[發(fā)明專利]一種石墨烯半導體輻射探測器件及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010857537.5
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112054087B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設計）人: 黎淼;王巍;霍軍;趙汝法;樊琦;丁立
• 申請（專利權）人: 重慶中易智芯科技有限責任公司
• 主分類號: H01L31/119
• 分類號: H01L31/119;H01L31/18
• 代理公司: 重慶啟恒騰元專利代理事務所(普通合伙) 50232
• 代理人: 黎志紅

本發(fā)明請求保護一種石墨烯半導體輻射探測器件及其制備方法，其采用石墨烯場效應管電阻值作為測量物理量，具體包括：半導體晶體材料層、絕緣隔離層、石墨烯材料層及感應信號電極層，在高原子序數輻射作用晶體表面制備面元陣列結構石墨烯結構層，構建面元陣列石墨烯場效應管結構，采用半導體介質CdZnTe晶體材料作為射線光子吸收介質，同時采用施加了偏置電壓的石墨烯場效應管作為信號產生層。本發(fā)明以石墨烯材料層的阻值為探測物理量，能夠有效降低傳統電荷靈敏前置放大電路的高成本及復雜度，同時能夠有效提高信號傳輸鏈路的抗干擾性。

技術領域

本發(fā)明屬于輻射探測器件領域，尤其涉及半導體輻射探測器件及其制備方法

背景技術

本發(fā)明涉及X射線、Gamma射線及中子射線等輻射能譜探測技術領域，尤其涉及基于半導體輻射介質材料的射線光子脈沖幅度探測及甄別計數的輻射能譜探測芯片架構。

對輻射探測器而言，通過射線輻射能量的差異可區(qū)分不同的X射線或放射性核素，實現X射線強度、Gamma射線所包含不同核素能量的測量。

根據探測器使用的材料不同，輻射探測器可分為氣體電離計數器、閃爍體探測器和半導體探測器等。氣體電離計數器出現最早，但由于對不同的射線輸入均產生相同的脈沖輸出，因此靈敏度差，且很難分辨射線的種類。閃爍體探測器必需和光電倍增管等一起搭配使用，限制了能量分辨率的提高。半導體輻射探測器具有很高的探測效率和能量分辨率，是目前高能量分辨率輻射探測器的典型代表。

與傳統氣體、閃爍體輻射探測器相比，半導體輻射探測器最主要的優(yōu)點是能夠通過探測光生載流子遷移產生的感應電荷量來實現入射輻射光子能量信息的探測甄別，同時與前端讀出系統芯片封裝在一起，可制作成高分辨率和小面積的成像探測器。

通常情況下，半導體輻射探測器主要由半導體晶體材料、讀出電極、感應信號處理電路和控制系統組成。半導體晶體材料方面，根據所需要探測的輻射能量范圍可以采用不同的輻射作用介質晶體材料，對低能X射線探測，可以采用未摻雜Si晶體材料；對中高能X射線、Gamma射線及中子輻射可以采用高原子序數CdTe/CdZnTe材料。

現階段半導體輻射探測器都采取更為高效的單極性載流子收集特性的探測器結構，即探測器響應信號以電子載流子遷移引起的感應信號為主，可以很好地改善半導體晶體材料低空穴遷移率所導致的低能量分辨率等問題。目前，陽極為像素陣列電極，陰極為整體平面電極的單極性探測器結構一直是半導體成像及能譜探測器的主要結構形式之一，具體參見圖1傳統像素陣列半導體輻射探測器結構示意圖。

像素陣列半導體輻射探測器具有位置敏感特性，其像素陽極尺寸直接決定了成像探測器的空間分辨率，同時像素陣列電極結構存在的“小像素效應”使得探測器具備單極性載流子收集特性，能量分辨率可以得到明顯改善。因此，具有小尺寸陽極單元的大面積像素陣列探測器成為國內外X射線與Gamma射線輻射探測主流半導體輻射探測器結構。

面元像素陣列結構的半導體輻射探測器主要由以下核心部件組成：與輻射光子相作用的半導體材料碲鋅鎘(CdZnTe)晶體，在半導體材料表面制備的面元陣列讀出電極以及與讀出電極緊密連接的專用集成電路(ASIC)。從圖1可知，面元像素陣列半導體輻射探測器采用一個整體半導體晶體與輻射光子作用，進而由面元像素陣列電極收集晶體內部產生的感應電荷信號，同時，為了使探測器具有位置靈敏特性及成像能力，面元像素陣列電極都通過倒裝焊接工藝與讀出ASIC相連。