專利名稱：電離輻射探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電離輻射探測器。
這種輻射的實例是研究中所用的X射線，其中X射線探測器可以用于以電子方式記錄物體或生物的圖像。另一實例是用于探測伽馬(gamma)輻射的探測器，該伽馬輻射用于例如醫(yī)療材料科學或安全用途。但是，本探測器可用于探測所有類型的電離輻射。此外，本探測器可以用于醫(yī)療用途和工業(yè)用途。在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)，可以在例如與用于治療疾病的伽馬輻射的應(yīng)用或X射線的應(yīng)用有關(guān)的方面進行探測。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，可以在例如與微電子學、毫微技術(shù)等范圍內(nèi)物體的研究有關(guān)的方面進行輻射的探測。
因此，本發(fā)明不應(yīng)被認為局限于任一特定應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可獲得電離輻射的數(shù)字探測器的不同設(shè)計。這些設(shè)計中的一些是基于曝光時在表面層產(chǎn)生電荷的非晶半導(dǎo)體。在讀出(read-out)裝置中讀取具有非晶半導(dǎo)體層的探測器板，從而獲得物體的圖像。
近來，數(shù)字探測器也得到了發(fā)展。這些探測器基于不同的技術(shù)解決方案。一種類型的探測器在探測器中具有硅。這樣，可以使X射線或伽馬光子直接聚集到硅基探測器中。硅基探測器可以是平板類型的，即，具有圖像像素的硅平面區(qū)域，或者它們可以由包括從硅基板突出的硅棒的像素組合(build up)而成。
另一種類型的探測器是基于一種包括氣體雪崩探測器的探測器，其中惰性氣體用作放大器。電子云以這種方式產(chǎn)生，即，其可以由具有例如施加于載體的金屬電極的探測器板探測出。
可獲得用于探測電離輻射的不同類型的半導(dǎo)體探測器，諸如包含鍺、硅、CdTe和HgI2的探測器。閃爍型探測器可以包括包含NaI、CsI、BGO、BaF2、塑料或纖維的活性(active)材料。
已知探測器的主要缺點是它們較昂貴。另一缺點是它們對輸入輻射的記錄相對較慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明消除了這些缺點。
通過本發(fā)明減少了數(shù)字探測器的成本，而且同時提高了探測器的性能。
因此，本發(fā)明涉及一種用于探測電離輻射的探測器，包括布置成連接到讀出裝置的至少一個探測器，該讀出裝置用于讀取和評價來自探測器的信號，所述探測器包括載體材料以及包含有施加到該載體材料的活性探測器材料的層，所述活性探測器材料布置成，在接收入射到所述層上的電離輻射的情況下，則其在所述層中的所述活性探測材料中引起電離，其中施加有穿越所述層的電場，從而所述電離產(chǎn)生電流，所述讀出裝置布置成可進行探測，使得其可以通過這種方式探測所述入射電離輻射，并且其特征在于，所述層中的所述活性探測器材料包含ZnO的程度使得電離輻射產(chǎn)生可探測的電流。


下面，部分地結(jié)合附圖中所示的本發(fā)明實施例，對本發(fā)明進行更詳細的描述，附圖中圖1a示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的探測器的橫截面；圖1b和圖1c示出了本發(fā)明操作所依據(jù)的原理；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的探測器；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的探測器；以及圖4示出了具有兩級探測器的本發(fā)明實施例。
具體實施例方式
活性材料氧化鋅使得較少量的輻射成為可能并給出快速記錄，這意味著還可產(chǎn)生由X射線形成的所謂運動圖像。本發(fā)明包括探測器或CCD(電荷耦合裝置)，其中探測器材料包含非晶態(tài)、晶態(tài)、或納米晶形態(tài)的氧化鋅，氧化鋅為純凈形態(tài)或摻有雜質(zhì)。氧化鋅可以以p型摻雜、n型摻雜或本征形態(tài)存在。氧化鋅順次沉積到載體材料上。這可以是各種特性的，諸如玻璃、石英晶體、陶瓷、聚合物、藍寶石、硅等。載體材料具有集成到表面層內(nèi)的或載體材料中的讀出電極。但是，重點指出的是，用于探測光子的活性材料是純凈的或摻雜的氧化鋅。用于放大、閾值探測、信號處理和數(shù)字化的電子電路與載體材料結(jié)合或安裝到載體材料上。氧化鋅可以施加到形成完整探測器的一個大區(qū)域，或者其可以施加到子區(qū)域，這些子區(qū)域隨后被裝配在一起以形成探測器單元?；钚圆牧涎趸\可以適用于不同的波長。此外，活性材料氧化鋅在相關(guān)波長范圍內(nèi)給出恒定響應(yīng)，這有助于用于讀出和用于探測的電子電路的設(shè)計。
附圖的簡要描述下面，將結(jié)合示意圖對本發(fā)明進行描述，圖1a示出了電離輻射探測器，其中活性材料氧化鋅通過它的導(dǎo)體層而施加到讀出芯片。圖1b和圖1c示出了本發(fā)明操作所依據(jù)的原理。
圖2示出了氧化鋅是如何施加到電路板的，因而該電路板具有與用于讀出和用于探測的電子電路的連接。圖3示出了活性材料是如何施加到載體基板的，該載體基板具有電連接，使得其可以借助于倒裝芯片技術(shù)連接到用于讀出和用于探測的電子電路。該連接還可以連接到其它接觸元件，例如導(dǎo)電橡膠元件。圖4示出了將探測器材料(ZnO)施加到基板的技術(shù)解決方案，該基板包括聚合材料、陶瓷、硅等的電路板。此外，還施加了第二層活性材料。這使得能夠測量電離輻射的入射角度。
另外，可以測量入射光子的能級。
詳細描述本發(fā)明包括探測器或CCD(電荷耦合裝置)，其中探測器材料包含非晶態(tài)、晶態(tài)、或納米晶形態(tài)的氧化鋅，或者是純凈形態(tài)的或者是摻有雜質(zhì)的。氧化鋅可以是p型摻雜、n型摻雜的，或者其可以具有其本征形態(tài)。
圖1a示出了用于諸如X射線或伽馬射線3的電離輻射的探測器，其中活性材料氧化鋅4施加到裝備有導(dǎo)電層6的讀出芯片7。介電材料5位于導(dǎo)電層6中的導(dǎo)體之間。頂部電極1施加于活性材料4的上方。
圖1b示出了探測器，當從頂部向下觀察時，該探測器具有頂部電極、介電層、活性探測器材料、具有被介電材料包圍的電導(dǎo)體的導(dǎo)電層、以及載體層。肖特基(Schottky)接觸可以形成于頂部電極中，取代頂部電極下方的介電層。以類似的方式，下部介電材料可以由肖特基接觸取代。入射到ZnO探測器體積(detectorvolume)上并被其阻擋的光子轉(zhuǎn)變成電子-空穴對，電子-空穴對進而以形成更多電子-空穴對的方式來釋放多余能量。自由電荷載體隨后在所施加的電場中被加速，并且電子聚集在有限的且隔離的金屬讀出島中，所述讀出島連接到讀出接觸。電場施加于頂部電極與讀出島之間，因此，該電場主要橫跨標記為電容Cd的探測器體積，參照圖1c。該電容Cd明顯小于讀出接觸與接地之間的電容Cs。通過導(dǎo)體將信號從電容Cs與接地之間提取到讀出電子裝置。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，所述活性材料包含具有可達5％的氮(N)、砷(As)或磷(P)的p型摻雜ZnO。
根據(jù)另一優(yōu)選實施例，所述活性材料包含具有可達5％的鋁(Al)、銦(In)或鎵(Ga)的n型摻雜ZnO。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，位于活性探測器材料層4下方的導(dǎo)電層6包括這樣的導(dǎo)電層，即，該導(dǎo)電層包含鈦(Ti)、鋁(Al)、鉑(Pt)、金(Au)和銀(Ag)中的一種或多種金屬。
呈頂部電極1形式的導(dǎo)電層1位于活性探測器材料層的上方，該導(dǎo)電層包含鈦(Ti)、鋁(Al)、鉑(Pt)、金(Au)或銀(Ag)中的一種或多種金屬。
所述活性探測器材料布置成向入射電磁輻射提供所述可探測電流，該入射電磁輻射具有1KeV到20MeV范圍內(nèi)的能級。
圖2示出了根據(jù)第二實施例的用于電離輻射3的探測器。根據(jù)該實施例，活性材料氧化鋅4施加到導(dǎo)電層11上，該導(dǎo)電層位于電路板9(例如印刷電路板)上。該導(dǎo)電層包括電導(dǎo)體，而電介質(zhì)8位于導(dǎo)體之間。導(dǎo)體具有與用于讀出和用于探測的本類型探測器的適當已知電子電路(圖中未示出)相連接的電連接10。頂部電極1施加于活性材料4的上方。探測器的這種設(shè)計保證了能夠分散開連接10，使得便于安裝到讀出和探測芯片上。然后可以應(yīng)用例如引線結(jié)合的有效安裝方法。
圖3示出了根據(jù)第三實施例的用于電離輻射3的探測器?；钚圆牧涎趸\4施加到載體基板12上，該載體基板具有電連接16，從而借助于具有BGA(球柵陣列)技術(shù)的倒裝芯片技術(shù)，該電連接可以連接到用于讀出和探測的電子電路14上的讀出島17。該連接還可以利用例如導(dǎo)電橡膠元件的其它接觸元件而進行。如上所述，具有導(dǎo)電層的電路板或基板12施加于活性材料4的頂部上。頂部電極1被施加于電路板或基板12的頂部上。
圖4示出了根據(jù)第四實施例的用于電離輻射的探測器。
根據(jù)該實施例，第二等效探測器裝置布置在包括頂部電極、活性層和導(dǎo)電層的第一探測器裝置的下方，從而入射輻射首先入射到上部活性材料上，之后入射到下部活性材料上，其中設(shè)置有用于每層活性材料的讀出電路。
活性材料氧化鋅4施加到具有讀出島的載體基板23上。具有讀出島的載體基板23包括聚合物材料、陶瓷、硅或類似材料的電路板。
此外，包括頂部電極18的第二層活性材料22施加于載體基板23的下方。載體基板19設(shè)置于具有讀出島的第二活性層的下方，該載體基板19也包括聚合物材料、陶瓷、硅或類似材料的電路板。
下部活性層22被分割成像素。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，在多個探測器放置于同一基板上的情況下，將介電材料放置于活性材料層下方的所述導(dǎo)電材料的不同部分之間，以便在導(dǎo)電層中形成分離的電導(dǎo)體。
圖4示出了電連接(被稱為“通道”)20和24，其穿過相應(yīng)的基板而畫出，以便對讀出和探測芯片提供連接。
這種設(shè)計使得測量入射輻射3的入射角度成為可能。光子的入射角度借助于讀出電子電路來確定，該電子電路與進行探測的探測器平面中的讀出島以及與其它平面中的島相互作用。在直至微秒精度的確定事件的準確時間內(nèi)或在更短的時間間隔內(nèi)，通過不同平面中相互作用的至少兩個不同的讀出島，可以在多個層中探測由一個光子產(chǎn)生的電子云。從單光子事件(single-photon events)引發(fā)的這些信息中可以計算出入射角度。
此外，可以測量入射光子的能級。通過在具有不同能量的輻射之間區(qū)別兩層或多層探測器電極來確定能級。在探測器材料的上層中探測到能夠以最大能量E1穿透第一探測器體積的光子。在下層中探測到具有大于E1的能量的光子。如果應(yīng)用多于兩個的探測器層，則來自多個能量范圍的輻射可以區(qū)別開來，從而可以用于提供具有仿(artificial)“色彩深度”的X射線圖像。
這樣，可以實現(xiàn)三維和真色彩的X射線圖像。
根據(jù)所有實施例，優(yōu)選地，所謂的“TFT”(薄膜晶體管)形成于所述導(dǎo)電層中或所述導(dǎo)電層上，以便讀取活性探測器材料。
根據(jù)可替換的優(yōu)選實施例，所謂的“CCD元件”(電荷耦合裝置元件)形成于所述導(dǎo)電層中或所述導(dǎo)電層上，以便讀取活性探測器材料。
根據(jù)另一可替換的優(yōu)選實施例，所謂的“ROIC”(讀出集成電路)形成于所述導(dǎo)電層中或所述導(dǎo)電層上，以便讀取活性探測器材料。
根據(jù)上述的所有實施例，活性層的厚度在10至10,000微米之間。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，探測器在其自身平面中的尺寸達到1米×1米。
上面已描述了多個實施例。但是很顯然，相對于在其自身平面中的探測器層的設(shè)計以及相對于導(dǎo)電層的設(shè)計，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對根據(jù)本發(fā)明的探測器進行修改。
由于這個原因，所以不應(yīng)認為本發(fā)明局限于上述的實施例，而是可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)進行變化。
權(quán)利要求
1.一種探測器，用于探測電離輻射，包括布置成連接到讀出裝置的至少一個探測器，所述讀出裝置用于讀取和評價來自所述探測器的信號，所述探測器包括載體材料以及包含有施加到所述載體材料的活性探測器材料的層(4)，所述活性探測器材料布置成，在其接收入射到所述層(4)上的電離輻射(3)的情況下，在所述層(4)中的所述活性探測器材料中引起電離，其中施加有穿越所述層(4)的電場，從而所述電離產(chǎn)生電流，所述讀出裝置布置成可進行探測，使得其可以通過這種方式探測所述入射電離輻射(3)，其特征在于，所述層中的所述活性探測器材料包含ZnO的程度使得電離輻射產(chǎn)生可探測的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述活性探測器材料包含非晶態(tài)、晶態(tài)、或納米晶形態(tài)的ZnO。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述活性材料包含具有可達5％的氮(N)、砷(As)或磷(P)的p型摻雜ZnO。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述活性材料包含具有可達5％的鋁(Al)、銦(In)或鎵(Ga)的n型摻雜ZnO。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述活性材料包含處于其本征形態(tài)的ZnO。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、或5所述的探測器，其特征在于，所述活性探測器材料布置成向入射電磁輻射提供所述可探測電流，所述入射電磁輻射具有1KeV至20MeV范圍內(nèi)的能級。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的探測器，其特征在于，包含鈦(Ti)、鋁(Al)、鉑(Pt)、金(Au)和銀(Ag)中的一種或多種金屬的導(dǎo)電層位于所述活性探測器材料層的下方。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的探測器，其特征在于，包含鈦(Ti)、鋁(Al)、鉑(Pt)、金(Au)和銀(Ag)中的一種或多種金屬的呈頂部電極形式的導(dǎo)電層位于所述活性探測器材料層的上方。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的探測器，其特征在于，具有所述三個層的所述探測器設(shè)置于聚合物材料、陶瓷材料或硅材料的基板上，所述三個層為所述活性層以及所述活性層上方和下方的層。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求9所述的探測器，其特征在于，在多個探測器位于同一基板上的情況下，將介電材料設(shè)置于所述活性材料層下方的所述導(dǎo)電材料的不同部分之間，以便在所述導(dǎo)電層中形成分離的電導(dǎo)體。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的探測器，其特征在于，所謂的“TFT”(薄膜晶體管)形成于所述導(dǎo)電層中或所述導(dǎo)電層上，以便讀取所述活性探測器材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的探測器，其特征在于，所謂的“CCD元件”(電荷耦合裝置元件)形成于所述導(dǎo)電層中或所述導(dǎo)電層上，以便讀取所述活性探測器材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的探測器，其特征在于，所謂的“ROIC”(讀出集成電路)形成于所述導(dǎo)電層中或所述導(dǎo)電層上，以便讀取來自所述活性探測器材料的信號。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的探測器，其特征在于，所述活性層的厚度在10至10,000微米之間。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的探測器，其特征在于，所述探測器在其自身平面中的尺寸達到1米×1米。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的探測器，其特征在于，第二相應(yīng)探測器裝置布置在包括頂部電極、活性層和導(dǎo)電層的第一探測器裝置的下方，從而入射輻射首先入射到上部活性材料上，隨后入射到下部活性材料上，特征還在于設(shè)置有用于每層活性材料的讀出電路。
全文摘要
一種用于探測電離輻射的探測器，包括布置成連接到讀出裝置的至少一個探測器，該讀出裝置用于讀取和評價來自探測器的信號，所述探測器包括載體材料以及包含有施加到載體材料的活性探測器材料的層(4)，所述活性探測器材料布置成，在其接收入射到所述層(4)上的電離輻射(3)的情況下，在所述層(4)中的所述活性探測材料中引起電離，其中施加有穿越所述層(4)的電場，從而所述電離產(chǎn)生電流，所述讀出裝置布置成可進行探測，使得其可以通過這種方式探測所述入射電離輻射(3)。本發(fā)明的特征在于，所述層中的所述活性探測器材料包含ZnO的程度使得電離輻射產(chǎn)生可探測的電流。
文檔編號H01L31/115GK101044415SQ200580032300
公開日2007年9月26日 申請日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月23日
發(fā)明者貝爾特·云諾, 揚·斯托勒馬克 申請人:納米自旋電子學有限公司