CN109671799B - 漂移探测器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种漂移探测器及其制作方法，其中，漂移探测器，包括：高阻N型衬底、P型半导体薄膜、N型半导体薄膜、金属电极层和隔离层，其中，P型半导体薄膜与高阻N型衬底构成PN结，或者P型半导体薄膜中的P型掺杂剂扩散到N型衬底中构成PN结，PN结形成：漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口；N型半导体薄膜与高阻N型衬底构成高低结，或者N型半导体薄膜中的N型掺杂剂扩散到N型衬底中构成高低结，高低结形成：阳极、第一接地电极和第二接地电极；以及第二P型半导体薄膜，用来形成分压器。该漂移探测器实现大面积、低噪声、能量分辨率高，且具有简单的制作工艺，可进行大批量制造。

Description

漂移探测器及其制作方法
技术领域
本公开属于半导体探测器领域，涉及一种漂移探测器及其制作方法。
背景技术
随着高能物理、核物理技术、天体物理、深空探测以及航天事业的快速发展，高能射线的检测和分析变得越来越重要。如何快速准确的对高能射线或粒子的能量、位置以及数量进行分析是所有相关行业面临的最关键的问题。目前比较成熟的高能射线探测器主要有气体电离室探测器、闪烁体探测器、以及半导体探测器等。其中半导体探测器以其优越的性能和十分成熟的制备工艺得到了越来越多的关注。
半导体探测器中应用最早也最成熟的是硅基PIN探测器，但是该探测器有一个最大的缺点，那就是探测器的电容和器件的面积成正比，导致很难制备大面积的高性能探测器。
漂移探测器是由E.Gatti，P.Rehak在1984年首先提出来的，这种器件是一种侧向全耗尽器件，其最大的优点是器件的电容只和阳极的面积有关，而和器件的总面积无关，因此漂移探测器可以把探测器的面积制备的很大，同时又能保证特别小的电容，从而使器件的噪声大大降低，能量分辨率大大提高。
目前漂移探测器制备技术在国外已经相当成熟，无论在学术研究上还是在产品的商业化上都要远远领先国内水平。国外Ketek、Pnsensor等公司已经推出面积较大且性能优良的漂移探测器产品，但价格昂贵且存在一些技术壁垒，并且有订货数量的限制，将其大规模应用于我国深空探测及天体物理研究存在一定困难；而国内虽然有几家研究机构和公司也在这方面进行过尝试，但是都没能取得很好的效果。
因此，亟需研制出自主创新的漂移探测器，实现大面积、低噪声、能量分辨率高，且具有简单的制作工艺，可进行大批量制造，使本国研发的漂移探测器能够打破国外垄断。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种漂移探测器及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种漂移探测器，包括：高阻N型衬底；P型半导体薄膜和N型半导体薄膜，位于高阻N型衬底表面，分别与高阻N型衬底构成PN结和高低结；金属电极层，位于P型半导体薄膜和N型半导体薄膜上；隔离层，位于高阻N型衬底表面，用于隔离P型半导体薄膜和N型半导体薄膜；其中，该PN结形成：漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口，该高低结形成：阳极、第一接地电极和第二接地电极；以及第二P型半导体薄膜，位于漂移电极之间的隔离层上的局部区域，和漂移电极区域的P型半导体薄膜是一体的，用来形成分压器。
根据本公开的另一个方面，提供了一种漂移探测器，包括：高阻N型衬底；P型半导体薄膜，位于高阻N型衬底表面，和形成于高阻N型衬底中的P+掺杂区共同与高阻N型衬底构成PN结；N型半导体薄膜，位于高阻N型衬底表面，和形成于高阻N型衬底中的N+掺杂区共同与高阻N型衬底构成高低结；金属电极层，位于P型半导体薄膜和N型半导体薄膜上；以及隔离层，位于高阻N型衬底表面，用于隔离P型半导体薄膜和N型半导体薄膜；其中，该PN结形成：漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口，该高低结形成：阳极、第一接地电极和第二接地电极；以及第二P型半导体薄膜，位于漂移电极之间的隔离层上的局部区域，和漂移电极区域的P型半导体薄膜是一体的，用来形成分压器。
在本公开的一些实施例中，阳极、漂移电极、第一保护环和第一接地电极位于高阻N型衬底的一面，且由中心往外围依次分布；入射窗口，第二保护环和第二接地电极位于高阻N型衬底的另一面，且入射窗口与阳极和漂移电极所在区域对应，第二保护环与第一保护环对应，第二接地电极与第一接地电极对应。
在本公开的一些实施例中，漂移电极为一个个分离的环状结构，环的形状为圆形、方形、多边形或者不规则形状，形成一个个分离的漂移环，阳极位于最内环的漂移环的中心。
在本公开的一些实施例中，各个分离的漂移环之间通过分压器相连。
在本公开的一些实施例中，漂移电极为一体化的螺旋结构，该漂移电极从内到外螺旋式的延伸，该漂移电极本身作为分压器。
根据本公开的又一个方面，提供了一种漂移探测器的制作方法，包括：在高阻N型衬底的上、下表面沉积隔离层材料，并选择性去除要形成阳极、漂移电极、第一保护环、第一接地电极、入射窗口、第二保护环和第二接地电极的区域的隔离层材料，使高阻N型衬底表面露出；在漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的高阻N型衬底表面沉积P型半导体薄膜，使P型半导体薄膜与高阻N型衬底形成PN结；在阳极、第一接地电极和第二接地电极的区域的高阻N型衬底表面沉积N型半导体薄膜，使N型半导体薄膜与高阻N型衬底形成高低结；以及在P型半导体薄膜和N型半导体薄膜上沉积金属电极层。
根据本公开的再一个方面，提供了一种漂移探测器的制作方法，包括：在高阻N型衬底的上、下表面沉积隔离层材料，并选择性去除要形成阳极、漂移电极、第一保护环、第一接地电极、入射窗口、第二保护环和第二接地电极的区域的隔离层材料，使高阻N型衬底表面露出；在漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的高阻N型衬底表面沉积P型半导体薄膜；采用高温扩散使P型半导体薄膜中的P型杂质扩散至高阻N型衬底，在高阻N型衬底中形成P+掺杂区，该P型半导体薄膜和P+掺杂区共同与高阻N型衬底形成PN结；在阳极、第一接地电极和第二接地电极的区域的高阻N型衬底表面沉积N型半导体薄膜；采用高温扩散使N型半导体薄膜中的N型杂质扩散至高阻N型衬底，在高阻N型衬底中形成N+掺杂区，该N型半导体薄膜和N+掺杂区共同与高阻N型衬底形成高低结；以及在P型半导体薄膜和N型半导体薄膜上沉积金属电极层；
在本公开的一些实施例中，高温扩散的方法为：利用较高的温度沉积P型半导体薄膜和/或N型半导体薄膜，使得P型半导体薄膜中的P型杂质在沉积薄膜过程中扩散至高阻N型衬底，使得N型半导体薄膜中的N型杂质在沉积薄膜过程中扩散至高阻N型衬底；或者，先采用低温的方式沉积P型半导体薄膜和/或N型半导体薄膜，然后对沉积有P型半导体薄膜和/或N型半导体薄膜的器件进行退火处理，使得P型半导体薄膜中的P型杂质在退火过程中扩散至高阻N型衬底，使得N型半导体薄膜中的N型杂质在退火过程中扩散至高阻N型衬底。
在本公开的一些实施例中，上述任一种漂移探测器的制作方法，还包括：当漂移电极为一个个分离的漂移环时，在分离的漂移环之间的隔离层材料上沉积第二P型半导体薄膜，该第二P型半导体薄膜和形成漂移环的P型半导体薄膜是同时沉积的，并且该第二P型半导体薄膜为通过一步图形化工艺形成的特定图形结构，该具有特定图形结构的第二P型半导体薄膜用来作为分压器，与形成漂移环的P型半导体薄膜是一体的。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的漂移探测器及其制作方法，具有以下有益效果：
(1)提出的新的漂移探测器结构中的漂移电极、保护环、入射窗口由在高阻N型衬底上形成的高质量的PN结得到，PN结可由高阻N型衬底和其上沉积的P型半导体薄膜构成，或者由P型半导体薄膜、P+掺杂区与高阻N型衬底共同构成；阳极和接地电极由在高阻N型衬底上形成的高低结得到，高低结可由高阻N型衬底和其上沉积的N型半导体薄膜构成，或者由N型半导体薄膜、N+掺杂区与高阻N型衬底共同构成；分压器由在漂移环之间的隔离层上的P型半导体薄膜构成，而且分压器和漂移化通过一步P型薄膜沉积和图形化形成，是一个整体。高质量的PN结可以使得衬底在反向偏压下很快的耗尽，而且保证非常小的反向漏电流，确保光生载流子在外加反向偏压下快速分离，并且确保形成有利于电子横向漂移的电势分布使得电子很快地漂移到阳极，从而获得光电响应信号。高低结使其上方的金属电极层与高阻N型衬底实现了良好的欧姆接触，该漂移探测器实现大面积、低噪声、能量分辨率高，且具有简单的制作工艺，可进行大批量制造；
(2)当漂移电极为一个个分离的漂移环时，通过分压器将各个漂移环依次连接起来，分压器的本质为一个分压电阻，正常工作时，只需在分压器的两端加载电压，就实现了在不同的漂移电极加上不同的电压，操作简单；
(3)当漂移电极为一体化的螺旋结构时，该结构的漂移电极既起到产生漂移电场的作用，还起到分压器的作用，不需要额外再设置分压器的结构，正常工作时，只需在最外环和最内环加载电压即可，操作简单。
附图说明
图1绘示本公开第一实施例所示的漂移探测器的剖面结构示意图。
图2绘示包含分压器的漂移探测器的局部放大剖面结构示意图。
图3绘示本公开第二实施例所示的漂移探测器的剖面结构示意图。
图4A绘示一实施例中漂移探测器的上表面的结构示意图。
图4B绘示一实施例中漂移探测器的下表面的结构示意图。
图5绘示另一实施例中漂移电极的结构示意图。
图6绘示本公开第三实施例所示的漂移探测器的制作方法流程图。
图7A～图7H绘示图6所示的制作方法中各步骤对应的器件结构。
【符号说明】
11-高阻N型衬底； 12-P型半导体薄膜；
13-N型半导体薄膜； 121-P+掺杂区；
131-N+掺杂区； 14-金属电极层；
15-隔离层； 16-分压器。
具体实施方式
经过充分的调研和研究，通过对国外漂移探测器的研究现状进行分析，本申请从器件的结构入手，设计了新的器件结构和制作工艺，提出了一种漂移探测器及其制备方法，该漂移探测器除了制备工艺要比传统漂移探测器简单外，在器件性能上也要比传统的漂移探测器好，实现大面积、低噪声、能量分辨率高，且具有简单的制作工艺，可进行大批量制造。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。在整个说明书和权利要求中，当要素被描述为“包括”或“包含”另一要素时，只要不存在具体的冲突性描述，则不应将该要素理解为排除其他要素，该要素可以包括至少一种其他要素。另外，应当理解，当如层、膜、区或基板等要素被描述为在另一要素“上”时，其可以直接在该其他要素上，或者也可以存在居间的要素。另一方面，当如层、膜、区或基板等要素被描述为“直接在”另一要素“上”时，则其意味着二者之间不存在居间的要素。“位于表面”表示直接接触。
本公开的漂移探测器，包括：高阻N型衬底11；P型半导体薄膜12和N型半导体薄膜13，位于高阻N型衬底11表面；金属电极层14，位于P型半导体薄膜12和N型半导体薄膜13上；隔离层15，位于高阻N型衬底11表面，用于隔离P型半导体薄膜12和N型半导体薄膜13；其中，P型半导体薄膜12与高阻N型衬底11构成PN结，或者P型半导体薄膜12、形成于高阻N型衬底11中的P+掺杂区121共同与高阻N型衬底11构成PN结，该PN结形成：漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口；N型半导体薄膜13与高阻N型衬底11构成高低结，或者N型半导体薄膜13、形成于高阻N型衬底11中的N+掺杂区131共同与高阻N型衬底11构成高低结，该高低结形成：阳极、第一接地电极和第二接地电极；其中，P+掺杂区121和N+掺杂区131对应位于P型半导体薄膜12和N型半导体薄膜13下方；以及第二P型半导体薄膜，位于漂移电极之间的隔离层15上的局部区域，和漂移电极区域的P型半导体薄膜12是一体的，用来形成分压器16。
在本公开的一些实施例中，阳极、漂移电极、第一保护环和第一接地电极位于高阻N型衬底的一面，且由中心往外围依次分布；入射窗口，第二保护环和第二接地电极位于高阻N型衬底的另一面，且入射窗口与阳极和漂移电极所在区域对应，第二保护环与第一保护环对应，第二接地电极与第一接地电极对应。
在本公开的示例性第一实施例中，提供了一种包含P+掺杂区和N+掺杂区的漂移探测器的结构。
图1绘示本公开第一实施例所示的漂移探测器的剖面结构示意图。
参照图1所示，本实施例的漂移探测器，包括：高阻N型衬底11，位于高阻N型衬底上表面的漂移电极、第一保护环、阳极、第一接地电极和分压器16，位于高阻N型衬底下表面的入射窗口、第二保护环和第二接地电极，以及起隔离作用的绝缘介质层(隔离层的一种材料为绝缘介质层)15。
其中，漂移电极、第一保护环、第二保护环、以及入射窗口是通过在高阻N型衬底上形成的PN结形成的，该PN结是由P型半导体薄膜12和P+掺杂区121共同与N型高阻衬底11形成的，其中，P+掺杂区121形成于高阻N型衬底11表面，位于P型半导体薄膜12下方，为薄薄的一层，该P+掺杂区121可由P型半导体薄膜12中的P型杂质经过高温扩散至衬底11中。在一实例中，该P型半导体薄膜12下面的很薄的一个P+掺杂区121是在薄膜的生长过程中或者通过后期的退火将P型半导体薄膜12中的杂质扩散到衬底中形成的。
本实施例中，P型半导体薄膜12可以为各种掺杂的半导体薄膜，例如非晶硅、微晶硅、多晶硅、单晶硅、纯硼层等各种材料。P型半导体薄膜可以采用各种P型导电掺杂剂进行掺杂使其呈现P型导电的性质，例如，采用的P型导电掺杂剂可以包括：硼(B)、铝(A1)、镓(Ga)或铟(In)等III族元素的p型掺杂剂。
参照图2所示，分压器16形成于各个漂移电极之间的绝缘介质层15上，分压器16本质就是一个分压电阻，其将各个漂移电极依次连接起来，就可以只通过在分压器的两端加电压，就能实现在各个漂移电极上加载不同电压。
本实施例中，分压器是由一第二P型半导体薄膜形成的，通过例如光刻的图形化的方法在制备形成漂移电极的P型半导体薄膜的同时，形成构成分压器的第二P型半导体薄膜，使其具有特定图形结构，该具有特定图形结构的第二P型半导体薄膜作为分压器，与形成漂移环的P型半导体薄膜形成了一个整体，使得整个漂移电极为一体化结构。
其中，阳极、第一接地电极和第二接地电极是通过在高阻N型衬底上形成的高低结形成的，该高低结是由N型半导体薄膜13和N+掺杂区131共同与N型高阻衬底11形成的，其中，N+掺杂区131形成于N型高阻衬底11表面，位于N型半导体薄膜13下方，为薄薄的一层，该N+掺杂区131可由N型半导体薄膜13中的N型杂质经过高温扩散至衬底中。在一实例中，该N型半导体薄膜13下面的很薄的一个N+掺杂区131是在薄膜的生长过程中或者通过后期的退火将N型半导体薄膜中的杂质扩散到衬底中形成的。高低结的作用是为了使金属电极和衬底形成一个很好的欧姆接触。
本实施例中，N型半导体薄膜13可以为各种掺杂的半导体薄膜，例如非晶硅、微晶硅、多晶硅、单晶硅等各种材料。N型掺杂半导体薄膜可以采用各种N型导电掺杂剂进行掺杂使其呈现N型导电的性质，例如，采用的N型导电掺杂剂可以包括：磷(P)、砷(As)、铋(Bi)或锑(Sb)等V族元素的n型掺杂剂。
图4A和图4B分别绘示一实施例中漂移探测器的上、下表面的结构示意图。
参照图4A所示，在一实施例中，器件的上表面为同心圆环结构，其中，漂移电极为一个个分离的同心圆环，形成一个个分离的漂移环，阳极位于最内环的漂移环的中心，第一保护环、第一接地电极也是同心圆环结构，第一保护环位于漂移电极区的外围紧邻漂移电极的地方，把漂移电极区包围起来，第一接地电极位于最外侧。本实施例中，分压器16为一个或者几个条形电阻，把各个分离的漂移环连接起来；本公开中，分压器的本质为一个分压电阻，正常工作时，只需在分压器的两端加载电压，就实现了在不同的漂移电极加上不同的电压，操作简单。
当然，本公开的漂移电极为一个个分离的环状结构，环的形状可以为圆形、方形、多边形或者不规则形状等，上面实施例仅以环的形状为圆形进行示例。
可选的，分压器16形成于各个漂移环之间的隔离层15之上，由一第二P型半导体薄膜制成。
参照图4B所示，该实施例中，器件的下表面也为同心圆环结构，中间很大的一个圆形区域为该漂移探测器的入射窗口，用来接收入射的高能射线，第二保护环设置在入射窗口外围，第二保护环与第一保护环位置对应，也为多个同心圆环结构，同心圆环的个数不作限制。
漂移探测器中，PN结充当引起光电转换的发射体，确保迁移率比电子低的空穴的有效收集，当光发射至PN结区时，产生的电子-空穴对在内建电场的作用下分开，使得载流子漂移出耗尽层形成外部电路电流，从而获得响应电流，高低结使其上方的金属电极层与高阻N型衬底实现了良好的欧姆接触，实现大面积、低噪声、能量分辨率高，且具有简单的制作工艺，可进行大批量制造。
图5绘示另一实施例中漂移电极的结构示意图。
参照图5所示，在另一实施例中，与图4所示结构相比，区别在于漂移电极的结构不同，在此实施例中，漂移电极不是一个个分离的同心圆环结构，而是一种一体化的螺旋结构，该漂移电极从内到外螺旋式的延伸，该漂移电极本身作为分压器。如图5所示，漂移电极从内到外呈现螺旋形的扩展，该种结构的漂移电极，不需要分压器，漂移电极既起到产生漂移电场的作用，还起到分压器的作用，不需要额外再设置分压器的结构，正常工作时，只需在最外环和最内环加载电压即可，操作简单。
在本公开的示例性第二实施例中，提供了一种不包含P+掺杂区和N+掺杂区的漂移探测器的结构。
图3绘示本公开第二实施例所示的漂移探测器的剖面结构示意图。
第二实施例的漂移探测器与第一实施例的漂移探测器相比，区别在于：PN结和高低结的结构不同，本实施例中PN结和高低结不包含P+掺杂区和N+掺杂区，下面进行详细介绍。
参照图3所示，本实施例的漂移探测器，包括：高阻N型衬底11，位于高阻N型衬底上表面的漂移电极、第一保护环、阳极、第一接地电极和分压器16，位于高阻N型衬底11下表面的入射窗口、第二保护环和第二接地电极，以及起隔离作用的绝缘介质层(隔离层)15；以及第二P型半导体薄膜，位于漂移电极之间的隔离层15上的局部区域，和漂移电极区域的P型半导体薄膜12是一体的，用来形成分压器16。
其中，与第一实施例相比，本实施例中，漂移电极、第一保护环、第二保护环、以及入射窗口也是通过在高阻衬底上形成的PN结形成的，但是不同的是该PN结是通过P型半导体薄膜12和高阻N型衬底11直接形成的，P型半导体薄膜下面没有一个很薄的P+掺杂区。相似的，阳极、第一接地电极和第二接地电极是由在高阻N型衬底上形成的高低结形成的，但是该高低结是由N型半导体薄膜13和高阻N型衬底11直接形成的，N型半导体薄膜下面没有一层很薄的N+掺杂区。总的来说，就是P型或N型半导体薄膜中的掺杂剂原子没有扩散至衬底中。
其他结构或材料的设置可以与第一实施例相同，这里不再赘述。
在本公开的示例性第三实施例中，提供了一种如第一实施例所示的漂移探测器的制作方法。
图6绘示本公开第三实施例所示的漂移探测器的制作方法流程图。图7A～图7H绘示图6所示的制作方法中各步骤对应的器件结构。
结合图6、图7A～图7H所示，本公开的漂移探测器的制作方法，包括：
步骤S31：在高阻N型衬底的上、下表面沉积隔离层材料，并选择性去除要形成阳极、漂移电极、第一保护环、第一接地电极、入射窗口、第二保护环和第二接地电极的区域的隔离层材料，使高阻N型衬底表面露出；
本实施例中，先准备制备漂移探测器的高阻N型衬底11，该高阻N型衬底呈现N型导电性质，本实施例中，高阻N型衬底是通过在硅单晶中掺入N型导电掺杂剂形成的，可用的N型掺杂剂包括磷(P)、砷(As)、铋(Bi)或锑(Sb)等V族元素。衬底准备完了之后先进行衬底清洗，然后在高阻N型衬底双面沉积隔离层材料，本实施例中，隔离层为绝缘介质层，该绝缘介质层的材料可以为氧化硅、氧化铝、氮化硅等各种绝缘介质层材料，沉积方法可以包括干氧氧化、湿氧氧化、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)以及原子层沉积(ALD)等各种方法。在高阻N型衬底11上、下表面沉积隔离层15材料之后的结构参照图7A所示。
然后，在沉积的绝缘介质层上进行选择性去除，使要形成阳极、漂移电极、第一保护环、第一接地电极、入射窗口、第二保护环和第二接地电极的区域的高阻N型衬底表面暴露出来，其余地方的绝缘介质层保留。选择性去除要形成阳极、漂移电极、第一保护环、第一接地电极、入射窗口、第二保护环和第二接地电极的区域的隔离层材料，使高阻N型衬底表面露出之后的结构如图7B所示。
实现选择性去除的方法，可以采用光刻的方法，当然也可以采用其他的方法，只要能实现这种结构的方法都包含在本申请的保护范围之内。
步骤S32：在漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的高阻N型衬底表面沉积P型半导体薄膜；采用高温扩散使P型半导体薄膜中的P型杂质扩散至高阻N型衬底，在高阻N型衬底中形成P+掺杂区，该P型半导体薄膜和P+掺杂区共同与高阻N型衬底形成PN结；
本实施例中，在漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的高阻N型衬底11表面沉积P型半导体薄膜12的实现步骤包含：一、在步骤S31得到的结构上双面沉积P型半导体薄膜，参照图7C所示；二、保留要形成漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的高阻N型衬底表面上的P型半导体薄膜，其他区域的P型半导体薄膜选择性去除，参照图7D所示。
本实施例中，该P型半导体薄膜12可以为非晶硅、微晶硅、多晶硅、单晶硅、砷化镓、硅锗合金层等各种半导体薄膜，这里以非晶硅进行示例，该半导体薄膜在沉积时，通过原位掺杂的方式将P型导电掺杂剂掺入半导体薄膜中，所用的P型导电掺杂剂可以为硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)等III族元素。该P型半导体薄膜的沉积方法可以有等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、压力化学气相沉积(LPCVD)、CVD、PVD、分子束外延(MBE)等各种方法，只要能形成掺杂的半导体薄膜就可以。
本实施例中，在沉积完P型半导体薄膜之后，通过选择性腐蚀的方法，只保留要形成漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的p型半导体薄膜，其余地方的半导体薄膜全部腐蚀掉，该过程也可以通过光刻的方法完成，对于半导体薄膜的腐蚀，可以采用湿法腐蚀，也可以采用反应离子刻蚀(RIE)的方法进行腐蚀，腐蚀的过程中应尽量避免对非晶硅薄膜下面的绝缘介质层和沉积表面进行腐蚀。
形成P+掺杂区121采用高温扩散的方法为：利用较高的温度沉积P型半导体薄膜，使得P型半导体薄膜中的P型杂质在沉积薄膜过程中扩散至高阻N型衬底；或者，对沉积有P型半导体薄膜的器件进行退火处理，使得P型半导体薄膜中的P型杂质在退火过程中扩散至高阻N型衬底。
只要能实现所述扩散效果形成P+掺杂区的方法都在本申请的保护范围之内。
另外，步骤S32中，沉积P型半导体薄膜和形成P+掺杂区的步骤是先后进行的，表示顺序的先后，但不必要挨着执行，比如，在沉积完P型半导体薄膜之后，可以进行步骤S33中的沉积N型半导体薄膜的步骤，然后执行形成P+掺杂区的步骤。下面的步骤S33的描述与之同理。
步骤S33：在阳极、第一接地电极和第二接地电极的区域的高阻N型衬底表面沉积N型半导体薄膜；采用高温扩散使N型半导体薄膜中的N型杂质扩散至高阻N型衬底，在高阻N型衬底中形成N+掺杂区，该N型半导体薄膜和N+掺杂区共同与高阻N型衬底形成高低结；
本实施例中，在阳极、第一接地电极和第二接地电极的区域的高阻N型衬底表面11沉积N型半导体薄膜13的实现步骤包含：一、在漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的高阻N型衬底表面沉积有P型半导体薄膜的结构上双面沉积N型半导体薄膜，参照图7E所示；二、保留要形成阳极、第一接地电极和第二接地电极的区域的高阻N型衬底表面上的N型半导体薄膜，其他区域的N型半导体薄膜选择性去除，参照图7F所示。
本实施例中，该N型半导体薄膜13可以为非晶硅、微晶硅、多晶硅、单晶硅、砷化镓、硅锗合金层等各种半导体薄膜，该半导体薄膜在沉积时，通过原位掺杂的方式将N型导电掺杂剂掺入半导体薄膜中，所用的N型导电掺杂剂可以为磷(P)、砷(As)、铋(Bi)或锑(Sb)等V族元素。该半导体薄膜的沉积方法可以有PECVD、LPCVD、CVD、PVD、分子束外延等各种方法，只要能形成掺杂的半导体薄膜就可以。
本实施例中，在沉积完N型掺杂半导体薄膜之后，通过选择性腐蚀的方法，只保留要形成阳极、第一接地电极和第二接地电极的区域的N型半导体薄膜，其余地方的半导体薄膜全部腐蚀掉，该过程也可以通过光刻的方法完成，对于半导体薄膜的腐蚀，可以采用湿法腐蚀，也可以采用RIE的方法进行腐蚀，腐蚀的过程中应尽量避免对N型非晶硅薄膜下面的绝缘介质层、高阻N型衬底表面以及P型半导体薄膜进行腐蚀。
形成N+掺杂区131采用高温扩散的方法为：利用较高的温度沉积N型半导体薄膜，使得N型半导体薄膜中的N型杂质在沉积薄膜过程中扩散至高阻N型衬底；或者，对沉积有N型半导体薄膜的器件进行退火处理，使得N型半导体薄膜中的N型杂质在退火过程中扩散至高阻N型衬底。
只要能实现所述扩散效果形成N+掺杂区的方法都在本申请的保护范围之内。
与步骤S32的描述一致，该步骤S33中，沉积N型半导体薄膜和形成N+掺杂区的步骤是先后进行的，表示顺序的先后，但不必要挨着执行，比如，在沉积完P型半导体薄膜之后，可以执行步骤S33中的沉积N型半导体薄膜的步骤，然后执行形成P+掺杂区的步骤，接着执行形成N+掺杂区的步骤；或者先执行步骤S33中的沉积N型半导体薄膜的步骤，然后执行步骤S32中的沉积P型半导体薄膜的步骤，接着执行形成P+掺杂区或N+掺杂区的步骤。另外，形成P+掺杂区和N+掺杂区也可以在一个步骤完成，或者先后进行。
步骤S32和步骤S33的先后顺序不作要求，只要能形成相应的结构即可。
本实施例中，利用退火同时形成P+掺杂区和N+掺杂区，参照图7G所示，在腐蚀完N型半导体薄膜之后，进行一个高温退火过程，在退火过程中使得P型半导体薄膜和N型半导体薄膜中的掺杂剂原子扩散到衬底中，在半导体薄膜下面的衬底表面很薄的一层区域形成一个P型掺杂区域121或N型掺杂区域131。在退火的过程中，如果P型半导体薄膜和N型半导体薄膜原来是非晶的话，退火过程可能会使其变成微晶或者多晶，当然也可以保持非晶状态。
当然，对于包含有分压器的漂移探测器来说，在制作过程中还包括形成分压器的步骤，该分压器16形成于各个漂移环之间的隔离层15之上，由一P型导电半导体薄膜制成，与形成漂移环的半导体薄膜形成了一个整体，使得整个漂移电极为一体化结构，该步骤根据实际情况可以放于退火步骤之前，然后经过退火同时形成P+掺杂区121和N+掺杂区131，如图7G所示。在其它实施例中，形成分压器16的过程可以与沉积P型半导体薄膜的过程在同一个步骤中实现。
步骤S34：在P型半导体薄膜和N型半导体薄膜上沉积金属电极层；
本实施例中，在已经做好的漂移电极、第一保护环、第二保护环、阳极、第一接地电极和第二接地电极上沉积一层金属，作为金属电极层14，然后通过一个短时间的低温热退火过程进行金属化，使得金属和半导体薄膜之间形成良好的欧姆接触，得到的结构参照图7H所示。
需要说明的是，上面所描述的图7A～图7H只是本公开所示的漂移探测器的制作方法的一种实施方式，本公开中的漂移探测器的制作方法的实施方式不应该只限于上述的一种，对于上述实施例中的一个或者几个工艺步骤或方法，有些可以省略、有些可以颠倒一下顺序、有些也可以采用其他的方法来实现，只要能形成相应的器件结构，就都应该包含在本公开的保护范围之中。例如对于P型半导体薄膜和N型半导体薄膜的沉积顺序，可以先沉积P型半导体薄膜并图形化，然后再沉积N型半导体薄膜并图形化。也可以先沉积N型半导体薄膜并图形化，然后再沉积P型半导体薄膜并图形化。还有，对于沉积完半导体薄膜后的退火过程，该过程可以省略掉，半导体薄膜中掺杂剂原子向衬底中的扩散也可以在薄膜沉积的过程中就完成。
另外，对应第二实施例所示的漂移探测器的结构，步骤S32和步骤S33分别对应如下步骤：
步骤S32’：在漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的高阻N型衬底表面沉积P型半导体薄膜，使P型半导体薄膜与高阻N型衬底形成PN结；
步骤S33’：在阳极、第一接地电极和第二接地电极的区域的高阻N型衬底表面沉积N型半导体薄膜，使N型半导体薄膜与高阻N型衬底形成高低结。
综上所述，本公开提供了一种漂移探测器及其制作方法，该漂移探测器结构中的漂移电极、保护环、入射窗口由在高阻N型衬底上形成的PN结得到，PN结可由高阻N型衬底和其上沉积的P型半导体薄膜构成，或者由P型半导体薄膜、P+掺杂区与高阻N型衬底共同构成；阳极和接地电极由在高阻N型衬底上形成的高低结得到，高低结可由高阻N型衬底和其上沉积的N型半导体薄膜构成，或者由N型半导体薄膜、N+掺杂区与高阻N型衬底共同构成，高质量的PN结可以使得衬底在反向偏压下很快的耗尽，而且保证非常小的反向漏电流，确保光生载流子在外加反向偏压下快速分离，并且确保形成有利于电子横向漂移的电势分布，使得电子很快的漂移到阳极，从而获得光电响应信号。高低结使其上方的金属电极层与高阻N型衬底实现了良好的欧姆接触。该漂移探测器实现大面积、低噪声、能量分辨率高，且具有简单的制作工艺，可进行大批量制造。
附图中，为清楚简明地说明本发明的实施方式，省略了对与描述无关的要素的说明，相同或极其相似的要素在整个说明书中将由相同的附图标记标注，相同部件或结构在附图中采用相同的填充表示。另外，附图中，为更清楚地说明，要素尺寸如厚度和宽度等被放大或缩小，因此本发明的实施方式的厚度和宽度等不限于附图所示。附图中漂移环和保护环的个数可以根据实际情况进行设置。
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种漂移探测器，其特征在于，包括：
高阻N型衬底；
P型半导体薄膜和N型半导体薄膜，位于所述高阻N型衬底表面；
金属电极层，位于所述P型半导体薄膜和N型半导体薄膜上；
隔离层，位于所述高阻N型衬底表面，用于隔离P型半导体薄膜和N型半导体薄膜；
其中，P型半导体薄膜与高阻N型衬底构成PN结，所述PN结形成：漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口；N型半导体薄膜与高阻N型衬底构成高低结，所述高低结形成：阳极、第一接地电极和第二接地电极；以及
第二P型半导体薄膜，位于漂移电极之间的隔离层上的局部区域，和漂移电极区域的P型半导体薄膜是一体的，用来形成分压器。
2.一种漂移探测器，其特征在于，包括：
高阻N型衬底；
P型半导体薄膜，位于所述高阻N型衬底表面；
P+掺杂区，形成于高阻N型衬底中，位于所述P型半导体薄膜下方；
N型半导体薄膜，位于所述高阻N型衬底表面；
N+掺杂区，形成于高阻N型衬底中，位于所述N型半导体薄膜下方；
金属电极层，位于所述P型半导体薄膜和N型半导体薄膜上；
隔离层，位于所述高阻N型衬底表面，用于隔离P型半导体薄膜和N型半导体薄膜；
其中，P型半导体薄膜、P+掺杂区共同与高阻N型衬底构成PN结，所述PN结形成：漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口；N型半导体薄膜、N+掺杂区共同与高阻N型衬底构成高低结，所述高低结形成：阳极、第一接地电极和第二接地电极；以及
第二P型半导体薄膜，位于漂移电极之间的隔离层上的局部区域，和漂移电极区域的P型半导体薄膜是一体的，用来形成分压器。
3.根据权利要求1或2所述的漂移探测器，其中，
所述阳极、漂移电极、第一保护环和第一接地电极位于高阻N型衬底的一面，且由中心往外围依次分布；
所述入射窗口，第二保护环和第二接地电极位于高阻N型衬底的另一面，且入射窗口与阳极和漂移电极所在区域对应，第二保护环与第一保护环对应，第二接地电极与第一接地电极对应。
4.根据权利要求1或2所述的漂移探测器，其中，所述漂移电极为一个个分离的环状结构，环的形状为圆形、方形、多边形或者不规则形状，形成一个个分离的漂移环，所述阳极位于最内环的漂移环的中心。
5.根据权利要求4所述的漂移探测器，其中，各个所述分离的漂移环之间通过所述分压器相连。
6.根据权利要求1或2所述的漂移探测器，其中，所述漂移电极为一体化的螺旋结构，该漂移电极从内到外螺旋式的延伸，该漂移电极本身作为分压器。
7.一种漂移探测器的制作方法，其特征在于，包括：
在高阻N型衬底的上、下表面沉积隔离层材料，并选择性去除要形成阳极、漂移电极、第一保护环、第一接地电极、入射窗口、第二保护环和第二接地电极的区域的隔离层材料，使高阻N型衬底表面露出；
在漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的高阻N型衬底表面沉积P型半导体薄膜，使P型半导体薄膜与高阻N型衬底形成PN结；
在阳极、第一接地电极和第二接地电极的区域的高阻N型衬底表面沉积N型半导体薄膜，使N型半导体薄膜与高阻N型衬底形成高低结；以及
在P型半导体薄膜和N型半导体薄膜上沉积金属电极层。
8.一种漂移探测器的制作方法，其特征在于，包括：
在高阻N型衬底的上、下表面沉积隔离层材料，并选择性去除要形成阳极、漂移电极、第一保护环、第一接地电极、入射窗口、第二保护环和第二接地电极的区域的隔离层材料，使高阻N型衬底表面露出；
在漂移电极、第一保护环、第二保护环和入射窗口的区域的高阻N型衬底表面沉积P型半导体薄膜；采用高温扩散使P型半导体薄膜中的P型杂质扩散至高阻N型衬底，在高阻N型衬底中形成P+掺杂区，该P型半导体薄膜和P+掺杂区共同与高阻N型衬底形成PN结；
在阳极、第一接地电极和第二接地电极的区域的高阻N型衬底表面沉积N型半导体薄膜；采用高温扩散使N型半导体薄膜中的N型杂质扩散至高阻N型衬底，在高阻N型衬底中形成N+掺杂区，该N型半导体薄膜和N+掺杂区共同与高阻N型衬底形成高低结；以及
在P型半导体薄膜和N型半导体薄膜上沉积金属电极层。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其中，所述高温扩散的方法为：
利用较高的温度沉积P型半导体薄膜和/或N型半导体薄膜，使得P型半导体薄膜中的P型杂质在沉积薄膜过程中扩散至高阻N型衬底，使得N型半导体薄膜中的N型杂质在沉积薄膜过程中扩散至高阻N型衬底；或者，
先采用低温的方式沉积P型半导体薄膜和/或N型半导体薄膜，然后对沉积有P型半导体薄膜和/或N型半导体薄膜的器件进行退火处理，使得P型半导体薄膜中的P型杂质在退火过程中扩散至高阻N型衬底，使得N型半导体薄膜中的N型杂质在退火过程中扩散至高阻N型衬底。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的制作方法，还包括：
当所述漂移电极为一个个分离的漂移环时，在分离的漂移环之间的隔离层材料上沉积第二P型半导体薄膜，该第二P型半导体薄膜和形成漂移环的P型半导体薄膜是同时沉积的，并且该第二P型半导体薄膜为通过一步图形化工艺形成的特定图形结构，该具有特定图形结构的第二P型半导体薄膜用来作为分压器，与形成漂移环的P型半导体薄膜是一体的。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Arrays of silicon drift detectors for an extraterrestrial X-ray spectrometer;Pavel Rehak等;《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A》;20101211;第624卷(第2期);全文 *
硅漂移探测器的制作工艺及特性研究;吴广国等;《核电子学与探测技术》;20090331;第29卷(第2期);全文 *

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