CN110808295A - 一种三维电致伸缩收集电极的半导体探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种三维电致伸缩收集电极的半导体探测器及制备方法，其包括：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、电致伸缩电极及导电层，所述电致伸缩电极围绕所述收集电极布设，所述电致伸缩电极为电致伸缩电极材料制作而成的电极，若干电致伸缩电极通过导电层相互电连接，在高辐射通量条件下，通过导电层给电致伸缩电极施加外加控制电压，电致伸缩电极沿电极槽伸展，在半导体晶体内部深处构成内电场，加快半导体晶体深处堆积载流子的迁移及复合，促进信号载流子的高效吸收。
Description
技术领域
本发明属于探测器技术领域，尤其涉及三维电致伸缩收集电极的半导体探测器及其制备方法。
背景技术
现阶段大部分半导体辐射探测器都采取更为高效的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。目前，阳极为像素阵列电极，阴极为整体平面电极的单极性探测器结构一直是半导体成像及能谱探测器的主要结构形式之一(图1)。
像素阵列半导体辐射探测器具有位置敏感特性，其像素阳极尺寸直接决定了成像探测器的空间分辨率，同时像素阵列电极结构存在的“小像素效应”使得探测器具备单极性载流子收集特性，能量分辨率可以得到明显改善。因此，具有小尺寸阳极单元的大面积像素阵列探测器成为国内外X射线与γ射线辐射探测主流半导体辐射探测器结构。
·传统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，这一设计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晶体表面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。
·另一方面，由于电子载流子在晶体内部迁移并在像素电极上产生感应电荷的过程中，较小的平面像素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，这是平面型像素阵列电极结构的固有缺陷。
·此外，当入射X射线光子通量达到一定程度时，入射的X射线光子会在晶体内部产生大量空穴电子对，由于探测器半导体材料本身存在材料缺陷，少数载流子在迁移过程中存在严重的载流子陷获，因此高通量辐射条件下晶体内部往往存在堆积载流子，造成内电场扭曲，影响收集载流子的迁移信号。
这三点都可以通过本发明描述的三维电致伸缩电极探测器结构所解决。
本发明利用了电致伸缩电极在高辐射通量条件下电极纵深结构变化带来的探测器内部电场的变化，根据发明所设计的电极结构，电致伸缩电极产生的探测器权重场将有利于探测器内部感生载流子的迁移与收集，由于传统半导体核辐射探测器的收集电极通常都采用离子溅射或蒸镀的方法制备收集电极，因此电极结构限定为平面电极结构。本发明采用飞秒激光烧蚀加工及蒸镀工艺相结合的加工方法，能够制备出具有纵深结构变化的三维电致伸缩电极。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种三维电致伸缩收集电极的半导体探测器及其制备方法。本发明的技术方案如下：
一种三维电致伸缩收集电极的半导体探测器，其包括：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、电致伸缩电极及导电层，所述电致伸缩电极围绕所述收集电极布设，所述电致伸缩电极为电致伸缩电极材料制作而成的电极，若干电致伸缩电极通过导电层相互电连接，其中，所述收集电极和所述电致伸缩电极为三维复合结构电极；
在正常工作条件下，或低辐射通量X射线辐照条件下，晶体内部存在均匀外加电场，光生载流子在电场作用下向两极迁移并产生感应电荷信号，电致伸缩电极通过导电层设置低压电位，对晶体内部内电场产生影响，在靠近收集电极位置产生扭曲电场，使得收集电极间隙存在的光生载流子信号能够向收集电极迁移并产生感应电荷；
在高辐射通量条件下，通过导电层给电致伸缩电极施加外加控制电压，电致伸缩电极沿电极槽伸展，在半导体晶体内部深处构成内电场，改变原本晶体内部均匀电场作用，加快半导体晶体深处堆积载流子的迁移及复合，促进信号载流子的高效吸收。
进一步的，所述收集电极和所述电致伸缩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。
进一步的，所述收集电极和后端读出电路相连，电致伸缩电极根据应用需求可以不对外连接，作悬空处理，或以收集极为中心，围绕单个电极的4个电致伸缩电极通过导电层相连形成闭环或与半导体晶体侧边保护环相连。
进一步的，所述半导体晶体为碲锌镉CdZnTe晶体。
一种三维微纳结构辐射探测准直器件的制备方法，其所述方法应用于制备所述的维微纳结构辐射探测准直器件，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电致伸缩电极，在正常工作条件下，或低辐射通量X射线辐照条件下，晶体内部存在均匀外加电场，光生载流子在电场作用下向两极迁移并产生感应电荷信号，电致伸缩电极通过导电层设置低压电位，对晶体内部内电场产生影响，在靠近收集电极位置产生扭曲电场，使得收集电极间隙存在的光生载流子信号能够向收集电极迁移并产生感应电荷；
在高辐射通量条件下，通过导电层给电致伸缩电极施加外加控制电压，电致伸缩电极沿电极槽伸展，在半导体晶体内部深处构成内电场，改变原本晶体内部均匀电场作用，加快半导体晶体深处堆积载流子的迁移及复合，促进信号载流子的高效吸收。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明本发明提出一种三维电致伸缩收集电极的半导体探测器结构，通过制备微纳尺度三维电致伸缩电极结构，实现单元电极在探测器晶体深度方向的扩展、增大载流子电荷收集总面积，大幅度提升晶体内部光生载流子的收集效率、提高探测器探测能量分辨率、改进探测器的成像及能谱探测性能。最主要优势在于高辐射通量条件下，通过导电层控制电致伸缩电极在探测器深度方向实现深度变化，大幅度改变晶体内部电场作用，加快堆积载流子的迁移及复合，促进信号载流子的高效吸收，改进高辐射通量条件下半导体辐射探测器堆积载流子对晶体内电场的扭曲，大幅度改善高辐射通量下探测器性能。
由于传统半导体核辐射探测器的收集电极通常都采用离子溅射或蒸镀的方法制备收集电极，因此电极结构限定为平面电极结构。本发明利用了飞秒激光脉冲对半导体材料的烧蚀特性，采用飞秒激光烧蚀与蒸镀电极的方法相结合，制备能够产生有效权重场的三维纵深电极结构。
附图说明
图1是传统技术中像素阵列半导体辐射探测器及探测原理图；
图2是本发明提供优选实施例晶体收集侧电极加工结构示意图；
图3是电致伸缩电极探测器正常辐射通量条件下电极结构示意图；
图4是电致伸缩电极探测器高辐射通量条件下电极结构示意图；
图5是电致伸缩电极半导体探测器三维结构示意图。
图6为飞秒激光烧蚀加工光路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明的三维电致伸缩电极结构半导体探测器如图2-5所示，除了传统阵列式的信号收集电极外，在收集电极的中间设计电致伸缩电极，通过制备导电层(导电网格)(图中未示出)将阵列电致伸缩电极连通。
电致伸缩有些多晶材料如锆钛酸铅陶瓷等，存在着自发形成的分子集团即所谓电畴，它具有一定的极化,并且沿极化方向的长度往往与其他方向的不同。当有外加电场作用时,这种电畴就会发生转动,使其极化方向尽量转到与外电场方向一致,因此这种材料沿外电场方向的长度会发生变化，这种现象称为电致伸缩效应。
这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。其特征是应变的正负与外电场方向无关。在压电体中(见压电性)，外电场还可以引起另一种类型的应变；其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。
1.在探测器信号收集面首先加工像素阵列结构电极槽，如图2所示。进而根据实际探测器应用需求首先制备收集电极(方格纹所标记电极)，其次采用电致伸缩电极材料制备相邻电极(斜格纹所标记电极)为电致伸缩电极，如图3所示。
2.信号收集电极与后端读出电路相连，电致伸缩电极根据应用需求可以不对外连接，作悬空处理或以收集极为中心，围绕单个收集极的4个电致伸缩电极相连形成闭环或与晶体侧边保护环相连。
3.在正常工作条件下，或低辐射通量X射线辐照条件下，晶体内部存在均匀外加电场，光生载流子在电场作用下向两极迁移并产生感应电荷信号。权重栅电极通过导电层设置低压电位，对晶体内部内电场产生影响，在靠近收集电极位置产生扭曲电场，使得收集电极间隙存在的光生载流子信号能够向收集电极迁移并产生感应电荷
4.在高辐射通量条件下，如图4所示，通过导电层给电致伸缩电极施加外加控制电压，电极沿电极槽伸展，在探测器晶体内部深处构成内电场，改变原本晶体内部均匀电场作用，加快晶体深处堆积载流子的迁移及复合，促进信号载流子的高效吸收。
本发明专利所描述的探测器电极槽具体加工工艺可以通过以下步骤实现：
1.搭建如图6所示飞秒激光烧蚀加工光路,包括以下部分：飞秒激光设备系统21，六维度移动平台22，基于CCD镜头的观测系统23，PC控制系统24。在加工过程中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在半导体晶体信号收集侧(探测器阳极表面)进行三维复合结构的制备
2.在晶体内部三维复合结构加工的过程中，注意以下关键步骤能够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，便于后期电极制备加工。
a.在所搭建加工光路平台上，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。
b.物镜放大倍率决定不同的扫描速度，两者必须相匹配。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(在120-180μm/s范围内都可以保证加工效果)，步长2μm。
c.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，起到保护和吹屑的作用，加工过程在超净环境及室温下完成。
3.通过精密刻蚀镀膜仪在制备完成的三维复合结构晶体表面制备电极，电极材料可以选用金(Au),铟(In)等。
4.根据探测器使用面积大小及像素单元分布，选定信号收集极及保护栅极，选定原则为：信号收集极必须被保护栅极环绕。
本发明专利与现有半导体类辐射探测器传统阳极面平面结构电极相比具有更高的探测效率；同时，在极高辐射通量条件下也能保证正常工作。
与传统半导体探测器不同的是：本发明设计的半导体辐射探测器在载流子收集侧的晶体内部制备向晶体纵深方向延展的三维权重栅伸缩电极，这样的获得的性能改进效果有：
1.在保证像素阵列半导体辐射探测器单极性载流子收集优点的前提下，增大载流子电荷收集总面积；同时，进一步将制备的三维伸缩电极设置权重栅极的方式，从而增强探测器单极性收集特性；
2.此外，电极单元在晶体纵深方向的复合结构可以增强晶体内部电场，从而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，从而大幅度提升晶体内部光生载流子的收集效率、提高探测器探测能量分辨率、改进探测器的成像及能谱探测性能。
3.在高辐射通量条件下，原本传统结构半导体辐射探测器存在载流子堆积导致的极化效应，通过本发明设计的电致伸缩权重栅电极，可以通过导电层控制权重栅电极深度变化，进而影响探测器内电场，促进堆积载流子的迁移与复合，避免产生堆积极化效应。
4.在三维伸缩电极制备工艺方面，由于一般半导体晶体很难通过材料生长工艺形成微纳尺度三维复合结构形貌，且晶体材料也具有一定脆性，很难采用机械加工的方式制备三维复合结构电极，因此，选择超短脉冲飞秒激光加工技术来尝试制备半导体晶体内部三维复合结构阵列权重栅电极。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (5)
1.一种三维电致伸缩收集电极的半导体探测器，其特征在于，包括：半导体晶体(2)、阴极(3)和阳极(1)；
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(3)设于所述半导体晶体的第一面；所述阳极(1)设于所述半导体晶体的第二面，所述阳极包括：收集电极(11)、电致伸缩电极(12)及导电层，所述电致伸缩电极(12)围绕所述收集电极(11)布设，所述电致伸缩电极(12)为电致伸缩电极材料制作而成的电极，若干电致伸缩电极(12)通过导电层相互电连接，其中，所述收集电极(11)和所述电致伸缩电极(12)为三维复合结构电极；
在正常工作条件下，或低辐射通量X射线辐照条件下，晶体内部存在均匀外加电场，光生载流子在电场作用下向两极迁移并产生感应电荷信号，电致伸缩电极(12)通过导电层设置低压电位，对晶体内部内电场产生影响，在靠近收集电极(11)位置产生扭曲电场，使得收集电极间隙存在的光生载流子信号能够向收集电极(11)迁移并产生感应电荷；
在高辐射通量条件下，通过导电层给电致伸缩电极(12)施加外加控制电压，电致伸缩电极(12)沿电极槽(13)伸展，在半导体晶体(2)内部深处构成内电场，改变原本晶体内部均匀电场作用，加快半导体晶体(2)深处堆积载流子的迁移及复合，促进信号载流子的高效吸收。
2.根据权利要求1所述的三维电致伸缩收集电极的半导体探测器，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所述的三维电致伸缩收集电极的半导体探测器，其特征在于，所述收集电极(11)和后端读出电路相连，电致伸缩电极(12)根据应用需求可以不对外连接，作悬空处理，或以收集极为中心，围绕单个电极(11)的4个电致伸缩电极(12)通过导电层相连形成闭环或与半导体晶体(2)侧边保护环相连。
4.根据权利要求1-3之一所述的三维电致伸缩收集电极的半导体探测器，其特征在于，所述半导体晶体(2)为碲锌镉CdZnTe晶体。
5.一种三维微纳结构辐射探测准直器件的制备方法，其特征在于，所述方法应用于制备如权利要求1-4任一项所述的维微纳结构辐射探测准直器件，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电致伸缩电极(12)，在正常工作条件下，或低辐射通量X射线辐照条件下，晶体内部存在均匀外加电场，光生载流子在电场作用下向两极迁移并产生感应电荷信号，电致伸缩电极(12)通过导电层设置低压电位，对晶体内部内电场产生影响，在靠近收集电极(11)位置产生扭曲电场，使得收集电极间隙存在的光生载流子信号能够向收集电极(11)迁移并产生感应电荷；
在高辐射通量条件下，通过导电层给电致伸缩电极(12)施加外加控制电压，电致伸缩电极(12)沿电极槽(13)伸展，在半导体晶体(2)内部深处构成内电场，改变原本晶体内部均匀电场作用，加快半导体晶体(2)深处堆积载流子的迁移及复合，促进信号载流子的高效吸收。
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