[发明专利]用于粒子检测的单片硅像素检测器以及系统和方法

说明书

本发明涉及用于具有带电粒子或X射线光子的形式的辐射的检测和成像的单片硅像素检测器、系统和方法，其包括具有CMOS处理的读出的Si晶片，所述读出通过用于电荷收集的植入物与吸收体进行通信，从而与Si晶片形成单片单元，以便收集和处理由入射在吸收体上的辐射所生成的电信号。具体来说，单片CMOS集成像素检测器包括几个组件。这样的组件包括具有至少1kΩcm的电阻率的p型掺杂硅晶片，所述硅晶片具有包括CMOS处理的读出电子装置(250，350)的前侧(224，314，314’)以及与前侧相对的背侧(228，318)，所述读出电子装置(250，350)包括像素电子装置(258，358)。此外，像素检测器包括与像素电子装置(258，358)通信并且定义像素尺寸的电荷收集器(252，352)。此外，提供了高电压接触件(282，382)。电荷收集器(252，352)下方的硅晶片(220，310，310’)的区段形成像素检测器(240，340)的吸收体层(226，316)。当像素检测器(240，340)处于操作中时，电荷收集器(252，352)被布置成接收当带电粒子或X射线光子(270，370)入射在吸收体层(226，316)上时所生成的漂移过吸收体层(226，316)的电荷。读出电子装置被布置成把所述电荷转换成数字信号，所述数字信号可以被存储、处理并且作为图像显示在计算机屏幕上。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年5月11日提交的美国临时申请号62/334,514的权益，其全文的内容被明确地通过引用的方式合并在本文中并且是用以定义可以据此寻求保护的特征的依据，这是因为相信该临时申请的全文对于解决本发明的根本技术问题作出了贡献，其中可能在后文中所提到的一些特征是特别重要的。

技术领域

本发明涉及用于辐射的成像检测的从单片互补金属氧化物半导体(CMOS)集成结构制成的像素检测器，并且涉及用于形成此类结构的方法及其使用方法。

背景技术

用于直接检测X射线和质量粒子的数字成像设备是基于半导体吸收体，入射辐射在其中被变换成电子-空穴对并且随后可以作为电信号由读出单元测量。除了与基于闪烁体(scintillator)的间接转换相比的优越的灵敏度以及空间和时间分辨率之外，直接检测器还提供了频谱分辨率，这是因为在吸收体中生成的电子-空穴对的数目与入射粒子的能量成比例，因此可以通过脉冲高度分析来测量。

采用通过半导体吸收体的直接转换的成像检测器(也被称作像素传感器)当前实质上可以通过两种不同的方式来实施。

在第一种实现方式中，吸收体被键合到读出芯片上，以便实现处理来自每一个吸收体像素的电信号所需要的连接。例如由Medipix合作(http://medipix.web.cern.ch)或者由Dectris AG(http://www.dectris.ch)使用的通常所使用的键合技术时凸点键合(bump bonding)。在这种方法中，吸收体在原则上可以由适合于X射线检测或粒子检测的任何半导体材料构成，比如Si、Ge、GaAs和CdTe(例如参见授予Collins等人的欧洲专利号0571135，其全部公开内容通过引用的方式被合并在本文中并且被作为依据)。

直接成像检测器的第二种实现方式是基于吸收体与读出电子装置的单片集成。当对于读出采取标准硅CMOS处理时，这样的单片像素传感器是基于Si吸收体。所述传感器也被称作单片有源像素传感器(MAPS)，并且是针对带电粒子跟踪而被开发出来的。通过厚度典型地是12-16μm的轻度p型掺杂外延层中的n型植入物而允许电荷收集，并且电荷收集在原始设计中主要是通过扩散而发生的(例如参见R.Turchetta等人的Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.A 458，677(2001)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在本文中并且被作为依据)。