[發明專利]包括跨越鍵合界面的電荷輸送的電磁輻射檢測器

在審

• 申請號: 201780053053.1
• 申請日: 2017-08-29
• 公開（公告）號: CN109964315A
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 漢斯·凡肯尼爾
• 申請（專利權）人: G射線瑞士公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 北京瀚方律師事務所 11774
• 代理人: 周紅力

提供了用于以高頻譜和空間分辨率對電磁輻射進行檢測和成像的單片CMOS集成像素檢測器(10，20，30，260，470，570)以及系統和方法。這樣的檢測器包括Si晶片，所述Si晶片具有在導電共價晶片鍵合中被鍵合到吸收體晶片的CMOS處理的讀出晶片。所述像素檢測器、系統和方法被使用在各種醫療和非醫療類型的應用中。

相關申請的交叉引用

本申請要求2016年8月31日提交的美國臨時申請號62/381,647的優先權和權益，該申請通過引用的方式被合并在本文中并且為本申請所依賴。

技術領域

本發明涉及用于對電磁輻射進行檢測和成像的由單片互補金屬氧化物半導體(CMOS)集成結構制成的像素檢測器，并且涉及用于形成這樣的結構的方法及其應用。

背景技術

當前的用于電磁輻射檢測的數字成像設備(也被稱作像素檢測器)可以被分類成兩個寬泛的類別，并且通過撞擊光子被轉換成電信號的方式作出區分。以X射線光子為例，在這些類別當中的第一個類別中，所述轉換間接地發生，這是在于X射線光子首先在閃爍層中在能量方面被向下轉換到可見光子。可見光子隨后被光電二極管陣列檢測到，其中電子-空穴對的光學生成給出電信號，電信號隨后由讀出電子裝置進一步處理并且被表示成計算機屏幕上的圖像。間接X射線成像設備的二級轉換處理的缺點在于轉換效率和空間分辨率受到限制，這是因為在X射線到可見光子的轉換期間以及在可見光子的檢測過程中會發生損耗和散射。對于每keV的入射X射線能量通常由讀出電子裝置最終測量到大約25個電子-空穴對。

在第二類的這些像素檢測器中，半導體吸收體允許將X射線直接轉換成電子-空穴對，電子-空穴對隨后作為電信號由讀出電子裝置測量。與基于閃爍體的間接轉換相比，除了更優越的靈敏度以及更高的空間和時間分辨率之外，這樣的吸收體還給出頻譜分辨率，這是因為入射X射線光子的能量與所生成的電子-空穴對的數目成比例，從而可以通過脈沖高度分析來測量。在硅(Si)中，需要平均3.6eV來產生單個電子-空穴對(例如參見R.C.Alig等人的Phys.Rev.B 22，5565(1980年)以及R.C.Alig的Phys.Rev.B 27，968(1983年)，其全部公開內容通過引用的方式被合并在此)。這對于每keV所吸收的X射線能量平均得到280個電子-空穴對，從而可以看到其轉換效率比閃爍體-光電二極管組合超出多于十倍。

采用借助半導體吸收體的直接轉換的X射線成像檢測器(或者一般來說是像素傳感器)可以通過不同方式來實施。在商用平板制作中使用的一種方法是基于直接沉積在由薄膜晶體管制成的讀出電子裝置上的多晶硅或無定形材料。舉例來說，用于醫療應用的具有無定形硒吸收體的平板X射線成像檢測器制作起來相對便宜并且被提供在較大尺寸中(例如參見S.Kasap等人的Sensors 11，5112(2011年)，其全部公開內容通過引用的方式被合并在此)。但是與其多晶硅和無定形對應物相比，具有單晶體形式的材料會給出好得多的輸運屬性。因此預期單晶體會提供更好的檢測器性能。另一方面，單晶吸收體與合并無定形薄膜晶體管的讀出電子裝置不兼容。單晶吸收體在原理上可以被外延生長在CMOS處理的讀出晶片上，但是通常以高到無法容忍的熱預算為代價，并且需要與升高的處理溫度兼容的特殊金屬化方案(例如參見授予von的美國專利號8,237,126，其全部公開內容通過引用的方式被合并在此)。對于標準的鋁金屬化，溫度通常必須被保持在遠低于450℃。

為了與CMOS處理的讀出電子裝置兼容，必須通過低溫晶片鍵合處理來實現對于處理來自每一個吸收體像素的電信號所需要的吸收體與讀出晶片之間的電氣連接。最常見的鍵合技術是例如由Medipix協作(www.medipix.web.cern.ch)或者由Dectris AG(www.dectris.ch)所使用的凸塊鍵合(bump bonding)。吸收體在原理上可以由能夠從中生長大晶體的適用于能量粒子檢測的任何半導體材料構成，例如Si、Ge、SiC、GaAs、CdTe和CdZnTe(例如參見授予Collins等人的歐洲專利號0571135，其全部公開內容通過引用的方式被合并在此)。