一种像素型硅漂移探测器及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种像素型硅漂移探测器，由像素单元阵列而成；所述像素单元包括中间收集电极、第一阴极环、第二阴极环、基体和反面入射窗口；所述中间收集电极为阳极，掺杂于基体顶部中心位置；第一阴极环和第二阴极环为阴极，掺杂于基体顶部，第一阴极环和第二阴极环沿相反方向环绕中间收集电极分布；反面入射窗口的电极为阴极，掺杂于基体底部；所述阳极和阴极上面均镀有铝膜；每个像素单元之间的第一阴极环之间相连，第二阴极环之间相连。本发明专利技术提供的探测器阳极电容小，功耗小，可以测量0.5到15keV之间的x射线，具有几微秒的时间分辨率和快速读出的特点，无死区，对低能量光子具有良好的探测器量子效率。好的探测器量子效率。好的探测器量子效率。

A pixel type silicon drift detector and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
一种像素型硅漂移探测器及其制作方法


[0001]本专利技术属于抗辐射探测器
，涉及一种像素型硅漂移探测器及其制作方法。

技术介绍

[0002]通过研究来自天体的高能辐射是获取和理解宇宙中最具活力和剧烈现象潜在机制的最有力方法之一。目前，成熟的探测器和光学技术探测的x射线范围为0.5
‑
10keV。在极端重力、密度或磁场条件下，通过探测这些能量的光谱和定时辐射特征是最直接的研究方法。在过去的几年里，对高灵敏度光谱和时间分辨率的需求激发了专注于创新、快速、像素化探测器的研发项目。事实上，当成像x射线时，光学点扩散函数(PSF)的大小通常在1毫米或更小的范围内。在成像不是主要科学目标的情况下，理想的像素大小与PSF的过采样所需的像素大小一样小，但通过减少所需电子读出通道的数量来尽可能减少电荷损耗和功耗。在这个能量范围内，由于硅的量子效率和先进的制造技术，硅可能是最合适的探测器材料。
[0003]不同的大像素探测器被提出作为用于研究天体的x射线光谱的焦平面传感器。广泛应用的Si
‑
PIN在x射线探测效率和有效面积方面有突出的优势。然而，其性能受到阳极电容的限制，使其不合适低能量分辨率的探测。类似地，具有大像素面积的电荷耦合器件(CCD)也面临同样的问题。此外，由于CCD是一种基于集成的成像探测器，它不适合用于高速率的光子的光谱和时间信息探测，不能达到天体物理研究的要求。近年来，p通道场效应晶体管(DePFET)已经被开发和制造。当需要10kHz左右的帧率时，DePFET在太空成像应用和高分辨率x射线光谱学有突出应用。DePFET所有像素都以几兆赫的速率同时读出，但高速读出需要高功耗和散热。

技术实现思路

[0004]为了达到上述目的，本专利技术提供一种像素型硅漂移探测器及其制作方法，解决了现有技术中像素探测器存在的阳极电容大、功耗大的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是，一种像素型硅漂移探测器，由像素单元阵列而成；像素单元包括中间收集电极、第一阴极环、第二阴极环、基体和反面入射窗口；所述中间收集电极为阳极，掺杂于基体顶部中心位置；第一阴极环和第二阴极环为阴极，掺杂于基体顶部，第一阴极环和第二阴极环沿相反方向环绕中间收集电极分布；反面入射窗口的电极为阴极，掺杂于基体底部；所述阳极和阴极上面均镀有铝膜；每个像素单元之间的第一阴极环之间相连，第二阴极环之间相连。
[0006]进一步地，所述中间收集电极的面积为2500
‑
10000平方微米，厚度为1微米；所述第一阴极环和第二阴极环的宽度为10
‑
50微米，厚度为1微米；所述基体厚度为300—500微米；所述反面入射窗口的厚度为1微米。
[0007]进一步地，所述中间收集电极的掺杂元素为硼，掺杂浓度为10
18
‑
10
19
cm
‑3；所述第一阴极环、第二阴极环、反面入射窗口的掺杂元素为磷，掺杂浓度为10
18
‑
10
19
cm
‑3；所述基体
为n型硅，掺杂浓度为10
11
‑
10
14
cm
‑3。
[0008]本专利技术还提供了一种像素型硅漂移探测器的制作方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：硅晶圆吸杂氧化；
[0010]步骤2：第一阴极环、第二阴极环和反面入射窗口的离子注入刻蚀；
[0011]步骤3：第一阴极环、第二阴极环和反面入射窗口的p
+
型离子注入；
[0012]步骤4：中间收集电极离子注入刻蚀和中间收集电极离子注入；
[0013]步骤5：注入完成后退火；
[0014]步骤6：正反面注入区域氧化层全刻蚀；
[0015]步骤7：正反面电极制作；
[0016]步骤8：快速退火。
[0017]进一步地，所述步骤1中吸杂氧化之前需要对氧化炉进行清洗，直到完全清除杂质离子；吸杂氧化过程使用的气体为：高纯氧、三氯乙烷和高纯氮。
[0018]进一步地，所述步骤2包括以下步骤：
[0019]步骤21：对吸杂氧化后的硅晶圆进行匀胶；
[0020]步骤22：进行光刻，包括曝光、显影、清洗、吹干；
[0021]步骤23：对光刻后的硅晶圆进行清洗；
[0022]所述步骤S23具体为：刻蚀完成后要将硅晶圆放在清洗柜中用去离子水反复清洗，将光刻胶剥离液加热升温到合适温度并恒温保持，将清洗好的硅晶圆放入光刻胶剥离液中；光刻胶剥离完成后同样要用去离子水清洗彻底，然后再进行酸洗。
[0023]进一步地，所述步骤3的具体方法为：先将需要注入的元素材料气态化，然后通入离子源室中，再由电子激发电离元素气态粒子成离子，通过分析器选择用于注入的离子，然后在设定合适电压的加速器中加速，最后经四级透镜聚焦后进入靶室注入。
[0024]进一步地，所述步骤5中退火为热退火，具体方法为：退火之前要先去除光刻胶，去完胶后要在去离子水中反复清洗，然后在酸洗液中酸洗，酸洗完成后用去离子水清洗，清洗完成后再将硅晶圆放入退火炉中；退火过程中硅晶圆在氮气保护的情况下进行。
[0025]进一步地，所述步骤7中正反面电极制作之前首先要将硅晶圆放在氢氟酸溶液中浸泡，将刻蚀区域的氧化层刻蚀掉；再将硅晶圆放在磁控溅射炉中进行去氧化层清洗；清洗好后将硅晶圆放在磁控溅射炉中，设定电流、真空度、氩气流量进行镀铝；
[0026]镀铝之后进行正面铝刻蚀：将硅晶圆放在匀胶台上进行匀胶、烘干、曝光、显影、去离子水清洗、烘干。
[0027]进一步地，所述步骤8的具体方法为：将硅晶圆放入快速退火炉中，设定目标温度和升温功率；先通氮气，根据快速退火炉内腔大小调整氮气通气时长和通气流量，确保腔内的空气全部排出；然后再通入氮气与氢气的混合气体再加热，加热到目标温度保持恒温，然后再降温至室温，取出硅晶圆，退火完成，封装。
[0028]本专利技术的有益效果是：
[0029]本专利技术提供的探测器阳极电容小，功耗小，可以测量0.5到15keV之间的x射线，具有几微秒的时间分辨率和快速读出的特点，无死区，对低能量光子具有良好的探测器量子效率。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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他的附图。
[0031]图1是本专利技术实施例的像素单元结构图。
[0032]图2是本专利技术实施例的像素单元正视图。
[0033]图3是本专利技术实施例的像素型硅漂移探测器的结构示意图。
[0034]图中，1.中间收集电极，2.第一阴极环，3.第二阴极环，4.基体，5.反面入射窗口。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种像素型硅漂移探测器，其特征在于，由像素单元阵列而成；所述像素单元包括中间收集电极(1)、第一阴极环(2)、第二阴极环(3)、基体(4)和反面入射窗口(5)；所述中间收集电极(1)为阳极，掺杂于基体(4)顶部中心位置；第一阴极环(2)和第二阴极环(3)为阴极，掺杂于基体(4)顶部，第一阴极环(2)和第二阴极环(3)沿相反方向环绕中间收集电极(1)分布；反面入射窗口(5)的电极为阴极，掺杂于基体(4)底部；所述阳极和阴极上面均镀有铝膜；每个像素单元之间的第一阴极环(2)之间相连、第二阴极环(3)之间相连。2.根据权利要求1所述的一种像素型硅漂移探测器，其特征在于，所述中间收集电极(1)的面积为2500
‑
10000平方微米，厚度为1微米；所述第一阴极环(2)和第二阴极环(3)的宽度为10
‑
50微米，厚度为1微米；所述基体(4)厚度为300
‑
500微米；所述反面入射窗口(5)的厚度为1微米。3.根据权利要求1所述的一种像素型硅漂移探测器，其特征在于，所述中间收集电极(1)的掺杂元素为硼，掺杂浓度为10
18
‑
10
19
cm
‑3；所述第一阴极环(2)、第二阴极环(3)、反面入射窗口(5)的掺杂元素为磷，掺杂浓度为10
18
‑
10
19
cm
‑3；所述基体(4)为n型硅，掺杂浓度为10
11
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10
14
cm
‑3。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的一种像素型硅漂移探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：硅晶圆吸杂氧化；步骤2：第一阴极环(2)、第二阴极环(3)和反面入射窗口(5)的离子注入刻蚀；步骤3：第一阴极环(2)、第二阴极环(3)和反面入射窗口(5)的p
+
型离子注入；步骤4：中间收集电极(1)离子注入刻蚀和中间收集电极(1)离子注入；步骤5：注入完成后退火；步骤6：正反面注入区域氧化层全刻蚀；步骤7：正反面电极制作；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐立鹏，李正，
申请(专利权)人：湖南脉探芯半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：