[发明专利]碲锌镉/硅γ射线X射线探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碲锌镉/硅γ射线X射线探测器及其制备方法，本发明器件具有高探测灵敏度和高探测效率，是一种具有吸收和倍增区分离的复合型碲锌镉‑硅探测器。本发明将CZT晶片与SiPM键合在一起，由CZT晶片作为探测核辐射的吸收区，SiPM作为载流子的倍增放大区，形成吸收区和倍增区分离的高探测灵敏度的CZT/Si核辐射探测器。当采用SiPM的结构时，整个器件作为高灵敏探测器应用；当将单个或部分APD单元作为像素单元时，可用作高灵敏像素探测器。为下一代康普顿γ相机、单光子发射计算机断层扫描、正电子发射断层扫描仪器成像仪器提供具有单光子计数能力的、高能量分辨率、高空间分辨率、高时间分辨率、高探测灵敏度和高探测效率的探测器件。

技术领域

本发明涉及一种高探测灵敏度、高探测效率的碲锌镉/硅γ射线X射线探测器及其制备方法，特别是一种具有吸收和倍增区分离的复合型碲锌镉-硅探测器及其制备方法。应用于半导体技术领域。

背景技术

碲锌镉(Cd_(1-x)Zn_xTe，或简写为CZT)作为新一代化合物半导体，由于具有较大的禁带宽度和较高的平均原子序数，因而可工作在常温，并具有较大的阻止本领和较强的抗辐射能力。近年来，随着高能量分辨率的能谱仪、高空间分辨率的成像装置和高能量的光子探测系统的飞速发展，在国土安全、高能核物理、空间物理、工业和核医学成像以及基础科学研究等领域的应用有普及化的趋势，市场前景也越来越广阔。但现有的碲锌镉探测器的测灵敏度和探测效率还不理想。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种碲锌镉/硅γ射线X射线探测器及其制备方法，将CZT晶片与SiPM键合在一起，由CZT晶片作为探测核辐射的吸收区，SiPM作为载流子的倍增放大区，形成吸收区和倍增区分离的高探测灵敏度的CZT/Si核辐射探测器。为下一代康普顿γ相机、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)、正电子发射断层扫描仪器(PET)等成像仪器提供具有单光子计数能力的、高能量分辨率、高空间分辨率、高时间分辨率、高探测灵敏度和高探测效率的探测器件。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

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、碲锌镉晶片和键合过渡层构成，所述键合过渡层采用金属层，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作为阴极，键合过渡层作为与硅晶片的键合界面过渡层，从而由碲锌镉晶片和硅晶片通过键合过渡层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上制作的雪崩PN结组成，硅片上的倍增区采用硅光电倍增管的SiPM单元结构，SiPM单元由硅晶片、雪崩PN结、绝缘层、绝缘层图案化沟道的填充电极层和淬灭电阻以及第二金属电极层组成。

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

优选地，用作电荷倍增区的硅晶片上采用硅光电倍增管的SiPM单元结构，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。

优选地，采用第一金属电极层作为阴极和第二金属电极层作为阳极的一种两端结构；

优选地，采用第一金属电极层作为阴极，采用第二金属电极层作为阳极，还采用绝缘层图案化沟道的填充电极层作为阳极，形成第一种三端结构。