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CN111247455B - 基于载流子雪崩的图像传感器 - Google Patents

基于载流子雪崩的图像传感器 Download PDF

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CN111247455B
CN111247455B CN201780096003.1A CN201780096003A CN111247455B CN 111247455 B CN111247455 B CN 111247455B CN 201780096003 A CN201780096003 A CN 201780096003A CN 111247455 B CN111247455 B CN 111247455B
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Abstract

一种适合于辐射检测的设备(300)。该设备(300)可包括辐射吸收层(311)以及辐射吸收层(311)上的第一电极(304)。辐射吸收层(311)可配置成在其中从辐射吸收层(311)所吸收的辐射粒子来生成载流子。第一电极(304)可配置成在辐射吸收层(311)中生成电场。第一电极(304)可具有一种几何结构，其对电场进行整形，使得辐射吸收层(311)的放大区(320)中的电场具有足以引起放大区(320)中的载流子的雪崩的场强度。

Description

基于载流子雪崩的图像传感器
【技术领域】
本公开涉及图像传感器，具体来说涉及基于载流子雪崩的图像传感器。
【背景技术】
图像传感器或成像传感器是一种传感器，其能够检测辐射的空间强度分布。图像传感器通常通过电信号来表示所检测图像。基于半导体装置的图像传感器可分类为若干类型，包括半导体电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、N型金属氧化物半导体(NMOS)。CMOS图像传感器是一种类型的有源像素传感器，其使用CMOS半导体过程来制成。入射到CMOS图像传感器中的像素上的光被转换为电压。电压被数字化为离散值，其表示入射到那个像素上的光的强度。有源像素传感器(APS)是一种图像传感器，其包括具有光电检测器和有源放大器的像素。CCD图像传感器包括像素中的电容器。当光入射到像素上时，光生成电荷，以及电荷存储在电容器上。所存储电荷被转换成电压，并且电压被数字化为离散值，其表示入射到那个像素上的光的强度。
【发明内容】
本文所公开的是一种设备，包括：辐射吸收层，配置成在其中从辐射吸收层所吸收的辐射粒子来生成载流子；辐射吸收层上的第一电极；其中第一电极的几何结构配置成在辐射吸收层的放大区中生成电场，电场具有足以引起放大区中的载流子的雪崩的场强度。
按照实施例，该设备还包括辐射吸收层上的第二电极，第二电极与第一电极相对。
按照实施例，第二电极配置成收集辐射吸收层中的载流子。
按照实施例，第二电极是平面的。
按照实施例，第二电极包括离散区。
按照实施例，第二电极的离散区延伸到辐射吸收层中。
按照实施例，第一电极包括具有锥形、平截头体、棱镜、金字塔、立方体或圆柱的形状的尖头。
按照实施例，第一电极配置成收集直接从辐射粒子或者通过载流子的雪崩所生成的载流子。
按照实施例，第一电极配置成集中电场。
按照实施例，第一电极延伸到辐射吸收层中。
按照实施例，该设备还包括外电极，其围绕第一电极所布置，并且与第一电极电绝缘；其中外电极配置成对放大区中的电场进行整形。
按照实施例，外电极配置成不收集载流子。
按照实施例，外电极包括离散区。
按照实施例，放大区包括掺杂半导体。
按照实施例，掺杂半导体与第一电极电接触。
按照实施例，掺杂半导体具有掺杂剂的非零浓度梯度。
按照实施例，辐射吸收层具有10微米或以上的厚度。
按照实施例，辐射吸收层包括硅。
按照实施例，辐射吸收层包括本征半导体区。
按照实施例，该设备还包括钝化材料，其配置成钝化辐射吸收层的表面。
本文所公开的是一种设备，包括：辐射吸收层，配置成在其中从辐射吸收层所吸收的辐射粒子来生成载流子；辐射吸收层上的第一电极，第一电极的几何结构配置成引起辐射吸收层的放大区中的载流子的雪崩。
本文所公开的是一种方法，包括：通过采用掺杂剂掺杂半导体衬底的表面来形成半导体衬底的掺杂区；通过对半导体衬底进行退火将掺杂剂驱动到半导体衬底中；通过重复对半导体衬底进行掺杂和退火来控制掺杂区的掺杂剖面。
按照实施例，半导体衬底包括硅。
按照实施例，掺杂区具有掺杂剂的非零浓度梯度。
按照实施例，掺杂通过掺杂剂扩散或离子注入进行。
按照实施例，该方法还包括在掺杂衬底之前在半导体衬底的表面上形成屏蔽层，其中屏蔽层配置成阻碍掺杂剂进入半导体衬底。
按照实施例，屏蔽层包括二氧化硅。
按照实施例，该方法还包括在半导体衬底上形成第一电极，其中第一电极与掺杂区电接触。
按照实施例，第一电极包括具有锥形、平截头体、棱镜、金字塔、立方体或圆柱的形状的尖头。
按照实施例，第一电极延伸到半导体衬底中。
按照实施例，该方法还包括形成围绕第一电极所布置的外电极，其中外电极与第一电极电绝缘。
按照实施例，外电极包括离散区。
按照实施例，该方法还包括在半导体衬底上形成第二电极，其中第二电极与第一电极相对。
按照实施例，第二电极是平面的。
按照实施例，第二电极包括离散区。
按照实施例，第二电极的离散区延伸到半导体衬底中。
本文所公开的是一种适合于激光扫描的系统，该系统包括：激光源，配置成生成扫描激光束；检测器，包括以上所公开设备的任一个的设备，其中设备配置成在扫描激光束从对象弹回之后收集返回激光信号。
按照实施例，检测器还包括信号处理系统，其配置成处理和分析检测器所检测的返回激光信号。
本文所公开的是一种系统，包括：以上所公开设备的任一个的设备；X射线源；其中该系统配置成使得设备使用来自X射线源的X射线(其穿透对象)来形成对象的图像。
按照实施例，X射线源生成软X射线光子。
按照实施例，设备的辐射吸收层对软X射线具有至少80％的吸收率。
按照实施例，该系统配置成进行胸腔X射线照相、腹部X射线照相、牙科X射线照相或乳房X射线照相。
按照实施例，该系统配置成进行计算计算机断层扫描。
按照实施例，该系统是显微镜。
本文所公开的是一种检测器，包括：以上所公开设备的任一个的设备；电子层，其被接合到设备，电子层包括电子系统，其配置成处理设备中生成的电信号。
按照实施例，电子系统包括：电压比较器，配置成将设备的第一电极的电压与第一阈值进行比较；计数器，配置成记录设备所吸收的辐射粒子的数量；控制器；伏特计；其中，控制器配置成从电压比较器确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的时间开始时间延迟；其中控制器配置成在时间延迟到期时使伏特计测量电压；控制器配置成通过将伏特计所测量的电压除以单个辐射粒子对第一电极所引起的电压来确定辐射粒子的数量；控制器配置成使计数器所记录的数量增加，所增加的幅度为辐射粒子的数量。
按照实施例，电子系统还包括电容器模块，其电连接到第一电极，其中电容器模块配置成收集来自第一电极的载流子。
按照实施例，控制器配置成将第一电极连接到电接地。
按照实施例，控制器配置成在时间延迟开始时停用电压比较器。
【附图说明】
图1示意示出当APD处于线性模式时作为入射到APD上的光的强度的函数、以及当APD处于盖革模式时作为入射到APD上的光的强度的函数的APD中的电流。
图2A、图2B和图2C示意示出按照实施例的APD的操作。
图3A示意示出按照实施例、适合于辐射检测的设备的截面图。
图3B示出按照实施例的设备的变体。
图3C示出按照实施例的设备的变体。
图3D示出按照实施例的设备的变体。
图4示意示出按照实施例、形成设备的过程。
图5示意示出包括作为本文所述设备的实施例的成像传感器的系统。
图6示意示出X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统。
图7示意示出X射线显微镜或X射线微型CT 700。
图8示意示出按照实施例、适合于激光扫描的系统。
图9A示意示出作为示例的辐射检测器。
图9B示意示出按照实施例的辐射检测器的截面图。
图10A和图10B各示出按照实施例的电子系统的组件图。
图11示意示出辐射吸收层中的入射辐射粒子或载流子雪崩所生成的载流子所引起的流经电极的电流的时间变化(上曲线)以及电极的电压的对应时间变化(下曲线)。
【具体实施方式】
载流子雪崩是一种过程，其中材料中的自由载流子经受电场的强加速，并且随后与材料的其他原子碰撞，由此将它们电离(碰撞电离)，并且释放附加载流子，其进行加速并且与其他原子碰撞，从而释放更多载流子—链式反应。碰撞电离是材料中的一种过程，通过其，一个具有能量的载流子能够通过其他载流子的创建而失去能量。例如，在半导体中，具有足够动能的电子(或空穴)能够将束缚电子撞出其束缚态(在价带中)，并且将它促进到导带中的状态，从而创建电子-空穴对。使用载流子雪崩的电子装置的一个示例是雪崩光电二极管(APD)，其在暴露于光时使用载流子雪崩来生成电流。APD将用作描述载流子雪崩的示例，但是本描述可适用于使用载流子雪崩的其他电子装置。
APD可工作在盖革模式或线性模式。当APD工作在盖革模式时，它可称作单光子雪崩二极管(SPAD)(又称作盖革模式APD或G-APD)。SPAD是工作在高于击穿电压的反偏压下的APD。在这里，词语“高于”表示反偏压的绝对值大于击穿电压的绝对值。SPAD可用来检测低强度光(例如低至单光子)，并且发信号通知关于具有数十微微秒的抖动的光子的到达时间。SAPD可采取高于p-n结的击穿电压的反偏压下的p-n结的形式(即，p-n结的p型区在比n型区要低的电位下偏压)。p-n结的击穿电压是反偏压，高于其，p-n结中的电流的指数增加发生。工作在低于击穿电压的反偏压的APD工作在线性模式，因为APD中的电流与入射到APD上的光的强度成比例。
图1示意示出当APD处于线性模式时作为入射到APD上的光的强度的函数112以及当APD处于盖革模式时(即，当APD为SPAD时)作为入射到APD上的光的强度的函数111的APD中的电流。在盖革模式，电流呈现随光的强度的超急剧增加和后续饱和。在线性模式，电流与光的强度基本上成比例。
图2A、图2B和图2C示意示出按照实施例的APD的操作。图2A示出，当辐射粒子(例如X射线光子)由吸收区210来吸收时，可生成一个或多个(对于X射线光子为100至10000个)电子-空穴对。吸收区210具有充分厚度并且因而具有对入射光子的充分吸收率(例如>80％或者>90％)。对于软X射线光子，吸收区210可以是厚度为10微米或以上的硅层。吸收区210中的电场不是足够高以引起吸收区210中的雪崩效应。图2B示出电子和空穴在吸收区210中沿相反方向漂移。图2C示出，当电子(或空穴)进入放大区220时，雪崩效应在那个放大区220中发生，由此生成更多电子和空穴。放大区220中的电场足够高以引起进入放大区220的载流子的雪崩，但不是过高以使雪崩效应是自持的。自持雪崩是一种雪崩，其在外部触发(例如入射到APD上的辐射粒子或者漂移到APD中的载流子)消失之后持续存在。放大区220中的电场可以是放大区220中的掺杂剖面或者放大区220的结构的结果。例如，放大区220可包括p-n结或者其耗尽区中具有电场的异质结。雪崩效应的阈值电场(即，一种电场，高于其，雪崩发生，而低于其，雪崩效应不发生)是放大区220的材料的性质。放大区220可处于吸收区210的一侧或两个相对侧。
图3A示意示出按照实施例、适合于辐射检测的设备300的截面图。设备300可包括辐射吸收层311以及辐射吸收层311上的一个或多个电极304。辐射吸收层311可配置成在其中从辐射吸收层311所吸收的辐射粒子来生成载流子。一个或多个电极304可配置成在辐射吸收层311中生成电场306。一个或多个电极304的每个可具有一种几何结构(例如小锥形尖头)，其对电场306进行整形，使得辐射吸收层311的一个或多个部分(即，一个或多个放大区320)中的电场306具有足以引起一个或多个放大区320中的载流子(例如电子或空穴)的雪崩的场强度。通过雪崩或者直接从辐射粒子所生成的载流子漂移到一个或多个电极304或不同电极并且由其来收集。设备300还可包括钝化材料303，其配置成钝化辐射吸收层311的表面，以降低表面的载流子的重组。设备300还可包括辐射吸收层311上的对电极301，对电极301与一个或多个电极304相对。对电极301可配置成收集辐射吸收层311中的载流子。
辐射吸收层311可包括半导体材料(例如硅)。辐射吸收层311可具有充分厚度，并且因而具有对感兴趣入射辐射粒子(例如X射线光子)具有充分吸收率(例如>80％或>90％)。辐射吸收层311可具有10微米或以上的厚度。
在实施例中，辐射吸收层311可以是本征半导体。在实施例中，辐射吸收层311可包括掺杂区312，其采用掺杂剂来轻掺杂。当半导体包含足够小以使得费米能级的掺杂剂的电子状态被定域(即，掺杂剂的能带可能没有与半导体的导带或价带重迭)的掺杂剂与半导体原子的比例时，半导体被认为是轻掺杂的。例如，轻掺杂硅可具有大约1/1011的掺杂剂与硅原子的比率。掺杂区312可从表面延伸到辐射吸收层311的内部区域中数微米，并且可具有掺杂剂的非零浓度梯度。在图3A-图3C的示例中，掺杂剂的浓度从表面到辐射吸收层311的内部区域逐渐降低。掺杂区312可与电极304电接触。在实施例中，掺杂区312可包括离散区，其各自围绕电极304中的一个。
一个或多个电极304可包括导电材料，例如金属(例如金、铜、铝、铂等)或者任何其他适当导电材料(例如重掺杂半导体)。一个或多个电极304可具有小尺寸或适当形状，使得集中一个或多个电极304附近的电场306。例如，一个或多个电极304可包括具有锥形、平截头体、棱镜、金字塔、立方体或圆柱等的形状的尖头。在图3A的示例中，尖头是平坦和圆柱形。图3A中的电极304的平坦尖头各自具有与辐射吸收层311的接触面积，其足够小以使尖头附近的电场306变为足够强以引起尖头附近的载流子的雪崩。换言之，电场306的强度在接近电极304时增加，以及图3A中的放大区320是围绕电极304的尖头的区域，其中电场306足够强以引起载流子的雪崩。在实施例中，一个或多个放大区320分别对应于一个或多个电极304。与一个电极304对应的放大区320可以没有与对应于另一个电极304的另一个放大区320结合。在实施例中，电场306不是足够强以引起自持雪崩；即，放大区320中的电场306应当在辐射吸收层311中存在入射辐射粒子时引起雪崩，但是雪崩在辐射吸收层311中没有其他入射辐射粒子的情况下应当停止。
当辐射照射X射线吸收层311时，它可被吸收，并且通过多个机制来生成一个或多个载流子。辐射的粒子可生成10至100000个载流子。一种类型(电子或空穴)的载流子朝放大区320漂移。载流子可沿多个方向漂移，使得电极304中的一个的占用面积330周围入射的辐射粒子所生成的基本上全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或者超过99.99％的)载流子流动到与电极304对应的放大区320。即，这些载流子的不到2％、不到0.5％、不到0.1％或者不到0.01％流动到与电极304对应的放大区320之外。当载流子进入放大区320时，雪崩效应发生，并且引起载流子的放大。放大载流子能够经过对应电极304作为电流来收集。在线性模式，电流与每单位时间的电极304的占用面积330周围的入射辐射粒子的数量成比例(即，与辐射强度成比例)。可编制电极304处的电流，以表示辐射的空间强度分布、即图像。
图3B示出按照实施例的设备300的变体，其中电极304可延伸到辐射吸收层311中。延伸到辐射吸收层311中的电极304的每个的部分可具有小尺寸或适当形状，使得集中该部分附近的电场306。例如，该部分可包括具有锥形、平截头体、棱镜、金字塔、立方体或圆柱等的形状的尖头。在图3B的示例中，尖头为锥形，并且锥形尖头附近的电场306变为足够强以引起尖头附近的载流子的雪崩。换言之，电场306的强度在接近电极304的部分时增加，以及图3B中的放大区320是围绕所述部分的区域，其中电场306足够强以引起载流子的雪崩。
图3C示出按照实施例的设备300的变体，其中设备300还可包括一个或多个外电极305。一个或多个外电极305分别对应于一个或多个电极304并且位于其周围。外电极305与电极304电绝缘。例如，绝缘区(例如钝化材料303的一部分)可存在于外电极305与其对应电极304之间。
在图3C的示例中，外电极305及其对应电极304是共轴的。外电极305可包括导电材料，例如金属(例如金、铜、铝、铂等)或者任何其他适当导电材料(例如重掺杂半导体)。
外电极305可配置成对于与外电极305对应的电极304的放大区320中的电场306进行整形，并且外电极305可配置成不收集载流子。例如，电场306(例如其强度、梯度)可通过引入外电极305与其对应电极304之间的电压差来调谐。在实施例中，外电极305可具有与对电极301相同的电压。在实施例中，外电极305可以不一定是如图3C所示的环形，而能够具有离散部分。
在实施例中，对电极301可以是平面的，如图3A-图3C所示。对电极301可包括离散区。
在如图3D所示的实施例中，对电极301各自可具有与电极304中的一个相似的几何结构，并且可延伸到辐射吸收层311中。载流子的雪崩也可在对电极301的离散区附近的区域中发生。对电极301可包括导电材料，例如金属(例如金、铜、铝、铂等)或者任何其他适当导电材料(例如重掺杂半导体)。
在图3D的示例中，电极304和对电极301具有延伸到辐射吸收层311中的结构。例如，结构可以是钻入辐射吸收层311中(例如通过深反应离子蚀刻(DRIE)或激光)并且填充有金属的孔。结构可形成与辐射吸收层311的材料的欧姆接触或肖特基接触。电极304的结构和对电极301的结构可形成叉指图案，但是不应当电短接。电极304的结构的每个可与对电极301的结构的最接近结构间隔短距离(例如20μm、50μm或100μm)，以便使这些结构之间的电场306变为足够强以引起这些结构之间的载流子的雪崩。换言之，图3D中的放大区320是这些结构之间或者结构的尖头附近的区域，其中电场306足够强以引起载流子的雪崩。这些结构可帮助收集从辐射粒子或者通过雪崩所生成的载流子。载流子仅需要漂移到这些结构中的一个而不是辐射吸收层311的表面，由此降低重组或捕集的机会。使载流子被这些结构所收集的时间可以为大约0.1-1ns。
图4示意示出按照实施例、形成设备300的过程。
在步骤1000，得到半导体衬底411。半导体衬底411可包括本征半导体(例如硅)。半导体衬底411可具有充分厚度，并且因而具有对感兴趣入射辐射粒子(例如X射线光子)具有充分吸收率(例如>80％或>90％)。半导体衬底411可具有10微米或以上的厚度。
在步骤1001-步骤1003，半导体衬底411可被掺杂以形成掺杂区412(在步骤1004-步骤1006所示)。掺杂区412可用作图3A-图3C中的辐射吸收层311的掺杂区312。在图4的示例中，要形成的掺杂区412是连续层。在实施例中，半导体衬底411是硅衬底，预期掺杂区412是轻掺杂，并且具有从表面延伸到半导体衬底411的内部区域中数微米的掺杂剂的非零浓度梯度。掺杂剂的浓度可从表面到半导体衬底411的内部区域逐渐降低。
在步骤1001，掩模层402在半导体衬底411的表面上形成。掩模层402可用作屏蔽层，其配置成在掺杂步骤1002阻碍掺杂剂进入半导体衬底411。掩模层402可包括例如二氧化硅等的材料。掩模层402的厚度可按照在步骤1002的掺杂条件以及要形成的掺杂区412的预期掺杂剖面(在步骤1004-步骤1006所示)来确定。掩模层402可通过各种技术(例如热氧化、气相沉积、旋涂、溅射或者任何其他适当过程)来形成到表面上。
在步骤1002，半导体衬底411的表面通过掺杂技术(例如掺杂剂扩散和离子注入)采用适当掺杂剂10来轻掺杂。掺杂剂进入半导体衬底411的速率可通过掩模层402、所掺杂的掺杂剂的剂量和掺杂细节(例如离子注入期间的掺杂剂的能量)来控制。
在步骤1003，所掺杂的半导体衬底411经过退火，以便将掺杂剂驱动到半导体衬底411的内部区域中。掺杂剂在升高温度(例如大约900℃)下扩散到内部区域中。退火时长可延长，以促进掺杂剂到内部区域中的扩散。退火的高温环境还可帮助退火处理掉半导体衬底411的缺陷。
除了控制掺杂和退火条件之外，掺杂(步骤1002)和退火(步骤1003)还可按照重复方式多次执行，以形成具有预期掺杂剖面的掺杂区412。
在实施例中，掺杂区412可包括离散区。掩模层402可具有带有不同厚度的区域的图案。掺杂剂的一部分能够穿透掩模层的较薄区域，并且形成掺杂区412的离散区，而掩模层的较厚区域阻止掺杂剂进入半导体衬底411。
在步骤1004，掩模层402可通过湿式蚀刻、化学机械抛光或者一些其他适当技术被去除。
在步骤1005，电极404可形成到半导体衬底411上。电极404可用作设备300的电极304。电极404可与掺杂区412电接触。在步骤1005的示例中，电极404各自包括延伸到半导体衬底411中的锥形尖头。形成电极404可涉及通过适当技术(例如光刻)在半导体衬底411的表面上形成具有开口的掩模。开口的形状和位置对应于待形成电极404的占用面积形状和位置。预期形状和尺寸的凹口通过蚀刻掩模未覆盖的衬底的部分来形成到半导体衬底411的表面中。蚀刻过程可通过诸如干式蚀刻(例如深反应离子蚀刻)、湿式蚀刻(例如各向异性湿式蚀刻)或者其组合之类的技术来执行。例如金属(例如金、铜、铝、铂等)等的导电材料可通过适当技术(例如物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂、溅射等)来沉积到凹口中，以形成电极404。掩模可被保持，并且用作衬底411的表面的钝化层。在实施例中，掩模可被去除，并且可施加钝化层403，以钝化衬底411的表面。
在可选步骤1006，外电极405可在电极404周围形成。电极405可用作图3C中的外电极305。形成外电极405可涉及与步骤1005相似的掩模形成和金属沉积过程。
在步骤1007，对电极401可在半导体衬底411的另一个表面上形成。对电极401可用作设备300的对电极301。在步骤1007的示例中，对电极401是平面的，并且可通过适当技术(例如气相沉积、溅射等)将导电材料(例如金属)沉积到半导体衬底411的另一表面来形成。
形成设备300可包括一些中间步骤，例如表面清洁、抛光、表面钝化，其在图4中未示出。图4所示步骤的顺序可改变，以适合不同形成需要。
图5示意示出包括作为本文所述设备300的实施例的成像传感器503的系统。该系统包括X射线源501。从X射线源501所发射的X射线穿透对象510(例如钻石、组织样本、人体部位(例如胸腔))，通过对象510的内部结构不同程度地被衰减，并且投射到图像传感器503。图像传感器503通过检测X射线的强度分布来形成图像。该系统可用于医疗成像，例如胸腔X射线照相、腹部X射线照相、牙科X射线照相、乳房X射线照相等。该系统可用于工业CT，例如钻石缺陷检测、扫描树以显现年周期性和细胞结构、在装载之后扫描建筑材料(例如混凝土)等。
图6示意示出X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统。X射线CT系统使用计算机处理X射线来产生被扫描对象的特定区域的断层扫描图像(虚拟“层面”)。断层扫描图像可用于各种医学学科中的诊断和治疗目的或者用于瑕疵检测、故障分析、度量衡、组合件分析和逆向工程。X射线CT系统包括作为本文所述设备300的实施例的图像传感器603以及X射线源601。图像传感器603和X射线源601可配置成沿一个或多个圆形或螺旋路径同步地旋转。
图7示意示出X射线显微镜或X射线微型CT 700。X射线显微镜或X射线微型CT 700可包括X射线源701、聚焦光学器件704以及作为本文所述设备300的实施例的图像传感器703，以用于检测样本702的X射线图像。
图8示意示出按照实施例、适合于激光扫描的系统800。系统800包括激光源810以及作为本文所述设备300的实施例的检测器820。激光源810可配置成生成扫描激光束。扫描激光束可以是红外线。在实施例中，激光源810可无需移动部件而执行二维激光扫描。检测器820可配置成在扫描激光束从物体、大楼或景观弹回之后收集返回激光信号，并且生成电信号。系统800还可包括信号处理系统，其配置成处理和分析检测器820所检测的电信号。在一个实施例中，可得到物体、大楼或景观的距离和形状。系统800可以是Lidar系统(例如车载Lidar)。
图9A示意示出作为示例的辐射检测器900。辐射检测器900具有像素950的阵列。阵列可以是矩形阵列、蜂窝阵列、六边形阵列或者任何其他适当阵列。每个像素950配置成检测来自辐射源的入射到其上的辐射，并且可配置成测量辐射的特性(例如粒子的能量、强度分布)。每个像素950可具有其自己的模数转换器(ADC)，其配置成将代表入射辐射粒子的能量的模拟信号数字化为数字信号，或者将代表多个入射辐射粒子的总能量的模拟信号数字化为数字信号。像素950可配置成并行地操作。例如，当一个像素950测量入射辐射粒子时，另一个像素950可等待辐射粒子到达。像素950可以不必是单独可寻址的。
图9B示意示出按照实施例的辐射检测器900的截面图。辐射检测器900可包括：作为本文所述设备300的实施例的辐射吸收层910；以及电子层920(例如ASIC)，用于处理或分析通过辐射吸收层910内的入射辐射或载流子雪崩所生成的电信号。
电子层920可包括适合于处理或解释电信号的电子系统921。电子系统921可包括模拟电路(例如滤波器网络、放大器、积分器和比较器)或者数字电路(例如微处理器和内存)。电子系统921可包括一个或多个ADC。电子系统921可包括像素所共享的组件或者专用于单个像素的组件。例如，电子系统921可包括专用于每个像素的放大器以及在全部像素之间共享的微处理器。电子系统921可通过通孔931电连接到像素。通孔之间的空间可填充有填充材料930，其可增加电子层920到辐射吸收层910的连接的机械稳定性。将电子系统921连接到像素而没有使用通孔的其他接合技术是可能的。
图10A和图10B各示出按照实施例的电子系统921的组件图。电子系统921可包括第一电压比较器1901、第二电压比较器1902、计数器1920、开关1905、伏特计1906和控制器1910。
第一电压比较器1901配置成将电极904(例如图9B中的电极904中的一个)的电压与第一阈值进行比较。第一电压比较器1901可配置成直接监测电压，或者通过对某个时间段对流经电极的电流求积分来计算电压。第一电压比较器1901可由控制器1910可控地启动或停用。第一电压比较器1901可以是连续比较器。即，第一电压比较器1901可配置成连续被启动，并且连续监测电压。配置为连续比较器的第一电压比较器1901降低系统921错过通过入射辐射粒子直接生成或者通过载流子雪崩所生成的信号的机会。当入射辐射强度较高时，配置为连续比较器的第一电压比较器1901是特别适合的。第一电压比较器1901可以是钟控比较器，其具有更低功率消耗的有益效果。配置为钟控比较器的第一电压比较器1901可能使系统921错过通过一些入射辐射粒子直接生成或者通过载流子雪崩所生成的信号。当入射辐射强度较低时，错过入射辐射粒子的机会较低，因为两个连续辐射粒子之间的时间间隔较长。因此，当入射辐射强度较低时，配置为钟控比较器的第一电压比较器1901是特别适合的。第一阈值可以是一个入射辐射粒子可在辐射吸收层中直接生成或者在通过辐射吸收层中的雪崩所放大之后所生成的最大电压的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射辐射粒子的能量(即，入射辐射的波长)、辐射吸收层910的材料、载流子雪崩的幅值和其他因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器1902配置成将电压与第二阈值进行比较。第二电压比较器1902可配置成直接监测电压，或者通过对某个时间段对流经电极的电流求积分来计算电压。第二电压比较器1902可以是连续比较器。第二电压比较器1902可由控制器1910可控地启动或停用。当停用第二电压比较器1902时，第二电压比较器1902的功率消耗可小于启动第二电压比较器1902时的功率消耗的1％、5％、10％或20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文所使用的术语实数x的“绝对值”或“模量”|x|是x的非负值，而不考虑其符号。即，第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射辐射粒子可在辐射吸收层中直接生成或者在辐射吸收层中放大之后所生成的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器1902和第一电压比较器1910可以是同一组件。即，系统921可具有一个电压比较器，其能够在不同时间将电压与两个不同阈值进行比较。
第一电压比较器1901或者第二电压比较器1902可包括一个或多个运算放大器或者任何其他适当电路。第一电压比较器1901或第二电压比较器1902可具有高速度，以允许系统921在入射辐射粒子的高通量下操作。但是，具有高速度常常以功率消耗为代价。
计数器1920配置成记录到达辐射吸收层的辐射粒子的数量。计数器1920可以是软件组件(例如计算机内存中存储的数值)或硬件组件(例如4017 IC和7490 IC)。
控制器1910可以是硬件组件，例如微控制器或者微处理器。控制器1910配置成从第一电压比较器1901确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从低于第一阈值的绝对值增加到等于或高于第一阈值的绝对值的值)的时间开始时间延迟。在这里使用绝对值，因为电压可以为负或正，这取决于使用哪一个电极。控制器1910可配置成在第一电压比较器1901确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的时间之前保持停用第一电压比较器1901的操作不要求的第二电压比较器1902、计数器1920和任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定、即电压的变化率基本上为零之前或之后到期。词语“电压的变化率基本上为零”表示电压的时间变化小于0.1％/ns。词语“电压的变化率基本上为非零”表示电压的时间变化至少为0.1％/ns。
控制器1910可配置成在该时间延迟期间(包括开始和到期)启动第二电压比较器。在实施例中，控制器1910配置成在时间延迟开始时启动第二电压比较器。术语“启动”表示使组件进入操作状态(例如通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平之类的信号、通过提供电力等)。术语“停用”表示使组件进入非操作状态(例如通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平之类的信号、通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态要高的功率消耗(例如高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器1910本身可停用，直到第一电压比较器1901的输出在电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值时启动控制器1910。
控制器1910可配置成：如果在时间延迟期间，第二电压比较器1902确定电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值时，使计数器1920所记录的数量增加一。
控制器1910可配置成在时间延迟到期时使伏特计1906测量电压。控制器1910可配置成将电极连接到电接地，以便重置电压，并且排放电极上累积的任何载流子。在实施例中，电极在时间延迟到期之后连接到电接地。在实施例中，电极连接到电接地有限复位时间段。控制器1910可通过控制开关1905将电极连接到电接地。开关1905可以是晶体管(例如场效应晶体管(FET))。
在实施例中，系统921没有仿真滤波器网络(例如RC网络)。在实施例中，系统921没有模拟电路。
伏特计1906可将所测量的电压作为仿真或数字信号来馈送给控制器1910。
系统921可包括电容器模块1909，其电连接到电极，其中电容器模块配置成收集来自电极的载流子。电容器模块能够包括放大器的反馈路径中的电容器。这样配置的放大器称作电容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通过阻止放大器饱和而具有高动态范围，并且通过限制信号路径中的带宽来改进信噪比。来自电极的载流子对某个时间段(“积分周期”)(例如，如图11所示，在t0与t1或t1与t2之间)在电容器上累积。在积分周期已经到期之后，电容器电压被取样，并且然后通过复位开关来复位。电容器模块能够包括直接连接到电极的电容器。
图11示意示出辐射吸收层中的入射辐射粒子或载流子雪崩所生成的载流子所引起的流经电极的电流的时间变化(上曲线)以及电极的电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流相对时间的积分。在时间t0，辐射粒子照射辐射吸收层，载流子在辐射吸收层中生成和放大，电流开始流经电极，并且电极的电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器1901确定电压的绝对值等于或超过第一阈值V1的绝对值，以及控制器1910开始时间延迟TD1，并且控制器1910可在TD1开始时停用第一电压比较器1901。如果在t1之前停用控制器1910，则在t1启动控制器1910。在TD1期间，控制器1910启动第二电压比较器1902。如这里所使用的术语在时间延迟“期间”表示开始和到期(即，结束)以及它们之间的任何时间。例如，控制器1910可在TD1到期时启动第二电压比较器1902。如果在TD1期间，第二电压比较器1902确定电压的绝对值在时间t2等于或超过第二阈值的绝对值，则控制器1910使计数器1920所记录的数量增加一。在时间te，辐射粒子所生成的全部载流子漂移出辐射吸收层910。在时间ts，时间延迟TD1到期。在图11的示例中，时间ts在时间te之后，即，TD1在辐射粒子或载流子雪崩所生成的全部载流子漂移出辐射吸收层910之后到期。因此，电压的变化率在ts基本上为零。控制器1910可配置成在TD1到期时或者在t2或者它们之间的任何时间停用第二电压比较器1902。
控制器1910可配置成在时间延迟TD1到期时使伏特计1906测量电压。在实施例中，控制器1910在电压的变化率在时间延迟TD1到期后变成基本上为零之后使伏特计1906测量电压。在这个时刻的电压与辐射粒子所生成或者通过雪崩所放大的载流子量成比例，其与辐射粒子的能量相关。控制器1910可配置成基于伏特计1906所测量的电压来确定辐射粒子的能量。确定能量的一种方式是通过对电压分箱来确定能量。计数器1920可具有每格的子计数器。当控制器1910确定辐射粒子的能量落入格中时，控制器1910可使那一格的子计数器所记录的数量增加一。因此，系统921可以能够检测辐射图像，并且可以能够解析每个辐射粒子的辐射粒子能量。
在TD1到期之后，控制器1910将电极连接到电接地复位期RST，以允许电极上累积的载流子流动到接地，并且重置电压。在RST之后，系统921准备好检测另一个入射辐射粒子。隐含地，系统921能够在图11的示例中所操控的入射辐射粒子的速率通过1/(TD1+RST)来限制。如果第一电压比较器1901已经停用，则控制器1910能够在RST到期之前的任何时间将它启动。如果控制器1910已经停用，则它可在RST到期之前被启动。
虽然X射线在本文中用作辐射的示例，但是本文所公开的设备和方法还可适合于其他辐射(例如红外光)。
虽然本文公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对本领域的技术人员将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是为了便于说明而不是要进行限制，其真实范围和精神通过以下权利要求书来指示。

Claims (34)

1.一种用于辐射检测的设备，包括：
辐射吸收层，配置成在其中从所述辐射吸收层所吸收的辐射粒子来生成载流子；
所述辐射吸收层上的第一电极；
其中所述第一电极的几何结构配置成在所述辐射吸收层的放大区中生成电场，所述电场具有足以引起所述放大区中的所述载流子的雪崩的场强度。
2.如权利要求第1项所述的设备，还包括所述辐射吸收层上的第二电极，所述第二电极与所述第一电极相对。
3.如权利要求第2项所述的设备，其中，所述第二电极配置成收集所述辐射吸收层中的载流子。
4.如权利要求第2项所述的设备，其中，所述第二电极是平面的。
5.如权利要求第2项所述的设备，其中，所述第二电极包括离散区。
6.如权利要求第5项所述的设备，其中，所述第二电极的所述离散区延伸到所述辐射吸收层中。
7.如权利要求第1项所述的设备，其中，所述第一电极包括具有锥形、平截头体、棱镜、金字塔、立方体或圆柱的形状的尖头。
8.如权利要求第1项所述的设备，其中，所述第一电极配置成收集直接从所述辐射粒子或者通过所述雪崩所生成的所述载流子。
9.如权利要求第1项所述的设备，其中，所述第一电极配置成集中所述电场。
10.如权利要求第1项所述的设备，其中，所述第一电极延伸到所述辐射吸收层中。
11.如权利要求第1项所述的设备，还包括外电极，其围绕所述第一电极所布置，并且与所述第一电极电绝缘；其中所述外电极配置成对所述放大区中的所述电场进行整形。
12.如权利要求第11项所述的设备，其中，所述外电极配置成不收集载流子。
13.如权利要求第11项所述的设备，其中，所述外电极包括离散区。
14.如权利要求第1项所述的设备，其中，所述放大区包括掺杂半导体。
15.如权利要求第14项所述的设备，其中，所述掺杂半导体与所述第一电极电接触。
16.如权利要求第14项所述的设备，其中，所述掺杂半导体具有掺杂剂的非零浓度梯度。
17.如权利要求第1项所述的设备，其中，所述辐射吸收层具有10微米或以上的厚度。
18.如权利要求第1项所述的设备，其中，所述辐射吸收层包括硅。
19.如权利要求第1项所述的设备，其中，所述辐射吸收层包括本征半导体区。
20.如权利要求第1项所述的设备，还包括钝化材料，其配置成钝化所述辐射吸收层的表面。
21.一种用于辐射检测的设备，包括：
辐射吸收层，配置成在其中从所述辐射吸收层所吸收的辐射粒子来生成载流子；
所述辐射吸收层上的第一电极，所述第一电极的几何结构配置成引起所述辐射吸收层的放大区中的所述载流子的雪崩。
22.一种适合于激光扫描的系统，所述系统包括：
激光源，配置成生成扫描激光束；
检测器，包括如权利要求第1-21任一项所述的设备，其中所述设备配置成在所述扫描激光束从物体弹回之后收集返回激光信号。
23.如权利要求第22项所述的系统，其中，所述检测器还包括信号处理系统，其配置成处理和分析所述检测器所检测的所述返回激光信号。
24.一种用于形成图像的系统，包括：
如权利要求第1-21任一项所述的设备；
X射线源；
其中所述系统配置成使得所述设备使用来自所述X射线源的穿透对象的X射线来形成所述对象的图像。
25.如权利要求第24项所述的系统，其中，X射线源生成软X射线光子。
26.如权利要求第24项所述的系统，其中，所述设备的所述辐射吸收层对软X射线具有至少80％的吸收率。
27.如权利要求第24项所述的系统，其中，所述系统配置成进行胸腔X射线照相、腹部X射线照相、牙科X射线照相或乳房X
射线照相。
28.如权利要求第24项所述的系统，其中，所述系统配置成进行计算机断层扫描。
29.如权利要求第24项所述的系统，其中，所述系统是显微镜。
30.一种检测器，包括：
如权利要求第1-21任一项所述的设备；
电子层，其被接合到所述设备，所述电子层包括电子系统，其配置成处理所述设备中生成的电信号。
31.如权利要求第30项所述的检测器，其中，所述电子系统包括：电压比较器，配置成将所述设备的所述第一电极的电压与第一阈值进行比较；计数器，配置成记录所述设备所吸收的辐射粒子的数量；控制器；伏特计；
其中所述控制器配置成从所述电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值的时间开始时间延迟；
其中所述控制器配置成在所述时间延迟到期时使所述伏特计测量所述电压；
其中所述控制器配置成通过将所述伏特计所测量的所述电压除以单个辐射粒子对所述第一电极所引起的电压来确定辐射粒子的数量；
其中所述控制器配置成使所述计数器所记录的所述数值增加，所增加的幅度为辐射粒子的数量。
32.如权利要求第31项所述的检测器，其中，所述电子系统还包括电容器模块，其电连接到所述第一电极，其中所述电容器模块配置成收集来自所述第一电极的载流子。
33.如权利要求第31项所述的检测器，其中，所述控制器配置成将所述第一电极连接到电接地。
34.如权利要求第31项所述的检测器，其中，所述控制器配置成在所述时间延迟开始时停用所述电压比较器。
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