一种石墨烯半导体辐射探测器件及其制备方法技术

本发明专利技术请求保护一种石墨烯半导体辐射探测器件及其制备方法，其采用石墨烯场效应管电阻值作为测量物理量，具体包括：半导体晶体材料层、绝缘隔离层、石墨烯材料层及感应信号电极层，在高原子序数辐射作用晶体表面制备面元阵列结构石墨烯结构层，构建面元阵列石墨烯场效应管结构，采用半导体介质CdZnTe晶体材料作为射线光子吸收介质，同时采用施加了偏置电压的石墨烯场效应管作为信号产生层。本发明专利技术以石墨烯材料层的阻值为探测物理量，能够有效降低传统电荷灵敏前置放大电路的高成本及复杂度，同时能够有效提高信号传输链路的抗干扰性。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯半导体辐射探测器件及其制备方法
本专利技术属于辐射探测器件领域，尤其涉及半导体辐射探测器件及其制备方法
技术介绍
本专利技术涉及X射线、Gamma射线及中子射线等辐射能谱探测
，尤其涉及基于半导体辐射介质材料的射线光子脉冲幅度探测及甄别计数的辐射能谱探测芯片架构。对辐射探测器而言，通过射线辐射能量的差异可区分不同的X射线或放射性核素，实现X射线强度、Gamma射线所包含不同核素能量的测量。根据探测器使用的材料不同，辐射探测器可分为气体电离计数器、闪烁体探测器和半导体探测器等。气体电离计数器出现最早，但由于对不同的射线输入均产生相同的脉冲输出，因此灵敏度差，且很难分辨射线的种类。闪烁体探测器必需和光电倍增管等一起搭配使用，限制了能量分辨率的提高。半导体辐射探测器具有很高的探测效率和能量分辨率，是目前高能量分辨率辐射探测器的典型代表。与传统气体、闪烁体辐射探测器相比，半导体辐射探测器最主要的优点是能够通过探测光生载流子迁移产生的感应电荷量来实现入射辐射光子能量信息的探测甄别，同时与前端读出系统芯片封装在一起，可制作成高分辨率和小面积的成像探测器。通常情况下，半导体辐射探测器主要由半导体晶体材料、读出电极、感应信号处理电路和控制系统组成。半导体晶体材料方面，根据所需要探测的辐射能量范围可以采用不同的辐射作用介质晶体材料，对低能X射线探测，可以采用未掺杂Si晶体材料；对中高能X射线、Gamma射线及中子辐射可以采用高原子序数CdTe/CdZnTe材料。现阶段半导体辐射探测器都采取更为高效的单极性载流子收集特性的探测器结构，即探测器响应信号以电子载流子迁移引起的感应信号为主，可以很好地改善半导体晶体材料低空穴迁移率所导致的低能量分辨率等问题。目前，阳极为像素阵列电极，阴极为整体平面电极的单极性探测器结构一直是半导体成像及能谱探测器的主要结构形式之一，具体参见图1传统像素阵列半导体辐射探测器结构示意图。像素阵列半导体辐射探测器具有位置敏感特性，其像素阳极尺寸直接决定了成像探测器的空间分辨率，同时像素阵列电极结构存在的“小像素效应”使得探测器具备单极性载流子收集特性，能量分辨率可以得到明显改善。因此，具有小尺寸阳极单元的大面积像素阵列探测器成为国内外X射线与Gamma射线辐射探测主流半导体辐射探测器结构。面元像素阵列结构的半导体辐射探测器主要由以下核心部件组成：与辐射光子相作用的半导体材料碲锌镉(CdZnTe)晶体，在半导体材料表面制备的面元阵列读出电极以及与读出电极紧密连接的专用集成电路(ASIC)。从图1可知，面元像素阵列半导体辐射探测器采用一个整体半导体晶体与辐射光子作用，进而由面元像素阵列电极收集晶体内部产生的感应电荷信号，同时，为了使探测器具有位置灵敏特性及成像能力，面元像素阵列电极都通过倒装焊接工艺与读出ASIC相连。就探测器信号产生及处理过程而言，当入射射线光子在半导体材料中产生相互作用时，在晶体内部生成与入射光子能量成正比的电荷载流子，在外加电场的影响下，载流子向像素电极迁移，在电子载流子迁移过程中，在对应位置读出电极上会产生感应电荷，与读出电极倒装连接的ASIC电路则通过每个电极信号通道里的电荷灵敏前置放大电路将感应电荷信号转化成电压信号，进一步通过脉冲整形电路及电压脉冲高度比较器将前放电路输出的低信噪比的电压脉冲信号处理成高信噪比的高斯电压脉冲，然后对其进行后续脉冲幅度谱的处理。现有技术的缺点：目前传统半导体辐射探测器都是采用测量及处理光生载流子信号在迁移过程中产生的感应电荷信号为主要信号处理流程，通过各种低噪声及高信噪比的电子学电路技术进行电荷信号的降噪及放大处理，并将感应电荷信号转换为电压信号以便于后期脉冲幅度甄别处理。在这一信号处理流程里，感应电荷信号作为探测器输出的原始信号，其抗干扰性较差，通常所采用的电荷灵敏放大电路对信号噪声要求及探测器电磁屏蔽要求极高，所以通常必须采用倒装焊接的方式将前置放大电路与读出电极紧密连接以减小信号传输路径。同时设计不同的低噪声电荷灵敏放大电路进行感应电荷信号的第一级处理电路，由于高灵敏度、高信噪比的要求，通常前置放大电路都较为复杂，造成相应的ASIC芯片电路面积较大，成本较高，噪声性能也并不理想，通常都需要更进一步的整形放大电路进行处理。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种石墨烯半导体辐射探测器件及其制备方法。本专利技术的技术方案如下：一种石墨烯半导体辐射探测器件，其采用石墨烯场效应管电阻值作为测量物理量，具体包括：半导体晶体材料层、绝缘隔离层、石墨烯材料层及感应信号电极层，其中，所述半导体晶体材料层表面设置有绝缘隔离层，在绝缘隔离层上设置有石墨烯材料层，石墨烯材料层表面设置有感应信号电极层，半导体晶体材料层采用高原子序数CdZnTe晶体制备，用于与入射辐射光子产生相互作用并生成电子云，其接受辐射表面制备金属电极阴级层，并施加外加偏置电压，绝缘隔离层用于阻断探测器半导体漏电流，石墨烯材料层用于感应由于辐射作用导致的半导体材料内部电场变化，及感应信号电极层用于连接石墨烯材料及阻值测量电路的前端信号收集，主要收集与石墨烯材料层阻态成正比的电信号，所述石墨烯材料层为面元阵列结构石墨烯材料层其阻态与入射辐射强度成正比，构建面元阵列形式的石墨烯场效应管结构，探测器信号输出端为感应信号电极层，采用高功函数材料制备电极，探测器结构中绝缘隔离层、石墨烯材料层与感应信号收集层形成了石墨烯场效应管结构。进一步的，所述半导体晶体材料层厚度及绝缘隔离层厚度满足1000：1的比例关系(如：半导体晶体层5mm,绝缘隔离层5μm)，石墨烯材料层厚度为石墨烯材料通常物理厚度进一步的，绝缘隔离层采用SiO2。进一步的，半导体辐射探测器件在正常进行辐射探测前，需要优化调节外加偏压，使石墨烯材料层处于狄拉克(Dirac)曲线临界点，在这一条件下，一旦石墨烯材料层偏置电场产生变化，石墨烯材料层的阻值会发生明显变化。一种基于辐射探测器件的制备方法，其包括以下步骤：步骤1、首先，采用机械剥离及化学气相沉积的方法在CdTe及CdZnTe晶体表面制备石墨烯层，石墨烯沉积在已施加偏置电压的CdZnTe晶体表面；步骤2、采用标准等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在CdZnTe晶体表面制备SiO2薄膜作为绝缘隔离层，在较低温度下实现500nmSiO2薄膜沉积以SiO2绝缘层为基底，采用化学气相沉积制备石墨烯，再从制备基底上转移石墨烯到SiO2绝缘层；步骤3、转移石墨烯完成后，采用标准半导体光刻技术进行面元阵列石墨烯层制备，光刻图形为面元阵列形状，在器件的石墨烯层上形成面元阵列石墨烯层，关键步骤在于：需要保留的石墨烯面元阵列部分保留光刻胶，其余部分通过显影液去除光刻胶，通过干法刻蚀机去除器件多余石墨烯材料，刻蚀参数为氧等离子体压强20mTorr(毫托)，功率30W(瓦)，氧气流量30sccm(标准状态毫升/分钟)条件，刻蚀时间20s(秒)；步骤4、面元阵列石墨烯层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯半导体辐射探测器件，其特征在于，采用石墨烯场效应管电阻值作为测量物理量，具体包括：半导体晶体材料层、绝缘隔离层、石墨烯材料层及感应信号电极层，其中，所述半导体晶体材料层表面设置有绝缘隔离层，在绝缘隔离层上设置有石墨烯材料层，石墨烯材料层表面设置有感应信号电极层，半导体晶体材料层采用高原子序数CdZnTe晶体制备，用于与入射辐射光子产生相互作用并生成电子云，其接受辐射表面制备金属电极阴级层，并施加外加偏置电压，绝缘隔离层用于阻断探测器半导体漏电流，石墨烯材料层用于感应由于辐射作用导致的半导体材料内部电场变化，及感应信号电极层用于连接石墨烯材料及阻值测量电路的前端信号收集，主要收集与石墨烯材料层阻态成正比的电信号，所述石墨烯材料层为面元阵列结构石墨烯材料层，其阻态与入射辐射强度成正比，构建面元阵列形式的石墨烯场效应管结构，探测器信号输出端为感应信号电极层，采用高功函数材料制备电极，探测器结构中绝缘隔离层、石墨烯材料层与感应信号收集层形成了石墨烯场效应管结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯半导体辐射探测器件，其特征在于，采用石墨烯场效应管电阻值作为测量物理量，具体包括：半导体晶体材料层、绝缘隔离层、石墨烯材料层及感应信号电极层，其中，所述半导体晶体材料层表面设置有绝缘隔离层，在绝缘隔离层上设置有石墨烯材料层，石墨烯材料层表面设置有感应信号电极层，半导体晶体材料层采用高原子序数CdZnTe晶体制备，用于与入射辐射光子产生相互作用并生成电子云，其接受辐射表面制备金属电极阴级层，并施加外加偏置电压，绝缘隔离层用于阻断探测器半导体漏电流，石墨烯材料层用于感应由于辐射作用导致的半导体材料内部电场变化，及感应信号电极层用于连接石墨烯材料及阻值测量电路的前端信号收集，主要收集与石墨烯材料层阻态成正比的电信号，所述石墨烯材料层为面元阵列结构石墨烯材料层，其阻态与入射辐射强度成正比，构建面元阵列形式的石墨烯场效应管结构，探测器信号输出端为感应信号电极层，采用高功函数材料制备电极，探测器结构中绝缘隔离层、石墨烯材料层与感应信号收集层形成了石墨烯场效应管结构。


2.根据权利要求1所述的一种石墨烯半导体辐射探测器件，其特征在于，所述半导体晶体材料层厚度及绝缘隔离层厚度满足1000：1的比例关系(如：半导体晶体层5mm,绝缘隔离层5μm)，石墨烯材料层厚度为石墨烯材料通常物理厚度


3.根据权利要求1所述的一种石墨烯半导体辐射探测器件，其特征在于，绝缘隔离层采用SiO2。


4.根据权利要求1所述的一种石墨烯半导体辐射探测器件，其特征在于，半导体辐射探测器件在正常进行辐射探测前，需要优化调节外加偏压，使石墨烯材料层处于狄拉克(Dirac)曲线临界点，在这一条件下，一旦石墨烯材料层偏置电场产生变化，石墨烯材料层的阻值会发生明显变化。


5.一种基于权利要求1-4之一辐射探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、首先，采用机械剥离及化学气相沉积的方法在CdTe及CdZnTe晶体表面制备石墨烯层，石墨烯沉积在已施加偏置电压的CdZnTe晶体表面；
步骤2、采用标准等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在CdZnTe晶体表面制备SiO2薄膜作为绝缘隔离层，在较低温度下实现500n...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎淼，王巍，霍军，赵汝法，樊琦，丁立，
申请(专利权)人：重庆中易智芯科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50