專利名稱：一種高分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X熒光光譜儀(以下簡(jiǎn)稱XRF)中使用的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器，尤 其是一種具有超高分辨率的改進(jìn)型硅漂移半導(dǎo)體探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱UHRD)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明主要針對(duì)能量色散X射線熒光光譜儀(以下簡(jiǎn)稱EDXRF)中的關(guān)鍵 核心部件_一半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器。EDXRF是利用經(jīng)X射線照射樣品后，其所含元素被激發(fā)，所產(chǎn)生熒光X射 線具有不同能量的特點(diǎn)，通過(guò)探測(cè)器的能量分辨本領(lǐng)和正比工作特性將其分 開(kāi)并檢測(cè)，從而計(jì)算出樣品中元素組分含量的儀器。EDXRF系統(tǒng)中探測(cè)器是關(guān) 鍵部件，它的性能好壞是至關(guān)重要的。對(duì)探測(cè)器的基本要求有以下幾點(diǎn)1) 良好的能量分辨率和能量線性。(一般使用55Fe放射源的5.894Kev Mn K a峰的半高寬度表示探測(cè)器的能量分辨率指標(biāo))2) 探測(cè)能量范圍寬。3) 死時(shí)間短，有優(yōu)良的高計(jì)數(shù)率特性。4) 良好的能譜特性，高的峰背比。(一般使用55Fe放射源的5.894Kev Mn K a峰的峰值計(jì)數(shù)與1. 0Kev處的本底計(jì)數(shù)之比表示探測(cè)器的峰背比指標(biāo))5)使用方便、可靠、堅(jiān)固。而半導(dǎo)體探測(cè)器則是高性能EDXRF的首選，其基本原理是，X射線光子 射到探測(cè)器后形成一定數(shù)量的電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下形成 電脈沖，脈沖幅度與X光子的能量成正比。經(jīng)放大器放大后送到多道脈沖分 析器。按脈沖幅度的大小分別統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)，脈沖幅度可以用X射線光子的能 量標(biāo)度，從而得到計(jì)數(shù)率隨光子能量變化的分布曲線，即X光能譜圖。從上世紀(jì)六十年代起，半導(dǎo)體探測(cè)器被發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于核射線探測(cè)，已發(fā) 展了幾代，性能不斷提高，常用的半導(dǎo)體探測(cè)器包括，金硅面壘探測(cè)器，鋰 漂移硅探測(cè)器Si (Li) ， Si-PIN光電二極管探測(cè)器，硅漂移探測(cè)器SDD。鋰漂移硅探測(cè)器Si (Li)，其組成是將高濃度的金屬鋰擴(kuò)散到P型半導(dǎo)體 材料硅中，形成P—N結(jié)，在加上反向偏壓后，在X光子打擊下，就會(huì)產(chǎn)生 與X光子能量對(duì)應(yīng)的電脈沖，這類探測(cè)器能量分辨率較高，但需加低溫，存 儲(chǔ)和工作在液氮罐中，在脫離液氮保護(hù)后，探測(cè)器中擴(kuò)散摻入的鋰將會(huì)反漂 移，造成不可逆轉(zhuǎn)的變化，導(dǎo)致探測(cè)器損壞，這也就是液氮制冷的Si (Li) 探測(cè)器在不工作時(shí)也需要液氮的根本原因，這造成使用很不方便。Si-PIN光電二極管探測(cè)器，用二級(jí)半導(dǎo)體制冷，可在常溫下保存，分辨 率已達(dá)到160eV。體積小重量輕，使用非常方便。但探測(cè)器等效電容較大， 尤其是隨探測(cè)器面積加大而增加，使之電子噪聲較大，能量分辨率也稍差。硅漂移探測(cè)器(SDD)的工作原理如圖l所示，是以N型高電阻硅片為基 底制作的，在N型硅片(基片)的入射面和背面分別注入P +型離子層，形 成P—N結(jié)，當(dāng)被施加反向偏置電壓(8)，形成完全耗盡(fully d印leted)型半導(dǎo)體區(qū)域，這是入射X射線(1)產(chǎn)生的空穴和電子對(duì)而被探測(cè)的本征區(qū)(2)?，F(xiàn)有的硅漂移探測(cè)器(SDD)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，在高純N型硅片的射線 入射面(6)制備一圓形面積均勻的P-N結(jié)，而在該P(yáng)-N結(jié)相對(duì)應(yīng)的背面，同 樣使用離子注入技術(shù)，在中央制備一個(gè)點(diǎn)狀的N型陽(yáng)極(5)，以陽(yáng)極(5)為 中心的周圍形成許多同心的P型漂移電極(7)。在工作時(shí)，器件兩面的P-N 結(jié)加上反向電壓，從而在器件體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)阱(對(duì)電子)。在漂移電極(7) 上加一個(gè)電位差會(huì)在器件內(nèi)產(chǎn)生一橫向電場(chǎng)，它將使勢(shì)阱彎曲從而迫使入射 輻射產(chǎn)生的信號(hào)電子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極(5)漂移(4)，到達(dá)陽(yáng)極(讀出電 極)附近才產(chǎn)生信號(hào)。而空穴沿路徑(3)漂移。另外，第一級(jí)的場(chǎng)效應(yīng)管(10)內(nèi)置于陽(yáng)極(5)中，場(chǎng)效應(yīng)管的柵極直 接連接到陽(yáng)極上。這第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管采用離子注入并在相當(dāng)?shù)偷臏囟认逻M(jìn)行 熱處理來(lái)制造。場(chǎng)效應(yīng)管的通道是用深層磷注入法制作的。由于采用環(huán)形深 層磷注入、通過(guò)保護(hù)環(huán)施加偏壓、場(chǎng)效應(yīng)管區(qū)域和收集區(qū)域分割開(kāi)等方法， 因而對(duì)通道中的電子有一個(gè)較好的限制，于是給出一個(gè)較大的輸出電阻。該 探測(cè)器利用連續(xù)不斷地翻轉(zhuǎn)場(chǎng)效應(yīng)管的柵一漏極面結(jié)偏壓方向，使探測(cè)器漏 電流放電和使陽(yáng)極累積信號(hào)電荷復(fù)位。因此不再需要用一個(gè)外部控制的復(fù)位 機(jī)構(gòu)。這樣硅漂移探測(cè)器的陽(yáng)極很小因而電容很小，且與探測(cè)器面積無(wú)關(guān)，同 時(shí)它的漏電流也很小，同時(shí)由于首級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)置于探測(cè)器中，所以用電荷 靈敏前置放大器可低噪聲、快速地讀出電子信號(hào)。用一級(jí)半導(dǎo)體制冷，就達(dá) 到最低136Kev的分辨率，而且適用的計(jì)數(shù)率范圍可高至100Kcps,同樣也是體積小重量輕，使用非常方便。硅漂移探測(cè)器替代鋰漂移硅探測(cè)器Si(Li)和 Si-PIN光電二極管探測(cè)器，成為高性能EDXRF的理想探測(cè)器。但上述硅漂移探測(cè)器存在如下一些缺點(diǎn)1) 由于第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管集成于探測(cè)器中，且位于探測(cè)器中心，因此位于場(chǎng)效 應(yīng)管下面的電場(chǎng)會(huì)扭曲，導(dǎo)致入射X射線所產(chǎn)生的信號(hào)電子損失，影響X 射線能譜的形狀(尤其是低能本底)。雖然這場(chǎng)效應(yīng)管所占的面積很小， 但終究是對(duì)探測(cè)器的分辨率和峰背比指標(biāo)有所影響。2) 由于P型漂移電極為同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，入射到探測(cè)器探測(cè)區(qū)各處的X射線所 產(chǎn)生的信號(hào)電子，是沿各方向向位于中心圓形環(huán)內(nèi)的陽(yáng)極漂移，探測(cè)器的 輸出電容還有減少的可能。3) 由于該硅漂移探測(cè)器使用第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流作為自復(fù)位，當(dāng)入射 的X射線計(jì)數(shù)率變化范圍很大時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流也隨著增大，使所 得X射線能譜出現(xiàn)峰位稍有漂移和分辨率稍差。上述這些問(wèn)題，對(duì)使用硅漂移探測(cè)器的高性能EDXRF，進(jìn)行定量分析(尤 其是對(duì)輕元素的分析)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種具有高分辨率的改進(jìn)型硅漂移半導(dǎo)體探測(cè)器 UHRD。該探測(cè)器在目前硅漂移探測(cè)器SDD的基礎(chǔ)上，采用了新型的P型漂移 電極平面結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵性改進(jìn)，保持SDD分辨率高，適用計(jì)數(shù)率范圍大， 體積小重量輕的特色，而SDD原有的一些缺點(diǎn)則被大有改善。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種高分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器，包括高純的N型半導(dǎo)體硅片、探測(cè)本征區(qū)、點(diǎn)狀N型陽(yáng)極、P型漂移電極和第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管，所述半導(dǎo)體硅 片(即基片)為圓形，所述探測(cè)本征區(qū)由均勻的位于所述高純N型半導(dǎo)體硅 片的射線入射面的P-N結(jié)組成，所述點(diǎn)狀的N型陽(yáng)極位于相對(duì)面的對(duì)應(yīng)于所 述本征區(qū)外的區(qū)域，并被以該N型陽(yáng)極為焦點(diǎn)的P型漂移電極環(huán)繞，所述P 型漂移電極為若干以所述N型陽(yáng)極為焦點(diǎn)的凸圓狀環(huán)形條，所述第一級(jí)場(chǎng)效 應(yīng)管內(nèi)置于所述N型陽(yáng)極中。所述凸圓環(huán)形P型漂移電極的凸圓環(huán)形由一大圓和與其相連的小凸圓弧 閉合組成，所述入射X射線探測(cè)本征區(qū)的背面區(qū)域?yàn)橥箞A環(huán)形P型漂移電極 的大圓所在區(qū)域。所述半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器的點(diǎn)狀陽(yáng)極處設(shè)有復(fù)位端，所述復(fù)位端與一周期 脈沖復(fù)位裝置相連。一種高分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器的制造方法，在高純的N型半導(dǎo)體硅 片的射線入射面制備一大面積均勻的P-N結(jié)，制備成一圓形的探測(cè)射線的本 征區(qū)，而在另外一面的對(duì)應(yīng)于該本征區(qū)外制備一個(gè)點(diǎn)狀的N型陽(yáng)極，并制備 以該陽(yáng)極為焦點(diǎn)的凸圓環(huán)狀的若干P型漂移電極，將第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)置于 陽(yáng)極中。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明通過(guò)獨(dú)特的凸圓狀的探測(cè)器P型漂移電 極平面設(shè)計(jì)及相關(guān)改進(jìn)措施，在硅漂移探測(cè)器SDD的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生的具有超 高分辨率的改進(jìn)型硅漂移半導(dǎo)體探測(cè)器UHRD， U服D具有SDD所有的優(yōu)點(diǎn)，而 又改善了 SDD的缺點(diǎn)，替代鋰漂移硅探測(cè)器Si(Li)和Si-PIN光電二極管探 測(cè)器，成為高性能EDXRF的理想探測(cè)器。具體性能改善之處1)獨(dú)特的凸圓狀的探測(cè)器P型漂移電極平面設(shè)計(jì)，把探測(cè)器的點(diǎn)狀陽(yáng)極和第 一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管移到探測(cè)區(qū)域外，通過(guò)準(zhǔn)直器對(duì)入射X射線的限制，避免了內(nèi)置的第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)射線探測(cè)的不良影響，UHRD的峰背比指標(biāo)從SDD 的2000 — 3000,提高到7000 —10000。2) 使用以陽(yáng)極為焦點(diǎn)的凸圓狀環(huán)的P型漂移電極，取代同心圓環(huán)電極，使入 射到探測(cè)器探測(cè)區(qū)各處的X射線所產(chǎn)生的信號(hào)電子,沿給定角度和方向的 輻射狀直線，向陽(yáng)極漂移，UHRD探測(cè)器的輸出電容從SDD的200fF，減少 到120fF，能量分辨率SDD的135eV，提高到124eV。3) 采用周期脈沖復(fù)位裝置，比之使用第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流作自復(fù)位， 完全避免了，當(dāng)入射的X射線計(jì)數(shù)率變化范圍很大時(shí)，所得X射線能譜出 現(xiàn)峰位的漂移和分辨率變差，如入射的X射線計(jì)數(shù)率在120Kcps時(shí)，脈沖 復(fù)位的峰漂移是0. 24%，而自復(fù)位是0. 92%，而能量分辨率的變化(對(duì)應(yīng) 0到120Kcps)，自復(fù)位是40eV，而脈沖復(fù)位僅是3—4eV。


圖1為本發(fā)明背景技術(shù)現(xiàn)有的硅漂移探測(cè)器SDD的工作原理示意圖。 圖2為本發(fā)明背景技術(shù)現(xiàn)有的硅漂移探測(cè)器SDD的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明硅漂移半導(dǎo)體探測(cè)器U服D的入射面背面的平面示意圖。 圖4為本發(fā)明硅漂移半導(dǎo)體探測(cè)器UHRD的陽(yáng)極及第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示 意圖。圖中，1、入射X射線；2、 N型硅基片及探測(cè)本征區(qū)；3、入射X射線產(chǎn)生的 空穴及漂移路徑；4、入射X射線產(chǎn)生的電子及漂移路徑；5、陽(yáng)極；6、入射 面及P +離子注入層；7、 P +離子注入形成的環(huán)形漂移電極；8、反向偏置電 壓；9、前置放大器；10、第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管；11、陽(yáng)極及第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管；12、 P +離子注入形成的凸圓環(huán)形漂移電極；13、入射X射線產(chǎn)生電子的漂移路徑;14、入射X射線探測(cè)本征區(qū)的背面區(qū)域；15、第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管；16、陽(yáng)極；17、 復(fù)位端；121、凸圓環(huán)形漂移電極的大圓部分；122、凸圓環(huán)形漂移電極的小 凸圓弧部分。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，如圖3和圖4所示， 一種高 分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器(UHRD)，包括高阻的N型半導(dǎo)體硅片、探測(cè)本 征區(qū)、點(diǎn)狀N型陽(yáng)極(16)和第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管(11)、凸圓環(huán)狀的P型漂移電 極(12)，所述半導(dǎo)體硅片為圓形,所述入射X射線探測(cè)本征區(qū)的背面區(qū)域(14) 為凸圓環(huán)P型漂移電極的大圓所在區(qū)域，因此，所述探測(cè)本征區(qū)是在(14) 和射線入射面的P-N結(jié)之間的區(qū)域；所述點(diǎn)狀的N型陽(yáng)極(11)位于所述入 射X射線探測(cè)本征區(qū)的背面區(qū)域(14)外的區(qū)域，并被以該N型陽(yáng)極為焦點(diǎn) 的P型漂移電極(12)環(huán)繞，所述P型漂移電極(12)為若干以所述N型陽(yáng)極(13)為焦點(diǎn)的凸圓狀環(huán)形條狀，所述第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)置于所述N型陽(yáng)極(11)中。所述凸圓環(huán)形P型漂移電極(12)的凸圓環(huán)形由一大圓(121)和與其相 連的小凸圓弧(122)閉合組成，所述入射X射線探測(cè)本征區(qū)的背面區(qū)域?yàn)橥?圓環(huán)形P型漂移電極的大圓(121)所在區(qū)域。所述半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器的點(diǎn)狀陽(yáng)極(16)處設(shè)有復(fù)位端(17)，所述復(fù)位 端(17)與一周期脈沖復(fù)位裝置相連。所述周期脈沖復(fù)位裝置，是把一列頻率 500或1000Hz，脈寬200 — 300ns的脈沖，連接到探測(cè)器的復(fù)位端，是探測(cè)器 所累積的電荷周期性快速泄放，既取得復(fù)位的效果，又不會(huì)因計(jì)數(shù)率的變化， 影響探測(cè)器的工作狀態(tài)。一種高分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器的制造方法，在高純的N型半導(dǎo)體硅 片的射線入射面制備一大面積均勻的P-N結(jié)，制備成一圓形的探測(cè)射線的本 征區(qū)，而在另外一面的對(duì)應(yīng)于該本征區(qū)外制備一個(gè)點(diǎn)狀的N型陽(yáng)極(16)，并制備以該陽(yáng)極為焦點(diǎn)的凸圓環(huán)狀的若干P型漂移電極條(12)，所述第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管(15)內(nèi)置于陽(yáng)極(16)中。安裝準(zhǔn)直器后，入射射線只能在凸圓環(huán)的大園焦點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的本征區(qū)外作 用，產(chǎn)生信號(hào)電子和空穴對(duì)，在器件兩面的P-N結(jié)加上反向電壓和漂移電極 上加一個(gè)電位差會(huì)在器件內(nèi)產(chǎn)生一橫向電場(chǎng)，在所形成的彎曲勢(shì)阱作用下， 信號(hào)電子輻射狀直線沿著入射X射線產(chǎn)生電子的漂移路徑(13)向陽(yáng)極漂移， 到達(dá)陽(yáng)極附近才產(chǎn)生信號(hào)。
權(quán)利要求
1. 一種高分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器，包括高純的N型半導(dǎo)體硅片、入射X射線探測(cè)本征區(qū)、點(diǎn)狀N型陽(yáng)極、P型漂移電極和第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于所述半導(dǎo)體硅片為圓形，所述探測(cè)本征區(qū)由圓形的均勻的位于所述高純N型半導(dǎo)體硅片的射線入射面的P-N結(jié)組成，所述點(diǎn)狀的N型陽(yáng)極位于入射面背面的對(duì)應(yīng)于所述本征區(qū)外的區(qū)域，并被以該N型陽(yáng)極為焦點(diǎn)的P型漂移電極環(huán)繞，所述P型漂移電極為若干以所述N型陽(yáng)極為焦點(diǎn)的凸圓狀環(huán)形條狀，所述第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)置于所述N型陽(yáng)極中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述高分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器，其特征 在于所述凸圓環(huán)形P型漂移電極的凸圓環(huán)形由一大圓和與其相連的 小凸圓弧閉合組成，所述入射X射線探測(cè)本征區(qū)的背面區(qū)域?yàn)橥箞A環(huán) 形P型漂移電極的大圓所在區(qū)域。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述高分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器，其 特征在于:所述半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器的點(diǎn)狀陽(yáng)極處設(shè)有復(fù)位端，所述 復(fù)位端與一周期脈沖復(fù)位裝置相連。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種高分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器的制 造方法，其特征在于在高純的N型半導(dǎo)體硅片的射線入射面制備一 大面積均勻的P-N結(jié)，制備成一圓形的探測(cè)射線的本征區(qū)，而在另外 一面的對(duì)應(yīng)于該本征區(qū)外制備一個(gè)點(diǎn)狀的N型陽(yáng)極，并制備以該陽(yáng)極 為焦點(diǎn)的凸圓環(huán)狀的若干P型漂移電極，最后將第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)置 于陽(yáng)極中。
全文摘要
一種高分辨率的半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器，包括高純的N型半導(dǎo)體硅片、探測(cè)本征區(qū)、點(diǎn)狀N型陽(yáng)極、P型漂移電極和第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管，半導(dǎo)體硅片(即基片)為圓形，探測(cè)本征區(qū)由均勻的位于所述高純N型半導(dǎo)體硅片的射線入射面的P-N結(jié)組成，點(diǎn)狀的N型陽(yáng)極位于相對(duì)面的對(duì)應(yīng)于所述本征區(qū)外的區(qū)域，并被以該N型陽(yáng)極為焦點(diǎn)的P型漂移電極環(huán)繞，P型漂移電極為若干以所述N型陽(yáng)極為焦點(diǎn)的凸圓狀環(huán)形條，第一級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)置于所述N型陽(yáng)極中。該探測(cè)器在目前硅漂移探測(cè)器SDD的基礎(chǔ)上，采用了新型的P型漂移電極平面結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵性改進(jìn)，保持SDD分辨率高，適用計(jì)數(shù)率范圍大，體積小重量輕的特色，而SDD原有的一些缺點(diǎn)則被大有改善。
文檔編號(hào)G01N23/223GK101281148SQ20071007533
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月27日
發(fā)明者姚棟樑, 李勝輝 申請(qǐng)人:江蘇天瑞信息技術(shù)有限公司