[发明专利]单片CMOS积体像素侦测器、及粒子侦测成像系统与方法

说明书

单片像素侦测器、系统以及方法，其用于具有质量或无质量(例如X‑射线光子)之高能粒子形式的放射线的该侦测与成像，包含具有CMOS处理读出的Si晶圆，经由用于以吸收体收集电荷的植入物通讯，形成具有该Si晶圆的单片单元用以收集并处理该电子信号，其藉由入射在该吸收体上之放射线被产生。该些像素侦测器、系统以及方法被使用在各种医疗、工业以及科学类型的应用中。

交叉参考相关专利申请

本专利申请案请求2014年12月19日提交的美国临时申请号62/094,188与2015年8月31日提交的美国临时申请号62/211,958之优先权与权益，其内容以引用之方式并入本文。

技术领域

本发明系关于由单片制成的像素侦测器，用于具有质量或无质量之高能粒子形式的放射线的该侦测与成像之互补金属氧化物半导体(CMOS)积体结构，以及形成该些结构的方法。

背景技术

目前用于高能粒子侦测之数字成像装置，又被称为像素侦测器，可被分类为两大类，藉由在其中冲击能量被转换为电子信号之方式被区分。以X射线光子为实例，在该些类别的第一个中，转换间接地发生在该感测中，X射线光子系为在闪烁层中之能量到可见光子的降频转换。可见光子随后藉由光电二极管之数组被检测，在其中电子-电洞对之光产生引起电子信号，其接着进一步藉由读出电子组件被处理以及被表现为计算机屏幕上的影像。因为发生在X射线至可见光子之转换与在其检测期间的损失与散射两者，间接X射线成像装置之两阶段的转换过程受制于有限转换效率与空间分辨率之障碍。入射X射线能量之每keV通常约25个电子-电洞对藉由读出电子组件最终被测量。

在像素侦测器的第二类别中，半导体吸收器允许X射线至电子-电洞对之直接转换，其接着可作为电子信号藉由读出电子组件被测量。相较于基于间接的转换闪烁体，除了优异的灵敏度和较高的空间与时间分辨率，该吸收体也提供光谱分辨率，因为入射X射线光子之能量系与产生的电子-电洞对之数目成比例，与因此藉由脉冲高度分析被测量。在硅(Si)中，一需要平均3.6eV用以创造单一电子-电洞对(参见实例R.C.Alig et al.inPhys.Rev.B 22,5565(1980)；与R.C.Aligin Phys.Rev.B 27,968(1983)，其全部揭露在此以引用之方式并入本文)。平均上这导致吸收的X射线能量每keV280个电子-电洞对，从中可看出该转换效率超过十倍的闪烁体-光电二极管结合的转换效率。

使用半导体吸收器之方式的X射线成像侦测器，或一般的像素传感器，本质上可以两种不同的方式被实现。第一，吸收晶圆被接合于读取芯片之上，以为了实现处理来自每个吸收器像素之电子信号所需的连接。最常见的接合技术是凸块接合，例如被Medipix共同研究(http://medipix.web.cern.ch)或DectrisAG(http://www.dectris.ch)使用。吸收体可原则上由适用于高能粒子侦测之任何半导体材料构成，从其大型晶体可被生长，例如Si、Ge、GaAs以及CdTe(参见实例Collins等人的欧洲专利号0571135，其全部揭露在此以引用之方式并入本文)。

直接X射线成像侦测器之第二实施系基于具有读出电子组件的吸收体之单片积体。该具有Si吸收体之单片像素传感器，除了高能物理中的X射线也已被开发用于电离辐射之侦测。其包含具有约1kΩcm与8kΩcm之间之电组的高电阻率吸收层，外炎帝生长在标准的SiCMOS晶圆之背侧上。晶圆随后被CMOS处理，用以制造前侧上的读出电子组件(参见实例S.Mattiazzo et al.in Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.A718,288(2013)，其全部揭露在此以引用之方式并入本文)。当用于粒子侦测之该些装置系为非常有前景的同时，X射线侦测所需具厚度之吸收体远超过磊晶层之厚度。况且，包含具有较Si高之原子序Z之元素(「较重的元素」)的吸收体，因为其更有效的吸收，更适用于具有约40keV以上的能量。