CN205452319U

CN205452319U - 一种核辐射探测器

Info

Publication number: CN205452319U
Application number: CN201620252515.5U
Authority: CN
Inventors: 陆敏; 郭杰
Original assignee: Chengdu Jingwei Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Jingwei Technology Co ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2026-03-29

Abstract

本实用新型公开了一种核辐射探测器。其中，核辐射探测器包括：高阻半导体层，具有上部表面和下部表面；位于高阻半导体层的上部表面的P型浅注入区；位于高阻半导体层的上部表面的P型深注入区；以及位于高阻半导体层的下部表面的N型注入区和N型电极层，其中，P型浅注入区在器件的中部，P型深注入区在P型浅注入区外部包围一圈；位于P型浅注入区上方的可见光吸收层；以可见光吸收层为中心，外围依次包围着场板层、钝化层、场限环层、钝化层；其中场限环层在P型深注入区上方；其中N型电极层在N型注入区下面。该核辐射探测器接收核辐射并产生感测电信号。该核辐射探测器可以实现高探测效率，进而实现高灵敏度。

Description

一种核辐射探测器

技术领域

本实用新型涉及属于半导体光电子技术领域，更具体地，涉及核辐射探测器。

背景技术

随着核物理实验和核科学技术的研究步步深入，核设施、射线装置在空间物理科学、地质勘探、卫生防疫、食品检测、医疗、核电、农业等领域的应用越来越广泛，相应的民众面临的核武器事故、核反应堆事故、辐射装置事故、放射性废物贮存与运输事故、医疗辐照事故等风险也越来越高。核科学技术研究和公共安全都对辐射探测技术提出了更高的要求，核辐射探测器成为不可缺少的探测器件。半导体探测器是以半导体材料为探测介质的辐射探测器。二极管两端所加偏压（一般工作于反向偏压）在灵敏区产生较大电场，入射辐射射线与半导体晶格作用在灵敏区产生电子-空穴对，数量正比于入射粒子在耗尽区内损耗的能量。电荷载流子在电压电场作用分离，向两极作漂移运动，在电极上产生感应电荷，从而在外电路中形成信号脉冲。半导体探测器按照材料分类有硅锗及化合物半导体探测器；按照应用种类有带电粒子，Χ射线和γ射线探测器；按照结构可以分为晶体电导型、PN结型、PIN结型等，其中按PN结的制备工艺又可分为面垒型探测器、离子漂移型探测器、离子注入型探测器。半导体探测器具有许多独特优良的性质，如好的能量分辨率、宽的能量线性范围、快的脉冲上升时间以及体积小，高精度的位置测量与高速读出结合，可以直接输出可利用的电子信号；能量及位置的瞬时精确测量；探测器和电子电路容易集成等等而广泛应用于核探测领域。探测效率是核辐射探测器的重要参数。探测效率主要决定于由核辐射进入到半导体器件内部的效率、光子产生电子空穴对的效率、电子空穴对的收集效率三个部分组成。期望改善核辐射探测器的效率以提高灵敏度。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种高灵敏度的核辐射探测器。

根据本实用新型的一方面，提供一种核辐射探测器，包括：高阻半导体层，具有上部表面和下部表面；位于高阻半导体层的上部表面的P型浅注入区；位于高阻半导体层的上部表面的P型深注入区；以及位于高阻半导体层的下部表面的N型注入区和N型电极层，其中，P型浅注入区在器件的中部，P型深注入区在P型浅注入区外部包围一圈；位于P型浅注入区上方的可见光吸收层；以可见光吸收层为中心，外围依次包围着场板层、钝化层、场限环层、钝化层；其中场限环层在P型深注入区上方。

优选地，本征半导体层由选自硅单晶、GaAs、GaN、AlN、SiC、ZnO、GaO或单晶金刚石中的一种组成。

优选地，P型深掺杂区包括分隔开的多个条带。进一步优选地，根据期望的击穿电压及高阻半导体层电阻率调节多个条带的数量和间距。

优选地，可见光吸收层由黑色有机薄膜、碳膜、铍金属薄膜或铝金属薄膜中的一种组成，用于阻挡可见光进入探测器，降低背景干扰，提高信噪比。

优选地，场限环层由Al、AlSi、Ag、ITO、Ti、Ni、Au、Pt中的一种或任意组合组成。

优选地，场限环层中轴线在P型深注入区中轴线外侧，即场限环层覆盖P型

深注入区的外侧多于内侧。

优选地，钝化层由氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化锆、氧化铪、氮氧化硅或

氧化铝中的一种组成。

优选地，场板层由Al、AlSi、Ag、ITO、Ti、Ni、Au、Pt中的一种或任意组合组成。

根据本实用新型的核辐射探测器，通过在上部表面设置可见光吸收层，可以阻挡可见光进入探测器，降低背景干扰，提高信噪比。在上部表面设置非对称场限环层、场板层和钝化层可以有效的均匀化内部电场和降低表面态密度，从而提高击穿电压，同时也可以有效的抑制漏电流，因此可以大大提高电子空穴对的收集效率，最终达到提高探测效率的目的。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1-2是根据本实用新型一个优选实施例的核辐射探测器的示意图，其中在图1中示出了核辐射探测器的俯视图，在图2中示出了核辐射探测器沿图1中的线V-V截取的垂直截面图；

图3-8是根据本实用新型一个优选实施例的核辐射探测器的制造关键流程的各个阶段的半导体结构的垂直截面图

具体实施方式：

下文结合附图对本实用新型优选实施例进行详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

图1-2是根据本实用新型一个优选实施例的核辐射探测器的示意图，其中在图1中示出了核辐射探测器的俯视图，在图2中示出了光电探测器沿图1中的线V-V截取的垂直截面图.该核辐射探测器100包括高阻半导体层101、P型浅注入区102、可见光吸收层103、场板层104、钝化层105、场限环层106、P型深注入区107、N型注入区108和N型电极层109。本征半导体层101具有上部表面和下部表面，可以由选自硅单晶、GaAs、GaN、AlN、SiC、ZnO、GaO或单晶金刚石中的一种组成。P型浅注入区102、可见光吸收层103、场板层104、钝化层105、场限环层106、P型深注入区10都位于高阻半导体层101的上部表面。P型浅注入区102在器件上部表面的中部，P型深注入区107在P型浅注入区102外部包围一圈；可见光吸收层103位于P型浅注入区102正上方；以可见光吸收层103为中心，外围依次包围着场板层104、钝化层105、场限环层106、钝化层105；其中场限环层106在P型深注入区107正上方；其中N型电极层109位于N型注入区108正下方。

可见光吸收层103，可以阻挡可见光进入探测器，降低背景干扰，提高信噪比。在上部表面设置非对称场限环层106、场板层104和钝化层105可以有效的均匀化内部电场和降低表面态密度，从而提高击穿电压，同时也可以有效的抑制漏电流，因此可以大大提高电子空穴对的收集效率，进而大幅提高探测效率。N型注入区108和N型电极层109位于本征半导体层101的下部表面，N型电极层109位于N型注入区108下面。当在P型浅注入区102和N型注入区108之间加反向偏压或0偏压时，即可实现核辐射探测。

在图1-2的示例中，P型深注入区107是分布在P型浅注入区102外围的一个条带。然而，P型深注入区107的配置不限于此。P型深注入区107可以包括分隔开的多个条带。P型深注入区107的多个条带的间距及数量可根据期望的击穿电压及高阻半导体层101的电阻率进行调节。P型深注入区107及其上面的场限环层106、场板层104可以使高阻半导体层101内部电场更加均匀，提高电子空穴对的收集效率。P型浅注入区102有利于调制电场，降低表面死区厚度，提高核辐射进入到半导体器件内部的效率。钝化层105可以降低表面态，从而降低表面漏电流。

在图1-2的示例中，场板层104、场限环层106和N型电极层109可以分别由选自Al、AlSi、Ag、ITO、Ti、Ni、Au、Pt中的一种或任意组合组成。例如，可以为Al、AlSi、Ag、ITO、Ti、Ni、Au、Pt等的单层，或者Ti/Al/Ni/Au的叠层。

在图1-2的示例中，可见光吸收层103由黑色有机薄膜、碳膜、铍金属薄膜或铝金属薄膜中的一种组成，用于阻挡可见光进入探测器，降低背景干扰，提高选择比。

另外，核辐射电探测器100既作为单个器件单独使用，也可以形成阵列使用，用于测量含有位置信息的辐射量。

图3-8是根据本实用新型一个优选实施例的核辐射探测器的制造关键流程的各个阶段的半导体结构的垂直截面图。

通过氧化、LPCVD、PECVD、ICPCVD或ALD生长钝化层（如氮化硅），使用不同掩模的单次或多次低能离子注入，在高阻半导体衬底(例如，单晶硅)的上部表面注入P型掺杂剂(例如，硼)，分别形成P型浅注入102，如图3所示。

通过使用不同掩模的单次或多次高能离子注入或扩散，在高阻半导体衬底(例如，单晶硅)的上部表面注入P型掺杂剂(例如，硼)，分别形成P型深注入107，如图4所示。

通过离子注入或扩散，在高阻半导体衬底(例如，单晶硅)的下部表面注入N型掺杂剂(例如，磷)，以形成N型注入区108，如图5所示。高阻半导体衬底未掺杂的部分形成高阻半导体层101。P型浅注入区102、高阻半导体层101和N型注入区108形成PIN结构。

采用磁控溅射、电子束蒸发、CVD生长、喷涂和悬涂，在半导体结构的上部表面沉积遮光材料(例如，铝薄膜)。通过光刻和蚀刻，去除遮光材料位于核辐射入射窗口（即P型浅注入区102）以外的部分，以形成可见光吸收层103，如图6所示。

采用磁控溅射、热蒸发或者电子束蒸发，在半导体结构的上部表面生长导电材料(例如，Al)，通过光刻和蚀刻，去除导电材料位于核辐射探测器钝化层上的部分，以形成场板层104和场限环层106，如图7所示。

采用磁控溅射、热蒸发或者电子束蒸发，在半导体结构的下部表面的N型注入区108上沉积导电材料(例如，Ag)，以形成N型电极层109，如图8所示。

在封装之后获得核辐射探测器100。在核辐射照射情况下，通过可见光吸收层103和P型浅注入区102，在场板层104和N型电极层109间施加反偏电压或0偏压获得核辐射信号的探测。

最后，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽地示出和描述了优选示例性的实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本申请公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims

1.一种核辐射探测器，其特征在于包括：

高阻半导体层，具有上部表面和下部表面；

位于高阻半导体层的上部表面的P型浅注入区；

位于高阻半导体层的上部表面的P型深注入区；

以及位于高阻半导体层的下部表面的N型注入区和N型电极层，其中，P型浅注入区在器件的中部，P型深注入区在P型浅注入区外部包围一圈；

位于P型浅注入区上方的可见光吸收层；以可见光吸收层为中心，外围依次包围着场板层、钝化层、场限环层、钝化层；其中场限环层在P型深注入区上方；其中N型电极层在N型注入区下面。

2.根据权利要求1所述的核辐射探测器，其特征在于高阻半导体层由选自硅单晶、GaAs、GaN、AlN、SiC、ZnO、GaO或单晶金刚石中的一种组成。

3.根据权利要求1所述的核辐射探测器，其特征在于P型深注入区包括分隔开的多个条带。

4.根据权利要求3所述的核辐射探测器，其特征在于根据期望的击穿电压及高阻半导体层电阻率调节多个条带的数量和间距。

5.根据权利要求1所述的核辐射探测器，其特征在于可见光吸收层由黑色有机薄膜、碳膜、铍金属薄膜或铝金属薄膜中的一种组成。

6.根据权利要求1所述的核辐射探测器，其特征在于场限环层由Al、AlSi、Ag、ITO、Ti、Ni、Au、Pt中的一种或任意组合组成。

7.根据权利要求6所述的核辐射探测器，其特征在于场限环层中轴线在P型深注入区中轴线外侧，即场限环层覆盖P型深注入区的外侧多于内侧。

8.根据权利要求1所述的核辐射探测器，其特征在于钝化层由氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化锆、氧化铪、氮氧化硅或氧化铝中的一种组成。

9.根据权利要求1所述的核辐射探测器，其特征在于场板层由Al、AlSi、Ag、ITO、Ti、Ni、Au、Pt中的一种或任意组合组成。

10.根据权利要求1所述的核辐射探测器，其特征在于N型接触层由Al、AlSi、Ag、ITO、Ti、Ni、Au、Pt中的一种或任意组合组成。