[发明专利]一种基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器及其制备方法，属于半导体核辐射探测器技术领域 

背景技术

ΔE-E望远镜广泛用于测量粒子的种类和能量，表现为：重离子的检测和跟踪、高γ射线辐射下的短程粒子检测、X射线检测等。ΔE-E望远镜一般由一个厚PIN探测器和一个薄PIN探测器组成。它的工作原理为：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)。利用ΔE与E-ΔE的测量可以测量粒子的能量和质量，进行粒子鉴别。 

在制作探测器时，厚探测器需要制作得足够厚，从而阻止粒子完全停留在探测器中。而薄探测器需要制作得非常薄，以减少入射的高能粒子在ΔE探测器中损失的能量，获得较高的测量精度。 

传统意义上的ΔE-E望远镜通常由两个分离的PIN探测器构成，由于薄探测器需要制作得非常薄，所以在实际使用过程中容易破碎，带来可靠性的问题。同时，分离的探测器也不符合小型化、集成化的发展趋势。 

为了解决如上的问题，国际上通常采用将薄型的PIN探测器和厚型的PIN探测器集成到一起，组成一个整体单元，利用厚型的PIN探测器来支撑薄型的PIN探测器，从而解决机械可靠性的问题。这种集成结构也有利于减小死层厚度，从而提高探测灵敏度。 

为了制造这种集成的探测器结构，一种方法是利用高能粒子注入，形成导电埋层作为厚型PIN探测器与薄型的PIN探测器的公共电极，再进行低能粒子注入掺杂，形成厚型PIN探测器与薄型的PIN探测器的另一个电极，其中，导电埋层采用另外一次注入掺杂引出电极。这种结构设计能得到超薄的薄型探测器，从而能够探测超低能量的粒子。整个探测器结构如G.Cardellab等人于1996年在《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A》上发表的名称为“A monolithic silicon detector telescope”的论文中所示；另外一种方法是首先利用扩散掺杂的方法制作厚型的PIN探测器，然后采取外延的方法制作出薄型的PIN探测器，导 电埋层采用金线引出。其探测器结构如Kim，C.等人于1982年在《IEEE Transactions on Nuclear Science》上发表的名称为“Epitaxial Integrated E-dE Position Sensitive Silicon Detectors”的论文中所示。还有一种方法是采用金属硅化物键合圆片的方式形成ΔE-E核辐射探测器，采用这种方式能得到低阻导电埋层。其探测器结构如 等人于1997年在《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A》上发表的名称为“Fabrication of an integrated ΔE-E-silicon detector by wafer bonding using cobaltdisilicide”的论文中所示。 

以上集成探测器虽然各具优点，但是制作方法相当复杂，对于前两种集成式ΔE-E核辐射探测器而言，会带来相当大的信号串扰问题，而且，死层厚度对粒子探测的影响也显著增加。 

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器及其制备方法，获得的ΔE-E核辐射探测器具备成品率高，工艺简单，探测厚度确定，低成本等优点，同时，具有良好的探测灵敏度、探测效率和机械稳定性。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种复合式ΔE-E核辐射探测器，包括薄型PIN探测器、厚型PIN探测器以及两者之间的金属键合层，所述薄型PIN探测器是在键合基片上形成的。所述厚型的PIN探测器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探测窗口。所述金属键合层将薄型PIN探测器与厚型PIN探测器机械固定到一起，并且具备电学连接特性。 

上述技术方案中，所述薄型PIN探测器键合基片由器件层硅片、支撑层硅片以及两层硅片之间的二氧化硅层组成。 

所述器件层硅片优选为(111)晶向的N型硅，电阻率大于4000欧姆厘米，厚度在100μm以下。 

所述支撑层硅片优选为(100)晶向的N型硅，电阻率小于10欧姆厘米，厚度在300μm到600μm范围内。 

器件层硅片正面有掺杂形成的N⁺区，所述N⁺区上面覆盖有薄铝层。