、圖3C、圖3D或圖3E中示出的電子層允許使多個半導體X射線檢測器堆疊。
圖6B示意示出堆疊的多個半導體X射線檢測器100的頂視圖。
圖7A和圖7B各自示出根據實施例、圖1A或圖1B中的檢測器的電子系統的部件圖。
圖8示意示出根據實施例流過暴露於X射線的X射線吸收層的二極體的電極或電阻器的電觸點的電流的時間變化(上曲線)和電極電壓的對應時間變化(下曲線)，電流由X射線吸收層上入射的X射線光子產生的載荷子引起。
圖9示意示出根據實施例在採用圖8中示出的方式操作的電子系統中雜訊(例如，暗電流)引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極電壓的對應時間變化(下曲線)。
圖10示意示出根據實施例在電子系統操作來檢測處於較高速率的入射X射線光子時流過暴露於X射線的X射線吸收層的電極的電流的時間變化(上曲線)和電極電壓的對應時間變化(下曲線)，電流由X射線吸收層上入射的X射線光子產生的載荷子引起。
圖11示意示出根據實施例在採用圖10中示出的方式操作的電子系統中雜訊(例如，暗電流)引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極電壓的對應時間變化(下曲線)。
圖12示意示出根據實施例在採用圖10中示出的方式(其中RST在te之前終止)操作的電子系統中由X射線吸收層上入射的一系列X射線光子產生的載荷子引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極電壓的對應時間變化(下曲線)。
圖13示出根據實施例適合於醫學成像(例如胸部X射線放射攝影、腹部X 射線放射攝影等)的系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器。
圖14示意示出根據實施例適合於牙齒X射線放射攝影的系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器。
圖15示意示出根據實施例的貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器。
圖16示意示出根據實施例的另一個貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器。
圖17示意示出根據實施例的全身掃描器系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器。
圖18示意示出根據實施例的X射線電腦斷層攝影(X射線CT)系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器。
圖19示意示出根據實施例的電子顯微鏡，其包括本文描述的半導體X射線檢測器。
圖1A示意示出根據實施例的半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100可包括X射線吸收層110和電子層120(例如，ASIC)，用於處理和分析入射X射線在X射線吸收層110中產生的電信號。在實施例中，半導體X射線檢測器100不包括閃爍體。X射線吸收層110可包括半導體材料，例如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合。半導體對於感興趣的X射線能量可具有高的品質衰減係數。X射線吸收層110可包括由第一摻雜區111、第二摻雜區113的一個或多個離散區114形成的一個或多個二極體(例如，p-i-n或p-n)。第二摻雜 區113可通過本征區112(可選)而與第一摻雜區111分離。離散部分114通過第一摻雜區111或本征區112而彼此分離。第一摻雜區111和第二摻雜區113具有相反類型的摻雜(例如，區111是p型並且區113是n型，或區111是n型並且區113是p型)。在圖1A中的示例中，第二摻雜區113的離散區114中的每個與第一摻雜區111和本征區112(可選)一起形成二極體。即，在圖1A中的示例中，X射線吸收層110具有多個二極體，其具有第一摻雜區111作為共用電極。第一摻雜區111還可具有離散部分。
圖1B示出根據實施例的半導體X射線檢測器100。該半導體X射線檢測器100可包括X射線吸收層110和電子層120(例如，ASIC)，用於處理或分析入射X射線在X射線吸收層110中產生的電信號。在實施例中，半導體X射線檢測器100不包括閃爍體。X射線吸收層110可包括半導體材料，例如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合。半導體對於感興趣的X射線能量可具有高的品質衰減係數。X射線吸收層110可不包括二極體但包括電阻器。
在X射線光子撞擊X射線吸收層110(其包括二極體)時，它可被吸收並且通過許多機制產生一個或多個載荷子。一個X射線光子可產生10至100000個載荷子。載荷子可在電場下向二極體中的一個電極漂移。電場可以是外部電場。電觸點119B可包括離散部分，其中的每個與離散區114電接觸。在實施例中，載荷子可在多個方向上漂移使得單個X射線光子產生的載荷子大致未被兩個不同離散區114共用(“大致未被共用”在這裡意指這些載荷子中不到5%、不到2%或不到1%流向與餘下載荷子不同的離散區114中的一個)。在實施例中，單個X射線光子產生的載荷子可以被兩個不同離散區114共用。圖2示出具有4×4陣列的離散區114的設備100的一部分的示範性頂視圖。在這些離散區114中的 一個的足跡內入射的X射線光子產生的載荷子大致未與這些離散區114中的另一個共用。在離散區114周圍的區域中，大致所有(超過95%，超過98%或超過99%的)由X射線光子產生的載荷子流向離散區114，這個區域被稱作與離散區114相關聯的圖元。
即，這些載荷子中不到5%、不到2%或不到1%流到一個離散區的足跡外。通過測量流入離散區114中的每個內的漂移電流或離散區114中的每個的電壓的變化率，可確定離散區114的足跡內吸收的X射線光子的數量(其與入射X射線強度有關)和/或其能量。從而，入射X射線強度的空間分佈(例如，圖像)可通過單獨測量到離散區114陣列中的每個內的漂移電流或測量離散區114陣列中的每個的電壓的變化率來確定。離散區114中的每個的足跡可叫作圖元。這些圖元可採用任何適合的陣列來組織，例如方形陣列、三角形陣列和蜂窩狀陣列。圖元可具有任何適合的形狀，例如圓形、三角形、方形、矩形和六角形。圖元可以是獨立可定址的。
在X射線光子撞擊X射線吸收層110(其包括電阻器而非二極體)時，它可被吸收並且通過許多機制產生一個或多個載荷子。一個X射線光子可產生10至100000個載荷子。載荷子可在電場下向電觸點119A和119B漂移。電場可以是外部電場。電觸點119B可包括離散部分。在實施例中，載荷子可在多個方向上漂移使得單個X射線光子產生的載荷子大致未被電觸點119B的兩個不同離散區部分共用(“大致未被共用”在這裡意指這些載荷子中不到5%、不到2%或不到1%流向與餘下載荷子不同的離散部分中的一個)。在實施例中，單個X射線光子產生的載荷子可以被電觸點119B的兩個不同離散部分共用。在電觸點119B的這些離散部分中的一個的足跡內入射的X射線光子產生的載荷子大致未與電觸點119B的這些離散部分中的另一個共用。在離散區114周圍的區域中， 大致所有(超過95%，超過98%或超過99%的)由X射線光子產生的載荷子流向離散區114，這個區域被稱作與離散區114相關聯的圖元。即，這些載荷子中不到5%、不到2%或不到1%流到電觸點119B的一個離散部分的足跡外。通過測量流入電觸點119B的離散部分中的每個內的漂移電流或電觸點119B的離散部分中的每個的電壓的變化率，可確定電觸點119B的離散部分的足跡內吸收的X射線光子的數量(其與入射X射線強度有關)和/或其能量。從而，入射X射線強度的空間分佈(例如，圖像)可通過單獨測量到電觸點119B的離散部分陣列中的每個內的漂移電流或測量電觸點119B的離散部分陣列中的每個的電壓的變化率來確定。電觸點119B的離散部分中的每個的足跡可叫作圖元。這些圖元可採用任何適合的陣列來組織，例如方形陣列、三角形陣列和蜂窩狀陣列。圖元可具有任何適合的形狀，例如圓形、三角形、方形、矩形和六角形。圖元可以是獨立可定址的。
電子層120可包括電子系統121，其適合於處理或解釋X射線吸收層110上入射的X射線光子產生的信號。電子系統121可包括例如濾波網路、放大器、積分器和比較器等類比電路或例如微處理器等數位電路和記憶體。電子系統121可包括圖元共用的部件或專用於單個圖元的部件。例如，電子系統121可包括專用於每個圖元的放大器和在所有圖元之間共用的微處理器。電子系統121可通過通孔131電連接到圖元。通孔之間的空間可用填充材料130填充，其可使電子層120到X射線吸收層110的連接的機械穩定性增加。在不使用通孔的情況下使電子系統121連接到圖元的其他接合技術是可能的。
圖3A示意示出根據實施例的電子層120。該電子層120包括襯底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。電子層120包括第一表面124上的一個或多個電觸點125。該一個或多個電觸點125可配置成電連接到X射線吸收層110的一個或多個電極。電子系統121可以在襯底122中或襯底122上。電子層120包括一個或多個通孔126，其從第一表面124延伸到第二表面128。電子層120包括第二表面128上的再分佈層(RDL)123。RDL 123可包括一個或多個傳輸線127。電子系統121通過通孔126電連接到電觸點125和傳輸線127。在多個晶片各自與電子層120一起採用陣列設置來形成具有較大尺寸的檢測器時或在電子層120比在光刻工藝中可以同時暴露的區域更大時，RDL 123特別有用。
襯底122可以是變薄襯底。例如，襯底可具有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。襯底122可以是矽襯底或其他適合的半導體或絕緣體。襯底122可通過將較厚襯底研磨到期望厚度而產生。
一個或多個電觸點125可以是金屬或摻雜半導體的層。例如，電觸點125可以是金、銅、鉑、鈀、摻雜矽等。
通孔126經過襯底122並且使第一表面124上的電部件(例如電觸點125)電連接到第二表面128上的電部件(例如，RDL)。通孔126可用于向檢測器100中的電部件提供電力並且向它們傳送信號和傳送來自它們的信號。通孔126有時稱為“矽直通孔”，但它們可在除矽以外的材料的襯底中製造。
RDL 123可包括一個或多個傳輸線127。這些傳輸線127使襯底122中的電部件(例如，通孔126)在襯底122上的其他位點電連接到接合墊。傳輸線127可與襯底122電隔離，但在某些通孔126和某些接合墊處除外。傳輸線127可以是具有小X射線衰減的材料，例如Al。RDL 123可將電連接再分佈到更多便利 位點。
圖3B示意示出根據實施例與如3A中示出的實施例相似的電子層120。電觸點125中的每個可具有它的專用控制器310。
圖3C示意示出根據實施例的電子層120的頂視圖，其中一組電觸點125共用週邊電路319。該週邊電路319可設置在第一表面124上未被其他部件(例如，電觸點125組，和電子系統121)佔據的區域中。如果電子層120使用光刻製造，同時暴露的區域內電觸點125中的全部或一些可共用一個週邊電路319。週邊電路319可通過不止一個通孔126連接到不止一個傳輸線127。圖3D示意示出根據實施例的電子層120的頂視圖，其中週邊電路319的設置不同。週邊電路319的設置不限於這些示例。週邊電路319可具有冗餘。由於週邊電路319的部分失效，冗餘允許不禁用半導體X射線檢測器100。如果週邊電路319的一個部分失效，另一個部分可被啟動。例如，如果多個圖元共用相同週邊電路319，週邊電路319的完全失效將禁用所有這些圖元並且可能致使整個檢測器100不能操作。有冗余使完全失效的機會減少。週邊電路319可配置成執行各種功能，例如複用、輸入/輸出、提供電力、資料快取記憶體等。
週邊電路319不一定設置在第一表面上。圖3E示意示出根據實施例的電子層120的橫截面圖，其中週邊電路319在襯底123A的夾在襯底122與RDL 123之間的表面128上設置。週邊電路319可通過在襯底122中延伸的第一組通孔126A電連接到電觸點125並且通過在襯底123A中延伸的第二組通孔126B電連接到傳輸線127。電觸點125中的每個可具有專用通孔126A以連接到週邊電路319。週邊電路319可以被設置在多個表面上。
圖4A示意示出X射線吸收層110與電子層120之間、在電觸點119B的離 散部分和電觸點125處的直接接合。直接接合是沒有任何額外中間層(例如，焊料凸點)的晶圓接合工藝。接合工藝基於兩個表面之間的化學接合。直接接合可在高溫下進行但不一定如此。
圖4B示意示出X射線吸收層110與電子層120之間、在電觸點119B的離散部分和電觸點125處的倒裝接合。倒裝接合使用沉積到接觸墊(例如X射線吸收層110的電極或電觸點125)上的焊料凸點199。X射線吸收層110或電子層120翻轉並且X射線吸收層110的電極與電觸點125對齊。焊料凸點199可熔融以將電極和電觸點125焊接在一起。焊料凸點199之間的任何空隙空間可用絕緣材料填充。例如銅或金等其他材料的熱凸點可用於實現與焊料凸點相似的功能。
圖5示意示出RDL 123的底視圖，其中妨礙視圖的其他部件被省略。可以看到傳輸線127電連接到通孔126並且使通孔126再分佈到其他位點。
圖6A示出如在圖3A、圖3B、圖3C、圖3D或圖3E中示出的電子層120因為RDL 123和通孔126促進信號路徑通過多個層的路由並且因為如下文描述的電子系統121可具有足夠低的功耗來消除龐大的冷卻機構而允許使多個半導體X射線檢測器100堆疊。堆疊中的多個半導體X射線檢測器100不必相同。例如，多個半導體X射線檢測器100在厚度、結構或材料方面可不同。
圖6B示意示出堆疊的多個半導體X射線檢測器100的頂視圖。每個層可具有平鋪來覆蓋較大區域的多個檢測器100。一個層中的平鋪檢測器100可以關於另一個層中的平鋪檢測器100交錯，這可消除其中無法檢測入射X射線光子的間隙。
根據實施例，半導體X射線檢測器100可使用包括以下的方法來製造：獲 得X射線吸收層，其包括電極；獲得電子層，該電子層包括：具有第一表面和第二表面的襯底、襯底中或襯底上的電子系統、第一表面上的電觸點、通孔和第二表面上的再分佈層(RDL)；使X射線吸收層和電子層接合使得電極電連接到電觸點；其中RDL包括傳輸線；其中通孔從第一表面延伸到第二表面；其中電子系統通過通孔電連接到電觸點和傳輸線。
圖7A和圖7B各自示出根據實施例的電子系統121的部件圖。該電子系統121可包括第一電壓比較器301、第二電壓比較器302、計數器320、開關305、電壓表306和控制器310。
第一電壓比較器301配置成將二極體300的電極的電壓與第一閾值比較。該二極體可以是由第一摻雜區111、第二摻雜區113的離散區114中的一個和本征區112(可選)形成的二極體。備選地，第一電壓比較器301配置成將電觸點(例如，電觸點119B的離散部分)的電壓與第一閾值比較。第一電壓比較器301可配置成直接監測電壓，或通過使一段時間內流過二極體或電觸點的電流整合來計算電壓。第一電壓比較器301可由控制器310可控地啟動或停用。第一電壓比較器301可以是連續比較器。即，第一電壓比較器301可配置成被連續啟動，並且連續監測電壓。配置為連續比較器的第一電壓比較器301使系統121錯過由入射X射線光子產生的信號的機會減少。配置為連續比較器的第一電壓比較器301在入射X射線強度相對高時尤其適合。第一電壓比較器301可以是鐘控比較器，其具有較低功耗的益處。配置為鐘控比較器的第一電壓比較器301可導致系統121錯過由一些入射X射線光子產生的信號。在入射X射線強度低時，錯過入射X射線光子的機會因為兩個連續光子之間的間隔相對長而為低。因此，配置為鐘控比較器的第一電壓比較器301在入射X射線強度相對低時尤其適合。第 一閾值可以是一個入射X射線光子可在二極體或電阻器中產生的最大電壓的5-10%、10%-20%、20-30%、30-40%或40-50%。最大電壓可取決於入射X射線光子的能量(即，入射X射線的波長)，X射線吸收層110的材料和其他因素。例如，第一閾值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二電壓比較器302配置成將電壓與第二閾值比較。第二電壓比較器302可配置成直接監測電壓，或通過使一段時間內流過二極體或電觸點的電流整合來計算電壓。第二電壓比較器302可以是連續比較器。第二電壓比較器302可由控制器310可控地啟動或停用。在停用第二電壓比較器302時，第二電壓比較器302的功耗可以是啟動第二電壓比較器302時的功耗的不到1%、不到5%、不到10%或不到20%。第二閾值的絕對值大於第一閾值的絕對值。如本文使用的，術語實數x的“絕對值”或“模數”|x|是x的非負值而不考慮它的符號。即，。第二閾值可以是第一閾值的200%-300%。第二閾值可以是一個入射X射線光子可在二極體或電阻器中產生的最大電壓的至少50%。例如，第二閾值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二電壓比較器302和第一電壓比較器301可以是相同部件。即，系統121可具有一個電壓比較器，其可以在不同時間將電壓與兩個不同閾值比較。
第一電壓比較器301或第二電壓比較器302可包括一個或多個運算放大器或任何其他適合的電路。第一電壓比較器301或第二電壓比較器302可具有高的速度以允許系統121在高的入射X射線通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗為代價。
計數器320配置成記錄到達二極體或電阻器的X射線光子的數目。計數器320可以是軟體部件(例如，電腦記憶體中存儲的數目)或硬體部件(例如，4017 IC和7490 IC)。
控制器310可以是例如微控制器和微處理器等硬體部件。控制器310配置成從第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值(例如，電壓的絕對值從第一閾值的絕對值以下增加到等於或超過第一閾值的絕對值的值)的時間啟動時間延遲。在這裡因為電壓可以是負的或正的而使用絕對值，這取決於是使用二極體的陰極還是陽極的電壓或使用哪個電觸點。控制器310可配置成在第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值的時間之前保持停用第二電壓比較器302、計數器320和第一電壓比較器301的操作不需要的任何其他電路。時間延遲可在電壓變穩定(即，電壓的變化率大致為零)之前或之後終止。短語“電壓的變化率大致為零”意指電壓的時間變化小於0.1%/ns。短語“電壓的變化率大致為非零”意指電壓的時間變化是至少0.1%/ns。
控制器310可配置成在時間延遲期間(其包括開始和終止)啟動第二電壓比較器。在實施例中，控制器310配置成在時間延遲開始時啟動第二電壓比較器。術語“啟動”意指促使部件進入操作狀態(例如，通過發送例如電壓脈衝或邏輯電平等信號、通過提供電力等)。術語“停用”意指促使部件進入非操作狀態(例如，通過發送例如電壓脈衝或邏輯電平等信號、通過切斷電力等)。操作狀態可具有比非操作狀態更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可被停用直到電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值時第一電壓比較器301的輸出才啟動控制器310。
如果在時間延遲期間第二電壓比較器302確定電壓的絕對值等於或超出第二閾值的絕對值，控制器310可配置成促使計數器320記錄的數目增加一。
控制器310可配置成促使電壓表306在時間延遲終止時測量電壓。控制器310可配置成使電極連接到電接地，以便使電壓重定並且使電極上累積的任何載荷子放電。在實施例中，電極在時間延遲終止後連接到電接地。在實施例中，電極在有限復位時期連接到電接地。控制器310可通過控制開關305而使電極連接到電接地。開關可以是電晶體，例如場效應電晶體(FET)。
在實施例中，系統121沒有類比濾波器網路(例如，RC網路)。在實施例中，系統121沒有類比電路。
電壓表306可將它測量的電壓作為類比或數位信號饋送給控制器310。
系統121可包括電容器模組309，其電連接到二極體300的電極或電觸點，其中電容器模組配置成從電極收集載荷子。電容器模組可以包括放大器的回饋路徑中的電容器。如此配置的放大器叫作電容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通過防止放大器飽和而具有高的動態範圍並且通過限制信號路徑中的頻寬來提高信噪比。來自電極的載荷子在一段時間(“整合期”)(例如，如在圖8中示出的，在t0至t1或t1-t2之間)內在電容器上累積。在整合期終止後，對電容器電壓採樣然後由重定開關將其重定。電容器模組可以包括直接連接到電極的電容器。
圖8示意示出由二極體或電阻器上入射的X射線光子產生的載荷子引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極的電壓的對應時間變化(下曲線)。電壓可以是電流關於時間的整合。在時間t0，X射線光子撞擊二極體或電阻器，載荷子開始在二極體或電阻器中產生，電流開始流過二極體的電極或電阻器，並且電極或電觸點的電壓的絕對值開始增加。在時間t1，第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值V1的絕對值，並且控制器310啟動時間延遲TD1並且控制器310可在TD1開始時停用第一電壓比較器301。如果控制 器310在t1之前被停用，在t1啟動控制器310。在TD1期間，控制器310啟動第二電壓比較器302。如這裡使用的術語在時間延遲“期間”意指開始和終止(即，結束)和中間的任何時間。例如，控制器310可在TD1終止時啟動第二電壓比較器302。如果在TD1期間，第二電壓比較器302確定在時間t2電壓的絕對值等於或超出第二閾值的絕對值，控制器310促使計數器320記錄的數目增加一。在時間te，X射線光子產生的所有載荷子漂移出X射線吸收層110。在時間ts，時間延遲TD1終止。在圖8的示例中，時間ts在時間te之後；即TD1在X射線光子產生的所有載荷子漂移出X射線吸收層110之後終止。電壓的變化率從而在ts大致為零。控制器310可配置成在TD1終止時或在t2或中間的任何時間停用第二電壓比較器302。
控制器310可配置成促使電壓表306在時間延遲TD1終止時測量電壓。在實施例中，在電壓的變化率在時間延遲TD1終止後大致變為零之後，控制器310促使電壓表306測量電壓。該時刻的電壓與X射線光子產生的載荷子的數量成比例，該數量與X射線光子的能量有關。控制器310可配置成基於電壓表306測量的電壓確定X射線光子的能量。確定能量的一個方式是通過使電壓裝倉。計數器320對於每個倉可具有子計數器。在控制器310確定X射線光子的能量落在倉中時，控制器310可促使對於該倉的子計數器中記錄的數目增加一。因此，系統121能夠檢測X射線圖像並且能夠分辨每個X射線光子的能量。
在TD1終止後，控制器310在復位期RST使電極連接到電接地以允許電極上累積的載荷子流到地面並且使電壓重定。在RST之後，系統121準備檢測另一個入射X射線光子。系統121在圖8的示例中可以應對的入射X射線光子的速率隱式地受限於1/(TD1+RST)。如果第一電壓比較器301被停用，控制器310 可以在RST終止之前的任何時間啟動它。如果控制器310被停用，可在RST終止之前啟動它。
圖9示意示出在採用圖8中示出的方式操作的系統121中雜訊(例如，暗電流、背景輻射、散射X射線、螢光X射線、來自相鄰圖元的共用電荷)引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極的電壓的對應時間變化(下曲線)。在時間t0，雜訊開始。如果雜訊未大到足以促使電壓的絕對值超出V1的絕對值，控制器310未啟動第二電壓比較器302。如果在時間t1雜訊大到足以促使電壓的絕對值超出V1的絕對值(如由第一電壓比較器301確定的)，控制器310啟動時間延遲TD1並且控制器310可在TD1開始時停用第一電壓比較器301。在TD1期間(例如，在TD1終止時)，控制器310啟動第二電壓比較器302。在TD1期間，雜訊不太可能大到足以促使電壓的絕對值超出V2的絕對值。因此，控制器310未促使計數器320記錄的數目增加。在時間te，雜訊結束。在時間ts，時間延遲TD1終止。控制器310可配置成在TD1終止時停用第二電壓比較器302。如果在TD1期間電壓的絕對值未超出V2的絕對值，控制器310可配置成未促使電壓表306測量電壓。在TD1終止後，控制器310在復位期RST使電極連接到電接地以允許電極上由於雜訊而累積的載荷子流到地面並且使電壓重定。因此，系統121在雜訊抑制方面非常有效。
圖10示意示出在系統121操作來檢測處於比1/(TD1+RST)更高速率的入射X射線光子時由二極體或電阻器上入射的X射線光子產生的載荷子所引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極的電壓的對應時間變化(下曲線)。電壓可以是電流關於時間的整合。在時間t0，X射線光子撞擊二極體或電阻器，載荷子開始在二極體或電阻器中產生，電流開始流過二極體的電極或電阻器的 電觸點，並且電極或電觸點的電壓的絕對值開始增加。在時間t1，第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值V1的絕對值，並且控制器310啟動比時間延遲TD1還短的時間延遲TD2，並且控制器310可在TD2開始時停用第一電壓比較器301。如果控制器310在t1之前被停用，在t1啟動控制器310。在TD2期間(例如，在TD2終止時)，控制器310啟動第二電壓比較器302。如果在TD2期間，第二電壓比較器302確定在時間t2電壓的絕對值等於或超出第二閾值的絕對值，控制器310促使計數器320記錄的數目增加一。在時間te，X射線光子產生的所有載荷子漂移出X射線吸收層110。在時間th，時間延遲TD2終止。在圖10的示例中，時間th在時間te之前；即TD2在X射線光子產生的所有載荷子漂移出X射線吸收層110之前終止。電壓的變化率從而在th大致為非零。控制器310可配置成在TD2終止時或在t2或中間的任何時間停用第二電壓比較器302。
控制器310可配置成從在TD2期間作為時間函數的電壓推斷在te的電壓並且使用推斷的電壓來確定X射線光子的能量。
在TD2終止後，控制器310在復位期RST使電極連接到電接地以允許電極上累積的載荷子流到地面並且使電壓重定。在實施例中，RST在te之前終止。當RST在te之前終止時，RST後電壓的變化率可因為X射線光子產生的所有載荷子未漂移出X射線吸收層110而大致為非零。電壓的變化率在te後大致變為零並且電壓在te後穩定為殘餘電壓VR。在實施例中，RST在te或te之後終止，並且RST後電壓的變化率可因為X射線光子產生的所有載荷子在te漂移出X射線吸收層110而大致為零。在RST後，系統121準備檢測另一個入射X射線光子。如果第一電壓比較器301被停用，控制器310可以在RST終止之前的任何 時間啟動它。如果控制器310被停用，可在RST終止之前啟動它。
圖11示意示出在採用圖10中示出的方式操作的系統121中雜訊(例如，暗電流、背景輻射、散射X射線、螢光X射線、來自相鄰圖元的共用電荷)引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極的電壓的對應時間變化(下曲線)。在時間t0，雜訊開始。如果雜訊未大到足以促使電壓的絕對值超出V1的絕對值，控制器310未啟動第二電壓比較器302。如果在時間t1雜訊大到足以促使電壓的絕對值超出V1的絕對值(如由第一電壓比較器301確定的)，控制器310啟動時間延遲TD2並且控制器310可在TD2開始時停用第一電壓比較器301。在TD2期間(例如，在TD2終止時)，控制器310啟動第二電壓比較器302。在TD2期間雜訊不太可能大到足以促使電壓的絕對值超出V2的絕對值。因此，控制器310未促使計數器320記錄的數目增加一。在時間te，雜訊結束。在時間th，時間延遲TD2終止。控制器310可配置成在TD2終止時停用第二電壓比較器302。在TD2終止後，控制器310在復位期RST使電極連接到電接地以允許電極上由於雜訊而累積的載荷子流到地面並且使電壓重定。因此，系統121在雜訊抑制方面可非常有效。
圖12示意示出在採用圖10中示出的方式(其中RST在te之前終止)操作的系統121中由二極體或電阻器上入射的一系列X射線光子產生的載荷子所引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極電壓的對應時間變化(下曲線)。由每個入射X射線光子產生的載荷子引起的電壓曲線在該光子之前偏移了殘餘電壓。殘餘電壓的絕對值隨每個入射光子而依次增加。當殘餘電壓的絕對值超出V1時(參見圖12中的虛線矩形)，控制器啟動時間延遲TD2並且控制器310可在TD2開始時停用第一電壓比較器301。如果在TD2期間在二極體或電阻 器上沒有其他X射線光子入射，控制器在TD2結束時在復位時期RST期間使電極連接到電接地，由此使殘餘電壓重定。殘餘電壓從而未促使計數器320記錄的數目增加。
圖13示意示出這樣的系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器100。該系統可用于醫學成像，例如胸部X射線放射攝影、腹部X射線放射攝影等。系統包括X攝影源1201。從X射線源1201發射的X射線穿過物體1202(例如，例如胸部、肢體、腹部等人體部位)、由於物體1202的內部結構(例如，骨頭、肌肉、脂肪和器官等)而衰減不同程度並且被投射到半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100通過檢測X射線的強度分佈來形成圖像。
圖14示意示出這樣的系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器100。該系統可用于醫學成像，例如牙齒X射線放射攝影。系統包括X射線源1301。從X射線源1301發射的X射線穿過物體1302，其是哺乳動物(例如，人類)口腔的部分。物體1302可包括上顎骨、顎骨、牙齒、下顎或舌頭。X射線由於物體1302的不同結構而衰減不同程度並且被投射到半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100通過檢測X射線的強度分佈來形成圖像。牙齒比齲齒、感染和牙周膜吸收更多的X射線。牙科患者接收的X射線輻射的劑量典型地是小的(對於全口系列是近似0.150mSv)。
圖15示意示出貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器100。系統可用於在例如海運集裝箱、車輛、輪船、行李等傳輸系統中檢查和識別物品。系統包括X射線源1401。從X射線源1401發射的X射線可從物體1402(例如，海運集裝箱、車輛、輪船等)背散射並且被投射到半導體X射線檢測器100。物體1402的不同內部結構可有差異地背散射X射線。 半導體X射線檢測器100通過檢測背散射X射線的強度分佈和/或背散射X射線光子的能量來形成圖像。
圖16示意示出另一個貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器100。系統可用於公交站和機場處的行李篩查。系統包括X射線源1501。從X射線源1501發射的X射線可穿過行李1502、由於行李的內含物而有差異地衰減並且被投射到半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100通過檢測透射的X射線的強度分佈來形成圖像。系統可揭示行李的內含物並且識別公共交通上禁用的專案，例如槍支、毒品、鋒利武器、易燃物。
圖17示意示出全身掃描器系統，其包括本文描述的半導體X射線檢測器100。該全身掃描器系統可為了安全篩查目的來檢測人體上的物體而不物理脫衣或進行物理接觸。全身掃描器系統能夠檢測非金屬物體。全身掃描器系統包括X射線源1601。從X射線源1601發射的X射線可從被篩查的人1602和其上的物體背散射，並且被投射到半導體X射線檢測器100。物體和人體可有差異地背散射X射線。半導體X射線檢測器100通過檢測背散射X射線的強度分佈來形成圖像。半導體X射線檢測器100和X射線源1601可配置成在線性或旋轉方向上掃描人。
圖18示意示出X射線電腦斷層攝影(X射線CT)系統。X射線CT系統使用電腦處理的X射線來產生被掃描物體的特定區域的斷層攝影圖像(虛擬“切片”)。斷層攝影圖像在各種醫學學科中可用於診斷和治療目的，或用於缺陷檢測、失效分析、計量、元件分析和逆向工程。X射線CT系統包括本文描述的半導體X射線檢測器100和X射線源1701。半導體X射線檢測器100和X射線源 1701可配置成沿一個或多個圓形或螺旋形路徑同步旋轉。
圖19示意示出電子顯微鏡。該電子顯微鏡包括電子源1801(也叫作電子槍)，其配置成發射電子。電子源1801可具有各種發射機制，例如熱離子、光電陰極、冷發射或等離子體源。發射的電子經過電子光學系統1803，其可配置成使電子成形、加速或聚焦。電子然後到達樣本1802並且圖像檢測器可從其處形成圖像。電子顯微鏡可包括本文描述的半導體X射線檢測器100，用於進行能量色散X射線光譜分析(EDS)。EDS是用於樣本的元素分析或化學表徵的分析技術。當電子入射在樣本上時，它們促使從樣本發射特徵X射線。入射電子可激發樣本中原子的內殼層中的電子、從殼層逐出它同時在電子所在的地方形成電子空穴。來自外部較高能量殼層的電子然後填充該空穴，並且較高能量殼層與較低能量殼層之間的能量差可採用X射線的形式釋放。從樣本發射的X射線的數量和能量可以被半導體X射線檢測器100測量。
這裡描述的半導體X射線檢測器100可具有其他應用，例如在X射線望遠鏡、X射線乳房攝影、工業X射線缺陷檢測、X射線顯微鏡或顯微放射攝影、X射線鑄件檢查、X射線無損檢驗、X射線焊縫檢查、X射線數位減影血管攝影等中。可適合使用該半導體X射線檢測器100來代替照相底片、照相膠片、PSP板、X射線圖像增強器、閃爍物或另一個半導體X射線檢測器。
儘管本文公開各種方面和實施例，其他方面和實施例對於本領域內技術人員將變得明顯。本文公開的各種方面和實施例是為了說明目的而不意在為限制性的，其真正範圍和精神由權利要求指示。
100‧‧‧半導體X射線檢測器
110‧‧‧X射線吸收層
111‧‧‧第一摻雜區
112‧‧‧本征區
113‧‧‧第二摻雜區
114‧‧‧離散區
119A‧‧‧電觸點
119B‧‧‧電觸點
120‧‧‧電子器件層
121‧‧‧電子系統
130‧‧‧填充材料
131‧‧‧通孔

Claims (27)

  1. 一種適合於檢測x射線的裝置，其包括：X射線吸收層，其包括電極；電子層，所述電子層包括：具有第一表面和第二表面的襯底、所述襯底中或所述襯底上的電子系統、所述第一表面上的電觸點、通孔和所述第二表面上的再分佈層(RDL)；其中所述RDL包括傳輸線；其中所述通孔從所述第一表面延伸到所述第二表面；其中所述電極電連接到所述電觸點；其中所述電子系統通過所述通孔電連接到所述電觸點和所述傳輸線；其中所述電子系統包括：第一電壓比較器，其配置成將所述電極的電壓與第一閾值比較；第二電壓比較器，其配置成將所述電壓與第二閾值比較；計數器，其配置成記錄到達所述X射線吸收層的X射線光子的數目；控制器；其中所述控制器配置成從所述第一電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超出所述第一閾值的絕對值的時間啟動時間延遲；其中所述控制器配置成在所述時間延遲期間啟動所述第二電壓比較器；其中所述控制器配置成如果所述第二電壓比較器確定所述電壓的絕對值等 於或超出所述第二閾值的絕對值則促使所述計數器記錄的數目增加一。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述襯底具有200μm或更少的厚度。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包括電連接到所述電極的電容器模組，其中所述電容器模組配置成從所述電極收集載荷子。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述控制器配置成在所述時間延遲的開始或終止時啟動所述第二電壓比較器。
  5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包括電壓表，其中所述控制器配置成促使所述電壓表在所述時間延遲終止時測量電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中所述控制器配置成基於在所述時間延遲終止時測量的電壓的值來確定X射線光子能量。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述控制器配置成使所述電極連接到電接地。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述電壓的變化率在所述時間延遲終止時大致為零。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述電壓的變化率在所述時間延遲終止時大致為非零。
  10. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述X射線吸收層包括二極體。
  11. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述X射線吸收層包括矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合。
  12. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述裝置不包括閃爍體。
  13. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述裝置包括圖元陣列。
  14. 一種系統，其包括如申請專利範圍第1項之裝置以及X射線源，其中所述系統組態成對人的胸部或腹部進行X射線放射攝影。
  15. 一種系統，其包括如申請專利範圍第1項之裝置以及X射線源，其中所述系統組態成對人的口腔進行X射線放射攝影。
  16. 一種貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其包括如申請專利範圍第1項之裝置以及X射線源，其中所述貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統組態成使用背散射X射線來形成圖像。
  17. 一種貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其包括如申請專利範圍第1項之裝置以及X射線源，其中所述貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統組態成使用透射通過所檢查物體的X射線來形成圖像。
  18. 一種全身掃描器系統，其包括如申請專利範圍第1項之裝置以及X射線源。
  19. 一種X射線電腦斷層攝影(X射線CT)系統，其包括如申請專利範圍第1項之裝置以及X射線源。
  20. 一種電子顯微鏡，其包括如申請專利範圍第1項之裝置、電子源和電子光學系統。
  21. 一種系統，其包括如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述系統是X射線望遠鏡或X射線顯微鏡，或其中所述系統組態成進行乳房攝影、工業缺陷檢測、顯微放射攝影、鑄件檢查、焊縫檢查或數字減影血管攝影。
  22. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述控制器配置成在所述時間延遲 開始時停用所述第一電壓比較器。
  23. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述控制器配置成在所述時間延遲終止時或在所述第二電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超出所述第二閾值的絕對值時或在中間的時間停用所述第二電壓比較器。
  24. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述電子層進一步包括設置在所述第一表面上的週邊電路。
  25. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述電子層進一步包括設置在所述第一表面與所述第二表面之間的週邊電路。
  26. 一種系統，其包括兩個層的堆疊，每個層包括如申請專利範圍第1項之採用陣列設置的多個裝置，其中所述兩個層的陣列關於彼此交錯。
  27. 一種方法，其包括：獲得X射線吸收層，其包括電極；獲得電子層，所述電子層包括：具有第一表面和第二表面的襯底、所述襯底中或所述襯底上的電子系統、所述第一表面上的電觸點、通孔和所述第二表面上的再分佈層(RDL)；使所述X射線吸收層與所述電子層接合使得所述電極電連接到所述電觸點；其中所述RDL包括傳輸線；其中所述通孔從所述第一表面延伸到所述第二表面；其中所述電子系統通過所述通孔電連接到所述電觸點和所述傳輸線。
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