CN109298438A - 半导体探测器及半导体探测器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种半导体探测器及半导体探测器制备方法，涉及探测器技术领域。该半导体探测器包括：半导体晶体、阴极和阳极；半导体晶体包括相对设置于半导体晶体两侧的第一面和第二面；阴极设于半导体晶体的第一面；阳极设于半导体晶体的第二面；阳极包括：收集电极和权重栅电极，权重栅电极围绕收集电极布设；其中，收集电极和/或权重栅电极为三维复合结构电极。使用该半导体探测器能够大幅度提升半导体晶体内部载流子的收集效率。
Description
技术领域
本申请涉及探测器技术领域，具体而言，涉及一种半导体探测器及半导体探测器制备方法。
背景技术
半导体探测器是以半导体材料为探测介质的辐射探测器。其基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子-空穴对，电子-空穴对在外加电场的作用下漂移而输出信号。
现有技术中，大部分半导体探测器采取单极性载流子收集特性的探测器结构，即探测器响应信号以电子载流子迁移引起的感应信号为主，可以很好地改善半导体晶体材料低空穴迁移率所导致的低能量分辨率等问题。其中，像素阵列半导体辐射探测器是国内外X射线与伽马射线辐射探测的主流半导体辐射探测器，其阳极为像素阵列电极，阴极为整体平面电极。
但是，现有像素阵列半导体辐射探测器的像素阵列单元电极的设计非常单一，仅限于阳极表面制备不同形状平面结构形式的像素单元电极，使得探测器内部电场分布不容易被影响及控制，各种特殊造型的平面像素阵列电极仅在靠近像素阵列电极的区域会引起晶体内电场的变化，对探测器内电场分布影响十分有限，从而影响探测器载流子收集能力。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种半导体探测器及半导体探测器制备方法，使用该半导体探测器能够大幅度提升半导体晶体内部载流子的收集效率。
为实现上述目的，本申请实施例所采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供一种半导体探测器，包括：半导体晶体、阴极和阳极；
半导体晶体包括相对设置于所述半导体晶体两侧的第一面和第二面；
阴极设于半导体晶体的第一面；
阳极设于半导体晶体的第二面，阳极包括：收集电极和权重栅电极，权重栅电极围绕收集电极布设；其中，收集电极和/或权重栅电极为三维复合结构电极。
在一个实施例中，收集电极和权重栅电极均为，沿着第二面向第一面的纵深方向延展的三维复合结构电极。
在一个实施例中，权重栅电极为平面结构电极，收集电极为沿着第二面向第一面的纵深方向延展的三维复合结构电极。
在一个实施例中，权重栅电极为沿着第二面向第一面的纵深方向延展的三维复合结构电极，收集电极为平面结构电极。
在一个实施例中，权重栅电极悬空处理。
在一个实施例中，半导体晶体设有保护环，权重栅电极通过导线与保护环连接。
在一个实施例中，以收集电极为中心，其周围的多个权重栅电极通过导线闭环连接。
在一个实施例中，半导体晶体为碲锌镉CdZnTe晶体。
在一个实施例中，制作阴极或阳极的材料包括：金Au或铟In。
第二方面，本申请实施例提供一种半导体探测器制备方法，所述方法应用于制备如第一方面所述的半导体探测器，所述方法包括：
在飞秒激光烧蚀加工光路平台上，对半导体晶体进行飞秒激光烧蚀，在半导体晶体的第二面形成向第一面的纵深方向延展的三维复合结构；
在具有三维复合结构的半导体晶体上制备阳极和阴极；其中，阳极包括收集电极和围绕收集电极布设的权重栅电极。
相对于现有技术而言，本申请实施例具有以下有益效果：
本实施例提供的半导体探测器通过在半导体晶体第二面(载流子收集侧)设置的收集电极和/或权重栅电极为三维复合结构电极，明显增大了阳极对半导体探测器内部电场分布的影响及控制程度，同时增大了载流子电荷收集总面积，从而能够大幅度提升半导体晶体内部载流子的收集效率，进一步在阳极中，权重栅电极围绕收集电极布设，使得权重栅电极对收集电极形成保护作用，从而增强了半导体探测器单极性收集特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请第一实施例提供的半导体探测器结构示意图；
图2为本申请第一实施例提供的半导体探测器阳极结构示意图；
图3为本申请第二实施例提供的半导体探测器制备方法流程示意图；
图4为本申请第二实施例提供的飞秒激光烧蚀加工光路平台结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
第一实施例：
如图1所示，本实施例提供一种半导体探测器，包括：半导体晶体110、阴极120和阳极130；半导体晶体110包括相对设置于所述半导体晶体110两侧的第一面和第二面；阴极120设于半导体晶体110的第一面；阳极130设于半导体晶体110的第二面，阳极130包括：收集电极131和权重栅电极132，权重栅电极132围绕收集电极131布设；其中，收集电极131和/或权重栅电极132为三维复合结构电极。
具体地，半导体晶体110作为该半导体探测器的探测介质，在本实施例中，半导体晶体110为碲锌镉CdZnTe晶体。半导体晶体110的第一面和第二面分别相对设置于半导体晶体110的两侧，半导体探测器的阴极120设置于半导体晶体110的第一面，阳极130设置于半导体晶体110的第二面，而阳极130所在的半导体晶体110的第二面为该半导体探测器的载流子收集侧。
其中，阳极130包括收集电极131，和围绕收集电极131布设的权重栅电极132。可选地，在本申请实施例中，以每个收集电极131为中心，其周围布设有8个权重栅电极132。在一些实施例中，权重栅电极132还可以被位于两侧的收集电极131所共享。
另外，上述三维复合结构电极是指，通过在半导体晶体110上加工制成三维复合结构(如：三维微纳复合结构、在半导体晶体110内所形成的其他不规则凸起或凹陷的三维复合结构、以及多个微结构按一定规则组合所形成的三维复合结构等)，再通过向三维复合结构镀膜而形成的电极。可选地，三维复合结构电极在半导体晶体110表面的部分可以为微球形或微条纹形。
本实施例提供的半导体探测器通过在半导体晶体110第二面(载流子收集侧)设置的收集电极131和/或权重栅电极132为三维复合结构电极，明显增大了阳极130对半导体探测器内部电场分布的影响及控制程度，同时增大了载流子电荷收集总面积，从而能够大幅度提升半导体晶体110内部载流子的收集效率，进一步在阳极130中，权重栅电极132围绕收集电极131布设，使得权重栅电极132对收集电极131形成保护作用，从而增强了半导体探测器单极性收集特性。
进一步，现有的像素阵列半导体辐射器在高通量辐射强度下会由于内电场扭曲而存在载流子收集缺陷，且存在由于半导体晶体材料低空穴迁移率所导致的低能量分辨率等问题。另外，平面型像素阵列电极在载流子感应电荷收集的时候容易产生像素电极间的串扰效应，影响半导体探测器的成像及能谱探测性能。
而本申请实施例所提供的上述半导体探测器中，阳极130为三维复合结构电极，使得该半导体探测器不仅能够克服传统像素阵列探测器在高通量辐射强度下由于内电场扭曲而存在的载流子收集缺陷，而且能够提升半导体探测器的探测能量分辨率，消除像素电极间的串扰效应，从而在大幅度提升半导体晶体110内部载流子收集效率的同时，进一步改进半导体探测器的成像及能谱探测性能。
可选地，在本申请实施例中，半导体探测器的阴极120或阳极130通过精密刻蚀镀膜仪在半导体晶体110上镀膜而制成，制作阴极120或阳极130的材料包括：金Au或铟In，本申请在此不做特别限定。
可选地，如图2所示，在本申请实施例中，阳极130的具体结构可包括以下三种形式：
(1)收集电极131和权重栅电极132均为，沿着半导体晶体110的第二面向第一面的纵深方向延展的三维复合结构电极；
(2)权重栅电极132为平面结构电极，收集电极131为沿着半导体晶体110的第二面向第一面的纵深方向延展的三维复合结构电极；
(3)权重栅电极132为沿着半导体晶体110的第二面向第一面的纵深方向延展的三维复合结构电极，收集电极131为平面结构电极。
具体地，当阳极130为上述第(1)种结构形式时，半导体探测器可最大程度地提升半导体晶体110内部载流子的收集效率、提高半导体探测器的探测能量分辨率、改进半导体探测器的成像及能谱探测性能。当阳极130为上述第(2)种或第(3)种结构形式时，半导体探测器可部分实现前述有益效果。因此，对于阳极130的结构形式，可根据具体载流子收集效率的需要进行选择或制备，本申请在此不做限定。
另外，在本申请实施例中，半导体探测器的阴极120可以为平面结构电极，本申请在此不做特别限定。
进一步地，在本申请实施例中，对围绕设置于收集电极131周围的权重栅电极132包括如下三种设置方式：
1.权重栅电极132悬空处理；
2.半导体晶体110设有保护环，权重栅电极132通过导线与保护环连接；
3.以收集电极131为中心，其周围的多个权重栅电极132通过导线闭环连接。
具体地，将权重栅电极132按照上述三种方式中的任一种设置，均可以达到对收集电极131的保护作用。其中，第1种方式中，对权重栅电极132作悬空处理是指，权重栅电极132不作任何连接；第2种方式中，保护环可以为设置在半导体晶体110的侧边，用保护半导体晶体110的金属保护环，其具体材质可以为铜、金等金属；第3种方式中，例如，可以将每个收集电极131周围的8个权重栅电极132，通过导线连接形成一个闭环。
第二实施例：
本实施例提供一种半导体探测器制备方法，所述方法应用于制备如上述第一实施例所述的半导体探测器。
如图3所示，所述方法具体包括以下步骤：
S201、在飞秒激光烧蚀加工光路平台上，对半导体晶体进行飞秒激光烧蚀，在半导体晶体的第二面形成向第一面的纵深方向延展的三维复合结构；
S202、在具有三维复合结构的半导体晶体上制备阳极和阴极；其中，阳极包括收集电极和围绕收集电极布设的权重栅电极。
具体地，在制备上述半导体探测器之前，首先需要搭建如图4所示的飞秒激光烧蚀加工光路平台，图中斜线填充部分为加工主光路。该飞秒激光烧蚀加工光路平台包括：采用超短脉冲飞秒激光加工技术的飞秒激光设备系统310、基于CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)镜头的观测系统320、六维度移动平台330和PC(PersonalComputer，个人计算机)控制系统340。
在搭建好的飞秒激光烧蚀加工光路平台中，将半导体晶体固定于六维度移动平台330上，在PC控制系统340的控制下，通过飞秒激光设备系统310在半导体晶体的信号收集侧(也即半导体探测器的阳极表面)进行三维复合结构的加工。
需要注意的是，在加工过程中，需要通过控制激光偏振方向、脉冲总能量、扫描速度、扫描间隔及加工环境等关键加工参数，以保证所加工制备成型的三维复合结构具有较高的结构品质，便于后期三维复合结构电极的制备加工。
例如，在所搭建飞秒激光烧蚀加工光路平台上，利用连续衰减片和衰减轮调节飞秒激光激发到晶体表面的强度，使用组合半波片改变并固定入射飞秒激光的偏振方向，开始飞秒激光烧蚀时，调节扫描平台，采用扫描方向垂直于偏振方向的加工模式去加工大面积复合结构。
另外，该飞秒激光烧蚀加工光路平台中，物镜放大倍率决定不同的扫描速度，两者必须相匹配。具体地，物镜放大倍率及扫描速度共同决定了在晶体加工表面单位面积上接受的飞秒激光脉冲的个数，只有所接受的激光脉冲能量大于所加工半导体材料的烧蚀阈值时，飞秒激光烧蚀加工方法才能获得可靠且均匀的烧蚀形貌，如单晶硅烧蚀阈值为F＝0.3J/cm2。以10倍物镜完成烧蚀加工的时候，所对应的最佳扫描速度为150μm/s，步长为2μm。可选地，在本申请实施例中，扫描速度在120-180μm/s范围内都可以保证加工效果，本申请在此不做特别限定。
通过上述飞秒激光烧蚀加工光路平台，在半导体晶体上加工完三维复合结构后，需要进一步通过精密刻蚀镀膜仪在具有三维复合结构的半导体晶体上制备电极(阳极和阴极)，如第一实施例中所述，电极材料可以选用金(Au)或铟(In)。
当半导体晶体的阴极和阳极(包括三维复合结构电极)加工完成后，可根据半导体探测器的使用面积大小及像素单元分布，选定收集电极和权重栅电极，如第一实施例中所述，在选定收集电极和权重栅电极时，必须要满足收集电极被权重栅电极环绕的要求，以实现权重栅电极对收集电极的保护作用。
按照上述半导体探测器制备方法所制备的半导体探测器，可实现上述第一实施例中所述半导体探测器可实现的全部技术效果，本申请在此不再赘述。
可选地，在本申请实施例中，上述飞秒激光烧蚀加工光路平台还包括高压氮气吹屑装置。当使用上述飞秒激光烧蚀加工光路平台在半导体晶体上加工三维复合结构时，可采用高压氮气吹屑装置产生斜向高压气流对准激光聚焦点区域，以起到保护和吹屑的作用。另外，需要说明的是，上述所有对半导体探测器的制备过程均在超净环境及室温下完成，以保证半导体探测器的优异性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体探测器，其特征在于，包括：半导体晶体、阴极和阳极；
所述半导体晶体包括相对设置于所述半导体晶体两侧的第一面和第二面；
所述阴极设于所述半导体晶体的第一面；
所述阳极设于所述半导体晶体的第二面，所述阳极包括：收集电极和权重栅电极，所述权重栅电极围绕所述收集电极布设；其中，所述收集电极和/或所述权重栅电极为三维复合结构电极。
2.根据权利要求1所述的半导体探测器，其特征在于，所述收集电极和所述权重栅电极均为，沿着所述第二面向所述第一面的纵深方向延展的三维复合结构电极。
3.根据权利要求1所述的半导体探测器，其特征在于，所述权重栅电极为平面结构电极，所述收集电极为沿着所述第二面向所述第一面的纵深方向延展的三维复合结构电极。
4.根据权利要求1所述的半导体探测器，其特征在于，所述权重栅电极为沿着所述第二面向所述第一面的纵深方向延展的三维复合结构电极，所述收集电极为平面结构电极。
5.根据权利要求1所述的半导体探测器，其特征在于，所述权重栅电极悬空处理。
6.根据权利要求1所述的半导体探测器，其特征在于，所述半导体晶体设有保护环，所述权重栅电极通过导线与所述保护环连接。
7.根据权利要求1所述的半导体探测器，其特征在于，以所述收集电极为中心，其周围的多个所述权重栅电极通过导线闭环连接。
8.根据权利要求1所述的半导体探测器，其特征在于，所述半导体晶体为碲锌镉CdZnTe晶体。
9.根据权利要求1所述的半导体探测器，其特征在于，制作所述阴极或所述阳极的材料包括：金Au或铟In。
10.一种半导体探测器制备方法，其特征在于，所述方法应用于制备如权利要求1-9任一项所述的半导体探测器，所述方法包括：
在飞秒激光烧蚀加工光路平台上，对所述半导体晶体进行飞秒激光烧蚀，在所述半导体晶体的第二面形成向第一面的纵深方向延展的三维复合结构；
在具有所述三维复合结构的半导体晶体上制备阳极和阴极；其中，所述阳极包括收集电极和围绕所述收集电极布设的权重栅电极。
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