CN115036335B - 高能x射线检测器及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测器及制备工艺，尤其是一种高能X射线检测器及制备工艺。按照本发明提供的技术方案，所述高能X射线检测器，包括衬底以及制备于衬底正面的若干像素电极，所述像素电极包括制备于衬底内的像素电极沟槽以及与所述像素电极沟槽适配连接的电极单元体，其中，像素电极沟槽在衬底内沿衬底的正面向指向所述衬底背面的方向垂直延伸，电极单元体与衬底欧姆接触或肖特基接触，衬底上的像素电极通过覆盖所述衬底正面的隔离介质层绝缘隔离。本发明能减小表面漏电，像素区域深刻蚀实现边缘平坦化，降低像素边缘尤其是尖角处的电场，提高击穿电压，还能有效抑制电荷共享的发生，提高检测精度与可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测器及制备工艺，尤其是一种高能X射线检测器及制备工艺。
背景技术
高能X射线，一搬指能量为30keV以上的X射线，例如30keV～200keV的X射线。在高能X射线探测领域，X射线检测器负责将X射线转换为电学信号：电子空穴对，提供给后续的读出电路进行测量和处理，获得X射线的位置、能量、时间等信息。
目前，使用最广泛的高能X射线检测器方案是基于间接检测原理，即将高能X射线首先转化为可见光，然后通过可见光传感器进行探测，中间有两次转换过程。多次转换会对原始X射线检测的信噪比有所损失，不是最佳检测方案。因此，采用直接检测的方案成为高能X射线检测的主流手段，直接检测所采用的方法多为通过X射线与半导体材料直接相互作用，产生电子空穴对，产生的电子空穴对直接被读出电路等处理。
高能X射线检测器多是基于高原子序数的化合物半导体材料设计而成，对化合物半导体材料，比如可为砷化镓、碲化镉或碲锌镉等。制备时，可采用传统离子注入手段实现PN结的结构，传统的高能X射线检测器基本属于平面器件结构。平面的高能X射线检测器，在漏电流、击穿电压和抗辐射性能上有待进一步的提高，平面结构设计在器件的击穿电压上具有一定的局限性，尤其针对像素型探测器。
此外，还可直接在化合物半导体材料上溅射或者蒸镀金属电极，金属电极与化合物半导体材料形成欧姆接触或者肖特基接触，但直接在化合物半导体上进行金属电极的制作会造成表面漏电的增加，无法控制表面漏电。
对于高能X射线在像素阵列探测器，尤其是小像素的X射线探测器，探测时重容易发生电荷共享，当发生电荷共享时，会直接导致探测器的能量分辨降低，影响X射线探测器的探测精度与可靠性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高能X射线检测器及制备工艺，其能减小表面漏电，像素区域深刻蚀实现边缘平坦化，降低像素边缘尤其是尖角处的电场，提高击穿电压，还能有效抑制电荷共享的发生，提高检测精度与可靠性。
按照本发明提供的技术方案，所述高能X射线检测器，包括衬底以及制备于衬底正面的若干像素电极，
所述像素电极包括制备于衬底内的像素电极沟槽以及与所述像素电极沟槽适配连接的电极单元体，其中，
像素电极沟槽在衬底内沿衬底的正面向指向所述衬底背面的方向垂直延伸，电极单元体与衬底欧姆接触或肖特基接触，衬底上的像素电极通过覆盖所述衬底正面的隔离介质层绝缘隔离。
所述像素电极呈阵列分布，相邻像素电极在衬底间隔的距离相同。
所述像素电极沟槽的槽底采用圆弧过渡。
电极单元体包括填充于像素电极沟槽内的槽内电极柱以及支撑于隔离介质层上的槽外电极块，所述槽外电极块的外圈端角采用圆弧过渡。
在所述衬底内设置若干用于抑制共享电荷发生的共享电荷抑制槽，所述共享电荷抑制槽沿衬底的背面指向所述衬底的正面方向垂直延伸，且共享电荷抑制槽与相邻四个像素电极所围合形成的共享电荷发生区正对应。
在所述衬底的背面设置背面电极层，所述背面电极层与衬底欧姆接触。
一种高能X射线检测器的制备工艺，用于制备高能X射线检测器，所述制备工艺包括如下步骤：
步骤1、提供衬底，并在所述衬底的正面制备隔离介质层，所述隔离介质层覆盖衬底的正面；
步骤2、对上述隔离介质层图形化，并利用图形化后的隔离介质层对衬底的正面进行沟槽刻蚀，以在衬底内得到像素电极沟槽；
步骤3、在上述衬底的正面进行金属淀积，以制备得到所需的电极单元体，所述电极单元体与像素电极沟槽适配连接，且与衬底欧姆接触或肖特基接触，以利用电极单元体与像素电极沟槽配合在所述衬底的正面形成所需的像素电极。
隔离介质层淀积制备于衬底的正面，隔离介质层包括二氧化硅层或氮化硅层，隔离介质层的厚度为
在衬底的背面设置背面电极层，所述背面电极层与衬底欧姆接触；
所述像素电极在衬底上呈阵列分布时，在制备得到背面电极层后，在所述衬底内设置若干用于抑制共享电荷发生的共享电荷抑制槽，所述共享电荷抑制槽沿衬底的背面指向所述衬底的正面方向垂直延伸，且共享电荷抑制槽与相邻四个像素电极所围合形成的共享电荷发生区正对应。
所述像素电极沟槽的槽底采用圆弧过渡，所述像素电极沟槽的深度为
本发明的优点：在衬底的正面设置隔离介质层，利用隔离介质层能实现像素电极间的绝缘隔离，从而利用隔离介质层能减小工作时的表面漏电。像素电极沟槽的槽底采用圆弧过渡和/或槽外电极块的外圈端角采用圆弧过渡时，通过刻蚀像素电极沟槽制备像素电极时，能实现像素电极实现边缘平坦化，降低边缘尤其是尖角处的电场，达到提高击穿电压的目的。通过设置共享电荷抑制槽，能避免引起共享电荷的发生，从而可提高检测精度与可靠性。
附图说明
图1为本发明使用时的示意图。
图2为本发明像素电极在衬底上的俯视示意图。
图3～图11为本发明的具体实施工艺步骤剖视图，其中
图3为本发明衬底的剖视图。
图4为本发明制备得到隔离介质层后的剖视图。
图5为本发明对介质层光刻胶图形化后的剖视图。
图6为本发明对隔离介质层图形化后的剖视图。
图7为本发明制备得到像素电极沟槽后的剖视图。
图8为本发明制备得到电极单元体后的剖视图。
图9为本发明去除介质层光刻胶后的剖视图。
图10为本发明制备得到背面电极层后的剖视图。
图11为本发明制备得到共享电荷抑制槽后的剖视图。
图12为本发明制备共享电荷抑制槽与像素电极间对应配合的立体图。
附图标记说明：1-衬底、2-背面电极层、3-读出电路、4-像素电极、5-隔离介质层、6-介质层光刻胶、7-光刻胶层窗口、8-介质层窗口、9-像素电极沟槽、10-共享电荷抑制槽、11-电极单元体、12-共享电荷发生区、13-槽内电极柱以及14-槽外电极块。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图10所示：为了能减小表面漏电，本发明的高能X射线检测器，具体地，包括衬底1以及制备于衬底1正面的若干像素电极4，
所述像素电极4包括制备于衬底1内的像素电极沟槽9以及与所述像素电极沟槽9适配连接的电极单元体11，其中，
像素电极沟槽9在衬底1内沿衬底1的正面向指向所述衬底1背面的方向垂直延伸，电极单元体11与衬底1欧姆接触或肖特基接触，衬底1上的像素电极4通过覆盖所述衬底1正面的隔离介质层5绝缘隔离。
具体地，衬底1可以采用常用的化合物半导体的材料，如砷化镓、碲化镉或碲锌镉等，衬底1的材料类型可以根据需要选择，以能满足X射线检测器的需求为准。像素电极4制备于衬底1的正面，即像素电极4位于衬底1的正面区域；一般地，所述像素电极4呈阵列分布，相邻像素电极4在衬底1间隔的距离相同。当然，在具体实施时，像素电极4也可设置为相同的尺寸规格，像素电极4的尺寸以及相邻像素电极4间的距离可以根据需要选择，图2中示出了像素电极4呈阵列分布的一种具体实施情况，其中，a为同一行相邻像素电极4间的距离，L为像素电极4的宽度，像素电极4的阵列分布形式以能实现对高能X射线检测的需求为准。
本发明实施例中，像素电极4包括像素电极沟槽9以及电极单元体11，其中，在衬底1内，像素电极沟槽9沿衬底1的正面指向所述衬底1背面的方向垂直延伸，像素电极沟槽9的深度一般远小于衬底1的厚度，像素电极沟槽9的槽口一般位于衬底1的正面。当像素电极4呈阵列分布时，像素电极沟槽9在衬底1内也呈阵列分布。在制备得到像素电极沟槽9后，制备电极单元体11，电极单元体11通过像素电极沟槽9与衬底1欧姆接触或肖特基接触，电极单元体11与衬底1间的接触类型可以根据需要选择，以能满足检测器的具体电极连接与引出需求为准。
对于阵列分布的像素电极4，在衬底1的正面设置隔离介质层5，利用隔离介质层5能实现像素电极4间的绝缘隔离，从而利用隔离介质层5能减小检测器工作时的表面漏电。
进一步地，电极单元体11包括填充于像素电极沟槽9内的槽内电极柱13以及支撑于隔离介质层5上的槽外电极块14，所述槽外电极块14的外圈端角采用圆弧过渡。
本发明实施例中，为了能与衬底1适配连接，电极单元体11包括槽内电极柱13以及槽外电极块14，其中，槽内电极柱13与槽外电极块14间相互电连接，槽内电极柱13与槽外电极块14一般为一体成型，即通过同一工艺步骤制备得到。槽内电极柱13填充在像素电极沟槽9内，电极单元体11通过填充于像素电极沟槽9内的槽内电极柱13与衬底1欧姆接触或肖特基接触。槽外电极块14支撑于隔离介质层5上，槽外电极块4的外径大于槽内电极柱13的宽度，隔离介质层5一般可以为二氧化硅层或氮化硅层，隔离介质层5的材料类型可以根据需要选择，以能实现支撑隔离的目的为准。
具体实施时，槽外电极块14在隔离介质层5上呈方块状，如图2所示，槽外电极块14的外圈端角采用圆弧过渡。此外，所述像素电极沟槽9的槽底采用圆弧过渡，像素电极沟槽9的槽底采用圆弧过渡，具体是指像素电极沟槽9的槽底与相应的内侧壁间采用圆弧过渡。图1中示出了像素电极沟槽9的槽底采用圆弧过渡的情况，此时，像素电极沟槽9槽底的圆弧曲率半径为R’，图2中示出槽外电极块14的外圈端角采用圆弧过渡的情况，槽外电极块14外圈端角圆弧过渡的曲率半径为R。具体实施时，曲率半径R、曲率半径R’的具体大小可以根据需要选择。
像素电极沟槽9的槽底采用圆弧过渡和/或槽外电极块14的外圈端角采用圆弧过渡时，通过刻蚀像素电极沟槽9制备像素电极4时，能实现像素电极4实现边缘平坦化，降低边缘尤其是尖角处的电场，达到提高击穿电压的目的。
进一步地，在所述衬底1内设置若干用于抑制共享电荷发生的共享电荷抑制槽10，所述共享电荷抑制槽10沿衬底1的背面指向所述衬底1的正面方向垂直延伸，且共享电荷抑制槽10与相邻四个像素电极4所围合形成的共享电荷发生区12正对应。
当像素电极4呈阵列分布时，为了抑制共享电荷，本发明实施例中，可在衬底1内设置若干共享电荷抑制槽10，共享电荷抑制槽10沿衬底1的背面指向所述衬底1的正面方向垂直延伸，共享电荷抑制槽10的深度要小于衬底1的厚度，如图11所示。
共享电荷抑制槽10与衬底1正面的共享电荷发生区12正对应，本发明实施例中，共享电荷发生区12具体是指四个像素电极4所围合形成的区域，即四个像素电极4相互对应邻近的端角所围合形成的区域，如图2和图12所示。一般地，在俯视平面上，共享电荷抑制槽10呈方形，即共享电荷抑制槽10的四条边与四个像素电极4分别对应。当利用共享电荷抑制槽10实现对四个像素电极4所围合的区域进行共享电荷抑制时，能实现共享电荷的抑制，当然，在设置共享电荷抑制槽10时，需要不影响衬底1的硬度等特性，即需要不影响高能X射线检测器的具体适用环境。具体实施时，共享电荷抑制槽10的槽底与所正对应共享电荷发生区12间的距离一般不多于50μm；本发明实施例中，避免电荷共享发生的原理为：在设置共享电荷抑制槽10后，共享电荷抑制槽10贯通正对应的背面电极层2，即与共享电荷抑制槽10正对应的背面电极层2存在与共享电荷抑制槽10正对应的通孔，根据对X射线检测的原理可知，X射线(图1中的X-ray即为X射线)不会进入共享电荷发生区12内引起共享电荷的发生，从而可提高检测精度与可靠性。
具体实施时，可以在任意四个像素电极4所围合的共享电荷发生区12均设置共享电荷抑制槽10，或者，可根据需要选择设置在相应共享电荷发生区12设置对应的共享电荷抑制槽10，共享电荷抑制槽10在衬底1内的具体分布情况可以根据需要选择，以能满足实际需求为准。当同时设置多个共享电荷抑制槽10时，可以形成共享电荷抑制槽阵列。
进一步地，在所述衬底1的背面设置背面电极层2，所述背面电极层2与衬底1欧姆接触。
本发明实施例中，背面电极层2设置于衬底1的背面，背面电极层2与衬底1欧姆接触。衬底1的背面一般为与衬底1正面正对应的两个表面，衬底1的背面与所述衬底1正面的具体情况与现有相一致。
对于上述的高能X射线检测器，可以通过工艺制备得到，具体地，所述制备工艺包括如下步骤：
步骤1、提供衬底1，并在所述衬底1的正面制备隔离介质层5，所述隔离介质层5覆盖衬底1的正面；
图3中为衬底1的示意图，由上述说明可知，衬底1可以采用砷化镓、碲化镉或碲锌镉等化合物半导体材料，具体材料的类型可以根据需要选择，此处不再赘述。当然，对于所提供的衬底1，一般还需要进行清洗等工艺，具体清洗等工艺可以根据需要选择，以能达到清洁目的均可。
在提供衬底1后，在衬底1的正面通过淀积工艺制备隔离介质层5，隔离介质层5包括二氧化硅层或氮化硅层，隔离介质层5的厚度为即图1中隔离介质层5的厚度t为/>隔离介质层5覆盖衬底1正面，如图4所示。
步骤2、对上述隔离介质层5图形化，并利用图形化后的隔离介质层5对衬底1的正面进行沟槽刻蚀，以在衬底内得到像素电极沟槽9；
为了能对隔离介质层5进行图形化并制备像素电极沟槽9，步骤2具体包括如下步骤：
步骤2.1、在隔离介质层5上设置介质层光刻胶6，并对所述介质层光刻胶6进行图形化；
具体地，介质层光刻胶6采用本技术领域常用的技术手段涂覆在隔离介质层5上，介质层光刻胶6的类型可以根据需要选择，以能满足实际工艺需求为准。对介质层光刻胶6进行光刻后，实现对介质层光刻胶6的图形化，图形化后，得到若干贯通介质层光刻胶6的光刻胶层窗口7，如图5所示。光刻胶层窗口7贯通介质层光刻胶6，通过光刻胶层窗口7使得与所述光刻胶层窗口7正对应的隔离介质层5露出。
步骤2.2、利用上述介质层光刻胶6以及光刻胶层窗口7，对隔离介质层5进行刻蚀，以得到若干贯通隔离介质层5的介质层窗口8；
具体地，利用介质层光刻胶6对隔离介质层6的遮挡，从而能得到与光刻胶层窗口7正对应的介质层窗口8，介质层窗口8与光刻胶层窗口7正对应且连通，如图6所述。在得到介质层窗口8后，实现对对隔离介质层5的图形化。
步骤2.3、利用上述隔离介质层5、介质层光刻胶6对衬底1进行沟槽刻蚀，以能得到像素电极沟槽9；
具体地，像素电极沟槽9的槽口与衬底1的正面相对应，所述像素电极沟槽9的深度为当然，像素电极沟槽9的深度还可以选择其他的深度值，具体可以根据需要选择，此处不再赘述。
像素电极沟槽9在衬底1内的分布，与介质层窗口8正对应，此外，在对衬底1沟槽刻蚀时，也需要对介质层光刻胶6进行刻蚀，如图7所示。图7中，d即为像素电极沟槽9在衬底1内的刻蚀深度。
具体实施时，所述像素电极沟槽9的槽底采用圆弧过渡，其中，可以采用本技术领域常用的技术手段实现像素电极沟槽9槽底的圆弧过渡形式，具体技术手段可以根据需要选择，以能具体实现槽底的圆弧过渡为准。
步骤3、在上述衬底1的正面进行金属淀积，以制备得到所需的电极单元体11，所述电极单元体11与像素电极沟槽9适配连接，且与衬底1欧姆接触或肖特基接触，以利用电极单元体11与像素电极沟槽9配合在所述衬底1的正面形成所需的像素电极4。
具体地，在衬底1的正面采用本技术领域常用的技术手段进行金属淀积，以能制备得到电极单元体11，电极单元体11的具体情况可以参考上述说明，即包括槽内电极柱13以及槽外电极块14，槽内电极柱13与槽外电极块14采用同一工艺步骤制备得到。
根据检测器的需求，可沉积欧姆接触金属体系，也可沉积肖特基接触金属体系。以衬底1采用砷化镓为例，沉积砷化镓肖特基接触金属体系，所述沉积的金属依次分别为：Ti-Pt-Au，厚度分别为80nm-60nm-700nm，通过所述沉积的Ti-Pt-Au形成与衬底1的肖特基接触。具体淀积的金属类型以及工艺条件等可以根据需要选择，以能制备所需的淀积单元体11为准，如图8所述。
在制备电极单元体11后，需要将上述的介质层光刻胶6去除，如图9所示。具体地，去除介质层光刻胶6的工艺方式等可以根据需要选择，以能实现对介质层光刻胶6的去除为准，此处不再赘述。
进一步地，在衬底1的背面设置背面电极层2，所述背面电极层2与衬底1欧姆接触；
所述像素电极4在衬底1上呈阵列分布时，在制备得到背面电极层2后，在所述衬底1内设置若干用于抑制共享电荷发生的共享电荷抑制槽10，所述共享电荷抑制槽10沿衬底1的背面指向所述衬底1的正面方向垂直延伸，且共享电荷抑制槽10与相邻四个像素电极4所围合形成的共享电荷发生区12正对应。
本发明实施例中，为了能正常的使用，一般需要在衬底1的背面设置背面电极层2，背面电极层2需要与衬底1欧姆接触。背面沉积的欧姆金属可依次为Au、Ge、Ni以及Au，所述沉积的金属厚度典型值为分别为53nm/46nm/30nm/400nm，每层的厚度可以根据具体工艺条件进行调节。在淀积后，需要进行退火工艺，具体退火的温度以及工艺条件可以根据需要选择，以能形成良好的欧姆接触为准。
在制备得到背面电极层2后，为了能抑制共享电荷发生，还需要制备共享电荷抑制槽10，共享电荷抑制槽10的具体情况可以参考上述说明。由于先制备得到背面电极层2，因此，共享电荷抑制槽10的槽口与背面电极层2对应，共享电荷抑制槽10贯通背面电极层2。共享电荷抑制槽10在衬底1内的分布确定后，可以采用本技术领域常用的技术手段对背面电极层2以及衬底1的背面进行刻蚀，具体工艺以能得到所需的共享电荷抑制槽10为准，具体不再举例说明。
图1为与图10对应的使用状态图，为了便于说明，图1中对槽外电极块14进行了修饰，即图1中槽外电极块14相对于图10中的情况更为平整，此处仅仅为了示意具体使用时的连接情况。
具体使用时，像素电极4与读出电路3呈一一对应连接，即一个像素电极4与一读出电路3适配电连接，读出电路3可以采用现有常用的形式，利用读出电路3与像素电极4间配合实现高能X射线检测的具体情况与现有相一致，具体实现高能X射线检测的方式以及过程此处不再赘述。
Claims (9)
1.一种高能X射线检测器，包括衬底(1)以及制备于衬底(1)正面的若干像素电极(4)，其特征是：
所述像素电极(4)包括制备于衬底(1)内的像素电极沟槽(9)以及与所述像素电极沟槽(9)适配连接的电极单元体(11)，其中，
像素电极沟槽(9)在衬底(1)内沿衬底(1)的正面向指向所述衬底(1)背面的方向垂直延伸，电极单元体(11)与衬底(1)欧姆接触或肖特基接触，衬底(1)上的像素电极(4)通过覆盖所述衬底(1)正面的隔离介质层(5)绝缘隔离；
电极单元体(11)包括填充于像素电极沟槽(9)内的槽内电极柱(13)以及支撑于隔离介质层(5)上的槽外电极块(14)，所述槽外电极块(14)的外圈端角采用圆弧过渡。
2.根据权利要求1所述的高能X射线检测器，其特征是：所述像素电极(4)呈阵列分布，相邻像素电极(4)在衬底(1)间隔的距离相同。
3.根据权利要求1所述的高能X射线检测器，其特征是：所述像素电极沟槽(9)的槽底采用圆弧过渡。
4.根据权利要求2所述的高能X射线检测器，其特征是：在所述衬底(1)内设置若干用于抑制共享电荷发生的共享电荷抑制槽(10)，所述共享电荷抑制槽(10)沿衬底(1)的背面指向所述衬底(1)的正面方向垂直延伸，且共享电荷抑制槽(10)与相邻四个像素电极(4)所围合形成的共享电荷发生区(12)正对应。
5.根据权利要求1至3任一项所述的高能X射线检测器，其特征是：在所述衬底(1)的背面设置背面电极层(2)，所述背面电极层(2)与衬底(1)欧姆接触。
6.一种高能X射线检测器的制备工艺，其特征是，用于制备权利要求1所述的高能X射线检测器，所述制备工艺包括如下步骤：
步骤1、提供衬底(1)，并在所述衬底(1)的正面制备隔离介质层(5)，所述隔离介质层(5)覆盖衬底(1)的正面；
步骤2、对上述隔离介质层(5)图形化，并利用图形化后的隔离介质层(5)对衬底(1)的正面进行沟槽刻蚀，以在衬底(1)内得到像素电极沟槽(9)；
步骤3、在上述衬底(1)的正面进行金属淀积，以制备得到所需的电极单元体(11)，所述电极单元体(11)与像素电极沟槽(9)适配连接，且与衬底(1)欧姆接触或肖特基接触，以利用电极单元体(11)与像素电极沟槽(9)配合在所述衬底(1)的正面形成所需的像素电极(4)。
7.根据权利要求6所述高能X射线检测器的制备工艺，其特征是，隔离介质层(5)淀积制备于衬底(1)的正面，隔离介质层(5)包括二氧化硅层或氮化硅层，隔离介质层(5)的厚度为
8.根据权利要求6所述高能X射线检测器的制备工艺，其特征是，在衬底(1)的背面设置背面电极层(2)，所述背面电极层(2)与衬底(1)欧姆接触；
所述像素电极(4)在衬底(1)上呈阵列分布时，在制备得到背面电极层(2)后，在所述衬底(1)内设置若干用于抑制共享电荷发生的共享电荷抑制槽(10)，所述共享电荷抑制槽(10)沿衬底(1)的背面指向所述衬底(1)的正面方向垂直延伸，且共享电荷抑制槽(10)与相邻四个像素电极(4)所围合形成的共享电荷发生区(12)正对应。
9.根据权利要求6至8任一项所述高能X射线检测器的制备工艺，其特征是，所述像素电极沟槽(9)的槽底采用圆弧过渡，所述像素电极沟槽(9)的深度为
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