CN102569487B - 硅pin中子剂量探测器及其制作方法 - Google Patents

硅pin中子剂量探测器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅PIN中子剂量探测器及其制作方法。该硅PIN中子剂量探测器包括高电阻硅片以及分别位于高电阻硅片正面和背面的P型和N型矩形有源区，其中硅片正面的有源区在硅片背面上的垂直投影与硅片背面的有源区左右对称。本发明通过将P型和N型有源区设计成上下非垂直对称结构，有效增大了P型有源区到N型有源区的距离，使得P区和N区之间的距离大于硅片的厚度，即增大了探测器件I区的有效厚度，突破了高阻硅片厚度对PIN管I区厚度的限制。

Description

硅PIN中子剂量探测器及其制作方法
技术领域
本发明涉及中子剂量探测应用的硅PIN中子剂量探测器，尤其涉及在核探测中使用的对性能有较高要求的硅PIN中子剂量探测器及其制备方法。
背景技术
中子剂量探测是利用快中子辐照硅材料后会使硅晶格内部产生缺陷，晶格缺陷会作为有效的复合中心使少数载流子寿命减低，从而改变硅器件的电压电流特性，通过检测硅器件电压电流特性的变化来反映其在一段时间内所受的中子辐射总剂量。
从上世纪六十年代起，硅PIN探测器问世并应用于核物理探测。硅PIN中子剂量探测器的基本结构如图1所示，以高电阻硅片1为基片制作，在高电阻硅片1的正面(顶面)和背面(底面)分别注入硼和磷离子层，分别形成P型掺杂的有源区2和N型掺杂的有源区3，中间的未掺杂区为I区。当中子辐照硅后，在I区产生硅晶格缺陷而降低少数载流子寿命，当在正面施加正向偏压时，硅PIN器件电压电流特性发生的改变量与中子辐射剂量相关，从而测量中子辐射的总剂量。
这样的硅PIN中子剂量探测器体积小，测量方法简单，大剂量时剂量响应线性较好，剂量响应与辐照剂量率无关，一般不需要前置放大器，使用十分方便。
尽管硅PIN探测器具有所述的优点，但是上述的PIN探测器也存在缺陷。已发表的实验研究结果表明，中子探测的灵敏度依赖于P区和N区的间距，即I区的厚度，这就要求硅基片有较大的厚度，从而使上述的硅中子剂量探测器的灵敏度受制于硅基片的厚度，同时增加制作成本和工艺难度。
上述的问题，对于核探测中需要高灵敏度的中子探测器尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度的硅PIN中子剂量探测器，克服现有探测器的缺点，降低硅PIN中子剂量探测器对硅基片厚度的要求，从而降低成本与工艺复杂度。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种硅PIN中子剂量探测器，包括高电阻硅片以及分别位于高电阻硅片正面和背面的P型和N型有源区，其特征在于，两个有源区为大小形状相同的矩形，其中硅片正面的有源区在硅片背面上的垂直投影与硅片背面的有源区左右对称。
上述硅PIN中子剂量探测器，P型有源区与正极电连接，N型有源区与负极电连接，在正极施加正向偏置电压，通过该硅PIN器件电压电流特性发生的改变量来测量中子辐射剂量。
上述高电阻硅片的厚度可以是1.5mm～2.0mm，晶向(111)，其电阻率优选大于3千欧姆·厘米。
上述硅PIN中子剂量探测器的两个有源区在水平方向上的间距优选为1.0mm～2.0mm。所述有源区优选为长方形，其中长边平行于两有源区的对称轴。在进行中子剂量探测时，有源区长边的长度越长，电流越大。在本发明的一个实例中，长方形有源区长边的长度为4mm～10mm，短边的长度500μm。
本发明通过将P型有源区和N型有源区设计成上下非垂直对称结构，有效增大了P型有源区到N型有源区的距离，使得P区和N区之间的距离大于硅片的厚度，也即增大了探测器件I区的有效厚度，突破了高阻硅片厚度对PIN管I区厚度的限制。
本发明还提供了所述硅PIN中子剂量探测器的制作方法，包括如下步骤：
a)在高电阻硅片的正面和背面形成隔离层；
b)通过光刻并刻蚀隔离层，使硅片正面和背面有源区图形区域的硅表面裸露，两个有源区图形为大小形状相同的矩形，正面有源区图形在硅片背面上的垂直投影与背面有源区图形左右对称；
c)分别对硅片的正面和背面进行离子注入，得到P型有源区和N型有源区；
d)制作两个电极分别与P型有源区和N型有源区电连接。
上述制作过程完成后，对硅片进行划片，得到所需的器件大小。
上述步骤a)所使用的硅片为双面抛光的高电阻硅片，其厚度可以是1.5mm～2.0mm，晶向(111)，电阻率优选大于3千欧姆·厘米。在高电阻硅片的上下表面通过高温氧化形成二氧化硅层作为隔离层。
上述步骤b)先在隔离层上涂光刻胶，通过光刻得到有源区图案，两个有源区在水平方向上的间距优选为1.0mm～2.0mm。有源区图案优选为长方形，其中长边平行于两有源区的对称轴。在本发明的一个具体实例中，长方形有源区长边的长度为4mm～10mm，短边的长度500μm。
上述步骤b)当所述隔离层是二氧化硅层时，在二氧化硅层表面涂光刻胶，光刻形成有源区图形，以光刻胶为掩膜利用氢氟酸缓冲溶液腐蚀二氧化硅，使得有源区图形区域的硅表面裸露，然后去除剩余光刻胶。
上述步骤c)以隔离层为掩膜进行离子注入，可以通过硼离子注入得到P型有源区，通过磷离子注入得到N型有源区。
上述步骤d)可以在硅片正面和背面有源区上沉积金属，得到正、负两个电极。与P型有源区连接的电极用于施加正向偏置电压，为正极；与N型有源区连接的电极为负极。常用的金属为铝。
本发明的硅PIN中子剂量探测器具有上下非垂直对称的P型和N型有源区结构，相对于现有的硅PIN中子剂量探测器，具体性能的改善之处在于：正面和背面矩形有源区的上下非垂直对称结构，使的P区和N区的距离大于硅片厚度，从而降低了对硅基片厚度的过高的要求，同时降低了成本与工艺复杂度。
附图说明
图1为现有硅PIN中子剂量探测器的结构示意图；
图2为本发明的硅PIN中子剂量探测器的结构示意图；
图3-1为本发明硅PIN中子剂量探测器的正面(顶面)示意图；
图3-2为本发明硅PIN中子剂量探测器的背面(底面)示意图；
图4-1至图4-4为本发明实施例制备硅PIN中子剂量探测器的为步骤示意图；
图中：1.高电阻硅片，2.正面有源区，3.背面有源区，4.二氧化硅层，5.正面有源区图形窗口，6.背面有源区图形窗口，7.正极，8.负极。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例进一步说明本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例旨在通过一个具体的制作方法制作图2所示的硅PIN中子剂量探测器，该硅PIN中子剂量探测器包括作为基片的双面抛光高电阻硅片1，在硅片1的正面和背面分别具有长方形的P型有源区2和N型有源区3，有源区以外的硅表面上是二氧化硅层4。
具体的制造方法包括下列步骤：
1.如图4-1所示，在作为基片的高电阻硅片1上进行1000℃高温氧化，在硅片上下表面形成厚度为
Figure BDA0000131696980000031
的二氧化硅层4；
2.如图4-2所示，首先进行光刻，分别在正反面的二氧化硅层4的表面涂光刻胶，曝光显影后，利用氢氟酸缓冲溶液腐蚀二氧化硅，然后去除剩余光刻胶，从而得到正面长方形图案和背面长方形图案的裸露硅表面，形成有源区图形窗口5和6，两个有源区图形在水平方向上的间距L为1.0mm～2.0mm；
3.如图4-3所示，对硅片1的正面(即上表面)进行硼离子注入得到正面的P型有源区2，离子注入能量50KeV，剂量1E15原子数/cm2；对硅片1的背面(即下表面)进行磷离子注入得到背面的N型有源区4，离子注入能量100KeV，剂量5E15原子数/cm2；
4.对硅基片进行退火，温度950℃，时间15分钟，保护气体为氮气；
5.在硅基片的正面和背面分别溅射积淀1μm厚的金属铝，形成正极7和负极8，如图4-4所示；
6.对硅基片进行铝合金，温度450℃，时间1小时；
7.对得到的高电阻硅基片进行划片，得到所需的器件；
8.将单个器件背面粘贴于陶瓷外壳管座上，对正极进行金丝压焊，正面覆盖硅胶保护。
经过上述步骤之后，即得到根据本发明的硅PIN中子剂量探测器。

Claims (10)

1.一种硅PIN中子剂量探测器，包括高电阻硅片以及分别位于高电阻硅片正面和背面的P型和N型有源区，其特征在于，所述高电阻硅片的厚度为1.5mm～2.0mm，两个有源区为大小形状相同的矩形，其中硅片正面的有源区在硅片背面上的垂直投影与硅片背面的有源区左右对称。
2.如权利要求1所述的硅PIN中子剂量探测器，其特征在于，所述高电阻硅片的晶向为（111），电阻率大于3千欧姆·厘米。
3.如权利要求1所述的硅PIN中子剂量探测器，其特征在于，两个有源区在与所述硅片的上表面和下表面平行的水平方向上的间距为1.0mm～2.0mm。
4.如权利要求1所述的硅PIN中子剂量探测器，其特征在于，所述有源区为长方形，其长边平行于两个有源区的对称轴。
5.一种权利要求1～4任一所述的硅PIN中子剂量探测器的制作方法，包括以下步骤：
a）在高电阻硅片的正面和背面形成隔离层，所述高电阻硅片的厚度为1.5mm～2.0mm；
b）通过光刻并刻蚀隔离层，使硅片正面和背面有源区图形区域的硅表面裸露，两个有源区图形为大小形状相同的矩形，正面有源区图形在硅片背面上的垂直投影与背面有源区图形左右对称；
c）分别对硅片的正面和背面进行离子注入，得到P型有源区和N型有源区；
d）制作两个电极分别与P型有源区和N型有源区电连接。
6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤a）中的所述硅片为双面抛光的高电阻硅片，其晶向为（111），电阻率大于3千欧姆·厘米。
7.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在步骤a）中，在高电阻硅片的上下表面通过高温氧化形成二氧化硅层作为隔离层；在步骤b）中，在二氧化硅层表面涂光刻胶，光刻形成有源区图形，以光刻胶为掩膜利用氢氟酸缓冲溶液腐蚀二氧化硅，使得有源区图形区域的硅表面裸露，然后去除剩余光刻胶。
8.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在步骤b）中，所述两个有源区图形在与所述硅片的上表面和下表面平行的水平方向上的间距为1.0mm～2.0mm。
9.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在步骤c）中，以隔离层为掩膜进行离子注入，通过硼离子注入得到P型有源区，通过磷离子注入得到N型有源区。
10.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在步骤d）中，在硅片正面和背面有源区上沉积金属，得到正、负两个电极。
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