專利名稱：檢測器、用于制造檢測器的方法和成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測器、制造所述檢測器的方法和成像裝置。具體來說，但并不排他，本發(fā)明涉及中子檢測器、與所述中子檢測器相關(guān)聯(lián)的中子反應(yīng)材料和中子成像裝置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)知道不同種類的檢測器用于檢測、跟蹤和/或識(shí)別電離輻射和高能粒子，諸如核衰變、宇宙輻射或者粒子加速器中的反應(yīng)所產(chǎn)生的粒子。電離輻射的類型以及經(jīng)由與其他粒子碰撞而產(chǎn)生電尚福射的粒子的一些不例為Ct粒子(氦核)、^粒子(電子)、中子、伽馬射線(高頻電磁波、X射線一般與伽馬射線相同，除了它們的來源之外)、以及作為示例 的帶電強(qiáng)子。中子本身不會(huì)電離，而是它們與核子的碰撞導(dǎo)致發(fā)射出會(huì)導(dǎo)致電離的其他帶電粒子?，F(xiàn)在存在用于不同類型的輻射和粒子的專用檢測器。為了檢測輻射，利用與物質(zhì)相互作用的過程，其中相互作用的介質(zhì)將不可見的輻射轉(zhuǎn)換為可檢測的信號(hào)。如果輻射由帶電粒子諸如a粒子、電子或正電子構(gòu)成，則電磁相互作用產(chǎn)生可以收集和檢測的電荷。它還能引發(fā)進(jìn)一步的過程，這些過程可以在檢測器介質(zhì)中產(chǎn)生可檢測或可記錄的信號(hào)。輻射或粒子(諸如中子)必須與物質(zhì)相互作用并且將其能量轉(zhuǎn)移給帶電粒子(例如電子)。例如，電中性的伽馬輻射通過電磁過程與物質(zhì)相互作用，并且將其部分或全部能量轉(zhuǎn)移給載荷子。為了記錄熱中子，需要導(dǎo)致例如帶電粒子(諸如a粒子)的中子俘獲。所有檢測器都利用輻射與物質(zhì)相互作用、大部分經(jīng)由電離相互作用這一事實(shí)。檢測器將電離輻射攜帶的能量轉(zhuǎn)換成被記錄的信號(hào)，通常是電信號(hào)。與輻射的相互作用發(fā)生在相互作用介質(zhì)中，并且產(chǎn)生被收集和檢測的電荷。目前非常常見的檢測器是采用半導(dǎo)體(通常是硅或鍺)來檢測橫穿的帶電粒子或者光子吸收的半導(dǎo)體檢測器。在半導(dǎo)體檢測器中，借助在布置于兩個(gè)電極之間的檢測器中釋出的載荷子數(shù)量來測量輻射。由電離輻射產(chǎn)生的自由電子和空穴(電子-空穴對(duì))的數(shù)量與輻射傳遞給半導(dǎo)體的能量成比例。結(jié)果是，大量電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶，并且在價(jià)帶中形成等量的空穴。在電場的影響下，電子和空穴向電極遷移，它們?cè)谀抢锂a(chǎn)生可以在外部電路中測量的脈沖?？昭ㄏ鄬?duì)于電子向相反的方向遷移，并且兩者都可以測量。由于產(chǎn)生電子-空穴對(duì)所需的能量大小是已知的，并且獨(dú)立于入射輻射的能量，所以測量電子-空穴對(duì)的數(shù)量允許測量入射輻射的能量。半導(dǎo)體檢測器基于晶片，晶片是半導(dǎo)電材料諸如硅晶體的薄切片，例如通過摻雜(例如，擴(kuò)散或離子植入)、化學(xué)蝕刻或者沉積各種材料而在所述薄切片上構(gòu)造微電路。原則上，大多數(shù)硅粒子檢測器利用硅上的二極管結(jié)構(gòu)工作，這種二極管結(jié)構(gòu)則反向偏置。二極管是限制載荷子定向流動(dòng)的部件?；旧?，二極管允許電流向一個(gè)方向流動(dòng)，而阻止其向相反方向流動(dòng)。當(dāng)帶電粒子經(jīng)過這些二極管結(jié)構(gòu)時(shí)，它們導(dǎo)致可以檢測和測量的較小的電離電流。在粒子加速器中的碰撞點(diǎn)周圍布置數(shù)千個(gè)這種檢測器，可以給出粒子所遵循的路徑的精確圖案。用于檢測高強(qiáng)度輻射或粒子的硅檢測器的例子由W02009/071587描述，其中檢測器包括具有進(jìn)入開口的硅晶片，所述進(jìn)入開口通過硅的低阻抗體積蝕刻；高阻抗硅的敏感體積，用于將輻射粒子轉(zhuǎn)換成可檢測的電荷；和位于高阻抗硅層和低阻抗硅層之間的鈍化層。檢測器進(jìn)一步包括構(gòu)建成豎直通道形式、用于收集電荷的電極，其中所述通道蝕刻到敏感體積中；和用于從被收集的電荷產(chǎn)生信號(hào)的讀出電子器件。所述檢測器構(gòu)造成通過鈍化層直接攝入待檢測的輻射或粒子，并且敏感層的厚度作為待檢測的粒子的平均自由程的函數(shù)來選擇。W02009/071587的檢測器利用半導(dǎo)體位于絕緣體上的(SOI)晶片來制造，這種晶片包括兩個(gè)n型硅的最外層和二氧化硅的中間層。制造方法的主要特征在于以下步驟作為待檢測粒子的平均自由程的函數(shù)，選擇在前表面處作為敏感層的其中一個(gè)硅層的厚度；通過留下開放窗口而在晶片的兩個(gè)表面上生長或沉積絕緣層；在所述層中蝕刻孔以構(gòu)造敏感層，從而達(dá)到二氧化硅層；摻雜所述孔以形成電極；在所述晶片的前表面處沉積或圖案化所述金屬層，并且將所述金屬層引導(dǎo)到讀出電子器件；和在所述晶片的背面形成達(dá)到所述二氧化硅層的窗口。W02009/071587的檢測器例如可以通過如下所述來檢測高強(qiáng)度輻射粒子讓輻射或粒子通過進(jìn)入窗口進(jìn)入檢測器，將高阻抗硅的敏感體積中的中性原子電離；在蝕刻到敏感體積中的電極之間施加電壓；和借助讀出電子器件檢測作為與電極接觸的結(jié)果而產(chǎn)生的信號(hào)。所述檢測器還可在進(jìn)入窗口具有聚乙烯減速劑，用于檢測中子。此外，從現(xiàn)有技術(shù)中還獲知其他一些中子檢測器，諸如W02007/030156A2中的檢測器，其中基于半導(dǎo)體的元件作為電信號(hào)發(fā)生介質(zhì)用于檢測中子。這種元件可以合成并例如以位于半導(dǎo)體基材上或其中的半導(dǎo)體點(diǎn)、導(dǎo)線或?qū)е男问绞褂?，所述半?dǎo)體基材嵌有高截面中子轉(zhuǎn)換器材料的基質(zhì)，所述的中子轉(zhuǎn)換材料可以在與中子相互作用時(shí)發(fā)射帶電粒子作為反應(yīng)產(chǎn)物。這些帶電粒子又能在半導(dǎo)體元件中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)以及可檢測的電流和電壓。特別是W02007/030156A2公開了一種用于檢測中子的裝置，所述裝置包括能在與一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生的粒子相互作用時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的基材；僅從所述基材的單一預(yù)定表面延伸到所述基材中的多個(gè)嵌入式轉(zhuǎn)換器材料，其中所述嵌入式轉(zhuǎn)換器材料配置成在與一個(gè)或多個(gè)接收到的待檢測中子相互作用時(shí)釋放所述反應(yīng)產(chǎn)生的粒子，并且其中所述嵌入式轉(zhuǎn)換器材料適配成至少一個(gè)維度小于所述一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生的粒子的大約平均自由程，以有效地導(dǎo)致產(chǎn)生所述電子-空穴對(duì)；以及至少一對(duì)非嵌入式電極，耦接到所述基材的預(yù)定表面，其中所述至少一對(duì)電極的每個(gè)電極包括基本上線性的結(jié)構(gòu)，并且其中由預(yù)定的所述至少一對(duì)電極接收的來自所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的信號(hào)是所述被接收的中子的指示。所述導(dǎo)柱分別耦接到信號(hào)收集電子器件，從而指示所述被接收的中子的方向。此外，W02004/040332公開了一種中子檢測器，該中子檢測器利用帶有間隔開的空腔陣列的半導(dǎo)體晶片，所述空腔填充有一種或多種類型的中子反應(yīng)材料，諸如kiB或6LiF,用于針對(duì)與中子的相互作用來釋放輻射反應(yīng)產(chǎn)物。所述空腔蝕刻到所述設(shè)備的前表面和背面兩者之中，以使來自一側(cè)的所述空腔包圍來自另一側(cè)的所述空腔。所述空腔可以經(jīng)由孔或者蝕刻槽或溝道來蝕刻。在另一種實(shí)施方式中，所述空腔尺寸不同，并且較小的空腔從較大的空腔的下表面延伸到所述晶片中。在第三實(shí)施方式中，多層不同的中子響應(yīng)材料形成 在晶片的一側(cè)或多側(cè)。這種新設(shè)備在室溫下操作，結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固并且設(shè)計(jì)可靠。
但是，仍然存在與已知方案相關(guān)的問題，即由中子與中子反應(yīng)材料之間的相互作用所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物僅有最小的一部分會(huì)導(dǎo)致與半導(dǎo)體的任何相互作用。這種情況至少部分原因是行進(jìn)的反應(yīng)產(chǎn)物的方向是任意的。此外，由于大多數(shù)中子源或反應(yīng)伴隨著伽馬或X射線背景，并且因?yàn)橹行再ゑR或X射線輻射與檢測器的半導(dǎo)體物質(zhì)相互作用，所以伽馬或X射線背景將干擾精確測量，這是不希望的影響，尤其是對(duì)中子成像裝置來說。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是緩解與已知檢測器有關(guān)的這些缺陷。特別是，本發(fā)明的目的是提 供一種檢測器，這種檢測器允許有效檢測所產(chǎn)生的中子反應(yīng)產(chǎn)物，從而還提供一種有效的中子檢測器。本發(fā)明實(shí)施方式另外的目的是提供一種檢測器，該檢測器除了對(duì)于檢測中子敏感，而且與此同時(shí)對(duì)于背景伽馬和/或X射線“透明”。此外，本發(fā)明的目的是提供一種能快速收集電荷且耐輻射性優(yōu)秀的檢測器。本發(fā)明一種實(shí)施方式涉及如權(quán)利要求I所述的檢測器，另一種實(shí)施方式涉及如權(quán)利要求19所述的中子檢測設(shè)備，進(jìn)一步的實(shí)施方式涉及如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，更進(jìn)一步的實(shí)施方式涉及如權(quán)利要求23所述的中子成像裝置，而更進(jìn)一步的實(shí)施方式涉及如權(quán)利要求24所述的制造檢測器的方法。根據(jù)本發(fā)明可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，所述檢測器包括用作中子敏感轉(zhuǎn)換器的中子反應(yīng)材料，所述中子敏感轉(zhuǎn)換器適配成與待檢測中子相互作用，并且根據(jù)檢測器中所用的中子反應(yīng)材料，針對(duì)所述與中子的相互作用而釋放電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物或者反沖核，諸如7Li、3H、155Gd、158Gd、114Cd、質(zhì)子、a粒子、氚核粒子、裂變碎片、內(nèi)部轉(zhuǎn)換的電子和/或伽馬光子。此外，所述檢測器可能具有優(yōu)勢地包括第一半導(dǎo)體元件，所述第一半導(dǎo)體元件與所述中子反應(yīng)材料耦合并適配成與所述電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物相互作用并且提供與所述電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物的能量成比例的電荷(電子-空穴對(duì))。所述第一半導(dǎo)體元件可能具有優(yōu)勢地是硅晶片，但是其他半導(dǎo)電材料也可以使用，諸如砷化鎵(GaAs)或者碲化鎘(CdTe)。所述檢測器還包括電極，所述電極布置成與所述第一半導(dǎo)體元件連接，用于提供電荷收集區(qū)域并且用于收集在與所述第一半導(dǎo)體相互作用時(shí)由所述電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生的電荷。所述檢測器還包括與所述電極電連接的讀出電子器件，以提供與所述被收集的電荷成比例的電可讀信號(hào)。根據(jù)一種實(shí)施方式，所述中子反應(yīng)材料布置在所述檢測器中，基本上與所述電極位于所述第一半導(dǎo)電元件的同一側(cè)，以便所述電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物可能具有優(yōu)勢地在所述第一半導(dǎo)體元件的所述部分中產(chǎn)生電荷，其中所述部分可能具有優(yōu)勢地處于由所述第一半導(dǎo)體元件內(nèi)或其上的電極所提供的電荷收集區(qū)域附近或周圍。根據(jù)一種實(shí)施方式，所述中子反應(yīng)材料可以布置在所述檢測器中，以使待檢測的入射中子與最接近由所述第一半導(dǎo)體元件內(nèi)或其上的電極所提供的所述電荷收集區(qū)域的那一部分中的中子反應(yīng)材料相互作用，其中所述中子反應(yīng)材料連接或耦接所述第一半導(dǎo)體元件。可能具有優(yōu)勢的是，所述中子反應(yīng)材料布置成讓所述中子轉(zhuǎn)換器的表面積最大化。這種實(shí)施方式提供顯然的優(yōu)勢，即由所述第一半導(dǎo)體中的所述反應(yīng)產(chǎn)物所產(chǎn)生的電荷(電子-空穴對(duì))中增大的一部分可以被電極俘-M-犾。根據(jù)一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，所述中子反應(yīng)材料至少部分地布置在所述第一半導(dǎo)體的電極之間。根據(jù)一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，所述第一半導(dǎo)體元件的厚度可能具有優(yōu)勢地適配成在電學(xué)上(耗盡層)和/或物理上非常薄，以便其本質(zhì)上和實(shí)際上對(duì)于入射光子諸如背景伽馬光子透明。根據(jù)示例實(shí)施方式，所述第一半導(dǎo)體元件的所述厚度大約為10 Pm。根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，所述第一半導(dǎo)體元件的厚度介于10-30 之間。所述第一半導(dǎo)體元件的纖薄度例如可以如下來實(shí)現(xiàn)通過物理去除半導(dǎo)體材料(機(jī)械地背部削薄)或者通過適當(dāng)摻雜半導(dǎo)體，從而僅產(chǎn)生較薄的活性層，或者即電子地布
超薄檢測器可以相對(duì)于已知檢測器提供另外的優(yōu)勢，因?yàn)楫?dāng)?shù)谝话雽?dǎo)電層的厚度處于10-30 y m的范圍時(shí)，到來的光子諸如背景伽馬或X射線基本上不會(huì)與所述半導(dǎo)電層相互作用。例如，當(dāng)半導(dǎo)電層的厚度大約為IOym時(shí)，遠(yuǎn)少于0. 1%的背景伽馬與其相互作用，這顯然可以忽略。因此，例如硅的薄層或者硅檢測器內(nèi)同等地較薄的電荷收集區(qū)域代表著對(duì)到來的光子的可忽略的轉(zhuǎn)換可能性。對(duì)于軟X射線來說，轉(zhuǎn)換可能性最大，但是對(duì)于10微米厚的有效Si檢測器來說，仍然低于百分之一。超薄檢測器(特別是超薄第一半導(dǎo)體和轉(zhuǎn)換器材料)允許例如成像，因?yàn)閷?duì)于伽馬和X射線光子透明。此外，當(dāng)檢測器為超薄時(shí)，所產(chǎn)生的載荷子可以被電荷收集區(qū)域諸如電極有效地俘獲。中子反應(yīng)材料可能具有優(yōu)勢地形成中子敏感轉(zhuǎn)換器。根據(jù)一種實(shí)施方式，中子敏感轉(zhuǎn)換器的厚度也可以適配成物理上非常薄，以使其本質(zhì)上且實(shí)際上對(duì)于入射光子諸如背景伽馬光子透明。根據(jù)示例實(shí)施方式，中子敏感轉(zhuǎn)換器的厚度最大為10-30 ym。中子敏感轉(zhuǎn)換器的纖薄度可以通過制造方法來實(shí)現(xiàn)，其中通過應(yīng)用表面沉積法諸如激光燒蝕、原子層沉積(ALD)、光刻法或者濺射技術(shù)，中子反應(yīng)材料布置在第一半導(dǎo)體元件上和/或內(nèi)側(cè)。根據(jù)一種實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料可以引入到半導(dǎo)體元件的表面上，作為中子敏感轉(zhuǎn)換器層。但是，根據(jù)另一種實(shí)施方式，也可以采用其他形式。例如，第一半導(dǎo)體元件可以另外設(shè)置有孔，比如柱形、通道、溝槽和/或其他空腔，它們從而以中子反應(yīng)材料填充。根據(jù)一種實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料也可以離子植入到所述第一半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，并且可能甚至具有優(yōu)勢地植入到表面層中接近電荷收集區(qū)域的地方，以便被釋放的電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物可以有效地到達(dá)第一半導(dǎo)體并且所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)可以被所述電荷收集區(qū)域有效地俘獲。根據(jù)一種實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料布置在檢測器中，以使待檢測的入射中子在到達(dá)中子反應(yīng)材料之前，先穿過第一半導(dǎo)體元件的至少一部分。這樣可具有的優(yōu)勢是，轉(zhuǎn)換材料的厚度不是非常精確，因?yàn)槿肷渲凶釉谂c轉(zhuǎn)換材料相互作用時(shí)遵循指數(shù)衰減定律，正如本文中其他地方所述。根據(jù)一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料也可以布置在第一半導(dǎo)體元件和與所述第一半導(dǎo)體元件耦接的讀出電子器件之間。此外，中子反應(yīng)材料也可以施加在所述第一半導(dǎo)體兀件的表面上和/或所述讀出電子器件的表面上。另外，根據(jù)一種實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料可以適配成形成中子敏感轉(zhuǎn)換器，所述中子敏感轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)表面的形狀復(fù)雜、成回旋狀或者高低不平，諸如成鋸齒狀。此外，根據(jù)一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料可以成簇布置在所述第一半導(dǎo)體元件的表面上和/或表面內(nèi)、布置在所述讀出電子器件和所述第一半導(dǎo)體元件之間，和/或所述第一半導(dǎo)體元件的表面上。這例如可以通過本文中其他地方所述的激光燒蝕來實(shí)現(xiàn)。中子反應(yīng)材料應(yīng)用在不同地方并且在檢測器中具有復(fù)雜、回旋狀或高低不平的形狀的上述實(shí)施方式，使得檢測器中的中子反應(yīng)材料的表面積最大化，以便更多的中子將與中子反應(yīng)材料相互作用。這可以提供明顯的優(yōu)勢，諸如提高了將入射中子轉(zhuǎn)換成反應(yīng)產(chǎn)物的效率。另外，中子也可以與接近讀出電子器件、第一半導(dǎo)體元件以及特別是電荷收集區(qū)域(電極)的中子反應(yīng)材料相互作用，這使得檢測器對(duì)于檢測中子非常有效。此外，所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物從源頭到半導(dǎo)體和電極的距離可以有效地最小化，這進(jìn)一步提高了檢測器的效率。根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，所述檢測器還可以另外包括第二半導(dǎo)體元件，所述第二半導(dǎo)體元件通常比與中子反應(yīng)材料耦合的第一半導(dǎo)體元件更厚。根據(jù)一種示例，所述第二半導(dǎo)體元件比第一半導(dǎo)體元件厚數(shù)百倍，可能具有優(yōu)勢地是幾個(gè)毫米，并且根據(jù)一種示例，在5_的量級(jí)。第二半導(dǎo)體元件可能具有優(yōu)勢地非常厚，以使其對(duì)于在中子與中子反應(yīng)材料相互作用時(shí)產(chǎn)生的伽馬光子敏感。此外，第二半導(dǎo)體元件適配成提供與所述伽馬光子的能量成比例的電荷(電子-空穴對(duì))。根據(jù)一種實(shí)施方式，第二半導(dǎo)體元件可以用于例如確定被檢測的中子的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，諸如例如在中子反應(yīng)材料中由中子產(chǎn)生的伽馬光子的路徑，或者中子在中子反應(yīng)材料中的反應(yīng)位置，以及入射中子的能量。因此，在確定了伽馬光子的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征(動(dòng)量或者能量和方向)和反應(yīng)產(chǎn)物的能量時(shí)，可以識(shí)別所述入射光子的源或者來源。根據(jù)一種實(shí)施方式，檢測器包括用于提供時(shí)間窗的另外的重合裝置或者與其相耦接，在所述時(shí)間窗期間，伽馬光子被第二半導(dǎo)體元件檢測。時(shí)間窗的起始點(diǎn)可以由中子與產(chǎn)生所述伽馬光子的中子反應(yīng)材料的相互作用來觸發(fā)，或者實(shí)際上由于檢測所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)而由第一半導(dǎo)體元件的電極所產(chǎn)生的電信號(hào)來觸發(fā)，正如本文中其他地方所述。這樣保證了例如被第二半導(dǎo)電元件檢測到的伽馬光子通過與中子反應(yīng)材料相互作用的中子所產(chǎn)生，因此排除了例如不希望的背景伽馬或X射線光子。此外，可以應(yīng)用能量鑒別來排除不希望的背景伽馬或X射線光子，它們的能量明顯不同于在中子轉(zhuǎn)換材料中由被檢測的中子所產(chǎn)生的伽馬光子的能量。應(yīng)該注意，上述實(shí)施方式中所述的第一和/或第二半導(dǎo)體元件可以在電學(xué)上劃分為多個(gè)區(qū)域或像素，由此可以確定中子撞擊檢測器的精確位置或者至少由中子產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物。這種劃分例如可以通過在半導(dǎo)電材料中和/或其上施加多個(gè)電極來實(shí)現(xiàn)，以便在半導(dǎo)體元件中產(chǎn)生的電荷適配成被最近的電極收集。因此，所產(chǎn)生的電荷的位置根據(jù)收集所述電荷的電極的位置來確定。所述讀出電子器件例如可以由ASIC或者類似的芯片來實(shí)施，它們可以例如經(jīng)由凸塊焊接元件與半導(dǎo)體元件的電極倒裝焊接。所述讀出電子器件具有優(yōu)勢地適配成檢測由電極收集的電荷，并且產(chǎn)生對(duì)位置敏感或不敏感的、與被收集電荷成比例的電信號(hào)。根據(jù)一種實(shí)施方式，所述讀出電子器件可以實(shí)施為僅用于檢測計(jì)數(shù)(由此所述電極可以短路，因?yàn)椴恍枰恢眯畔?，但是根據(jù)另一種實(shí)施方式，也用于確定劑量或者甚至提供用于中子成像的信息，特別是在也提供位置信息時(shí)。根據(jù)一種實(shí)施方式，第一半導(dǎo)體元件經(jīng)由多個(gè)凸塊焊盤區(qū)域和凸塊焊接元件諸如、焊球而凸塊焊接到讀出電子器件上。中子反應(yīng)材料可能具有優(yōu)勢地布置在所述凸塊焊盤區(qū)域之間，以及讀出電子器件和凸塊焊接元件(底層填充材料)之間。此外，根據(jù)一種實(shí)施方式，凸塊焊接元件也可以包括所述中子反應(yīng)材料。用于中子轉(zhuǎn)換器材料的可能的核子例如為10B (n, a )10B+n ^ 7Li+ a2. 792MeV (6%)7Li*+ a + y (0. 48MeV)2. 31OMeV (94%)ELi+Ea =Q=2. 31mLivLi = mavaVImuIiji = ^2maEj =>■ Kn = 0.84^^17,, Ea =1. 47MeV(94%)ELi=l. OlMeV, Ea=L 78MeV(6%)中子俘獲截面o =3842b (0. 0253eV)。天然硼的iqB豐度為19. 8%。6Li(n, a )6Li+n — 3H+ a4. 78MeVE3H=2. 73MeV, E a =2. 05MeV中子俘獲截面o =942b (0. 0253eV)。天然鋰的6Li豐度為7. 40%。3He (n, p)3He+n — 3H+p0. 764MeVE3h = 0. 191MeV, Ep = 0. 573MeV中子俘獲截面o =5320b(0. 0253eV)。這是市場上可以買到，但是較昂貴的材料。155Gd155Gd+n — 155Gd+ y (0. 09，0. 20，0. 30keV) + 轉(zhuǎn)換電子中子俘獲截面O=6079 Ib (0. 0253eV)。157Gd157Gd+n — 158Gd+ y (0. 08，0. 18，0. 28keV) + 轉(zhuǎn)換電子中子俘獲截面O =25501 Ib (0. 0253eV)。天然釓中的157Gd豐度為15. 70%，它發(fā)射伽馬光子。在39%的俘獲中，發(fā)射能量主要為72keV的轉(zhuǎn)換電子(也發(fā)射能量更高的電子)。轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)30%。113Cd113Cd+n — 114Cd+ y (558keV) + 轉(zhuǎn)換電子中子俘獲截面O=20743b (0. 0253eV)。


接下來，將參照附圖，僅作為非限制性的示例，更為詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方式，在附圖中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，帶有沉積在表面上的中子轉(zhuǎn)換器的平面半導(dǎo)體中子檢測器； 圖2A-C示出了有效密度不同的LiF中a和/或氚核的射程圖表，其中a粒子和氚核是6Li上的中子俘獲產(chǎn)物；
圖3A-B示出了對(duì)于6LiF和wB轉(zhuǎn)換器來說，中子檢測效率作為中子轉(zhuǎn)換器厚度的函數(shù)的依存性(兩種類型的轉(zhuǎn)換器示出了檢測效率最高的最優(yōu)厚度。它是兩種類型的轉(zhuǎn)換器的大約5%o )；圖4A-B示出了轉(zhuǎn)換器側(cè)(a)和檢測器側(cè)(b)輻射的示意圖，示出了在中子轉(zhuǎn)換器中俘獲的中子數(shù)量；圖5示出了對(duì)于前側(cè)和背側(cè)輻射來說，檢測效率作為LiF轉(zhuǎn)換器厚度的函數(shù)；圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，用于制造帶有中子反應(yīng)材料的中子檢測器的方法；圖6B示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，用于制造帶有中子反應(yīng)材料的中子檢測器的另一種方法； 圖7A-D示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，通過針對(duì)圖6A-B所述的方法制造的電學(xué)上較薄的結(jié)構(gòu)的示例；圖8A示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有沉積在表面上的中子轉(zhuǎn)換器的物理較薄的平面半導(dǎo)體中子檢測器的示例；圖8B-C示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有沉積在表面上的中子轉(zhuǎn)換器的較薄的半導(dǎo)體中子檢測器的示例；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式的半導(dǎo)體檢測器，其中轉(zhuǎn)換器在外表面和與檢測器敏感體積耦合的表面具有更為復(fù)雜或高低不平的形狀；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，在其表面上帶有中子反應(yīng)材料的檢測器；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有孔的半導(dǎo)體檢測器；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施例的檢測器的像素化結(jié)構(gòu)，以便檢測中子碰撞及其在檢測器上的位置；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有讀出芯片的半導(dǎo)體檢測器；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有另外的第二半導(dǎo)電元件的半導(dǎo)體檢測器；圖15示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有包括中子反應(yīng)材料的電極的中子檢測器；圖16A-B示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有布置在半導(dǎo)體元件表面上的凸塊焊接元件和溝槽的半導(dǎo)體元件；圖16C-D示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有凸塊焊接元件和以中子反應(yīng)材料填充的溝槽的半導(dǎo)體元件；圖17A-C示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式的中子檢測器；圖18示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式的用于檢測中子的設(shè)備；和圖19示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，采用本發(fā)明的中子檢測器的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式I檢測器結(jié)構(gòu)一中子轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體檢測器(例如，圖I和10-18所示)通常適于熱中子檢測和成像，并且利用將中子“轉(zhuǎn)換”成反應(yīng)產(chǎn)物的材料(中子反應(yīng)材料)進(jìn)行補(bǔ)充。反應(yīng)產(chǎn)物具有優(yōu)勢地將其能量轉(zhuǎn)移到載荷子，載荷子可以在半導(dǎo)體檢測器中直接電檢測。硅非常普通地用在檢測器中，但是除了硅之外，還存在可以使用的其他類型的半導(dǎo)體材料，諸如氮化硅、鍺、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵、氮化鎵、磷化銦、碲化鎘(CdTe)、鋅碲化鎘(CdZnTe)、碘化汞、碘化鉛以及基于氮化硼(BN)或氟化鋰(LiF)的復(fù)合材料?？赡艿膬?yōu)勢是中子轉(zhuǎn)換材料可以直接存在于其體積中。例如，即使IOym厚或更薄的硅壁也可以檢測重帶電粒子，這種重帶電粒 子是例如6Li或、上的中子俘獲的產(chǎn)物。根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的半導(dǎo)體中子(成像)檢測器可以具有較高的空間分辨率、較高的動(dòng)態(tài)范圍并且可以有效抑制伽馬和電子背景?？梢栽趯?duì)熱中子具有較高檢測效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩者。半導(dǎo)體中子檢測器可以根據(jù)轉(zhuǎn)換器(即中子反應(yīng)材料)如何實(shí)施在檢測器中而分成組I。第一種類型是平面半導(dǎo)體中子檢測器，諸如圖I和10中所示。它例如可以是簡單的平面二極管，其中PN節(jié)平行于檢測器表面。中子轉(zhuǎn)換器可以設(shè)置在檢測器表面上。制造這種檢測器很簡單，但是其中子檢測效率有限。中子檢測效率定義為檢測到的中子和入射的中子的比率。平面檢測器檢測效率有限的原因在于，由中子俘獲而在轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的粒子無法全部到達(dá)檢測器敏感體積，例如，正如從圖I中可以看出。2。第二種類型是所謂的3D檢測器，諸如在圖6和11-13以及圖17-18中所示。簡稱“3D”表示在檢測器內(nèi)側(cè)以及表面上形成的3D結(jié)構(gòu)，其中諸如中子轉(zhuǎn)換器的表面的形狀復(fù)雜或高低不平。目前的半導(dǎo)體技術(shù)允許在半導(dǎo)體中制作高級(jí)的表面結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以由中子反應(yīng)材料填充。3D結(jié)構(gòu)增大了中子轉(zhuǎn)換器和檢測器材料之間的表面積，由此也增大了中子轉(zhuǎn)換器的表面積。因此，它們?cè)龃罅巳肷涞闹凶颖晦D(zhuǎn)換和檢測的可能性。這樣也增大了通過中子俘獲在轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的粒子在檢測器的敏感體積中被檢測到的可能性。應(yīng)該注意，3D結(jié)構(gòu)的至少一部分(諸如半導(dǎo)電材料內(nèi)側(cè)的孔或柱)也可以專用于電極，這增大了在半導(dǎo)電元件中產(chǎn)生的電荷(諸如電子-空穴對(duì))被檢測到的可能性。轉(zhuǎn)換器材料大多數(shù)半導(dǎo)體檢測器無法直接檢測中子。將中子“轉(zhuǎn)換”成可以由半導(dǎo)體檢測的粒子的材料是必須的。這種材料被稱為“中子轉(zhuǎn)換器”或者中子反應(yīng)材料。產(chǎn)生例如重帶電粒子的轉(zhuǎn)換器材料具有兩個(gè)重要的優(yōu)勢。第一個(gè)優(yōu)勢在于，在檢測器敏感體積中檢測到的重帶電粒子攜帶大量的能量，并因此產(chǎn)生高信號(hào)，這允許方便地區(qū)別除了中子之外的背景。這是一項(xiàng)重要的特征，因?yàn)榇蠖鄶?shù)中子源伴隨著伽馬背景。第二個(gè)可能的優(yōu)勢主要適用于中子成像檢測器。半導(dǎo)體材料中的重帶電粒子相對(duì)較短的射程允許設(shè)計(jì)空間分辨率較高的中子成像器，因?yàn)橹貛щ娏Ｗ拥纳涑梯^短。在選擇材料時(shí)應(yīng)該注意的一個(gè)參數(shù)是物質(zhì)中的中子俘獲產(chǎn)物的射程以及轉(zhuǎn)換電子和伽馬射線的射程與成像檢測器的像素尺寸對(duì)比。此外，應(yīng)該注意，最終被檢測的電子可通過康普頓散射或者光電效應(yīng)而在不同于中子被俘獲的地方產(chǎn)生。這樣也惡化了成像檢測器的空間分辨率。這就是為什么選擇中子轉(zhuǎn)換器材料很重要的原因。所用的中子反應(yīng)材料在檢測器的不同地方可以相同或者不同，并且根據(jù)一種實(shí)施方式，包括至少一種預(yù)定的轉(zhuǎn)換器材料，所述轉(zhuǎn)換器材料包括'BAd155GcU 157GcU113CcU碲化鎘(CdTe )、鋅碲化鎘(CdZnTe )、或者基于氮化硼(BN)或者氟化鋰(LiF,對(duì)于入射光子諸如伽馬光子本質(zhì)上透明)的復(fù)合材料。通常，選擇的中子反應(yīng)材料使得其Z數(shù)盡可能聞。
圖I示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的平面半導(dǎo)體中子檢測器100，帶有沉積在半導(dǎo)電材料102的表面上的中子轉(zhuǎn)換器101。檢測器100基于平面二極管檢測器，其中在6Li(呈LiF化合物形式)轉(zhuǎn)換器101中俘獲熱中子103并且產(chǎn)生次級(jí)粒子104。這些粒子104接著被檢測器100的半導(dǎo)電材料102檢測到。但是，平面轉(zhuǎn)換器具有其局限性。轉(zhuǎn)換器中的中子俘獲可能性隨著轉(zhuǎn)換器層厚度增大而增大。另一方面，隨著轉(zhuǎn)換器厚度增大，來自最遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)換器層級(jí)的中子俘獲產(chǎn)物到達(dá)檢測器敏感體積的機(jī)會(huì)也會(huì)降低。對(duì)于特定類型的轉(zhuǎn)換器，必須找到最優(yōu)的轉(zhuǎn)換器厚度。不幸的是，受限的有效厚度也制約了總體中子檢測效率(檢測器敏感性)。決定中子轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案的重要參數(shù)是物質(zhì)中的中子俘獲產(chǎn)物的射程。圖2A不出了不同有效密度的LiF中氣核以及a粒子射程的圖表,其中從現(xiàn)有技術(shù)中已知a粒子和氚核是6Li上的中子俘獲產(chǎn)物。根據(jù)一種實(shí)施方式，LiF轉(zhuǎn)換器可以呈現(xiàn)粉末形式，并且因此它可以擠壓且實(shí)際上具有幾乎高達(dá)LiF晶體密度的任意有效密度，這里的LiF晶體密度為2. 64g/cm3。LiF可通過6Li富集到89%。硅晶體中氚核的射程為44. I ii m，而a粒子的射程為8. 6 ii m。圖2B包含類似的仿真結(jié)果，但是是針對(duì)無定形的硼粉末，示出了已知作為kiB中的中子俘獲產(chǎn)物的a粒子和鋰的射程。顯然，重帶電粒子的射程比LiF的情況短。在Si中kiB上的中子俘獲產(chǎn)物的射程為RLi=3 u m/2. 7 u m, Ra =5. 4 u m/5. 2 u m0圖2C中的曲線是重帶電粒子射程作為B4C密度的函數(shù)，正如現(xiàn)有技術(shù)中已知。B4C是可用作中子轉(zhuǎn)換器的硼化合物的示例?？梢葬槍?duì)任何硼或鋰化合物計(jì)算這種依存性。但是，所有這些材料的共同屬性是kiB的中子俘獲產(chǎn)物的射程較之6Li明顯縮短。這某種程度預(yù)先確定了基于6Li或kiB的轉(zhuǎn)換器的適用性。在更高的熱中子俘獲截面上kiB相對(duì)于6Li的優(yōu)勢由于俘獲產(chǎn)物射程較短而被削弱。如果重帶電粒子必須經(jīng)過半導(dǎo)體檢測器中較厚的金屬接觸層或者較厚的非敏感層，則這種影響更為明顯。重帶電粒子射程的全部結(jié)果也可以適用于使用相同的熱中子轉(zhuǎn)換器的其他類型的檢測器。中子檢測效率圖3A-B示出了對(duì)于6LiF和wB轉(zhuǎn)換器而言，中子檢測效率作為中子轉(zhuǎn)換器厚度的函數(shù)的依存性，其中這兩種類型的轉(zhuǎn)換器顯示出了檢測效率最高的最優(yōu)厚度，對(duì)于這兩種類型的轉(zhuǎn)換器，該檢測效率已知大約為5%。從圖3A-B可以看出，6Li的較低中子俘獲截面的影響，較之kiB而言，可以通過更長的次級(jí)粒子射程來較好地彌補(bǔ)。中子在kiB轉(zhuǎn)換器中被俘獲的可能性較高，但是另一方面，來自kiB的中子俘獲產(chǎn)物的較短射程阻止它們到達(dá)檢測器敏感體積，并且產(chǎn)生足夠大的信號(hào)。距離硅表面最遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)換器層中誕生的次級(jí)粒子應(yīng)該仍然能到達(dá)敏感檢測器體積并且在那里留下可檢測量的能量。因此，轉(zhuǎn)換器厚度應(yīng)該限制到轉(zhuǎn)換器材料中最大粒子射程的值。更小的轉(zhuǎn)換器厚度提高了重帶電粒子到達(dá)敏感體積的機(jī)會(huì)，但是降低了中子在轉(zhuǎn)換器內(nèi)側(cè)相互作用的可能性。大約5%的總體最大檢測效率對(duì)于這兩種類型的轉(zhuǎn)換器來說是類似的。但是，當(dāng)應(yīng)用于所具有的像素尺寸相當(dāng)于或者低于中子俘獲產(chǎn)物飛行射程的中子成像設(shè)備時(shí)，kiB可以提供更好的空間分辨率。克服這種受限的檢測效率的途徑是在中子轉(zhuǎn)換器與檢測器敏感體積之間引入更為復(fù)雜的表面幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)一種實(shí)施方式，中子轉(zhuǎn)換器的表面例如可以高低不平或者以其他方式復(fù)雜化，以便增大其表面積。在經(jīng)過所述材料時(shí)，中子遵循指數(shù)衰減定律。圖4A-B示出了轉(zhuǎn)換器側(cè)(a)和檢測器側(cè)(b)輻射的示意圖，示出了在中子轉(zhuǎn)換器中被俘獲的中子數(shù)量。當(dāng)中子IOa從轉(zhuǎn)換器102側(cè)A)進(jìn)入時(shí)，更多的中子被俘獲和轉(zhuǎn)換而離開檢測器表面(S卩，離半導(dǎo)電的元件101定位最遠(yuǎn)的中子反應(yīng)材料102的那一部分)。當(dāng)中子IOb從檢測器101側(cè)B)進(jìn)入時(shí)，在接近半導(dǎo)電的元件表面101的中子反應(yīng)材料102中，更多的中子被俘獲并吸收，其中轉(zhuǎn)換a粒 子逃離轉(zhuǎn)換器102并穿入半導(dǎo)電元件101的可能性更大。在接近外表面處產(chǎn)生的重帶電粒子必須飛越轉(zhuǎn)換器的較厚的層而達(dá)到敏感體積。因此，這些粒子在敏感體積中被檢測到的機(jī)會(huì)較小。顯然，對(duì)于較厚的轉(zhuǎn)換器(即厚度相當(dāng)于或大于轉(zhuǎn)換器物質(zhì)中帶電粒子的射程)而言，這種效應(yīng)甚至變得更為顯著。由于半導(dǎo)體材料在大多數(shù)情況下對(duì)于中子是透明的，所以可以從背側(cè)輻射整個(gè)檢測器結(jié)構(gòu)。中子首先穿過半導(dǎo)體，然后在轉(zhuǎn)換器中被俘獲。實(shí)際上，較大數(shù)量的中子在接近半導(dǎo)體和轉(zhuǎn)換器之間的邊界處被俘獲。中子俘獲產(chǎn)物到達(dá)敏感體積的可能性較高，并且總體檢測效率較高。此外，轉(zhuǎn)換器厚度不必進(jìn)行優(yōu)化，并且甚至可以比重帶電粒子的射程更厚。圖5示出了對(duì)于前側(cè)和背側(cè)輻射而言，作為LiF轉(zhuǎn)換器厚度的函數(shù)的檢測效率的差異，其中6Li中LiF富集到89%，正如從現(xiàn)有技術(shù)中獲知。在這兩種情況下，檢測效率不斷提高，直至大約7mg/cm2的層厚度。這是等于LiF中氚核最大射程的表面密度。在前側(cè)輻射的情況下，在這樣的轉(zhuǎn)換器厚度時(shí)，曲線展現(xiàn)出最大值4. 48%。從該厚度開始，對(duì)于前側(cè)輻射而言，檢測效率下降，但是對(duì)于背側(cè)輻射而言，保持恒定在4. 90%。如果從背側(cè)輻射檢測器，則轉(zhuǎn)換器僅對(duì)于等于中子俘獲產(chǎn)物最大射程的深度內(nèi)具有活性。更深的轉(zhuǎn)換器層對(duì)于中子檢測根本沒有貢獻(xiàn)，并且檢測效率隨著檢測器厚度增大而保持恒定。但是，背側(cè)輻射的效果對(duì)于較薄的轉(zhuǎn)換器層來說并不顯著，這也可以從圖5中看出。背側(cè)輻射的優(yōu)勢在于，在沉積過程中不必精確控制轉(zhuǎn)換器厚度，并且反應(yīng)產(chǎn)物將更有效地到達(dá)半導(dǎo)電材料，它們?cè)诖水a(chǎn)生可檢測的電信號(hào)，諸如電子-空穴對(duì)。原理上，如果重帶電粒子來自中子俘獲反應(yīng)，則沉積比射程更厚的層就足夠。利用這種幾何構(gòu)造，檢測效率是最大可實(shí)現(xiàn)的效率。中子檢測效率還取決于孔尺寸和形狀的函數(shù)，諸如孔的形狀是方形還是柱狀，而且取決于中子反應(yīng)材料的密度。方形(或柱狀)孔可以相對(duì)方便地制作，并且允許檢測器具有中子轉(zhuǎn)換器的良好填充比率。檢測效率通常隨著轉(zhuǎn)換器密度增大而增大，諸如尤其是LiF填充結(jié)構(gòu)的情況。這是因?yàn)閷?duì)于中子俘獲E= O !!增大了宏觀截面，其中O是微觀中子俘獲截面，而n是每單位體積中轉(zhuǎn)換器核子的數(shù)量。即使密度增大，重帶電粒子的射程仍保持足以逃離所述孔。這種情況與kiB的情況相反。利用較低的轉(zhuǎn)換器密度可以達(dá)到最高檢測效率。更重要的是，隨著密度下降重帶電粒子射程延展的影響。隨著密度(即每單位體積轉(zhuǎn)換器核子的數(shù)量)下降，宏觀截面E仍然保持足夠大。最高達(dá)到的檢測效率比方形孔的情況低。柱狀孔不像方形孔那樣多地填充檢測器體積。在孔之間存在更多的硅，并且因此該體積對(duì)于中子不敏感?？醉敱砻媾c周圍硅的表面的比率對(duì)于方形孔來說更高，并因此總體效率更高。但是，柱狀孔不應(yīng)該被拋棄，因?yàn)榭字車妮^大硅體積也可允許電荷收集效率更高。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，提高效率的一種例述方式是在中子轉(zhuǎn)換器和檢測器敏感體積(例如，正如圖7A-D所公開)之間引入復(fù)雜、回旋狀或高低不平的諸如例如鋸齒狀表面。檢測器可以包括倒置金字塔形凹坑陣列，例如通過以KOH (氫氧化鉀)對(duì)硅進(jìn)行各向異性蝕刻來產(chǎn)生。根據(jù)一種實(shí)施方式，中子轉(zhuǎn)換器和檢測器之間的表面可以加倍。與平面檢測器的 情況相反，波譜現(xiàn)在包含2. 73MeV以上的射波，因?yàn)閮煞N粒子(a和氚核)可以同時(shí)被檢測，如果反應(yīng)發(fā)生在接近鋸齒尖端的區(qū)域中的話。再一次，可以從背側(cè)輻射檢測器。根據(jù)一種實(shí)施方式，轉(zhuǎn)換器材料包括以下至少一種'BjLl3Hhi55GcU157GcU113Cd或者締化鎘(CdTe)或者基于氮化硼(BN)或氟化鋰(LiF)的復(fù)合材料、或者CdZnTe。根據(jù)一種實(shí)施方式，希望轉(zhuǎn)換器材料的Z數(shù)盡可能高，以便中子與轉(zhuǎn)換器材料有效地相互作用，產(chǎn)生可以被檢測器材料檢測的可檢測輻射，諸如例如伽馬射線。根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料以一種新的方式，即通過應(yīng)用激光燒蝕而引入到第一半導(dǎo)體元件或檢測器上和/或內(nèi)側(cè)，引入到第一半導(dǎo)體元件和讀出電子器件之間，引入到讀出電子器件的表面上和/或甚至引入到焊球上和/或焊球內(nèi)側(cè)。圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，利用激光燒蝕，制造帶有中子反應(yīng)材料的中子檢測器的方法，其中高功率激光脈沖用于從靶面蒸發(fā)物質(zhì)。基于激光燒蝕的表面沉積可以分成4個(gè)階段I)激光燒蝕標(biāo)靶材料109和形成等離子體；2)等離子體的動(dòng)態(tài)變化；3)在基材101上沉積被燒蝕的材料；4)在基材表面101上，膜102成核和生長。通過在沉積轉(zhuǎn)換層時(shí)應(yīng)用激光燒蝕來制造中子檢測器，提供眾多優(yōu)勢。基本上任何材料都可以用于表面沉積。此外，較低的加工溫度允許沉積熱敏感材料。激光燒蝕表面沉積僅局部加熱基材(半導(dǎo)電層101)并且保持標(biāo)靶的材料屬性。此外，表面形貌(光滑度或粗糙度)可以受到控制，而且可以控制表面結(jié)晶度從非晶態(tài)到微晶體。此外，較之其他PVD(物理氣相沉積)過程來說，粘附性更優(yōu)。此外，激光燒蝕法也適用于大規(guī)模生產(chǎn)過程，所以這種方法非常好地適用于總體地沉積轉(zhuǎn)換層。應(yīng)該注意，制造中子檢測器的總體過程例如可以通過應(yīng)用平版印刷法來實(shí)施，所述平板印刷法例如可包括下列步驟-旋壓光致抗蝕劑；-例如在爐具中烘烤光致抗蝕劑；-利用掩模對(duì)準(zhǔn)器將光致抗蝕劑圖案化；-例如通過濺射、原子層沉積或者激光燒蝕來沉積中子轉(zhuǎn)換器(諸如薄膜或者例如在本文中討論過的其他形狀);-剝離(連同轉(zhuǎn)換器一起從檢測器觸板去除光致抗蝕劑)?；蛘?，可替代地，以另一種順序，諸如-通過濺射、原子層沉積或者激光燒蝕來沉積中子轉(zhuǎn)換器(諸如薄膜或者例如本文中討論過的其他形狀);-旋壓光致抗蝕劑；-在爐具中烘烤光致抗蝕劑； -利用掩模對(duì)準(zhǔn)器將光致抗蝕劑圖案化；-從檢測器觸板蝕刻轉(zhuǎn)換器；-去除光致抗蝕劑。根據(jù)另一種實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料也可以通過應(yīng)用其他表面沉積法(諸如原子層沉積(ALD)、光刻法或者濺射技術(shù))而耦合到第一半導(dǎo)體元件上和/或內(nèi)側(cè)，耦合到第一半導(dǎo)體元件和讀出電子器件之間，耦合到讀出電子器件的表面上，或者耦合到焊球上和/或內(nèi)側(cè)。圖6B示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，用于制造帶有中子反應(yīng)材料的中子檢測器的另一種方法，其中氧化物層114布置(例如，通過ALD)在絕緣體113的表面上，諸如在生長SOI晶片時(shí)。但是，根據(jù)本發(fā)明，中子反應(yīng)材料102a可能具有優(yōu)勢地應(yīng)用在絕緣體114的表面上，并且此外，半導(dǎo)電層(諸如Si層)然后布置在第一中子反應(yīng)材料層102a的頂部上。此外，根據(jù)本發(fā)明，另外的中子反應(yīng)材料層102b可以布置在半導(dǎo)電層101的表面上，以便進(jìn)一步提高檢測器的中子轉(zhuǎn)換效率。多層結(jié)構(gòu)(102a、102b)也可以實(shí)施在本文中描述的其他中子檢測器中，即使沒有單獨(dú)敘述。上述表面沉積方法(以及特別是激光燒蝕法)可具有的優(yōu)勢在于，可以制作極薄的檢測器結(jié)構(gòu)。例如，轉(zhuǎn)換器材料層102以及第一半導(dǎo)體檢測器材料層101可能具有優(yōu)勢地大約為10 iim，或者可能更具有優(yōu)勢地為10-30 iim，如圖IOA所示。本發(fā)明的實(shí)施方式可以利用極薄的半導(dǎo)電檢測器層提供明顯優(yōu)勢，因?yàn)闃O薄的半導(dǎo)電檢測器層在實(shí)踐中對(duì)不希望的背景伽馬和X射線光子透明，由此不希望的背景光子不會(huì)導(dǎo)致任何不希望的影響。例如，當(dāng)半導(dǎo)電層101的厚度大約為10 時(shí)，遠(yuǎn)少于0. 1%的背景伽馬光子與其相互作用。但是，它也允許由第一半導(dǎo)體中的反應(yīng)產(chǎn)物所產(chǎn)生的電荷到達(dá)電極。圖7A-D示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，用于中子的半導(dǎo)體檢測器的例子，其中第一半導(dǎo)電元件101在電學(xué)上較薄(IOla,最具有優(yōu)勢的是10-30 y m)，而且該半導(dǎo)體檢測器的例子仍允許第一半導(dǎo)體中的反應(yīng)產(chǎn)物所產(chǎn)生的電荷到達(dá)電極112。圖7A-D的檢測器包括可能具有優(yōu)勢地沉積在第一半導(dǎo)體101的“背部”表面上的中子轉(zhuǎn)換器102，即與應(yīng)用電極112的第一半導(dǎo)體101的同一側(cè)，也是放置讀出芯片(在使用時(shí))的同一側(cè)。圖7A-D的檢測器例如可以通過圖6B所示的方法制造，其中SOI晶片113具有可選的中子轉(zhuǎn)換器層102a，以提高中子轉(zhuǎn)換的可能性。在n+ (或p+)3D像素電極112以及p(或n)型硅101之間施加的電壓產(chǎn)生向下延伸到轉(zhuǎn)換層102a并向側(cè)方延伸到3D電極112之間的區(qū)域的耗盡層。溝槽111為較高的中子吸收可能性增大了中子轉(zhuǎn)換層102b的表面積。溝槽111和像素平臺(tái)的尺寸優(yōu)選地選擇為活性區(qū)域101的期望厚度產(chǎn)生轉(zhuǎn)換層102b的最大可能表面積。中子轉(zhuǎn)換層102a和102b的厚度通常為5 u m?；钚詤^(qū)域的厚度，即第一半導(dǎo)電元件101的厚度通常為10-30 ym。晶片基材113可以具有傳統(tǒng)厚度(如圖)或者物理削薄，正如本文其他部分所述。晶片基材113可以替代地為不帶轉(zhuǎn)換層102a的高阻抗Si晶片。如果使用高阻抗Si晶片，則第一半導(dǎo)電元件的活性區(qū)域的厚度可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)耗盡電壓或者在電極112周圍摻雜P阱(如果基材為P型，則為n阱)來制作地較小。3D電極112可以替代地為平面處理的2D電極，諸如參照?qǐng)D8B-C所述。根據(jù)一種實(shí)施方式，像素電極可以(例如通過在像素電極的頂部的濺射金屬層)一起縮短，用于如圖7C所示的單通道讀出，或者可以利用凸塊或?qū)Ь€焊接件或者類似裝置連接到多通道讀出電路，正如例如參照?qǐng)D13所示。如果像素縮短并且檢測器用作單通道設(shè)備，則可以面對(duì)面地夾置兩個(gè)檢測器，以使效率加倍，正如圖7C和7D所示。 應(yīng)該注意，檢測器可以包括另外的檢測器元件115 (基本上類似于下面的那一個(gè))，其中所述檢測器元件布置成彼此面對(duì)面，并且可能具有優(yōu)勢的是讓檢測器元件的中子轉(zhuǎn)換器102彼此面對(duì)面?，F(xiàn)在，讀出裝置(諸如讀出電子器件或者甚至導(dǎo)電導(dǎo)線)可以應(yīng)用在檢測器元件之間。具有兩個(gè)檢測器元件的實(shí)施方式進(jìn)一步提高了中子轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，待與檢測器材料耦合的轉(zhuǎn)換器材料可以是平面的，諸如圖8A所示。但是，根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方式，諸如圖7A-D、8B-C、9、16和17所示，表面102a、102b的至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器材料具有更為復(fù)雜的形狀，諸如鋸齒狀或高低不平的表面，以便讓中子反應(yīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換中子的有效表面積最大化。這種幾何結(jié)構(gòu)允許中子轉(zhuǎn)換器具有較大的體積和/或表面積，同時(shí)保持次級(jí)粒子檢測的較高可能性。圖8B-C示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有中子轉(zhuǎn)換器102的較薄半導(dǎo)體中子檢測器的例子(側(cè)視圖和透視圖)，所述中子轉(zhuǎn)換器102沉積在第一半導(dǎo)電元件101的表面上。同樣可以在圖8B-C中看到電極113和耗盡區(qū)域116，以及3D結(jié)構(gòu)，該3D結(jié)構(gòu)增大了以中子反應(yīng)材料制作的中子轉(zhuǎn)換器102的表面積。根據(jù)一種實(shí)施方式，像素尺寸為100-300 iim。所述結(jié)構(gòu)例如可以凸塊焊接，用于位置敏感的檢測，但是也可以短路，如果使用目的例如僅僅是計(jì)數(shù)檢測。溝槽例如可以通過劃片或蝕刻來制作。應(yīng)該注意，類似結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用在參照其他附圖在本文中描述的其他檢測器中。根據(jù)一種實(shí)施方式，距離檢測器表面最遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)換器層可以具有復(fù)雜形狀，諸如鋸齒狀表面。而且，與檢測器材料耦合的表面可以具有復(fù)雜形狀，諸如鋸齒狀形狀。此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，兩者表面也可以都具有復(fù)雜形狀，比如鋸齒形狀，諸如圖9所示。這種轉(zhuǎn)換器可以有效地轉(zhuǎn)換中子，即使它們不是垂直地進(jìn)入檢測器(轉(zhuǎn)換器材料)。此外，應(yīng)該注意，待檢測中子可以布置成從檢測器的前側(cè)(首先通過轉(zhuǎn)換器材料102)或者背側(cè)(首先通過半導(dǎo)電的材料101)入射。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式的檢測器，其中應(yīng)用中子反應(yīng)材料102諸如離子植入到所述第一半導(dǎo)體元件101的表面上和/或結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)。當(dāng)中子反應(yīng)材料102應(yīng)用到該結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)時(shí)，它仍然可能具有優(yōu)勢地布置在表面層IOla中接近電荷收集區(qū)域(在圖10中未示出)的地方，以使釋放出的電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物可以有效地到達(dá)第一半導(dǎo)體101并且所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)可以被所述電荷收集區(qū)域有效地俘獲。根據(jù)一種實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料102可能具有優(yōu)勢地成簇布置在第一半導(dǎo)體元件101的表面上和/或表面內(nèi)(如圖10)，但是根據(jù)一種實(shí)施方式，也可以成簇布置在讀出電子器件的表面上。根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，中子反應(yīng)材料102也可以布置在讀出電子器件和第一半導(dǎo)體元件之間，和/或第一半導(dǎo)體元件的表面上。這可以通過例如本文其他部分所述的激光燒蝕來實(shí)現(xiàn)。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有孔105 (諸如柱形或其他空腔)的半導(dǎo)體檢測器。孔105可以利用中子反應(yīng)材料102填充，以便為可檢測的反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)換中子，諸如轉(zhuǎn)換成伽馬光子或者例如本文中所述的其他產(chǎn)物。中子反應(yīng)填充材料可以具有優(yōu)勢地與檢測器其他部分中用于中子轉(zhuǎn)換器102的材料相同。所述空腔可以相對(duì)于與檢測器材料耦合的轉(zhuǎn)換器層垂直，也可以成某種其他角度，以便中子與填充材料相互作用，即使它們以不同于基本上垂直關(guān)系之外的其他角度進(jìn)入檢測器。具有孔或其他空腔的檢測器結(jié)構(gòu)也可以另外具有用于表面的更為復(fù)雜的形狀，以及在檢測器結(jié)構(gòu)上和/或內(nèi)側(cè)包括成簇的中子反應(yīng)材料，所述的檢測器結(jié)構(gòu)可能具有優(yōu)勢的是第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，諸如例如參照?qǐng)D9和10所述公開的結(jié)構(gòu)(即使為了清晰起見，在圖11中未示出)。所述孔可以通過適用于在半導(dǎo)體材料中制造3D結(jié)構(gòu)(孔)的已知技術(shù)來制造。孔制造技術(shù)例如是反應(yīng)性離子蝕刻以及電化學(xué)蝕刻。在這兩種情況下，蝕刻前可以實(shí)施制備蝕刻掩模的光刻步驟。掩模保護(hù)表面區(qū)域以防止蝕刻，并且使待蝕刻的圖案頂部開放。掩模類型取決于所用的技術(shù)。它可以是為了電化學(xué)蝕刻而用于DRIE或SiO2層的金屬。深度反應(yīng)性離子蝕刻(DRIE)是用于微系統(tǒng)技術(shù)的高度各向異性的蝕刻過程。它用于在硅和其他材料中形成又深又高的縱橫比的孔和溝道?？梢援a(chǎn)生縱橫比20:1以上的結(jié)構(gòu)。DRIE蝕刻速率為5-10 u m/分鐘。 用于形成孔的另一個(gè)例述方法是電化學(xué)蝕刻(EE)，這種方法是深度反應(yīng)性離子蝕刻(DRIE)的低成本替代方案。它允許制造諸如壁、管、柱和孔的結(jié)構(gòu)。在電化學(xué)蝕刻中，施加的電場可以例如集中于倒置的金字塔形尖端上(例如，在該形狀類似鋸齒時(shí))。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式的檢測器100的像素化結(jié)構(gòu)106，以便檢測中子碰撞以及其在檢測器上的位置。像素化例如可以通過將半導(dǎo)電元件101的至少一部分在電學(xué)上劃分成多個(gè)區(qū)域來實(shí)現(xiàn)，這些區(qū)域下面稱為像素106。在電學(xué)上劃分例如可以通過使用多個(gè)電極來實(shí)現(xiàn)，由此在半導(dǎo)體元件中產(chǎn)生的電荷被最近的電極收集。因此，根據(jù)收集所述電荷的電極的位置，可以確定產(chǎn)生的電荷在半導(dǎo)電元件102中的位置。如圖12所示，根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，帶有像素化結(jié)構(gòu)的檢測器例如可以用于中子成像，其中檢測器敏感體積布置為讓其可以檢測中子(或者中子與中子反應(yīng)材料碰撞產(chǎn)生的輻射反應(yīng)產(chǎn)物)，而且也可以檢測其在檢測器上的位置。例如，利用目前用于設(shè)計(jì)成像檢測器的高度集成的電子部件，可以改善目前輻射成像系統(tǒng)的參數(shù)。但是，為了讀取碰撞和位置，圖12的檢測器可能具有優(yōu)勢地另外設(shè)置有讀出芯片107，正如圖13所示。所述檢測器例如可以是晶片倒裝或凸塊焊接到讀出芯片107，諸如例如CMOS (互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)等。凸塊焊接可以經(jīng)由焊球110來實(shí)施。根據(jù)一種實(shí)施方式，每個(gè)像素可以具有優(yōu)勢地具有帶有例如前置放大器、鑒別器和15位計(jì)數(shù)器的其自身讀出器。讀出芯片例如可以根據(jù)Ium SACMOS (自對(duì)準(zhǔn)觸點(diǎn)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)來制造。
根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方式，中子成像設(shè)備也可以利用6金屬0. 25 ii m CMOS技術(shù)來制造，其中像素尺寸例如可以是55x55 u m2并且像素陣列例如甚至為256x256個(gè)像素。敏感區(qū)域例如可以為大約2cm2。根據(jù)一種實(shí)施方式，讀出電子器件可以提供可能性，以使用兩個(gè)鑒別器來設(shè)置用來選擇經(jīng)測量的輻射能量的能量窗口。每個(gè)單元可以包含例如13位計(jì)數(shù)器和8位配置寄存器，所述配置寄存器例如允許針對(duì)每個(gè)鑒別器進(jìn)行掩模、測試使能和3位個(gè)別閾值調(diào)整。利用串行或并行接口，包含被測量數(shù)據(jù)(時(shí)鐘100MHz)的整個(gè)矩陣的讀出可以分別花費(fèi)9ms或者266 y S?？焖僮x出預(yù)示著這種檢測器也應(yīng)用于需要快速幀獲取的場合?？傊?，圖12和13中所示的檢測器提供巨大的優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈兲峁┹^高的空間分辨率、較高的動(dòng)態(tài)范圍和較低的噪聲。由重帶電粒子產(chǎn)生的信號(hào)通常足夠高，以便將每個(gè)像素中的鑒別器閾值設(shè)置地遠(yuǎn)高于噪聲和可能的背景。每個(gè)像素中的事件計(jì)數(shù)遵循泊松分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅由在轉(zhuǎn)換器中反應(yīng)的中子數(shù)量決定。因此，僅通過曝光時(shí)間延長，可以將信噪比提升到任意水平。在熱中子的情況下，閾值較高，并且因此背景可以忽略。而信噪比僅由^給出，其中n是每像素的計(jì)數(shù)數(shù)量。 圖14示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有另外的第二半導(dǎo)電元件108的半導(dǎo)體檢測器，該實(shí)施方式例如可以應(yīng)用于中子核譜學(xué)或成像，并且應(yīng)用于檢測中子與檢測器反應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。圖14的檢測器包括類似于本文前面討論的中子轉(zhuǎn)換器102和超薄半導(dǎo)電元件101，但是另外，所述檢測器還包括另外的第二半導(dǎo)電元件108。第二半導(dǎo)電元件108通常比與中子轉(zhuǎn)換器材料102耦合的半導(dǎo)電元件101更厚(108a)，并且可能具有優(yōu)勢地包括碲化鎘(CdTe)。較厚的第二半導(dǎo)電元件108的通常或示例厚度根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，甚至可以為5mm或以上。在一些中子轉(zhuǎn)換反應(yīng)中，產(chǎn)生伽馬射線或X射線。這些伽馬射線不應(yīng)該被第一半導(dǎo)電元件101檢測到，而是應(yīng)該逃離或穿透第一半導(dǎo)電元件101，并且被單獨(dú)的檢測器(諸如第二半導(dǎo)電元件108)檢測到。根據(jù)圖14的中子檢測器的可能的優(yōu)勢在于，例如經(jīng)過超薄半導(dǎo)電元件102的伽馬射線或者X射線(來源于待檢測中子與中子反應(yīng)材料的碰撞)可以被較厚的第二半導(dǎo)電元件108檢測到，因?yàn)樵诎雽?dǎo)電材料的厚度增大時(shí)，伽馬射線或者其他反應(yīng)產(chǎn)物與半導(dǎo)電材料相互作用的可能性提高。因此，可以檢測到被檢測的中子的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，諸如例如由中子反應(yīng)材料中的中子產(chǎn)生的伽馬光子的路徑或者中子反應(yīng)材料中的中子的反應(yīng)位置，以及還有入射中子的能量。當(dāng)伽馬光子的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征(動(dòng)量或能量和方向)以及反應(yīng)產(chǎn)物的能量確定時(shí)，則可以識(shí)別出所述入射中子的源或來源(正如例如在圖17B中可以看出，作為示例，X射線光子與第二半導(dǎo)電材料相互作用，產(chǎn)生可測量的電荷)。此外，使用圖14的檢測器例如允許結(jié)合中子和X射線波譜或者成像并且使用多個(gè)中子和X射線源，因?yàn)椋柚鷪D14的檢測器，可以確定伽馬或X射線光子的來源或源。就是說，當(dāng)借助第二半導(dǎo)電元件108檢測到伽馬或X射線光子時(shí)，可以確定它是否由入射中子與中子反應(yīng)材料相互作用而產(chǎn)生，或者它是否來源于檢測器之外的伽馬或X射線源。第二半導(dǎo)電元件108可能具有優(yōu)勢地還包括自身的像素化結(jié)構(gòu)106，并且它應(yīng)該由自身的讀出芯片(諸如圖17B-C所示)提供，該讀出芯片可能具有優(yōu)勢地布置成與第二半導(dǎo)電元件的像素化結(jié)構(gòu)106電連接。
圖15示出了帶有電極113的中子檢測器，其中所述電極可能具有優(yōu)勢地例如蝕刻到檢測器結(jié)構(gòu)中，例如呈現(xiàn)柱狀形式。根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，電極113可以包括位于電極結(jié)構(gòu)113內(nèi)的中子反應(yīng)材料112。換句話說，電極結(jié)構(gòu)113的外層形成電極，而內(nèi)部部分以中子反應(yīng)材料112填充。這樣仍舊會(huì)增大中子反應(yīng)材料的表面積并因此也提高入射中子轉(zhuǎn)換成反應(yīng)產(chǎn)物的可能性。此外，當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物飛越電極壁時(shí)，它們可能具有優(yōu)勢地在電極附近產(chǎn)生電荷(諸如電子-空穴對(duì))，由此所產(chǎn)生的電荷可以被電極有效地俘獲。因此，圖15中所示的檢測器對(duì)于轉(zhuǎn)換中子和收集電荷兩者來說非常有效。圖16A- B示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，帶有布置在半導(dǎo)體元件101的表面上的凸塊焊接元件110和溝槽111的半導(dǎo)體元件101。溝槽111例如可以通過劃片或蝕刻而設(shè)置在第一半導(dǎo)電元件上。圖16C-D示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式的檢測器，所述檢測器包括帶有諸如焊球110的凸塊焊接元件和以中子反應(yīng)材料102填充的溝槽111的半導(dǎo)體元件 101。應(yīng)該注意，根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，用于將檢測器(或半導(dǎo)電元件)101凸塊焊接到讀出電子器件的焊球110也包括中子反應(yīng)材料，這也使得中子檢測更加有效，因?yàn)橹凶右部膳c凸塊焊接元件(諸如焊球110)內(nèi)側(cè)和/或表面上的中子反應(yīng)材料相
互作用。圖17A-C示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式的中子檢測器，其中讀出電子器件107a、107b經(jīng)由凸塊元件110a、110b (諸如焊球)與第一以及第二半導(dǎo)電元件101、108凸塊焊接，或者實(shí)際上與半導(dǎo)電元件的電極凸塊焊接。焊球IlOa (尤其是將讀出芯片107a與第一半導(dǎo)電元件101連接的那些)可能具有優(yōu)勢地包括中子反應(yīng)材料102，以便更加提高檢測器檢測中子的效率。尤其是，可以從圖17B-C看出，中子可以與布置在第一半導(dǎo)體元件101和讀出電子器件107a之間的中子反應(yīng)材料102、布置在溝槽111 (由此形成3D或其他復(fù)雜結(jié)構(gòu))上的中子反應(yīng)材料102以及位于焊接元件諸如焊球110內(nèi)側(cè)的中子反應(yīng)材料102相互作用。此夕卜，中子反應(yīng)材料102也可以布置在讀出電子器件和/或第一半導(dǎo)電元件101的表面上(例如，布置成簇)和/或植入到第一半導(dǎo)電元件101內(nèi)側(cè)(在圖17B-C中未示出)。但是，應(yīng)該注意，例如圖17B-C所示的檢測器可能具有優(yōu)勢地包括自身讀出芯片107b，用于讀取由第二半導(dǎo)電元件108產(chǎn)生的電荷。另外的讀出芯片107b可以布置在例如第二半導(dǎo)電元件108的頂表面(背離讀出芯片107a，如圖18B所示)上，由此從中子反應(yīng)材料到第二半導(dǎo)電元件的距離被最小化。此外，在第一和第二半導(dǎo)電元件之間僅有一個(gè)讀出芯片107a時(shí)，可以避免由于另外的第二讀出芯片107b帶來的誤差和模糊效應(yīng)。但是，讀出芯片107a、107b也可以布置成面對(duì)面，如圖18C所示。圖18示出了根據(jù)本發(fā)明一種可能具有優(yōu)勢的實(shí)施方式，用于檢測中子的設(shè)備200。設(shè)備200可能具有優(yōu)勢地包括檢測器模塊201和接口模塊210，檢測器模塊具有諸如在本申請(qǐng)中其他地方描述的中子轉(zhuǎn)換器102，以及至少一個(gè)半導(dǎo)電元件101、108。半導(dǎo)電元件101、108可能具有優(yōu)勢地電耦合到讀出電子器件107，諸如例如ASIC芯片。此外，可編程邏輯202可以適配成提供檢測器模塊201的功能，諸如信號(hào)處理、定時(shí)和控制操作，以及還提供檢測器模塊201和接口模塊210之間的接口和數(shù)據(jù)通信。接口模塊210可能具有優(yōu)勢地包括自身的可編程邏輯211。此外，接口模塊210可能具有優(yōu)勢地包括EEPROM存儲(chǔ)器裝置212以及其他用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器裝置213、用于控制設(shè)備200的操作的用戶接口裝置214、用于顯示信息(諸如與被計(jì)數(shù)的中子或反應(yīng)相關(guān)的總計(jì)數(shù)和/或劑量)的顯示裝置215、和數(shù)據(jù)通信裝置216，諸如無線通信裝置，它例如可以通過藍(lán)牙(Bluetooth)或WLAN來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)通信裝置216還可以具有串行通信總線，諸如USB。此外，接口模塊210可能具有優(yōu)勢地包括用于控制接口模塊的部分211-216之間的操作以及數(shù)據(jù)通信的微控制器217。根據(jù)本發(fā)明一種或多種實(shí)施方式的中子檢測器具有許多應(yīng)用。鑒于其尺寸緊湊、成本低、檢測效率高、功耗低以及中子信號(hào)的直接實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，它們例如可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用根據(jù)本發(fā)明一種或多種實(shí)施方式的中子檢測器的一種可能的結(jié)構(gòu)300在圖19中示出，其中中子檢測器可能具有優(yōu)勢地形成測量網(wǎng)絡(luò)，用于從例如測量點(diǎn)例如經(jīng)由基站或者其他節(jié)點(diǎn)向中央控制點(diǎn)傳輸測量信息。鑒于實(shí)時(shí)測量中子的測量點(diǎn)眾多，可以檢測可能的中子 遷移，并且例如從救援的觀點(diǎn)來看，可以形成預(yù)報(bào)。結(jié)構(gòu)300可能具有優(yōu)勢地可包括多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)301，它們每一個(gè)采用本發(fā)明的至少一個(gè)中子檢測器。傳感器節(jié)點(diǎn)301可能具有優(yōu)勢地例如利用電池、太陽能電池或者技術(shù)人員知道的其他方式供電，并且傳感器節(jié)點(diǎn)301的數(shù)據(jù)通信302可能具有優(yōu)勢地以無線方式實(shí)施，諸如采用WLAN (802. lb, g或6LowPan)或者以技術(shù)人員知道的其他無線技術(shù)來實(shí)施。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)301例如可以在地理上定位于非常困難的地方。但是，應(yīng)該注意，傳感器節(jié)點(diǎn)301也可以由主電源供電和/或傳感器節(jié)點(diǎn)301的數(shù)據(jù)通信302也可以通過有線方式實(shí)施。傳感器節(jié)點(diǎn)301可能具有優(yōu)勢地與骨干節(jié)點(diǎn)303數(shù)據(jù)通信，骨干節(jié)點(diǎn)諸如是主電源供電的、采用WLAN (802. lb, g或6LowPan)或者技術(shù)人員知道的其他數(shù)據(jù)通信技術(shù)的骨干WLAN MESH節(jié)點(diǎn)。此外，骨干節(jié)點(diǎn)303可以彼此數(shù)據(jù)通信304，以及例如經(jīng)由基站與例如3G或GPRS網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等中的運(yùn)營商305數(shù)據(jù)通信。根據(jù)一種實(shí)施方式，用戶、數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)器306也可以例如經(jīng)由LAN收集測量數(shù)據(jù)，并且移動(dòng)用戶307例如經(jīng)由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)諸如3G或GPRS收集測量數(shù)據(jù)。此外，根據(jù)一種實(shí)施方式，例如管理者也可以與測量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，或者甚至經(jīng)由圖19所示的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)中的檢測器數(shù)據(jù)通信(諸如控制它們的操作)。此外，帶有檢測器的測量節(jié)點(diǎn)例如可以布置在交通工具中，諸如飛機(jī)特別是無人航空器308中，其操作可以提前編程，也可以經(jīng)由圖19所示的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。
除了安全和背景輻射監(jiān)控之外，根據(jù)本發(fā)明一種或多種實(shí)施方式的中子檢測器還具有其他應(yīng)用領(lǐng)域，諸如安全(防止核恐怖的保護(hù))和成像，以及非破壞性測試(用于工業(yè)應(yīng)用的中子成像，作為X射線的補(bǔ)充)。此外，所述檢測器可以用于健康目的，諸如個(gè)人放射量測定，例如用于核電站的人員暴露和戰(zhàn)場上的士兵。本發(fā)明的一種或多種實(shí)施方式可以提供顯然的優(yōu)勢，諸如成本低、檢測效率高、中子信號(hào)直接實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換、尺寸緊湊、功耗低、對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的良好適應(yīng)性、對(duì)背景X射線和/或Y射線的良好區(qū)別能力以及對(duì)中子成像的適用性。此外，如本文中上述內(nèi)容，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，中子核譜學(xué)應(yīng)用也是可能的。例如，基于各種檢測器基材以及讀出ASIC，本發(fā)明還提供靈活的模塊化架構(gòu)。
作為結(jié)論，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器材料可能具有優(yōu)勢地具有較高的Z值，諸如CdTe或CdZnTe轉(zhuǎn)換器具有較高的Z值，因此它們良好地適用于例如將中子例如轉(zhuǎn)換成可檢測的伽馬射線。例如，天然Cd也包含113Cd,它對(duì)于熱中子俘獲具有較高的截面。這種反應(yīng)的產(chǎn)物是伽馬光子和轉(zhuǎn)換電子。當(dāng)中子例如被Cd核俘獲時(shí)，發(fā)射出558keV的光子，并且大約3%的光子被內(nèi)部轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換成能量相同的電子。通過將3D和/或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)引入到半導(dǎo)體檢測器和轉(zhuǎn)換器材料中，可以提高檢測效率，即使半導(dǎo)體元件和/或轉(zhuǎn)換材料超薄。檢測效率可以從平面設(shè)備情況下的低于5%提高到3D檢測器情況下的高于30%。上面已經(jīng)參照前述實(shí)施方式解釋了本發(fā)明，并且已經(jīng)闡明了本發(fā)明的若干可能的優(yōu)勢。顯然，本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施方式，而是包括本發(fā)明的構(gòu)思以及隨后的專利權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的全部可能的實(shí)施方式。例如，特別針對(duì)中子檢測、計(jì)數(shù)和成像開發(fā)了所述檢測器，但是也可以在其他科學(xué)技術(shù)應(yīng)用場景中發(fā)現(xiàn)其用途。
此外，即使用于收集電荷的電極沒有進(jìn)一步詳細(xì)描述，但是它們可以根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式在檢測器的表面上布置成平面(即垂直于中子通量)。但是，電極以其他方式布置，諸如基本上平行于中子通量(例如，如W02009/071587公開文本中所披露)的實(shí)施方式也可以用于收集所產(chǎn)生的電荷。此外，應(yīng)該注意，連接到電極的讀出裝置可以例如通過導(dǎo)電導(dǎo)線來實(shí)施，并且單獨(dú)的讀出電子器件也可以布置在除了檢測器表面上的其他地方或者與電極直接接觸。根據(jù)一種實(shí)施方式，所述讀出電子器件可以經(jīng)由導(dǎo)線連接到電極，和/或?qū)щ娧b置(諸如導(dǎo)線或金屬板)可以用于將檢測器的電極短路，例如在僅檢測計(jì)數(shù)而不需要位置信息時(shí)。
權(quán)利要求
1.ー種用于檢測中子的檢測器，其中所述檢測器包括 中子反應(yīng)材料，所述中子反應(yīng)材料用干與入射在其上的待檢測中子相互作用，以響應(yīng)與所述入射中子的相互作用而釋放電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物； 第一半導(dǎo)體元件，所述第一半導(dǎo)體元件布置成與所述電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物相互作用，從而與所述電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物的能量成比例地提供電荷；和 所述第一半導(dǎo)體元件配置有電極，所述電極用于提供電荷收集區(qū)域以收集所述電荷并提供與所述被收集的電荷成比例的可讀電信號(hào)， 其中所述中子反應(yīng)材料布置在所述檢測器中，基本上與所述電極位于所述第一半導(dǎo)電兀件的同一側(cè)。
2.如權(quán)利要求I所述的檢測器，其中，所述中子反應(yīng)材料至少部分地布置在所述第一半導(dǎo)體的所述電極之間。
3.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中，所述第一半導(dǎo)體元件包括孔，諸如柱形、通道、溝槽和/或其他空腔，所述孔以所述中子反應(yīng)材料填充和/或以所述第一半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)上和/或內(nèi)側(cè)的中子反應(yīng)材料填充。
4.如權(quán)利要求3所述的檢測器，其中，所述中子反應(yīng)材料設(shè)置在最靠近所述電荷收集區(qū)域的部分，從而與待檢測的中子相互作用并釋放電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物。
5.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中，所述第一半導(dǎo)體元件經(jīng)由多個(gè)凸塊焊盤區(qū)域和凸塊焊接元件而凸塊焊接在讀出電子器件上，并且其中所述中子反應(yīng)材料布置在所述凸塊焊盤區(qū)域之間，和/或所述讀出電子器件和所述凸塊焊接元件之間。
6.如權(quán)利要求5所述的檢測器，其中，所述凸塊焊接元件包括焊球。
7.如權(quán)利要求5或6所述的檢測器，其中，所述凸塊焊接元件包括所述中子反應(yīng)材料。
8.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中，所述中子反應(yīng)材料布置在所述檢測器中，以使待檢測的入射中子在到達(dá)所述中子反應(yīng)材料之前，穿入所述第一半導(dǎo)體元件的至少一部分。
9.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中，所述中子反應(yīng)材料布置在所述第一半導(dǎo)體元件和與所述第一半導(dǎo)體元件電耦合的所述讀出電子器件之間，與所述電極位于所述第一半導(dǎo)體元件的相同表面上，位于所述電極結(jié)構(gòu)內(nèi)和/或所述讀出電子器件的表面上。
10.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中，所述第一半導(dǎo)體元件配置成阻止與入射光子相互作用。
11.如權(quán)利要求10所述的檢測器，其中，所述第一半導(dǎo)體元件配置成足夠薄，以使其對(duì)于所述入射光子基本上透明。
12.如權(quán)利要求10或11所述的檢測器，其中，所述入射光子是伽馬和/或X射線光子。
13.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中，所述中子反應(yīng)材料包括以下至少ー種1QB、6Li、3He、155Gd、157Gd、113Cd、碲化鎘(CdTe)、鋅碲化鎘(CdZnTe)或者基于氮化硼(BN)或氟化鋰(LiF)的復(fù)合材料。
14.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中， 所述中子反應(yīng)材料形成中子敏感轉(zhuǎn)換器，所述中子敏感轉(zhuǎn)換器的至少ー個(gè)表面是復(fù)雜的，諸如呈回旋狀、鋸齒狀和/或包括溝槽和/或孔； 其中所述中子反應(yīng)材料在所述第一半導(dǎo)體元件的所述表面上和/或所述表面內(nèi)布置成簇，和/或 在所述讀出電子器件和所述第一半導(dǎo)體元件之間布置成簇。
15.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中，所述檢測器另外包括第二半導(dǎo)體元件，所述第二半導(dǎo)體元件比與所述中子反應(yīng)材料耦合的所述第一半導(dǎo)體元件厚，以使所述第二半導(dǎo)體元件對(duì)于由所述中子在與所述中子反應(yīng)材料相互作用時(shí)產(chǎn)生的光子諸如伽馬光子敏感，并且其中所述第二半導(dǎo)體元件適于與所述伽馬光子的能量成比例地提供電荷。
16.如權(quán)利要求15所述的檢測器，其中，所述檢測器包括用于提供時(shí)間窗的重合裝置，在所述時(shí)間窗期間，所述檢測器適于檢測由中子產(chǎn)生的所述光子，并且所述時(shí)間窗的起始點(diǎn)由中子與產(chǎn)生所述光子的所述中子反應(yīng)材料的相互作用來觸發(fā)。
17.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中，所述第一半導(dǎo)體元件和/或第二半導(dǎo)體元件被多個(gè)電極在電學(xué)上劃分為多個(gè)區(qū)域，以使在對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體元件中產(chǎn)生的電荷能夠 被最近的電極收集，由此根據(jù)收集所述電荷的電極的位置確定所產(chǎn)生的電荷的位置。
18.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器，其中，所述讀出電子器件例如經(jīng)由凸塊焊接而與所述第一半導(dǎo)體元件和/或第二半導(dǎo)體元件的電極耦接，以檢測由所述電極收集的電荷，并且所述讀出電子器件適于產(chǎn)生與所收集的電荷成比例的電信號(hào)。
19.ー種用于檢測中子的中子檢測設(shè)備，其中所述檢測器包括如權(quán)利要求I至18任一項(xiàng)所述的檢測器、用于控制所述設(shè)備的操作的用戶接口裝置、用于存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器裝置和用于顯示與所述被檢測的中子相關(guān)的信息的顯示裝置。
20.ー種用于檢測中子的結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)包括至少ー個(gè)如權(quán)利要求I至188任ー項(xiàng)所述的檢測器，其中所述檢測器另外與數(shù)據(jù)發(fā)射裝置耦接，所述數(shù)據(jù)發(fā)射裝置用于經(jīng)由數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)向所述結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)接收裝置發(fā)射由所述檢測器測量的信息。
21.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述檢測器的所述數(shù)據(jù)發(fā)射裝置是無線數(shù)據(jù)發(fā)射裝置，并且其中至少ー個(gè)檢測器布置到移動(dòng)交通工具中，諸如無人航空器(UAV)中。
22.如權(quán)利要求20或21所述的結(jié)構(gòu)，其中，將發(fā)射與被檢測的中子有關(guān)的數(shù)據(jù)的所述檢測器的地理位置信息(GPS)提供給所述結(jié)構(gòu)的所述數(shù)據(jù)接收裝置。
23.一種用于提供待成像物體的層析圖像的中子成像裝置，其中所述裝置包括至少ー個(gè)如權(quán)利要求17或18所述的用于檢測穿過所述物體的中子的檢測器，和用于利用與所述檢測器檢測的所述中子有關(guān)的測量信息構(gòu)建所述層析圖像的圖像構(gòu)建裝置。
24.一種制造如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器的方法，其中通過應(yīng)用表面沉積方法，諸如激光燒蝕、原子層沉積(ALD)、光刻法或者濺射技木，將所述中子反應(yīng)材料布置在所述第一半導(dǎo)體元件上和/或內(nèi)側(cè)。
25.一種制造如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的檢測器的方法，其中所述第一半導(dǎo)體元件經(jīng)由多個(gè)凸塊焊盤區(qū)域和凸塊焊接元件而凸塊焊接在讀出電子器件上，并且所述中子反應(yīng)
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述凸塊焊接元件包括焊球。
27.如權(quán)利要求25或26所述的方法，其中，所述凸塊焊接元件包括所述中子反應(yīng)材料。
全文摘要
一種用于檢測中子的檢測器(100)包括中子反應(yīng)材料(102)，所述中子反應(yīng)材料適配成與待檢測中子相互作用并針對(duì)與中子的所述相互作用釋放電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物。所述檢測器還包括第一半導(dǎo)體元件(101)，所述第一半導(dǎo)體元件與所述中子反應(yīng)材料(102)耦合并適配成與所述電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物相互作用并提供與所述電離輻射反應(yīng)產(chǎn)物的能量成比例的電荷。此外，電極布置成與所述第一半導(dǎo)體元件(101)連接，用于提供用來收集電荷的電荷收集區(qū)域(106)，并且提供與所述被收集的電荷成比例的電可讀信號(hào)。在所述檢測器(100)中，所述中子反應(yīng)材料布置為讓待檢測的入射中子與基本上最接近所述電荷收集區(qū)域(106、110)的部分內(nèi)的中子反應(yīng)材料(102)相互作用，其中所述電荷收集區(qū)域由與所述中子反應(yīng)材料耦合的所述第一半導(dǎo)體元件(101)中的電極提供。
文檔編號(hào)H01L31/115GK102695968SQ201080059488
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者湯姆·斯庫爾曼, 里斯托·奧拉瓦 申請(qǐng)人:芬菲斯公司