平面工艺Si-PIN低能X射线探测器研制

　　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。其用于射线探测器研

　　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,比Si面垒探测器小约3个数量级,从而大大减小了探测器的噪声,提高了探测器的能量分辨率。平面工艺技术制备的Si漂移室探测器(SDD)在室温下的能量分辨率可以好于200eV(55Fe5.9keV X)[2],同时具有高的计数率。平面工艺技术制备的Si-PIN探测器由于电容较大,因而室温时的能量分辨率要比Si漂移室探测器差得多,但在温差电致冷条件下(约-40℃)对55Fe5.9keV X射线的能量分辨率(FWHM)可以好于200 eV[3]。由于Si-PIN探测器的制备工艺过程远比Si漂移室探测器简单得多,所以成品率要比Si漂移室探测器高得多,成本低,使用方便,所以,平面工艺技术制备的Si-PIN X射线探测器在低能X射线荧光分析技术、X射线衍射技术方面得到了广泛应用。

　　实验中用平面工艺技术制备了厚度500μm,灵敏面积5mm2、10mm2的Si-PIN探测器。采用了表面钝化和保护环技术,大大降低了探测器漏电流。为了提高探测器对低能X射线的探测效率,采用了浅结工艺技术。

　　对5mm2、10 mm2探测器漏电流进行了测量,并且测量了5mm2的探测器在室温及温差电致冷条件下对55Fe5.9keV X射线的能谱响应。5mm2、10 mm2探测器室温下漏电流小于0.5nA,5mm2的探测器在温差电致冷条件下对55Fe5.9keV X射线的能量分辨率(FWHM)达到了198.5eV。

　　1　制备工艺

　　材料选用德国Wacker公司的n型4”Si片,厚度500μm,电阻率分为6kohmcm,晶向<111>。

　　探测器在结构上采用了保护环技术。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,研制成了灵敏面积5 mm2、10 mm2Si-PIN探测器及4×5 mm2阵列。制成的探测器样品如图1所示。

　　2　测量结果

　　2·1　探测器漏电流测量

　　室温20℃时对厚度为500μm、灵敏面积分别为5 mm2、10 mm2探测器的漏电流进行了测量,全耗尽电压约160V。测量结果,探测器室温下漏电流在全耗尽电压时小于0.5nA,I-V测量曲线如图3所示。

　　2·2　探测器对X射线的能谱响应测量

　　对灵敏面积为5 mm2的Si-PIN探测器分别在室温和温差电致冷条件下进行了55Fe 5.9keV X射线能谱响应测量。室温下测量时,使用自制的电荷灵敏前置放大器、ORTEC673成形放大器,成形时间1μs,对55Fe 5.9keV X射线的能量分辨率(FWHM)为590eV,如图4所示。

　　低温测量时,首先使用国产两级温差电致冷器,前级FET与探测器同时致冷,温度可以降低到约-40℃,使用自制的电荷灵敏前置放大器、ORTEC673成形放大器,成形时间4μs，对55Fe5.9keV X射线的能量分辨率(FWHM)为310eV,如图5所示。然后,使用美国AmpTeK公司XCR-100的两级温差电致冷器、复位型前放及成形放大器,前级FET与探测器同时致冷,温度可以降低到约-40℃,成形时间6μs,对55Fe 5.9keV X射线的能量分辨率(FWHM)为198.5eV,如图6所示。