[發明專利]一種復合式ΔE-E核輻射探測器及其制備方法

在審

• 申請號: 201210219025.1
• 申請日: 2012-06-26
• 公開（公告）號: CN103515466A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 朱智源;于民;王陪權;朱韞暉;孫新;劉晨晨;馬盛林;金玉豐
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L31/115
• 分類號: H01L31/115;H01L31/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種復合式ΔE-E核輻射探測器及其制備方法，屬于半導體核輻射探測器技術領域

背景技術

ΔE-E望遠鏡廣泛用于測量粒子的種類和能量，表現為：重離子的檢測和跟蹤、高γ射線輻射下的短程粒子檢測、X射線檢測等。ΔE-E望遠鏡一般由一個厚PIN探測器和一個薄PIN探測器組成。它的工作原理為：當入射粒子進入ΔE-E望遠鏡中，首先與薄探測器發生作用，失去能量ΔE。然后與厚探測器作用，失去剩余能量(E-ΔE)。利用ΔE與E-ΔE的測量可以測量粒子的能量和質量，進行粒子鑒別。

在制作探測器時，厚探測器需要制作得足夠厚，從而阻止粒子完全停留在探測器中。而薄探測器需要制作得非常薄，以減少入射的高能粒子在ΔE探測器中損失的能量，獲得較高的測量精度。

傳統意義上的ΔE-E望遠鏡通常由兩個分離的PIN探測器構成，由于薄探測器需要制作得非常薄，所以在實際使用過程中容易破碎，帶來可靠性的問題。同時，分離的探測器也不符合小型化、集成化的發展趨勢。

為了解決如上的問題，國際上通常采用將薄型的PIN探測器和厚型的PIN探測器集成到一起，組成一個整體單元，利用厚型的PIN探測器來支撐薄型的PIN探測器，從而解決機械可靠性的問題。這種集成結構也有利于減小死層厚度，從而提高探測靈敏度。

為了制造這種集成的探測器結構，一種方法是利用高能粒子注入，形成導電埋層作為厚型PIN探測器與薄型的PIN探測器的公共電極，再進行低能粒子注入摻雜，形成厚型PIN探測器與薄型的PIN探測器的另一個電極，其中，導電埋層采用另外一次注入摻雜引出電極。這種結構設計能得到超薄的薄型探測器，從而能夠探測超低能量的粒子。整個探測器結構如G.Cardellab等人于1996年在《Nuclear?Instruments?and?Methods?in?Physics?Research?A》上發表的名稱為“A?monolithic?silicon?detector?telescope”的論文中所示；另外一種方法是首先利用擴散摻雜的方法制作厚型的PIN探測器，然后采取外延的方法制作出薄型的PIN探測器，導電埋層采用金線引出。其探測器結構如Kim，C.等人于1982年在《IEEE?Transaetions?on?Nuclear?Science》上發表的名稱為“Epitaxial?Integrated?E-dE?Position?Sensitive?Silicon?Detectors”的論文中所示。還有一種方法是采用金屬硅化物鍵合圓片的方式形成ΔE-E核輻射探測器，采用這種方式能得到低阻導電埋層。其探測器結構如等人于1997年在《Nuclear?Instruments?and?Methods?in?Physics?Research?A》上發表的名稱為“Fabrication?of?an?integrated?ΔE-E-silicon?detector?by?wafer?bonding?using?cobaltdisilicide”的論文中所示。

以上集成探測器雖然各具優點，但是制作方法相當復雜，對于前兩種集成式ΔE-E核輻射探測器而言，會帶來相當大的信號串擾問題，而且，死層厚度對粒子探測的影響也顯著增加。

發明內容

本發明旨在克服現有技術的不足，提供一種復合式ΔE-E核輻射探測器及其制備方法，獲得的探測器應當具有良好的探測靈敏度、探測效率和機械穩定性，同時，簡化制備工藝，降低成本。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種復合式ΔE-E核輻射探測器，包括薄型PIN探測器、厚型PIN探測器以及兩者之間的介質鍵合層，所述薄型PIN探測器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探測窗口。所述厚型的PIN探測器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探測窗口。所述介質鍵合層將薄型PIN探測器與厚型PIN探測器機械固定到一起，并且具備電學連接特性。

上述技術方案中，所述薄型PIN探測器中高阻硅基片優選為100晶向的N型硅，電阻率大于1000歐姆厘米，厚度在300μm到550μm范圍內。

上述技術方案中，所述薄型PIN探測器中高阻硅基片上的探測窗口包括P區，N區以及兩者之間的硅層，該硅層厚度小于100μm。所述P區與N區表面均設有鋁層，所述N區優選通過TMAH腐蝕法形成，其外形呈倒圓臺狀，側面和底面的夾角為54.74°。

上述技術方案中，所述厚型PIN探測器中高阻硅基片優選為111晶向的N型硅，電阻率大于1000歐姆厘米，厚度在300μm到1000μm范圍內