[發明專利]碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010919307.7
• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112133775B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 閔嘉華;梁小燕;陳軍;戴靈恩;馮成杰;張繼軍;王林軍;沈悅
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H01L31/0336
• 分類號: H01L31/0336;H01L31/117;H01L31/18;G01T1/161;G01T1/24;G01T1/36
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

1.一種碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器，包括射線吸收探測區和電荷倍增區，其特征在于，該器件由作為射線吸收探測區的碲鋅鎘晶片和用作電荷倍增區的SiPM芯片集成組成，其結構采用如下任意一種結構形式方案：

方案一：射線吸收探測區由第一金屬電極層(1)、碲鋅鎘晶片(2)和鍵合過渡層(3)構成，所述鍵合過渡層(3)采用金屬層，使射線吸收探測區形成金屬-半導體-金屬形式結構，其中第一金屬電極層(1)作為陰極，鍵合過渡層(3)作為與硅晶片(4)的鍵合界面過渡層，從而由碲鋅鎘晶片(2)和硅晶片(4)通過鍵合過渡層(3)間接鍵合組成探測器的主要功能層結構；電荷倍增區由在硅外延片或硅晶片(4)上制作的雪崩PN結(5)組成，硅片上的倍增區采用硅光電倍增管的SiPM單元(7)結構，SiPM單元(7)由硅晶片(4)、雪崩PN結(5)、絕緣層、絕緣層圖案化溝道的填充電極層(8)和淬滅電阻以及第二金屬電極層(6)組成；

方案二：射線吸收探測區由第一金屬電極層(1)、碲鋅鎘晶片(2)和鍵合界面(9)構成，其中第一金屬電極層(1)作為陰極，從而由碲鋅鎘晶片(2)和硅晶片(4)通過直接鍵合組成復合晶體，在碲鋅鎘晶片(2)和硅晶片(4)之間存在鍵合界面(9)，形成探測器的主要功能層結構；電荷倍增區由硅晶片(4)上制作的雪崩PN結(5)組成，硅片上的倍增區采用硅光電倍增管的SiPM單元(7)結構，SiPM單元(7)由硅晶片(4)、雪崩PN結(5)、絕緣層、絕緣層圖案化溝道的填充電極層(8)和淬滅電阻以及第二金屬電極層(6)組成；

用作電荷倍增區的硅晶片(4)上采用硅光電倍增管的SiPM單元(7)結構，由APD陣列構成，當靈活選擇設定數目的APD單元作為一個像素單元，通過對APD單元引出電極的重新組合，轉變為像素器件，能用作高靈敏像素探測器使用；用作電荷倍增區的硅晶片(4)上采用硅光電倍增管的SiPM單元(7)結構，由APD陣列構成，當靈活選擇設定數目的SiPM單元作為一個像素單元，APD單元在SiPM上并聯且每個SiPM擁有獨立輸出管腳，通過每個SiPM輸出信號，可作為高靈敏的像素探測器使用。

2.根據權利要求1所述碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器，其特征在于：采用第一金屬電極層(1)作為陰極和第二金屬電極層(6)作為陽極的一種兩端結構；

采用第一金屬電極層(1)作為陰極，采用第二金屬電極層(6)作為陽極，還采用絕緣層圖案化溝道的填充電極層(8)作為陽極，形成第一種三端結構；

或者，在兩端結構基礎上，從鍵合過渡層(3)引出作為中間電極，形成第二種三端結構；

在兩端結構基礎上，從鍵合過渡層(3)引出作為中間電極，形成第二種三端結構；

在第一種三端結構基礎上，將鍵合過渡層(3)引出作為中間電極，形成一種四端結構；

采用第一金屬電極層(1)作為陰極，采用第二金屬電極層(6)作為陽極，采用鍵合過渡層(3)作為中間電極，將絕緣層圖案化溝道的填充電極層(8)懸空或與鍵合過渡層(3)短路形成第三種三端結構。

3.一種權利要求1所述碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器的制備方法，其特征在于：采用碲鋅鎘晶片和硅片的直接鍵合工藝：將經過表面處理的碲鋅鎘晶片和硅片放入超高真空腔體進行直接鍵合，真空度為10^-7～10^-9pa，鍵合溫度25～150℃。

4.根據權利要求3所述碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器的制備方法，其特征在于，采用碲鋅鎘晶片和硅片的表面活化直接鍵合工藝：CZT晶體使用溴甲醇溶液進行表面活化，Si采用標準RCA工藝活化；

或者，單獨或疊加采用氫等離子、Ar等離子對CZT晶體和Si晶體表面進行活化，然后在10^-7～10^-9pa的高真空和25～150℃條件下進行直接鍵合。

5.根據權利要求3所述碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器的制備方法，其特征在于：采用硅原片或硅外延片，先行與碲鋅鎘晶體采用直接鍵合工藝實現鍵合，然后將硅片層的厚度減薄至5～50nm后，再采用現有成熟平面工藝在硅層制作SiPM結構形成倍增區。