[发明专利]包括跨越键合界面的电荷输送的电磁辐射检测器

说明书

提供了用于以高频谱和空间分辨率对电磁辐射进行检测和成像的单片CMOS集成像素检测器(10，20，30，260，470，570)以及系统和方法。这样的检测器包括Si晶片，所述Si晶片具有在导电共价晶片键合中被键合到吸收体晶片的CMOS处理的读出晶片。所述像素检测器、系统和方法被使用在各种医疗和非医疗类型的应用中。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月31日提交的美国临时申请号62/381,647的优先权和权益，该申请通过引用的方式被合并在本文中并且为本申请所依赖。

技术领域

本发明涉及用于对电磁辐射进行检测和成像的由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，并且涉及用于形成这样的结构的方法及其应用。

背景技术

当前的用于电磁辐射检测的数字成像设备(也被称作像素检测器)可以被分类成两个宽泛的类别，并且通过撞击光子被转换成电信号的方式作出区分。以X射线光子为例，在这些类别当中的第一个类别中，所述转换间接地发生，这是在于X射线光子首先在闪烁层中在能量方面被向下转换到可见光子。可见光子随后被光电二极管阵列检测到，其中电子-空穴对的光学生成给出电信号，电信号随后由读出电子装置进一步处理并且被表示成计算机屏幕上的图像。间接X射线成像设备的二级转换处理的缺点在于转换效率和空间分辨率受到限制，这是因为在X射线到可见光子的转换期间以及在可见光子的检测过程中会发生损耗和散射。对于每keV的入射X射线能量通常由读出电子装置最终测量到大约25个电子-空穴对。

在第二类的这些像素检测器中，半导体吸收体允许将X射线直接转换成电子-空穴对，电子-空穴对随后作为电信号由读出电子装置测量。与基于闪烁体的间接转换相比，除了更优越的灵敏度以及更高的空间和时间分辨率之外，这样的吸收体还给出频谱分辨率，这是因为入射X射线光子的能量与所生成的电子-空穴对的数目成比例，从而可以通过脉冲高度分析来测量。在硅(Si)中，需要平均3.6eV来产生单个电子-空穴对(例如参见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)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。这对于每keV所吸收的X射线能量平均得到280个电子-空穴对，从而可以看到其转换效率比闪烁体-光电二极管组合超出多于十倍。

采用借助半导体吸收体的直接转换的X射线成像检测器(或者一般来说是像素传感器)可以通过不同方式来实施。在商用平板制作中使用的一种方法是基于直接沉积在由薄膜晶体管制成的读出电子装置上的多晶硅或无定形材料。举例来说，用于医疗应用的具有无定形硒吸收体的平板X射线成像检测器制作起来相对便宜并且被提供在较大尺寸中(例如参见S.Kasap等人的Sensors 11，5112(2011年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。但是与其多晶硅和无定形对应物相比，具有单晶体形式的材料会给出好得多的输运属性。因此预期单晶体会提供更好的检测器性能。另一方面，单晶吸收体与合并无定形薄膜晶体管的读出电子装置不兼容。单晶吸收体在原理上可以被外延生长在CMOS处理的读出晶片上，但是通常以高到无法容忍的热预算为代价，并且需要与升高的处理温度兼容的特殊金属化方案(例如参见授予von的美国专利号8,237,126，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。对于标准的铝金属化，温度通常必须被保持在远低于450℃。

为了与CMOS处理的读出电子装置兼容，必须通过低温晶片键合处理来实现对于处理来自每一个吸收体像素的电信号所需要的吸收体与读出晶片之间的电气连接。最常见的键合技术是例如由Medipix协作(www.medipix.web.cern.ch)或者由Dectris AG(www.dectris.ch)所使用的凸块键合(bump bonding)。吸收体在原理上可以由能够从中生长大晶体的适用于能量粒子检测的任何半导体材料构成，例如Si、Ge、SiC、GaAs、CdTe和CdZnTe(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此)。