高純鍺探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體輻射探測器領(lǐng)域，尤其涉及一種高純鍺探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體制備技術(shù)的不斷提高，基于大體積、良好性能的高純鍺(HPGe)單晶拉制成功，使HPGe探測器具備了良好的能量分辨和相對高的探測效率。高純鍺探測器可用于Y射線、X射線測量、暗物質(zhì)探測以及輻射成像技術(shù)等，在衰變綱圖研究、內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)測定、核反應(yīng)、短壽命核測量、活化分析、核燃料研究、井礦探測、原子核精細結(jié)構(gòu)研究和暗物質(zhì)探測等方面獲得了極廣泛的應(yīng)用。
[0003]探測器本身的噪聲是影響HPGe探測器的能量分辨率的關(guān)鍵因素之一，HPGe探測器本身的噪聲主要來源于反向泄漏電流，它直接影響到探測器的能量分辨率和靈敏度。另夕卜，它也是鑒定工藝、判別成品好壞的一個簡便方法。一般情況下，一個好的HPGe探測器的反向電流應(yīng)該小于ΙΟρΑ。然而使反向泄漏電流降低到這個水平并非易事，許多從事探測器研究的工作者圍繞降低反向泄漏電流展開了大量研究。
[0004]反向泄漏電流的來源有三個:體漏電流、擴散漏電流、表面漏電流。
[0005]其中，體漏電流是熱激發(fā)生成的電子空穴引起的電流，由于HPGe晶體的能帶間隙小，為了提高分辨率，在實際測量時HPGe探測器會被制冷到70K?100K溫區(qū)，在這個溫區(qū)，體漏電流是可以忽略不計的；其中擴散漏電流是摻雜接觸引起的電流，在少數(shù)載流子壽命很長的情況下，擴散電流也不隨反向電壓變化，因此這一部分的電流也是可以忽略的；表面漏電流則是與HPGe晶體封裝處理的表面狀態(tài)有關(guān)的電流，是在表面層產(chǎn)生的，一般表面漏電流隨反向電壓增加而增大，因此表面漏電流是不能忽略的，它是探測器的泄露電流的主要來源。
[0006]在降低探測器的表面漏電流的現(xiàn)有技術(shù)中，一種最直接最重要的方案就是表面清潔，采用了大量的復(fù)雜的工序?qū)硐氲谋砻孢M行清潔，以嚴格地保證表面為高阻的狀態(tài)。然而即使事先做了最苛刻的清潔工作，由于晶格在晶體表面處突終止，在表面的最外層的每個鍺原子將有一個未配對的電子，即有一個未飽和鍵，由于這些未飽和鍵的存在，在實際晶體表面上往往會形成微氧化膜或吸附著其它原子和分子，這使表面情況變得復(fù)雜，還應(yīng)指出的是有研究表明，即使在高真空中，也只能在短時間內(nèi)保持不附著任何原子或分子的潔凈表面，經(jīng)過數(shù)小時后，表面上仍會形成一層單原子層，除了上述表面懸掛鍵引起的表面態(tài)夕卜，在表面處還存在由于晶體缺陷或吸附各種帶電粒子等原因引起的表面態(tài)。諸如吸附的各種粒子，表面的氧化層中的可動離子、固定電荷和陷阱等皆可引起HPGe半導(dǎo)體表面電阻的降低，在表面層中引起電場，這些因素將會對半導(dǎo)體表面的特征產(chǎn)生重大影響，尤其是會增大表面漏電流，導(dǎo)致分辨率降低和假信號。
[0007]另一種降低探測器的表面漏電流的技術(shù)是表面鈍化技術(shù)，即在清潔好的HPGe半導(dǎo)體表面再沉積一層對帶電粒子有阻擋作用的鈍化膜，如非晶鍺，氧化鍺，二氧化鍺膜等。鈍化技術(shù)在控制表面漏電流方面起到了積極的作用，然而，也存在一些缺點，首先是死層增力口，在一些應(yīng)用中死層增加到幾百微米；其次是非晶態(tài)鍺或氧化鍺膜的沉積接觸的加工也比較困難，需要很復(fù)雜的處理工藝。
[0008]因此，期望能夠提供一種工藝簡單、穩(wěn)定有效的抑制HPGe表面漏電流的技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種高純鍺探測器，其能夠有效地降低HPGe表面漏電流以提聞探測器的精度。
[0010]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案通過以下方式來實現(xiàn):
[0011]本發(fā)明提供了一種高純鍺探測器，包括:
[0012]聞純錯晶體，所述聞純錯晶體具有本征區(qū)裸露表面；
[0013]第一電極和第二電極，所述第一電極和第二電極分別與高純鍺晶體的第一接觸極和第二接觸極相連；和
[0014]導(dǎo)電保護環(huán)，所述導(dǎo)電保護環(huán)設(shè)置在所述本征區(qū)裸露表面中且環(huán)繞所述第一電極以將本征區(qū)裸露表面阻隔成內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域。
[0015]進一步地，所述導(dǎo)電保護環(huán)可以與所述第一電極具有大致相同的電位。
[0016]進一步地，所述導(dǎo)電保護環(huán)可以設(shè)置于本征區(qū)裸露表面中的環(huán)繞所述第一電極的溝槽中。
[0017]更進一步地，所述溝槽的寬度可以小于200微米。
[0018]更進一步地，所述溝槽的深度可以在I微米和10微米之間。
[0019]更進一步地，所述導(dǎo)電保護環(huán)可以是與所述溝槽尺寸匹配的實體金屬環(huán)或金屬鍍層。
[0020]進一步地，所述高純鍺探測器還可以包括前置放大電路，所述導(dǎo)電保護環(huán)與前置放大電路的高阻輸入端等電位電連接。
[0021]具體地，所述聞純錯晶體可以是N型聞純錯晶體或P型聞純錯晶體。
[0022]具體地，所述高純鍺探測器可以是同軸型或點電極型探測器，所述的本征區(qū)裸露表面為所述高純鍺晶體的端面，所述第一電極連接于位于所述端面的中心孔或中心點的第一接觸極，第二電極連接于所述高純鍺晶體的外周側(cè)面，所述導(dǎo)電保護環(huán)靠近第一電極且與所述第一電極電絕緣。
[0023]再進一步地，所述導(dǎo)電保護環(huán)的半徑與被保護的所述端面的半徑之比可以小于或等于1/3。
[0024]再進一步地，所述導(dǎo)電保護環(huán)的中心可以與所述端面的中心基本上重合。
[0025]具體地，所述高純鍺探測器可以是平面型探測器，所述的本征區(qū)裸露表面是高純鍺晶體的外周側(cè)面，所述第一電極和第二電極分別連接在高純鍺晶體的兩個端面，所述導(dǎo)電保護環(huán)設(shè)置在所述外周側(cè)面上，靠近所述第一電極且與所述第一電極電絕緣。
[0026]再進一步地，所述本征區(qū)裸露表面在導(dǎo)電保護環(huán)和第一電極之間的面積可以小于或等于本征區(qū)裸露表面的總面積的1/3。
[0027]再進一步地，所述導(dǎo)電保護環(huán)可以與高純鍺晶體的軸向基本上垂直。本發(fā)明的上述技術(shù)方案中的任何一個能夠通過在高純鍺探測器的本征區(qū)裸露表面中設(shè)置導(dǎo)電保護環(huán)來將該表面的漏電流與檢測電流隔離開從而抑制表面漏電流的干擾。這種方案可以顯著地提聞聞純錯探測器的檢測精度且具有簡單的結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0028]圖1a-1d示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的高純鍺探測器抑制表面漏電流的工作原理；
[0029]圖2a_2c示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的同軸型高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖3a_c示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的點電極型高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖4a_c示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的平面型高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)圖；以及
[0032]圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的高純鍺探測器的電連接圖。
【具體實施方式】
[0033]下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標號表示相同或相似的部件。下述參照附圖對本發(fā)明實施方式的說明旨在對本發(fā)明的總體發(fā)明構(gòu)思進行解釋，而不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明的一種限制。
[0034]圖1a-1d以P型同軸高純鍺探測器為例示出了根據(jù)本發(fā)明的高純鍺探測器抑制表面漏電流的原理。其中圖1a和Ib分別為現(xiàn)有技術(shù)中P型同軸高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路圖。該聞純錯探測器包括聞純錯晶體I和第一電極2,聞純錯晶體I具有本征區(qū)裸露表面11和與第一電極2連接的第一接觸極12，在同軸型高純鍺探測器中，本征區(qū)裸露表面11是高純鍺晶體I的端面。典型地，高純鍺晶體I可以為圓柱體形狀。高純鍺探測器還可以設(shè)有第二電極，該第二電極與高純鍺晶體I的第二接觸極13連接。在本示例中，第二接觸極13即為高純鍺晶體I的外周側(cè)面。第一電極2可以與電源6的低壓側(cè)電連接，高純鍺晶體I的外周側(cè)面與電源6的高壓側(cè)電連接。在實際使用中，在第一電極2和電源6的低壓側(cè)之間往往還需要設(shè)置如放大電路等電路模塊，以提高檢測精度和穩(wěn)定性。在此為了描述簡便起見，省略了這些電路模塊，僅示出一電流計7。
[0035]高純鍺探測器的基本原理是，在高純鍺晶體兩極施加電壓，當(dāng)輻射射線射入高純鍺晶體的本征區(qū)時，會產(chǎn)生電子一空穴對并在電場的作用下形成離子電流，通過對離子電流的檢測可以實現(xiàn)對照射到高純鍺探測器上的輻射射線的能量進行檢測。也就是說，高純鍺探測器將對輻射射線能量的檢測轉(zhuǎn)換成對離子電流Iim的檢測。高純鍺晶體具有本征區(qū)，所謂本征區(qū)是指能夠產(chǎn)生上述效應(yīng)的區(qū)域。本征區(qū)裸露表面是指本征區(qū)的裸露在外的表面，其可能被污染或鈍化。作為示意性的描述，在圖la-d中，對離子電流Iim的檢測由電流計7來實現(xiàn)。如圖1b所示，高純鍺晶體I的內(nèi)電阻由Rbulk表示，本征區(qū)裸露表面11的表面電阻由Rsurt表示，流過表面電阻的表面漏電流為Ismf。可見，在現(xiàn)有技術(shù)中的高純鍺探測器中，流過電流計7的檢測電流I_s = Iim+Isurf，其中，Iim是期望的反映輻射射線能量的電流信號，而表面漏電流Ismf則是干擾信號。由于本征區(qū)裸露表面11是裸露的，所以其易于被污染，而被污染的局部可能導(dǎo)致較小的表面電阻Rsmf，相應(yīng)地，表面漏電流Ismf的幅度較大，因而對于測量電流Imeas可能造成明顯的影響。
[0036]圖1c和Id示出的是根據(jù)本發(fā)明的實施例的設(shè)有導(dǎo)電保護環(huán)的高純鍺探測器。與圖1a和Ib相比可知，根據(jù)本發(fā)明的實施例的高純鍺探測器與現(xiàn)有技術(shù)中的高純鍺探測器相比區(qū)別主要在于設(shè)有導(dǎo)電保護環(huán)3。所述導(dǎo)電保護環(huán)3設(shè)置在本征區(qū)裸露表面11中，且圍繞電極2。導(dǎo)電保護環(huán)3將本征區(qū)裸露表面11分成了內(nèi)外兩個區(qū)域，導(dǎo)電保護環(huán)3所包圍的內(nèi)區(qū)域的表面電阻由R1表示，導(dǎo)電保護環(huán)3外的本征區(qū)裸露表面11的外區(qū)域的表面電阻由R2表示。期望地，導(dǎo)電保護環(huán)3的厚度能夠?qū)⒈菊鲄^(qū)裸露表面11完全地阻隔成內(nèi)外兩個區(qū)域。導(dǎo)電保護環(huán)3與電流計7靠近電源低壓側(cè)的一側(cè)電連接。在這種情況下，對應(yīng)于兩個區(qū)域的表面電阻R1和R2的表面漏電流分別是Isurtl和Isurt2。而Ismf2將不會流經(jīng)電流計7，因此不會影響檢測電流I_s。也就是說，由電源6引起的表面漏電流與檢測電流隔離開。對于Isurfl,由于表面電阻R1兩端(即第一電極2和導(dǎo)電保護環(huán)3)的電位相差很小，或者說基本上相同，因此導(dǎo)電保護環(huán)3所包圍的內(nèi)區(qū)域的表面漏電流Isurfl也很小。例如，當(dāng)用靜電計或皮安表測試時，表面電阻R1兩端的壓降小于lmV，所以在R1上產(chǎn)生的表面漏電流Ismfl是相當(dāng)小的。而且在實際的探測器器件中，檢測信號通常需要將信號先輸入結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JEFT)進行放大，而JEFT的輸入端壓降更低，通常小于100 μ V，其產(chǎn)生的電流Isurfl是更小的。于是，幾乎所有流過電流計7的檢測電流I_s都是期望的離子電流Iim。
[0037]由上述可知，采用導(dǎo)電保護環(huán)3的結(jié)構(gòu)，可以