CN111211197A - 高纯锗探测器 - Google Patents

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CN111211197A CN202010040757.9A CN202010040757A CN111211197A CN 111211197 A CN111211197 A CN 111211197A CN 202010040757 A CN202010040757 A CN 202010040757A CN 111211197 A CN111211197 A CN 111211197A
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Abstract

本发明公开了一种高纯锗探测器，该高纯锗探测器包括：高纯锗晶体，所述高纯锗晶体具有本征区裸露表面；第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别与高纯锗晶体的第一接触极和第二接触极相连；和导电保护环，所述导电保护环设置在所述本征区裸露表面中且环绕所述第一电极以将本征区裸露表面阻隔成内区域和外区域。该高纯锗探测器能够通过在高纯锗探测器的本征区裸露表面中设置导电保护环来将该表面的漏电流与检测电流隔离开从而抑制表面漏电流的干扰。

Description

高纯锗探测器
本申请是2013年12月27日向国家知识产权局递交的申请号为201310741367.4、发明创造名称为“高纯锗探测器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体辐射探测器领域，尤其涉及一种高纯锗探测器。
背景技术
随着半导体制备技术的不断提高，基于大体积、良好性能的高纯锗(HPGe)单晶拉制成功，从而使HPGe探测器具备了良好的能量分辨和相对高的探测效率。高纯锗探测器可以用于γ射线测量、X射线测量、暗物质探测以及辐射成像技术等，并且在衰变纲图研究、内转换系数测定、核反应、短寿命核测量、活化分析、核燃料研究、井矿探测、原子核精细结构研究和暗物质探测等方面获得了极广泛的应用。
探测器本身的噪声是影响HPGe探测器的能量分辨率的关键因素之一。HPGe探测器本身的噪声主要来源于反向泄漏电流，它直接影响探测器的能量分辨率和灵敏度。另外，它也是鉴定工艺、判别成品好坏的一种简便方法。一般情况下，一个好的HPGe探测器的反向泄漏电流应该小于10pA。然而，使反向泄漏电流减小到这个水平并非易事。许多从事探测器研究的工作者围绕减小反向泄漏电流的课题展开了大量研究。
反向泄漏电流的来源有三个：体漏电流、扩散漏电流、表面漏电流。
具体地说，体漏电流是热激发生成的电子空穴引起的电流。由于HPGe晶体的能带间隙小，所以为了提高分辨率，在实际测量时，HPGe探测器会被制冷到70K至100K温区。在该温区中，体漏电流可以忽略不计。
扩散漏电流是掺杂接触引起的电流。在少数载流子寿命很长的情况下，扩散漏电流不随反向电压变化，因此这一部分漏电流也可以忽略不计。
表面漏电流是与HPGe晶体封装处理的表面状态有关的电流。它是在表面层产生的。一般情况下，表面漏电流随反向电压增加而增大，因此表面漏电流是不能忽略的，它是探测器的泄漏电流的主要来源。
在减小探测器的表面漏电流的现有技术中，一种最直接、最重要的方案是表面清洁，即，采用大量的复杂的工序对理想的表面进行清洁，以便严格地保证表面为高阻的状态。然而，即使事先做了最苛刻的清洁工作，由于晶格在晶体表面处突然终止，所以在表面的最外层的每个锗原子仍然将有一个未配对的电子，也就是有一个未饱和键。由于这些未饱和键的存在，所以在实际晶体表面上往往会形成微氧化膜或吸附着其他原子或分子。这导致表面情况变得复杂。还应指出的是，有研究表明，即使在高真空中，也只能在短时间内保持不附着任何原子或分子的洁净表面。经过数小时之后，表面上仍然会形成一层单原子层。除了上述表面悬挂键引起的表面态外，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附各种带电粒子等原因而引起的表面态。诸如吸附的各种粒子、表面的氧化层中的可动离子、固定电荷和陷阱等都可能引起HPGe半导体表面电阻的减小，或者在表面层中产生电场。这些因素将会对半导体表面的特征产生重大影响，尤其是会增大表面漏电流，导致分辨率降低和假信号。
另一种减小探测器的表面漏电流的技术是表面钝化技术，即，在已清洁好的HPGe半导体表面再沉积一层对带电粒子有阻挡作用的钝化膜，诸如非晶锗、氧化锗或二氧化锗膜等。钝化技术在控制表面漏电流方面起到了积极的作用，然而也存在一些缺点：首先是死层增加，在一些应用中死层增加到几百微米；其次是非晶态锗或氧化锗膜的沉积接触的加工也比较困难，需要很复杂的处理工艺。
因此，期望能够提供一种工艺简单、稳定有效的抑制HPGe表面漏电流的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种高纯锗探测器，其能够有效地减小HPGe表面漏电流以提高探测器的精度。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案通过以下方式来实现：
本发明提供了一种高纯锗探测器，包括：
-高纯锗晶体，所述高纯锗晶体具有本征区裸露表面；
-第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别与高纯锗晶体的第一接触极和第二接触极相连；和
-导电保护环，所述导电保护环设置在所述本征区裸露表面中且环绕所述第一电极以将本征区裸露表面阻隔成内区域和外区域。
进一步地，所述导电保护环可以与所述第一电极具有大致相同的电位。
进一步地，所述导电保护环可以设置于本征区裸露表面中的环绕所述第一电极的沟槽中。
更进一步地，所述沟槽的宽度可以小于200微米。
更进一步地，所述沟槽的深度可以在1微米和10微米之间。
更进一步地，所述导电保护环可以是与所述沟槽尺寸匹配的实体金属环或金属镀层。
进一步地，所述高纯锗探测器还可以包括前置放大电路，所述导电保护环与前置放大电路的高阻输入端等电位电连接。
具体地，所述高纯锗晶体可以是N型高纯锗晶体或P型高纯锗晶体。
具体地，所述高纯锗探测器可以是同轴型或点电极型探测器，所述的本征区裸露表面为所述高纯锗晶体的端面，所述第一电极连接于位于所述端面的中心孔或中心点的第一接触极，第二电极连接于所述高纯锗晶体的外周侧面，所述导电保护环靠近第一电极且与所述第一电极电绝缘。
再进一步地，所述导电保护环的半径与被保护的所述端面的半径之比可以小于或等于1/3。
再进一步地，所述导电保护环的中心可以与所述端面的中心基本上重合。
具体地，所述高纯锗探测器可以是平面型探测器，所述的本征区裸露表面是高纯锗晶体的外周侧面，所述第一电极和第二电极分别连接在高纯锗晶体的两个端面，所述导电保护环设置在所述外周侧面上，靠近所述第一电极且与所述第一电极电绝缘。
再进一步地，所述本征区裸露表面在导电保护环和第一电极之间的面积可以小于或等于本征区裸露表面的总面积的1/3。
再进一步地，所述导电保护环可以与高纯锗晶体的轴向基本上垂直。本发明的上述技术方案中的任何一个能够通过在高纯锗探测器的本征区裸露表面中设置导电保护环来将该表面的漏电流与检测电流隔离开从而抑制表面漏电流的干扰。这种方案可以显著地提高高纯锗探测器的检测精度且具有简单的结构。
附图说明
图1a至图1d示意性地示出根据本发明的高纯锗探测器抑制表面漏电流的工作原理；
图2a至图2c示意性地示出根据本发明的实施例的同轴型高纯锗探测器的结构图；
图3a至图3c示意性地示出根据本发明的实施例的点电极型高纯锗探测器的结构图；
图4a至图4c示意性地示出根据本发明的实施例的平面型高纯锗探测器的结构图；以及
图5示意性地示出根据本发明的实施例的高纯锗探测器的电连接图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图1a至图1d以P型同轴高纯锗探测器为例示出了根据本发明的高纯锗探测器抑制表面漏电流的原理。其中，图1a和1b分别是现有技术中P型同轴高纯锗探测器的结构示意图和等效电路图。该高纯锗探测器包括高纯锗晶体1和第一电极2，高纯锗晶体1具有本征区裸露表面11和与第一电极2连接的第一接触极12，在同轴型高纯锗探测器中，本征区裸露表面11是高纯锗晶体1的端面。典型地，高纯锗晶体1可以为圆柱体形状。高纯锗探测器还可以设有第二电极，该第二电极与高纯锗晶体1的第二接触极13连接。在该示例中，第二接触极13是高纯锗晶体1的外周侧面。第一电极2可以与电源6的低压侧电连接，高纯锗晶体1的外周侧面与电源6的高压侧电连接。在实际使用中，在第一电极2和电源6的低压侧之间往往还需要设置诸如放大电路等电路模块，以提高检测精度和稳定性。在此为了描述简便起见，省略了这些电路模块，而仅示出了电流计7。
高纯锗探测器的基本原理是：在高纯锗晶体两极施加电压，当辐射射线射入高纯锗晶体的本征区时会产生电子-空穴对并在电场的作用下形成离子电流，通过对离子电流的检测可以实现对照射到高纯锗探测器上的辐射射线的能量进行检测。也就是说，高纯锗探测器将对辐射射线能量的检测转换成对离子电流Iion的检测。高纯锗晶体具有本征区，所谓本征区是指能够产生上述效应的区域。本征区裸露表面是指本征区的裸露在外的表面，该表面可能被污染或钝化。作为示意性的描述，在图1a至图1d中，对离子电流Iion的检测由电流计7来实现。如图1b所示，高纯锗晶体1的内电阻由Rbulk表示，本征区裸露表面11的表面电阻由Rsurf表示，流过表面电阻的表面漏电流为Isurf。可见，在现有技术中的高纯锗探测器中，流过电流计7的检测电流Imeas＝Iion+Isurf，其中，Iion是期望的反映辐射射线能量的电流信号，而表面漏电流Isurf是干扰信号。由于本征区裸露表面11是裸露的，所以其易于被污染，而被污染的局部可能导致较小的表面电阻Rsurf。相应地，表面漏电流Isurf的幅值较大，因而对于测量电流Imeas可能造成明显的影响。
图1c和1d示出的是根据本发明的实施例的设有导电保护环的高纯锗探测器。与图1a和1b相比可知，根据本发明的实施例的高纯锗探测器与现有技术中的高纯锗探测器相比区别主要在于设有导电保护环3。导电保护环3设置在本征区裸露表面11中，并且围绕第一电极2。导电保护环3将本征区裸露表面11分成了内外两个区域。导电保护环3所包围的内区域的表面电阻由R1表示，导电保护环3外的本征区裸露表面11的外区域的表面电阻由R2表示。期望地，导电保护环3的厚度能够将本征区裸露表面11完全地阻隔成内外两个区域。导电保护环3与电流计7靠近电源低压侧的一侧电连接。在这种情况下，对应于两个区域的表面电阻R1和R2的表面漏电流分别是Isurf1和Isurf2。表面漏电流Isurf2将不会流经电流计7，因此不会影响检测电流Imeas。也就是说，由电源6引起的表面漏电流与检测电流隔离开。对于表面漏电流Isurf1，由于表面电阻R1两端(即，第一电极2和导电保护环3)的电位相差很小或者说基本上相同，所以导电保护环3所包围的内区域的表面漏电流Isurf1很小。例如，当用静电计或皮安表测试时，表面电阻R1两端的压降小于1mV，因此在表面电阻R1上产生的表面漏电流Isurf1是相当小的。而且，在实际的探测器器件中，检测信号通常需要将信号先输入结型场效应晶体管(JEFT)进行放大，而JEFT的输入端压降更低，通常小于100μV，其产生的表面漏电流Isurf1更小。于是，几乎所有流过电流计7的检测电流Imeas都是期望的离子电流Iion。
由上述内容可知，通过采用导电保护环3的结构，可以有效地抑制表面漏电流对于高纯锗探测器的检测电流的影响。
图2a至图4c示出了根据本发明的实施例的高纯锗探测器的示意性结构图。图2a至图2c为同轴型高纯锗探测器，图3a至图3c为点电极型高纯锗探测器，图4a至图4c为平面型高纯锗探测器。
首先考虑如图2a至图2c的同轴型高纯锗探测器，图2a示出连接有第一电极2的高纯锗晶体1，该高纯锗晶体1具有本征区裸露表面11(或称为高阻表面)(导电保护环3未示出)。为了方便地设置导电保护环3，可以在本征区裸露表面11中设置环绕第一电极2的沟槽4，例如通过蚀刻来形成，如图2b所示，导电保护环3可以设置于沟槽4中。例如，导电保护环3可以是金属实体环，该金属实体环可以与沟槽4尺寸匹配以镶嵌于沟槽4中。或者，例如，导电保护环3也可以采用金属镀层的形式。该金属可以是例如铜、金、银等。然而，导电保护环3并不限于金属材料，非金属的导电材料也可以用于制作导电保护环3。图2b示出了开设有沟槽4的本征区裸露表面11的正视图，图2c示出了导电保护环3已经镶嵌于沟槽4中的本征区裸露表面的正视图。
作为示例，沟槽4的宽度可以小于200微米，或小于100微米，或小于50微米，或小于10微米或小于1微米。沟槽4的深度只要保证使可能被污染或存在缺陷的本征区裸露表面11被导电保护环3充分地阻隔成内区域111和外区域112即可。作为示例，所述沟槽的深度可以在1微米和10微米之间。作为示例，导电保护环3可以设置成使得该导电保护环3与第一电极2具有大致相同的电位。
在一示例中，如图5所示，高纯锗探测器还可以包括前置放大电路8，导电保护环3与前置放大电路8的高阻输入端81等电位电连接。这样，从第一电极2引出的离子电流和由高压源61(或电源6的高压侧)引起的表面漏电流被隔离开。在导电保护环3和第一电极2之间存在高绝缘阻抗，而二者几乎处于相同的电位，因此它们之间的表面漏电流是很微小的。在一示例中，前置放大电路8的高阻输入端81可以与电源6的低压侧或接地线62电连接。
在一示例中，在高纯锗探测器是同轴P型高纯锗探测器的情况下，本征区裸露表面11是该高纯锗探测器的端面，第一电极2从该端面的中心孔伸出。导电保护环3靠近第一电极2并与该第一电极2电绝缘。通过使导电保护环3靠近第一电极2，可以扩大被保护的本征区(即，本征区裸露表面11的外区域112)的面积。本征区裸露表面11的内区域111可能由于导电保护环3与第一电极2的电位相近而灵敏度下降以抑制表面漏电流。由于导电保护环3外的本征区裸露表面区域的表面电阻对应的表面漏电流不会影响检测电流，所以期望导电保护环3外的本征区裸露表面区域面积尽可能地大，以使更多的表面电阻低的位置落在导电保护环3之外。作为示例，导电保护环3的半径r2与端面的半径r1之比小于或等于1/3。当然，这不是必须的，而是可以根据需要适当地扩大被保护的本征区的面积的范围，例如可以设定导电保护环3的半径r2与端面的半径r1之比小于或等于1/2。本领域技术人员应当理解，只要存在被导电保护环3保护的本征区，不论面积大小，都在本发明的保护范围内。
在一示例中，导电保护环3的中心与所述端面的中心基本上重合，如图2a至图2c所示。
图3a至图3c示出了点电极型高纯锗探测器，点电极型高纯锗探测器和上述同轴型高纯锗探测器的差别仅在于：点电极型高纯锗探测器的第一电极2直接设置在作为本征区裸露表面的高纯锗晶体端面上的中心点处，而不是像如图2a至图2c所示的同轴型高纯锗探测器那样插入到端面的中心孔道中。因此，上述同轴型高纯锗探测器中的各种特征，例如导电保护环3、沟槽4等都可以直接地用于点电极型高纯锗探测器。
图4a至图4c示出的是平面型高纯锗探测器。其与上述同轴型高纯锗探测器的差别在于：第一电极2是平面型的，并且第一电极2和第二电极设置在高纯锗晶体的两个端面上，高纯锗晶体的两个端面分别构成了两个接触极，而高纯锗晶体1的外周侧面构成了本征区裸露表面11。在根据本发明的平面型高纯锗探测器中，导电保护环3设置在高纯锗晶体1的外周侧面上，如图4a至图4c所示，由于第一电极2铺设于高纯锗晶体1的上端面上，所以设置于高纯锗晶体1的外周侧面上的导电保护环3仍然可以看成是环绕第一电极2。导电保护环3将本征区裸露表面11分成内区域111和外区域112。在该实施例中，内区域111是本征区裸露表面11在导电保护环3与第一电极2之间的部分(如图4b所示，高度为h1)，外区域112是本征区裸露表面11在导电保护环3与设置第一电极2的端面相反的另一端面之间的部分(如图4b所示，高度为h2)。为了更清楚地表示本征区裸露表面11，图4b和4c示出了高纯锗晶体1的外周侧面的展开图。
与同轴型高纯锗探测器类似，在根据本发明的平面型高纯锗探测器中，导电保护环3也可以靠近第一电极2布置且与第一电极2电绝缘，从而尽可能扩大被保护的本征区的面积。例如，导电保护环3的位置可以设置成使本征区裸露表面11在导电保护环3和第一电极2之间的面积小于或等于本征区裸露表面11的总面积的1/3。当然，本发明不限于此，例如可以设定本征区裸露表面11在导电保护环3和第一电极2之间的面积小于或等于本征区裸露表面11的总面积的1/2。本领域技术人员应当理解，只要存在被导电保护环3保护的本征区，不论面积大小，都在本发明的保护范围内。
在一示例中，对于平面型高纯锗探测器，导电保护环3所处的平面可以与高纯锗晶体1的轴向基本上垂直。应当理解，虽然平面型高纯锗探测器与同轴型高纯锗探测器的结构略有区别，但是上述同轴型高纯锗探测器中的各种特征(例如沟槽4、用作导电保护环3的金属实体环、导电材料镀层等)都可以以类似的方式用于平面型高纯锗探测器。
应当理解，虽然同轴型、点电极型和平面型高纯锗探测器的结构有所区别，但是它们都是通过第一电极和第二电极连接于电路中，所遵循的工作原理和所实现的功能也都相同。因此，前述以同轴型高纯锗探测器为例描述的适用于高纯锗探测器的电路原理、结构和元件同样适用于点电极型和平面型高纯锗探测器。
虽然在如图2a至图4c中示出高纯锗晶体1的形状为圆柱形状，但是本发明不限于此，高纯锗晶体1也可以具有其他形状，例如通轴双开端型、长方体等。
在根据本发明的高纯锗探测器中，高纯锗晶体可以是P型高纯锗晶体，也可以是N型高纯锗晶体。对于P型高纯锗晶体，上述本征面裸露表面11可称为P面。对于N型高纯锗，上述本征面裸露表面11可称为N面。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可以对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种高纯锗探测器，包括：
高纯锗晶体，所述高纯锗晶体具有本征区裸露表面；
第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别与高纯锗晶体的第一接触极和第二接触极相连；和
导电保护环，所述导电保护环设置在所述本征区裸露表面中且环绕所述第一电极以将本征区裸露表面阻隔成内区域和外区域，
其中，所述导电保护环设置于所述本征区裸露表面中的环绕所述第一电极的沟槽中，所述沟槽的宽度小于200微米，所述沟槽的深度在1微米和10微米之间，所述导电保护环是与所述沟槽尺寸匹配的实体金属环或金属镀层，
其中，所述的本征区裸露表面是所述高纯锗晶体的端面，所述导电保护环的半径与被保护的所述端面的半径之比小于或等于1/3。
2.根据权利要求1所述的高纯锗探测器，其特征在于，所述导电保护环与所述第一电极具有大致相同的电位。
3.根据权利要求1所述的高纯锗探测器，其特征在于，所述高纯锗探测器还包括前置放大电路，所述导电保护环与前置放大电路的高阻输入端等电位电连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高纯锗探测器，其特征在于，所述高纯锗晶体是N型高纯锗晶体或P型高纯锗晶体。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的高纯锗探测器，其特征在于，所述高纯锗探测器是同轴型或点电极型探测器，所述第一电极连接于位于所述端面的中心孔或中心点的第一接触极，第二电极连接于所述高纯锗晶体的外周侧面，所述导电保护环靠近第一电极且与所述第一电极电绝缘。
6.根据权利要求5所述的高纯锗探测器，其特征在于，所述导电保护环的中心与所述端面的中心基本上重合。
7.一种高纯锗探测器，包括：
高纯锗晶体，所述高纯锗晶体具有本征区裸露表面；
第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别与所述高纯锗晶体的第一接触极和第二接触极相连；和
导电保护环，所述导电保护环设置在所述本征区裸露表面中且环绕所述第一电极以将所述本征区裸露表面阻隔成内区域和外区域，
其中，所述高纯锗探测器是平面型探测器，所述本征区裸露表面是所述高纯锗晶体的外周侧面，所述第一电极和第二电极分别连接在所述高纯锗晶体的两个端面，所述导电保护环设置于所述本征区裸露表面中的环绕所述第一电极的沟槽中，所述沟槽的宽度小于200微米，所述沟槽的深度在1微米和10微米之间，所述导电保护环是与所述沟槽尺寸匹配的实体金属环或金属镀层，
其中，所述本征区裸露表面在所述导电保护环和所述第一电极之间的面积小于或等于所述本征区裸露表面的总面积的1/3。
8.根据权利要求7所述的高纯锗探测器，其特征在于，所述导电保护环靠近所述第一电极且与所述第一电极电绝缘。
9.根据权利要求7所述的高纯锗探测器，其特征在于，所述高纯锗晶体是N型高纯锗晶体或P型高纯锗晶体。
10.根据权利要求7所述的高纯锗探测器，其特征在于，所述导电保护环所在的平面与高纯锗晶体的轴向基本上垂直。
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