TWI828968B - 輻射檢測器及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本文公開了一種方法，其包括：在半導體襯底上形成包括碳化矽層的輻射吸收層；在所述輻射吸收層的第一表面上形成第一電觸點；將所述輻射吸收層與電子層鍵合；去除所述半導體襯底；在遠離所述電子層的所述輻射吸收層的第二表面上形成第二電觸點。
Description
本文的公開涉及輻射檢測器。
輻射檢測器是可用於測量輻射的通量、空間分佈、光譜或其他特性的裝置。輻射檢測器可用于許多應用，其中一個重要的應用是成像。輻射成像是一種放射線照相技術，並且可用於揭示非均勻組成和不透明物體，例如人體，的內部結構。
用於成像的早期輻射檢測器包括照相底片和照相膠片。照相底片可以是具有光敏乳劑塗層的玻璃板。雖然照相底片被照相膠片取代，但由於它們提供的優良品質和極端穩定性，使得它們仍可用於特殊情況。照相膠片可以是具有光敏乳劑塗層的塑膠薄膜（比如，條狀或片狀）。
在20世紀80年代，可光激發的磷光板（PSP板）開始可用。可光激發的磷光板在其晶格中包含具有色心的磷光體材料。當可光激發的磷光板暴露于輻射時，由輻射激發的電子被捕獲在色心中，直到它們被在可光激發的磷光板表面上掃描的雷射光束激發。當鐳射掃描所述可光激發的磷光板時，被捕獲的激發電子發出光，這些光被光電倍增管收集，收集的光被轉換成數位圖像。與照相底片和照相膠片相比，可光激發的磷光板可重複使用。
另一種輻射檢測器是輻射圖像增強器。輻射圖像增強器的元件通常在真空中密封。與照相底片、照相膠片以及可光激發的磷光板相比，輻射圖像增強器可產生即時圖像，即，不需要曝光後處理來產生圖像。輻射首先撞擊輸入磷光體（例如，碘化銫）並被轉換成可見光。然後可見光撞擊光電陰極（例如，含有銫和銻化合物的薄金屬層）並引起電子發射。發射的電子數目與入射輻射的強度成正比。發射的電子通過電子光學器件投射到輸出磷光體上並使輸出磷光體產生可見光圖像。
閃爍體在某種程度上與輻射圖像增強器的操作類似，因為閃爍體（例如，碘化鈉）吸收輻射並發射可見光，然後可通過合適的圖像感測器檢測到可見光。在閃爍體中，可見光在所有方向上擴散和散射，從而降低空間解析度。減小閃爍體厚度有助於改善空間解析度，但也減少了輻射的吸收。因此，閃爍體必須在吸收效率和解析度之間達成折衷。
半導體輻射檢測器通過將輻射直接轉換成電信號很大程度上克服了如上所述問題。半導體輻射檢測器可包括吸收感興趣波長輻射的半導體層。當在半導體層中吸收輻射粒子時，產生多個載流子（例如，電子和空穴）並在電場下朝向半導體層上的電觸點掃過。
本文公開一種方法，其包括：在半導體襯底上形成包括碳化矽層的輻射吸收層；在所述輻射吸收層的第一表面上形成第一電觸點；將所述輻射吸收層與電子層鍵合；去除所述半導體襯底；在遠離所述電子層的所述輻射吸收層的第二表面上形成第二電觸點。
根據實施例，所述碳化矽層的厚度可達10微米。
根據實施例，所述第一電觸點包括多個離散區域，所述多個離散區域被配置為從所述輻射吸收層收集載流子。
根據實施例，所述第一電觸點的所述多個離散區域以陣列佈置。
根據實施例，所述電子層包括電子系統，所述電子系統被配置為確定由所述第一電觸點的所述離散區域分別收集的載流子的數量。
根據實施例，所述電子系統被配置為確定在同一時間段內收集的載流子的數量。
根據實施例，所述電子系統進一步包括積分器，所述積分器被配置為對通過所述第一電觸點的所述多個離散區域的電流進行積分。
根據實施例，所述電子系統進一步包括控制器，所述控制器被配置為將所述第一電觸點連接到電接地。
根據實施例，所述控制器被配置為在所述數量的變化率幾乎為零之後將所述第一電觸點連接到電接地。
本文公開一種輻射檢測器，其包括：輻射吸收層，其包括碳化矽層，所述輻射吸收層被配置為由入射在所述輻射吸收層上的輻射在所述輻射吸收層中產生載流子；電觸點，其具有多個離散區域，所述電觸點被配置為從所述輻射吸收層收集載流子；以及電子系統，其被配置為確定由所述多個離散區域分別收集的載流子的數量。
根據實施例，所述碳化矽層的厚度可達10微米。
根據實施例，所述多個離散區域以陣列佈置。
根據實施例，所述電子系統被配置為確定在同一時間段內的所述數量。
根據實施例，所述電子系統包括積分器，所述積分器被配置為對通過所述多個離散區域的電流進行積分。
根據實施例，所述輻射檢測器進一步包括控制器，所述控制器被配置為將所述電觸點連接到電接地。
根據實施例，所述控制器被配置為在所述數量的變化率幾乎為零之後將所述電觸點連接到電接地。
根據實施例，所述輻射檢測器不包括閃爍體。
圖1A示意示出根據實施例的輻射檢測器100的橫截面圖。所述輻射檢測器100可包括輻射吸收層110和電子層120（例如，專用積體電路），用於處理或分析電信號。所述電信號可以由於入射在所述輻射吸收層110上的輻射在所述輻射吸收層110中產生的載流子產生。在實施例中，所述輻射檢測器100不包括閃爍體。所述輻射吸收層110可包括碳化矽（SiC）層。在示例中，所述碳化矽層的厚度可達10微米。
如圖1B中根據實施例的輻射檢測器100的詳細截面圖所示。所述輻射吸收層110可以包括電觸點（例如，如圖1B所示的119A、119B）。所述電觸點119B可以具有多個離散區域，所述多個離散區域被配置為收集來自所述輻射吸收層110的載流子。當輻射粒子撞擊所述輻射吸收層110時，該輻射粒子可被吸收並通過若干機制產生一個或多個載流子。一個輻射粒子可產生10到100000個載流子。所述載流子可在電場下向電觸點119A和電觸點119B漂移。所述電場可以是外部電場。所述電觸點119B包括離散區域。在實施例中，所述載流子可向不同方向漂移，使得由單個輻射粒子產生的所述載流子大致未被所述電觸點119B兩個不同的離散區域共用（“大致未被共用”在這裡意指這些載流子中不到2%、不到0.5%、不到0.1%或不到0.01%流向與餘下載流子不同組的離散區域）。與所述電觸點119B的所述離散區域之一相關聯的所述像素150的足跡可以是所述離散區域周圍的區，由入射在其中的一個輻射粒子所產生的載流子大致全部（超過98％、超過99.5％、超過99.9％或超過99.99％）流向所述電觸點119B的所述離散區域。即，所述載流子中的不到2％、不到0.5％、不到0.1％、或不到0.01％流到與所述電觸點119B的所述離散區域之一相關聯的所述像素150之外。由入射在所述電觸點119B的離散區域之一的足跡周圍的一個輻射粒子所產生的載流子大致未被所述電觸點119B的另一個離散部分共用。
圖1C示意示出根據實施例的輻射檢測器100中的像素150可以被佈置成陣列。即，所述電觸點119B的所述多個離散區域可以佈置成陣列。所述陣列可以是矩形陣列、蜂窩狀陣列、六邊形陣列或任何其他合適的陣列。
所述電子層120可包括電子系統121，其適用於處理或解釋由入射在所述輻射吸收層110上的輻射粒子所產生的信號，並確定由所述多個離散區域分別收集的所述載流子的數量。所述電子系統121可包括類比電路比如濾波器網路、放大器、積分器、比較器，或數位電路比如微處理器和記憶體。所述電子系統121可包括由所述多個離散區域共用的元件或專用於每個所述多個離散區域的元件。在實施例中，所述電子系統被配置為確定同一時間段內由所述電觸點119B的所述多個離散區域分別收集的載流子的數量。所述電子系統121可通過通孔131電連接到所述電觸點119B的所述離散區域。所述通孔之間的空間可用填充材料130填充，其可增加所述電子層120到所述輻射吸收層110連接的機械穩定性。其他鍵合技術有可能在不使用所述通孔的情況下將所述電子系統121連接到所述離散區域。
圖2A-圖2F示意示出根據實施例的製造所述輻射檢測器的過程。圖2A示意示出所述方法可以從半導體襯底111開始。在實施例中，所述半導體襯底111包括諸如矽、鍺、砷化鎵或其組合的半導體材料。
圖2B示意示出根據實施例的在所述半導體襯底111上形成所述輻射吸收層110。可以使用諸如化學氣相沉積（CVD）和原子層沉積（ALD）之類的任何適當的技術來形成所述輻射吸收層110。
圖2C示意示出在所述輻射吸收層110的表面上形成具有多個離散區域的所述電觸點119B。在其上形成所述電觸點119B的表面可以是所述碳化矽層的表面。即，所述電觸點119B可以與所述碳化矽層直接物理接觸。
圖2D示意示出具有所述電觸點119B的所述輻射吸收層110使用諸如直接鍵合或倒裝晶片鍵合的合適的鍵合方法鍵合到所述電子層120。直接鍵合是沒有任何其他中間層（例如，焊料凸點）的晶片鍵合工藝。所述鍵合過程基於兩個表面之間的化學鍵。直接鍵合可以在高溫下進行，但不一定如此。倒裝晶片鍵合使用沉積在接觸墊（例如，所述輻射吸收層110的所述電觸點119B）上的焊料凸點199，如圖2D所示。所述輻射吸收層110被鍵合到所述電子層120，使得所述電觸點119B被連接到所述電子層120中的所述電子系統121。
圖2E示意示出，在將所述輻射吸收層110鍵合至所述電子層120之後，使用諸如研磨或蝕刻的合適方法去除所述半導體襯底111。
圖2F示意示出所述電觸點119A形成在遠離所述電子層120的所述輻射吸收層110的表面上。形成所述電觸點119A的所述表面可以是所述碳化矽層。即，所述電觸點119A可以與所述碳化矽層直接物理接觸。
圖3示出根據實施例的所述電子系統121的元件圖。所述電子系統121可包括記憶體320、電壓表306、積分器309和控制器310。
所述控制器310可被配置為使所述電觸點119B連接到電接地，以使累積在所述電觸點119B上的任何載流子放電。在實施例中，所述電觸點119B在由所述電觸點119B的所述離散區域所分別收集的載流子的所述數量的變化率幾乎為零後連接到電接地。所述數量的變化率幾乎為零意味著所述數量的時間變化小於0.1%/ns。在實施例中，所述電觸點119B被連接到電接地並持續有限的復位時段。所述控制器310可通過控制重定開關305而使所述電觸點119B連接到所述電接地。所述重定開關305可以是電晶體比如場效應電晶體（FET）。
所述電壓表306可將其測量的電壓以類比或數位信號饋送給所述控制器310。
在示例中，所述積分器309被配置為對通過所述電觸點119B的所述多個離散區域的電流進行積分。所述積分器309可以包括具有電容反饋回路的運算放大器（例如，在所述運算放大器的反相輸入和輸出之間）。所述積分器309電連接到所述電觸點119B，並被配置為對在一段時間內流過所述電觸點119B的所述離散區域的電流（即，由所述電觸點收集的載流子）進行積分。所述積分器309可以被配置為電容跨阻放大器（CTIA）。電容跨阻放大器通過防止所述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。來自所述電觸點119B的載流子累積在所述電容器上並且在一段時間（“積分期”）內被積分。在所述積分期終結後，所述電容器上的電壓被採樣，然後通過重定開關305對所述電容器進行復位。所述積分器309可包括直接連接到所述電觸點119B的電容器。在示例中，當由所述電觸點119B的所述離散區域分別收集的載流子的數量的變化率幾乎為零時，所述積分期終結。
所述記憶體320可以被配置為存儲諸如載流子的所述數量的資料。
所述控制器310可以被配置為使所述電壓表306測量來自所述積分器309的電壓，所述電壓代表由所述積分器309積分的載流子的所述數量（例如，所述積分器309中的所述電容器上的電壓）。所述控制器310可以被配置為基於所述電壓確定載流子的所述數量。
儘管本文已經公開了各個方面和實施例，但是其他方面和實施例對於本領域技術人員而言將是顯而易見的。本文公開的各個方面和實施例是為了說明的目的而不是限制性的，其真正的範圍和精神應該以本文中的發明申請專利範圍為准。
100:輻射檢測器
110:輻射吸收層
111:半導體襯底
119A、119B:電觸點
120:電子層
121:電子系統
130:填充材料
131:通孔
150:像素
199:焊料凸點
305:重定開關
306:電壓表
309:積分器
310:控制器
320:記憶體
圖1A示意示出根據實施例的輻射檢測器的橫截面圖。
圖1B示意示出根據實施例的所述輻射檢測器的詳細橫截面圖。
圖1C示意示出根據實施例的所述輻射檢測器的俯視圖。
圖2A至圖2F示意示出根據實施例的製造所述輻射檢測器的過程。
圖3示意示出根據實施例的所述輻射檢測器的電子系統的元件圖。
119B:電觸點
121:電子系統
305:重定開關
306:電壓表
309:積分器
310:控制器
320:記憶體
Claims (20)
- 一種輻射檢測器的製造方法，其包括：在半導體襯底上形成包括碳化矽層的輻射吸收層；在所述輻射吸收層的第一表面上形成第一電觸點；將所述輻射吸收層與電子層鍵合；去除所述半導體襯底；以及在遠離所述電子層的所述輻射吸收層的第二表面上形成第二電觸點。
- 如請求項1所述的製造方法，其中所述碳化矽層的厚度可達10微米。
- 如請求項1所述的製造方法，其中所述第一電觸點包括多個離散區域，所述多個離散區域被配置為從所述輻射吸收層收集載流子。
- 如請求項3所述的製造方法，其中所述第一電觸點的所述多個離散區域以陣列佈置。
- 如請求項3所述的製造方法，其中所述電子層包括電子系統，所述電子系統被配置為確定由所述第一電觸點的所述離散區域分別收集的載流子的數量。
- 如請求項5所述的製造方法，其中所述電子系統被配置為確定在同一時間段內收集的載流子的數量。
- 如請求項5所述的製造方法，其中所述電子系統進一步包括積分器，所述積分器被配置為對通過所述第一電觸點的所 述多個離散區域的電流進行積分。
- 如請求項5所述的製造方法，其中所述電子系統進一步包括控制器，所述控制器被配置為將所述第一電觸點連接到電接地。
- 如請求項8所述的製造方法，其中所述控制器被配置為在所述數量的變化率幾乎為零之後將所述第一電觸點連接到電接地。
- 如請求項1所述的製造方法，其中在去除所述半導體襯底之前形成所述第一電觸點。
- 如請求項1所述的製造方法，其中所述第一表面與所述半導體襯底相對。
- 如請求項1所述的製造方法，其中去除所述半導體襯底暴露出所述第二表面。
- 如請求項1所述的製造方法，其中在去除所述半導體襯底且形成所述第二電觸點之前將所述輻射吸收層與所述電子層鍵合。
- 一種輻射檢測器，其包括：輻射吸收層，其包括碳化矽層，所述輻射吸收層被配置為由入射在所述輻射吸收層上的輻射在所述輻射吸收層中產生載流子；電觸點，其具有多個離散區域，所述電觸點被配置為從所述輻射吸收層收集載流子； 電子系統，其被配置為確定由所述多個離散區域分別收集的載流子的數量；以及控制器，所述控制器被配置為將所述電觸點連接到電接地。
- 如請求項14所述的輻射檢測器，其中所述碳化矽層的厚度可達10微米。
- 如請求項14所述的輻射檢測器，其中所述多個離散區域以陣列佈置。
- 如請求項14所述的輻射檢測器，其中所述電子系統被配置為確定在同一時間段內的所述數量。
- 如請求項14所述的輻射檢測器，其中所述電子系統包括積分器，所述積分器被配置為對通過所述多個離散區域的電流進行積分。
- 如請求項14所述的輻射檢測器，其中所述控制器被配置為在所述數量的變化率幾乎為零之後將所述電觸點連接到電接地。
- 如請求項14所述的輻射檢測器，其中所述輻射檢測器不包括閃爍體。
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