硅輻射探測器的研究進(jìn)展*

廖非易，李高財(cái)，雷 林，黃鶴翔，王小英，趙一英

(1.中國工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621908；2.四川藝精科技集團(tuán)有限公司，四川 江油 621700)

輻射探測技術(shù)在國土安全、太空探索、環(huán)境安全、石油勘探、醫(yī)療衛(wèi)生等方面均有重要應(yīng)用，其中的半導(dǎo)體輻射探測器是核輻射探測、成像技術(shù)的核心部件。半導(dǎo)體輻射探測器自20世紀(jì)60年代開始發(fā)展，逐步在核探測儀器中得到重要應(yīng)用。

最常見的半導(dǎo)體輻射探測器是硅、鍺探測器，其他還有CdTe、HgI2、SiC、CdS、GaAs、PbS等探測器[1]。硅、鍺相比其他半導(dǎo)體材料，具有較低的禁帶寬度(產(chǎn)生的電子-空穴對多)，更高的載流子遷移率和壽命(電荷收集效率高)，且生長的單晶缺陷低、尺寸大。雖然,其他半導(dǎo)體材料具有更高的輻射衰減系數(shù)(高原子序數(shù))，但生長出的單晶材料存在電活性雜質(zhì)高和天然缺陷密度高等問題，因此制備出的輻射探測器時(shí)間不穩(wěn)定性，即極化效應(yīng)比較嚴(yán)重。鍺探測器能量分辨率高，但需要在液氮溫度下工作，以降低熱噪聲，因此成本昂貴。硅輻射探測器具有室溫下工作、能量分辨率高、空間分辨率高、探測能量范圍寬、線性范圍寬、對磁場不敏感、設(shè)計(jì)緊湊、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此成為了半導(dǎo)體輻射探測器的主流。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的蓬勃發(fā)展，離子注入等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，平面工藝以及超大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于硅探測器，因此探測器尺寸已由cm2級增長到m2級，通道數(shù)由幾千量級增長到了百億量級[2]，抗輻照能力也從數(shù)十Gy增長到了數(shù)十MGy[3]，這使得探測器粒子軌跡空間分辨率、快速計(jì)時(shí)能力、抗輻照能力、讀出速率等都有顯著提升，并在國土安全、天文學(xué)、放射性勘探、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用[4]。

本文梳理了硅輻射探測器的發(fā)展脈絡(luò)，并更新了最新的研究成果，希望有助于提升硅探測器的性能，并進(jìn)一步拓展其應(yīng)用。再者，硅輻射探測器發(fā)展過程中器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、制備工藝的改進(jìn)、性能的提升等，對其他半導(dǎo)體輻射探測器的研制也有重要的參考價(jià)值。

1 硅輻射探測器的工作原理及應(yīng)用

根據(jù)探測器結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用場景中對能量分辨率、空間分辨率等性能的要求，硅輻射探測器可分為平板型探測器、硅微條探測器、硅漂移室探測器、電荷耦合探測器、像素探測器等。其中，平板型探測器多用于帶電粒子、光子的強(qiáng)度和能譜探測，硅微條探測器、硅漂移室探測器、電荷耦合探測器、像素探測器多用于二維位置探測和成像。根據(jù)分辨率不同，在同一系統(tǒng)中會用到多種硅輻射探測器。例如，在大型重離子對撞實(shí)驗(yàn)(A Large Ion Collider Experiment, ALICE)的內(nèi)徑跡系統(tǒng)探測器(Inner Tracking System, ITS)中[5]，由內(nèi)層到外層依次使用了像素探測器、硅漂移室探測器、雙面硅微條探測器。

2 平板型輻射探測器

平板型輻射探測器是最常見的一類輻射探測器，通常用于光子和帶電粒子，如X射線、γ射線、α粒子、β粒子等的強(qiáng)度和能譜探測。平板型輻射探測器的工作原理[6]如圖1所示。通常以n型硅為襯底，正面為p+摻雜，背面為n+摻雜。射線與探測器相互作用產(chǎn)生的電子-空穴對，在電場作用下分離并向兩端移動，最終形成電信號。

圖1 平板型輻射探測器工作原理

根據(jù)器件結(jié)構(gòu)的不同，平板型輻射探測器包括面壘型探測器(Surface-Barrier Detector)和PN結(jié)型探測器[7-10]。根據(jù)制備工藝的不同和平板型輻射探測器的發(fā)展歷程，PN結(jié)型探測器又可分為擴(kuò)散型探測器(Diffusion Detector)、離子注入型探測器(Ion Implanted Detector)、鈍化注入平面硅探測器(Passivated Implanted Planar Silicon, PIPS)和鋰漂移型探測器(Lithium Diffusion-Drift Detector)等。面壘型探測器是20世紀(jì)60年代發(fā)展成熟且應(yīng)用廣泛的一種平板型輻射探測器，具有工藝簡單、死層薄、靈敏面積大等特點(diǎn)。常見的金硅面壘探測器是通過在n型硅上沉積一層很薄的金，形成肖特基結(jié)來實(shí)現(xiàn)輻射探測[7]。面壘型探測器的缺點(diǎn)是薄窗對光敏感，可見光下也會產(chǎn)生電子-空穴對，從而產(chǎn)生噪聲。此外，薄窗還易受環(huán)境蒸氣的影響，導(dǎo)致表面損傷。相比面壘型探測器，PN結(jié)輻射探測器具有更高的可靠性,更高的穩(wěn)定性和更高的抗輻照能力。PN型探測器主要通過在p型硅表面高溫?cái)U(kuò)散(或者注入磷)，或在高阻本征硅(或高阻n型硅)兩面分別高溫?cái)U(kuò)散(或者進(jìn)行粒子注入磷和硼)，形成PN結(jié)或PIN結(jié)[8]。其中，擴(kuò)散型探測器的缺點(diǎn)是死層較厚，增加了入射粒子的能量損耗，且在高溫?cái)U(kuò)散過程中會形成相關(guān)缺陷，增加探測器漏電流。為避免這些因素導(dǎo)致的探測器低能量分辨率，采用離子注入工藝代替高溫?cái)U(kuò)散過程，不僅能降低漏電流，還能減小死層厚度。此外，離子注入后的退火溫度也遠(yuǎn)低于熱擴(kuò)散溫度，相比熱擴(kuò)散缺陷也少。這種離子注入型探測器兼具面壘型探測器和擴(kuò)散型探測器的優(yōu)點(diǎn)。特別是，鈍化注入平面硅探測器，采用表面鈍化工藝進(jìn)一步降低器件漏電流，且PIPS探測器死層薄、入射窗口穩(wěn)固，能達(dá)到很高的能量分辨率[9]，因此在帶電粒子探測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。鋰漂移型探測器主要用來增強(qiáng)對X、γ等穿透強(qiáng)的粒子探測。它是通過熱蒸發(fā)在p型硅表面沉積一層鋰，然后通過高溫、高電壓使鋰離子漂移進(jìn)入硅體內(nèi)，在一定深度內(nèi)鋰離子濃度超過受主，形成P-I-N型探測器[10]。鋰漂移型探測器厚度可達(dá) 5 mm，因此對高能X、γ射線具有更高的吸收效率。

綜上，影響平板型輻射探測器性能的主要因素為死層厚度和靈敏層厚度。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，通過離子注入技術(shù)，可以降低死層厚度，并通過表面鈍化技術(shù)，降低漏電流，實(shí)現(xiàn)帶電粒子的高能量分辨率能譜探測。另外，通過增加靈敏層厚度，可以提高對X、γ射線的吸收能力，實(shí)現(xiàn)高能量光子的能譜探測。

3 硅微條輻射探測器

硅微條探測器(Silicon Micro-strip Detector, SMD)主要用于測量入射粒子的位置信息，具有空間分辨率高、抗輻照能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其空間分辨率主要由條帶寬度和間距決定。硅微條探測器可以在提供微米量級的位置分辨率的同時(shí)也給出優(yōu)良的能量信號。它在世界上各大高能物理實(shí)驗(yàn)室的大型物理實(shí)驗(yàn)[11](如加速器、對撞機(jī))中用作頂點(diǎn)探測器(Vertex Detector)和徑跡探測器(Track Detector)，也可同時(shí)檢測和識別大量粒子的能量、軌跡和產(chǎn)生位置。此外，硅微條探測器在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的CT和其它數(shù)字化成像方面也有重要應(yīng)用。

單面硅微條探測器是在平板型探測器的基礎(chǔ)上，通過氧化和離子注入、局部擴(kuò)散等工藝技術(shù)制作成的條形PN結(jié)型單邊讀出探測器。探測器結(jié)構(gòu)和工作原理[12]如圖2(a)所示。微條寬度和間距在 10～50 μm，每個(gè)微條都對應(yīng)一路獨(dú)立的讀出電子穴，對微條上收集的載流子進(jìn)行放大和信號處理。最大的硅微條探測器包含792576個(gè)通道，由美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室建造，并用于D?探測器[13]。通過調(diào)整微條寬度和間距，硅微條探測器沿光束方向的分辨率可達(dá) 12 μm，方位角分辨率可達(dá) 22 μm[14]。電子穴采用CMOS技術(shù)制造，器件結(jié)構(gòu)尺寸可達(dá) 0.25 μm，放大成形時(shí)間約 25 ns，信噪比約10，漏電流<10 nA，并且結(jié)構(gòu)尺寸越小，芯片抗輻照能力越強(qiáng)[15]。雙面硅微條探測器是通過在探測器芯片的另一面制作正交方向的微條來收集電子，從而實(shí)現(xiàn)入射粒子雙坐標(biāo)的位置探測或成像的[16-17]，如圖2(b)、圖2(c)所示。在國家大型重離子加速器(Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, GANIL)的MUrà STrips II(MUST II)上，使用的雙面硅微條探測器位置分辨率可達(dá) 0.01 cm2，能量分辨率小于 100 keV(0.5～30 MeV)，時(shí)間分辨率 0.5 ns[18]。當(dāng)用于 160 MeV 的質(zhì)子CT成像時(shí)，空間分辨率可達(dá) 0.45 mm[19]。

a) b) c)

通過半導(dǎo)體平面工藝和集成電路工藝的應(yīng)用，進(jìn)一步降低硅微條探測器的微條尺寸，并在同一芯片上集成前端放大電子，實(shí)現(xiàn)微米級別的快速精確X射線成像，因此在頂點(diǎn)探測器、徑跡探測器、CT成像等高精度成像領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

4 硅漂移室輻射探測器

硅漂移室探測器(Silicon Drift Detector, SDD)同樣也可以用于粒子的位置探測。Gatti和Rehak[20]首先提出了一維讀出型硅漂移室探測器，工作原理如圖3 a)所示。探測器結(jié)構(gòu)為P-N-P，上下兩面的微條電極位置一一對應(yīng)。通過在微條電極上從左到右施加依次降低的負(fù)偏壓(-V，-V-ΔV，……，-V-nΔV)，使條帶電極相對于其平行電極的中間平面具有負(fù)電位。入射粒子進(jìn)入產(chǎn)生電子-空穴對，空穴在相對于電極的垂直方向移動，快速聚集在上下微條電極；電子被引導(dǎo)到中間平面，并在該平面中朝著不斷降低的負(fù)電勢的方向移動。在最后一組上下微條電極處形成PN結(jié)。其中，N是零電位(V=0)的陽極，P是比倒數(shù)第二微條帶更多負(fù)電位的條帶(-V’<-V)，從而使電子移動到陽極。粒子撞擊漂移探測器的一維坐標(biāo)位置由漂移時(shí)間確定，如圖3 b)所示。通過將陽極劃分為單獨(dú)的電極并將每個(gè)電極連接到獨(dú)立的讀出電路，可以實(shí)現(xiàn)粒子空間位置的測量[21]。

在硅漂移室探測器中，電子的最大漂移距離可達(dá)35 mm，在500 V/cm場強(qiáng)下漂移時(shí)間接近4 μs，電子漂移到陽極的位置偏差均方根達(dá)200 μm，這限制了二維讀出型的空間分辨率。此外，探測器的陽極分辨率和漂移分辨率均會隨著漂移距離的變化而變化。例如，2 keV的X射線的平均陽極分辨率在30 μm以下，7 keV的X射線的平均陽極分辨率在10 μm以下，而能量為2 keV的X射線的平均漂移分辨率為1 cm，5 keV的X射線的平均漂移分辨率為2 ～4 mm[24]。硅漂移室探測器的電極不僅可以是直線微條結(jié)構(gòu)，還可以是同心圓結(jié)構(gòu)[22]，如圖3 c)所示。探測器基體為輕摻雜N型，電極為重?fù)诫sP型，上電級為同心圓條帶電極，下電極為面電極。探測器工作在完全耗盡狀態(tài)下，射線從下電極進(jìn)入探測器產(chǎn)生電子-空穴對，受同心圓電極負(fù)偏壓作用，電子沿斜線軌跡到達(dá)陽極，并通過集成在中心的一個(gè)結(jié)型場效應(yīng)管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)對信號進(jìn)行前置放大。5.9 keV的X-ray(55Fe Kα)在室溫下能量分辨率FWHM可達(dá)190 eV，在 -30 ℃ 下的能量分辨率可達(dá) 127 eV，成形時(shí)間小于 1 μs。為了滿足不同應(yīng)用場景，可以通過將多個(gè)SDD進(jìn)行拼接，增加靈敏區(qū)面積，組成多通道漂移室探測器(Multichannel Drift Detector)，如圖3(d)所示。拼接后的單元具有獨(dú)立的讀出電路，探測器能量分辨率和計(jì)數(shù)率不受影響[23]，且相比PIN和Si(Li)探測器具有更高的計(jì)數(shù)率。

a) b)

綜上，硅漂移室探測器的高能量分辨率和高計(jì)數(shù)率特性使其在熒光分析(X射線熒光光譜儀)、衍射儀、同步輻射實(shí)驗(yàn)中均具有重要應(yīng)用。影響SDD空間分辨率的主要因素為載流子漂移過程中的位置誤差和漂移距離，因此作為位置探測器SDD僅適用于X射線一維成像。

5 電荷耦合輻射探測器

電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)最初被用于光學(xué)成像探測器，還廣泛用于模擬和數(shù)字存儲元件，并逐步將其應(yīng)用擴(kuò)大到位置靈敏核輻射探測器中[25]。CCD是一個(gè)由大量像素組成的矩陣，CCD的工作過程分為電荷收集和電荷轉(zhuǎn)移。其中，電荷收集采用金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS)結(jié)構(gòu)的電容器。當(dāng)在MOS結(jié)構(gòu)的電極上施加電壓時(shí)，P型半導(dǎo)體中的空穴會離開MOS結(jié)構(gòu)表面，此時(shí)表面形成收集電子的勢阱，收集射線產(chǎn)生的電子電荷。之后，電荷轉(zhuǎn)移是通過三相CCD來實(shí)現(xiàn)的，如圖4(a)所示。每個(gè)像素包含三個(gè)電極，每第三個(gè)電極保持同一電位，即①、②、③分別保持相同電壓。首先，將②的電壓增加到和①相同的電壓，電荷將在①和②之間擴(kuò)散；然后降低①的電壓，電荷則轉(zhuǎn)移到②電極下方勢阱中；對②和③執(zhí)行相同的過程，電荷由②轉(zhuǎn)移到③電極下方勢阱中；通過①、②、③電壓周期性變化，則可以將電荷移向讀出電極。

對于X射線探測，增加耗盡層的厚度可以提高射線吸收率，通過采用高阻硅作為襯底，制備PN型CCD[27]，結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。其工作原理和傳統(tǒng)CCD略有不同，與漂移室探測器有相似之處，下電極為負(fù)偏壓，上電級通過周期性三相脈沖負(fù)偏壓使電子漂移到陽極(零偏壓)。用于X射線熒光光譜探測和成像，Mn的Kα能量分辨率可達(dá) 150 eV，空間分辨率可達(dá) 20 μm[28]。

a) b)

綜上，CCD探測器在成像時(shí)間、空間分辨率、強(qiáng)度測量都具有優(yōu)勢，可用于X射線同步輻射，CT成像等各種應(yīng)用。

6 像素輻射探測器

為了得到更高精確度的粒子徑跡成像，像素探測器(Pixel Detector, PD)應(yīng)運(yùn)而生。相比硅微條探測器和硅漂移室探測器，像素探測器具有更高成像速率和空間分辨率。特別是，有源像素傳感器(Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS)，已在ALICE的內(nèi)徑跡探測器中對硅探測器進(jìn)行了替代升級，以期對強(qiáng)相互作用物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行更細(xì)致研究[29]。像素探測器的像素單元結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。圖5(a)中，襯底為n型硅，通過離子注入分別形成n+層和p+層，其中一個(gè)n+區(qū)用于信號輸出，另一個(gè)n+區(qū)作為信號的保護(hù)柵，p層作為像素間的絕緣保護(hù)并增加像素單元的抗輻照性[30]。像素單元大小通常為50×50 μm2，通過倒裝焊與獨(dú)立的場效應(yīng)晶體管連接，并輸出信號[31]。

像素探測器的厚度通常為 300 μm，而載流子漂移距離對收集時(shí)間和空間分辨率均有影響，如圖5(c)所示。通過將p+區(qū)和n+區(qū)做成立體結(jié)構(gòu)，可在探測器厚度不變的情況下，有效降低載流子漂移距離[32]。為進(jìn)一步提高集成度、降低探測器成本和功耗，將部分電子學(xué)和像素探測單元集成到單片硅上，就得到了單片有源像素探測器(MAPS)，像素尺寸可以減小到 20 μm，對 5.9 keV 的X-ray(55Fe)實(shí)現(xiàn)了 130 eV 的能量分辨率和 27 lp/mm 的空間分辨率[31]。

a) b) c)

綜上，像素輻射探測器是滿足未來高空間分辨率需求的發(fā)展趨勢，相比硅漂移室、硅微條探測器，其具有高能量分辨率、高空間分辨率和高粒子計(jì)數(shù)率。特別是，集成一體式的像素輻射探測器，在粒子探測、大型物理實(shí)驗(yàn)、高精度成像領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用。

7 總結(jié)和展望

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，硅輻射探測器的能量分辨率和位置分辨率不斷提高，同時(shí)，通過提高器件集成度實(shí)現(xiàn)了射線能量和位置的高精度快速同時(shí)測量，在醫(yī)學(xué)、國防、科研、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。目前，硅輻射探測器在帶電粒子探測領(lǐng)域仍有不可替代的地位，在高能X、γ射線探測，硅材料較低的本征探測效率低限制了其性能，但仍然占據(jù)主要地位。隨著具有更高輻射吸收率的新材料，如CdZnTe、有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦等，探測器技術(shù)發(fā)展，高能X、γ射線探測領(lǐng)域的部分應(yīng)用可能會被取代，但是在大面積、高位置分辨率、快速測量等領(lǐng)域，硅輻射探測器的地位依然難以撼動。