大面积平面工艺Si带电粒子探测器研制

　　半导体探测器是上世纪60年代以来得到迅速发展的核辐射探测元件,具有能量分辨率高、线性响应好、脉冲上升时间短、偏压低等等优点,所以在核物理实验及研究方面得到了广泛应用。表面势垒探测器从开始应用到现在已经有50多年了,它具有整个工艺不需要高温过程、工艺简单的优点,但是这种探测器的明显缺点是稳定性差、对环境气氛很敏感。平面工艺技术目前正广泛地应用于半导体器件和集成电路的制备。

　　平面工艺技术用于射线探测器研究始于20世纪80年代初期[1]。表面钝化和离子注入技术的使用,极大地降低了Si探测器的漏电流,同时表面钝化层对探测器起到了很好的保护作用,大大减小了环境对探测器性能的影响。目前,国际上已研制出多种平面工艺Si带电粒子探测器,并得到了广泛的应用,如大面积Si-PIN带电粒子探测器、多条探测器[2](一维、两维位置灵敏)、大面积Si漂移室带电粒子探测器等等。

　　实验中我们用平面工艺技术制备了厚度300μm、灵敏区直径20mm,厚度500μm、灵敏区直径40mm和50mm的Si带电粒子探测器。工艺中采用了表面钝化技术,大大降低了探测器漏电流,同时减小了环境对探测器性能的影响。

　　在室温下对研制成的探测器漏电流进行了测量,并测量了对241Am 5.486MeVα粒子的能谱响应,实验中使用自行研制的电荷灵敏前置放大器。厚度300μm、灵敏区直径20mm的探测器能量分辨率(FWHM)达到27keV,厚度500μm、灵敏区直径40mm的探测器能量分辨率(FWHM)达到44keV。

　　1　制备工艺

　　材料选用德国Wacker公司的n型4”Si片,晶向<111>。厚度500μm的片子,电阻率为8500Ωcm,厚度300μm的片子,电阻率分为12000Ωcm。

　　探测器的制备采用了平面工艺技术,制备了5000—6000 的SiO2表面钝化层,同时还采用了浅结工艺技术,研制成了厚度300μm、灵敏区直径20mm,厚度500μm、灵敏区直径40mm和50mm的Si带电粒子探测器。

　　探测器的封装采用铜质圆形外壳,内部用聚四氟乙烯作为绝缘材料。使用密封胶密封所有缝隙,探测器除了灵敏面入射窗外,其余部分不与外界环境接触,外界环境气氛对探测器性能不产生影响。

　　研制成的探测器样品如图1、图2、图3、图4所示。

　　2　测量结果

　　2·1　探测器漏电流测量

　　由于Si探测器对可见光敏感,测量漏电流时探测器必须放在光电屏蔽盒内。厚度300μm、灵敏区直径20mm的Si带电粒子探测器全耗尽电压约28V,厚度500μm、灵敏区直径40mm和50mm的Si带电粒子探测器全耗尽电压约100V。室温下对直径20mm和直径40mm的探测器进行了漏电流测量,I-V测量曲线如图5、图6所示。全耗尽电压时,探测器漏电流为:直径20mm的1#探测器为2nA,2#探测器为47nA;直径40mm的1#探测器为31nA,2#探测器为87nA。