[發(fā)明專利]碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器及其制備方法

有效

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• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112133775B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(quán)）人: 上海大學(xué)
• 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(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發(fā)明公開了一種碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器及其制備方法，本發(fā)明器件具有高探測靈敏度和高探測效率，是一種具有吸收和倍增區(qū)分離的復(fù)合型碲鋅鎘?硅探測器。本發(fā)明將CZT晶片與SiPM鍵合在一起，由CZT晶片作為探測核輻射的吸收區(qū)，SiPM作為載流子的倍增放大區(qū)，形成吸收區(qū)和倍增區(qū)分離的高探測靈敏度的CZT/Si核輻射探測器。當(dāng)采用SiPM的結(jié)構(gòu)時(shí)，整個(gè)器件作為高靈敏探測器應(yīng)用；當(dāng)將單個(gè)或部分APD單元作為像素單元時(shí)，可用作高靈敏像素探測器。為下一代康普頓γ相機(jī)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描、正電子發(fā)射斷層掃描儀器成像儀器提供具有單光子計(jì)數(shù)能力的、高能量分辨率、高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高探測靈敏度和高探測效率的探測器件。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高探測靈敏度、高探測效率的碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器及其制備方法，特別是一種具有吸收和倍增區(qū)分離的復(fù)合型碲鋅鎘-硅探測器及其制備方法。應(yīng)用于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碲鋅鎘(Cd_(1-x)Zn_xTe，或簡寫為CZT)作為新一代化合物半導(dǎo)體，由于具有較大的禁帶寬度和較高的平均原子序數(shù)，因而可工作在常溫，并具有較大的阻止本領(lǐng)和較強(qiáng)的抗輻射能力。近年來，隨著高能量分辨率的能譜儀、高空間分辨率的成像裝置和高能量的光子探測系統(tǒng)的飛速發(fā)展，在國土安全、高能核物理、空間物理、工業(yè)和核醫(yī)學(xué)成像以及基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用有普及化的趨勢，市場前景也越來越廣闊。但現(xiàn)有的碲鋅鎘探測器的測靈敏度和探測效率還不理想。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器及其制備方法，將CZT晶片與SiPM鍵合在一起，由CZT晶片作為探測核輻射的吸收區(qū)，SiPM作為載流子的倍增放大區(qū)，形成吸收區(qū)和倍增區(qū)分離的高探測靈敏度的CZT/Si核輻射探測器。為下一代康普頓γ相機(jī)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(SPECT)、正電子發(fā)射斷層掃描儀器(PET)等成像儀器提供具有單光子計(jì)數(shù)能力的、高能量分辨率、高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高探測靈敏度和高探測效率的探測器件。

為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種碲鋅鎘/硅γ射線X射線探測器，包括射線吸收探測區(qū)和電荷倍增區(qū)，其結(jié)構(gòu)采用如下任意一種結(jié)構(gòu)形式方案：

方案一：射線吸收探測區(qū)由第一金屬電極層、碲鋅鎘晶片和鍵合過渡層構(gòu)成，所述鍵合過渡層采用金屬層，使射線吸收探測區(qū)形成金屬-半導(dǎo)體-金屬形式結(jié)構(gòu)，其中第一金屬電極層作為陰極，鍵合過渡層作為與硅晶片的鍵合界面過渡層，從而由碲鋅鎘晶片和硅晶片通過鍵合過渡層間接鍵合組成探測器的主要功能層結(jié)構(gòu)；電荷倍增區(qū)由在硅外延片或硅晶片上制作的雪崩PN結(jié)組成，硅片上的倍增區(qū)采用硅光電倍增管的SiPM單元結(jié)構(gòu)，SiPM單元由硅晶片、雪崩PN結(jié)、絕緣層、絕緣層圖案化溝道的填充電極層和淬滅電阻以及第二金屬電極層組成。

方案二：射線吸收探測區(qū)由第一金屬電極層、碲鋅鎘晶片和鍵合界面構(gòu)成，其中第一金屬電極層作為陰極，從而由碲鋅鎘晶片和硅晶片通過直接鍵合組成復(fù)合晶體，在碲鋅鎘晶片和硅晶片之間存在鍵合界面，形成探測器的主要功能層結(jié)構(gòu)；電荷倍增區(qū)由硅晶片上制作的雪崩PN結(jié)組成，硅片上的倍增區(qū)采用硅光電倍增管的SiPM單元結(jié)構(gòu)，SiPM單元由硅晶片、雪崩PN結(jié)、絕緣層、絕緣層圖案化溝道的填充電極層和淬滅電阻以及第二金屬電極層組成。

優(yōu)選地，用作電荷倍增區(qū)的硅晶片上采用硅光電倍增管的SiPM單元結(jié)構(gòu)，由APD陣列構(gòu)成，當(dāng)靈活選擇設(shè)定數(shù)目的APD單元作為一個(gè)像素單元，通過對APD單元引出電極的重新組合，轉(zhuǎn)變?yōu)橄袼仄骷?，能用作高靈敏像素探測器使用。

優(yōu)選地，采用第一金屬電極層作為陰極和第二金屬電極層作為陽極的一種兩端結(jié)構(gòu)；

優(yōu)選地，采用第一金屬電極層作為陰極，采用第二金屬電極層作為陽極，還采用絕緣層圖案化溝道的填充電極層作為陽極，形成第一種三端結(jié)構(gòu)。