检测器、用于制造检测器的方法和成像装置的制作方法

专利名称：检测器、用于制造检测器的方法和成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测器、制造所述检测器的方法和成像装置。具体来说，但并不排他，本发明涉及中子检测器、与所述中子检测器相关联的中子反应材料和中子成像装置。
背景技术：
已经知道不同种类的检测器用于检测、跟踪和/或识别电离辐射和高能粒子，诸如核衰变、宇宙辐射或者粒子加速器中的反应所产生的粒子。电离辐射的类型以及经由与其他粒子碰撞而产生电尚福射的粒子的一些不例为Ct粒子(氦核)、^粒子(电子)、中子、伽马射线(高频电磁波、X射线一般与伽马射线相同，除了它们的来源之外)、以及作为示例 的带电强子。中子本身不会电离，而是它们与核子的碰撞导致发射出会导致电离的其他带电粒子。现在存在用于不同类型的辐射和粒子的专用检测器。为了检测辐射，利用与物质相互作用的过程，其中相互作用的介质将不可见的辐射转换为可检测的信号。如果辐射由带电粒子诸如a粒子、电子或正电子构成，则电磁相互作用产生可以收集和检测的电荷。它还能引发进一步的过程，这些过程可以在检测器介质中产生可检测或可记录的信号。辐射或粒子(诸如中子)必须与物质相互作用并且将其能量转移给带电粒子(例如电子)。例如，电中性的伽马辐射通过电磁过程与物质相互作用，并且将其部分或全部能量转移给载荷子。为了记录热中子，需要导致例如带电粒子(诸如a粒子)的中子俘获。所有检测器都利用辐射与物质相互作用、大部分经由电离相互作用这一事实。检测器将电离辐射携带的能量转换成被记录的信号，通常是电信号。与辐射的相互作用发生在相互作用介质中，并且产生被收集和检测的电荷。目前非常常见的检测器是采用半导体(通常是硅或锗)来检测横穿的带电粒子或者光子吸收的半导体检测器。在半导体检测器中，借助在布置于两个电极之间的检测器中释出的载荷子数量来测量辐射。由电离辐射产生的自由电子和空穴(电子-空穴对)的数量与辐射传递给半导体的能量成比例。结果是，大量电子从价带转移到导带，并且在价带中形成等量的空穴。在电场的影响下，电子和空穴向电极迁移，它们在那里产生可以在外部电路中测量的脉冲。空穴相对于电子向相反的方向迁移，并且两者都可以测量。由于产生电子-空穴对所需的能量大小是已知的，并且独立于入射辐射的能量，所以测量电子-空穴对的数量允许测量入射辐射的能量。半导体检测器基于晶片，晶片是半导电材料诸如硅晶体的薄切片，例如通过掺杂(例如，扩散或离子植入)、化学蚀刻或者沉积各种材料而在所述薄切片上构造微电路。原则上，大多数硅粒子检测器利用硅上的二极管结构工作，这种二极管结构则反向偏置。二极管是限制载荷子定向流动的部件。基本上，二极管允许电流向一个方向流动，而阻止其向相反方向流动。当带电粒子经过这些二极管结构时，它们导致可以检测和测量的较小的电离电流。在粒子加速器中的碰撞点周围布置数千个这种检测器，可以给出粒子所遵循的路径的精确图案。用于检测高强度辐射或粒子的硅检测器的例子由W02009/071587描述，其中检测器包括具有进入开口的硅晶片，所述进入开口通过硅的低阻抗体积蚀刻；高阻抗硅的敏感体积，用于将辐射粒子转换成可检测的电荷；和位于高阻抗硅层和低阻抗硅层之间的钝化层。检测器进一步包括构建成竖直通道形式、用于收集电荷的电极，其中所述通道蚀刻到敏感体积中；和用于从被收集的电荷产生信号的读出电子器件。所述检测器构造成通过钝化层直接摄入待检测的辐射或粒子，并且敏感层的厚度作为待检测的粒子的平均自由程的函数来选择。W02009/071587的检测器利用半导体位于绝缘体上的(SOI)晶片来制造，这种晶片包括两个n型硅的最外层和二氧化硅的中间层。制造方法的主要特征在于以下步骤作为待检测粒子的平均自由程的函数，选择在前表面处作为敏感层的其中一个硅层的厚度；通过留下开放窗口而在晶片的两个表面上生长或沉积绝缘层；在所述层中蚀刻孔以构造敏感层，从而达到二氧化硅层；掺杂所述孔以形成电极；在所述晶片的前表面处沉积或图案化所述金属层，并且将所述金属层引导到读出电子器件；和在所述晶片的背面形成达到所述二氧化硅层的窗口。W02009/071587的检测器例如可以通过如下所述来检测高强度辐射粒子让辐射或粒子通过进入窗口进入检测器，将高阻抗硅的敏感体积中的中性原子电离；在蚀刻到敏感体积中的电极之间施加电压；和借助读出电子器件检测作为与电极接触的结果而产生的信号。所述检测器还可在进入窗口具有聚乙烯减速剂，用于检测中子。此外，从现有技术中还获知其他一些中子检测器，诸如W02007/030156A2中的检测器，其中基于半导体的元件作为电信号发生介质用于检测中子。这种元件可以合成并例如以位于半导体基材上或其中的半导体点、导线或导柱的形式使用，所述半导体基材嵌有高截面中子转换器材料的基质，所述的中子转换材料可以在与中子相互作用时发射带电粒子作为反应产物。这些带电粒子又能在半导体元件中产生电子-空穴对以及可检测的电流和电压。特别是W02007/030156A2公开了一种用于检测中子的装置，所述装置包括能在与一个或多个反应产生的粒子相互作用时产生电子-空穴对的基材；仅从所述基材的单一预定表面延伸到所述基材中的多个嵌入式转换器材料，其中所述嵌入式转换器材料配置成在与一个或多个接收到的待检测中子相互作用时释放所述反应产生的粒子，并且其中所述嵌入式转换器材料适配成至少一个维度小于所述一个或多个反应产生的粒子的大约平均自由程，以有效地导致产生所述电子-空穴对；以及至少一对非嵌入式电极，耦接到所述基材的预定表面，其中所述至少一对电极的每个电极包括基本上线性的结构，并且其中由预定的所述至少一对电极接收的来自所产生的电子-空穴对的信号是所述被接收的中子的指示。所述导柱分别耦接到信号收集电子器件，从而指示所述被接收的中子的方向。此外，W02004/040332公开了一种中子检测器，该中子检测器利用带有间隔开的空腔阵列的半导体晶片，所述空腔填充有一种或多种类型的中子反应材料，诸如kiB或6LiF,用于针对与中子的相互作用来释放辐射反应产物。所述空腔蚀刻到所述设备的前表面和背面两者之中，以使来自一侧的所述空腔包围来自另一侧的所述空腔。所述空腔可以经由孔或者蚀刻槽或沟道来蚀刻。在另一种实施方式中，所述空腔尺寸不同，并且较小的空腔从较大的空腔的下表面延伸到所述晶片中。在第三实施方式中，多层不同的中子响应材料形成 在晶片的一侧或多侧。这种新设备在室温下操作，结构紧凑、坚固并且设计可靠。
但是，仍然存在与已知方案相关的问题，即由中子与中子反应材料之间的相互作用所产生的反应产物仅有最小的一部分会导致与半导体的任何相互作用。这种情况至少部分原因是行进的反应产物的方向是任意的。此外，由于大多数中子源或反应伴随着伽马或X射线背景，并且因为中性伽马或X射线辐射与检测器的半导体物质相互作用，所以伽马或X射线背景将干扰精确测量，这是不希望的影响，尤其是对中子成像装置来说。

发明内容
本发明的目的是缓解与已知检测器有关的这些缺陷。特别是，本发明的目的是提 供一种检测器，这种检测器允许有效检测所产生的中子反应产物，从而还提供一种有效的中子检测器。本发明实施方式另外的目的是提供一种检测器，该检测器除了对于检测中子敏感，而且与此同时对于背景伽马和/或X射线“透明”。此外，本发明的目的是提供一种能快速收集电荷且耐辐射性优秀的检测器。本发明一种实施方式涉及如权利要求I所述的检测器，另一种实施方式涉及如权利要求19所述的中子检测设备，进一步的实施方式涉及如权利要求20所述的结构，更进一步的实施方式涉及如权利要求23所述的中子成像装置，而更进一步的实施方式涉及如权利要求24所述的制造检测器的方法。根据本发明可能具有优势的实施方式，所述检测器包括用作中子敏感转换器的中子反应材料，所述中子敏感转换器适配成与待检测中子相互作用，并且根据检测器中所用的中子反应材料，针对所述与中子的相互作用而释放电离辐射反应产物或者反冲核，诸如7Li、3H、155Gd、158Gd、114Cd、质子、a粒子、氚核粒子、裂变碎片、内部转换的电子和/或伽马光子。此外，所述检测器可能具有优势地包括第一半导体元件，所述第一半导体元件与所述中子反应材料耦合并适配成与所述电离辐射反应产物相互作用并且提供与所述电离辐射反应产物的能量成比例的电荷(电子-空穴对)。所述第一半导体元件可能具有优势地是硅晶片，但是其他半导电材料也可以使用，诸如砷化镓(GaAs)或者碲化镉(CdTe)。所述检测器还包括电极，所述电极布置成与所述第一半导体元件连接，用于提供电荷收集区域并且用于收集在与所述第一半导体相互作用时由所述电离辐射反应产物产生的电荷。所述检测器还包括与所述电极电连接的读出电子器件，以提供与所述被收集的电荷成比例的电可读信号。根据一种实施方式，所述中子反应材料布置在所述检测器中，基本上与所述电极位于所述第一半导电元件的同一侧，以便所述电离辐射反应产物可能具有优势地在所述第一半导体元件的所述部分中产生电荷，其中所述部分可能具有优势地处于由所述第一半导体元件内或其上的电极所提供的电荷收集区域附近或周围。根据一种实施方式，所述中子反应材料可以布置在所述检测器中，以使待检测的入射中子与最接近由所述第一半导体元件内或其上的电极所提供的所述电荷收集区域的那一部分中的中子反应材料相互作用，其中所述中子反应材料连接或耦接所述第一半导体元件。可能具有优势的是，所述中子反应材料布置成让所述中子转换器的表面积最大化。这种实施方式提供显然的优势，即由所述第一半导体中的所述反应产物所产生的电荷(电子-空穴对)中增大的一部分可以被电极俘-M-犾。根据一种可能具有优势的实施方式，所述中子反应材料至少部分地布置在所述第一半导体的电极之间。根据一种可能具有优势的实施方式，所述第一半导体元件的厚度可能具有优势地适配成在电学上(耗尽层)和/或物理上非常薄，以便其本质上和实际上对于入射光子诸如背景伽马光子透明。根据示例实施方式，所述第一半导体元件的所述厚度大约为10 Pm。根据本发明一种可能具有优势的实施方式，所述第一半导体元件的厚度介于10-30 之间。所述第一半导体元件的纤薄度例如可以如下来实现通过物理去除半导体材料(机械地背部削薄)或者通过适当掺杂半导体，从而仅产生较薄的活性层，或者即电子地布
超薄检测器可以相对于已知检测器提供另外的优势，因为当第一半导电层的厚度处于10-30 y m的范围时，到来的光子诸如背景伽马或X射线基本上不会与所述半导电层相互作用。例如，当半导电层的厚度大约为IOym时，远少于0. 1%的背景伽马与其相互作用，这显然可以忽略。因此，例如硅的薄层或者硅检测器内同等地较薄的电荷收集区域代表着对到来的光子的可忽略的转换可能性。对于软X射线来说，转换可能性最大，但是对于10微米厚的有效Si检测器来说，仍然低于百分之一。超薄检测器(特别是超薄第一半导体和转换器材料)允许例如成像，因为对于伽马和X射线光子透明。此外，当检测器为超薄时，所产生的载荷子可以被电荷收集区域诸如电极有效地俘获。中子反应材料可能具有优势地形成中子敏感转换器。根据一种实施方式，中子敏感转换器的厚度也可以适配成物理上非常薄，以使其本质上且实际上对于入射光子诸如背景伽马光子透明。根据示例实施方式，中子敏感转换器的厚度最大为10-30 ym。中子敏感转换器的纤薄度可以通过制造方法来实现，其中通过应用表面沉积法诸如激光烧蚀、原子层沉积(ALD)、光刻法或者溅射技术，中子反应材料布置在第一半导体元件上和/或内侧。根据一种实施方式，中子反应材料可以引入到半导体元件的表面上，作为中子敏感转换器层。但是，根据另一种实施方式，也可以采用其他形式。例如，第一半导体元件可以另外设置有孔，比如柱形、通道、沟槽和/或其他空腔，它们从而以中子反应材料填充。根据一种实施方式，中子反应材料也可以离子植入到所述第一半导体的结构的内侧，并且可能甚至具有优势地植入到表面层中接近电荷收集区域的地方，以便被释放的电离辐射反应产物可以有效地到达第一半导体并且所产生的电子-空穴对可以被所述电荷收集区域有效地俘获。根据一种实施方式，中子反应材料布置在检测器中，以使待检测的入射中子在到达中子反应材料之前，先穿过第一半导体元件的至少一部分。这样可具有的优势是，转换材料的厚度不是非常精确，因为入射中子在与转换材料相互作用时遵循指数衰减定律，正如本文中其他地方所述。根据一种可能具有优势的实施方式，中子反应材料也可以布置在第一半导体元件和与所述第一半导体元件耦接的读出电子器件之间。此外，中子反应材料也可以施加在所述第一半导体兀件的表面上和/或所述读出电子器件的表面上。另外，根据一种实施方式，中子反应材料可以适配成形成中子敏感转换器，所述中子敏感转换器的至少一个表面的形状复杂、成回旋状或者高低不平，诸如成锯齿状。此外，根据一种可能具有优势的实施方式，中子反应材料可以成簇布置在所述第一半导体元件的表面上和/或表面内、布置在所述读出电子器件和所述第一半导体元件之间，和/或所述第一半导体元件的表面上。这例如可以通过本文中其他地方所述的激光烧蚀来实现。中子反应材料应用在不同地方并且在检测器中具有复杂、回旋状或高低不平的形状的上述实施方式，使得检测器中的中子反应材料的表面积最大化，以便更多的中子将与中子反应材料相互作用。这可以提供明显的优势，诸如提高了将入射中子转换成反应产物的效率。另外，中子也可以与接近读出电子器件、第一半导体元件以及特别是电荷收集区域(电极)的中子反应材料相互作用，这使得检测器对于检测中子非常有效。此外，所产生的反应产物从源头到半导体和电极的距离可以有效地最小化，这进一步提高了检测器的效率。根据本发明一种实施方式，所述检测器还可以另外包括第二半导体元件，所述第二半导体元件通常比与中子反应材料耦合的第一半导体元件更厚。根据一种示例，所述第二半导体元件比第一半导体元件厚数百倍，可能具有优势地是几个毫米，并且根据一种示例，在5_的量级。第二半导体元件可能具有优势地非常厚，以使其对于在中子与中子反应材料相互作用时产生的伽马光子敏感。此外，第二半导体元件适配成提供与所述伽马光子的能量成比例的电荷(电子-空穴对)。根据一种实施方式，第二半导体元件可以用于例如确定被检测的中子的运动学特征，诸如例如在中子反应材料中由中子产生的伽马光子的路径，或者中子在中子反应材料中的反应位置，以及入射中子的能量。因此，在确定了伽马光子的运动学特征(动量或者能量和方向)和反应产物的能量时，可以识别所述入射光子的源或者来源。根据一种实施方式，检测器包括用于提供时间窗的另外的重合装置或者与其相耦接，在所述时间窗期间，伽马光子被第二半导体元件检测。时间窗的起始点可以由中子与产生所述伽马光子的中子反应材料的相互作用来触发，或者实际上由于检测所产生的电子-空穴对而由第一半导体元件的电极所产生的电信号来触发，正如本文中其他地方所述。这样保证了例如被第二半导电元件检测到的伽马光子通过与中子反应材料相互作用的中子所产生，因此排除了例如不希望的背景伽马或X射线光子。此外，可以应用能量鉴别来排除不希望的背景伽马或X射线光子，它们的能量明显不同于在中子转换材料中由被检测的中子所产生的伽马光子的能量。应该注意，上述实施方式中所述的第一和/或第二半导体元件可以在电学上划分为多个区域或像素，由此可以确定中子撞击检测器的精确位置或者至少由中子产生的反应产物。这种划分例如可以通过在半导电材料中和/或其上施加多个电极来实现，以便在半导体元件中产生的电荷适配成被最近的电极收集。因此，所产生的电荷的位置根据收集所述电荷的电极的位置来确定。所述读出电子器件例如可以由ASIC或者类似的芯片来实施，它们可以例如经由凸块焊接元件与半导体元件的电极倒装焊接。所述读出电子器件具有优势地适配成检测由电极收集的电荷，并且产生对位置敏感或不敏感的、与被收集电荷成比例的电信号。根据一种实施方式，所述读出电子器件可以实施为仅用于检测计数(由此所述电极可以短路，因为不需要位置信息)，但是根据另一种实施方式，也用于确定剂量或者甚至提供用于中子成像的信息，特别是在也提供位置信息时。根据一种实施方式，第一半导体元件经由多个凸块焊盘区域和凸块焊接元件诸如、焊球而凸块焊接到读出电子器件上。中子反应材料可能具有优势地布置在所述凸块焊盘区域之间，以及读出电子器件和凸块焊接元件(底层填充材料)之间。此外，根据一种实施方式，凸块焊接元件也可以包括所述中子反应材料。用于中子转换器材料的可能的核子例如为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%)中子俘获截面o =3842b (0. 0253eV)。天然硼的iqB丰度为19. 8%。6Li(n, a )6Li+n — 3H+ a4. 78MeVE3H=2. 73MeV, E a =2. 05MeV中子俘获截面o =942b (0. 0253eV)。天然锂的6Li丰度为7. 40%。3He (n, p)3He+n — 3H+p0. 764MeVE3h = 0. 191MeV, Ep = 0. 573MeV中子俘获截面o =5320b(0. 0253eV)。这是市场上可以买到，但是较昂贵的材料。155Gd155Gd+n — 155Gd+ y (0. 09，0. 20，0. 30keV) + 转换电子中子俘获截面O=6079 Ib (0. 0253eV)。157Gd157Gd+n — 158Gd+ y (0. 08，0. 18，0. 28keV) + 转换电子中子俘获截面O =25501 Ib (0. 0253eV)。天然钆中的157Gd丰度为15. 70%，它发射伽马光子。在39%的俘获中，发射能量主要为72keV的转换电子(也发射能量更高的电子)。转换效率可以高达30%。113Cd113Cd+n — 114Cd+ y (558keV) + 转换电子中子俘获截面O=20743b (0. 0253eV)。


接下来，将参照附图，仅作为非限制性的示例，更为详细地描述本发明的实施方式，在附图中图I示出了根据本发明一种实施方式，带有沉积在表面上的中子转换器的平面半导体中子检测器； 图2A-C示出了有效密度不同的LiF中a和/或氚核的射程图表，其中a粒子和氚核是6Li上的中子俘获产物；
图3A-B示出了对于6LiF和wB转换器来说，中子检测效率作为中子转换器厚度的函数的依存性(两种类型的转换器示出了检测效率最高的最优厚度。它是两种类型的转换器的大约5%o )；图4A-B示出了转换器侧(a)和检测器侧(b)辐射的示意图，示出了在中子转换器中俘获的中子数量；图5示出了对于前侧和背侧辐射来说，检测效率作为LiF转换器厚度的函数；图6A示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，用于制造带有中子反应材料的中子检测器的方法；图6B示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，用于制造带有中子反应材料的中子检测器的另一种方法； 图7A-D示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，通过针对图6A-B所述的方法制造的电学上较薄的结构的示例；图8A示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有沉积在表面上的中子转换器的物理较薄的平面半导体中子检测器的示例；图8B-C示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有沉积在表面上的中子转换器的较薄的半导体中子检测器的示例；图9示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式的半导体检测器，其中转换器在外表面和与检测器敏感体积耦合的表面具有更为复杂或高低不平的形状；图10示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，在其表面上带有中子反应材料的检测器；图11示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有孔的半导体检测器；图12示出了根据本发明一种可能具有优势的实施例的检测器的像素化结构，以便检测中子碰撞及其在检测器上的位置；图13示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有读出芯片的半导体检测器；图14示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有另外的第二半导电元件的半导体检测器；图15示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有包括中子反应材料的电极的中子检测器；图16A-B示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有布置在半导体元件表面上的凸块焊接元件和沟槽的半导体元件；图16C-D示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有凸块焊接元件和以中子反应材料填充的沟槽的半导体元件；图17A-C示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式的中子检测器；图18示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式的用于检测中子的设备；和图19示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，采用本发明的中子检测器的结构。
具体实施例方式I检测器结构一中子转换器半导体检测器(例如，图I和10-18所示)通常适于热中子检测和成像，并且利用将中子“转换”成反应产物的材料(中子反应材料)进行补充。反应产物具有优势地将其能量转移到载荷子，载荷子可以在半导体检测器中直接电检测。硅非常普通地用在检测器中，但是除了硅之外，还存在可以使用的其他类型的半导体材料，诸如氮化硅、锗、砷化镓(GaAs)、磷化镓、氮化镓、磷化铟、碲化镉(CdTe)、锌碲化镉(CdZnTe)、碘化汞、碘化铅以及基于氮化硼(BN)或氟化锂(LiF)的复合材料。可能的优势是中子转换材料可以直接存在于其体积中。例如，即使IOym厚或更薄的硅壁也可以检测重带电粒子，这种重带电粒 子是例如6Li或、上的中子俘获的产物。根据本发明一种实施方式的半导体中子(成像)检测器可以具有较高的空间分辨率、较高的动态范围并且可以有效抑制伽马和电子背景。可以在对热中子具有较高检测效率的同时实现这两者。半导体中子检测器可以根据转换器(即中子反应材料)如何实施在检测器中而分成组I。第一种类型是平面半导体中子检测器，诸如图I和10中所示。它例如可以是简单的平面二极管，其中PN节平行于检测器表面。中子转换器可以设置在检测器表面上。制造这种检测器很简单，但是其中子检测效率有限。中子检测效率定义为检测到的中子和入射的中子的比率。平面检测器检测效率有限的原因在于，由中子俘获而在转换器中产生的粒子无法全部到达检测器敏感体积，例如，正如从图I中可以看出。2。第二种类型是所谓的3D检测器，诸如在图6和11-13以及图17-18中所示。简称“3D”表示在检测器内侧以及表面上形成的3D结构，其中诸如中子转换器的表面的形状复杂或高低不平。目前的半导体技术允许在半导体中制作高级的表面结构。这种结构可以由中子反应材料填充。3D结构增大了中子转换器和检测器材料之间的表面积，由此也增大了中子转换器的表面积。因此，它们增大了入射的中子被转换和检测的可能性。这样也增大了通过中子俘获在转换器中产生的粒子在检测器的敏感体积中被检测到的可能性。应该注意，3D结构的至少一部分(诸如半导电材料内侧的孔或柱)也可以专用于电极，这增大了在半导电元件中产生的电荷(诸如电子-空穴对)被检测到的可能性。转换器材料大多数半导体检测器无法直接检测中子。将中子“转换”成可以由半导体检测的粒子的材料是必须的。这种材料被称为“中子转换器”或者中子反应材料。产生例如重带电粒子的转换器材料具有两个重要的优势。第一个优势在于，在检测器敏感体积中检测到的重带电粒子携带大量的能量，并因此产生高信号，这允许方便地区别除了中子之外的背景。这是一项重要的特征，因为大多数中子源伴随着伽马背景。第二个可能的优势主要适用于中子成像检测器。半导体材料中的重带电粒子相对较短的射程允许设计空间分辨率较高的中子成像器，因为重带电粒子的射程较短。在选择材料时应该注意的一个参数是物质中的中子俘获产物的射程以及转换电子和伽马射线的射程与成像检测器的像素尺寸对比。此外，应该注意，最终被检测的电子可通过康普顿散射或者光电效应而在不同于中子被俘获的地方产生。这样也恶化了成像检测器的空间分辨率。这就是为什么选择中子转换器材料很重要的原因。所用的中子反应材料在检测器的不同地方可以相同或者不同，并且根据一种实施方式，包括至少一种预定的转换器材料，所述转换器材料包括'BAd155GcU 157GcU113CcU碲化镉(CdTe )、锌碲化镉(CdZnTe )、或者基于氮化硼(BN)或者氟化锂(LiF,对于入射光子诸如伽马光子本质上透明)的复合材料。通常，选择的中子反应材料使得其Z数尽可能闻。
图I示出了根据本发明实施方式的平面半导体中子检测器100，带有沉积在半导电材料102的表面上的中子转换器101。检测器100基于平面二极管检测器，其中在6Li(呈LiF化合物形式)转换器101中俘获热中子103并且产生次级粒子104。这些粒子104接着被检测器100的半导电材料102检测到。但是，平面转换器具有其局限性。转换器中的中子俘获可能性随着转换器层厚度增大而增大。另一方面，随着转换器厚度增大，来自最远的转换器层级的中子俘获产物到达检测器敏感体积的机会也会降低。对于特定类型的转换器，必须找到最优的转换器厚度。不幸的是，受限的有效厚度也制约了总体中子检测效率(检测器敏感性)。决定中子转换器设计方案的重要参数是物质中的中子俘获产物的射程。图2A不出了不同有效密度的LiF中氣核以及a粒子射程的图表,其中从现有技术中已知a粒子和氚核是6Li上的中子俘获产物。根据一种实施方式，LiF转换器可以呈现粉末形式，并且因此它可以挤压且实际上具有几乎高达LiF晶体密度的任意有效密度，这里的LiF晶体密度为2. 64g/cm3。LiF可通过6Li富集到89%。硅晶体中氚核的射程为44. I ii m，而a粒子的射程为8. 6 ii m。图2B包含类似的仿真结果，但是是针对无定形的硼粉末，示出了已知作为kiB中的中子俘获产物的a粒子和锂的射程。显然，重带电粒子的射程比LiF的情况短。在Si中kiB上的中子俘获产物的射程为RLi=3 u m/2. 7 u m, Ra =5. 4 u m/5. 2 u m0图2C中的曲线是重带电粒子射程作为B4C密度的函数，正如现有技术中已知。B4C是可用作中子转换器的硼化合物的示例。可以针对任何硼或锂化合物计算这种依存性。但是，所有这些材料的共同属性是kiB的中子俘获产物的射程较之6Li明显缩短。这某种程度预先确定了基于6Li或kiB的转换器的适用性。在更高的热中子俘获截面上kiB相对于6Li的优势由于俘获产物射程较短而被削弱。如果重带电粒子必须经过半导体检测器中较厚的金属接触层或者较厚的非敏感层，则这种影响更为明显。重带电粒子射程的全部结果也可以适用于使用相同的热中子转换器的其他类型的检测器。中子检测效率图3A-B示出了对于6LiF和wB转换器而言，中子检测效率作为中子转换器厚度的函数的依存性，其中这两种类型的转换器显示出了检测效率最高的最优厚度，对于这两种类型的转换器，该检测效率已知大约为5%。从图3A-B可以看出，6Li的较低中子俘获截面的影响，较之kiB而言，可以通过更长的次级粒子射程来较好地弥补。中子在kiB转换器中被俘获的可能性较高，但是另一方面，来自kiB的中子俘获产物的较短射程阻止它们到达检测器敏感体积，并且产生足够大的信号。距离硅表面最远的转换器层中诞生的次级粒子应该仍然能到达敏感检测器体积并且在那里留下可检测量的能量。因此，转换器厚度应该限制到转换器材料中最大粒子射程的值。更小的转换器厚度提高了重带电粒子到达敏感体积的机会，但是降低了中子在转换器内侧相互作用的可能性。大约5%的总体最大检测效率对于这两种类型的转换器来说是类似的。但是，当应用于所具有的像素尺寸相当于或者低于中子俘获产物飞行射程的中子成像设备时，kiB可以提供更好的空间分辨率。克服这种受限的检测效率的途径是在中子转换器与检测器敏感体积之间引入更为复杂的表面几何结构。根据一种实施方式，中子转换器的表面例如可以高低不平或者以其他方式复杂化，以便增大其表面积。在经过所述材料时，中子遵循指数衰减定律。图4A-B示出了转换器侧(a)和检测器侧(b)辐射的示意图，示出了在中子转换器中被俘获的中子数量。当中子IOa从转换器102侧A)进入时，更多的中子被俘获和转换而离开检测器表面(S卩，离半导电的元件101定位最远的中子反应材料102的那一部分)。当中子IOb从检测器101侧B)进入时，在接近半导电的元件表面101的中子反应材料102中，更多的中子被俘获并吸收，其中转换a粒 子逃离转换器102并穿入半导电元件101的可能性更大。在接近外表面处产生的重带电粒子必须飞越转换器的较厚的层而达到敏感体积。因此，这些粒子在敏感体积中被检测到的机会较小。显然，对于较厚的转换器(即厚度相当于或大于转换器物质中带电粒子的射程)而言，这种效应甚至变得更为显著。由于半导体材料在大多数情况下对于中子是透明的，所以可以从背侧辐射整个检测器结构。中子首先穿过半导体，然后在转换器中被俘获。实际上，较大数量的中子在接近半导体和转换器之间的边界处被俘获。中子俘获产物到达敏感体积的可能性较高，并且总体检测效率较高。此外，转换器厚度不必进行优化，并且甚至可以比重带电粒子的射程更厚。图5示出了对于前侧和背侧辐射而言，作为LiF转换器厚度的函数的检测效率的差异，其中6Li中LiF富集到89%，正如从现有技术中获知。在这两种情况下，检测效率不断提高，直至大约7mg/cm2的层厚度。这是等于LiF中氚核最大射程的表面密度。在前侧辐射的情况下，在这样的转换器厚度时，曲线展现出最大值4. 48%。从该厚度开始，对于前侧辐射而言，检测效率下降，但是对于背侧辐射而言，保持恒定在4. 90%。如果从背侧辐射检测器，则转换器仅对于等于中子俘获产物最大射程的深度内具有活性。更深的转换器层对于中子检测根本没有贡献，并且检测效率随着检测器厚度增大而保持恒定。但是，背侧辐射的效果对于较薄的转换器层来说并不显著，这也可以从图5中看出。背侧辐射的优势在于，在沉积过程中不必精确控制转换器厚度，并且反应产物将更有效地到达半导电材料，它们在此产生可检测的电信号，诸如电子-空穴对。原理上，如果重带电粒子来自中子俘获反应，则沉积比射程更厚的层就足够。利用这种几何构造，检测效率是最大可实现的效率。中子检测效率还取决于孔尺寸和形状的函数，诸如孔的形状是方形还是柱状，而且取决于中子反应材料的密度。方形(或柱状)孔可以相对方便地制作，并且允许检测器具有中子转换器的良好填充比率。检测效率通常随着转换器密度增大而增大，诸如尤其是LiF填充结构的情况。这是因为对于中子俘获E= O !!增大了宏观截面，其中O是微观中子俘获截面，而n是每单位体积中转换器核子的数量。即使密度增大，重带电粒子的射程仍保持足以逃离所述孔。这种情况与kiB的情况相反。利用较低的转换器密度可以达到最高检测效率。更重要的是，随着密度下降重带电粒子射程延展的影响。随着密度(即每单位体积转换器核子的数量)下降，宏观截面E仍然保持足够大。最高达到的检测效率比方形孔的情况低。柱状孔不像方形孔那样多地填充检测器体积。在孔之间存在更多的硅，并且因此该体积对于中子不敏感。孔顶表面与周围硅的表面的比率对于方形孔来说更高，并因此总体效率更高。但是，柱状孔不应该被抛弃，因为孔周围的较大硅体积也可允许电荷收集效率更高。根据本发明实施方式，提高效率的一种例述方式是在中子转换器和检测器敏感体积(例如，正如图7A-D所公开)之间引入复杂、回旋状或高低不平的诸如例如锯齿状表面。检测器可以包括倒置金字塔形凹坑阵列，例如通过以KOH (氢氧化钾)对硅进行各向异性蚀刻来产生。根据一种实施方式，中子转换器和检测器之间的表面可以加倍。与平面检测器的 情况相反，波谱现在包含2. 73MeV以上的射波，因为两种粒子(a和氚核)可以同时被检测，如果反应发生在接近锯齿尖端的区域中的话。再一次，可以从背侧辐射检测器。根据一种实施方式，转换器材料包括以下至少一种'BjLl3Hhi55GcU157GcU113Cd或者締化镉(CdTe)或者基于氮化硼(BN)或氟化锂(LiF)的复合材料、或者CdZnTe。根据一种实施方式，希望转换器材料的Z数尽可能高，以便中子与转换器材料有效地相互作用，产生可以被检测器材料检测的可检测辐射，诸如例如伽马射线。根据本发明一种可能具有优势的实施方式，中子反应材料以一种新的方式，即通过应用激光烧蚀而引入到第一半导体元件或检测器上和/或内侧，引入到第一半导体元件和读出电子器件之间，引入到读出电子器件的表面上和/或甚至引入到焊球上和/或焊球内侧。图6A示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，利用激光烧蚀，制造带有中子反应材料的中子检测器的方法，其中高功率激光脉冲用于从靶面蒸发物质。基于激光烧蚀的表面沉积可以分成4个阶段I)激光烧蚀标靶材料109和形成等离子体；2)等离子体的动态变化；3)在基材101上沉积被烧蚀的材料；4)在基材表面101上，膜102成核和生长。通过在沉积转换层时应用激光烧蚀来制造中子检测器，提供众多优势。基本上任何材料都可以用于表面沉积。此外，较低的加工温度允许沉积热敏感材料。激光烧蚀表面沉积仅局部加热基材(半导电层101)并且保持标靶的材料属性。此外，表面形貌(光滑度或粗糙度)可以受到控制，而且可以控制表面结晶度从非晶态到微晶体。此外，较之其他PVD(物理气相沉积)过程来说，粘附性更优。此外，激光烧蚀法也适用于大规模生产过程，所以这种方法非常好地适用于总体地沉积转换层。应该注意，制造中子检测器的总体过程例如可以通过应用平版印刷法来实施，所述平板印刷法例如可包括下列步骤-旋压光致抗蚀剂；-例如在炉具中烘烤光致抗蚀剂；-利用掩模对准器将光致抗蚀剂图案化；-例如通过溅射、原子层沉积或者激光烧蚀来沉积中子转换器(诸如薄膜或者例如在本文中讨论过的其他形状);-剥离(连同转换器一起从检测器触板去除光致抗蚀剂)。或者，可替代地，以另一种顺序，诸如-通过溅射、原子层沉积或者激光烧蚀来沉积中子转换器(诸如薄膜或者例如本文中讨论过的其他形状);-旋压光致抗蚀剂；-在炉具中烘烤光致抗蚀剂； -利用掩模对准器将光致抗蚀剂图案化；-从检测器触板蚀刻转换器；-去除光致抗蚀剂。根据另一种实施方式，中子反应材料也可以通过应用其他表面沉积法(诸如原子层沉积(ALD)、光刻法或者溅射技术)而耦合到第一半导体元件上和/或内侧，耦合到第一半导体元件和读出电子器件之间，耦合到读出电子器件的表面上，或者耦合到焊球上和/或内侧。图6B示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，用于制造带有中子反应材料的中子检测器的另一种方法，其中氧化物层114布置(例如，通过ALD)在绝缘体113的表面上，诸如在生长SOI晶片时。但是，根据本发明，中子反应材料102a可能具有优势地应用在绝缘体114的表面上，并且此外，半导电层(诸如Si层)然后布置在第一中子反应材料层102a的顶部上。此外，根据本发明，另外的中子反应材料层102b可以布置在半导电层101的表面上，以便进一步提高检测器的中子转换效率。多层结构(102a、102b)也可以实施在本文中描述的其他中子检测器中，即使没有单独叙述。上述表面沉积方法(以及特别是激光烧蚀法)可具有的优势在于，可以制作极薄的检测器结构。例如，转换器材料层102以及第一半导体检测器材料层101可能具有优势地大约为10 iim，或者可能更具有优势地为10-30 iim，如图IOA所示。本发明的实施方式可以利用极薄的半导电检测器层提供明显优势，因为极薄的半导电检测器层在实践中对不希望的背景伽马和X射线光子透明，由此不希望的背景光子不会导致任何不希望的影响。例如，当半导电层101的厚度大约为10 时，远少于0. 1%的背景伽马光子与其相互作用。但是，它也允许由第一半导体中的反应产物所产生的电荷到达电极。图7A-D示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，用于中子的半导体检测器的例子，其中第一半导电元件101在电学上较薄(IOla,最具有优势的是10-30 y m)，而且该半导体检测器的例子仍允许第一半导体中的反应产物所产生的电荷到达电极112。图7A-D的检测器包括可能具有优势地沉积在第一半导体101的“背部”表面上的中子转换器102，即与应用电极112的第一半导体101的同一侧，也是放置读出芯片(在使用时)的同一侧。图7A-D的检测器例如可以通过图6B所示的方法制造，其中SOI晶片113具有可选的中子转换器层102a，以提高中子转换的可能性。在n+ (或p+)3D像素电极112以及p(或n)型硅101之间施加的电压产生向下延伸到转换层102a并向侧方延伸到3D电极112之间的区域的耗尽层。沟槽111为较高的中子吸收可能性增大了中子转换层102b的表面积。沟槽111和像素平台的尺寸优选地选择为活性区域101的期望厚度产生转换层102b的最大可能表面积。中子转换层102a和102b的厚度通常为5 u m。活性区域的厚度，即第一半导电元件101的厚度通常为10-30 ym。晶片基材113可以具有传统厚度(如图)或者物理削薄，正如本文其他部分所述。晶片基材113可以替代地为不带转换层102a的高阻抗Si晶片。如果使用高阻抗Si晶片，则第一半导电元件的活性区域的厚度可以通过适当调节耗尽电压或者在电极112周围掺杂P阱(如果基材为P型，则为n阱)来制作地较小。3D电极112可以替代地为平面处理的2D电极，诸如参照图8B-C所述。根据一种实施方式，像素电极可以(例如通过在像素电极的顶部的溅射金属层)一起缩短，用于如图7C所示的单通道读出，或者可以利用凸块或导线焊接件或者类似装置连接到多通道读出电路，正如例如参照图13所示。如果像素缩短并且检测器用作单通道设备，则可以面对面地夹置两个检测器，以使效率加倍，正如图7C和7D所示。 应该注意，检测器可以包括另外的检测器元件115 (基本上类似于下面的那一个)，其中所述检测器元件布置成彼此面对面，并且可能具有优势的是让检测器元件的中子转换器102彼此面对面。现在，读出装置(诸如读出电子器件或者甚至导电导线)可以应用在检测器元件之间。具有两个检测器元件的实施方式进一步提高了中子转换效率。根据本发明一种实施方式，待与检测器材料耦合的转换器材料可以是平面的，诸如图8A所示。但是，根据本发明另一种实施方式，诸如图7A-D、8B-C、9、16和17所示，表面102a、102b的至少一个转换器材料具有更为复杂的形状，诸如锯齿状或高低不平的表面，以便让中子反应转换器转换中子的有效表面积最大化。这种几何结构允许中子转换器具有较大的体积和/或表面积，同时保持次级粒子检测的较高可能性。图8B-C示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有中子转换器102的较薄半导体中子检测器的例子(侧视图和透视图)，所述中子转换器102沉积在第一半导电元件101的表面上。同样可以在图8B-C中看到电极113和耗尽区域116，以及3D结构，该3D结构增大了以中子反应材料制作的中子转换器102的表面积。根据一种实施方式，像素尺寸为100-300 iim。所述结构例如可以凸块焊接，用于位置敏感的检测，但是也可以短路，如果使用目的例如仅仅是计数检测。沟槽例如可以通过划片或蚀刻来制作。应该注意，类似结构也可以应用在参照其他附图在本文中描述的其他检测器中。根据一种实施方式，距离检测器表面最远的转换器层可以具有复杂形状，诸如锯齿状表面。而且，与检测器材料耦合的表面可以具有复杂形状，诸如锯齿状形状。此外，根据本发明的实施方式，两者表面也可以都具有复杂形状，比如锯齿形状，诸如图9所示。这种转换器可以有效地转换中子，即使它们不是垂直地进入检测器(转换器材料)。此外，应该注意，待检测中子可以布置成从检测器的前侧(首先通过转换器材料102)或者背侧(首先通过半导电的材料101)入射。图10示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式的检测器，其中应用中子反应材料102诸如离子植入到所述第一半导体元件101的表面上和/或结构内侧。当中子反应材料102应用到该结构内侧时，它仍然可能具有优势地布置在表面层IOla中接近电荷收集区域(在图10中未示出)的地方，以使释放出的电离辐射反应产物可以有效地到达第一半导体101并且所产生的电子-空穴对可以被所述电荷收集区域有效地俘获。根据一种实施方式，中子反应材料102可能具有优势地成簇布置在第一半导体元件101的表面上和/或表面内(如图10)，但是根据一种实施方式，也可以成簇布置在读出电子器件的表面上。根据本发明一种实施方式，中子反应材料102也可以布置在读出电子器件和第一半导体元件之间，和/或第一半导体元件的表面上。这可以通过例如本文其他部分所述的激光烧蚀来实现。图11示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有孔105 (诸如柱形或其他空腔)的半导体检测器。孔105可以利用中子反应材料102填充，以便为可检测的反应产物转换中子，诸如转换成伽马光子或者例如本文中所述的其他产物。中子反应填充材料可以具有优势地与检测器其他部分中用于中子转换器102的材料相同。所述空腔可以相对于与检测器材料耦合的转换器层垂直，也可以成某种其他角度，以便中子与填充材料相互作用，即使它们以不同于基本上垂直关系之外的其他角度进入检测器。具有孔或其他空腔的检测器结构也可以另外具有用于表面的更为复杂的形状，以及在检测器结构上和/或内侧包括成簇的中子反应材料，所述的检测器结构可能具有优势的是第一半导体结构，诸如例如参照图9和10所述公开的结构(即使为了清晰起见，在图11中未示出)。所述孔可以通过适用于在半导体材料中制造3D结构(孔)的已知技术来制造。孔制造技术例如是反应性离子蚀刻以及电化学蚀刻。在这两种情况下，蚀刻前可以实施制备蚀刻掩模的光刻步骤。掩模保护表面区域以防止蚀刻，并且使待蚀刻的图案顶部开放。掩模类型取决于所用的技术。它可以是为了电化学蚀刻而用于DRIE或SiO2层的金属。深度反应性离子蚀刻(DRIE)是用于微系统技术的高度各向异性的蚀刻过程。它用于在硅和其他材料中形成又深又高的纵横比的孔和沟道。可以产生纵横比20:1以上的结构。DRIE蚀刻速率为5-10 u m/分钟。 用于形成孔的另一个例述方法是电化学蚀刻(EE)，这种方法是深度反应性离子蚀刻(DRIE)的低成本替代方案。它允许制造诸如壁、管、柱和孔的结构。在电化学蚀刻中，施加的电场可以例如集中于倒置的金字塔形尖端上(例如，在该形状类似锯齿时)。图12示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式的检测器100的像素化结构106，以便检测中子碰撞以及其在检测器上的位置。像素化例如可以通过将半导电元件101的至少一部分在电学上划分成多个区域来实现，这些区域下面称为像素106。在电学上划分例如可以通过使用多个电极来实现，由此在半导体元件中产生的电荷被最近的电极收集。因此，根据收集所述电荷的电极的位置，可以确定产生的电荷在半导电元件102中的位置。如图12所示，根据本发明一种实施方式，带有像素化结构的检测器例如可以用于中子成像，其中检测器敏感体积布置为让其可以检测中子(或者中子与中子反应材料碰撞产生的辐射反应产物)，而且也可以检测其在检测器上的位置。例如，利用目前用于设计成像检测器的高度集成的电子部件，可以改善目前辐射成像系统的参数。但是，为了读取碰撞和位置，图12的检测器可能具有优势地另外设置有读出芯片107，正如图13所示。所述检测器例如可以是晶片倒装或凸块焊接到读出芯片107，诸如例如CMOS (互补型金属氧化物半导体)等。凸块焊接可以经由焊球110来实施。根据一种实施方式，每个像素可以具有优势地具有带有例如前置放大器、鉴别器和15位计数器的其自身读出器。读出芯片例如可以根据Ium SACMOS (自对准触点金属氧化物半导体)技术来制造。
根据本发明另一种实施方式，中子成像设备也可以利用6金属0. 25 ii m CMOS技术来制造，其中像素尺寸例如可以是55x55 u m2并且像素阵列例如甚至为256x256个像素。敏感区域例如可以为大约2cm2。根据一种实施方式，读出电子器件可以提供可能性，以使用两个鉴别器来设置用来选择经测量的辐射能量的能量窗口。每个单元可以包含例如13位计数器和8位配置寄存器，所述配置寄存器例如允许针对每个鉴别器进行掩模、测试使能和3位个别阈值调整。利用串行或并行接口，包含被测量数据(时钟100MHz)的整个矩阵的读出可以分别花费9ms或者266 y S。快速读出预示着这种检测器也应用于需要快速帧获取的场合。总之，图12和13中所示的检测器提供巨大的优势，因为它们提供较高的空间分辨率、较高的动态范围和较低的噪声。由重带电粒子产生的信号通常足够高，以便将每个像素中的鉴别器阈值设置地远高于噪声和可能的背景。每个像素中的事件计数遵循泊松分布，标准偏差仅由在转换器中反应的中子数量决定。因此，仅通过曝光时间延长，可以将信噪比提升到任意水平。在热中子的情况下，阈值较高，并且因此背景可以忽略。而信噪比仅由^给出，其中n是每像素的计数数量。 图14示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有另外的第二半导电元件108的半导体检测器，该实施方式例如可以应用于中子核谱学或成像，并且应用于检测中子与检测器反应的运动学特征。图14的检测器包括类似于本文前面讨论的中子转换器102和超薄半导电元件101，但是另外，所述检测器还包括另外的第二半导电元件108。第二半导电元件108通常比与中子转换器材料102耦合的半导电元件101更厚(108a)，并且可能具有优势地包括碲化镉(CdTe)。较厚的第二半导电元件108的通常或示例厚度根据本发明的实施方式，甚至可以为5mm或以上。在一些中子转换反应中，产生伽马射线或X射线。这些伽马射线不应该被第一半导电元件101检测到，而是应该逃离或穿透第一半导电元件101，并且被单独的检测器(诸如第二半导电元件108)检测到。根据图14的中子检测器的可能的优势在于，例如经过超薄半导电元件102的伽马射线或者X射线(来源于待检测中子与中子反应材料的碰撞)可以被较厚的第二半导电元件108检测到，因为在半导电材料的厚度增大时，伽马射线或者其他反应产物与半导电材料相互作用的可能性提高。因此，可以检测到被检测的中子的运动学特征，诸如例如由中子反应材料中的中子产生的伽马光子的路径或者中子反应材料中的中子的反应位置，以及还有入射中子的能量。当伽马光子的运动学特征(动量或能量和方向)以及反应产物的能量确定时，则可以识别出所述入射中子的源或来源(正如例如在图17B中可以看出，作为示例，X射线光子与第二半导电材料相互作用，产生可测量的电荷)。此外，使用图14的检测器例如允许结合中子和X射线波谱或者成像并且使用多个中子和X射线源，因为，借助图14的检测器，可以确定伽马或X射线光子的来源或源。就是说，当借助第二半导电元件108检测到伽马或X射线光子时，可以确定它是否由入射中子与中子反应材料相互作用而产生，或者它是否来源于检测器之外的伽马或X射线源。第二半导电元件108可能具有优势地还包括自身的像素化结构106，并且它应该由自身的读出芯片(诸如图17B-C所示)提供，该读出芯片可能具有优势地布置成与第二半导电元件的像素化结构106电连接。
图15示出了带有电极113的中子检测器，其中所述电极可能具有优势地例如蚀刻到检测器结构中，例如呈现柱状形式。根据本发明一种实施方式，电极113可以包括位于电极结构113内的中子反应材料112。换句话说，电极结构113的外层形成电极，而内部部分以中子反应材料112填充。这样仍旧会增大中子反应材料的表面积并因此也提高入射中子转换成反应产物的可能性。此外，当反应产物飞越电极壁时，它们可能具有优势地在电极附近产生电荷(诸如电子-空穴对)，由此所产生的电荷可以被电极有效地俘获。因此，图15中所示的检测器对于转换中子和收集电荷两者来说非常有效。图16A- B示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，带有布置在半导体元件101的表面上的凸块焊接元件110和沟槽111的半导体元件101。沟槽111例如可以通过划片或蚀刻而设置在第一半导电元件上。图16C-D示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式的检测器，所述检测器包括带有诸如焊球110的凸块焊接元件和以中子反应材料102填充的沟槽111的半导体元件 101。应该注意，根据本发明一种可能具有优势的实施方式，用于将检测器(或半导电元件)101凸块焊接到读出电子器件的焊球110也包括中子反应材料，这也使得中子检测更加有效，因为中子也可与凸块焊接元件(诸如焊球110)内侧和/或表面上的中子反应材料相
互作用。图17A-C示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式的中子检测器，其中读出电子器件107a、107b经由凸块元件110a、110b (诸如焊球)与第一以及第二半导电元件101、108凸块焊接，或者实际上与半导电元件的电极凸块焊接。焊球IlOa (尤其是将读出芯片107a与第一半导电元件101连接的那些)可能具有优势地包括中子反应材料102，以便更加提高检测器检测中子的效率。尤其是，可以从图17B-C看出，中子可以与布置在第一半导体元件101和读出电子器件107a之间的中子反应材料102、布置在沟槽111 (由此形成3D或其他复杂结构)上的中子反应材料102以及位于焊接元件诸如焊球110内侧的中子反应材料102相互作用。此夕卜，中子反应材料102也可以布置在读出电子器件和/或第一半导电元件101的表面上(例如，布置成簇)和/或植入到第一半导电元件101内侧(在图17B-C中未示出)。但是，应该注意，例如图17B-C所示的检测器可能具有优势地包括自身读出芯片107b，用于读取由第二半导电元件108产生的电荷。另外的读出芯片107b可以布置在例如第二半导电元件108的顶表面(背离读出芯片107a，如图18B所示)上，由此从中子反应材料到第二半导电元件的距离被最小化。此外，在第一和第二半导电元件之间仅有一个读出芯片107a时，可以避免由于另外的第二读出芯片107b带来的误差和模糊效应。但是，读出芯片107a、107b也可以布置成面对面，如图18C所示。图18示出了根据本发明一种可能具有优势的实施方式，用于检测中子的设备200。设备200可能具有优势地包括检测器模块201和接口模块210，检测器模块具有诸如在本申请中其他地方描述的中子转换器102，以及至少一个半导电元件101、108。半导电元件101、108可能具有优势地电耦合到读出电子器件107，诸如例如ASIC芯片。此外，可编程逻辑202可以适配成提供检测器模块201的功能，诸如信号处理、定时和控制操作，以及还提供检测器模块201和接口模块210之间的接口和数据通信。接口模块210可能具有优势地包括自身的可编程逻辑211。此外，接口模块210可能具有优势地包括EEPROM存储器装置212以及其他用于存储数据的存储器装置213、用于控制设备200的操作的用户接口装置214、用于显示信息(诸如与被计数的中子或反应相关的总计数和/或剂量)的显示装置215、和数据通信装置216，诸如无线通信装置，它例如可以通过蓝牙(Bluetooth)或WLAN来实现。数据通信装置216还可以具有串行通信总线，诸如USB。此外，接口模块210可能具有优势地包括用于控制接口模块的部分211-216之间的操作以及数据通信的微控制器217。根据本发明一种或多种实施方式的中子检测器具有许多应用。鉴于其尺寸紧凑、成本低、检测效率高、功耗低以及中子信号的直接实时转换，它们例如可以用于实时监控。采用根据本发明一种或多种实施方式的中子检测器的一种可能的结构300在图19中示出，其中中子检测器可能具有优势地形成测量网络，用于从例如测量点例如经由基站或者其他节点向中央控制点传输测量信息。鉴于实时测量中子的测量点众多，可以检测可能的中子 迁移，并且例如从救援的观点来看，可以形成预报。结构300可能具有优势地可包括多个传感器节点301，它们每一个采用本发明的至少一个中子检测器。传感器节点301可能具有优势地例如利用电池、太阳能电池或者技术人员知道的其他方式供电，并且传感器节点301的数据通信302可能具有优势地以无线方式实施，诸如采用WLAN (802. lb, g或6LowPan)或者以技术人员知道的其他无线技术来实施。因此，传感器节点301例如可以在地理上定位于非常困难的地方。但是，应该注意，传感器节点301也可以由主电源供电和/或传感器节点301的数据通信302也可以通过有线方式实施。传感器节点301可能具有优势地与骨干节点303数据通信，骨干节点诸如是主电源供电的、采用WLAN (802. lb, g或6LowPan)或者技术人员知道的其他数据通信技术的骨干WLAN MESH节点。此外，骨干节点303可以彼此数据通信304，以及例如经由基站与例如3G或GPRS网络、互联网等中的运营商305数据通信。根据一种实施方式，用户、数据库和应用服务器306也可以例如经由LAN收集测量数据，并且移动用户307例如经由移动网络诸如3G或GPRS收集测量数据。此外，根据一种实施方式，例如管理者也可以与测量节点数据通信，或者甚至经由图19所示的数据通信网络与节点中的检测器数据通信(诸如控制它们的操作)。此外，带有检测器的测量节点例如可以布置在交通工具中，诸如飞机特别是无人航空器308中，其操作可以提前编程，也可以经由图19所示的数据通信网络进行控制。
除了安全和背景辐射监控之外，根据本发明一种或多种实施方式的中子检测器还具有其他应用领域，诸如安全(防止核恐怖的保护)和成像，以及非破坏性测试(用于工业应用的中子成像，作为X射线的补充)。此外，所述检测器可以用于健康目的，诸如个人放射量测定，例如用于核电站的人员暴露和战场上的士兵。本发明的一种或多种实施方式可以提供显然的优势，诸如成本低、检测效率高、中子信号直接实时转换、尺寸紧凑、功耗低、对大规模生产的良好适应性、对背景X射线和/或Y射线的良好区别能力以及对中子成像的适用性。此外，如本文中上述内容，根据本发明的实施方式，中子核谱学应用也是可能的。例如，基于各种检测器基材以及读出ASIC，本发明还提供灵活的模块化架构。
作为结论，本发明的转换器材料可能具有优势地具有较高的Z值，诸如CdTe或CdZnTe转换器具有较高的Z值，因此它们良好地适用于例如将中子例如转换成可检测的伽马射线。例如，天然Cd也包含113Cd,它对于热中子俘获具有较高的截面。这种反应的产物是伽马光子和转换电子。当中子例如被Cd核俘获时，发射出558keV的光子，并且大约3%的光子被内部转换机制转换成能量相同的电子。通过将3D和/或更复杂的结构引入到半导体检测器和转换器材料中，可以提高检测效率，即使半导体元件和/或转换材料超薄。检测效率可以从平面设备情况下的低于5%提高到3D检测器情况下的高于30%。上面已经参照前述实施方式解释了本发明，并且已经阐明了本发明的若干可能的优势。显然，本发明并不局限于这些实施方式，而是包括本发明的构思以及随后的专利权利要求的精神和范围内的全部可能的实施方式。例如，特别针对中子检测、计数和成像开发了所述检测器，但是也可以在其他科学技术应用场景中发现其用途。
此外，即使用于收集电荷的电极没有进一步详细描述，但是它们可以根据本发明实施方式在检测器的表面上布置成平面(即垂直于中子通量)。但是，电极以其他方式布置，诸如基本上平行于中子通量(例如，如W02009/071587公开文本中所披露)的实施方式也可以用于收集所产生的电荷。此外，应该注意，连接到电极的读出装置可以例如通过导电导线来实施，并且单独的读出电子器件也可以布置在除了检测器表面上的其他地方或者与电极直接接触。根据一种实施方式，所述读出电子器件可以经由导线连接到电极，和/或导电装置(诸如导线或金属板)可以用于将检测器的电极短路，例如在仅检测计数而不需要位置信息时。
权利要求
1.ー种用于检测中子的检测器，其中所述检测器包括 中子反应材料，所述中子反应材料用干与入射在其上的待检测中子相互作用，以响应与所述入射中子的相互作用而释放电离辐射反应产物； 第一半导体元件，所述第一半导体元件布置成与所述电离辐射反应产物相互作用，从而与所述电离辐射反应产物的能量成比例地提供电荷；和 所述第一半导体元件配置有电极，所述电极用于提供电荷收集区域以收集所述电荷并提供与所述被收集的电荷成比例的可读电信号， 其中所述中子反应材料布置在所述检测器中，基本上与所述电极位于所述第一半导电兀件的同一侧。
2.如权利要求I所述的检测器，其中，所述中子反应材料至少部分地布置在所述第一半导体的所述电极之间。
3.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中，所述第一半导体元件包括孔，诸如柱形、通道、沟槽和/或其他空腔，所述孔以所述中子反应材料填充和/或以所述第一半导体的结构上和/或内侧的中子反应材料填充。
4.如权利要求3所述的检测器，其中，所述中子反应材料设置在最靠近所述电荷收集区域的部分，从而与待检测的中子相互作用并释放电离辐射反应产物。
5.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中，所述第一半导体元件经由多个凸块焊盘区域和凸块焊接元件而凸块焊接在读出电子器件上，并且其中所述中子反应材料布置在所述凸块焊盘区域之间，和/或所述读出电子器件和所述凸块焊接元件之间。
6.如权利要求5所述的检测器，其中，所述凸块焊接元件包括焊球。
7.如权利要求5或6所述的检测器，其中，所述凸块焊接元件包括所述中子反应材料。
8.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中，所述中子反应材料布置在所述检测器中，以使待检测的入射中子在到达所述中子反应材料之前，穿入所述第一半导体元件的至少一部分。
9.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中，所述中子反应材料布置在所述第一半导体元件和与所述第一半导体元件电耦合的所述读出电子器件之间，与所述电极位于所述第一半导体元件的相同表面上，位于所述电极结构内和/或所述读出电子器件的表面上。
10.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中，所述第一半导体元件配置成阻止与入射光子相互作用。
11.如权利要求10所述的检测器，其中，所述第一半导体元件配置成足够薄，以使其对于所述入射光子基本上透明。
12.如权利要求10或11所述的检测器，其中，所述入射光子是伽马和/或X射线光子。
13.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中，所述中子反应材料包括以下至少ー种1QB、6Li、3He、155Gd、157Gd、113Cd、碲化镉(CdTe)、锌碲化镉(CdZnTe)或者基于氮化硼(BN)或氟化锂(LiF)的复合材料。
14.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中， 所述中子反应材料形成中子敏感转换器，所述中子敏感转换器的至少ー个表面是复杂的，诸如呈回旋状、锯齿状和/或包括沟槽和/或孔； 其中所述中子反应材料在所述第一半导体元件的所述表面上和/或所述表面内布置成簇，和/或 在所述读出电子器件和所述第一半导体元件之间布置成簇。
15.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中，所述检测器另外包括第二半导体元件，所述第二半导体元件比与所述中子反应材料耦合的所述第一半导体元件厚，以使所述第二半导体元件对于由所述中子在与所述中子反应材料相互作用时产生的光子诸如伽马光子敏感，并且其中所述第二半导体元件适于与所述伽马光子的能量成比例地提供电荷。
16.如权利要求15所述的检测器，其中，所述检测器包括用于提供时间窗的重合装置，在所述时间窗期间，所述检测器适于检测由中子产生的所述光子，并且所述时间窗的起始点由中子与产生所述光子的所述中子反应材料的相互作用来触发。
17.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中，所述第一半导体元件和/或第二半导体元件被多个电极在电学上划分为多个区域，以使在对应的半导体元件中产生的电荷能够 被最近的电极收集，由此根据收集所述电荷的电极的位置确定所产生的电荷的位置。
18.如前述权利要求任一项所述的检测器，其中，所述读出电子器件例如经由凸块焊接而与所述第一半导体元件和/或第二半导体元件的电极耦接，以检测由所述电极收集的电荷，并且所述读出电子器件适于产生与所收集的电荷成比例的电信号。
19.ー种用于检测中子的中子检测设备，其中所述检测器包括如权利要求I至18任一项所述的检测器、用于控制所述设备的操作的用户接口装置、用于存储的存储器装置和用于显示与所述被检测的中子相关的信息的显示装置。
20.ー种用于检测中子的结构，其中所述结构包括至少ー个如权利要求I至188任ー项所述的检测器，其中所述检测器另外与数据发射装置耦接，所述数据发射装置用于经由数据通信网络向所述结构的数据接收装置发射由所述检测器测量的信息。
21.如权利要求20所述的结构，其中，所述检测器的所述数据发射装置是无线数据发射装置，并且其中至少ー个检测器布置到移动交通工具中，诸如无人航空器(UAV)中。
22.如权利要求20或21所述的结构，其中，将发射与被检测的中子有关的数据的所述检测器的地理位置信息(GPS)提供给所述结构的所述数据接收装置。
23.一种用于提供待成像物体的层析图像的中子成像装置，其中所述装置包括至少ー个如权利要求17或18所述的用于检测穿过所述物体的中子的检测器，和用于利用与所述检测器检测的所述中子有关的测量信息构建所述层析图像的图像构建装置。
24.一种制造如前述权利要求任一项所述的检测器的方法，其中通过应用表面沉积方法，诸如激光烧蚀、原子层沉积(ALD)、光刻法或者溅射技木，将所述中子反应材料布置在所述第一半导体元件上和/或内側。
25.一种制造如前述权利要求任一项所述的检测器的方法，其中所述第一半导体元件经由多个凸块焊盘区域和凸块焊接元件而凸块焊接在读出电子器件上，并且所述中子反应
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述凸块焊接元件包括焊球。
27.如权利要求25或26所述的方法，其中，所述凸块焊接元件包括所述中子反应材料。
全文摘要
一种用于检测中子的检测器(100)包括中子反应材料(102)，所述中子反应材料适配成与待检测中子相互作用并针对与中子的所述相互作用释放电离辐射反应产物。所述检测器还包括第一半导体元件(101)，所述第一半导体元件与所述中子反应材料(102)耦合并适配成与所述电离辐射反应产物相互作用并提供与所述电离辐射反应产物的能量成比例的电荷。此外，电极布置成与所述第一半导体元件(101)连接，用于提供用来收集电荷的电荷收集区域(106)，并且提供与所述被收集的电荷成比例的电可读信号。在所述检测器(100)中，所述中子反应材料布置为让待检测的入射中子与基本上最接近所述电荷收集区域(106、110)的部分内的中子反应材料(102)相互作用，其中所述电荷收集区域由与所述中子反应材料耦合的所述第一半导体元件(101)中的电极提供。
文档编号H01L31/115GK102695968SQ201080059488
公开日2012年9月26日 申请日期2010年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者汤姆·斯库尔曼, 里斯托·奥拉瓦 申请人:芬菲斯公司