[发明专利]碲锌镉/硅γ射线X射线探测器及其制备方法

权利要求书

1.一种碲锌镉/硅γ射线X射线探测器，包括射线吸收探测区和电荷倍增区，其特征在于，该器件由作为射线吸收探测区的碲锌镉晶片和用作电荷倍增区的SiPM芯片集成组成，其结构采用如下任意一种结构形式方案：

方案一：射线吸收探测区由第一金属电极层(1)、碲锌镉晶片(2)和键合过渡层(3)构成，所述键合过渡层(3)采用金属层，使射线吸收探测区形成金属-半导体-金属形式结构，其中第一金属电极层(1)作为阴极，键合过渡层(3)作为与硅晶片(4)的键合界面过渡层，从而由碲锌镉晶片(2)和硅晶片(4)通过键合过渡层(3)间接键合组成探测器的主要功能层结构；电荷倍增区由在硅外延片或硅晶片(4)上制作的雪崩PN结(5)组成，硅片上的倍增区采用硅光电倍增管的SiPM单元(7)结构，SiPM单元(7)由硅晶片(4)、雪崩PN结(5)、绝缘层、绝缘层图案化沟道的填充电极层(8)和淬灭电阻以及第二金属电极层(6)组成；

方案二：射线吸收探测区由第一金属电极层(1)、碲锌镉晶片(2)和键合界面(9)构成，其中第一金属电极层(1)作为阴极，从而由碲锌镉晶片(2)和硅晶片(4)通过直接键合组成复合晶体，在碲锌镉晶片(2)和硅晶片(4)之间存在键合界面(9)，形成探测器的主要功能层结构；电荷倍增区由硅晶片(4)上制作的雪崩PN结(5)组成，硅片上的倍增区采用硅光电倍增管的SiPM单元(7)结构，SiPM单元(7)由硅晶片(4)、雪崩PN结(5)、绝缘层、绝缘层图案化沟道的填充电极层(8)和淬灭电阻以及第二金属电极层(6)组成；

用作电荷倍增区的硅晶片(4)上采用硅光电倍增管的SiPM单元(7)结构，由APD阵列构成，当灵活选择设定数目的APD单元作为一个像素单元，通过对APD单元引出电极的重新组合，转变为像素器件，能用作高灵敏像素探测器使用；用作电荷倍增区的硅晶片(4)上采用硅光电倍增管的SiPM单元(7)结构，由APD阵列构成，当灵活选择设定数目的SiPM单元作为一个像素单元，APD单元在SiPM上并联且每个SiPM拥有独立输出管脚，通过每个SiPM输出信号，可作为高灵敏的像素探测器使用。

2.根据权利要求1所述碲锌镉/硅γ射线X射线探测器，其特征在于：采用第一金属电极层(1)作为阴极和第二金属电极层(6)作为阳极的一种两端结构；

采用第一金属电极层(1)作为阴极，采用第二金属电极层(6)作为阳极，还采用绝缘层图案化沟道的填充电极层(8)作为阳极，形成第一种三端结构；

或者，在两端结构基础上，从键合过渡层(3)引出作为中间电极，形成第二种三端结构；

在两端结构基础上，从键合过渡层(3)引出作为中间电极，形成第二种三端结构；

在第一种三端结构基础上，将键合过渡层(3)引出作为中间电极，形成一种四端结构；

采用第一金属电极层(1)作为阴极，采用第二金属电极层(6)作为阳极，采用键合过渡层(3)作为中间电极，将绝缘层图案化沟道的填充电极层(8)悬空或与键合过渡层(3)短路形成第三种三端结构。

3.一种权利要求1所述碲锌镉/硅γ射线X射线探测器的制备方法，其特征在于：采用碲锌镉晶片和硅片的直接键合工艺：将经过表面处理的碲锌镉晶片和硅片放入超高真空腔体进行直接键合，真空度为10^-7～10^-9pa，键合温度25～150℃。

4.根据权利要求3所述碲锌镉/硅γ射线X射线探测器的制备方法，其特征在于，采用碲锌镉晶片和硅片的表面活化直接键合工艺：CZT晶体使用溴甲醇溶液进行表面活化，Si采用标准RCA工艺活化；

或者，单独或叠加采用氢等离子、Ar等离子对CZT晶体和Si晶体表面进行活化，然后在10^-7～10^-9pa的高真空和25～150℃条件下进行直接键合。

5.根据权利要求3所述碲锌镉/硅γ射线X射线探测器的制备方法，其特征在于：采用硅原片或硅外延片，先行与碲锌镉晶体采用直接键合工艺实现键合，然后将硅片层的厚度减薄至5～50nm后，再采用现有成熟平面工艺在硅层制作SiPM结构形成倍增区。