CN114975676A - 一种多电极高纯锗探测器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种多电极高纯锗探测器，包括：平面型高纯锗晶体，其具有本征层裸露表面；锂扩散电极层，其通过在平面型高纯锗晶体的一端面及与该端面相连的部分侧面扩散锂离子形成，用于实现平面型高纯锗晶体与晶体机械固定件之间的稳定连接；非晶阻挡层，其位于平面型高纯锗晶体的另一端面上；保护环，位于非晶阻挡层上；多个独立电极，分别间隔设置且位于保护环内。本公开提供的多电极高纯锗探测器，通过使用非晶镀层和锂扩散层两种工艺，在保证低漏电流、高能量分辨的同时，也简化电极制作，提高了成品率，减小死区范围，降低了装配维护难度，提高了探测器的可靠性。
Description
技术领域
本公开涉及半导体辐射探测器技术领域，具体涉及一种多电极高纯锗探测器。
背景技术
多电极高纯锗探测器在保持高能量分辨的同时，利用多个电极可获取入射粒子作用点的位置信息，且多个电极可以独立工作，在辐射测量、核安全、基础物理实验等领域发挥着重要作用。但现有技术中的多电极探测器制作过程复杂且所需设备昂贵，成品率低、死区大、装配与维护难度较高，大大限制了其应用范围。
发明内容
鉴于上述问题，本公开提供了一种多电极高纯锗探测器，旨在解决现有技术中多电极探测器制作过程复杂且所需设备昂贵、成品率低、死区大等技术问题。
本公开提供了一种多电极高纯锗探测器，包括：平面型高纯锗晶体，其具有本征层裸露表面；锂扩散电极层，其通过在平面型高纯锗晶体的一端面及相连的部分侧面扩散锂离子形成，用于实现平面型高纯锗晶体与晶体机械固定件之间的稳定连接；非晶阻挡层，其位于平面型高纯锗晶体的另一端面上；保护环，位于非晶阻挡层上；多个独立电极，分别间隔设置且位于保护环内。
进一步地，平面型高纯锗晶体呈圆柱形，其锗的掺杂浓度为0.1×1010～2×1010/cm3。
进一步地，多电极高纯锗探测器还包括：前置放大电路；其中，所述多个独立电极中部分或全部独立电极分别引出至与前置放大电路的一个通道连接。
进一步地，保护环与多个独立电极中未引出的独立电极的电势与引出的部分独立电极的电势大致相同。
进一步地，多个独立电极一维平行条状电极或二维密铺阵列电极；其中，相邻两个独立电极的中心距为0.02mm～10mm，间距范围为0.01mm～2mm。
进一步地，平面型高纯锗晶体为N型高纯锗晶体或P型高纯锗晶体。
进一步地，本征层裸露表面为平面型高纯锗晶体侧面中除去锂扩散电极层侧面的部分，其用于隔离锂扩散电极层及非晶阻挡层。
进一步地，平面型高纯锗晶体的外直径范围为10mm～150mm，厚度为5mm～90mm，保护环的外直径小于平面型高纯锗晶体的外直径。
进一步地，多个独立电极及保护环为铝层，其层厚均为10nm～5000nm。
进一步地，非晶阻挡层为非晶锗层或非晶硅层，其层厚为10nm～5000nm。
本公开的实施例提供的一种多电极高纯锗探测器，其利用平面型高纯锗晶体端面和连续扩展至平面型高纯锗晶体侧面的锂扩散电极层可以实现平面型高纯锗晶体的稳定固定，方便进行装配操作和维护，在晶体上无需制作额外的结构，从而减小了器件的死区。平面型高纯锗晶体中的本征层裸露表面和非晶阻挡层上的保护环可以有效控制漏电流，保证该多电极高纯锗探测器各中心电极的能量分辨率。另外，多个中心电极可以独立读出，能够获取入射粒子作用点的位置信息。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的多电极高纯锗探测器的立体图；
图2示意性示出了根据本公开一实施例的多电极高纯锗探测器在图1中A-A方向上的横截面图；
图3示意性示出了根据本公开另一实施例的多电极高纯锗探测器的俯视图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
在详述本公开实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本公开保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
基于现有技术中存在的技术问题，本公开的实施例提供了一种多电极高纯锗探测器，该多电极高纯锗探测器中通过本征面和非晶阻挡层上的保护环的设置可以有效控制漏电流，保证了探测器保护环内部各电极的能量分辨率。通过多个电极可以独立读出，能够获取入射粒子作用点的位置信息。并利用平面型高纯锗晶体端面和连续扩展到平面型高纯锗晶体侧面的锂扩散层可以实现平面型高纯锗晶体的稳定固定，方便进行装配操作和维护，在晶体上无需制作额外的结构，从而减小了器件的死区。
图1示意性示出了根据本公开一实施例的多电极高纯锗探测器的立体图。
如图1所示，该多电极高纯锗探测器100包括：晶体机械固定件10、锂扩散电极层20、平面型高纯锗晶体30、非晶阻挡层40、多个独立电极50及保护环60。
本公开的实施例中，该平面型高纯锗晶体30可以为圆柱形，其一端面并连续扩展至平面型高纯锗晶体30的部分侧面通过扩散锂离子形成锂扩散电极层20，该锂扩散电极层20用于实现平面型高纯锗晶体30与晶体机械固定件10之间的稳定连接，并同时作为电极使用，。平面型高纯锗晶体30的另一端面为非晶阻挡层40，该非晶阻挡层40覆盖整个平面型高纯锗晶体30的端面，其作为电子阻挡层。
如图2所示，非晶阻挡层40的最外一圈为保护环60，保护环60将非晶阻挡层40的上表面分为第一区域41和第二区域42，其中，第一区域41位于保护环60的外侧，第二区域42位于保护环60的内侧，且第二区域42中设置多个独立电极50。多个独立电极50分别间隔设置，且位于保护环60内侧并与保护环60非接触连接，保护环60将多个独立电极50包围在环内，环内的各独立电极为中心电极。
本公开的实施例中，平面型高纯锗晶体30可以为N型高纯锗晶体或P型高纯锗晶体，其侧面除去非晶阻挡层40侧面的部分为本征层裸露表面31，本征层裸露表面31用于隔离锂扩散电极层20及非晶阻挡层40。
根据本公开的实施例，该多电极高纯锗探测器100利用平面型高纯锗晶体30的端面和连续扩展至平面型高纯锗晶体30侧面的锂扩散电极层20(即锂扩散电极)可以实现平面型高纯锗晶体的稳定固定，方便进行该多电极高纯锗探测器100的装配操作和维护，在晶体上无需额外制作其他结构，从而减小了死区。本征层裸露表面31和非晶阻挡层40上的保护环60可以有效控制漏电流，保证该多电极高纯锗探测器100各中心电极的能量分辨率。其中，多个中心电极可以独立读出，能够获取入射粒子作用点的位置信息。
具体地，该多电极高纯锗探测器100还包括：前置放大电路。其中，多个独立电极中部分或全部独立电极分别引出，每个引出的独立电极与前置放大电路的一个通道连接。本公开的实施例中，保护环60和读出电极区域可根据需要引出，保护环60和未引出的独立电极50的电势保持与引出的独立电极的电势大致相同。
本公开的实施例中，保护环60可以直接与一固定电势连接，也可以与前置放大电路的一个通道连接，以实现与引出的独立电极的电势大致相同。
高纯锗探测器作为一种利用电离辐射原理制成的辐射探测器，其可以探测致电离辐射的微观粒子。致电离辐射的微观粒子(一般能量大于10eV)可以在高纯锗探测器灵敏体积内发生相互作用，产生载流子，通过在平面型高纯锗晶体上制作电极施加偏压可以收集这些载流子，产生可以被记录的电信号，给出粒子沉积能量的信息。本公开实施例提供的多电极高纯锗探测器100，通过制作多个独立电极可以获取粒子作用位置的信息、作用点的数量，能够实现获取更多信息，并提升计数率水平。
根据本公开的实施例，平面型高纯锗晶体30为外直径范围为10mm～150mm，其厚度为5mm～90mm的圆柱形，优选直径大小为30mm，厚度为10mm。在其他一些示例性实施例中，平面型高纯锗晶体30还可以为其他形状，如长方体形等，其具体尺寸大小可以根据实际需求进行设定，本公开的实施例对平面型高纯锗晶体30的形状及尺寸大小不做限定。
根据本公开的实施例，锂扩散电极层20连续扩展至平面型高纯锗晶体30侧面的高度大小可以为2mm～5mm，优选3mm。在其他一些示例性实施例中，锂扩散电极层20连续扩展至平面型高纯锗晶体30侧面的高度还可以为其他数值，其可以根据实际应用需求进行调整。
根据本公开的实施例，可以采用磁控溅射法制备得到非晶阻挡层40，该非晶阻挡层40为非晶锗层或非晶硅层，其层厚为10nm～5000nm，优选100nm。在其他一些示例性实施例中，非晶阻挡层40也可以是其他方法制备的合理厚度的非晶电子阻挡层，本公开的实施例对非晶阻挡层40的制备方法不做限定，其层厚范围包括但不仅限于上述实施例所示。
根据本公开的实施例，多个独立电极50及保护环60可以通过蒸镀铝层而形成，其层厚均为10nm～5000nm，例如可以为100nm、200nm等，其层厚可以根据实际应用需求进行调整，本公开的实施例对金属层的制备方法不做限定。
具体地，保护环60的外直径小于平面型高纯锗晶体30的外直径，或保护环60的外直径可以接近于平面型高纯锗晶体30的外直径，其外径大小可以为5mm～149mm，环宽范围为0.01～5mm，优选保护环60的外直径略小于平面型高纯锗晶体30的外直径，环宽优选值为2mm。在其他一些示例性实施例中，保护环60还可以为其他形状和尺寸大小，例如矩形体、方形体等。
具体地，保护环60内侧的多个独立电极50可以为一维平行条状电极(如图1所示)或二维密铺阵列电极(如图3所示)，相邻两个独立电极的中心距为0.02mm～10mm，其中，相邻两个独立电极之间相互独立，且间距范围是0.01mm～2mm。需说明的是，本公开实施例中的中心距指的是相邻两个独立电极的中心位置距离。
如图1所示为多个平行条状电极50的示意图，每个平行条状电极相互独立且间隔设置，通过对多个平行条状电极50的部分或全部平行条状电极独立读出，可获取入射粒子作用点的位置信息。
如图3所示的二维密铺阵列电极，该阵列中的电极形状可以为方形、矩形、三角形、六角形、梯形或平行四边形等几何形状中的一种或多种，以构成二维密铺阵列电极，使得在相同尺寸保护环60内的独立电极分布更加密集。通过对二维密铺阵列电极中多个中心电极独立读出，获取的入射粒子作用点的位置信息增加了一个维度，以使该多电极高纯锗探测器的适用范围更广泛。
本公开的实施例中，多个独立电极50的数量N由中心距D和保护环60的尺寸来确定。以一维平行条状电极为例，电极宽度大小为中心距减去d，d为相邻电极的间距，记保护环内径为L，则电极数量N的参考值为L/D。一般对L/D向下取整(L/D不是整数时)或者减1(L/D是整数时)得到电极数量N。保护环60应尽可能覆盖环内除中心电极以外的区域，可向内扩展。举例而言，如图2示出了保护环60内7个平行条状电极50的结构示意图，在保护环60的外直径为28mm，内直径为24mm，中心距为3mm时，N取7，电极间的间距为0.5mm，电极宽度为2.5mm。保护环60进行了向内扩展，尽可能覆盖了环内除中心电极以外的区域。
需说明的是，本公开的实施例中，多个独立电极50的数量不小于2个，其可以为3个、4个、7个或其他更多的数量，本公开的实施例对此不做限定。
本公开的实施例提供的多电极高纯锗探测器，通过使用非晶镀层和锂扩散层两种工艺结合，在保证低漏电流、高能量分辨的同时，也简化电极制作，提高了成品率，减小死区范围，降低了装配维护难度，提高了探测器的可靠性。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种多电极高纯锗探测器，其特征在于，包括：
平面型高纯锗晶体，其具有本征层裸露表面；
锂扩散电极层，其通过在所述平面型高纯锗晶体的一端面及与该端面相连的部分侧面扩散锂离子形成，用于实现所述平面型高纯锗晶体与晶体机械固定件之间的稳定连接；
非晶阻挡层，其位于所述平面型高纯锗晶体的另一端面上；
保护环，位于所述非晶阻挡层上；
多个独立电极，分别间隔设置且位于所述保护环内。
2.根据权利要求1所述的多电极高纯锗探测器，其特征在于，所述平面型高纯锗晶体呈圆柱形，其锗的掺杂浓度为0.1×1010～2×1010/cm3。
3.根据权利要求1所述的多电极高纯锗探测器，其特征在于，所述多电极高纯锗探测器还包括：前置放大电路；其中，所述多个独立电极中部分或全部独立电极分别引出至与所述前置放大电路的一个通道连接。
4.根据权利要求3所述的多电极高纯锗探测器，其特征在于，所述保护环与所述多个独立电极中未引出的独立电极的电势与引出的部分独立电极的电势大致相同。
5.根据权利要求1所述的多电极高纯锗探测器，其特征在于，所述多个独立电极为一维平行条状电极或二维密铺阵列电极；其中，相邻两个独立电极的中心距为0.02mm～10mm，间距范围为0.01mm～2mm。
6.根据权利要求1所述的多电极高纯锗探测器，其特征在于，所述平面型高纯锗晶体为N型高纯锗晶体或P型高纯锗晶体。
7.根据权利要求1所述的多电极高纯锗探测器，其特征在于，所述本征层裸露表面为所述平面型高纯锗晶体侧面中除去所述锂扩散电极层侧面的部分，其用于隔离所述锂扩散电极层及所述非晶阻挡层。
8.根据权利要求1所述的多电极高纯锗探测器，其特征在于，所述平面型高纯锗晶体的外直径范围为10mm～150mm，厚度为5mm～90mm，所述保护环的外直径小于所述平面型高纯锗晶体的外直径。
9.根据权利要求1所述的多电极高纯锗探测器，其特征在于，所述多个独立电极及所述保护环为铝层，其层厚均为10nm～5000nm。
10.根据权利要求1所述的多电极高纯锗探测器，其特征在于，所述非晶阻挡层为非晶锗层或非晶硅层，其层厚为10nm～5000nm。
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| CN117192595B (zh) * | 2023-11-08 | 2024-02-02 | 清华大学 | 高纯锗探测器 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |