TWI813565B - 製造半導體輻射檢測器的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開裝置以及製造所述裝置的方法。該方法包括獲得多個半導體單晶塊。多個半導體單晶塊中的每個可具有第一表面和第二表面。所述第二表面可與所述第一表面相對。所述方法還可以包括將多個半導體單晶塊通過各自的第一表面結合到第一半導體晶片。所述多個半導體單晶塊形成輻射吸收層。所述方法還包括在所述多個半導體單晶塊的每個的各自的第二表面上形成多個電極，在所述多個半導體單晶塊的每個上沈積柱，並將所述多個半導體單晶塊通過所述柱結合到第二半導體晶片。

Description

製造半導體輻射檢測器的方法
本發明涉及輻射檢測器，尤其涉及製造半導體輻射檢測器的方法。
輻射檢測器是測量輻射特性的裝置。所述屬性的例子可包括所述輻射的強度的空間分布，相位，偏振。所述輻射可以是與主體相互作用的輻射。例如，由輻射檢測器測量的輻射可以是穿透主體或從主體反射的輻射。輻射可以是電磁輻射，比如紅外光、可見光、紫外光、X射線或γ射線。輻射可以是其它類型，比如α射線和β射線。
一種類型的輻射檢測器是基於輻射和半導體之間的相互作用。例如，這種類型的輻射檢測器可以具有吸收輻射並產生載荷子(例如，電子和空穴)的半導體層以及用於檢測載荷子的電路。
本文公開製造適於檢測輻射的裝置的方法，所述方法可包括：獲得多個半導體單晶塊，每個半導體單晶塊具有第一表面和第二表面，所述第二表面與所述第一表面相對；將多個半導體單晶塊通過各自的第一表面結合到第一半導體晶片，所述多個半導體單晶塊形成輻射吸收層；在所述多個半導體單晶塊中的每個的各自的第二表面上形成多個電極；在所述多個半導體單晶塊的每個上沈積柱；並通過所述柱將所述多個半導體單晶塊結合到所述第二半導體晶片上。
根據實施例，所述多個半導體單晶塊是碲化鋅鎘(CdZnTe)塊。
根據實施例，所述多個半導體單晶塊通過膠或塑料造型結合到所述第一半導體晶片。
根據實施例，所述第一半導體晶片是導電的並且用作多個半導體單晶塊的公共電極。
根據實施例，多個半導體單晶塊上的多個電極由半導體晶片工藝形成。
根據實施例，所述柱為導電柱凸塊。
根據實施例，使用半導體晶片工藝沈積所述柱。
根據實施例，該方法還可以包括對多個半導體單晶塊的第二表面進行拋光，使得多個半導體單晶塊具有相同的厚度。
根據實施例，第一半導體晶片形成多個半導體單晶塊的公共電極。
根據實施例，多個半導體單晶塊在第一表面上的公共電極和第二表面上的多個電極之間形成電阻。
根據實施例，輻射吸收層被配置為檢測包括紫外線(UV)，X射線，γ射線的電磁輻射的一種。
根據實施例，輻射吸收層被配置為檢測包括α粒子，β粒子和中子粒子的粒子輻射中的一種。
根據實施例，將多個半導體單晶塊結合到所述第二半導體晶片通過晶片級室溫結合來進行。
根據實施例，第二半導體晶片包括用於處理在輻射吸收層中產生的信號的電子層。
根據實施例，電子層包括電子系統，其被連接到多個半導體單晶塊的多個電極的一個，所述電子系統包括：第一電壓比較器，其被配置為將所述電極的至少一個的電壓與第一閾值進行比較，第二電壓比較器，其被配置為將 電壓與第二閾值進行比較；計數器，其被配置為記錄到達所述輻射吸收層的輻射光子或粒子數；控制器；其中所述控制器被配置為從所述第一電壓比較器確定電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值的時刻開始時間延遲；其中所述控制器被配置為在所述時間時延期間激活所述第二電壓比較器；其中所述控制器被配置為：如果第二電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值的絕對值，那麽，使由所述計數器記錄的數字增加1。
根據實施例，電子系統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從電極收集載荷子。
根據實施例，控制器配置成在時間延遲開始或終止時激活第二電壓比較器。
根據實施例，電子系統進一步包括電壓表，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確定輻射粒子能量。
根據實施例，控制器被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。
本文公開檢測輻射的裝置。所述裝置可包括輻射吸收層，所述輻射吸收層，其包括第一半導體晶片，第二半導體晶片和多個半導體單晶塊。多個半導體單晶塊中的每個可以具有第一表面和第二表面，第二表面與第一表面相對。多個半導體單晶塊可以具有不同的尺寸並在其中間有間隙，並且可以通過各自的第一表面結合到第一半導體晶片上。多個電極可以形成在多個半導體單晶塊中的每個的相應的第二表面上，並且多個半導體單晶塊可以通過柱被結合到第二半導體晶片。
根據實施例，多個半導體單晶塊是碲化鋅鎘(CdZnTe)塊。
本文公開：包括本文公開的裝置和輻射源的系統，該系統被配置為對人體胸部或腹部進行輻射照相。
本文公開：包括本文公開的裝置和輻射源的系統，所述系統被配置為對人的嘴巴進行輻射照相。
本文公開：包括本文公開的裝置和輻射源的系統貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統，其中所述貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統被配置為使用背散射輻射形成圖像。
本文公開：包括本文公開的裝置和輻射源的貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統，其中所述貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統被配置為使用穿過被檢查物體的輻射形成圖像。
本文公開：包括本文公開的裝置和輻射源的全身掃描系統。
本文公開：包括本文公開的裝置和輻射源的計算機斷層掃描(CT)系統。
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。
本文公開包括本文公開的裝置的系統，其中所述系統為X射線望遠鏡，或X射線顯微鏡，或其中所述系統被配置成進行乳房攝影，工業缺陷檢測，微成像，鑄造檢查，焊接檢查，或數位減影血管攝影。
100:輻射檢測器
110:輻射吸收層
119A:電觸點
119B:電觸點
120:電子層
121:電子系統
150:圖元
300:電阻器
301:第一電壓比較器
302:第二電壓比較器
305:開關
306:電壓表
310:控制器
320:計數器
902:晶片
904:半導體單晶塊
906:第一表面
908:第二表面
910:間隙
912:電極
914:柱
920:晶片
1100:過程
1102:區
1104:區
1106:區
1108:區
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:樣品
1803:電子光學系統
9000:圖像傳感器
RST:復位期
t0:時間
t1:時間
t2:時間
te:時間
th:時間
ts:時間
TD1:時間延遲
TD2:時間延遲
V1:第一閾值
VR:殘余電壓
圖1A示意性地示出根據實施例的輻射檢測器。
圖1B示出根據實施例的輻射檢測器。
圖2示出：根據實施例，圖1A中的檢測器的部分的示例性俯視圖。
圖3A和圖3B各自示出：根據實施例，圖1A和圖1B中檢測器的電子系統的部件圖。
圖4示意性地示出：根據實施例，流過暴露於輻射的輻射吸收層的電極或電阻器的電觸點的電流(電流由輻射吸收層上入射的輻射粒子產生的載荷子引起)的時間變化(上曲線)和對應的電極電壓的時間變化(下曲線)。
圖5示意示出：根據實施例，在采用圖4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)和對應的電極電壓的時間變化(下曲線)。
圖6示意示出根據實施例當電子系統操作來檢測處於較高速率的入射輻射粒子時流過暴露於輻射的輻射吸收層的電極的電流(電流由輻射吸收層上入射的輻射粒子產生的載荷子引起)的時間變化(上曲線)和電極電壓的對應時間變化(下曲線)。
圖7示意示出根據實施例在采用圖6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8示意示出根據實施例在采用圖6中示出的方式(其中RST在te之前終止)操作的電子系統中由輻射吸收層上入射的一系列輻射粒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。
圖9A示意性地示出：根據實施例，在其上結合有多個半導體單晶塊的半導體晶片的仰視圖。
圖9B示意性地示出：根據實施例，圖9A的半導體晶片以及多個半導體單晶塊的截面圖。
圖10A示意性地示出：根據實施例，半導體晶片以及結合在其上的多個半導體單晶塊的的截面圖。
圖10B示意性地示出：根據實施例，圖10A的多個半導體單晶塊上的電極。
圖10C示意性地示出：根據實施例，沈積在圖10B的多個半導體單晶塊上的柱。
圖10D示意性地示出：根據實施例，被結合到半導體晶片的圖10C的多個半導體單晶塊。
圖11示出根據實施例的製造半導體檢測器的過程的流程圖。
圖12示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的輻射檢測器的系統其適用於諸如胸部輻射照相術，腹部輻射相術等的醫學成像。
圖13示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的半導體輻射檢測器的系統，其適於牙科輻射照相術。
圖14示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的輻射檢測器的貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統。
圖15示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的輻射檢測器的另一個貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統。
圖16示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的輻射檢測器的全身掃描系統。
圖17示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的輻射檢測器的計算機斷層掃描(CT)系統。
圖18示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的輻射檢測器的電子顯微鏡。
圖1A示意示出根據實施例的輻射檢測器100的截面圖。檢測器100可包括輻射吸收層110和電子層120(例如，ASIC)，用於處理和分析入射輻射在輻射吸收層110中產生的電信號。在實施例中，檢測器100不包括閃爍體。輻射吸收層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輻射能量可具有高的質量衰減系數。在一些實施例中，輻射可以是電磁輻射，例如紅外光、可見光、紫外光、X射線或γ射線，並且輻射粒子可以是光子。在一些其它實施例中，輻射可以是帶電粒子，例如α和β粒子或諸如中子的非帶電粒子。在本說明書的一些部分中，X射線被用作本文所述的各種類型的輻射的例子。
如圖1B中檢測器100的詳細橫截面圖所示，根據實施例，輻射吸收層110可包括諸如矽，鍺，GaAs，CdTe，CdZnTe或其組合的半導體材料的電阻器，但不包括二極體。
當輻射粒子撞擊包括電阻器的輻射吸收層110時，它可通過多個機制被吸收並且產生一個或多個載荷子。一個輻射粒子可產生10至100000個載荷子。載荷子可在電場下漂移到電觸點119A和119B。該場可以是外部電場。電觸點119B包括離散部分。在實施例中，載荷子可這樣沿各方向漂移，以至於由輻射的單個粒子產生的載荷子基本上不被電觸點119B的兩個不同的離散部分共用(這裏“基本不被共用”意味著小於5%，小於2%，或小於1%的這些載荷子流至所述離散部分中與其余載荷子不同的一個)。在實施例中，有單個輻射粒子產生的載荷子能被電觸點119B的兩個不同離散區域共享。在電觸點119B的這些離散部分中的一個的足跡周圍入射的輻射的粒子產生的載荷子基本上不與電觸點119B的這些離散部分中的另一個共享。與電觸點119B的離散部分相關聯的圖元是這樣的區域：該區域大致位於所 述離散部分處，入射於其中的輻射的粒子產生的載荷子基本上全部(大於95%，大於98%，或大於99%)流到電觸點119B的所述離散部分。即，小於5%，小於2%，或小於1%的這些載荷子流到與電觸點119B的所述一個離散部分相關聯的圖元之外。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，可確定與電觸點119B的離散部分相關聯的圖元內吸收的輻射粒子的數量(其與入射輻射強度有關)和/或其能量。從而，入射輻射強度的空間分布(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。這些圖元可采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輻射吸收層110上入射的輻射粒子產生的信號。電子系統121可包括類比電路，例如濾波網 路、放大器、積分器和比較器，或數位電路，例如微處理器和記憶體。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。
圖2示意性地示出檢測器100可具有圖元150的陣列。陣列可以是矩形陣列、蜂窩狀陣列、六邊形陣列或任何其他適合的陣列。每個圖元150可配置成檢測其上入射的輻射粒子、測量輻射粒子的能量或兩者兼而有之。例如，每個圖元150可配置成在一段時間內對其上入射的、能量落在多個倉中的輻射粒子的數目計數。所有圖元150可配置成在相同時段內對其上入射的、在多個能量倉內的輻射粒子的數目計數。每個圖元150可具有它自己的模數轉換器(ADC)，其配置成使代表入射輻射粒子的能量的類比信號數字化為數位信號。ADC可具有10位或更高的解析度。每個圖元150可配置成測量它的暗電流，例如在每個輻射粒子入射在其上之前或與之並發。每個圖元150可配置成從其上入射的輻射粒子的能量減去暗電流的貢獻。圖元150可 配置成並行操作。例如，在一個圖元150測量入射輻射粒子時，另一個圖元150可等待輻射粒子的到達。圖元150可以但不必獨立可尋址。
圖3A和圖3B各自示出根據實施例的電子系統121的部件圖。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配置成將電阻器300的電觸點或電極的電壓與第一閾值比較。電阻器300可由吸收層110的半導體材料形成。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電阻器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錯過由入射輻射粒子 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在入射輻射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錯過由一些入射輻射粒子產生的信號。在入射輻射強度低時，錯過入射輻射粒子的機會因為兩個連續光子之間的間隔相對長而較低。因此，配置為鐘控比較器的第一電壓比較器301在入射輻射強度相對低時尤其適合。第一閾值可以是一個入射輻射粒子可在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輻射粒子的能量(即，入射X射線的波長)，輻射吸收層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電阻器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，
Figure 107112963-A0305-02-0018-1
。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輻射粒子可在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在高的入射輻射通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗為代價。
計數器320配置成記錄到達電阻器的輻射粒子的數目。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閾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。在這裏因為電壓可以是負的或正的而使用絕對值，這取決於是使用電阻器的電觸點哪個邊。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沖或邏輯電平等信號、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沖或邏輯電平等信號、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本身可被停用直到第一電壓比較器301的輸出在電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值時啟動控制器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，以至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，其電連接到電阻器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帶寬來提高信噪比。來自電極的載荷子在一段時間(“整合期”)(例如，如在圖4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，對電容器電壓采樣並且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4示意示出由電阻器上入射的輻射粒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，輻射粒子撞擊電阻器，載荷子開始在電阻器中產生，電流開始流過電阻器的電極，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。如這裏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，輻射粒子產生的所有載荷子漂移出輻射吸收層110。在時間ts，時間延遲TD1終止。在圖4的示例中，時間ts在時間te之 後；即TD1在輻射粒子產生的所有載荷子漂移出輻射吸收層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。該時刻的電壓與輻射粒子產生的載荷子的數量成比例，其與X射線光子的能量有關。控制器310可配置成基於電壓表306測量的電壓確定輻射粒子的能量。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確定輻射粒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可以能夠檢測輻射圖像並且可以能夠分辨每個輻射粒子的能量。
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輻射粒子。系統121在圖4的示例中可以應對的入射輻射粒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5示意示出在采用圖4中示出的方式操作的系統121中雜訊(例如，暗電流、背景輻射、散射輻射、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如由第一電壓比較器301確定的V1的絕對值，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6示意示出在系統121操作來檢測處於比1/(TD1+RST)更高速率的入射輻射粒子時由電阻器上入射的輻射粒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，輻射粒子撞擊電阻器，載荷子開始在電阻器中產生，電流開始流過電阻器的電觸點，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，輻射粒子產生的所有載荷子漂移出輻射吸收層110。在時間th，時間延遲TD2終止。在圖6的示例中，時間th在時間te之前；即TD2在輻射粒子產生的所有載荷子漂移出輻射吸收層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輻射粒子的能量。
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輻射粒子產生的所有載荷子未漂移出輻射吸收層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後穩定為殘余電壓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輻射粒子產生的所有載荷子在te漂移出輻射吸收層110而大致為零。在RST後，系統121準備檢測另一個入射輻射粒子。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7示意示出在采用圖6中示出的方式操作的系統121中雜訊(例如，暗電流、背景輻射、散射輻射、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如由第一電壓比較器301確定的V1的絕對值，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。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8示意示出在采用圖6中示出的方式(其中RST在te之前終止)操作的系統121中由電阻器上入射的一系列輻射粒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)。 由每個入射輻射粒子產生的載荷子引起的電壓曲線在那個輻射粒子之前偏移了殘余電壓。殘余電壓的絕對值隨每個入射光子而依次增加。當殘余電壓的絕對值超出V1時(參見圖8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期間電阻器上沒有其他輻射粒子入射，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，由此使殘余電壓重定。殘余電壓從而未促使計數器320記錄的數目增加。
圖9A示意性地示出具有結合在其上的多個半導體單晶塊904的半導體晶片902的底視圖。半導體單晶塊904可以從一個或多個被製造的半導體單晶切割而來。它們可以布置在半導體晶片902上並被固定在其上。該布置無需具有高精度。所述結合可以是通過膠，塑料模製或其它已知的機制或有待開發的技術。雖然在圖9A中未示出，但是在半導體晶片902上相鄰的單晶塊904之間可以存在間隙，並且間隙的寬度可不相同。半導體單晶與晶片的結合可稱為晶片重建。在一個實施例中，半導體單晶塊可以是適合於製造 輻射檢測器的CdZnTe塊。例如，CdZnTe塊可以具有小於1cm，約1cm或大於1cm的尺寸。
如圖9A所示的半導體單晶塊904為矩形或正方形，但在一些實施例中，一些塊904可以具有各種其它形狀，例如但不限於圓形，平行四邊形或不規則形狀。在一個實施例中，半導體晶片902可以是導電的。晶片902的尺寸可以是任何合適的尺寸，例如4英寸，5英寸，6英寸，8英寸，12英寸或18英寸。
圖9B示意性地示出：根據一個實施例，半導體晶片902和多個半導體單晶塊904的截面圖。如圖9B所示，每個半導體單晶塊904可以具有結合到半導體晶片902的第一表面906，以及與第一表面906相對的第二表面908。圖9B中示出間隙910以說明：相鄰塊904之間可存在間隙。半導體晶片902可以是導電的，並為多個半導體單晶塊904形成公共電極，同時多個半導體單晶塊904可用於輻射吸收層110。即，半導體晶片902可以 是圖1B中所示的電觸點119A的實施例。在一個實施例中，半導體單晶塊904在被拋光之前可以具有大約1到2mm的厚度。如圖9B所示，半導體單晶塊904可以具有不同的厚度。
圖10A示意性地示出：根據實施例，具有結合在其上的多個半導體單晶塊904的半導體晶片902。多個半導體單晶塊904可以具有相同的厚度。在一個實施例中，多個半導體單晶塊904的相同厚度可通過在它們結合到半導體晶片902上之後進行拋光而得到。
圖10B示意性地示出：根據實施例，圖10A的多個半導體單晶塊904上的電極912。每個塊904可以具有多個電極912。電極912可以使用半導體晶片工藝來獲得。例如，可以使用已知或有待開發的半導體晶片工藝來產生電極912。每個塊904可以具有多個電極，例如數百或數千個電極。在一個實施例中，每個塊904可以具有大約5000個電極。
圖10C示意性地示出沈積在多個半導體單晶塊904上的柱914。在一個實施例中，柱914可以是導電的，例如由銅製成。可以使用半導體晶片工藝沈積柱914。例如，柱914可以使用已知的或有待開發的半導體晶片工藝來獲得。
圖10D示意性地示出：根據實施例，多個半導體單晶塊904可以被柱914結合到第二半導體晶片920。與圖10C相比較，在圖10D中省略了用於第二表面的參考數908、用於間隙的910、用於電極的912、以及用於柱的914，以減少雜亂。半導體晶片920可包括本文所述的電子層120。在一個實施例中，半導體晶片920可以包括多個ASIC，讀出和處理來自多個半導體單晶塊的信號。在一個實施例中，結合可以是晶片級結合，並且使用室溫結合來執行。過程9A-9B和10A-10D的最終產品可以用作一個輻射檢測器100，或者可以被切割成更小的模塊，使得每個較小的模塊可以被用作輻射檢測器100。
圖11示出製造如本文所述的半導體輻射檢測器(例如，檢測器100)的過程1100的流程圖。根據一個實施例，過程1100可以在區1102處開始，在這裏可獲得多個半導體單晶塊(例如，塊904)。多個半導體單晶塊中的每一個可以具有第一表面和第二表面，且所述第二表面可位於所述第一表面的相對側。在區1104，多個半導體單晶塊可以通過各自的第一表面被結合到第一半導體晶片(例如，晶片902)。在區1106，多個電極(例如，電極912)可以形成在所述多個半導體單晶塊中的每個的各自的第二表面上。在區1108，柱(例如，柱914)可沈積在所述多個半導體單晶塊中的每一個上以用於結合到第二半導體晶片(例如，晶片920)。在一個實施例中，半導體單晶塊可以是CdZnTe塊。
圖12-18示意性地示出各種包括圖像傳感器9000的系統。圖像傳感器9000可以是包括本文所述的一個或多個半導體輻射檢測器的圖像傳感器的實施例。應當註意，根據實施例的輻射檢測器可以用於檢測一種或多種類型的輻射，並且X射線僅僅是一個例子。例如，輻射可以是諸如紅外光、可見 光、紫外光、X射線或γ射線的電磁輻射。所述輻射可以是其它類型，例如本文所述的帶電和非帶電粒子。
圖12示意性地示出包括本文所述的圖像傳感器9000的系統。該系統可用於醫學成像，例如胸部X射線照相，腹部X射線照相等。系統包括X射線源1201。從X射線源1201發射的X射線穿透物體1202(例如，人體部位如胸部，肢體，腹部)，被物體1202的內部結構(例如，骨骼，肌肉，脂肪，器官等)不同程度衰減，並且被投射到圖像傳感器9000。圖像傳感器9000通過檢測X射線的強度分布而形成圖像。
圖13示意性地示出包括本文所述的圖像傳感器9000的系統。該系統可用於醫療成像，例如牙科X射線照相。該系統包括X射線源1301。從X射線源1301發射的X射線穿透物體1302，其是哺乳動物(例如，人)的嘴巴的部分。物體1302可包括上頜骨，腭骨，牙齒，下頜或舌。X射線被物體1302的不同結構不同程度衰減，並被投射到圖像傳感器9000。圖像 傳感器9000通過檢測X射線的強度分布形成圖像。牙齒比齲牙，感染，牙周韌帶更多地吸收X射線。牙科患者接收的X射線輻射的劑量典型地是小的(對全嘴系列約0.150mSv)。
圖14示意性地示出包括本文所述的圖像傳感器9000的貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統。該系統可用於檢查和識別例如集裝箱，車輛，船舶，行李等運輸系統中的貨物。該系統包括X射線源1401。從X射線源1401發射的輻射可以從物體1402(例如，集裝箱，車輛，船舶等)背散射並被投射到圖像傳感器9000。物體1402的不同內部結構可以不同地背散射所述輻射。圖像傳感器9000通過檢測背散射X射線的強度分布和/或背散射X射線光子的能量來形成圖像。
圖15示意性地示出包括本文所述的圖像傳感器9000的另一貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統。該系統可用於公共運輸站和機場的行李篩選。 該系統包括X射線源1501。從X射線源1501發射的X射線可穿透行李1502，被行李的內容不同地衰減，並被投射到圖像傳感器9000。所述圖像傳感器9000通過檢測透射X射線的強度分布而形成圖像。該系統可以揭示行李的內容，並識別在公共交通上禁止的物品，例如槍支，毒品，鋒利武器，易燃物。
圖16示意性地示出包括本文所述的圖像傳感器9000的全身掃描系統。全身掃描系統可以為了安全篩選目的檢測人身體上的物體，不需要物理地移去衣物或進行物理接觸。全身掃描系統能檢測非金屬物體。全身掃描系統包括X射線源1601。從X射線源1601發射的輻射可從被篩選的人1602和其身上的物體背散射，並被投射到圖像傳感器9000。所述物體和所述人體可以不同地背散射輻射。圖像傳感器9000通過檢測背散射X射線的強度分布來形成圖像。圖像傳感器9000和X射線源1601可被配置為沿直線或旋轉方向掃描人。
圖17示意性地示出X射線計算機斷層攝影(X射線CT)系統。X射線CT系統使用計算機處理的X射線來產生被掃描對象的特定區域的斷層圖像(虛擬“切片”)。斷層圖像可用於各種醫學學科中的診斷和治療目的，或用於探傷，故障分析，計量，組裝分析和反向工程。X射線CT系統包括在此描述的圖像傳感器9000和X射線源1701。圖像傳感器9000和X射線源1701可被配置成沿一個或多個圓形或螺旋路徑同步旋轉。
圖18示意性地示出電子顯微鏡。電子顯微鏡包括被配置為發射電子的電子源1801(也稱為電子槍)。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。被發射的電子通過電子光學系統1803，其可被配置為影響、加速或聚焦電子。然後電子到達樣品1802，並且圖像檢測器可從那裏形成圖像。電子顯微鏡可以包括本文所述的圖像傳感器9000，用於進行能量色散X射線分光鏡檢查(EDS)。EDS是用於樣品的元素分析或化學表征的分析技術。當電子入射到樣品上時，可從樣品發射特征X射線。入射電子可以激發樣品中的原子的內殼中的電子，從所述殼中 將其排出，同時在所述電子原先的位置形成電子空穴。來自外部的高能殼層的電子填充所述空穴，較高能量殼層與較低能量殼層之間的能量差可以按X射線的形式釋放。通過圖像傳感器9000可以測量從樣品發射的X射線的數量和能量。
這裏描述的圖像傳感器9000可具有其它應用，比如在X射線望遠鏡，X射線乳房攝影，工業X射線缺陷檢測，X射線顯微或微成像，X射線鑄造檢查，X射線無損檢測，X射線焊接檢查，X射線數位減影血管攝影等中。使用該圖像傳感器9000適合於代替攝影板，攝影膠片，PSP板，X射線圖像增強器，閃爍體或另一個半導體X射線檢測器。
盡管本文公開各種方面和實施例，其它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下列權利要求指示。
1100:過程
1102:區
1104:區
1106:區
1108:區

Claims (22)

  1. 一種製造適用於檢測輻射的一裝置的方法，該方法包括：獲得多個半導體單晶塊，每個具有一第一表面和一第二表面，該第二表面與該第一表面相對，該多個半導體單晶塊具有不同之厚度；將該多個半導體單晶塊由各自的第一表面結合到一第一半導體晶片，該多個半導體單晶塊形成一輻射吸收層；在該多個半導體單晶塊的各自第二表面上形成多個電極；在該多個半導體單晶塊的每個上沈積柱；並且將該多個半導體單晶塊通過該等柱結合到一第二半導體晶片，其中該多個半導體單晶塊具有不同之尺寸且在其間具有間隙。
  2. 如請求項1之方法，其中該多個半導體單晶塊是碲化鋅鎘(CdZnTe)塊。
  3. 如請求項1之方法，其中該多個半導體單晶塊通過膠或塑料成型結合到該第一半導體晶片上。
  4. 如請求項1之方法，其中所述第一半導體晶片是導電的並且作為該多個半導體單晶塊的一公共電極。
  5. 如請求項1之方法，其中該多個半導體單晶塊上的該多個電極由半導體晶片工藝形成。
  6. 如請求項1之方法，其中，該等柱為導電柱凸塊。
  7. 如請求項6之方法，其中，使用半導體晶片工藝沈積該等柱。
  8. 如請求項1之方法，其還包括拋光該多個半導體單晶塊的該等第二表面，使得該多個半導體單晶塊具有相同的厚度。
  9. 如請求項1之方法，其中該第一半導體晶片形成用於該多個半導體單晶塊的一公共電極。
  10. 如請求項9之方法，其中該多個半導體單晶塊在該等第一表面上的該公共電極和該等第二表面上的該多個電極之間形成電阻器。
  11. 如請求項1之方法，其中該輻射吸收層被配置為檢測包括紫外線(UV)，X射線，γ射線的電磁輻射的一種。
  12. 如請求項1之方法，其中該輻射吸收層被配置為檢測包括α粒子，β粒子和中子粒子的粒子輻射中的一種。
  13. 如請求項1之方法，其中通過晶片級室溫結合來執行將該多個半導體單晶塊結合到該第二半導體晶片。
  14. 如請求項1之方法，其中該第二半導體晶片包括用於處理在該輻射吸收層中產生的信號之一電子層。
  15. 如請求項14之方法，其中該電子層包括一電子系統，其被連接到該多個半導體單晶塊的該多個電極的一個，該電子系統包括：一第一電壓比較器，其被配置為將該等電極中的至少一個的一電壓與一第一閾值進行比較；一第二電壓比較器，其被配置為將該電壓與一第二閾值進行比較；一計數器，其被配置為記錄到達該輻射吸收層的輻射光子或粒子之一數目；一控制器；其中該控制器被配置為從該第一電壓比較器確定該電壓的一絕對值等於或超過該第一閾值的一絕對值的一時刻開始一時間延遲；其中該控制器被配置為在該時間延遲期間激活該第二電壓比較器；其中該控制器被配置為：如果該第二電壓比較器確定該電壓的一絕對值等於或超過該第二閾值的一絕對值，使由該計數器記錄的該數目增加1。
  16. 如請求項15之方法，其中該電子系統還包括一電容器模組，其被電連接到該電極，其中該電容器模組配置為從該電極收集載荷子。
  17. 如請求項15之方法，其中該控制器被配置為在該時間延遲的一開始或終止時激活該第二電壓比較器。
  18. 如請求項15之方法，其中該電子系統還包括一電壓表，其中該控制器被配置為在該時間延遲期滿時使該電壓表測量該電壓。
  19. 如請求項15之方法，其中該控制器被配置為基於該時間延遲期滿時所測量的該電壓的一值確定一輻射粒子能量。
  20. 如請求項15之方法，其中該控制器被配置為將該電極連接到一電接地。
  21. 如請求項15之方法，其中該電壓的一變化率在該時間延遲終止時基本為零。
  22. 如請求項15之方法，其中該電壓的一變化率在該時間延遲終止時基本上是非零。
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