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TWI810215B - 適合於輻射檢測的設備及相關的系統及檢測器 - Google Patents

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TWI810215B
TWI810215B TW107138217A TW107138217A TWI810215B TW I810215 B TWI810215 B TW I810215B TW 107138217 A TW107138217 A TW 107138217A TW 107138217 A TW107138217 A TW 107138217A TW I810215 B TWI810215 B TW I810215B
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劉雨潤
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Abstract

本文所公開的是一種適合於輻射檢測的設備。該設備可包括輻射吸收層以及輻射吸收層上的第一電極。輻射吸收層可配置成在其中從輻射吸收層所吸收的輻射微粒來生成載荷子。第一電極可配置成在輻射吸收層中生成電場。第一電極可具有一種幾何結構，其對電場進行整形，使得輻射吸收層的放大區中的電場具有足以引起放大區中的載荷子的雪崩的場強度。

Description

適合於輻射檢測的設備及相關的系統及檢測器
本文的本公開涉及圖像感測器，具體來說涉及基於載荷子雪崩的圖像感測器。
圖像感測器或成像感測器是一種感測器，其能夠檢測輻射的空間強度分佈。圖像感測器通常通過電信號來表示所檢測圖像。基於半導體裝置的圖像感測器可分類為若干類型，包括半導體電荷耦合裝置(CCD)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)、N型金屬氧化物半導體(NMOS)。CMOS圖像感測器是一種類型的有源像素感測器，其使用CMOS半導體過程來製成。入射到CMOS圖像感測器中的像素上的光被轉換為電壓。電壓被數位化為離散值，其表示入射到那個像素上的光的強度。有源像素感測器(APS)是一種圖像感測器，其包括具有光電檢測器和有源放大器的像素。CCD圖像感測器包括像素中的電容器。當光入射到像素上時，光生成電荷，以及電荷存儲在電容器上。所存儲電荷被轉換成電壓，並且電壓被數位化為離散值，其表示入射到那個像素上的光的強度。
本文所公開的是一種設備，包括：輻射吸收層，配置成在其中從輻射吸收層所吸收的輻射微粒來生成載荷子；輻射吸收層上的第一電極；其中第一電極的幾何結構配置成在輻射吸收層的放大區中生成電場，電場具有足以引起放大區中的載荷子的雪崩的場強度。
按照實施例，該設備還包括輻射吸收層上的第二電極，第二電極與第一電極相對。
按照實施例，第二電極配置成收集輻射吸收層中的載荷子。
按照實施例，第二電極是平面的。
按照實施例，第二電極包括分立區。
按照實施例，第二電極的分立區延伸到輻射吸收層中。
按照實施例，第一電極包括具有錐形、平截頭體、棱鏡、金字塔、立方體或圓柱的形狀的尖頭。
按照實施例，第一電極配置成收集直接從輻射微粒或者通過載荷子的雪崩所生成的載荷子。
按照實施例，第一電極配置成集中電場。
按照實施例，第一電極延伸到輻射吸收層中。
按照實施例，該設備還包括外電極，其圍繞第一電極所佈置，並且與第一電極電絕緣；其中外電極配置成對放大區中的電場進行整形。
按照實施例，外電極配置成不收集載荷子。
按照實施例，外電極包括分立區。
按照實施例，放大區包括摻雜半導體。
按照實施例，摻雜半導體與第一電極電接觸。
按照實施例，摻雜半導體具有摻雜劑的非零濃度梯度。
按照實施例，輻射吸收層具有10微米或以上的厚度。
按照實施例，輻射吸收層包括矽。
按照實施例，輻射吸收層包括本征半導體區。
按照實施例，該設備還包括鈍化材料，其配置成鈍化輻射吸收層的表面。
本文所公開的是一種設備，包括：輻射吸收層，配置成在其中從輻射吸收層所吸收的輻射微粒來生成載荷子；輻射吸收層上的第一電極，第一電極的幾何結構配置成引起輻射吸收層的放大區中的載荷子的雪崩。
本文所公開的是一種方法，包括：通過採用摻雜劑摻雜半導體襯底的表面來形成半導體襯底的摻雜區；通過對半導體襯底進行退火將摻雜劑驅動到半導體襯底中；通過重複對半導體襯底進行摻雜和退火來控制摻雜區的摻雜剖面。
按照實施例，半導體襯底包括矽。
按照實施例，摻雜區具有摻雜劑的非零濃度梯度。
按照實施例，摻雜通過摻雜劑擴散或離子注入進行。
按照實施例，該方法還包括在摻雜襯底之前在半導體襯底的表面上形成遮罩層，其中遮罩層配置成推遲摻雜劑進入半導體襯底。
按照實施例，遮罩層包括二氧化矽。
按照實施例，該方法還包括在半導體襯底上形成第一電極，其中第一電極與摻雜區電接觸。
按照實施例，第一電極包括具有錐形、平截頭體、棱鏡、金字塔、立方體或圓柱的形狀的尖頭。
按照實施例，第一電極延伸到半導體襯底中。
按照實施例，該方法還包括形成圍繞第一電極所佈置的外電極，其中外電極與第一電極電絕緣。
按照實施例，外電極包括分立區。
按照實施例，該方法還包括在半導體襯底上形成第二電極，其中第二電極與第一電極相對。
按照實施例，第二電極是平面的。
按照實施例，第二電極包括分立區。
按照實施例，第二電極的分立區延伸到半導體襯底中。
本文所公開的是一種適合於鐳射掃描的系統，該系統包括：鐳射源，配置成生成掃描雷射光束；檢測器，包括以上所公開設備的任一個的設備，其中設備配置成在掃描雷射光束從對象彈回之後收集返回鐳射信號。
按照實施例，檢測器還包括信號處理系統，其配置成處理和分析檢測器所檢測的返回鐳射信號。
本文所公開的是一種系統，包括：以上所公開設備的任一個的設備；X射線源；其中該系統配置成使得設備使用來自X射線源的X射線(其穿透對象)來形成對象的圖像。
按照實施例，X射線源生成軟X射線光子。
按照實施例，設備的輻射吸收層對軟X射線具有至少80%的吸收率。
按照實施例，該系統配置成進行胸腔X射線照相、腹部X射線照相、牙科X射線照相或乳房X射線照相。
按照實施例，該系統配置成進行計算電腦斷層掃描。
按照實施例，該系統是顯微鏡。
本文所公開的是一種檢測器，包括：以上所公開設備的任一個的設備；電子層，接合到設備，電子層包括電子系統，其配置成處理設備中生成的電信號。
按照實施例，電子系統包括：電壓比較器，配置成將設備的第一電極的電壓與第一閾值進行比較；計數器，配置成記錄設備所吸收的輻射微粒的數量；控制器；伏特計；其中，控制器配置成從電壓比較器確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值的時間開始時間延遲；其中控制器配置成在時間延遲到期時使伏特計測量電壓；控制器配置成通過將伏特計所測量的電壓除以單個輻 射微粒對第一電極所引起的電壓來確定輻射微粒的數量；控制器配置成使計數器所記錄的數量增加輻射微粒的數量。
按照實施例，電子系統還包括電容器模組，其電連接到第一電極，其中電容器模組配置成收集來自第一電極的載荷子。
按照實施例，控制器配置成將第一電極連接到電接地。
按照實施例，控制器配置成在時間延遲開始時停用電壓比較器。
10:摻雜劑
111:入射到APD上的光的強度的函數
112:入射到APD上的光的強度的函數
210:吸收區
220:放大區
300:設備
301:對電極
303:鈍化材料
304:電極
305:外電極
306:電場
311:輻射吸收層
312:摻雜區
320:放大區
330:佔用面積
401:對電極
402:掩模層
403:鈍化層
404:電極
405:外電極
411:半導體襯底
412:摻雜區
501:X射線源
503:成像感測器
510:對象
601:X射線源
603:圖像感測器
700:X射線微型CT
701:X射線源
702:樣本
703:圖像感測器
704:聚焦光學器件
800:系統
810:鐳射源
820:檢測器
900:輻射檢測器
904:電極
910:輻射吸收層
920:電子層
921:電子系統
930:填充材料
931:通孔
950:像素
1000:步驟
1001:步驟
1002:步驟
1003:步驟
1004:步驟
1005:步驟
1006:步驟
1007:步驟
1901:第一電壓比較器
1902:第二電壓比較器
1905:開關
1906:伏特計
1909:電容器模組
1910:控制器
1920:計數器
RST:復位期
t0、t1、t2、te、ts:時間
TD1:時間延遲
V1:第一閾值
V2:第二閾值
圖1示意示出當APD處於線性模式時作為入射到APD上的光的強度的函數以及當APD處於蓋革模式時作為入射到APD上的光的強度的函數的APD中的電流。
圖2A、圖2B和圖2C示意示出按照實施例的APD的操作。
圖3A示意示出按照實施例、適合於輻射檢測的設備的截面圖。
圖3B示出按照實施例的設備的變體。
圖3C示出按照實施例的設備的變體。
圖3D示出按照實施例的設備的變體。
圖4示意示出按照實施例、形成設備的過程。
圖5示意示出包括作為本文所述設備的實施例的成像感測器的系統。
圖6示意示出X射線電腦斷層掃描(x射線CT)系統。
圖7示意示出X射線顯微鏡或X射線微型CT 700。
圖8示意示出按照實施例、適合於鐳射掃描的系統。
圖9A示意示出作為示例的輻射檢測器。
圖9B示意示出按照實施例的輻射檢測器的截面圖。
圖10A和圖10B各示出按照實施例的電子系統的組件圖。
圖11示意示出輻射吸收層中的入射輻射微粒或載荷子雪崩所生成的載荷子所引起的流經電極的電流的時間變化(上曲線)以及電極的電壓的對應時間變化(下曲線)。
載荷子雪崩是一種過程，其中材料中的自由載荷子經受電場的強加速，並且隨後與材料的其他原子碰撞，由此將它們電離(碰撞電離)，並且釋放附加載荷子，其進行加速並且與其他原子碰撞，從而釋放更多載荷子-鏈式反應。碰撞電離是材料中的一種過程，通過其，高能載荷子能夠通過其他載荷子的創建而失去能量。例如，在半導體中，具有足夠動能的電子(或空穴)能夠將束縛電子撞出其束縛態(在價帶中)，並且將它促進到導帶中的狀態，從而創建電子-空穴對。使用載荷子雪崩的電子裝置的一個示例是雪崩光電二極體(APD)，其在暴露於光時使用載荷子雪崩來生成電流。APD將用作描述載荷子雪崩的示例，但是本描述可適用於使用載荷子雪崩的其他電子裝置。
APD可工作在蓋革模式或線性模式。當APD工作在蓋革模式時，它可稱作單光子雪崩二極體(SPAD)(又稱作蓋革模式APD或G-APD)。SPAD是工作在高於擊穿電壓的反偏壓下的APD。在這裏，詞語“高於”表示反偏壓的絕對值大於擊穿電壓的絕對值。SPAD可用來檢測低強度光(例如低至單光子)，並且發信號通知關於具有數十微微秒的抖動的光子的到達時間。SAPD可採取高於p-n結的擊穿電壓的反偏壓下的p-n結的形式(即，p-n結的p型區在比n型區要低的電位下偏壓)。p-n結的擊穿電壓是反偏壓，高於其，p-n結中的電流的指數增加發生。 工作在低於擊穿電壓的反偏壓的APD工作線上性模式，因為APD中的電流與入射到APD上的光的強度成比例。
圖1示意示出當APD處於線性模式時作為入射到APD上的光的強度的函數112以及當APD處於蓋革模式時(即，當APD為SPAD時)作為入射到APD上的光的強度的函數111的APD中的電流。在蓋革模式，電流呈現隨光的強度的超急劇增加和後續飽和。線上性模式，電流與光的強度基本上成比例。
圖2A、圖2B和圖2C示意示出按照實施例的APD的操作。圖2A示出，當輻射微粒(例如X射線光子)由吸收區210來吸收時，可生成一個或多個(對於X射線光子為100至10000個)電子-空穴對。吸收區210具有充分厚度並且因而具有對入射光子的充分吸收率(例如>80%或者>90%)。對於軟X射線光子，吸收區210可以是厚度為10微米或以上的矽層。吸收區210中的電場不是足夠高以引起吸收區210中的雪崩效應。圖2B示出電子和空穴在吸收區210中沿相反方向漂移。圖2C示出，當電子(或空穴)進入放大區220時，雪崩效應在那個放大區220中發生，由此生成更多電子和空穴。放大區220中的電場足夠高以引起進入放大區220的載荷子的雪崩，但不是過高以使雪崩效應是自持的。自持雪崩是一種雪崩，其在外部觸發(例如入射到APD上的輻射微粒或者漂移到APD中的載荷子)消失之後持續存在。放大區220中的電場可以是放大區220中的摻雜剖面或者放大區220的結構的結果。例如，放大區220可包括p-n結或者其耗盡區中具有電場的異質結。雪崩效應的閾值電場(即，一種電場，高於其，雪崩發生，而低於其，雪崩效應不發生)是放大區220的材料的性質。放大區220可處於吸收區210的一側或兩個相對側。
圖3A示意示出按照實施例、適合於輻射檢測的設備300的截面圖。設備300可包括輻射吸收層311以及輻射吸收層311上的一個或多個電極304。輻射吸收 層311可配置成在其中從輻射吸收層311所吸收的輻射微粒來生成載荷子。一個或多個電極304可配置成在輻射吸收層311中生成電場306。一個或多個電極304的每個可具有一種幾何結構(例如小錐形尖頭)，其對電場306進行整形，使得輻射吸收層311的一個或多個部分(即，一個或多個放大區320)中的電場306具有足以引起一個或多個放大區320中的載荷子(例如電子或空穴)的雪崩的場強度。通過雪崩或者直接從輻射微粒所生成的載荷子漂移到一個或多個電極304或不同電極並且由其來收集。設備300還可包括鈍化材料303，其配置成鈍化輻射吸收層311的表面，以降低表面的載荷子的重組。設備300還可包括輻射吸收層311上的對電極301，對電極301與一個或多個電極304相對。對電極301可配置成收集輻射吸收層311中的載荷子。
輻射吸收層311可包括半導體材料(例如矽)。輻射吸收層311可具有充分厚度，並且因而具有對感興趣入射輻射微粒(例如X射線光子)具有充分吸收率(例如>80%或>90%)。輻射吸收層311可具有10微米或以上的厚度。
在實施例中，輻射吸收層311可以是本征半導體。在實施例中，輻射吸收層311可包括摻雜區312，其採用摻雜劑來輕摻雜。當半導體包含足夠小以使得費米能級的摻雜劑的電子狀態被定域(即，摻雜劑的能帶可能沒有與半導體的導帶或價帶重疊)的摻雜劑與半導體原子的比例時，半導體被認為是輕摻雜的。例如，輕摻雜矽可具有大約1/1011的摻雜劑與矽原子的比率。摻雜區312可從表面延伸到輻射吸收層311的內部區域中數微米，並且可具有摻雜劑的非零濃度梯度。在圖3A-圖3C的示例中，摻雜劑的濃度從表面到輻射吸收層311的內部區域逐漸降低。摻雜區312可與電極304電接觸。在實施例中，摻雜區312可包括分立區，其各自圍繞電極304之一。
一個或多個電極304可包括導電材料，例如金屬(例如金、銅、鋁、鉑等)或者任何其他適當導電材料(例如重摻雜半導體)。一個或多個電極304可具有小尺寸或適當形狀，使得集中一個或多個電極304附近的電場306。例如，一個或多個電極304可包括具有錐形、平截頭體、棱鏡、金字塔、立方體或圓柱等的形狀的尖頭。在圖3A的示例中，尖頭是平坦和圓柱形。圖3A中的電極304的平坦尖頭各自具有與輻射吸收層311的接觸面積，其足夠小以使尖頭附近的電場306變為足夠強以引起尖頭附近的載荷子的雪崩。換言之，電場306的強度在接近電極304時增加，以及圖3A中的放大區320是圍繞電極304的尖頭的區域，其中電場306足夠強以引起載荷子的雪崩。在實施例中，一個或多個放大區320分別對應於一個或多個電極304。與一個電極304對應的放大區320可以沒有與對應於另一個電極304的另一個放大區320結合。在實施例中，電場306不是足夠強以引起自持雪崩；即，放大區320中的電場306應當在輻射吸收層311中存在入射輻射微粒時引起雪崩，但是雪崩在輻射吸收層311中沒有其他入射輻射微粒的情況下應當停止。
當輻射照射X射線吸收層311時，它可被吸收，並且通過多個機制來生成一個或多個載荷子。輻射的微粒可生成10至100000個載荷子。一種類型(電子或空穴)的載荷子朝放大區320漂移。載荷子可沿多個方向漂移，使得電極304之一的佔用面積330周圍入射的輻射微粒所生成的基本上全部(超過98%、超過99.5%、超過99.9%或者超過99.99%的)載荷子流動到與電極304對應的放大區320。即，這些載荷子的不到2%、不到0.5%、不到0.1%或者不到0.01%流動到與電極304對應的放大區320之外。當載荷子進入放大區320時，雪崩效應發生，並且引起載荷子的放大。放大載荷子能夠經過對應電極304作為電流來收集。線上性模式，電流與每單位時間的電極304的佔用面積330周圍的入射輻射微粒 的數量成比例(即，與輻射強度成比例)。可編制電極304處的電流，以表示輻射的空間強度分佈、即圖像。
圖3B示出按照實施例的設備300的變體，其中電極304可延伸到輻射吸收層311中。延伸到輻射吸收層311中的電極304的每個的部分可具有小尺寸或適當形狀，使得集中該部分附近的電場306。例如，該部分可包括具有錐形、平截頭體、棱鏡、金字塔、立方體或圓柱等的形狀的尖頭。在圖3B的示例中，尖頭為錐形，並且錐形尖頭附近的電場306變為足夠強以引起尖頭附近的載荷子的雪崩。換言之，電場306的強度在接近電極304的部分時增加，以及圖3B中的放大區320是圍繞部分的區域，其中電場306足夠強以引起載荷子的雪崩。
圖3C示出按照實施例的設備300的變體，其中設備300還可包括一個或多個外電極305。一個或多個外電極305分別對應於一個或多個電極304並且位於其周圍。外電極305與電極304電絕緣。例如，絕緣區(例如鈍化材料303的一部分)可存在於外電極305與其對應電極304之間。
在圖3C的示例中，外電極305及其對應電極304是共軸的。外電極305可包括導電材料，例如金屬(例如金、銅、鋁、鉑等)或者任何其他適當導電材料(例如重摻雜半導體)。
外電極305可配置成對於與外電極305對應的電極304的放大區320中的電場306進行整形，並且外電極305可配置成不收集載荷子。例如，電場306(例如其強度、梯度)可通過引入外電極305與其對應電極304之間的電壓差來調諧。在實施例中，外電極305可具有與對電極301相同的電壓。在實施例中，外電極305可以不一定是如圖3C所示的環形，而能夠具有分立部分。
在實施例中，對電極301可以是平面的，如圖3A-圖3C所示。對電極301可包括分立區。
在如圖3D所示的實施例中，對電極301各自可具有與電極304之一相似的幾何結構，並且可延伸到輻射吸收層311中。載荷子的雪崩也可在對電極301的分立區附近的區域中發生。對電極301可包括導電材料，例如金屬(例如金、銅、鋁、鉑等)或者任何其他適當導電材料(例如重摻雜半導體)。
在圖3D的示例中，電極304和對電極301具有延伸到輻射吸收層311中的結構。例如，結構可以是鑽入輻射吸收層311中(例如通過深反應離子蝕刻(DRIE)或鐳射)並且填充有金屬的孔。結構可形成與輻射吸收層311的材料的歐姆接觸或肖特基接觸。電極304的結構和對電極301的結構可形成叉指圖案，但是不應當電短接。電極304的結構的每個可與對電極301的結構的最接近結構間隔短距離(例如20μm、50μm或100μm)，以便使這些結構之間的電場306變為足夠強以引起這些結構之間的載荷子的雪崩。換言之，圖3D中的放大區320是這些結構之間或者結構的尖頭附近的區域，其中電場306足夠強以引起載荷子的雪崩。這些結構可幫助收集從輻射微粒或者通過雪崩所生成的載荷子。載荷子僅需要漂移到這些結構之一而不是輻射吸收層311的表面，由此降低重組或捕集的機會。使載荷子被這些結構所收集的時間可以為大約0.1-1ns。
圖4示意示出按照實施例、形成設備300的過程。
在步驟1000，得到半導體襯底411。半導體襯底411可包括本征半導體(例如矽)。半導體襯底411可具有充分厚度，並且因而具有對感興趣入射輻射微粒(例如X射線光子)具有充分吸收率(例如>80%或>90%)。半導體襯底411可具有10微米或以上的厚度。
在步驟1001-步驟1003，半導體襯底411可被摻雜以形成摻雜區412(在步驟1004-步驟1006所示)。摻雜區412可用作圖3A-圖3C中的輻射吸收層311的摻雜區312。在圖4的示例中，要形成的摻雜區412是連續層。在實施例中，半導 體襯底411是矽襯底，預期摻雜區412是輕摻雜，並且具有從表面延伸到半導體襯底411的內部區域中數微米的摻雜劑的非零濃度梯度。摻雜劑的濃度可從表面到半導體襯底411的內部區域逐漸降低。
在步驟1001，掩模層402在半導體襯底411的表面上形成。掩模層402可用作遮罩層，其配置成在摻雜步驟1002推遲摻雜劑進入半導體襯底411。掩模層402可包括例如二氧化矽等的材料。掩模層402的厚度可按照在步驟1002的摻雜條件以及要形成的摻雜區412的預期摻雜剖面(在步驟1004-步驟1006所示)來確定。掩模層402可通過各種技術(例如熱氧化、氣相沉積、旋塗、濺射或者任何其他適當過程)來形成到表面上。
在步驟1002，半導體襯底411的表面通過摻雜技術(例如摻雜劑擴散和離子注入)採用適當摻雜劑10來輕摻雜。摻雜劑進入半導體襯底411的速率可通過掩模層402、所摻雜的摻雜劑的劑量和摻雜細節(例如離子注入期間的摻雜劑的能量)來控制。
在步驟1003，所摻雜的半導體襯底411經過退火，以便將摻雜劑驅動到半導體襯底411的內部區域中。摻雜劑在升高溫度(例如大約900℃)下擴散到內部區域中。退火時長可延長，以促進摻雜劑到內部區域中的擴散。退火的高溫環境還可幫助退火處理掉半導體襯底411的缺陷。
除了控制摻雜和退火條件之外，摻雜(步驟1002)和退火(步驟1003)還可按照重複方式多次執行，以形成具有預期摻雜剖面的摻雜區412。
在實施例中，摻雜區412可包括分立區。掩模層402可具有帶有不同厚度的區域的圖案。摻雜劑的一部分能夠穿透掩模層的較薄區域，並且形成摻雜區412的分立區，而掩模層的較厚區域阻止摻雜劑進入半導體襯底411。
在步驟1004，掩模層402可通過濕式蝕刻、化學機械拋光或者一些其他適當技術被去除。
在步驟1005，電極404可形成到半導體襯底411上。電極404可用作設備300的電極304。電極404可與摻雜區412電接觸。在步驟1005的示例中，電極404各自包括延伸到半導體襯底411中的錐形尖頭。形成電極404可涉及通過適當技術(例如光刻)在半導體襯底411的表面上形成具有開口的掩模。開口的形狀和位置對應於待形成電極404的佔用面積形狀和位置。預期形狀和尺寸的凹口通過蝕刻掩模未覆蓋的襯底的部分來形成到半導體襯底411的表面中。蝕刻過程可通過諸如幹式蝕刻(例如深反應離子蝕刻)、濕式蝕刻(例如各向異性濕式蝕刻)或者其組合之類的技術來執行。例如金屬(例如金、銅、鋁、鉑等)等的導電材料可通過適當技術(例如物理氣相沉積、化學氣相沉積、旋塗、濺射等)來沉積到凹口中，以形成電極404。掩模可被保持，並且用作襯底411的表面的鈍化層。在實施例中，掩模可被去除，並且可施加鈍化層403，以鈍化襯底411的表面。
在可選步驟1006，外電極405可在電極404周圍形成。電極405可用作圖3C中的外電極305。形成外電極405可涉及與步驟1005相似的掩模形成和金屬沉積過程。
在步驟1007，對電極401可在半導體襯底411的另一個表面上形成。對電極401可用作設備300的對電極301。在步驟1007的示例中，對電極401是平面的，並且可通過適當技術(例如氣相沉積、濺射等)將導電材料(例如金屬)沉積到半導體襯底411的另一表面來形成。
形成設備300可包括一些中間步驟，例如表面清潔、拋光、表面鈍化，其在圖4中未示出。圖4所示步驟的順序可改變，以適合不同形成需要。
圖5示意示出包括作為本文所述設備300的實施例的成像感測器503的系統。該系統包括X射線源501。從X射線源501所發射的X射線穿透對象510(例如鑽石、組織樣本、人體部位(例如胸腔))，通過對象510的內部結構不同程度地被衰減，並且投射到圖像感測器503。圖像感測器503通過檢測X射線的強度分佈來形成圖像。該系統可用於醫療成像，例如胸腔X射線照相、腹部X射線照相、牙科X射線照相、乳房X射線照相等。該系統可用於工業CT，例如鑽石缺陷檢測、掃描樹以顯現年週期性和細胞結構、在裝載之後掃描建築材料(例如混凝土)等。
圖6示意示出X射線電腦斷層掃描(x射線CT)系統。X射線CT系統使用電腦處理X射線來產生被掃描對象的特定區域的斷層掃描圖像(虛擬“層面”)。斷層掃描圖像可用於各種醫學學科中的診斷和治療目的或者用於瑕疵檢測、故障分析、度量衡、組合件分析和逆向工程。X射線CT系統包括作為本文所述設備300的實施例的圖像感測器603以及X射線源601。圖像感測器603和X射線源601可配置成沿一個或多個圓形或螺旋路徑同步地旋轉。
圖7示意示出X射線顯微鏡或X射線微型CT 700。X射線顯微鏡或X射線微型CT 700可包括X射線源701、聚焦光學器件704以及作為本文所述設備300的實施例的圖像感測器703，以用於檢測樣本702的X射線圖像。
圖8示意示出按照實施例、適合於鐳射掃描的系統800。系統800包括鐳射源810以及作為本文所述設備300的實施例的檢測器820。鐳射源810可配置成生成掃描雷射光束。掃描雷射光束可以是紅外線。在實施例中，鐳射源810可無需移動部件而執行二維鐳射掃描。檢測器820可配置成在掃描雷射光束從物體、大樓或景觀彈回之後收集返回鐳射信號，並且生成電信號。系統800還可包括信號處理系統，其配置成處理和分析檢測器820所檢測的電信號。在一個 實施例中，可得到物體、大樓或景觀的距離和形狀。系統800可以是Lidar系統(例如車載Lidar)。
圖9A示意示出作為示例的輻射檢測器900。輻射檢測器900具有像素950的陣列。陣列可以是矩形陣列、蜂窩陣列、六邊形陣列或者任何其他適當陣列。每個像素950配置成檢測來自輻射源的入射到其上的輻射，並且可配置成測量輻射的特性(例如微粒的能量、強度分佈)。每個像素950可具有其自己的模數轉換器(ADC)，其配置成數字化表示進入數字信號的入射輻射微粒的能量的模擬信號，或者數位化表示進入數字信號的多個入射輻射微粒的總能量的模擬信號。像素950可配置成並行地操作。例如，當一個像素950測量入射輻射微粒時，另一個像素950可等待輻射微粒到達。像素950可以不必是單獨可尋址的。
圖9B示意示出按照實施例的輻射檢測器900的截面圖。輻射檢測器900可包括：作為本文所述設備300的實施例的輻射吸收層910；以及電子層920(例如ASIC)，用於處理或分析通過輻射吸收層910內的入射輻射或載荷子雪崩所生成的電信號。
電子層920可包括適合於處理或解釋電信號的電子系統921。電子系統921可包括模擬電路(例如濾波器網路、放大器、積分器和比較器)或者數字電路(例如微處理器和記憶體)。電子系統921可包括一個或多個ADC。電子系統921可包括像素所共用的組件或者專用於單個像素的組件。例如，電子系統921可包括專用於每個像素的放大器以及在全部像素之間共用的微處理器。電子系統921可通過通孔931電連接到像素。通孔之間的空間可填充有填充材料930，其可增加電子層920到輻射吸收層910的連接的機械穩定性。將電子系統921連接到像素而沒有使用通孔的其他接合技術是可能的。
圖10A和圖10B各示出按照實施例的電子系統921的組件圖。電子系統921可包括第一電壓比較器1901、第二電壓比較器1902、計數器1920、開關1905、伏特計1906和控制器1910。
第一電壓比較器1901配置成將電極904(例如圖9B中的電極904之一)的電壓與第一閾值進行比較。第一電壓比較器1901可配置成直接監測電壓，或者通過對某個時間週期對流經電極的電流求積分來計算電壓。第一電壓比較器1901可由控制器1910可控地啟動或停用。第一電壓比較器1901可以是連續比較器。即，第一電壓比較器1901可配置成連續被啟動，並且連續監測電壓。配置為連續比較器的第一電壓比較器1901降低系統921缺失通過入射輻射微粒直接生成或者通過載荷子雪崩所生成的信號的機會。當入射輻射強度較高時，配置為連續比較器的第一電壓比較器1901是特別適合的。第一電壓比較器1901可以是定時比較器，其具有更低功率消耗的有益效果。配置為定時比較器的第一電壓比較器1901可能使系統921缺失通過一些入射輻射微粒直接生成或者通過載荷子雪崩所生成的信號。當入射輻射強度較低時，缺失入射輻射微粒的機會較低，因為兩個連續輻射微粒之間的時間間隔較長。因此，當入射輻射強度較低時，配置為定時比較器的第一電壓比較器1901是特別適合的。第一閾值可以是一個入射輻射微粒可在輻射吸收層中直接生成或者在通過輻射吸收層中的雪崩所放大之後所生成的最大電壓的5-10%、10%-20%、20-30%、30-40%或40-50%。最大電壓可取決於入射輻射微粒的能量(即，入射輻射的波長)、輻射吸收層910的材料、載荷子雪崩的幅值和其他因素。例如，第一閾值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二電壓比較器1902配置成將電壓與第二閾值進行比較。第二電壓比較器1902可配置成直接監測電壓，或者通過對某個時間週期對流經電極的電流求積 分來計算電壓。第二電壓比較器1902可以是連續比較器。第二電壓比較器1902可由控制器1910可控地啟動或停用。當停用第二電壓比較器1902時，第二電壓比較器1902的功率消耗可小於啟動第二電壓比較器1902時的功率消耗的1%、5%、10%或20%。第二閾值的絕對值大於第一閾值的絕對值。如本文所使用的術語實數x的“絕對值”或“模量”|x|是x的非負值，而不考慮其符號。即，
Figure 107138217-A0305-02-0019-1
。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微粒可在輻射吸收層中直接生成或者在輻射吸收層中放大之後所生成的最大電壓的至少50%。例如，第二閾值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二電壓比較器1902和第一電壓比較器1910可以是同一組件。即，系統921可具有一個電壓比較器，其能夠在不同時間將電壓與兩個不同閾值進行比較。
第一電壓比較器1901或者第二電壓比較器1902可包括一個或多個op-amp或者任何其他適當電路。第一電壓比較器1901或第二電壓比較器1902可具有高速度，以允許系統921在入射輻射微粒的高通量下操作。但是，具有高速度常常以功率消耗為代價。
計數器1920配置成記錄到達輻射吸收層的輻射微粒的數量。計數器1920可以是軟體組件(例如電腦記憶體中存儲的數值)或硬體組件(例如4017 IC和7490 IC)。
控制器1910可以是硬體組件，例如微控制器或者微處理器。控制器1910配置成從第一電壓比較器1901確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值(例如，電壓的絕對值從低於第一閾值的絕對值增加到等於或高於第一閾值的絕對值的值)的時間開始時間延遲。在這裏使用絕對值，因為電壓可以為負或正， 這取決於使用哪一個電極。控制器1910可配置成在第一電壓比較器1901確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值的時間之前保持停用第一電壓比較器1901的操作不要求的第二電壓比較器1902、計數器1920和任何其他電路。時間延遲可在電壓變穩定、即電壓的變化率基本上為零之前或之後到期。詞語“電壓的變化率基本上為零”表示電壓的時間變化小於0.1%/ns。詞語“電壓的變化率基本上為非零”表示電壓的時間變化至少為0.1%/ns。
控制器1910可配置成在該時間延遲期間(包括開始和到期)啟動第二電壓比較器。在實施例中，控制器1910配置成在時間延遲開始時啟動第二電壓比較器。術語“啟動”表示使組件進入操作狀態(例如通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平之類的信號、通過提供電力等)。術語“停用”表示使組件進入非操作狀態(例如通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平之類的信號、通過切斷電力等)。操作狀態可具有比非操作狀態要高的功率消耗(例如高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器1910本身可停用，直到第一電壓比較器1901的輸出在電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值時啟動控制器1910。
控制器1910可配置成在時間延遲期間、第二電壓比較器1902確定電壓的絕對值等於或超過第二閾值的絕對值時，使計數器1920所記錄的數量增加一。
控制器1910可配置成在時間延遲到期時使伏特計1906測量電壓。控制器1910可配置成將電極連接到電接地，以便重置電壓，並且排放電極上累積的任何載荷子。在實施例中，電極在時間延遲到期之後連接到電接地。在實施例中，電極對有限重置時間週期連接到電接地。控制器1910可通過控制開關1905將電極連接到電接地。開關1905可以是電晶體(例如場效應電晶體(FET))。
在實施例中，系統921沒有模擬濾波器網路(例如RC網路)。在實施例中，系統921沒有模擬電路。
伏特計1906可將所測量的電壓作為模擬或數字信號來饋送給控制器1910。
系統921可包括電容器模組1909，其電連接到電極，其中電容器模組配置成收集來自電極的載荷子。電容器模組能夠包括放大器的回饋路徑中的電容器。這樣配置的放大器稱作電容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通過阻止放大器飽和而具有高動態範圍，並且通過限制信號路徑中的帶寬來改進信噪比。來自電極的載荷子對某個時間週期(“積分週期”)(例如，如圖11所示，在t0與t1或t1與t2之間)在電容器上累積。在積分週期已經到期之後，電容器電壓被取樣，並且然後通過複位開關來複位。電容器模組能夠包括直接連接到電極的電容器。
圖11示意示出輻射吸收層中的入射輻射微粒或載荷子雪崩所生成的載荷子所引起的流經電極的電流的時間變化(上曲線)以及電極的電壓的對應時間變化(下曲線)。電壓可以是電流相對時間的積分。在時間t0，輻射微粒照射輻射吸收層，載荷子在輻射吸收層中生成和放大，電流開始流經電極，並且電極的電壓的絕對值開始增加。在時間t1，第一電壓比較器1901確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值V1的絕對值，以及控制器1910開始時間延遲TD1，並且控制器1910可在TD1開始時停用第一電壓比較器1901。如果在t1之前停用控制器1910，則在t1啟動控制器1910。在TD1期間，控制器1910啟動第二電壓比較器1902。如這裏所使用的術語在時間延遲“期間”表示開始和到期(即，結束)以及它們之間的任何時間。例如，控制器1910可在TD1到期時啟動第二電壓比較器1902。如果在TD1期間，第二電壓比較器1902確定電壓的絕對值在時間t2等於或超過第二閾值的絕對值，則控制器1910使計數器1920所記錄的數量增加一。在時間te，輻射微粒所生成的全部載荷子漂移出輻射吸收層910。在時間ts，時間延遲TD1到期。在圖11的示例中，時間ts在時間te之後，即，TD1在輻射微粒或載荷子雪崩所生成的全部載荷子漂移出輻射吸收層910之後到期。因此，電壓的 變化率在ts基本上為零。控制器1910可配置成在TD1到期時或者在t2或者它們之間的任何時間停用第二電壓比較器1902。
控制器1910可配置成在時間延遲TD1到期時使伏特計1906測量電壓。在實施例中，控制器1910在電壓的變化率在時間延遲TD1到期後變成基本上為零之後使伏特計1906測量電壓。在這個時刻的電壓與輻射微粒所生成或者通過雪崩所放大的載荷子量成比例，其涉及輻射微粒的能量。控制器1910可配置成基於伏特計1906所測量的電壓來確定輻射微粒的能量。確定能量的一種方式是通過對電壓分箱來確定能量。計數器1920可具有每格的子計數器。當控制器1910確定輻射微粒的能量落入格中時，控制器1910可使那一格的子計數器所記錄的數量增加一。因此，系統921可以能夠檢測輻射圖像，並且可以能夠解析每個輻射微粒的輻射微粒能量。
在TD1到期之後，控制器1910對複位週期RST將電極連接到電接地，以允許電極上累積的載荷子流動到接地，並且重置電壓。在RST之後，系統921準備好檢測另一個入射輻射微粒。隱含地，系統921能夠在圖11的示例中所操控的入射輻射微粒的速率通過1/(TD1+RST)來限制。如果第一電壓比較器1901已經停用，則控制器1910能夠在RST到期之前的任何時間將它啟動。如果控制器1910已經停用，則它可在RST到期之前被啟動。
雖然X射線在本文中用作輻射的示例，但是本文所公開的設備和方法還可適合於其他輻射(例如紅外光)。
雖然本文公開了各個方面和實施例，但是其他方面和實施例將是本領域的技術人員清楚知道的。本文所公開的各個方面和實施例是為了便於說明而不是要進行限制，其中真實範圍和精神通過以下權利要求書來指示。
300:設備
301:對電極
303:鈍化材料
304:電極
306:電場
311:輻射吸收層
312:摻雜區
320:放大區
330:佔用面積

Claims (32)

  1. 一種適合於輻射檢測的設備，包括：輻射吸收層，配置成在其中從所述輻射吸收層所吸收的輻射微粒來生成載荷子；所述輻射吸收層上的第一電極；所述輻射吸收層上的第二電極，所述第二電極與所述第一電極在該輻射吸收層之相對側上；其中所述第一電極的幾何結構配置成在所述輻射吸收層的放大區中生成電場，所述電場具有足以引起所述放大區中的所述載荷子的雪崩的場強度。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述第二電極配置成收集所述輻射吸收層中的載荷子。
  3. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述第二電極是平面的。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述第二電極包括分立區。
  5. 如申請專利範圍第4項之設備，其中，所述第二電極的所述分立區延伸到所述輻射吸收層中。
  6. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述第一電極包括具有錐形、平截頭體、棱鏡、金字塔、立方體或圓柱的形狀的尖頭。
  7. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述第一電極配置成收集直接從所述輻射微粒或者通過所述雪崩所生成的所述載荷子。
  8. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述第一電極配置成集中所述電場。
  9. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述第一電極延伸到所述輻射吸收層中。
  10. 如申請專利範圍第1項之設備，還包括外電極，其圍繞所述第一電極所佈置，並且與所述第一電極電絕緣；其中所述外電極配置成對所述放大區中的所述電場進行整形。
  11. 如申請專利範圍第10項之設備，其中，所述外電極配置成不收集載荷子。
  12. 如申請專利範圍第10項之設備，其中，所述外電極包括分立區。
  13. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述放大區包括摻雜半導體。
  14. 如申請專利範圍第13項之設備，其中，所述摻雜半導體與所述第一電極電接觸。
  15. 如申請專利範圍第13項之設備，其中，所述摻雜半導體具有摻雜劑的非零濃度梯度。
  16. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述輻射吸收層具有10微米或以上的厚度。
  17. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述輻射吸收層包括矽。
  18. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，所述輻射吸收層包括本征半導體區。
  19. 如申請專利範圍第1項之設備，還包括鈍化材料，其配置成鈍化所述輻射吸收層的表面。
  20. 一種適合於鐳射掃描的系統，所述系統包括：鐳射源，配置成生成掃描雷射光束； 檢測器，包括如申請專利範圍第1-19任一項之設備，其中所述設備配置成在所述掃描雷射光束從物體彈回之後收集返回鐳射信號。
  21. 如申請專利範圍第20項之系統，其中，所述檢測器還包括信號處理系統，其配置成處理和分析所述檢測器所檢測的所述返回鐳射信號。
  22. 一種X射線系統，包括：如申請專利範圍第1-19任一項之設備；X射線源；其中所述系統配置成使得所述設備使用來自所述X射線源的X射線(其穿透對象)來形成所述對象的圖像。
  23. 如申請專利範圍第22項之X射線系統，其中，X射線源生成軟X射線光子。
  24. 如申請專利範圍第22項之X射線系統，其中，所述設備的所述輻射吸收層對軟X射線具有至少80%的吸收率。
  25. 如申請專利範圍第22項之X射線系統，其中，所述系統配置成進行胸腔X射線照相、腹部X射線照相、牙科X射線照相或乳房X射線照相。
  26. 如申請專利範圍第22項之X射線系統，其中，所述系統配置成進行計算電腦斷層掃描。
  27. 如申請專利範圍第22項之X射線系統，其中，所述系統是顯微鏡。
  28. 一種檢測器，包括：如申請專利範圍第1-19任一項之設備；電子層，接合到所述設備，所述電子層包括電子系統，其配置成處理所述設備中生成的電信號。
  29. 如申請專利範圍第28項之檢測器，其中，所述電子系統包括：電壓比較器，配置成將所述設備的所述第一電極的電壓與第一閾值進行比較；計數器，配置成記錄所述設備所吸收的輻射微粒的數量；控制器；伏特計；其中所述控制器配置成從所述電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值的時間開始時間延遲；所述控制器配置成在所述時間延遲到期時使所述伏特計測量所述電壓；所述控制器配置成通過將所述伏特計所測量的所述電壓除以單個輻射微粒對所述第一電極所引起的電壓來確定輻射微粒的所述數量；所述控制器配置成使所述計數器所記錄的所述數值增加輻射微粒的所述數量。
  30. 如申請專利範圍第29項之檢測器，其中，所述電子系統還包括電容器模組，其電連接到所述第一電極，其中所述電容器模組配置成收集來自所述第一電極的載荷子。
  31. 如申請專利範圍第29項之檢測器，其中，所述控制器配置成將所述第一電極連接到電接地。
  32. 如申請專利範圍第29項之檢測器，其中，所述控制器配置成在所述時間延遲開始時停用所述電壓比較器。
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