[發(fā)明專利]一種基于鈣鈦礦雪崩管的高靈敏度探測結構及制備方法

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• 申請日: 2021-10-18
• 公開（公告）號: CN113889548A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發(fā)明（設計）人: 雷威;周建明;朱瑩
• 申請（專利權）人: 蘇州億現(xiàn)電子科技有限公司
• 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

本發(fā)明提供一種基于鈣鈦礦雪崩管的高靈敏度探測結構及制備方法，涉及高靈敏度X射線/γ射線探測領域，本發(fā)明包括以下部分：采用厚度大于1厘米的本征鈣鈦礦晶體作為X射線/γ射線光子吸收體，利用鈣鈦礦晶體的高吸收系數(shù)，獲得較高的X射線/γ射線光子吸收轉換效率，利用本征鈣鈦礦晶體的高電阻率，減小探測器暗電流，在本征晶體上順序生長空間電荷層、寬帶隙鈣鈦礦倍增層和窄帶隙鈣鈦礦倍增層，對光生電子空穴對雪崩倍增，獲得高增益探測信號，與常規(guī)采用閃爍體的間接雪崩探測器件相比較，它避免了將X射線/γ射線光子轉換為可見光子的過程，因此可以具有更高的探測量子效率。

技術領域

本發(fā)明涉及高靈敏度X射線/γ射線探測領域，尤其涉及一種基于鈣鈦礦雪崩管的高靈敏度探測結構及制備方法。

背景技術

X射線/γ射線探測在核醫(yī)學、航空航天，以及工業(yè)無損檢測等領域具有重要的應用，人們一直致力發(fā)展高性能的x射線/γ射線探測器。由于x射線/γ射線光子能量很高，穿透能力很強，x射線/γ射線探測活性材料需要具有較高的平均原子序數(shù)（Z）和厚度以充分吸收x射線/γ射線光子。通常人們選擇高純度的半導體單晶作為x射線/γ射線光子直接探測活性材料，在70年代人們提出采用高純度Ge（HPGe）進行γ射線探測，獲得很好的能量分辨率。但是由于它的帶隙很小，所以需要液氮冷卻。為了在室溫下探測x射線/γ射線，人們利用化合物半導體晶體作為γ射線探測的活性材料，如CdTe、 Cd1-xZnxTe(CZT)以及TlBr等，這些x射線/γ射線探測器已經(jīng)得到商業(yè)應用。但是現(xiàn)有的化合物半導體x射線/γ射線探測器制備技術復雜、成本昂貴、傳感單元與讀出電路工藝不兼容等問題。

在醫(yī)學影像，特別是單光子發(fā)射計算機斷層成像（SPECT）以及正電子發(fā)射斷層成像（PET）技術中，x射線或者γ射線的光子通量很低，必須以光子計數(shù)的形式加以探測。由于入射的x射線/γ射線非常微弱，在光子計數(shù)探測中必須對光生電流提供非常大的增益，同時還需要盡量抑制暗電流和噪聲，避免微弱探測信號被噪聲所湮滅。

為了獲得光生電流信號的高增益，雪崩二極管（APD）是光子計數(shù)經(jīng)常采用的一種探測器結構。雪崩二極管通過載流子的碰撞電離可以獲得非常高的增益（大于100），但是碰撞電離需要施加非常高的偏置電壓，而且碰撞電離具有隨機性，因此雪崩二極管的暗電流和噪聲通常都很高，不利于光子計數(shù)探測。為了解決這一問題，人們提出了將光子吸收和倍增區(qū)域相分離的雪崩二極管（SAM APD），如圖1所示，為了進一步降低倍增閾值電壓和噪聲，人們在SAM APD的基礎上，將光子吸收、空間電荷和倍增區(qū)相分離，提出了SACM APD的結構，如圖2所示。

上述SAM APD和SACM APD都采用多元無機化合物半導體作為活性材料，通過分子束外延和有機金屬化學氣相沉積等方法生長外延層，并由離子注入等方式進行摻雜，晶體和外延層厚度一般都在10微米以內。如果入射光為x射線/γ射線，其光子能量很高，現(xiàn)有的SAM APD和SACM APD對x射線/γ射線光子的吸收和轉換都很微弱，所以人們一般通過間接探測的方式對x射線/γ射線光子雪崩放大，典型結構如圖3所示（CN106415319A，WO2016/060102，JA 2016.04.21），在該探測結構中，x射線/γ射線光子首先入射到閃爍體，它們與閃爍體作用，產(chǎn)生可見熒光發(fā)射，然后再利用前述的化合物半導體雪崩二極管對閃爍熒光進行探測，在這種間接探測方式中，需要將x射線/γ射線光子首先轉換為可見光光子，然后再將可見光光子轉換為電信號。因此，這種間接探測方法降低了x射線/γ射線光子探測的外量子效率，并引入了附加噪聲。

針對x射線/γ射線間接雪崩探測存在的問題，需要尋找一種高效率的x射線/γ射線直接雪崩探測器件結構和制備方法，雖然人們采用CdZnTe等材料可以進行x射線/γ射線直接探測，但是這些探測器件制備成本昂貴，而且有效探測面積受到較大限制。