曲面结构的硅漂移探测器

本发明公开了一种曲面结构的硅漂移探测器。本发明的硅漂移探测器包括N型硅片，位于所述N型硅片的入射面的P型漂移电极，施加于所述入射面的反向偏置电压，和位于所述N型硅片的背面的阳极，其特征在于，所述硅漂移探测器还包括位于所述N型硅片的背面的P型曲面漂移电极，所述曲面从距离所述阳极设定的距离处向外围凹陷。本发明还公开了一种硅漂移探测器的制造方法，在该方法中，所需的曲面通过用腐蚀剂腐蚀基底表面而得到。本发明可用于X射线光谱分析，可用于空间探测等技术领域。

技术领域

[0001] 本发明涉及X荧光光谱仪中使用的半导体核辐射探测器，尤其是在空间探测中使用的对于性能有较高要求的改进型硅漂移探测器。

背景技术

[0002] 本发明主要针对能量色散X射线能谱分析中的关键核心部分一半导体核辐射探测器。

[0003] X射线光谱分析是利用X射线照射样品后，其所含有元素被激发，所产生荧光X射线具有不同能量的特点，通过探测器的能量分辨率本领和正比工作特性将其分开并检测，从而计算出样品中元素组分含量的仪器。X射线荧光光谱仪中探测器是核心部分，其性能的好坏直接影响系统的工作效率。良好的探测器性能包括以下几个方面：

[0004] I)良好的能量分辨率和能量线性；

[0005] 2)探测能量范围宽；

[0006] 3)死时间短，有优良的高计数特性；

[0007] 4)良好的能谱特性；

[0008] 5)使用方便、可靠、坚固。

[0009] 从上世纪六十年代起，半导体探测器问世并应用于核射线探测，到目前为止已发展了几代，性能不断提高，常用的半导体探测器包括：金硅面垒探测器，锂漂移探测器Si (Li)，Si-PIN光电二极管探测器，硅漂移探测器SDD。

[0010] 硅漂移探测器SDD的工作原理如图I所示，以N型高电阻硅片为基片制作，在N型硅片（基片）的入射面（顶面）和背面（底面）分别注入P+型离子层，形成P-N结，当施加反向偏置电压8时，形成全耗尽型半导体区域，这是入射X射线I产生可被探测的空穴和电子对的本征区2。X射线产生的多子（电子）经过漂移电势谷10到达阳极5，从而探知X射线。

[0011 ] 当底面上最外面及最里面的电压比二倍耗尽电压稍低时，可以得到最大的漂移电场，而大面积顶面二极管的电势大约在中间值。这样的条件，由外部供给每个电极电压得至IJ。这就需要一个集成电阻分压器。

[0012] 这样的硅漂移探测器的阳极很小因而电容很小，而且和探测器面积无关，同时它的漏电流也很小，所以用电荷灵敏前置放大器可低噪声、快速地读出电子信号。用液氮制冷，就可以达到很高的分辨率，同样也是体积小重量轻，使用十分方便。

[0013] 尽管硅漂移探测器代替锂漂移探测器和Si-PIN光电二极管探测器，成为高性能X射线光谱分析仪的理想探测器。

[0014] 但是上述的硅漂移探测器存在以下缺陷：

[0015] I)如图I所示，由于漂移电势谷的实现需要提供连续倾斜收集电极，不可避免的会产生额外的发热，从而影响探测器在低温下的使用：随着探测器工作时间加长，发热将会影响探测器的温度，从而使得探测器的稳定性下降，探测效率降低。[0016] 2)P型漂移电极之间，为了避免穿通，通常需要加上保护环，这就提高了工艺难度和设计复杂性，同时也使得器件的可靠性下降

[0017] 上述的问题，对于高性能的X光谱分析仪，特别是对于在空间探测中需要长时间使用的光谱分析仪显得尤为重要。

发明内容

[0018] 本发明的目的是提供一种具有高分辨率的改进型硅漂移半导体探测器，该探测器在目前硅漂移探测器SDD的基础上，做了一些结构上的改进，既保持了现有SDD分辨率高，适用计数率范围大，体积小重量轻的特色，又克服了现有SDD的缺点，从而改进了 SDD的性能表现。 [0019] 上述目的通过下列技术方案实现：

[0020] 一种硅漂移探测器，其包括N型硅片（即基片），位于所述N型硅片的入射面的P型漂移电极，施加于所述入射面的反向偏置电压，和位于所述N型硅片的背面的阳极，其特征在于，所述硅漂移探测器还包括位于所述N型硅片的背面的P型曲面漂移电极，所述曲面从距离所述阳极设定的距离处向外围凹陷，如图2a所示。

[0021] 优选地，所述曲面从所述阳极处向外围凹陷的幅度逐渐减小。

[0022] 通常情况下，所述N型硅片为圆形；阳极位于背面的中部，比如正好位于中心处；所述曲面环绕阳极，曲面的内边缘和阳极相距一定的距离，如图2b所示。

[0023] 本发明的另一目的是提供所述曲面结构的硅漂移探测器的制造方法。该方法包括如下步骤：

[0024] a)在N型硅片的第一表面上依次形成二氧化硅层和氮化硅层；

[0025] b)通过光刻得到环形图案的裸露硅表面；

[0026] c)腐蚀所述二氧化硅层的裸露侧面，得到位于所述氮化硅层下方的沟槽；

[0027] d)对得到的裸露硅表面进行腐蚀，在所述第一表面上形成凹陷的曲面；

[0028] e)去除所述二氧化硅层和氮化硅层；

[0029] f)对得到的N型硅片进行尺寸切割，得到所需的曲面大小；

[0030] g)对所述曲面以及和所述第一表面相对应的第二表面进行离子注入，分别得到P型曲面漂移电极和P型漂移电极；在所述第一表面溅射沉积金属电极，得到阳极。

[0031] 上述方法涉及较多的腐蚀、光刻、沉积等常用技术手段，它们对于本领域技术人员而言是熟知的。上述方法在具体实施时的具体参数可根据具体情况和本申请公开的实例有所差异。

[0032] 在一个具体的实例中，步骤a)通过氧化形成所述二氧化硅层，并通过化学气相沉积形成所述氮化硅层。

[0033] 在一个具体的实例中，步骤c)通过氢氟酸缓冲溶液腐蚀所述二氧化硅层，但此时不希望腐蚀氮化硅层，因此所述氢氟酸缓冲溶液不和所述氮化硅层接触。

[0034] 在一个具体的实例中，步骤d)通过体积比为4 ： I ： I的40重量％氢氟酸，69-71重量％硝酸，和醋酸的混合溶液腐蚀所述裸露的硅表面。

[0035] 在一个具体的实例中，步骤e)通过氢氟酸缓冲溶液去除所述二氧化硅层和氮化硅层，此处涉及的氢氟酸可以和上述步骤c)用到的氢氟酸相同或不同。[0036] 本发明的有益效果在于：本发明独特的曲面结构设计以及相关改进措施，在硅漂移探测器SDD的基础上，产生了具有高分辨率的改进型硅漂移半导体探测器，该探测器具有SDD的全部优点，而且克服了 SDD的缺点。具体性能改善之处包括：

[0037] I)独特的曲面结构设计，将SDD原来的连续倾斜电极设计成类似斜面的曲面，从而避免了集成电阻分压器的使用，减少了发热量，提高器件的稳定性，使得器件能够在低温环境下连续工作。

[0038] 2)P型曲面漂移电极的使用可以避免传统的连续倾斜收集电极之间的穿通效应，从而提高器件的稳定性，避免设计中保护环过多的应用，减少设计的难度。

附图说明null实施方式

[0043] 下面通过具体实施例结合附图进一步说明本发明。

[0044] 下述实施例旨在通过一个具体的制造方法制造图2所示的曲面结构的硅漂移探测器。

[0045] 具体的制造方法包括下列步骤：

[0046] I.如图3-1所示，在作为基片的高阻N型硅片的第一表面（即图3-1中的上表面，也是最终制成的硅漂移探测器的背面）上进行氧化，形成一个厚度为Iym的二氧化硅层12 ;然后在该二氧化娃层12上化学气相沉积（LPCVD) —个厚度为1500A的氮化娃层13 ；

[0047] 2.如图3-2所示，在氮化硅层13的表面进行光刻，刻蚀掩膜，从而得到环装图案的裸露娃表面，形成一环状开口 14 ；

[0048] 3.如图3-3所示，在裸露的硅表面上加上氢氟酸缓冲溶液（BHF) —段时间，以腐蚀二氧化硅层的裸露的侧面，从而除去氮化硅层下的部分二氧化硅层，形成二氧化硅沟槽15，在此过程中，氮化硅层不被氢氟酸缓冲溶液腐蚀；

[0049] 4.如图3-4所示，清洗硅片后，在二氧化硅沟槽15中放入由重量百分比为40%的氢氟酸，重量百分比为69% -71%的浓硝酸（M0S级），和醋酸组成的混合溶液，三者的体积比为4 : I : I ;该混合溶液腐蚀硅片的裸露表面，一段时间后形成截面为半椭圆形的环状腐蚀凹槽，得到所需要的曲面16 ;可以理解，随着腐蚀液的不同，腐蚀时间的差异，腐蚀次数的多少等，可以根据实际需求得到不同的曲面大小和形状；

[0050] 5.如图3-5所示，将硅片放入BHF中，去掉二氧化硅和氮化硅层，即得到带有所需曲面的基片；

[0051] 6.如图3-6所示，对得到的基片进行尺寸切割，得到所需的曲面大小； [0052] 7.如图3-7所示，对得到的基片进行离子注入，分别在第一表面（图3-7中的下表面）和第二表面（图3-7中的上表面）上形成P型曲面漂移电极和P型漂移电极，同时在第一表面上溅射沉积金属电极，得到阳极。

[0053] 经过上述步骤之后，再进行热处理（激活在基片上注入的离子）和封装等后处理步骤，即得到根据本发明的曲面结构的硅漂移探测器。