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TWI825249B - X射線檢測器的製備方法及其使用方法 - Google Patents

X射線檢測器的製備方法及其使用方法 Download PDF

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TWI825249B
TWI825249B TW108146563A TW108146563A TWI825249B TW I825249 B TWI825249 B TW I825249B TW 108146563 A TW108146563 A TW 108146563A TW 108146563 A TW108146563 A TW 108146563A TW I825249 B TWI825249 B TW I825249B
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曹培炎
劉雨潤
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大陸商深圳幀觀德芯科技有限公司
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    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/12—Image sensors
    • H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
    • H10F39/189—X-ray, gamma-ray or corpuscular radiation imagers
    • H10F39/1898—Indirect radiation image sensors, e.g. using luminescent members
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    • G01N23/223—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material by irradiating the sample with X-rays or gamma-rays and by measuring X-ray fluorescence
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Abstract

本文公開一種方法，其包括：在支撐在基板上的外延層 的第一表面上形成電觸點，所述第一表面與所述基板相對；將所述外延層鍵合至電子器件層，其中所述第一表面面向所述電子器件層，並且所述第一表面上的所述電觸點被鍵合至所述電子器件層的所述電觸點；通過移除所述基板而暴露與所述第一表面相對的第二表面；並且在所述第二表面上形成共用電極。

Description

X射線檢測器的製備方法及其使用方法
本發明是有關於一種製備方法及使用方法，且特別是有關於一種X射線檢測器的製備方法及其使用方法。
X射線檢測器是可用於測量X射線的通量、空間分佈、光譜或其他特性的裝置。
X射線檢測器可用於許多應用，其中一個重要的應用是成像。X射線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或片。
在20世紀80年代，可光激發的磷光板(PSP板)開始可用。PSP板在其晶格中包含具有色心的磷光體材料。當PSP板 暴露於X射線時，由X射線激發的電子被捕獲在色心中，直到它們被在PSP板表面上掃描的雷射光束激發。當雷射掃描所述PSP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，PSP版可重複使用。
另一種X射線檢測器是X射線圖像增強器。X射線圖像增強器的元件通常在真空中密封。與照相底片、照相膠片以及PSP板相比，X射線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。X射線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X射線的強度成正比。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X射線圖像增強器的操作類似，因為閃爍體(例如，碘化鈉)吸收X射線並發射可見光，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X射線的吸收。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X射線檢測器通過將X射線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X射線檢測器可包括吸收感興趣波長X射線的半導體層。當在半導體層中吸收X射線光子 時，產生多個載流子(例如，電子和電洞)並在電場下朝向半導體層上的電觸點掃過。當前可用的半導體X射線檢測器(例如，Medipix)中所需的繁瑣的熱管理可使得具有較大面積和大量圖元的半導體X射線檢測器難以生產或不可能生產。
X射線螢光(XRF)是來自被激發(例如，暴露於高能X射線或伽馬射線)的材料的特徵螢光X射線的發射。如果原子暴露於X射線或伽馬射線並且其光子能量大於電子的電離勢，則所述原子內軌道上的電子可被拋出，並在內軌道上留下電洞。當原子外軌道上的電子弛豫以填充所述內軌道上的所述電洞時，X射線(螢光X射線或二次X射線)被發射。所述被發射的X射線的光子能量等於所述外軌道和所述內軌道電子之間的能量差。
對於給定的原子，可能的弛豫數目是有限的。如圖1A所示，當L軌道上的電子弛豫以填充K軌道(L→K)上的電洞時，螢光X射線稱為Kα。來自M→K弛豫的螢光X射線稱為Kβ。如圖1B所示，來自M→L弛豫的螢光X射線稱為Lα，依此類推。
一些X射線檢測器適用於檢測XRF。
本文公開一種X射線檢測器的製備方法，其包括：在支撐在基板上的外延層的第一表面上形成電觸點，所述第一表面與所述基板相對；將所述外延層鍵合至電子器件層，其中所述第一表面面向所述電子器件層，並且所述第一表面上的所述電觸點被 鍵合至所述電子器件層的所述電觸點；通過移除所述基板而暴露與所述第一表面相對的第二表面；並且在所述第二表面上形成共用電極。
根據實施例，所述製備方法進一步包括將所述外延層生長到所述基板上。
根據實施例，所述製備方法進一步包括在所述外延層生長期間在所述外延層中形成p-n接面或p-i-n接面。
根據實施例，所述外延層包括p-n接面或p-i-n接面。
根據實施例，所述製備方法進一步包括在所述共用電極上形成閃爍體層，所述閃爍體層與所述外延層相對。
根據實施例，所述閃爍體層包括多孔矽。
根據實施例，所述外延層的厚度為1-10微米。
根據實施例，所述共用電極包括柵極。
根據實施例，所述共用電極包括銀(Ag)奈米線、碳奈米管、石墨、石墨烯或其任意組合。
根據實施例，所述電子器件層包括：第一電壓比較器，其被配置為將所述第一表面上的至少一個所述電觸點的電壓與第一閾值進行比較；第二電壓比較器，其被配置為將所述電壓與第二閾值進行比較；計數器，其被配置為記錄被所述外延層吸收的若干X射線光子；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所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值時啟動時間延遲；其中所述控制器被配置為在所述時間延遲 期間啟動所述第二電壓比較器；其中所述控制器被配置為當所述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時使所述計數器記錄的數目增加一。
根據實施例，所述電子器件層進一步包括電連接到所述第一表面上的所述至少一個所述電觸點的積分器，其中所述積分器被配置為從所述第一表面上的所述至少一個所述電觸點收集載流子。
根據實施例，所述控制器被配置為在所述時間延遲的開始或期滿時啟動所述第二電壓比較器。
根據實施例，所述電子器件層進一步包括電壓表，並且所述控制器被配置為使所述電壓表在所述時間延遲期滿時測量所述電壓。
根據實施例，所述控制器被配置為基於在所述時間延遲期滿時測得的所述電壓的值來確定X射線光子能量。
根據實施例，所述控制器被配置為連接所述第一表面上的至少一個所述電觸點到電接地。
根據實施例，所述外延層包括矽、鍺、砷化鎵、碲化鎘、鎘鋅碲或其組合。
本文公佈一種X射線檢測器的使用方法，其包括：將分析物置於X射線檢測器上，其中所述X射線檢測器包括外延層；使所述分析物產生X射線螢光；通過所述外延層吸收至少一部分所述X射線螢光；基於所述X射線螢光在所述外延層中產生的電 信號檢測所述X射線螢光。
根據實施例，所述使用方法進一步包括將所述X射線檢測器浸入液體中。
根據實施例，所述分析物包括細胞、核酸、肽或其任意組合。
根據實施例，所述分析物被直接置於所述外延層上。
根據實施例，所述X射線檢測器包括在所述外延層上的閃爍體層，並且所述分析物被直接置於所述閃爍體層上。
根據實施例，所述X射線檢測器包括在所述外延層上的共用電極，並且所述分析物被直接置於所述共用電極上。
根據實施例，所述X射線檢測器包括電子器件層，並且其中所述外延層被鍵合至所述電子器件層。
根據實施例，所述X射線檢測器包括在所述外延層的第一表面上的電觸點，所述第一表面面向所述電子器件層；其中所述電子器件層包括電觸點；其中所述第一表面上的所述電觸點被鍵合至所述電子器件層的所述電觸點。
根據實施例，所述外延層包括p-n接面或p-i-n接面。
100:X射線檢測器
102:閃爍體層
110:X射線吸收層
111:第一摻雜區
112:本徵區
113:第二摻雜區
114:離散區
119A:電極
119B、120X:電觸點
120:電子器件層
121:電子系統
130:填充材料
131:通孔
301:第一電壓比較器
302:第二電壓比較器
305:開關
306:電壓表
309:積分器
310:控制器
320:計數器
411:基板
412:外延層
412A:第一表面
412B:第二表面
901、902、903、904、905、906、907、908、909、910、1001、1002、1003、1004、1005、1006、1007、1010:步驟
1100:分析物
1150:X射線螢光
RST:復位時段
t0、t1、t2、te、th、ts:時間
TD1:時間延遲
V1:第一閾值
V2:第二閾值
圖1A和圖1B示意示出XRF的機制。
圖2A示意示出根據實施例的X射線檢測器。
圖2B示意示出根據實施例的X射線檢測器。
圖2C示意示出根據實施例的圖2A或圖2B中的X射線檢測器的一部分的示例性頂視圖。
圖3A和圖3B各自示出根據實施例的圖1A或圖1B中的X射線檢測器的電子系統的元件圖。
圖4示意示出根據實施例的流過暴露於X射線的X射線吸收層的電觸點的電流的時間變化(上曲線)，所述電流由入射在所述X射線吸收層上的X射線光子產生的載流子引起，以及所述電觸點電壓的相應時間變化(下曲線)。
圖5示意示出根據實施例的，在以圖4所示的方式操作的電子系統中，由雜訊(例如，暗電流)引起的流過所述電觸點的所述電流的時間變化(上曲線)，以及所述電觸點的電壓的相應時間變化(下曲線)。
圖6示意示出根據實施例的，當所述電子系統以更高速率操作以檢測入射X射線光子時，流過暴露於所述X射線的所述X射線吸收層的電觸點的電流的時間變化(上曲線)，所述電流由入射在所述X射線吸收層上的所述X射線光子產生的載流子引起，以及所述電觸點的電壓的相應時間變化(下曲線)。
圖7示意示出根據實施例的，在以圖6所示的方式操作的電子系統中，由雜訊(例如，暗電流)引起的流過所述電觸點的所述電流(上曲線)的時間變化，以及所述電觸點的電壓的相應時間變化(下曲線)。
圖8示意示出根據實施例的，在以圖6所示的方式操作的電子系統中，其復位時段RST在時間te之前期滿，由入射在所述X射線吸收層上的一系列X射線光子產生的載流子引起的流過所述電觸點的所述電流的時間變化(上曲線)，以及所述電觸點的電壓的相應時間變化。
圖9A示意示出根據實施例的適用於使用諸如圖4所示的所述電子系統之類的系統來檢測X射線的方法的流程圖。
圖9B示意示出根據實施例的適用於使用諸如圖6所示的所述電子系統之類的系統來檢測X射線的方法的流程圖。
圖10A-圖10F示意示出根據實施例的製備所述X射線檢測器的方法。
圖11示意示出根據實施例的所述X射線檢測器可用於分析附於其上的樣品。
圖2A示意示出根據實施例的X射線檢測器100。所述X射線檢測器100可包括X射線吸收層110和電子器件層120(例如，ASIC或CMOS層)，其用於處理或分析入射X射線在所述X射線吸收層110中產生的電信號。在實施例中，所述X射線檢測器100可以在所述X射線吸收層110的頂部上包括閃爍體層102。所述閃爍體層102可以包括多孔矽。所述閃爍體層102可以是可選的，並且在至少一些實施例中未被應用。所述X射線吸收層110 包括可以預先支撐在基板上的外延層。所述外延層和所述基板都是晶體，並且所述外延層相對於所述基板的晶體結構具有明確定義的取向。可以通過外延生長形成所述外延層，例如但不限於氣相外延(VPE)、化學氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)。所述外延層可包括半導體材料，比如矽、鍺、砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CdTe)、鎘鋅碲(CdZnTe)或其組合。所述半導體材料對於感興趣的X射線能量可具有高的質量衰減係數(例如，幾個keV)。在實施例中，所述外延層可為約1-10微米厚或約5-10微米厚。
所述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組成的一個或多個二極體(例如，p-i-n或p-n)。所述第二摻雜區113可通過可選的本徵區112而與所述第一摻雜區111分離。在實施例中，所述離散區114通過所述第一摻雜區111或所述本徵區112而彼此分離。所述第一摻雜區111和所述第二摻雜區113具有相反類型的摻雜(例如，第一摻雜區111是p型並且第二摻雜區113是n型，或者第一摻雜區111是n型並且第二摻雜區113是p型)。在圖2A中的示例中，所述第二摻雜區113的每個離散區114與所述第一摻雜區111和所述可選的本徵區112一起組成一個二極體。即，在圖2A中的示例中，所述X射線吸收層110包括多個二極體，其具有所述第一摻雜區111作為共用電極。所述第一摻雜區111還可具有離散部分。
圖2B示意示出根據實施例的X射線檢測器100。所述X射線檢測器100可包括X射線吸收層110和電子器件層120(例如，ASIC或CMOS層)，所述電子器件層120用於處理或分析入射X射線在所述X射線吸收層110中產生的電信號。在實施例中，所述X射線檢測器100可以在所述X射線吸收層110的頂部上包括閃爍體層102。所述閃爍體層102可以包括多孔矽。所述閃爍體層102可以是可選的，並且在至少一些實施例中未被應用。所述X射線吸收層110包括可以預先支撐在基板上的外延層。所述外延層和所述基板都是晶體，並且所述外延層相對於所述基板的晶體結構具有明確定義的取向。可以通過外延生長形成所述外延層，例如但不限於氣相外延(VPE)、化學氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)。所述外延層可包括半導體材料，比如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合。所述半導體材料對於感興趣的X射線能量可具有高的品質衰減係數(例如，幾個keV)。所述X射線吸收層110可不包括二極體但包括電阻器。在一個實施例中，所述外延層可為約1-10微米厚或5-10微米厚。
當X射線光子撞擊包括二極體的所述X射線吸收層110時，所述X射線光子可被吸收並通過若干機制產生一個或多個載流子。一個X射線光子可產生10到100000個載流子。所述載流子可在電場下向一個共用電極119A和所述電觸點119B漂移。所述電極119A可包括柵極或包括導電材料(例如但不限於銀(Ag)奈米線、碳奈米管(CNT)、碳、石墨、石墨烯或其任意組合)。 所述電場可以是外部電場。所述電觸點119B中的每一個均可與所述離散區114電連接，並且所述載流子可通過所述離散區114飄移到所述電觸點119B。在實施例中，所述載流子可向不同方向漂移，使得由單個X射線光子產生的所述載流子大致未被兩個不同的離散區114共用(「大致未被共用」在這裡意指這些載流子中的不到5%、不到2%或不到1%流向與餘下載流子不同的一個所述離散區114)。在實施例中，由單個X射線光子產生的所述載流子可被兩個不同的離散區114共用。圖2C示出具有離散區114的4×4陣列的所述X射線檢測器100的一部分的示例性頂視圖。入射在所述離散區114之一的足跡周圍的X射線光子所產生的載流子大致未被另一所述離散區114共用。所述離散區114的周圍區(由入射在其中的X射線光子所產生的載流子大致全部(超過95%、超過98%或超過99%)流向該所述離散區114)被稱為與該所述離散區114相關聯的一個圖元。即，所述載流子中的不到5%、不到2%或不到1%流到所述圖元之外。通過測量流入每個所述離散區114的漂移電流，或通過測量每個所述離散區114的電壓的變化率，被吸收的X射線光子的數目(與入射X射線強度有關)和/或其在與所述離散區114相關聯的所述圖元中的能量可被確定。因此，入射X射線強度的空間分佈(例如，圖像)可以通過分別測量進入所述離散區114的陣列中的每一個所述離散區114的漂移電流，或通過測量所述離散區114的陣列中的每一個所述離散區114的電壓的變化率來確定。所述圖元可以以任何合適的陣列 組織，例如，正方形陣列、三角形陣列和蜂窩陣列。所述圖元可以具有任何合適的形狀，例如，圓形、三角形、正方形、矩形和六角形。所述圖元可以是單獨可定址的。
當X射線光子撞擊包括電阻器但不包括二極體的所述X射線吸收層110時，所述X射線光子可被吸收並通過若干機制產生一個或多個載流子。一個X射線光子可產生10到100000個載流子。所述載流子可在電場下向一個共用電極119A和所述電觸點119B漂移。所述電極119A可包括柵極或包括導電材料(例如但不限於銀(Ag)奈米線、碳奈米管(CNT)、碳、石墨、石墨烯或其任意組合)。所述電場可以是外部電場。在實施例中，所述載流子可向不同方向漂移，使得由單個X射線光子產生的所述載流子大致未被兩個不同的電觸點119B共用(「大致未被共用」在這裡意指這些載流子中的不到5%、不到2%或不到1%流向與餘下載流子不同的一個所述電觸點119B)。在實施例中，由單個X射線光子產生的所述載流子可被兩個不同的電觸點119B共用。由入射在所述電觸點119B之一的足跡周圍的X射線光子所產生的載流子大致未被另一個所述電觸點119B共用。所述電觸點119B之一的周圍區(由入射在其中的X射線光子所產生的載流子大致全部(超過95%、超過98%或超過99%)流向該所述電觸點119B)被稱為與該所述電觸點119B相關聯的一個圖元。即，所述載流子中的不到5%、不到2%或不到1%流到與該所述電觸點119B相關聯的所述圖元之外。通過測量流入每個所述電觸點119B的漂移電流，或 通過測量每個所述電觸點119B的電壓的變化率，被吸收的X射線光子的數目(與入射X射線強度有關)和/或其在與所述電觸點119B相關聯的所述圖元中的能量可被確定。因此，入射X射線強度的空間分佈(例如，圖像)可以通過分別測量進入所述電觸點119B的陣列中的每一個電觸點119B的漂移電流，或通過測量所述電觸點119B的陣列中的每一個電觸點119B的電壓的變化率來確定。所述圖元可以以任何合適的陣列組織，例如，正方形陣列、三角形陣列和蜂窩陣列。所述圖元可以具有任何合適的形狀，例如，圓形、三角形、正方形、矩形和六角形。所述圖元可以是單獨可定址的。
所述電子器件層120可包括電子系統121，其適用於處理或解釋由入射在X射線吸收層110上的X射線光子所產生的信號。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可包括由所述圖元共用的元件或專用於單個圖元的元件。例如，電子系統121可包括專用於每個所述圖元的放大器和在所有圖元間共用的微處理器。所述電子系統121可通過通孔131電連接到所述圖元。所述通孔之間的空間可用填充材料130填充，其可增加所述電子器件層120到所述X射線吸收層110連接的機械穩定性。其他鍵合技術有可能在不使用通孔的情況下將所述電子系統121連接到所述圖元。在鍵合之後，所述電觸點119B可被鍵合至所述電子器件層120的電觸點。在實施例中，所述電子系 統121可被配置為不從所述X射線吸收層110中的材料檢測XRF。
圖3A和圖3B各自示出根據實施例的電子系統121元件圖。所述電子系統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。
所述第一電壓比較器301被配置為將至少一個所述電觸點119B的電壓與第一閾值進行比較。所述第一電壓比較器301可被配置為直接監控所述電壓，或通過對一段時間內流過所述至少一個所述電觸點119B的電流進行積分來計算所述電壓。所述第一電壓比較器301可由所述控制器310可控地啟動或停用。所述第一電壓比較器301可以是連續比較器。即，所述第一電壓比較器301可被配置為連續地被啟動並連續地監控所述電壓。被配置為連續比較器的所述第一電壓比較器301減少了所述電子系統121錯過由入射X射線光子產生的信號的機會。當入射的X射線強度相對較高時，被配置為連續比較器的所述第一電壓比較器301是特別適合的。所述第一電壓比較器301可以是鐘控比較器，其具有功耗較低的優點。配置為鐘控比較器的所述第一電壓比較器301可能導致所述電子系統121錯過某些入射X射線光子生成的信號。當入射X射線強度較低時，錯過入射X射線光子的機會就較低，因為兩個連續光子之間的時間間隔相對較長。因此，當入射X射線強度相對較低時，被配置為鐘控比較器的所述第一電壓比較器301是特別適合的。所述第一閾值可以是一個入射X射線光子在所述至少一個所述電觸點119B上所產生的最大電壓的5-10%、 10%-20%、20-30%、30-40%或40-50%。所述最大電壓可取決於所述入射X射線光子的能量(即，所述入射X射線的波長)、所述X射線吸收層110的材料以及其他因素。例如，所述第一閾值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
所述第二電壓比較器302被配置為將所述電壓與第二閾值進行比較。所述第二電壓比較器302可被配置為直接監控所述電壓或通過對一段時間內流過所述至少一個所述電觸點119B的電流進行積分來計算所述電壓。所述第二電壓比較器302可以是連續比較器。所述第二電壓比較器302可由所述控制器310可控地啟動或停用。當所述第二電壓比較器302被停用時，所述第二電壓比較器302的功耗可以是當所述第二電壓比較器302啟動時功耗的不到1%、不到5%、不到10%或不到20%。所述第二閾值的絕對值大於所述第一閾值的絕對值。如本文所使用的術語實數x的「絕對值」或「模數」｜x｜是x的非負值而不考慮它的符號。即，
Figure 108146563-A0305-02-0017-1
。所述第二閾值可以是所述第一閾值的200%-300%。所述第二閾值至少是所述至少一個所述電觸點119B上產生的一個入射X射線光子最大電壓的50%。例如，所述第二閾值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。所述第二電壓比較器302和所述第一電壓比較器301可以是相同元件。 即，所述電子系統121可具有同一個電壓比較器，該電壓比較器可在不同時間將電壓與兩個不同的閾值進行比較。
所述第一電壓比較器301或所述第二電壓比較器302可包括一個或多個運算放大器或任何其他合適的電路。所述第一電壓比較器301或所述第二電壓比較器302可具有高速度以允許所述電子系統121在高通量入射X射線下操作。然而，具有高速度通常以功耗為代價。
所述計數器320被配置為記錄到達所述X射線吸收層110的X射線光子的數目。所述計數器320可以是軟體元件(例如，存儲在電腦記憶體中的數位)或硬體元件(例如，4017IC和7490IC)。
所述控制器310可以是硬體元件，例如，微控制器和微處理器等。所述控制器310被配置為從所述第一電壓比較器301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(例如，所述電壓的絕對值從低於所述第一閾值的絕對值增加到等於或超過所述第一閾值的絕對值)時啟動時間延遲。在這裡使用絕對值是因為電壓可以是負的或正的。所述控制器310可被配置為在所述第一電壓比較器301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之前，保持停用所述第二電壓比較器302、所述計數器320、以及所述第一電壓比較器301的操作中不需要的任何其他電路。在所述電壓變得穩定(即所述電壓的變化率大致為零)之前或之後，所述時間延遲可以期滿。短語「變化率大致為零」意指所述電壓的時間變化率小於0.1%/ns。短語「變化率大致為非零」意指所述電壓的時間變化率至少為0.1%/ns。
所述控制器310可被配置為在所述時間延遲期間(包括開始和期滿)啟動所述第二電壓比較器。在實施例中，所述控制器310被配置為在所述時間延遲開始時啟動所述第二電壓比較器。術語「啟動」意指使元件進入操作狀態(例如，通過發送諸如電壓脈衝或邏輯準位等信號，通過提供電力等)。術語「停用」意指使元件進入非操作狀態(例如，通過發送諸如電壓脈衝或邏輯準位等信號，通過切斷電力等)。所述操作狀態可具有比所述非操作狀態更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。所述控制器310本身可被停用直到所述第一電壓比較器301的輸出在所述電壓絕對值等於或超過所述第一閾值絕對值時啟動所述控制器310。
如果在所述時間延遲期間，所述第二電壓比較器302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，則所述控制器310可被配置為使所述計數器320記錄的數目增加一。
所述控制器310可被配置為使所述電壓表306在所述時間延遲期滿時測量所述電壓。所述控制器310可被配置為使所述至少一個所述電觸點119B連接到電接地，以重定所述電壓並使所述至少一個所述電觸點119B上累積的任何載流子放電。在實施例中，所述至少一個所述電觸點119B在所述時間延遲期滿後連接到電接地。在實施例中，所述至少一個所述電觸點119B連接到電接地並持續有限的復位時段。所述控制器310可通過控制所述開關305而使所述至少一個所述電觸點119B連接到所述電接地。所述 開關可以是電晶體比如場效應電晶體(FET)。
在實施例中，所述電子系統121沒有類比濾波器網路(例如，RC網路)。在實施例中，所述電子系統121沒有類比電路。
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。
所述電子系統121可包括電連接到所述至少一個所述電觸點119B的積分器309，其中所述積分器被配置為從所述至少一個所述電觸點119B收集載流子。所述積分器309可在放大器的回饋路徑中包括電容器。如此配置的放大器稱為電容跨阻放大器(CTIA)。CTIA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。來自所述至少一個所述電觸點119B的載流子在一段時間(「積分期」)(例如，如圖4所示，在t0到t1之間，或在t1到t2之間)內累積在所述電容器上。在所述積分期期滿後，所述電容器電壓被採樣，然後通過重定開關進行重定。所述積分器可包括直接連接到所述至少一個所述電觸點119B的電容器。
圖4示意示出由入射在所述X射線吸收層110上的X射線光子產生的載流子所引起的，流過所述至少一個所述電觸點119B的所述電流的時間變化(上曲線)和所述至少一個所述電觸點119B的電壓的相應時間變化(下曲線)。所述電壓可以是所述電流相對於時間的積分。在時間t0，所述X射線光子撞擊所述X射線吸收層110，載流子開始在所述X射線吸收層110中產生， 電流開始流過所述至少一個所述電觸點119B，並且所述至少一個所述電觸點119B的電壓的絕對值開始增加。在時間t1，所述第一電壓比較器301確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值V1的絕對值，所述控制器310啟動時間延遲TD1，並且所述控制器310可在所述TD1開始時停用所述第一電壓比較器301。如果所述控制器310在時間t1之前被停用，則在時間t1啟動所述控制器310。在所述TD1期間，所述控制器310啟動所述第二電壓比較器302。這裡使用的術語在時間延遲「期間」意指開始和期滿(即，結束)和中間的任何時間。例如，所述控制器310可在所述TD1期滿時啟動所述第二電壓比較器302。如果在所述TD1期間，所述第二電壓比較器302確定在時間t2所述電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值的絕對值，則所述控制器310使述計數器320記錄的數目增加一。在時間te，由所述X射線光子產生的所有載流子全部漂移出所述X射線吸收層110。在時間ts，所述TD1期滿。在圖4的示例中，時間ts在時間te之後；即TD1在所述X射線光子產生的所有載流子全部漂移出所述X射線吸收層110之後期滿。因此所述電壓的變化率在時間ts大致為零。所述控制器310可被配置為在TD1期滿時或在時間t2，或在二者之間的任何時間停用所述第二電壓比較器302。
所述控制器310可被配置為在所述時間延遲TD1期滿時使所述電壓表306測量所述電壓。在實施例中，當所述電壓的變化率在所述時間延遲TD1期滿後變為大致為零之後，所述控制器 310使所述電壓表306測量所述電壓。此時的所述電壓與X射線光子產生的載流子的數目成正比，其與所述X射線光子的能量有關。所述控制器310可被配置為基於所述電壓表306測得的電壓來確定所述X射線光子的能量。確定所述能量的一種方法是對電壓進行裝倉。所述計數器320可具有用於每個倉的子計數器。當所述控制器310確定所述X射線光子的所述能量落在一個倉中時，該所述控制器310可以使在針對該倉的子計數器中記錄的數目增加一。因此，所述電子系統121能夠檢測X射線的圖像並且能夠解析每個X射線光子的X射線光子能量。
在TD1期滿之後，所述控制器310使所述至少一個所述電觸點119B連接到電接地並持續一個復位時段RST，以允許所述至少一個所述電觸點119B上累積的載流子流到接地並重定電壓。在RST之後，所述電子系統121已準備好檢測另一個入射X射線光子。隱含地，在圖4的示例中所述電子系統121可以處理的入射X射線光子的速率受限於1/(TD1+RST)。如果所述第一電壓比較器301被停用，所述控制器310可在RST期滿之前的任何時間啟動它。如果所述控制器310被停用，則其可在RST期滿之前被啟動。
圖5示意示出在以圖4所示的方式操作的所述電子系統121中，由雜訊(例如，暗電流、背景輻射、散射輻射、螢光輻射、來自相鄰圖元的共用電荷)引起的流過所述至少一個所述電觸點119B的電流的時間變化(上曲線)，以及所述至少一個所述電觸 點119B的電壓的相應時間變化(下曲線)。在時間t0，所述雜訊開始。如果所述雜訊沒有大到足以導致所述電壓的絕對值超過V1的絕對值，則所述控制器310不啟動所述第二電壓比較器302。如果所述雜訊大到足以導致所述電壓的絕對值如所述第一電壓比較器301所確定的在時間t1超過V1的絕對值，則所述控制器310啟動所述時間延遲TD1，並且所述控制器310可在TD1開始時停用所述第一電壓比較器301。在TD1期間(例如，在TD1期滿時)，所述控制器310啟動所述第二電壓比較器302。所述雜訊非常不可能大到足以在TD1期間使所述電壓的絕對值超過V2的絕對值。因此，所述控制器310不會使所述計數器320記錄的數目增加。在時間te，所述雜訊結束。在時間ts，所述時間延遲TD1期滿。所述控制器310可被配置為在TD1期滿時停用所述第二電壓比較器302。如果在TD1期間所述電壓的絕對值不超過V2的絕對值，則所述控制器310可被配置為不讓所述電壓表306測量所述電壓。在TD1期滿後，所述控制器310將使所述至少一個所述電觸點119B連接到電接地並持續一個復位週期RST，以允許由於雜訊而累積在所述至少一個所述電觸點119B上的載流子流到接地並重定所述電壓。因此，所述電子系統121可以非常有效地抑制雜訊。
圖6示意示出，當所述電子系統121以高於1/(TD1+RST)的速率操作以檢測入射X射線光子時，由入射在所述X射線吸收層110上的X射線光子產生的載流子所引起的流過所述至 少一個所述電觸點119B的電流的時間變化(上曲線)，以及所述至少一個所述電觸點119B的電壓的相應時間變化(下曲線)。所述電壓可以是所述電流相對於時間的積分。在時間t0，所述X射線光子撞擊所述X射線吸收層110，載流子開始在所述X射線吸收層110中產生，電流開始流過所述至少一個所述電觸點119B，並且所述至少一個所述電觸點119B的電壓的絕對值開始增加。在時間t1，所述第一電壓比較器301確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值V1的絕對值，所述控制器310啟動比TD1短的時間延遲TD2，並且所述控制器310可在TD2開始時停用所述第一電壓比較器301。如果所述控制器310在時間t1之前已被停用，則所述控制器310在時間t1被啟動。在TD2期間(例如，在TD2期滿時)，所述控制器310啟動所述第二電壓比較器302。如果在TD2期間，所述第二電壓比較器302確定所述電壓的絕對值在時間t2等於或超過所述第二閾值的絕對值，則所述控制器310使所述計數器320記錄的數目增加一。在時間te，由所述X射線光子產生的所有載流子都漂移到所述X射線吸收層110之外。在時間th，所述時間延遲TD2期滿。在圖6的示例中，時間th在時間te之前；即，TD2在由所述X射線光子產生的所有載流子都漂移出所述X射線吸收層110之前期滿。因此，所述電壓的變化率在時間th大致為非零。所述控制器310可被配置為在TD2期滿時或在時間t2，或在二者之間的任何時間停用所述第二電壓比較器302。
所述控制器310可被配置為根據在TD2期間作為時間函數的所述電壓來推斷在時間te處的所述電壓，並使用所述推斷的電壓來確定所述X射線光子的能量。
在TD2期滿後，所述控制器310使所述至少一個所述電觸點119B連接到電接地並持續一個復位時段RST，以允許所述至少一個所述電觸點119B上累積的載流子流到接地並重定所述電壓。在實施例中，RST在時間te之前期滿。所述電壓的變化率在RST之後可大致為非零，因為由所述X射線光子產生的全部載流子在時間te之前的RST期滿時還沒有漂移出所述X射線吸收層110。所述電壓的變化率在時間te之後變得大致為零，並且所述電壓在時間te之後穩定在剩餘電壓VR。在實施例中，RST在時間te之時或之後期滿，並且所述電壓的變化率在RST之後可大致為零，因為由所述X射線光子產生的全部載流子在時間te漂移出所述X射線吸收層110。在RST之後，所述電子系統121已準備好檢測另一個入射X射線光子。如果所述第一電壓比較器301已被停用，所述控制器310可在RST期滿之前的任何時間啟動它。如果所述控制器310已被停用，則其可在RST期滿之前被啟動。
圖7示意示出在以圖6中所示的方式操作的所述電子系統121中，由雜訊(例如，暗電流、背景輻射、散射輻射、螢光輻射、來自相鄰圖元的共用電荷)引起的流過所述至少一個所述電觸點119B的電流的時間變化(上曲線)，以及所述至少一個所述電觸點119B的電壓的相應時間變化(下曲線)。在時間t0，所 述雜訊開始。如果所述雜訊沒有大到足以導致電壓的絕對值超過V1的絕對值，則所述控制器310不啟動所述第二電壓比較器302。如果所述雜訊大到，如第一電壓比較器301所確定的，足以導致所述電壓的絕對值在時間t1超過V1的絕對值，則所述控制器310啟動所述時間延遲TD2，並且所述控制器310可以在TD2開始時停用第一電壓比較器301。在TD2期間(例如，在TD2期滿時)，所述控制器310啟動第二電壓比較器302。所述雜訊非常不可能大到足以在TD2期間使所述電壓的絕對值超過V2的絕對值。因此，所述控制器310不會使所述計數器320記錄的數目增加。在時間te，所述噪音結束。在時間th，所述時間延遲TD2期滿。所述控制器310可被配置為在TD2期滿時停用所述第二電壓比較器302。在TD2期滿之後，所述控制器310將所述至少一個所述電觸點119B連接到電接地並持續一個復位週期RST，以允許由於雜訊而累積在所述至少一個所述電觸點119B上的載流子流到接地並重定所述電壓。因此，所述電子系統121可非常有效地抑制雜訊。
圖8示意示出，在以圖6中所示的方式操作的所述電子系統121中，RST在時間te之前期滿，由入射在所述X射線吸收層110上的X射線光子產生的載流子引起的流過所述至少一個所述電觸點119B的電流的時間變化(上曲線)，以及所述至少一個所述電觸點119B的電壓的相應時間變化(下曲線)。由每個入射X射線光子產生的載流子所引起的電壓曲線被所述X射線光子之前的剩餘電壓抵消。所述剩餘電壓的絕對值隨每個入射X射線光 子連續增加。當所述剩餘電壓的絕對值超過V1時(參見圖8中的虛線矩形)，所述控制器啟動所述時間延遲TD2，並且所述控制器310可在TD2開始時停用所述第一電壓比較器301。如果在TD2期間沒有其他X射線光子入射在所述X射線吸收層110上，則所述控制器在TD2結束時的復位時間段RST期間將所述至少一個所述電觸點119B連接到電接地，從而重定所述剩餘電壓。因此，所述剩餘電壓不會導致所述計數器320記錄的數目增加。
圖9A示出適用於使用諸如圖4所示的所述電子系統121之類的系統來檢測X射線的方法的流程圖。在步驟901中，將所述至少一個所述電觸點119B的電壓與所述第一閾值進行比較(例如，使用所述第一電壓比較器301)。在步驟902中，確定(例如，使用所述控制器310)所述電壓的絕對值是否等於或超過所述第一閾值V1的絕對值。如果所述電壓的絕對值沒有等於或超過所述第一閾值的絕對值，則所述方法返回到步驟901。如果所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值，則繼續到步驟903。在步驟903中，開始(例如，使用所述控制器310)時間延遲TD1。在步驟904，在所述時間延遲TD1期間(例如，在TD1期滿時)，啟動(例如，使用所述控制器310)電路(例如，所述第二電壓比較器302或所述計數器320)。在步驟905中，將所述電壓與所述第二閾值進行比較(例如，使用所述第二電壓比較器302)。在步驟906中，確定(例如，使用所述控制器310)所述電壓的絕對值是否等於或超過所述第二閾值V2的絕對值。如果所述電壓的絕對值 沒有等於或超過所述第二閾值的絕對值，則所述方法進入步驟910。如果所述電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值的絕對值，則繼續到步驟907。在步驟907中，使(例如，使用所述控制器310)所述計數器320中記錄的數目增加一。在可選步驟908中，測量(例如，使用所述電壓表306)在所述時間延遲TD1期滿時的所述電壓。在可選步驟909中，基於在步驟908中測量的所述電壓來確定(例如，使用所述控制器310)所述X射線光子能量。每個能量倉可以有一個計數器。在測量了所述X射線光子能量後，所述X射線光子能量所屬的所述倉的計數器可以增加一。所述方法在步驟909之後進入步驟910。在步驟910中，重置(例如，通過將所述至少一個所述電觸點119B連接到電接地)所述電壓。步驟908和909可被省略(例如，當相鄰圖元共用從單個X射線光子產生的載流子的大部分(例如，>30%)時)。
圖9B示出適用於使用諸如圖6所示的所述電子系統121之類的系統檢測X射線的方法的流程圖。在步驟1001中，將所述至少一個所述電觸點119B的電壓與所述第一閾值進行比較(例如，使用所述第一電壓比較器301)。在步驟1002中，確定(例如，利用所述控制器310)所述電壓的絕對值是否等於或超過所述第一閾值V1的絕對值。如果所述電壓的絕對值沒有等於或超過所述第一閾值的絕對值，則所述方法返回到步驟1001。如果所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值，則繼續到步驟1003。在步驟1003中，開始(例如，使用所述控制器310)所述時間延 遲TD2。在步驟1004中，在時間延遲TD2期間(例如，在TD2期滿時)，啟動(例如，使用所述控制器310)電路(例如，第二電壓比較器302或計數器320)。在步驟1005中，將所述電壓與所述第二閾值進行比較(例如，使用所述第二電壓比較器302)。在步驟1006中，確定(例如，使用所述控制器310)所述電壓的絕對值是否等於或超過所述第二閾值V2的絕對值。如果所述電壓的絕對值沒有等於或超過所述第二閾值的絕對值，則所述方法進入步驟1010。如果所述電壓的絕對值等於或超過所述第二閾值的絕對值，則繼續步驟1007。在步驟1007中，使(例如，使用所述控制器310)所述計數器320中記錄的數目增加一。所述方法在步驟1007之後進入步驟1010。在步驟1010中，將電壓重置(例如，通過將所述至少一個所述電觸點119B連接到電接地，)為電接地。
圖10A-圖10F示意示出根據實施例的所述X射線檢測器100的製備方法。如圖10A所示，所述方法開始於在支撐在基板411上的外延層412的第一表面412A上形成電觸點119B。所述外延層412是所述X射線吸收層110或其一部分。所述第一表面412A與所述基板411相對。在實施例中，所述基板411可以是半導體基板比如矽基板。所述基板411可以是本徵半導體或非常輕摻雜的半導體。所述基板411可以具有足夠的厚度以在製備過程中為所述外延層412提供機械支撐。所述外延層412可以包括p-n接面或p-i-n接面。所述接面可以平行於所述基板411。所述方法可以包括在所述基板411上生長所述外延層412。該方法可以包括在 外延層412的生長期間形成p-n接面或p-i-n接面。如圖10B和圖10C所示，所述外延層412被鍵合至所述電子器件層120。鍵合之後，所述外延層412的所述第一表面412A面向所述電子器件層120，並且所述第一表面412A上的所述電觸點119B被鍵合至所述電子器件層120的電觸點120X。如圖10D所示，通過移除所述基板411使所述外延層412的第二表面412B被暴露。所述基板411的移動可以通過合適的已知的或未來開發的使半導體晶片變薄的方法來執行，例如但不限於機械研磨、化學機械拋光(CMP)、濕蝕刻和乾化學蝕刻(DCE)。如圖10E所示，在所述第二表面412B上形成共用電極119A。所述共用電極119A可以通過沉積導電材料(例如但不限於銀(Ag)奈米線，碳奈米管(CNT)，碳，石墨，石墨烯或它們的任意組合)的柵格而形成。如圖10F所示，可選地，在所述共用電極119A上形成所述閃爍體層102。所述閃爍體層102與所述外延層412相對。
所述X射線檢測器100可用於分析附於其上的樣品。在圖11中示意示出的示例中，分析物1100可被置於所述X射線檢測器100上；使所述分析物1100發射X射線螢光1150；所述X射線螢光1150的至少一部分被所述外延層412吸收；並且基於所述X射線螢光1150在所述外延層412中產生(直接或通過所述閃爍體層102，如果存在)的電信號檢測(例如，使用所述電子器件層120)所述X射線螢光1150。所述X射線檢測器100可被浸入液體(例如，水溶液)中。所述分析物1100可以包括細胞、核酸、 肽或其任意組合。如上所述，所述閃爍體層102是可選的。所述分析物1100可被直接置於所述外延層412上，或者被直接置於所述閃爍體層102上。如上所述，所述共用電極119A可以不覆蓋整個所述外延層412(例如，所述共用電極119A是柵極)。所述分析物1100可被直接置於所述共用電極119A上。
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申請專利範圍為準。
102:閃爍體層
119A:電極
120:電子器件層
412:外延層

Claims (25)

  1. 一種X射線檢測器的製備方法，包括：在支撐在基板上的外延層的第一表面上形成電觸點，所述第一表面與所述基板相對；將所述外延層鍵合至電子器件層，其中所述第一表面面向所述電子器件層，並且所述第一表面上的所述電觸點被鍵合至所述電子器件層的所述電觸點；通過移除所述基板而暴露與所述第一表面相對的第二表面；並且在所述第二表面上形成共用電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的製備方法，其進一步包括將所述外延層生長到所述基板上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的製備方法，其進一步包括在所述外延層生長期間在所述外延層中形成p-n接面或p-i-n接面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的製備方法，其中所述外延層包括p-n接面或p-i-n接面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的製備方法，其進一步包括在所述共用電極上形成閃爍體層，所述閃爍體層與所述外延層相對。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的製備方法，其中所述閃爍體層包括多孔矽。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的製備方法，其中所述外延層的厚度為1-10微米。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的製備方法，其中所述共用電極包括柵極。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的製備方法，其中所述共用電極包括銀(Ag)奈米線、碳奈米管、石墨、石墨烯或其任意組合。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的製備方法，其中所述電子器件層包括：第一電壓比較器，其被配置為將所述第一表面上的至少一個所述電觸點的電壓與第一閾值進行比較；第二電壓比較器，其被配置為將所述電壓與第二閾值進行比較；計數器，其被配置為記錄被所述外延層吸收的若干X射線光子；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所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值時啟動時間延遲；其中所述控制器被配置為在所述時間延遲期間啟動所述第二電壓比較器；其中所述控制器被配置為當所述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時使所述計數器記 錄的數目增加一。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的製備方法，其中所述電子器件層進一步包括電連接到所述第一表面上的所述至少一個所述電觸點的積分器，其中所述積分器被配置為從所述第一表面上的所述至少一個所述電觸點收集載流子。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的製備方法，其中所述控制器被配置為在所述時間延遲的開始或期滿時啟動所述第二電壓比較器。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的製備方法，其中所述電子器件層進一步包括電壓表，並且所述控制器被配置為使所述電壓表在所述時間延遲期滿時測量所述電壓。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的製備方法，其中所述控制器被配置為基於在所述時間延遲期滿時測得的所述電壓的值來確定X射線光子能量。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的製備方法，其中所述控制器被配置為連接所述第一表面上的所述至少一個所述電觸點到電接地。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的製備方法，其中所述外延層包括矽、鍺、砷化鎵、碲化鎘、鎘鋅碲或其組合。
  17. 一種X射線檢測器的使用方法，包括：將分析物置於X射線檢測器上，其中所述X射線檢測器包括外延層； 使所述分析物產生X射線螢光；通過所述外延層吸收至少一部分所述X射線螢光；基於所述X射線螢光在所述外延層中產生的電信號檢測所述X射線螢光。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的使用方法，其進一步包括將所述X射線檢測器浸入液體中。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的使用方法，其中所述分析物包括細胞、核酸、肽或其任意組合。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的使用方法，其中所述分析物被直接置於所述外延層上。
  21. 如申請專利範圍第17項所述的使用方法，其中所述X射線檢測器包括在所述外延層上的閃爍體層，並且所述分析物被直接置於所述閃爍體層上。
  22. 如申請專利範圍第17項所述的使用方法，其中所述X射線檢測器包括在所述外延層上的共用電極，並且所述分析物被直接置於所述共用電極上。
  23. 如申請專利範圍第17項所述的使用方法，其中所述X射線檢測器包括電子器件層，並且其中所述外延層被鍵合至所述電子器件層。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的使用方法，其中所述X射線檢測器包括在所述外延層的第一表面上的電觸點，所述第一表面面向所述電子器件層；其中所述電子器件層包括電觸點；其 中所述第一表面上的所述電觸點被鍵合至所述電子器件層的所述電觸點。
  25. 如申請專利範圍第17項所述的使用方法，其中所述外延層包括p-n接面或p-i-n接面。
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