新型硅半导体探测器发展与应用

新型硅半导体探测器发展与应用许文贞 vincent.xu.chn@摘要：硅半导体探测器是核探测技术上的一个重要工具，其具有的高位置、能量分辨率、响应时间快等优点使得它广泛应用于各个领域。

从早期的锗锂、硅锂等半导体探测器发展至新型半导体探测器如硅微条、Pixel、CCD、硅漂移室、Si-PIN 电致冷半导体探测器等,不管从原理上或者硬件技术上都取得了很大的突破。

这些新型探测器近些年发展很快,它们的位置分辨率、能量分辨率等指标都有很大的提高。

像硅微条探测器, 目前可做到好于 1.4μm, 这是任何气体探测器和闪烁探测器很难做到的。

主要介绍其中几种的结构、原理及其在各个领域的应用。

关键词：半导体探测器、硅微条探测器、p-n结、像素探测器、Si-PIN电致冷半导体探测器引言在高能物理、核物理甚至是天体物理、宇宙物理等领域，每一个物理思想都希望通过实验来验证。

因此也正是随着高能物理事业不断的发展, 各种探测器技术也都在不断地发展。

气体探测器从早期的多丝正比室(MWPC)、漂移室(DC) , 到目前研制出了新的微条气体正比室(MSGC)、微间隙气体探测器(MGC)、微网结构的气体探测器(Micromesh gaseous structure chamber)、气体电子倍增器(GEM)等等，各类探测器可谓是日新月异。

与此同时，半导体探测器也有很大的发展，特别是硅型半导体探测器，其能量分辨率可以比其他类型探测器更高,可以方便地用于研究复杂能谱的精细结构。

此外还具有线性范围广、脉冲上升时间短、体积小等优点,已经广泛应用到高能物理、天体物理、核医学等各方面。

其中, 硅微条探测器SMD ( Silicon Micro strip Detector)的发展和应用是非常突出的一个。

近十几年来, 世界各大高能物理实验室几乎都采用它作为顶点探测器, 西欧中心正研制的LHC对撞机上的ATLAS和CMS实验中将采用它作为探测粒子径迹的径迹室。

另外例如在对X射线的测量中，解决半导体探测器的“低温条件”问题成为扩大半导体探测器的应用领域的重要任务，因此人们也对电致冷半导体探测器做了研究并取得了一定的进展及应用。

下面将对几种主要的新型硅探测器作介绍。

1 新型硅半导体探测器1.1 硅微条探测器硅微条粒子探测器(Silicon Micro strip Detector for particles,简称SMD)是硅PN 结半导体探测器的一种，它是在80年才发展起来的新一代核探测器技术。

它是以p-n结为基础、采用先进的半导体电子器件平面技术工艺制作的p-n结型半导体探测器。

半导体的p-n 结有不同的结构形式，一般可分为：p + -n-n +；p +-p -n +； n +-n-p +；n +-p-p +等4种形式。

如图1所示,硅微条探测器p-n 结的结构形式可以有以上4种选择,但目前在硅微条探测器及一些相关的半导体探测器的制作中, 还是采用p +-n-n +形式结构比较多。

从探测器横截面上看,主要分这样几个部分:①探测器表面有薄铝条, SiO 2隔离条,铝条下边是重掺p +条；②中间部分是厚度大约为300μm 的高阻n 型硅基,作为探测器的灵敏区；③底部是n 型硅掺入砷(As)形成重掺杂n +层和铝薄膜组成的探测器的背衬电极。

从硅微条探测器的表面结构可以看出 其表面分为：微条、保护环、偏压连接带、多晶硅偏压电阻、直流接触片、交流接触片等。

其探测原理还是跟单个PN 结半导体的探测原理一样的。

在PN 结上加一反向电压, 将形成一耗尽层。

当电压足够高时, 耗尽层可扩展到整个高阻硅衬底。

粒子通过耗尽层时, 会产生许多电子－空穴对。

在电场的作用下, 电子向正电极（背面铝电极）, 空穴向负电极（正面铝电极）漂移。

在高阻高纯硅中, 电子空穴的迁移率均很高, 故在很短的时间内外电路就可测到一电荷信号。

根据此信号, 就可以知道有无粒子入射到硅衬底; 由信号的大小, 则可以得知入射粒子损失的能量。

如果入射粒子的全部能量都消耗在PN 结的耗尽层, 则通过测量电荷信号, 就可测定粒子的能量。

如果将许多条状PN 结（简称微条）平行地作在高阻硅衬底上, 就形成了微条粒子探测器。

随着技术的发展现在的硅微条探测器主要有单边读出和双边读出结构的硅微条探测器。

单边读出结构的硅微条探测器的结构性质如上所述。

而双边读出结构的硅微条探测器则是采用了新设计、新技术工艺(双金属层, p-stop 技术等) 。

这种双边读出的硅微条探测器只在一片n 型硅片的两面, 分别制p +型和n +型上下两层读出条, 这两层读出条相交成一定的角度(90°或任意角度, 个别有互相平行的)。

这种探测器具有两维的位置测试能力,可以从两边读出条上都读出电信号, 得到二维的信息。

1.2 像素探测器随着半导体探测器的发展, 同时也研制了像素探测器，它也是根据p-n 结的原理研制成功的, 其内部是由许多精心设计好的非常小的p-n 结(二极管) 组成的, 它能够非常快的提供两维的信息。

每一个小室(cell) 都连接它自己的读出电子学。

这样制成的像素探测器对于高多重性、高事例率的实验是非常有用的。

它不像双层硅微条探测器那样,在多个粒子同时打到探测器的一个读出条有时会出现位置分辨模糊。

像素探测器具有非常好的位置分辨率,在图1 硅微条探测器的p2n 结的结构形式图2 单一型像素探测器 每单位面积上需要大量的电子学路数。

灵敏区和电子学可以共同建立在相同的基片上，即构成单一像素探测器。

而如果把像素探测器部分及前端电子部分建立在不同的基片上, 然后对应的连接起来这叫混合像素探测器。

作为小探测器的矩阵和相配的读出电子学矩阵只是在最后一步才连接在一起, 两部分工艺流程是独立的。

可以 各自采用不同材料和处理方法. 每个像素和它对应的读出电子学的连接有两种方法:一种是用倒装片技术外一种是使用双层金属,即每个像素和对应的电子学, 通过在探测器边缘的焊片连接.像素探测器的像素有采用简单的p-n 结型二极管和光电二极管, 也有采用PIN 光敏二极管和耗尽型场效应晶体管的, 还有采用小型硅漂移室单元和CMOS 器件单元等, 它们各自有不同的优缺点, 各有不同的用途。

1.3 Si-PIN 电制冷半导体探测器虽然半导体探测器具有能量分辨率高、体积小等很多优点，进而应用于广泛的领域。

但是现在采用的Si (Li)探测器大多数要求在液氮温度(－190℃)下保存和使用。

必须使用低温容器和真空室, 增加了探测器的总体积，而且需频繁地添加液氮，使其应用受到了极大的限制。

目前解决半导体探测器的“低温条件”问题主要从2个方向进行研究：一是寻找高原子序数和禁带宽度更大的半导体材料；二是寻找新的致冷方法。

这里着重介绍一种电制冷新型半导体探测器。

新型致冷方法很多,近年来研究比较深入的是热电致冷、气体压缩膨胀致冷、磁致冷等。

实用的电致冷技术使用的是Se 、Te 、Bi 、Sb 等熔炼拉晶的合金,当一块N 型半导体和一块P 型半导体结成电耦时,在这个电耦回路中接上直流电源,电耦就有电流流过,发生能量转移,在接点处发生放热或吸热现象。

把规格相同的电耦元件按电的串联方式和热的并联方式连接起来,就构成了单级致冷器,同理,几个单级致冷器按电的串联方式连接起来就构成了多级热电致冷器,它可以得到更低的致冷温度。

利用这种热电致冷探测器与可控X 射线激发源、主放大器、高中低供电电源、多道分析器(MCA )和笔记本微机即可组成现场X 荧光全谱测量仪(简称X 荧光仪), 结构如图所示：图3 三维混合像素探测器其工作原理是: 高压电源产生的高压加到X 光管上, 产生X 射线, 该射线照射样品, 激发目标元素产生特征X 射线, 探测器收集射线并转换为电压信号, 通过主放大器放大后, 送到MCA 进行模数转换及幅度分析, 最后由计算机对这些数字信息进行处理, 得出被测样品的元素种类及其含量。

利用Si-PIN电制冷半导体探测器虽然没多大程度上改变那些影响能量分辨率和探测效率的因素，甚至它的分辨率较Si（Li）半导体探测器差。

但是Si-PIN电制冷半导体探测器作用区厚度相差较小，所以加在探测器上的偏压低的多（+110V左右，而一般Si（Li）探测器需要-800V）。

从以上比较可以看出, Si-PIN探测器虽然其能量分辨率比Si (Li)探测器略差一些, 探测X射线的能量上限也低一些,但由于采用了电制冷方法,避免了探测器必须在低温下保存和使用的不便,大大地扩展了它的应用领域。

美国LBL实验室用热电致冷器(1. 25～4. 5W,最低温度可达185 K) ,对16mm2 Si (Li)探测器致冷,对55 Fe的5. 90 keV峰测得了190 eV的能量分辨率,目前这种技术已经成熟,并出现了相应的新型探测器产品。

2 结论随着硅微条及一些相关的新型半导体探测器的发展, 它们的应用越来越广泛。

在高能物理实验领域已经应用得很多, 在天体物理、宇宙线实验, 在核医学领域的CT及其它数字图像系统方面也已经开始一些新的应用研究。

在高能物理实验中，因为硅微条等新型半导体探测器的位置分辨率比气体探测器、闪烁探测器的位置分辨率高一到两个数量级, 所以在近十几年来, 世界各大高能物理实验室都采用它作为顶点探测器。

不仅如此, LHC上的ATLAS和CMS还采用了硅微条探测器代替漂移室作为径迹测量的径迹室来在西欧中心LHC上运行的A TLAS实验的内部探测器, 除了采用了单边、双边读出硅微条探测器外还采用了像素探测器和穿越辐射径迹室,在核医学中，核医学影像技术与高能物理及核物理探测技术是密切相关的, 探测技术的各项发展都在不断带动核医学影像技术的发展。

核医学领域的X光透视,X2CT、MRI、PET、ECT 等等, 都是在高能物理和核物理实验探测技术的基础上发展起来的。

探测技术的各项发展都在不断带动核医学影像技术的发展以前的X2CT使用的NaI(TI)、BGO或CsI晶体探头, 其空间分辨率只在0.5mm 左右, 近几年应用光电二极管阵列探测器, 空间分辨率有了一定提高, 但达到μm 量级还有很大一段距离。

空间分辨率能接近μm 量级的探测器, 在目前的高能物理和核物理实验探测技术中只有硅微条探测器、像素探测器、CCD等半导体探测器。

硅微条等半导体探测器的飞速发展和应用不仅促进了高能物理的发展, 而且还带动了天体物理、宇宙线物理、核医学数字影像技术等领域的发展提高。

这些先进的探测技术在未来的核医学数字影像、安全检查检测、核技术应用以及工业等很多领域一定还会有更美好的应用前景。

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