CN117214942B - 高纯锗探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种高纯锗探测器，涉及半导体器件技术领域，包括：晶体盒，限定出容纳空间；前端电子学，与晶体盒固定连接；高纯锗晶体，设置在容纳空间内，具有第一区域，第一区域的外表面分布有接触电极；金属电极，设置在接触电极上且远离高纯锗晶体的中心区域；晶体盒固定结构，用于将高纯锗晶体固定在晶体盒内；邦定金属丝，邦定金属丝的一端与金属电极接触，另一端与前端电子学电连接。通过引入邦定金属丝将高纯锗晶体的接触电极与前端电子学连接起来，从而以极低的物料、极低的本底实现探测器信号引出，解决现有探测器信号引出方式本底高的问题，在保持性能稳定的同时有效降低高纯锗探测器的本底，提高能量分辨率和最小可探测活度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体地，涉及一种高纯锗探测器，以及高纯锗探测器的制备方法。
背景技术
高纯锗探测器是一种能量分辨率高、探测效率高的半导体核辐射探测器。最小可探测活度（Minimum Detectable Activity, MDA）是评估高纯锗探测器γ谱分析性能的关键指标，其与探测器自身的本底呈正相关。降低探测器本底可提升高纯锗探测器谱仪系统MDA，即可用更短的测量时间达到相同探测目的。低本底高纯锗探测器广泛应用于核电运行、环境监测、国土安全等领域。
信号引出部分是高纯锗探测器的主要部件之一，良好的信号引出工艺和可靠的信号引出部分对于确保探测器信号的稳定性和可靠性意义重大。目前，常规的高纯锗探测器信号引出是以弹簧电极针挤压接触探测器电极的方式引出。这种信号引出方式难以进一步降低探测器自身本底，其原因主要有以下三点：（1）传统弹簧电极针为合金材料，材料本底较高，考虑到弹簧在高纯锗探测器工作低温下的可靠性，很难用其他纯净材料替代；（2）传统弹簧电极针一般质量较大，引入的本底多；（3）信号引出的弹簧电极针紧贴高纯锗晶体，无法进行额外的辐射屏蔽，其对探测器本底贡献极大。
为了进一步降低高纯锗探测器自身的本底，需要一种更低本底的信号引出方式实现高纯锗探测器的信号引出。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种高纯锗探测器及高纯锗探测器的制备方法，有利于降低高纯锗探测器的本底。
根据本发明的一个方面，提供了一种高纯锗探测器，包括：晶体盒，所述晶体盒限定出容纳空间；前端电子学，所述前端电子学与所述晶体盒固定连接；高纯锗晶体，所述高纯锗晶体设置在所述容纳空间内，所述高纯锗晶体具有第一区域，所述第一区域的外表面分布有接触电极；金属电极，所述金属电极设置在所述接触电极上且远离所述高纯锗晶体的中心区域；晶体盒固定结构，所述晶体盒固定结构用于将所述高纯锗晶体固定在所述晶体盒内；以及邦定金属丝，其中，所述邦定金属丝的一端与所述金属电极接触，所述邦定金属丝的另一端与所述前端电子学电连接。
根据本发明的实施例，所述金属电极为双层金属电极，其中，第一层金属电极设置于所述接触电极远离所述高纯锗晶体的一侧，第二层金属电极设置于所述第一层金属电极远离所述高纯锗晶体的一侧。
根据本发明的实施例，所述第一层金属电极和/或第二层金属电极为金属薄膜。
根据本发明的实施例，所述第一层金属电极的厚度为20～100nm；和/或，所述第二层金属电极的厚度为50～300nm。
根据本发明的实施例，所述第一层金属电极的材料为锗金属的粘附性金属材料；和/或，所述第二层金属电极的材料为惰性金属材料。
根据本发明的实施例，所述第一层金属电极的材料包括高纯度镍或金、钯、锡、铝、铜或钛中的一种；和/或，所述第二层金属电极的材料包括金、钯或铂中的一种。
根据本发明的实施例，所述第一层金属电极的材料为高纯度镍或高纯度金；和/或，所述第二层金属电极的材料为高纯度金。
根据本发明的实施例，所述邦定金属丝包括金丝或铝丝。
根据本发明的实施例，邦定金属丝的直径为0.025-0.050mm。
根据本发明的实施例，所述晶体盒的材料包括铜或铝。
根据本发明的实施例，所述晶体盒的材料为高纯铜。
根据本发明的实施例，所述前端电子学包括：前端电子学基板；前端电子学本体，所述前端电子学本体设置在所述前端电子学基板上，所述前端电子学本体具有输入端和输出端，所述输入端与所述邦定金属丝的另一端电连接。
根据本发明的实施例，所述高纯锗晶体的接触电极包括P+电极或N+电极。
本发明的第二方面，提供了一种高纯锗探测器的制备方法，包括：对高纯锗晶体进行预处理，其中，所述高纯锗晶体具有第一区域和第二区域，其中，所述第一区域的外表面分布有接触电极；对所述高纯锗晶体的第二区域进行掩膜保护；将已进行掩膜保护的高纯锗晶体放置于设置有金属靶材的真空腔内，加热所述已进行掩膜保护的高纯锗晶体以及所述金属靶材，使所述金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的第一区域，形成金属电极；将制备有金属电极的高纯锗晶体和前端电子学装配于晶体盒，包括：将制备有金属电极的高纯锗晶体放置于晶体盒，用晶体盒固定结构将所述制备有金属电极的高纯锗晶体固定在所述晶体盒内，将前端电子学与所述晶体盒固定连接；将所述金属电极和所述前端电子学邦定连接，所述邦定连接包括：将所述金属电极和所述前端电子学通过邦定金属丝超声邦定连接，其中，所述邦定金属丝的一端与所述金属电极接触，所述邦定金属丝的另一端与所述前端电子学电连接。
根据本发明的实施例，其中，所述对高纯锗晶体进行预处理包括：清洗并干燥所述高纯锗晶体。
根据本发明的实施例，其中，利用蒸发沉积的方法将所述金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的第一区域，其中，所述蒸发沉积的方法包括电子束蒸镀，热阻蒸发或溅射镀膜中的一种。
根据本发明的实施例，形成金属电极包括：利用蒸发沉积的方法使第一金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的外表面，形成第一层金属电极；利用蒸发沉积的方法使第二金属靶材沉积于所述第一层金属电极，形成第二层金属电极。
根据本发明的实施例，将所述高纯锗晶体加热到30～60℃，以利用蒸发沉积的方法将所述金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的第一区域。
根据本发明的实施例，所述掩膜的材料为洁净材料。
根据本发明的实施例，所述掩膜的材料为铜。
根据本发明的实施例，将所述金属电极和所述前端电子学邦定连接包括：将装配好的晶体盒放置于邦定设备，利用所述邦定设备将所述金属电极与所述前端电子学电极的输入端超声邦定连接。
根据本发明的实施例，超声邦定功率为2.0～4.0W，超声邦定时间为40～60ms，超声邦定压力为30～40gf。
本发明的实施例，通过引入邦定金属丝，将高纯锗晶体的接触电极与前端电子学连接起来，从而以极低的物料、极低的本底实现探测器信号引出，能够在保持性能稳定的同时有效降低高纯锗探测器的本底，提高能量分辨率和最小可探测活度。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。在附图中：
图1示意性示出了传统的弹簧电极针信号引出高纯锗探测器结构的示意图;
图2A示意性示出了根据本发明的实施例的高纯锗探测器的正视图;
图2B示意性示出了根据本发明的实施例的高纯锗探测器的局部放大图;
图3示意性示出了根据本发明的实施例的高纯锗探测器的制备方法的流程图;
图4示意性示出了根据本发明的实施例的将制备有金属电极的高纯锗晶体和前端电子学装配于晶体盒的方法的流程图;
图5示意性示出了根据本发明的实施例的邦定连接的方法的流程图;
图 6示意性示出了根据本发明的实施例的形成金属电极的方法的流程图;
图 7示意性示出了根据本发明的实施例的将所述金属电极和所述前端电子学邦定连接的方法的流程图;
图8A示意性示出了根据本发明的对比例的样品A’的本底计数实测结果;
图8B示意性示出了根据本发明的实施例的样品A的本底计数模拟测试结果。
具体实施方式
为使公开的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。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发明实施例的全面理解。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发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C等）。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。
高纯锗探测器是一种能量分辨率高、探测效率高的半导体核辐射探测器。在高纯锗探测器中，锗材料的纯度在99.999%以上。这种高纯度的锗具有很高的光电转换效率和较好的能量分辨率，使得高纯锗探测器在辐射探测、核物理实验等方面有广泛的应用。最小可探测活度（Minimum Detectable Activity, MDA）是探测器能够检测到的最低浓度，其是评估高纯锗探测器γ谱分析性能的关键指标。MDA表示给定置信水平下，设备或系统能探测到的被测量样品或介质中放射性的最小活度。MDA值越小，其探测活度越高，灵敏度越高。探测器的本底是探测器中存在的固有噪声或干扰信号，其不是来自于待测样品的辐射，而是来自于探测器自身的物理特性或制造工艺等因素。探测器的本底通常包括热噪声，暗电流，漂移噪声，背景噪声等。高纯锗探测器的最小可探测活度与探测器自身的本底呈正相关。降低探测器本底可提升高纯锗探测器谱仪系统的MDA，即可用更短的测量时间达到相同的探测目的。
目前，常规的高纯锗探测器信号引出方式是以弹簧电极针挤压接触探测器电极的方式引出。
图1示意性示出了传统的弹簧电极针信号引出高纯锗探测器结构的示意图。
如图1所示，传统的弹簧电极针信号引出的高纯锗探测器包括高纯锗晶体1，晶体盒固定结构2，晶体盒3，前端电子学4，弹簧电极针5。其中，高纯锗晶体1被装配于晶体盒3中。利用晶体盒固定结构2将高纯锗晶体1固定在晶体盒3内。高纯锗晶体1可以为已制备金属电极的高纯锗晶体。弹簧电极针5一端与金属电极接触，另一端与前端电子学4电连接。其中，高纯锗晶体1可以包括但不限于P型高纯锗晶体和N型高纯锗晶体。在一个具体的示例中，高纯锗晶体1可以为P型高纯锗晶体，其可以包括N+电极和P+电极。其中，N+电极通过由晶体盒3产生的压力和高纯锗晶体1表面紧密接触，以保证良好的欧姆接触和稳定的信号传输。P+电极主要用于信号引出，以便对探测到的信号进行采集和处理。当高纯锗晶体1为P型高纯锗晶体时，弹簧电极针5一端与P+电极接触，另一端与前端电子学4连接，对探测器造成较大的本底贡献。主要原因包括：（1）传统弹簧电极针为合金材料，材料本底较高，考虑到弹簧在高纯锗探测器工作低温下的可靠性，很难用其他纯净材料替代；（2）传统弹簧电极针一般质量较大，引入的本底多；（3）信号引出的弹簧电极针紧贴高纯锗晶体，无法进行额外的辐射屏蔽。
如何改进高纯锗探测器信号引出方式，进一步降低高纯锗探测器的本底意义重大。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种高纯锗探测器。包括：晶体盒，所述晶体盒限定出容纳空间；前端电子学，所述前端电子学与所述晶体盒固定连接；高纯锗晶体，所述高纯锗晶体设置在所述容纳空间内，所述高纯锗晶体具有第一区域，所述第一区域的外表面分布有接触电极；金属电极，所述金属电极设置在所述接触电极上且远离所述高纯锗晶体的中心区域；晶体盒固定结构，所述晶体盒固定结构用于将所述高纯锗晶体固定在所述晶体盒内；以及邦定金属丝，其中，所述邦定金属丝的一端与所述金属电极接触，所述邦定金属丝的另一端与所述前端电子学电连接。
图2A示意性示出了根据本发明的实施例的高纯锗探测器的正视图。图2B示意性示出了根据本发明的实施例的高纯锗探测器的局部放大图。
如图2A所示，该实施例的高纯锗探测器包括高纯锗晶体201，晶体盒固定结构202，晶体盒203，前端电子学204，邦定金属丝205。其中，晶体盒203限定出容纳空间；高纯锗晶体201设置在容纳空间内。如图2B所示，高纯锗晶体201还具有第一区域，所述第一区域的外表面分布有接触电极206。金属电极207设置在接触电极206上且远离所述高纯锗晶体201的中心区域。在图2A中，前端电子学204与所述晶体盒203固定连接。晶体盒固定结构202用于将所述高纯锗晶体201固定在所述晶体盒203内。典型的，晶体盒固定结构202可以为晶体盒压盖。需说明，图2A中的晶体盒固定结构202的形状及固定方式仅为示意性说明。除晶体盒压盖外，还可通过其他固定方式将高纯锗晶体201固定在晶体盒203内。例如，可以通过螺钉固定，螺栓固定；可以以压的方式进行固定，也可以通过侧面连接的方式进行固定等。晶体盒固定结构202的形状及固定方式不构成对本发明的实施例的限制。邦定金属丝205一端与所述金属电极207接触，所述邦定金属丝205的另一端与所述前端电子学204电连接。
本发明的实施例，通过引入邦定金属丝，将接触电极206与前端电子学204连接起来，从而以极低的物料、极低的本底实现探测器信号引出，能够有效降低高纯锗探测器的本底。
在一些实施例中，金属电极207为双层金属电极。其中，第一层金属电极设置于所述接触电极206远离所述高纯锗晶体201的一侧，第二层金属电极设置于所述第一层金属电极远离所述高纯锗晶体201的一侧。通过引入双层金属电极，可以提高邦定金属丝连接的可靠性，有利于提高高纯锗探测器的探测性能。
优选的，第一层金属电极和/或第二层金属电极为金属薄膜。
优选的，第一层金属电极的厚度为20～100nm；和/或，所述第二层金属电极的厚度为50～300nm。
在本发明的实施例中，金属电极厚度越薄，探测器灵敏度越高。然而，当金属电极过薄时，可能导致其机械强度不足。本发明的实施例中通过设置第一层金属电极和第二层金属电极的厚度可以使得高纯锗探测器在保持高灵敏度的同时具有较好的机械强度，以提高探测器的最小可探测活度和稳定性。
根据本发明的一些实施例，第一层金属电极的材料为锗金属的粘附性金属材料；和/或，所述第二层金属电极的材料为惰性金属材料。其中，第一层金属电极所使用的锗金属的粘附性金属材料具有对锗的良好的附着性能，其具有较低的表面张力和表面能，能够与锗形成牢固的粘附力。第二层金属电极所使用的惰性金属材料化学性质稳定，其能够有效收集电子，降低表面电场，保护探测器表面并提高探测器的分辨率。通过选用本发明的一些实施例的金属电极材料，能够提升高纯锗探测器的稳定性和可靠性。
优选的，第一层金属电极的材料包括高纯度镍或金、钯、锡、铝、铜或钛中的一种；和/或，所述第二层金属电极的材料包括金、钯或铂中的一种。其中，金、钯、锡、铝、铜、钛或铂可以优选为高纯度金、高纯度钯、高纯度锡、高纯度铝、高纯度铜、高纯度钛或高纯度铂，以进一步降低探测器本底。其中，“高纯”意为金属材料的纯度为99.999%以上。
进一步优选的，第一层金属电极的材料为高纯度镍或高纯度金；和/或，所述第二层金属电极的材料为高纯度金。其中，高纯度镍可以为纯度为99.999%以上的镍。
根据本发明的实施例，邦定金属丝可以包括金丝或铝丝。优选的，邦定金属丝的直径为0.025-0.050mm。
根据本发明的实施例，晶体盒的材料包括铜或铝。优选的，晶体盒的材料为高纯铜材料，以进一步降低探测本底。
根据本发明的实施例，前端电子学，包括：前端电子学基板；前端电子学本体，所述前端电子学本体设置在所述前端电子学基板上，所述前端电子学本体具有输入端和输出端，所述输入端与所述邦定金属丝的另一端电连接。其中，示例性的前端电子学可以为电子学前置放大器基板。
根据本发明的实施例，高纯锗晶体的接触电极包括P+电极或N+电极。本发明实施例的接触电极的类型不作限制。由此，本发明的实施例的高纯锗探测器可以采用不同类型的高纯锗晶体。
本发明的另一方面，还提供了一种高纯锗探测器的制备方法。
图3示意性示出了根据本发明的实施例的高纯锗探测器的制备方法的流程图。
如图3所示，本发明的实施例的高纯锗探测器的制备方法包括操作S301～操作S305。
在操作S301，对高纯锗晶体进行预处理，其中，所述高纯锗晶体具有第一区域和第二区域，其中，所述第一区域的外表面分布有接触电极。
在操作S302，对所述高纯锗晶体的第二区域进行掩膜保护。
在操作S303，将已进行掩膜保护的高纯锗晶体放置于设置有金属靶材的真空腔内，加热所述已进行掩膜保护的高纯锗晶体以及所述金属靶材，使所述金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的第一区域，形成金属电极。
在操作S304，将制备有金属电极的高纯锗晶体和前端电子学装配于晶体盒。
根据本发明的实施例，掩膜的材料为洁净材料。进一步优选的，掩膜的材料为铜。
图4示意性示出了根据本发明的实施例的将制备有金属电极的高纯锗晶体和前端电子学装配于晶体盒的方法的流程图。
如图4所示，本发明的实施例的将制备有金属电极的高纯锗晶体和前端电子学装配于晶体盒的方法包括操作S401～S403。
在操作S401，将制备有金属电极的高纯锗晶体放置于晶体盒。
在操作S402，用晶体盒固定结构将所述制备有金属电极的高纯锗晶体固定在所述晶体盒内。
在操作S403，将前端电子学与所述晶体盒固定连接。
在一个具体的示例中，可以将高纯锗晶体放入配置的晶体盒，用晶体盒固定结构将晶体固定在晶体盒内，将需要连接的电子学前置放大器基板与晶体盒固定。可选的，可以用乙醇对需要与高纯锗晶体金属电极连接的区域进行清洁。
装配完成，执行操作S305。
在操作S305，将所述金属电极和所述前端电子学邦定连接。
图5示意性示出了根据本发明的实施例的邦定连接的方法的流程图。
如图5所示，本发明的实施例的邦定连接的方法包括操作S501。
在操作S501，所述金属电极和所述前端电子学通过邦定金属丝超声邦定连接。其中，所述邦定金属丝的一端与所述金属电极接触，所述邦定金属丝的另一端与所述前端电子学电连接。
本发明实施例的高纯锗探测器的制备方法，可以制备本发明的实施例的高纯锗探测器。由于金属电极与前端电子学通过超声邦定连接，有效减少传统的弹簧电极针信号引出方式带来的放射性本底，从而降低高纯锗探测器的本底，提升其最小可探测活度。
优选的，对高纯锗晶体进行预处理包括：清洗并干燥所述高纯锗晶体。其中，清洗剂可以包括但不限于丙酮、甲醇，去离子水中的一种或多种。可以多次清洗高纯锗晶体以保持表面洁净以备后续工艺。单次清洗时间可以为5-10min。其中，在干燥高纯锗晶体时，可以使用惰性气体干燥，例如，可以使用高纯氮气烘干清洗后的高纯锗晶体。
优选的，晶体盒的材料为铜或铝。为降低探测器本底，晶体盒的材料可以进一步优选高纯铜材料。
优选的，可以利用蒸发沉积的方法将所述金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的第一区域。其中，蒸发沉积的方法包括电子束蒸镀，热阻蒸发或溅射镀膜中的一种。进一步优选的，可以采用电子束蒸镀的方法沉积所述金属靶材。
在本发明的实施例中，形成双层金属电极以提高邦定工艺焊点的稳定性。
邦定工艺在半导体技术领域是一种成熟的封装技术。其使用超声波能量来实现芯片内部电路与封装管脚或线路板镀金铜箔的连接。工艺过程包括：使用超声波发生器产生超声波，通过换能器产生高频振动，然后通过变幅杆将超声能量传递到劈刀。当劈刀与引线及被焊件接触时，在压力和振动的作用下，待焊金属表面相互摩擦，氧化膜被破坏，并发生塑性变形，从而使两个纯净的金属面紧密接触，达到原子距离的结合，最终形成牢固的机械连接。在本发明的实施例中，邦定金属丝与高纯锗探测器及前端电子学的焊点的可靠性对于高纯锗探测器的最小可探测活度以及探测器本底有重要的影响。由于传统的邦定工艺在大气环境中操作，而高纯锗探测器无法在大气环境中加热处理，由此采用传统的邦定工艺对高纯锗探测器进行信号引出时，需要较为严格的工艺条件以提升焊点的牢固性。
本发明的实施例中，通过在高纯锗探测器表面制备双层金属电极可以有效提升邦定金属丝焊点的可靠性。在本发明的实施例中，利用蒸发沉积的方法形成两层金属电极。
图6示意性示出了根据本发明的实施例的形成金属电极的方法的流程图。
如图6所示，本发明的实施例的形成金属电极的方法的流程图包括操作S601～操作S602。
其中，在操作S601，利用蒸发沉积的方法使第一金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的外表面，形成第一层金属电极。
在操作S602，利用蒸发沉积的方法使第二金属靶材沉积于所述第一层金属电极，形成第二层金属电极。
具体的，可以将所述高纯锗晶体放入真空腔内，在金属电极区域表面制备金属层，包括：将所述高纯锗晶体及其掩膜放置在设有金属靶材的所述真空腔内，并对所述真空腔进行抽真空直至所述真空腔内的真空度达到预设真空度；将所述锗探测器加热到预设温度30～60℃，并加热金属靶材使其融化蒸发沉积在金属电极区域，形成预设厚度的双层金属电极层。
优选的，第一层金属电极的材料可以选择和锗金属粘附性较好的金属，例如可以包括高纯度镍或金、钯、锡、铝、铜或钛中的一种；第二层金属电极的材料可以为化学性质稳定的金属层，例如可以包括高纯度金、钯或铂中的一种。在本发明的实施例中，由于蒸发沉积镀膜时，随着薄膜厚度的增加，衬底表面温度常出现升高的现象，尤其是蒸镀熔点较高的金属，控制衬底温度是获得稳固可靠金属层的关键。为进一步提高本发明实施例中焊点的稳定性，可以将所述高纯锗晶体加热到30～60℃，以利用蒸发沉积的方法将所述金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的第一区域。
图7示意性示出了根据本发明的实施例的将所述金属电极和所述前端电子学邦定连接的方法的流程图。
如图7所示，本发明的实施例的将所述金属电极和所述前端电子学邦定连接的方法的流程图包括操作S701。
在操作S701，将装配好的晶体盒放置于邦定设备，利用所述邦定设备将所述金属电极与所述前端电子学电极的输入端超声邦定连接。
其中，典型的邦定设备包括邦定机，例如金丝或铝丝邦定机。具体的，可以将晶体盒放置于邦定机操作台，采用预定设置的功率、时间、压力参数，使用邦定机打线将金属电极与前端电子学电极连接，实现信号的引出。
其中，优选的超声邦定功率为2.0～4.0W，超声邦定时间为40～60ms，超声邦定压力为30～40gf。在本发明的实施例的优选的超声邦定功率、时间和压力下，可以进一步提高邦定金属丝与金属电极以及前端电子学电极间焊点的可靠性，降低高纯锗探测器的本底，提高最小可探测活度。
优选的，用于邦定工艺引线的金属丝可以选择金或铝。进一步优选的，邦定金属丝可以为铝，以进一步降低工艺条件的要求。
本发明的实施例，通过超声焊接的方式，将高纯锗晶体表面的金属电极与前端电子学连接起来，从而以极低的物料、极低的本底实现探测器信号引出。
在一些方面，传统弹簧电极针质量在2-10g，而邦定金属丝质量仅为0.0002-0.0015g。且弹簧电极针材料多为合金材料，在本底测量中其天然放射性本底较高。本发明的具体实施例的邦定工艺采用高纯铝丝或高纯金丝作为邦定金属丝材料，其天然放射性本底较低。
其次，通过模拟可以得到常规电极针在输入端引入的探测器电容通常在1-5pF（与电极针尺寸有关，典型值为3pF），而邦定工艺引入的探测器电容小于0.1pF，更小的探测器电容有利于实现更低的电子学噪声性能。
在一具体示例中，选用两种高纯锗晶体，采用操作S301～操作S305并按照表1中的超声邦定参数条件制备得到两个高纯锗探测器样本A和B。与此同时，采用传统弹簧针工艺制备得到对比例样品A’和B’。其中，A和A’的区别仅在于信号引出方式的不同，B和B’的区别仅在于信号引出方式的不同。
表1
对样品A，B，A’和B’进行测试，得到能量分辨率如表2所示。其中，能量分辨率为特征伽马射线谱线的宽度，以keV为单位，宽度越小能量分辨率越好。
表2
由表2可见，采用邦定工艺制备的高纯锗探测器的能量分辨率优于同一个探测器采用传统弹簧针工艺制备时的能量分辨率。
进一步，对样品A’和A进行本底计数测试。
图8A示意性示出了根据本发明的对比例的样品A’的本底计数实测结果。如图8A所示，横坐标为能量，即伽马射线能量，单位为keV。纵坐标为计算得到的归一化计数率，单位是cts per kg keV day（cpkkd），即每千克高纯锗探测器每天在每keV的能量范围内测量到的本底计数。
由图8A可知，对于样品A’，其在0到3500keV的能区内本底计数为1.37×104个本底计数每天，即1.37×104cpd。
由于样品A在与样品A’相同的测试条件下测得本底计数率过低，需要在超低本底环境（如极深地下实验室）进行长时间测量（数月），测试环境搭建困难。本发明的实施例使用Geant4软件对样品A建模，使用蒙特卡洛模拟方法得到了邦定工艺探测器的本底模拟能谱。
图8B示意性示出了根据本发明的实施例的样品A的本底计数模拟测试结果。
如图8B所示，横坐标为能量，即伽马射线能量，纵坐标为计算得到的归一化计数率，单位是cts per kg keV day（cpkkd），即每千克高纯锗探测器每天在每keV的能量范围内测量到的本底计数。
由图8B可知，对于样品A，其在0到3500keV的能区内本底计数为6.13×102 cpd，降低到了弹簧针读出高纯锗探测器的5%。
进一步，对样品A和A’进行最小可探测活度MDA测试。选用4个相同的Φ8×4cm3的圆柱形铜样，测量时间为30天，分别利用高纯锗探测器样品A和A’对上述铜样进行测试，得到二者对于232Th、238U、40K三种常见天然本底的最小可探测活度MDA值如表3所示。
表3
由表3所示，样品A具有远低于A’的最小可探测活度值，邦定工艺的使用大大提升了高纯锗探测器的探测灵敏度。
除非另有特别说明，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中± 5％的变化、在一些实施例中± 1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/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/或结合均落入本发明的范围。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (22)
1.一种高纯锗探测器，其特征在于，包括：
晶体盒，所述晶体盒限定出容纳空间；
前端电子学，所述前端电子学与所述晶体盒固定连接；
高纯锗晶体，所述高纯锗晶体设置在所述容纳空间内，所述高纯锗晶体具有第一区域，所述第一区域的外表面分布有接触电极；
金属电极，所述金属电极设置在所述接触电极上且远离所述高纯锗晶体的中心区域；
晶体盒固定结构，所述晶体盒固定结构用于将所述高纯锗晶体固定在所述晶体盒内；以及
邦定金属丝，其中，所述邦定金属丝的一端与所述金属电极接触，所述邦定金属丝的另一端与所述前端电子学电连接。
2.根据权利要求1所述的高纯锗探测器，其中，所述金属电极为双层金属电极，其中，第一层金属电极设置于所述接触电极远离所述高纯锗晶体的一侧，第二层金属电极设置于所述第一层金属电极远离所述高纯锗晶体的一侧。
3.根据权利要求2所述的高纯锗探测器，其中，所述第一层金属电极和/或第二层金属电极为金属薄膜。
4.根据权利要求3所述的高纯锗探测器，其中，所述第一层金属电极的厚度为20～100nm；和/或，所述第二层金属电极的厚度为50～300nm。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的高纯锗探测器，其中，所述第一层金属电极的材料为锗金属的粘附性金属材料；和/或，所述第二层金属电极的材料为惰性金属材料。
6.根据权利要求5所述的高纯锗探测器，其中，所述第一层金属电极的材料包括高纯度镍或金、钯、锡、铝、铜或钛中的一种；和/或，所述第二层金属电极的材料包括金、钯或铂中的一种。
7.根据权利要求6所述的高纯锗探测器，其中，所述第一层金属电极的材料为高纯度镍或高纯度金；和/或，所述第二层金属电极的材料为高纯度金。
8.根据权利要求1所述的高纯锗探测器，其中，所述邦定金属丝包括金丝或铝丝。
9.根据权利要求1或7所述的高纯锗探测器，其中，邦定金属丝的直径为0.025-0.050mm。
10.根据权利要求1所述的高纯锗探测器，其中，所述晶体盒的材料包括铜或铝。
11.根据权利要求1或10所述的高纯锗探测器，其中，所述晶体盒的材料为高纯铜。
12.根据权利要求1所述的高纯锗探测器，其中，所述前端电子学，包括：
前端电子学基板；
前端电子学本体，所述前端电子学本体设置在所述前端电子学基板上，所述前端电子学本体具有输入端和输出端，所述输入端与所述邦定金属丝的另一端电连接。
13.根据权利要求1所述的高纯锗探测器，其中，所述高纯锗晶体的接触电极包括P+电极或N+电极。
14.一种高纯锗探测器的制备方法，其特征在于，包括：
对高纯锗晶体进行预处理，其中，所述高纯锗晶体具有第一区域和第二区域，其中，所述第一区域的外表面分布有接触电极；
对所述高纯锗晶体的第二区域进行掩膜保护；
将已进行掩膜保护的高纯锗晶体放置于设置有金属靶材的真空腔内，加热所述已进行掩膜保护的高纯锗晶体以及所述金属靶材，使所述金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的第一区域，形成金属电极；
将制备有金属电极的高纯锗晶体和前端电子学装配于晶体盒，包括：将制备有金属电极的高纯锗晶体放置于晶体盒，用晶体盒固定结构将所述制备有金属电极的高纯锗晶体固定在所述晶体盒内，将前端电子学与所述晶体盒固定连接；
将所述金属电极和所述前端电子学邦定连接，所述邦定连接包括：将所述金属电极和所述前端电子学通过邦定金属丝超声邦定连接，其中，所述邦定金属丝的一端与所述金属电极接触，所述邦定金属丝的另一端与所述前端电子学电连接。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其中，所述对高纯锗晶体进行预处理包括：清洗并干燥所述高纯锗晶体。
16.根据权利要求14所述的制备方法，其中，利用蒸发沉积的方法将所述金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的第一区域，其中，所述蒸发沉积的方法包括电子束蒸镀，热阻蒸发或溅射镀膜中的一种。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，形成金属电极包括：
利用蒸发沉积的方法使第一金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的外表面，形成第一层金属电极；
利用蒸发沉积的方法使第二金属靶材沉积于所述第一层金属电极，形成第二层金属电极。
18.根据权利要求16或17所述的制备方法，其中，将所述高纯锗晶体加热到30～60℃，以利用蒸发沉积的方法将所述金属靶材沉积于所述高纯锗晶体的第一区域。
19.根据权利要求14所述的制备方法，其中，所述掩膜的材料为洁净材料。
20.根据权利要求14所述的制备方法，其中，所述掩膜的材料为铜。
21.根据权利要求14所述的制备方法，其中，将所述金属电极和所述前端电子学邦定连接包括：
将装配好的晶体盒放置于邦定设备，利用所述邦定设备将所述金属电极与所述前端电子学电极的输入端超声邦定连接。
22.根据权利要求21所述的制备方法，其中，超声邦定功率为2.0～4.0W，超声邦定时间为40～60ms，超声邦定压力为30～40gf。
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|---|
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