一種核輻射探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種核輻射探測器。其中，核輻射探測器包括：高阻半導體層，具有上部表面和下部表面；位于高阻半導體層的上部表面的P型淺注入?yún)^(qū)；位于高阻半導體層的上部表面的P型深注入?yún)^(qū)；以及位于高阻半導體層的下部表面的N型注入?yún)^(qū)和N型電極層，其中，P型淺注入?yún)^(qū)在器件的中部，P型深注入?yún)^(qū)在P型淺注入?yún)^(qū)外部包圍一圈；位于P型淺注入?yún)^(qū)上方的可見光吸收層；以可見光吸收層為中心，外圍依次包圍著場板層、鈍化層、場限環(huán)層、鈍化層；其中場限環(huán)層在P型深注入?yún)^(qū)上方；其中N型電極層在N型注入?yún)^(qū)下面。該核輻射探測器接收核輻射并產(chǎn)生感測電信號。該核輻射探測器可以實現(xiàn)高探測效率，進而實現(xiàn)高靈敏度。
【專利說明】
一種核輻射探測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及屬于半導體光電子技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及核輻射探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著核物理實驗和核科學技術(shù)的研究步步深入，核設(shè)施、射線裝置在空間物理科學、地質(zhì)勘探、衛(wèi)生防疫、食品檢測、醫(yī)療、核電、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)的民眾面臨的核武器事故、核反應(yīng)堆事故、輻射裝置事故、放射性廢物貯存與運輸事故、醫(yī)療輻照事故等風險也越來越高。核科學技術(shù)研究和公共安全都對輻射探測技術(shù)提出了更高的要求，核輻射探測器成為不可缺少的探測器件。半導體探測器是以半導體材料為探測介質(zhì)的輻射探測器。二極管兩端所加偏壓(一般工作于反向偏壓)在靈敏區(qū)產(chǎn)生較大電場，入射輻射射線與半導體晶格作用在靈敏區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，數(shù)量正比于入射粒子在耗盡區(qū)內(nèi)損耗的能量。電荷載流子在電壓電場作用分離，向兩極作漂移運動，在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而在外電路中形成信號脈沖。半導體探測器按照材料分類有硅鍺及化合物半導體探測器;按照應(yīng)用種類有帶電粒子，X射線和γ射線探測器;按照結(jié)構(gòu)可以分為晶體電導型、PN結(jié)型、PIN結(jié)型等，其中按PN結(jié)的制備工藝又可分為面皇型探測器、離子漂移型探測器、離子注入型探測器。半導體探測器具有許多獨特優(yōu)良的性質(zhì)，如好的能量分辨率、寬的能量線性范圍、快的脈沖上升時間以及體積小，高精度的位置測量與高速讀出結(jié)合，可以直接輸出可利用的電子信號；能量及位置的瞬時精確測量;探測器和電子電路容易集成等等而廣泛應(yīng)用于核探測領(lǐng)域。探測效率是核輻射探測器的重要參數(shù)。探測效率主要決定于由核輻射進入到半導體器件內(nèi)部的效率、光子產(chǎn)生電子空穴對的效率、電子空穴對的收集效率三個部分組成。期望改善核輻射探測器的效率以提高靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是提供一種高靈敏度的核輻射探測器。
[0004]根據(jù)本實用新型的一方面，提供一種核輻射探測器，包括:高阻半導體層，具有上部表面和下部表面;位于高阻半導體層的上部表面的P型淺注入?yún)^(qū)；位于高阻半導體層的上部表面的P型深注入?yún)^(qū)；以及位于高阻半導體層的下部表面的N型注入?yún)^(qū)和N型電極層，其中，P型淺注入?yún)^(qū)在器件的中部，P型深注入?yún)^(qū)在P型淺注入?yún)^(qū)外部包圍一圈；位于P型淺注入?yún)^(qū)上方的可見光吸收層；以可見光吸收層為中心，外圍依次包圍著場板層、鈍化層、場限環(huán)層、鈍化層;其中場限環(huán)層在P型深注入?yún)^(qū)上方。
[0005]優(yōu)選地，本征半導體層由選自硅單晶、GaAs、GaN、AlN、SiC、ZnO、GaO或單晶金剛石中的一種組成。
[0006]優(yōu)選地，P型深摻雜區(qū)包括分隔開的多個條帶。進一步優(yōu)選地，根據(jù)期望的擊穿電壓及高阻半導體層電阻率調(diào)節(jié)多個條帶的數(shù)量和間距。
[0007]優(yōu)選地，可見光吸收層由黑色有機薄膜、碳膜、鈹金屬薄膜或鋁金屬薄膜中的一種組成，用于阻擋可見光進入探測器，降低背景干擾，提高信噪比。
[0008]優(yōu)選地，場限環(huán)層由Al、AlS1、Ag、ITO、T1、N1、Au、Pt中的一種或任意組合組成。
[0009]優(yōu)選地，場限環(huán)層中軸線在P型深注入?yún)^(qū)中軸線外側(cè)，即場限環(huán)層覆蓋P型
[0010]深注入?yún)^(qū)的外側(cè)多于內(nèi)偵U。
[0011 ]優(yōu)選地，鈍化層由氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化鋯、氧化鉿、氮氧化硅或
[0012]氧化鋁中的一種組成。
[0013]優(yōu)選地，場板層由Al、AlS1、Ag、ITO、T1、N1、Au、Pt中的一種或任意組合組成。
[0014]根據(jù)本實用新型的核輻射探測器，通過在上部表面設(shè)置可見光吸收層，可以阻擋可見光進入探測器，降低背景干擾，提高信噪比。在上部表面設(shè)置非對稱場限環(huán)層、場板層和鈍化層可以有效的均勻化內(nèi)部電場和降低表面態(tài)密度，從而提高擊穿電壓，同時也可以有效的抑制漏電流，因此可以大大提尚電子空穴對的收集效率，最終達到提尚探測效率的目的。
【附圖說明】
[0015]通過以下參照附圖對本公開實施例的描述，本公開的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中:
[0016]圖1-2是根據(jù)本實用新型一個優(yōu)選實施例的核輻射探測器的示意圖，其中在圖1中示出了核輻射探測器的俯視圖，在圖2中示出了核輻射探測器沿圖1中的線V-V截取的垂直截面圖；
[0017]圖3-8是根據(jù)本實用新型一個優(yōu)選實施例的核輻射探測器的制造關(guān)鍵流程的各個階段的半導體結(jié)構(gòu)的垂直截面圖
[0018]【具體實施方式】:
[0019]下文結(jié)合附圖對本實用新型優(yōu)選實施例進行詳細描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會更加明了本實用新型的上述以及其他目的、優(yōu)點和特征。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。
[0020]圖1-2是根據(jù)本實用新型一個優(yōu)選實施例的核輻射探測器的示意圖，其中在圖1中示出了核輻射探測器的俯視圖，在圖2中示出了光電探測器沿圖1中的線V-V截取的垂直截面圖.該核輻射探測器100包括高阻半導體層101、P型淺注入?yún)^(qū)102、可見光吸收層103、場板層104、鈍化層105、場限環(huán)層106、P型深注入?yún)^(qū)107、N型注入?yún)^(qū)108和N型電極層109。本征半導體層101具有上部表面和下部表面，可以由選自硅單晶、GaAs、GaN、AlN、SiC、Zn0、Ga0或單晶金剛石中的一種組成。P型淺注入?yún)^(qū)102、可見光吸收層103、場板層104、鈍化層105、場限環(huán)層106、P型深注入?yún)^(qū)10都位于高阻半導體層101的上部表面。P型淺注入?yún)^(qū)102在器件上部表面的中部，P型深注入?yún)^(qū)107在P型淺注入?yún)^(qū)102外部包圍一圈；可見光吸收層103位于P型淺注入?yún)^(qū)102正上方；以可見光吸收層103為中心，外圍依次包圍著場板層104、鈍化層105、場限環(huán)層106、鈍化層105;其中場限環(huán)層106在P型深注入?yún)^(qū)107正上方；其中N型電極層109位于N型注入?yún)^(qū)108正下方。
[0021]可見光吸收層103，可以阻擋可見光進入探測器，降低背景干擾，提高信噪比。在上部表面設(shè)置非對稱場限環(huán)層106、場板層104和鈍化層105可以有效的均勻化內(nèi)部電場和降低表面態(tài)密度，從而提高擊穿電壓，同時也可以有效的抑制漏電流，因此可以大大提高電子空穴對的收集效率，進而大幅提高探測效率。N型注入?yún)^(qū)108和N型電極層109位于本征半導體層101的下部表面，N型電極層109位于N型注入?yún)^(qū)108下面。當在P型淺注入?yún)^(qū)102和N型注入?yún)^(qū)108之間加反向偏壓或O偏壓時，即可實現(xiàn)核輻射探測。
[0022]在圖1-2的示例中，P型深注入?yún)^(qū)107是分布在P型淺注入?yún)^(qū)102外圍的一個條帶。然而，P型深注入?yún)^(qū)107的配置不限于此。P型深注入?yún)^(qū)107可以包括分隔開的多個條帶。P型深注入?yún)^(qū)107的多個條帶的間距及數(shù)量可根據(jù)期望的擊穿電壓及高阻半導體層101的電阻率進行調(diào)節(jié)。P型深注入?yún)^(qū)107及其上面的場限環(huán)層106、場板層104可以使高阻半導體層101內(nèi)部電場更加均勻，提高電子空穴對的收集效率。P型淺注入?yún)^(qū)102有利于調(diào)制電場，降低表面死區(qū)厚度，提高核輻射進入到半導體器件內(nèi)部的效率。鈍化層105可以降低表面態(tài)，從而降低表面漏電流。
[0023]在圖1-2的示例中，場板層104、場限環(huán)層106和N型電極層109可以分別由選自△ 1^13丨)8、11'0、1^、祖、厶11、？七中的一種或任意組合組成。例如，可以為厶1^13丨^8、11'0、Ti,N1、Au、Pt等的單層，或者Ti/Al/Ni/Au的疊層。
[0024]在圖1-2的示例中，可見光吸收層103由黑色有機薄膜、碳膜、鈹金屬薄膜或鋁金屬薄膜中的一種組成，用于阻擋可見光進入探測器，降低背景干擾，提高選擇比。
[0025]另外，核輻射電探測器100既作為單個器件單獨使用，也可以形成陣列使用，用于測量含有位置信息的輻射量。
[0026]圖3-8是根據(jù)本實用新型一個優(yōu)選實施例的核輻射探測器的制造關(guān)鍵流程的各個階段的半導體結(jié)構(gòu)的垂直截面圖。
[0027]通過氧化、LPCVD、PECVD、ICPCVD或ALD生長鈍化層(如氮化硅)，使用不同掩模的單次或多次低能離子注入，在高阻半導體襯底(例如，單晶硅)的上部表面注入P型摻雜劑(例如，硼)，分別形成P型淺注入102，如圖3所示。
[0028]通過使用不同掩模的單次或多次高能離子注入或擴散，在高阻半導體襯底(例如，單晶硅)的上部表面注入P型摻雜劑(例如，硼)，分別形成P型深注入107，如圖4所不O
[0029]通過離子注入或擴散，在高阻半導體襯底(例如，單晶硅)的下部表面注入N型摻雜劑(例如，磷)，以形成N型注入?yún)^(qū)108，如圖5所示。高阻半導體襯底未摻雜的部分形成高阻半導體層101 W型淺注入?yún)^(qū)102、高阻半導體層101和N型注入?yún)^(qū)108形成PIN結(jié)構(gòu)。
[0030]采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)、CVD生長、噴涂和懸涂，在半導體結(jié)構(gòu)的上部表面沉積遮光材料(例如，鋁薄膜)。通過光刻和蝕刻，去除遮光材料位于核輻射入射窗口(即P型淺注入?yún)^(qū)102)以外的部分，以形成可見光吸收層103，如圖6所示。
[0031]采用磁控濺射、熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)，在半導體結(jié)構(gòu)的上部表面生長導電材料(例如，Al)，通過光刻和蝕刻，去除導電材料位于核輻射探測器鈍化層上的部分，以形成場板層104和場限環(huán)層106，如圖7所示。
[0032]采用磁控濺射、熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)，在半導體結(jié)構(gòu)的下部表面的N型注入?yún)^(qū)108上沉積導電材料(例如，Ag)，以形成N型電極層109，如圖8所示。
[0033]在封裝之后獲得核輻射探測器100。在核輻射照射情況下，通過可見光吸收層103和P型淺注入?yún)^(qū)102，在場板層104和N型電極層109間施加反偏電壓或O偏壓獲得核輻射信號的探測。
[0034]最后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到，雖然本文已詳盡地示出和描述了優(yōu)選示例性的實施例，但是，在不脫離本實用新型精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本申請公開的內(nèi)容直接確定或推導出符合本實用新型原理的許多其他變型或修改。因此，本實用新型的范圍應(yīng)被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
【主權(quán)項】
1.一種核輻射探測器，其特征在于包括: 高阻半導體層，具有上部表面和下部表面； 位于高阻半導體層的上部表面的P型淺注入?yún)^(qū)； 位于高阻半導體層的上部表面的P型深注入?yún)^(qū)； 以及位于高阻半導體層的下部表面的N型注入?yún)^(qū)和N型電極層，其中，P型淺注入?yún)^(qū)在器件的中部，P型深注入?yún)^(qū)在P型淺注入?yún)^(qū)外部包圍一圈； 位于P型淺注入?yún)^(qū)上方的可見光吸收層；以可見光吸收層為中心，外圍依次包圍著場板層、鈍化層、場限環(huán)層、鈍化層；其中場限環(huán)層在P型深注入?yún)^(qū)上方；其中N型電極層在N型注入?yún)^(qū)下面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征在于高阻半導體層由選自硅單晶、GaAs、GaN、AlN、SiC、ZnO、GaO或單晶金剛石中的一種組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征在于P型深注入?yún)^(qū)包括分隔開的多個條帶。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的核輻射探測器，其特征在于根據(jù)期望的擊穿電壓及高阻半導體層電阻率調(diào)節(jié)多個條帶的數(shù)量和間距。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征在于可見光吸收層由黑色有機薄膜、碳膜、鈹金屬薄膜或鋁金屬薄膜中的一種組成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征在于場限環(huán)層由Al、AlS1、Ag、ITO、T1、N1、Au、Pt中的一種或任意組合組成。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的核輻射探測器，其特征在于場限環(huán)層中軸線在P型深注入?yún)^(qū)中軸線外側(cè)，即場限環(huán)層覆蓋P型深注入?yún)^(qū)的外側(cè)多于內(nèi)側(cè)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征在于鈍化層由氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化鋯、氧化鉿、氮氧化硅或氧化鋁中的一種組成。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征在于場板層由Al、AlS1、Ag、ITO、T1、N1、Au、Pt中的一種或任意組合組成。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征在于N型接觸層由Al、AlS1、Ag、ITO、T1、N1、Au、Pt中的一種或任意組合組成。
【文檔編號】H01L31/118GK205452319SQ201620252515
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】陸敏, 郭杰
【申請人】成都晶威科技有限公司, 陸敏