[发明专利]超薄硅基粒子探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超薄硅基粒子探测器及其制备方法，更具体地说，本发明涉及一种具有超薄PIN硅基结构，能够探测粒子种类和能量的硅基粒子探测器，及其制备方法，属于高能物理和核物理领域。

背景技术

粒子探测器可以探测带电粒子、紫外光子、X光子、α粒子、β粒子等。因此，它在空间探测，核物理，医学和环境监测中有着极为广泛的应用。以空间探测为例，粒子探测器可以有效地探测太阳风、宇宙射线中的粒子，对于我们了解宇宙环境以及分析卫星中电子器件失效有着重要的意义。

半导体探测器是指用半导体材料制作出来的探测器。与早先的电离室探测方法相比，它们的工作原理类似。入射粒子在电离室中产生正离子和电子，把这些离子收集起来就得到一个电信号。入射粒子在半导体探测器中产生电子和空穴，把电子和空穴收集起来，就得到有关粒子数据。他们的主要差别在于：在半导体探测器中产生一个电子-空穴对只需要耗费3.5电子伏的能量；而电离室中产生一个离子需要30电子伏的能量。因此，半导体探测器有着能量分辨率高，线形响应好，脉冲上升时间短，探测效率高等特点。

半导体探测器根据材料不同可分为锗锂漂移探测器、高纯锗探测器、硅锂漂移探测器、硅探测器、化合物半导体探测器以及金刚石探测器等。其中，硅探测器以其低成本，高能量分辨率以及与集成电路工艺高度兼容性而有着广大的发展前景。

具有PIN结构的硅基粒子探测器目前有很大发展，它主要应用于ΔE-E望远镜。ΔE-E望远镜广泛用于测量粒子的种类和能量。它一般由一个厚探测器和一个薄探测器组成。当入射粒子进入ΔE-E望远镜中，首先与薄探测器发生作用，失去能量ΔE。然后与厚探测器作用，失去剩余能量(E-ΔE)。由于ΔE与粒子质量成正比，与E成反比。因此ΔE与E-ΔE的测量可以得到粒子的质量。当被探测粒子质量很大或者能量很低时，薄探测器需要非常薄来阻止粒子能量全部损耗在两个探测器中。在这种情况下，薄探测器非常易碎。同时，对于位置探测器来说，需要能够测量粒子的空间分布，因此需要探测器有较大面积。

然而，制造出具有超薄、大面积特性的硅基粒子探测器却有很多困难。其中，最主要的困难就是制造过程中探测器易碎。其次，为了提高探测器的分辨率，要求探测器有较小的漏电流和电容。而反向漏电流主要由表面漏电流决定，因此这就要求探测器表面比较平坦，峰-峰值达到几十埃。现有的探测器主要采用干法刻蚀的方法实现探测器的减薄，大面积减薄到100μm已非常困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种厚度较小，面积较大，且制造过程中不易碎裂的超薄硅基粒子探测器及其制备方法，可很好地应用于空间探测，核物理，医学检测和环境监测等，作为粒子鉴别的ΔE探测器。

本发明的发明目的通过下述技术方案实现：

一种超薄硅基粒子探测器，包括硅基片，所述硅基片上的探测窗口以及硅基片和探测窗口之外的介质层；

所述硅基片优选为100晶向的N型硅，电阻率大于1000欧姆厘米，厚度在300μm到550μm范围内；

所述探测窗口包括P区，N区以及夹在两者之间的硅层，该硅层的厚度优选为小于120μm，探测窗口的形状优选为圆形或矩形；

所述P区周围设有保护环，所述保护环和所述P区不相接触；所述P区上方设有基质层形成的缓冲台阶；

所述P区和所述N区表层均设有铝层；

所述N区优选呈倒圆台状，侧面和底面的夹角为54.74°。

本发明探测器通过下述方法制备，其步骤包括：

a)对硅基片作常规清洗，在硅基片的上下表面生成二氧化硅层，厚度优选为到

为了尽可能去除二氧化硅层中的可动离子和固定离子，本发明在传统工艺基础上进行了下述改进：在二氧化硅层达到一定厚度后，在850℃到1150℃之间通入流量比为1∶25到1∶35之间的三氯乙烯和氧气混合气体，三氯乙烯中的氯离子可与硅片中的正离子结合，从而消除硅片中的大部分可动离子和固定离子；之后，继续生长二氧化硅层直至达到所需厚度；

b)在正面光刻探测窗口和保护环的图形，腐蚀正面二氧化硅层至探测窗口和保护环图形下方的二氧化硅层至500到的优选厚度；

其中探测器窗口图形可为多种形状，优选为圆形；保护环环绕探测窗口；

探测窗口外缘和保护环内缘之间的距离由探测器厚度、硅基片电阻率、正面探测窗口图形的大小决定；

保护环内外半径的差值由正面探测窗口和保护环之间的距离决定；