輻射探測裝置及製造方法

2023-05-05 21:15:31 4

專利名稱：輻射探測裝置及製造方法
技術領域：
本發明涉及具有空間解析度的致電離輻射探測裝置，以及這樣的裝置的製造方法，致電離輻射例如Y輻射。所述裝置能被用於安全領域中，或者用於科學成像研究或醫學成像研究，如單光子發射X線斷層攝影(TEMP)。
背景技術：
已知使用半導體晶體例如碲化鎘(CdTe)或碲化鎘鋅(CdZnTe)的探測器，在其內部由設置在晶體兩側的一陽極和一陰極施加一電場。與晶體相互作用的該致電離輻射引起電荷的分離，也就是說，電子-空穴對的形成，最初在同一部位形成的電子和空穴在電場的作用下沿著相反的方向迅速地遷移。因此能收集電子和/或空穴，也就是說從流向陽極的電荷和/或流向陰極的電荷形成電信號，因此測得的電信號反映該半導體中致電離輻射的相互作用。要明確的是，除Y輻射外，α、β、X射線和中子能藉助這樣的半導體探測器被探測出來。已知的具有二維空間解析度的半導體探測器與應用較廣的基於晶體閃爍的探測器或者基於與光子、X或Y射線反應的塑料閃爍的探測器相比，在空間解析度方面提供較好的透視。具有空間解析度的半導體探測器，尤其能夠允許實現基於作為Y輻射發射體的放射性產物的使用上的醫學成像，放射性產物被注入病人或牲畜並選擇性地固定在其機體中。因此知道半導體探測器，這些半導體探測器利用在半導體晶體一個面上的陰極和在另一面上形成陽極的像素矩形陣列，每個像素同時定義X坐標和Y坐標。一個這樣的結構被稱為「η2」結構，η表示沿著視為正方形的半導體的其中一邊排列的陽極像素的數目。η的值一旦增大，所述結構的實現就複雜，因為需要設置觸點和電導體以從每個像素提取信號，並需要安裝大量的信號處理路徑。因此，空間解析度的需求和探測面積的需求一旦增大，這個解決方案就變得不太可行。然而，在醫學方面，希望的空間解析度是小於毫米的，並需要得益於數平方釐米的視場(例如對於在小動物上的應用，為h5cm2的視場)。另外，希望探測器和探測器所裝載的電子器件佔有緊湊體積，以便使它們在受約束的空間中更易於操縱，如在醫學成像領域中， 在該領域中，需要把探測器儘量接近所研究的器官布置，而靠近器官卻是困難的。因而，一些允許安裝儘量少的電子路徑同時保留良好的空間解析度的結構是被尋求的。尤其知道以一般術語「2η」結構來表示的結構。在電子和空穴不以相同速度遷移的半導體的情況下——CdZnTe或CdTe就是這種情況，這些結構一般包括在半導體晶體的一個面上的陰極，並且這些結構使用在相對面上的兩系列電極，所述電極沿著晶體表面的其中一維或另一維鋪展。因而名稱「2η」意味著，若希望實現一個具有η2像素的成像器，則在半導體材料的表面上使用的不是η2像素化陽極， 而使用η個細長的電極，這些電極形成第一系列電極；以及η個其他同樣細長的電極，這些電極形成第二系列電極。第一系列的電極確定X坐標，並且就被澱積在半導體材料上。這涉及收集電極，因為這些電極收集在探測器中遷移的載流子。當這些載流子是電子時，這些收集電極是陽極。第二系列的電極被以橫向於收集電極的方式布置，並且第二系列的電極確定Y坐標。這些電極與半導體晶體不是電接觸而是電容連接。這些電極不收集載流子，但這些電極產生由載流子在探測器材料中的移動所感應的信號，其包括最大電位和最小電位。因而， 這些電極被稱為非收集電極。在文獻US6037595中，示出被稱為「交叉帶探測器(cross-strip detector) 」的這樣的「2η」系統。第一系列電極的這些電極是通過利用點狀陽極建立的，這些點狀電極被澱積在半導體材料上，且彼此之間在列的內部通過遠離半導體材料通行的導體纜線連接。一些電極最初被布置在半導體表面上用來使點狀陽極防護靜電效應，而所述靜電效應是由電子和空穴在半導體體積中的位移在遠處感應的，這些電極被用來形成第二系列電極。這些電極以行的形式被組織，同時這些電極也通過遠離半導體材料通行的導體纜線連接。這些電極不收集電子，而只測量感應效應，這些電極被稱為「非收集電極」。在該文獻中描述的一變型使用一絕緣材料層來分隔開探測器材料和非收集電極; 這個絕緣材料層被澱積在探測器的面上。因而非收集電極或者在絕緣層上形成，或者在一分離襯底上形成，接著分離襯底被附接在絕緣層上。文獻WO 2008/0544862也描述一探測器，其具有「2η」型結構並包括一半導體材料體積件(volume) 2 ；在該體積件的一個面上的一陰極4 ；在相對的面上的一陽極結構6， 這個陽極結構包括半導體材料的該面上的一第一系列導體條帶8 (收集陽極)和通過一絕緣材料層沈與收集陽極隔開的一第二系列導體條帶12(非收集陽極)，絕緣材料可以是 AlN(氮化鋁)、Al2O3 (三氧化二鋁)或Si3N4 (四氮化三矽)。該絕緣材料通過霧化或蒸發被澱積。霧化可導致獲得一個布滿空氣泡和具有不均勻厚度的異質絕緣層。蒸發只在高溫下產生並因而對於其特性是一般對溫度非常敏感的半導體晶體不無危險。因而，所提出的製造方法不能令人滿意。此外，為了保證電子被點狀陽極有效地收集，被保持在介於陰極電位和陽極電位之間的一中間電位的聚焦柵格有時被用於給電子定向。這個聚焦柵格也能被稱為非收集電極，因為它通過一絕緣層與半導體隔開並且不收集任何電子。尤其從文獻US2002/0036269知道一種重合(coincidence)探測裝置，其包括至少兩個半導體探測器晶體，每個晶體在第一面上承載一些像素化陽極和在第二面上承載一些分段陰極，每個像素化陽極連接至一電子路徑，以收集表示在該晶體中相互作用的光子的能量的信號，每個分段陰極都被連接至一電子路徑，以收集重合斷路信號(signaux declencheurs de coincidence )。在該文獻的圖3A和表示的一實施方式中，非收集聚焦柵格212在像素化陽極之間形成。一絕緣層210(以柵格的形式)在晶體第一面和聚焦柵格之間延伸。如第W068]段所指出的，該絕緣材料能通過鈍化化學式連接、粘結式連接或者蒸鍍式連接，被塗抹、噴霧、澱積、裝配在晶體的面上。如上面所說明的，這些方法不能完全地令人滿意。在文獻US2002/0036269的圖7表示的另一實施方式中，該探測器如上所述包括一晶體和一些像素化陽極。另外，一印刷電路板卡承載一些像素化觸點612，一聚焦柵格616 是與探測器並置的觸點612藉助於傳導黏結劑被粘合在探測器的像素化陽極606上。觸點612、陽極606和柵格616之間的空間，藉助於芯子被液態的絕緣聚合材料622填充(第
段)。這個絕緣層622在探測器602和印刷電路板卡610裝配的期間或裝配後被形成(第W099]段)。被帶至高溫的該絕緣材料因而進入並與探測器接觸，這可能會損壞探測器。另外，在用於接收絕緣材料的狹窄空間中噴注絕緣材料的操作不方便，並且難於以工業方式實現。為便於絕緣材料的分布而分開探測器與印刷電路板卡，會導致獲得一過厚的絕緣層。在文獻Single-sided CZT Strip detectors (單面 CZT 帶探測器)(J. Macri et al. ,IEEE, Vol 51,n° 5,oct 2004)中，不使用聚焦柵格，而是非收集電極自身被帶到一在陰極電位和陽極電位之間的中間電位。在這兩種情況下，在點狀陽極平面外的導體纜線的安裝極大地使製造複雜化，尤其當對空間解析度或表面的需求增加時。對於兩個系列的陽極或者對於聚焦柵格使用不同的電位也構成一困難，因為一旦半導體的或所使用的其他材料的表面狀態不完美表面電流就會出現。另外，按照文獻US6037595的變型的一實施方法必須使用一種介電材料，該介電材料能在半導體材料能夠承受的溫度下被澱積，而介電材料的澱積是在該半導體材料上被實施的。若無這樣的介電材料，該半導體材料被損壞。在半導體材料包括CdTe或CdSiTe 的情況下，這個溫度條件是特別約束性的，一旦溫度超過80°C，這樣的材料會退化(尤其是損失光譜特性)。從文獻EP1739458還知道一探測器，它使用兩個系列的電極，兩系列的電極總在該半導體材料的同側、平行於半導體表面地被布置在兩個不同平面中，這些電極呈條帶的形式，而且這兩個系列的電極被電絕緣材料隔開。調整電絕緣材料的厚度，以便在感應信號的探測和非收集電極的絕緣之間獲得折衷。在這樣的裝置的製造過程中，將絕緣材料澱積在半導體表面上是不方便的，因為在低的溫度下，有黏結力不足和厚度控制不良的危險，而在高的溫度下，半導體有被損壞的危險。另外，自然希望改善由非收集電極測得的信號與非收集電極所承受的噪聲、尤其是由於位於附近的收集陽極進行電荷收集而因電容效應出現的噪音之間的比率。

發明內容
在此背景下，本發明旨在提供半導體探測器的製造方法，在該方法中，所述半導體不經受會使其特性退化的溫度。本發明尤其旨在提出特別適於製造具有「2η」型結構的探測器的製造方法，該方法允許獲得一均勻的、無空氣泡的和厚度受控的(在收集電極和非收集電極之間的)絕緣層， 而且這沒有使半導體退化的危險。這樣的方法也對製造「η2」型結構的(像素化陽極)具有聚焦柵格的探測器是有利的。
本發明還旨在提供新型探測器，在非收集電極處所獲得的信噪比方面，所述新型探測器具有改善的性能。本發明的另一目標是提供半導體探測器的一種製造方法，所述方法對於大批量的裝置、空間解析度高的裝置和尺寸大的裝置是易於實現的。最後，本發明提出致電離輻射探測裝置的製造方法，所述裝置包括-稱為半導體塊的半導體材料塊，所述半導體塊適於經受在致電離輻射的作用下在正電荷和負電荷之間的電荷的局部分離，-第一系列的至少兩個電極，稱為收集電極，所述收集電極與所述半導體塊電接觸，-第二系列的至少兩個電極，稱為非收集電極，所述非收集電極通過稱為絕緣層的電絕緣材料層與所述半導體塊隔開。按照本發明的方法包括下列步驟-在所述半導體塊的一表面上形成所述收集電極，-在一載體的一表面上形成所述非收集電極。按照本發明的方法的特徵在於，在所述載體上形成所述絕緣層以覆蓋所述非收集電極之後，把承載所述收集電極的所述半導體塊與承載所述非收集電極和所述絕緣層的所述載體裝配在一起。藉助該方法，能在高溫下預先製備一具有受控厚度、受控平面度和受控附著力的絕緣層，而沒有使所述半導體損壞的危險，因為所述絕緣層只被形成在所述載體上，而不挨靠著所述半導體塊，這允許保護所述半導體材料的出色的特性。因此，所述方法還允許選擇介電材料，而不受所述半導體材料可以承受的最高溫度限制。最後，所述方法允許更好地控制所述非收集電極和所述半導體塊之間的不受歡迎的物質、特別是空氣泡的存在。由於所有這些原因，它導致使所述非收集電極處所獲得的信噪比明顯改善。有利地，所述收集電極是線性的；換句話說，它們呈條帶形狀。優選地，形成所述收集電極的所述條帶通過平板印刷被澱積在所述半導體塊的表面上。有利地，所述非收集電極按照印刷電路的製造方法被形成在所述載體的表面上。 例如，用絲網印刷進行兩次相繼的澱積。有利地和按照本發明，所述絕緣層通過在所述載體上澱積液態絕緣材料實現。按照本發明的方法的主要貢獻之一是，所述方法允許自由選擇絕緣材料。由此可使用一種介電材料，該介電材料的特性允許克服在現有技術所述的結構的使用中憑經驗遇到的困難。尤其，本發明人已經發現，電絕緣材料具有高於或等於IO11Q^m的電阻率、以及超過5的相對介電常數是有利的，就非收集電極處所獲得的信噪比方面，這些數值範圍允許獲得優異的結果。優選地，所述電絕緣材料具有在5和15之間的相對介電常數以及在 IO11 Ω. cm禾口 IO12 Ω. cm之間的電阻率。本發明擴展到可按照本發明的方法獲得的裝置，且尤其是擴展到一種致電離輻射探測裝置，所述裝置包括-稱為半導體塊的半導體材料塊，所述半導體塊適於經受在致電離輻射的作用下在正電荷和負電荷之間的電荷的局部分離；-第一系列的至少兩個電極，稱為收集電極，所述收集電極與所述半導體塊電接觸，-第二系列的至少兩個電極，稱為非收集電極，所述非收集電極由載體承載，並通過稱為絕緣層的電絕緣材料層與所述半導體塊隔開，所述裝置的特徵在於，形成所述絕緣層的電絕緣材料具有大於IO11Q^m的電阻率和大於5的相對介電常數。優選地，所述電絕緣材料具有在5和15之間的相對介電常數和在IO11 Ω. cm和IO12 Ω. cm之間的電阻率。這樣一個裝置在空間解析度方面性能得到增強，對於使可用感應信號的測量成為可能的材料厚度，所述非收集電極所經受的噪聲特別低。因而，由所述非收集電極測量的信號與由這些電極所經受的噪聲之比特別高。所述裝置便於製造，因為介電材料的厚度不需要特別小。具有這樣特別特性的材料的選擇與現有技術的教導背道而馳，現有技術或者教導要使材料的厚度適應於其介電常數，或者教導使用聚焦柵格來把電子引向收集電極，因此所述介電材料只是可選的。在某些實施方式中，所述介電材料的相對介電常數大於10。採用這樣的介電常數， 在所述非收集電極上的感應信號較少取決於介電材料厚度的局部變化，或者較少取決於所述探測器材料和所述非收集電極之間的異質的存在，這樣的異質是例如空氣泡或者所述介電材料中的雜質。按照本發明的另一定義，所述絕緣材料的電阻率此外大於所述半導體材料電阻率的10倍。該特徵允許所述非收集電極和所述半導體材料之間良好的電容耦合。按照本發明的另一方面，電極的幾何形狀、特別是所述非收集電極的形狀，滿足允許優化信噪比的某些條件。按照這方面，本發明在於一種致電離輻射探測裝置，所述裝置包括稱為半導體塊的半導體材料塊，所述半導體塊適於經受在電離輻射的作用下在正電荷和負電荷之間的電荷的局部分離；第一系列的至少兩個電極，稱為收集電極，所述收集電極與所述半導體塊電接觸；第二系列的至少兩個電極，稱為非收集電極，所述非收集電極由載體承載，並通過稱為絕緣層的電絕緣材料制的層與所述半導體塊隔開，所述裝置的特徵在於，至少一非收集電極包括至少兩個寬部分，用以測量在所述半導體塊中的電荷運動所感應的信號；以及，至少一收集電極延伸在所述兩個寬部分之間的空間對面。該幾何形狀允許獲得一立體角，通過該立體角，所述非收集電極看到所述半導體材料，與在現有技術的結構中相比，被所述收集電極以與所述非收集電極表面成比例地佔用的所述半導體材料更少。相對於現有裝置，所述非收集電極所經受的噪聲被降低，並且所述非收集電極測得的感應信號被增大。若所述非收集電極被製造成澱積在一平表面上的印刷電路的形式，則通過減小所述兩寬部分之間的電極寬度來實現前述特徵，但要注意(在所述電極的窄部分處)保持一用於傳導的足夠的寬度。若所述電極以另一種方式，例如使用有線連接被製造，所述窄部分的寬度能被減小至零，因而傳導在所述寬部分的平面之後的一平面中進行，其用來在所述半導體對面產生感應信號。按照本發明的再另一個方面，所述探測裝置的特徵在於，至少一收集電極呈條帶形式，並且具有的寬度小於一非收集電極的寬度。優選地，所述收集電極的所有(相同的或者不同的)寬度都小於所述非收集電極的(相同的或者不同的)寬度。電極的這個幾何形狀還允許獲得一立體角，通過該立體角，所述非收集電極看到所述半導體材料，與在按照現有技術的結構中相比，被所述收集電極以與所述非收集電極表面成比例地佔用的所述半導體材料更少。因此，相對於現有的裝置，所述非收集電極所產生的信號與所述非收集電極所受的噪聲之比被增大。有利地，按照本發明的方法和/或所獲得的裝置還具有下列一個或幾個特徵-所述半導體塊和所述載體的裝配利用黏結劑進行；-所述載體是陶瓷製的，例如，氧化鋁製的；-用來形成所述該絕緣層的材料是名稱為ESL4909-mod的已知材料；-至少一個連接構件被布置在所述載體中，以便所述連接構件完全穿過所述載體並具有接觸表面，所述接觸表面在所述絕緣層形成後與該絕緣層的表面齊平；並且，進行所述裝配，以便使一收集電極與連接構件電接觸；可通過使用布置在所述收集電極的一連接區域和所述連接構件的所述接觸表面之間的導電黏結劑，來進行所述裝配。


現將參照附圖描述本發明。圖1是按照本發明的方法的一實施方式的一預備步驟結束時半導體晶體的正視圖。圖2是該預備步驟結束時圖1的半導體晶體的3/4的視圖。圖3是按照本發明的方法的同一實施方式的另一預備步驟結束時一載體的正視圖。圖4是與圖3所示載體類似的一載體的正視圖，但在本發明的一變型的範圍內。圖5表示與圖3和4中所示的載體類似的一載體在按照本發明的一實施方式的方法的後一階段的剖面圖。圖6表示按照本發明的方法的一實施方式的實施過程中一組裝步驟的結果。圖7表示按照本發明的一實施方式的裝置，為顯示所述裝置的兩系列陽極，所述半導體被示為是透明的。圖8表示圖6裝置的細節。圖9表示按照本發明一實施方式的裝置。圖10表示在按照本發明一實施方式的裝置的一非收集電極上獲得的信號。圖11表示一模擬人體器官的測試物體，該測試物體被用來測試按照本發明的裝置。圖12表示利用按照本發明的一實施方式的裝置和圖10的測試物體所獲得的圖像，這樣模擬醫學檢驗，並且在此，四個探測器被並置。
具體實施方式
在圖1中，示出一半導體晶體體積件，所述半導體晶體體積件形成平行六面體狀的、正方形截面的半導體塊100，所述半導體塊由俯視圖示出，使得該圖顯示所述半導體塊 100的正方形的上表面。半導體材料在此是碲化鎘鋅。也能使用其他半導體材料。所述正方形的邊長為幾個釐米，在此是2. 5cm。一些金屬條帶110被澱積在所述半導體塊100的上表面上，就在半導體材料上，在此使用的金屬是金，或者按照一變型，是鉬。也能使用其他導體金屬。在圖1中，看到十二個金屬條帶110，這些金屬條帶沿著與正方形的一條邊平行的方向105彼此平行地延伸，該方向為了陳述的需要稱為第一方向。所述條帶110在所述半導體塊100的表面被直接形成在其上表面上；所述條帶與該半導體材料電接觸。因此，所述條帶用於收集載流子，並且所述條帶在下文將被稱為收集條帶或收集電極。當這些載流子是電子時，最經常的情況，這些收集條帶是陽極。當載流子是空穴時，這些收集條帶是陰極。 在以下的描述中，將處於這些收集條帶是陽極、探測器材料是CdTe (碲化鎘)的情況下。所述收集條帶110分布在所述半導體塊100的整個表面上。所述收集條帶中的每一個具有一恆定的寬度，每個條帶之間的間距在500 μ m和1毫米之間，在所示的該實施方式中更準確地是750 μ m，所述收集條帶之間的間距被定義為相繼的兩個收集條帶的中心軸線的分隔距離。每個收集條帶110的寬度為150 μ m，即約為所述間距的1/5。所述收集條帶110的寬度按照本發明確定。所述收集條帶110在所述半導體塊100的一邊的整個長度上延伸。所述半導體塊具有等於5mm的厚度。全部收集條帶110構成第一系列電極130。在每個收集條帶110的每個端部都存在一擴寬金屬區域120，所述擴寬金屬區域因其功能被稱為連接區域120。所述收集條帶110的厚度約為幾個μ m，以及在所示的該實施方式中，該厚度為 3 μ m，所述收集條帶通過傳統的石印技術被澱積。承載所述收集條帶110的半導體塊的面具有表面160，該表面為陳述需要被稱為第一表面。所述收集條帶110的厚度相比於絕緣塊的上表面的面積是較小的，所述表面160 由所述收集條帶和半導體塊上表面的在所述收集條帶之間延伸的部分形成，其基本是平坦的。在未示出的某些變型中，所述收集條帶110在其整個長度上具有不是恆定的寬度，以及在其他變型中，所述收集條帶不都具有相同寬度或者相同形狀。在圖2中，示出類似於圖1所示的半導體塊的一半導體塊100，在此看見其3/4。可看出一系列130電極，該一系列130電極這次包括寬度恆定的32個收集電極(陽極)110。 所述半導體塊100具有邊長2. 5cm的正方形前表面。所述陽極110之間的間距為750 μ m。 連接區域120在該圖上由於其尺寸小沒有出現。在圖3中，示出一載體300，金屬條帶310被澱積在所述載體的表面上在此示出 10個金屬條帶310。構成所述金屬條帶的材料能夠是金或鉬或其它導體金屬。所述條帶310沿著平行於所述載體300的一條邊的第二方向305延伸。在該示例中，在製造方法的過程中，所述第二方向305與所述第一方向105正交地設置。所述條帶310 構成第二系列330電極。這些條帶310不是用於收集載流子，而是用於與探測器材料絕緣， 以產生由載流子在該探測器材料中的位移所感應的信號。因而這涉及非收集電極。所述條帶是彼此平行的並彼此以對應於間距750 μ m的距離被布置。所述條帶的寬度為650 μ m。因而，相繼的兩個條帶310的相鄰邊緣的分隔距離約為100 μ m，這保證兩相鄰條帶310之間的電絕緣。按照本發明的一有利的方面，所述非收集條帶310比所述收集條帶110更寬，優選地，非收集條帶寬是收集條帶寬的2倍到5倍之間。在所示的該實施方式中，該比是4. 3， 一旦完成製造方法，這就允許在所述非收集電極處獲得一特別高的信噪比。如同圖1的半導體塊，所述載體300是正方形截面的平行六面體狀，具有邊長約為 2. 5cm的正方形下表面，所述非收集條帶310延伸在正方形的一邊的整個長度上。要注意， 在圖3中，所述非收集條帶310的寬度是恆定的，但是按照一些變型，非收集條帶的寬度在其整個長度上可以不是恆定的。這些條帶的阻抗是有限的。所述載體300是一個陶瓷體積件，更準確的說在此涉及達96%的氧化鋁。所述非收集條帶310通過絲網印刷被澱積，所述非收集條帶的製備包括導電漿料的焙燒步驟。如此，所述非收集條帶310每個在載體300上都構成一印刷電路。所述載體300能構成讀取迴路用的箱的零件，其裝載有信號處理所需的電子器件，所述信號在不同的電極處被接收。構成載體的材料根據其剛度及與高溫澱積方法兼容的其良好的機械穩定性加以選擇。按照一些變型，使用其他材料(用於集成電子裝置的 SiO2、環氧或任何絕緣襯底)。在所述載體300的兩邊的邊緣上，布置有傳導接點320。在圖3中示出兩系列傳導接點320，每系列各有12個傳導接點320，這兩系列傳導接點平行於非收集條帶310地在載體300的兩邊側上規則地間隔開。在一個實施方式中，非收集條帶310的厚度約為10 μ m。在另一個實施方式中，非收集條帶分兩道次被澱積，每道次以15 μ m的剩餘厚度，即最終厚度為30 μ m。這允許降低每個條帶的阻抗，在該實例中，所述阻抗約為2 Ω。在圖4中，示出如圖3所示的載體的一變型。載體300承載一系列330的彼此平行但其寬度不是恆定的非收集電極310。如此，每個非收集電極310按梳子形狀包括一組寬部分312和窄部分313。這個梳子形狀由在條帶310的邊緣之一上的材料連續和在條帶 310的另一邊緣上的齒形狀來確定。條帶310的寬度在窄部分313處僅為150 μ m,而條帶 310的寬度在寬部分312處約為700 μ m。窄部分313的寬度是適合的，使得從載體300的一邊緣到另一邊緣即在約25mm 上、在條帶310的整個長度上獲得令人滿意的傳導。相繼兩個寬部分312之間的在一窄部分313處的距離約150μπι。在該圖上看到18個寬部分312，但在一優選實施方式中，每個非收集電極具有32個寬部分。在每個非收集條帶310上，窄部分313有規律地以一間距分布，該間距等於收集條帶110分布在半導體體積件100上的間距(圖1)。非收集條帶310另外被布置成以使這些窄部分313組沿垂直於方向305的方向進行。在載體300的邊緣之一上，可見18個傳導接點320。一旦所述裝置裝配好，所述傳導接點用於允許連接陽極110，如將在圖6和8上可見的。電極340存在於該組傳導接點320和齒狀的第一非收集條帶310之間，所述電極 340的功能類似於非收集電極310但由於靠近傳導接點320而應面對特殊絕緣約束。所述電極340具有呈連續三角形的幾何形狀。在所示的該實施方式中，看出所述非收集電極以澱積在一平表面上的印刷電路的形式被製造。所述梳子形狀是通過減小兩寬部分312之間的電極寬度、但在窄部分313 處保持用於傳導的足夠的寬度而獲得的。若所述非收集電極以另一種方式被製造，例如像文獻US 6037595中所示的利用有線連接，窄部分的寬度能減小至零，這樣傳導在寬部分平面後的一平面中進行。參照圖5，一旦載體300被製備有澱積在其表面的一組條帶310，在整個的條帶310 表面和將條帶隔開的空間隙上、以及對應於窄部分313的缺口上，進行介電材料或電絕緣材料的澱積。在一實施方式中，這是通過在條帶310之間澱積絕緣材料的第一步驟、然後通過在載體300的整個表面上澱積絕緣材料的第二步驟來實現的。被澱積在非收集條帶310上方的介電材料的厚度約為10 μ m,且所述厚度尤其適合於保證所有電極被有效地覆蓋。介電材料形成絕緣層500，所述絕緣層在背離載體300和條帶310的方向上具有平坦表面560，該平坦表面的粗糙度不超過幾個μπι。所述條帶310 被埋置在該絕緣層500中。在一優選的實施方式中使用的介電材料是由Electro Science Laboratories (公司)銷售的ESL 4909-mod，其電阻率為IO11 Ω . cm，相對介電常數ε ^等於9。在該情況下， 所述澱積在850°C下進行。在其他實施方式中，所述澱積在通常在高於100°C的其他溫度下進行。與現有技術的裝置相反的是，把絕緣材料澱積在與半導體塊100分離的載體300 上的事實，允許擺脫由半導體塊造成的溫度限制。因此能選擇在高溫下澱積的絕緣材料，而沒有破壞形成所述半導體塊100的半導體材料的風險。這樣一合適的澱積溫度允許控制所述絕緣層的表面560的粗糙度，該表面用於承靠著半導體塊的支承所述收集電極110(陽極)的面。所述半導體材料的電阻率約為101° Ω. cm，形成所述絕緣層500的介電材料的電阻率優選是其至少10倍。藉助這個條件，所述非收集電極310探測到的信號不受載流子收集幹擾。觀察到，所述非收集電極310是足夠地絕緣的。若選擇的材料具有符合本發明條件的相對介電常數和電阻率，由非收集電極產生的信號則具有令人滿意的信噪比。這樣的材料允許非收集電極310相對於半導體塊100有足夠的電絕緣，同時允許這些非收集電極和所述半導體之間的電容耦合。在一些變型中，分隔非收集電極和收集電極的介電材料的厚度是幾十個μπι，例如，2 μ m H 50 μ m。能判斷，無論非收集電極的形狀如何，前面所述實例的非收集電極在平行於所述平坦表面560的一平面中是沿所述第二方向305伸長的。在圖5中，還示出用於所示條帶310之一的一貫穿連接部510。該連接部510貫穿所述載體300兩側，以允許所述非收集電極310至電子讀取路徑的電連接以及允許由該條帶探測到的信號的測量。儘管除最左邊的連接部之外，其他連接部都沒有被示出，但為每個非收集條帶310均設置有一貫穿連接部510。在圖5中還示出包括觸點320和傳導杆520的連接構件。所述傳導杆520穿過載體300，以便能把所述觸點320連接至一些讀取電路，以測量由所述觸點320傳遞的一些電信號。在所示的實施方式中，觸點320的厚度等於條帶310與澱積於條帶上的絕緣材料的累積厚度，這樣使得觸點320具有接觸表面(在該圖上的上表面)，該接觸表面位於絕緣層500的表面560的延長部分中。該接觸表面還能相對所述表面560略微凹進(幾個μ m)， 接著該凹進部能被黏結劑佔據，如通過研究圖6將能理解的。在圖6中，示出圖2的半導體塊100與圖5的層狀載體的裝配。所述第一方向105 和第二方向305彼此垂直地布置，表面160和560以彼此相面對地呈放。在一變型中，所述第一和第二方向沒有彼此垂直地布置，而是彼此呈橫向地布置。在使用圖4的載體的一變型中，非收集電極的窄部分313直對收集條帶110地布置，因而每個寬部分312經由介電材料500與半導體塊100的沒有收集電極110的表面部分相對。一旦製造方法完成，這便允許在非收集電極獲得一特別高的信噪比。事實上，通過這樣布置窄區域313，把收集電極和非收集電極之間的電容耦合最小化，這樣的耦合是影響非收集電極所提供的信號的噪聲源。圖6的視圖以與圖5同樣的角度示出圖5的層狀載體，所述半導體塊100被布置成使得僅有一個第一條帶110從該圖的左邊至右邊可見。傳導黏結劑610被預先放置在觸點320的接觸表面上，並因而參與所述觸點320 與和所述觸點面對的半導體塊100的固定。表面160放置成使得每個連接區域120面對一觸點320，因此黏結劑610保證收集條帶110 (通過其連接區域)與觸點320的固定以及電接觸。該黏結劑厚度將選擇成儘可能的小，例如，約幾個μ m至十來個μπι。在一實施方式中，所使用的黏結劑610是在低溫下可聚合的(意指在小於80°C的溫度下可聚合的)傳導黏結劑，更準確的說是黏結劑EG8050。藉助所述表面560的小的粗糙度，避免在所述半導體塊100和所述非收集電極310 之間的意外的空氣泡的出現，這類空氣泡易造成絕緣層的電阻率和介電常數的隨機異質性。因此理解的是，利用這樣的方法，該絕緣層的電阻率和介電常數被更好地控制。探測器還配有靠著半導體塊100的下表面定位的、唯一的、平坦的並且正方形的陰極。在一個替代實施方式中，使用分段為幾個基本陰極的一陰極。在圖7中，示出如圖6中獲得的探測器的正視圖。為了滿足該圖的需要，所述半導體塊100被表示為透明的，以便顯現電極110和310。在該圖中示出這些電極的方向，分別為方向105和305。圖8是圖7視圖的放大。看到在第一平面的一收集條帶110，其垂直於一非收集條帶310且收集條帶110的寬度明顯較小。還看到一用以回收通過收集電極110測得的信號的連接區域120。在圖9中，以3/4視圖表示出一探測裝置，所述探測裝置包括四個探測器，它們按照本發明實施並且彼此對接地設置在同一個載體300上。因而，最終的所述裝置得益於一在其平面的兩個方向中邊長5cm的探測表面，沒有死區，所述探測表面是對接的。與所有電極——無論這些電極是收集電極或者非收集電極——相關的連接位於載體300的內部，因而提供極大的緊湊性。通過在每個陰極和作為收集陽極的條帶110之間施加電位差，所述裝置被置於電壓下。在一優選方式中，所述陰極被置於一大的負電位，且所述收集陽極被置於接近於大地電位的公共電位上。所述條帶310將用作非收集電極，測量電荷在所述半導體塊100中的移動所感應的信號。所述非收集電極全被置於同一電位，所述同一電位在一個實施方式中與收集陽極的電位相同。在一變型中，收集陽極和非收集電極被置於不同的電位。事實上，諸如前面所描述的介電材料的選擇，使所述非收集電極同時與所述半導體塊和收集陽極電絕緣。在圖10中，在同一線圖上示出由按照本發明的裝置的一非收集電極所測得的信號1100和由該裝置的一收集電極(陽極)測得的信號1150。橫坐標軸表示時間，刻度為 μ s，而縱坐標軸表示測得的電位差。觀察到，陽極的電位經受約50mV的驟降，而然後基本保持恆定，而非收集電極的電位經受約16mV的短暫下降，卻迅速地恢復其初始值。非收集電極的電位變化略微在陽極電位變化開始之前開始，如對感應信號所期待的那樣。觀察到的在非收集電極的信噪比是極好的，這允許所述裝置被用於強空間解析度式的探測。在圖11中，示出一測試裝置，其模擬人體甲狀腺，在該甲狀腺內有伽馬射線發射同位素，用以重現醫學成像試驗的條件。在圖12中，示出按照本發明獲得的成像的結果。值得注意的是，在該二維圖像中， 以精細圖像的高空間解析度、高清晰度和高對比度精確地看出圖11的甲狀腺的結構。儘管上面利用碲化鎘鋅晶體進行了描述，但本發明能利用如砷化鎵GaAs、矽、碘化汞HgI2、溴化鈦TiBr的不同半導體材料或其它適當的、優選電阻率大於IO9 Ω . cm的材料來實施，這允許在任何致電離輻射不存在的情況下出現的電荷分離的數目仍是特別有限的。此外，在一些替代實施方式中，介電材料500是名為Dupont 5704的已知材料，該材料的相對介電常數在8和10之間，而電阻率接近IO12 Ω . cm,或者介電材料500是名為ESL 4905C的已知材料，該材料的電阻率為IO11 Ω. cm，而相對介電常數在7和10之間。對於這些介電材料中的每一個，在非收集電極處獲得了可利用的信號。要提醒的是，CdSiTe型探測器材料的電阻率約為1(ΓΩ. cm、甚至10"Ω. cm。使用的絕緣材料有利地具有大於5、或優選大於6、甚至大於8並且小於10或15的相對介電常數，和在IO11 Ω . cm和IO12 Ω . cm之間的電阻率。在載體和半導體塊可接合的情況下，該方法是有利的能夠將它們兩兩地相結合併構成具有大表面積的探測裝置，並把死區減到最小，死區是位於兩相鄰探測器之間的界面處、無助於探測的區。本發明不限於所描述的實施方式，而是延伸至本領域技術人員的能力範圍內的所
有變型。
權利要求
1.致電離輻射探測裝置的製造方法，所述裝置包括半導體材料塊(100)，稱為半導體塊，所述半導體塊適於經受在致電離輻射的作用下在正電荷和負電荷之間的電荷的局部分離；第一系列的至少兩個電極(130)，稱為收集電極，所述收集電極與所述半導體塊(100) 電接觸；第二系列的至少兩個電極(310)，稱為非收集電極，所述非收集電極通過稱為絕緣層的電絕緣材料層(500)與所述半導體塊(100)隔開，所述方法包括下列步驟-在所述半導體塊(100)的一表面上形成所述收集電極(130)，-在載體(300)的一表面上形成所述非收集電極(310)，所述方法的特徵在於，在所述載體(300)上形成所述絕緣層(500)以覆蓋所述非收集電極後，把承載所述收集電極(130)的所述半導體塊(100)與承載所述非收集電極和所述絕緣層的所述載體(300)裝配在一起。
2.按照權利要求1所述的製造方法，其特徵在於，所述收集電極(110)呈條帶形狀。
3.按照權利要求2所述的製造方法，其特徵在於，形成所述收集電極(110)的所述條帶通過平板印刷被澱積在所述半導體塊(100)的所述表面上。
4.按照上述權利要求中任一項所述的製造方法，其特徵在於，所述非收集電極(310) 按印刷電路製造方法被形成於所述載體的所述表面(300)。
5.按照上述權利要求中任一項所述的製造方法，其特徵在於，所述絕緣層(500)通過在所述載體(300)上澱積液態絕緣材料來實現。
6.按照上述權利要求中任一項所述的製造方法，其特徵在於，所述半導體塊和所述載體的裝配藉助黏結劑(610)進行。
7.按照上述權利要求中任一項所述的製造方法，其特徵在於，至少一個連接構件 (320,520)被布置在所述載體(300)中，以便所述連接構件完全穿過所述載體並具有接觸表面，所述接觸表面在所述絕緣層形成後與該絕緣層(500)的表面(560)齊平；並且，進行所述裝配，以便使一收集電極(110)與連接傳導構件(320)電接觸。
8.按照上一權利要求所述的製造方法，其特徵在於，通過使用布置在所述收集電極 (110)的一連接區域(120)和所述連接構件的所述接觸表面(320)之間的導電黏結劑，來進行所述裝配。
9.按照上述權利要求中任一項所述的製造方法，其特徵在於，用來形成所述絕緣層 (500)的材料具有在5和15之間的相對介電常數、以及在1011 Ω. cm和1012 Q.cm之間的電阻率。
10.按照上一權利要求所述的製造方法，用來形成所述絕緣層(500)的材料是ESL 4909-mocL
11.按照上述權利要求中任一項所述的製造方法，其特徵在於，至少一收集電極(110) 具有的寬度小於一非收集電極(310)的寬度。
12.按照上述權利要求中任一項所述的製造方法，其特徵在於，形成至少一具有至少兩個擴寬部分(31 的非收集電極(310)，用以測量電荷在所述半導體塊(100)中運動所感應的信號；並且，進行所述裝配步驟，以使一收集電極(110)與一在所述兩個擴寬部分(312) 之間的空間(313)相對。
13.按照上述權利要求中任一項所述的製造方法，所述載體(300)是陶瓷製的。
14.按照上一權利要求所述的製造方法，所述載體(300)是氧化鋁製的。
15.致電離輻射探測裝置，其包括-稱為半導體塊的半導體材料塊(100)，所述半導體塊適於經受在致電離輻射的作用下在正電荷和負電荷之間的電荷的局部分離，-第一系列的至少兩個電極(110)，稱為收集電極，所述收集電極與所述半導體塊 (100)電接觸，-第二系列的至少兩個電極(310)，稱為非收集電極，所述非收集電極由載體(300)承載，並通過稱為絕緣層的電絕緣材料層(500)與所述半導體塊(100)隔開；其特徵在於，形成所述絕緣層的電絕緣材料具有大於或等於IO11Q^m的電阻率和大於5的相對介電常數。
16.致電離輻射探測裝置，其包括-稱為半導體塊的半導體材料塊(100)，所述半導體塊適於經受在電離輻射的作用下在正電荷和負電荷之間的電荷的局部分離，-第一系列的至少兩個電極(110)，稱為收集電極，所述收集電極與所述半導體塊 (100)電接觸，-第二系列的至少兩個電極(310)，稱為非收集電極，所述非收集電極由載體(300)承載，並通過稱為絕緣層的電絕緣材料層(500)與所述半導體塊(100)隔開，其特徵在於，至少一非收集電極(310)包括至少兩個擴寬部分(312)，用以測量電荷在所述半導體塊(100)中運動所感應的信號；並且，至少一收集電極(110)延伸在所述兩個擴寬部分(312)之間的空間(313)對面。
17.致電離輻射探測裝置，其包括-稱為半導體塊的半導體材料塊(100)，所述半導體塊適於經受在致電離輻射的作用下在正電荷和負電荷之間的電荷的局部分離，-第一系列的至少兩個電極(110)，稱為收集電極，所述收集電極與所述半導體塊 (100)電接觸，-第二系列的至少兩個電極(310)，稱為非收集電極，所述非收集電極由載體(300)承載，並通過稱為絕緣層的電絕緣材料層(500)與所述半導體塊(100)隔開，其特徵在於，至少一收集電極(110)具有的寬度小於一非收集電極(310)的寬度。
全文摘要
本發明涉及致電離輻射探測裝置的製造方法，所述裝置包括稱為半導體塊的半導體材料塊(100)，半導體塊適於經受在電離輻射的作用下在正電荷和負電荷之間的電荷的局部分離；第一系列的至少兩個電極(130)，稱為收集電極，收集電極被形成在所述半導體塊(100)的表面；第二系列的至少兩個電極(310)，稱為非收集電極，非收集電極由一載體(300)承載，並被稱為絕緣層的介電材料或電絕緣材料制的層(500)與半導體塊(100)隔開。所述方法的特徵在於，在載體(300)上形成絕緣層(500)以覆蓋非收集電極之後，把承載收集電極(130)的半導體材料塊(100)與承載非收集電極和絕緣層的載體(300)裝配在一起。
文檔編號H01L27/146GK102393530SQ201110293900
公開日2012年3月28日 申請日期2011年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者G·蒙特蒙, L·韋爾熱, M-C·讓泰, O·莫內 申請人:原子能及能源替代委員會