雙面硅條探測器的研制與測試

孫立杰，林承鍵，＊，楊 峰，＊，郭昭喬，郭天舒，徐新星，包鵬飛，楊 磊，賈會明，馬南茹，張煥喬，劉祖華，夏清良

（1.中國原子能科學研究院核物理研究所，北京 102413；2.北京科立興光電技術有限公司，北京 102413）

雙面硅條探測器的研制與測試

孫立杰1，林承鍵1，＊，楊 峰1，＊，郭昭喬2，郭天舒2，徐新星1，包鵬飛1，楊 磊1，賈會明1，馬南茹1，張煥喬1，劉祖華1，夏清良1

（1.中國原子能科學研究院核物理研究所，北京 102413；2.北京科立興光電技術有限公司，北京 102413）

研制了雙面硅條探測器。探測器靈敏面積為48mm×48mm，厚約300μm，結面和歐姆面的硅條互相垂直，均由相互平行、寬度相等的48條組成，每條寬0.9mm、間距0.1mm。對其電氣特性（耗盡偏壓、反向漏電流、條間電阻）和探測特性（上升時間、能量分辨、條間串擾）進行了測試。在偏壓為－15V時，各條平均反向漏電流小于10nA。對于從結面入射的5.157MeV的α粒子，前放信號上升時間約45ns，結面各條的能量分辨率約0.6%～0.7%，基本無條間串擾；歐姆面各條能量分辨率較差，存在條間串擾。

雙面硅條探測器；微電子工藝；電氣特性；探測特性；條間串擾

隨著半導體技術的迅速發展，半導體粒子探測器也有了很大的發展［1］。Kemmer［2］充分利用制備半導體MOS器件的工藝成就，解決了許多關鍵性的平面工藝難題，綜合了氧化鈍化、離子注入、光刻腐蝕等技術，使半導體探測器性能大為提高。其中，采用平面工藝技術研制的硅條探測器（silicon strip detector，SSD）的發展和應用非常突出。硅條探測器具有很高的位置分辨率和能量分辨率、較寬的線性范圍、很快的響應時間，并可加工成圓形、環形、扇形、矩形、多邊形等，被廣泛應用于高能物理、天體物理、空間科學、核物理及核醫學等實驗研究［3］。在核物理實驗中，利用硅條探測器可得到帶電粒子精確的位置、能量和時間信息，如在低能區的超重核合成研究中，硅條探測器常被用作余核注入探測器，通過對余核級聯α衰變的粒子進行時間、位置的關聯測量來指認目標核［4］。

近年來，許多實驗室用硅條探測器搭建陣列用于放射性核束物理實驗，如MUST［5］、MUST2［6］、LEDA［7］、CD［8］、HiRA［9］、DRAGON［10］等。但制作硅條探測器需采用微機械加工工藝和離子注入摻雜等技術，制作工藝復雜、難度大，成品率低。目前國內核物理實驗中使用的硅條探測器，尤其是雙面硅條探測器（doublesided silicon strip detector，DSSD），基本靠購買國外技術成熟的產品，價格昂貴。為此，中國原子能科學研究院、北京大學微電子研究院、中國科學院近代物理研究所等［11－12］開始自主研制雙面硅條探測器，本文對中國原子能科學研究院與北京科立興光電技術有限公司聯合研制的雙面硅條探測器進行介紹及測試。

1 結構及工作原理

研制的雙面硅條探測器及前置放大器如圖1所示。探測器靈敏面積為48mm× 48mm，P＋摻雜的結面（正面）與N＋摻雜的歐姆面（背面）構成PN結的基本結構，均均勻分成相互平行的48條，每條寬0.9mm、間距0.1mm，結面48條和歐姆面48條的走向互相垂直。這樣雙面硅條探測器就具有兩維位置探測能力，從結面各條讀出入射粒子的某一維的位置信息，同時可從歐姆面各條讀出入射粒子的另一維的位置信息。摻雜區中間部分的高阻N型硅基是探測器的靈敏區，外加足夠高的偏壓電場，耗盡層擴展到整個N型硅片，基本全耗盡。其內部可移動的載流子密度很低，電阻率很高，漏電流很小，外加電壓幾乎全加到耗盡層上，形成很高的電場。帶電粒子穿過探測器的靈敏區時，將產生電子－空穴對，在電場的作用下，電子向歐姆面電極漂移，空穴向加負偏壓的結面電極漂移，探測器厚度很薄（僅幾百μm），收集電荷只需很短的時間（ns量級），在探測器的相應條上產生脈沖信號（結面輸出正脈沖，歐姆面輸出負脈沖），信號反映了粒子在各硅條中的能損信息。每條硅條可視為一獨立的探測器，所有硅條電極上讀出的信號經前置放大器、主放大器放大，進入數據獲取系統，讀入計算機［13］。

圖1 雙面硅條探測器與前置放大器示意圖（a）和實物圖（b）Fig.1 Schematic view（a）and photo（b）of DSSD and preamplifiers

2 制備工藝

硅探測器的整個制備過程在超凈室內進行，基體采用標準的4英寸高阻N型硅材料，厚300μm，電阻率大于10kΩ·cm。主要工藝流程為：1）氧化鈍化。硅片清洗后置于高溫下，在表面形成約600nm的SiO2層，這樣可消除表面漏電流。2）光刻。根據設計版圖分別對探測器結面和歐姆面進行光刻。3）摻雜。在結面注入B離子，劑量約5×1014cm－2，形成P＋區；歐姆面注入P離子，形成N＋區；兩面摻雜區的厚度均小于400nm，這樣就形成了P－I－N形式的結構；用p＋－stops方法隔離N＋條，即在N＋條間注入B離子形成P＋隔離柵，同時也圍繞N＋條注入一圈B離子形成P＋隔離圈以加強絕緣效果。4）退火。注入后的硅片在干燥的氮氣中600℃退火30min。5）濺鋁。在結面歐姆面均濺射一層Al。6）反刻。在氧化層區域反刻去掉Al層。7）合金。在380℃時合金形成鋁電極。8）封裝。超聲波焊接電極引出絲，探測器的信號即可從鋁電極讀出。制成的雙面硅條探測器的結構如圖2所示。

圖2 雙面硅條探測器結構示意圖Fig.2 Structure schematic of DSSD

制備工藝流程的每步均需嚴格控制各參數和條件，并盡量減少環境雜質的污染。需說明的是，雙面硅條探測器歐姆面各條為N＋條，條間會聚集電荷，若隔離不佳，有可能被導通，為解決條間的電氣絕緣問題，需復雜的設計及技術工藝，一般采用p＋－stops、field plates或p＋－spray等方法隔離N＋條［14］。因此，相比單面硅條探測器，雙面硅條探測器制備工藝更復雜、難度更大、成品率更低。

3 測試結果

圖3 測試電子學框圖Fig.3 Electronics block diagram of test

使用239Pu源的α粒子對探測器進行測試，239Pu源距硅面約2.5cm，其α粒子從探測器結面入射，首先根據前置放大器的輸出信號選擇探測器的工作偏壓。從前置放大器信號的幅度和上升時間隨不同偏壓的變化關系（圖4）可發現，偏壓10V以上的信號幅度已基本不再增加，上升時間緩慢減小，此時探測器已全耗盡。一般，工作偏壓較耗盡電壓高一些，以獲得更快的時間響應，所以選擇15V作為本測試的工作偏壓。

3.1 漏電流

利用ORTEC710高壓電源直接測量雙面硅條探測器的反向漏電流，測得的不同偏壓下的漏電流示于圖5。

圖4 前置放大器信號上升時間和幅度隨工作偏壓的變化Fig.4 Rise time and amplitude of signal from preamplifier as a function of bias voltage

圖5 漏電流隨工作偏壓的變化Fig.5 Leakage current as a function of bias voltage

圖6 結面（a）和歐姆面（b）第24條的α粒子能譜Fig.6 αparticle spectra from the 24th junction（a）and ohmic（b）side strips

反向漏電流直接影響探測器的噪聲水平，所以探測器漏電流應盡量小。工作偏壓為15V，探測器每條硅條的平均漏電流約8.1nA。對于厚300μm，面積48mm×48mm的雙面硅條探測器，這樣的漏電流較小。

3.2 條間電阻

避光且未加偏壓時測量硅條探測器結面的條間電阻，其均超過200MΩ。對探測器歐姆面采用p＋－stops方法隔離N＋條，測量未加偏壓時歐姆面相鄰各N＋條之間的電阻為0.75～0.91kΩ；加－15V偏壓時，相鄰N＋條間電阻為0.98～1.29kΩ。條間電阻反映了硅條間的隔離情況，若條間電阻不夠大，條間串擾會較嚴重［15］。

3.3 能量分辨

測量239Pu源的α粒子能譜，圖6a示出了硅條探測器結面第24條的能譜，主峰來自239Pu α衰變發射的α粒子，能量為5.157MeV，更高能量處還有一小峰，來自放射源中混入的238Pu α衰變發射的α粒子，能量為5.499MeV。對其5.157MeV的最高能量峰進行單高斯擬合，確定峰位道數和峰位的統計誤差。5.157MeV峰位在2 651道，統計誤差σ＝7.432道，根據半高寬FWHM＝2.36σ，能量分辨率η＝FWHM／E，E＝34keV，得到能量分辨率為0.66%。以此方法分別計算探測器結面48條的能量分辨率，得到能量分辨率為0.60%～0.68%。盡管有本次所用239Pu源無限光欄準直且距離探測器較近等因素的影響，但從所測能譜可看出，探測器仍具很高的能量分辨率。圖6b示出了硅條探測器歐姆面第24條的能譜，歐姆面能量分辨較差，且在低道數有其他能量峰。

3.4 條間串擾

對于硅條探測器，相鄰條間存在一等效耦合電容。當某帶電粒子入射到某條并在其中產生一定電荷時，由于存在耦合電容，在相鄰條中會產生感應電荷，從而產生偽信號，即形成串擾，而偽信號的幅度（或感應電荷的多少）取決于條間耦合電容的大小。串擾率約為條間耦合電容與硅條本身等效電容（結電容）之比，一般，耦合電容越大，串擾問題越嚴重，產生的偽信號更多，越影響探測器能量分辨；而硅條本身等效電容增大，串擾問題將減少，但輸出信號幅度V（V＝Q／C，Q為電子－空穴對的電荷量，C為結電容）也會變小［16］，不利于信噪比，時間響應也會變差，影響探測器性能，所以應使條間耦合電容盡量小。

串擾是硅探測器的一重要指標，直接影響探測器探測物理事件的可靠性。用放射源測試硅條，根據測得的相鄰條的二維能譜（即能量關聯圖），可判斷探測器的串擾。從兩條之間SiO2隔離條區域射入耗盡層的粒子電荷信號被相鄰兩條共同收集，若硅條探測器串擾率很小，其相鄰條的二維能譜主要反映的是這部分真實事件，而非偽信號。239Pu源α粒子測試探測器結面相鄰的兩條（第25、26條）的二維能譜示于圖7。

圖7 探測器結面第25、26條的二維能譜Fig.7 Two－dimensional spectrum from the 25th and 26th junction side strips

從圖7可看出，相鄰兩條共同記錄的事件在二維能譜上呈一條斜線，具有較好的線性，共同記錄的事件數為1 319，這兩條上的α粒子的計數分別為18 400和17 810，即共同記錄的事件數占相鄰條計數的7.3%左右。考慮條間面積與硅條面積的幾何比例（11%）及數據獲取系統有一定閾值的實際情況，可知共同記錄的事件對應粒子從條間入射的情況，該雙面硅條探測器結面具有非常低的串擾率。從圖7可發現，斜線中段部分計數的道數較斜線首尾計數的道數略偏高（不同探測器的具體情況有差異），這是由于SiO2隔離條的厚度與覆蓋鋁電極的P＋條厚度不同，粒子從SiO2隔離條入射穿透的死層更薄，所以能量偏高。一個信號由相鄰兩條間共同記錄并不會影響探測性能，因為電荷信號分配到相鄰兩條上共同收集，將這兩條間的信號刻度后相加，就可得到粒子原始的能量（圖8）。圖7斜線首尾部分的粒子能量相加后為5.157MeV（239Pu源的α粒子能量）；而斜線中段的粒子能量相加后為5.198MeV，兩者相差41keV，這與SRIM程序計算的結果一致。

圖8 探測器結面第25、26條間信號相加后的能譜Fig.8 Sum spectrum of interstrip signal from the 25th and 26th junction side strips

圖9 探測器歐姆面第24、25條的二維能譜Fig.9 Two－dimensional spectrum from the 24th and 25th ohmic side strips

歐姆面相鄰兩條的239Puα二維能譜示于圖9。從圖9可發現許多事件呈團狀，且500道以下的低道數有很高的計數。利用圖9中標記為24的團開窗，分別投影到歐姆面其他相鄰條的二維能譜上。發現5.157MeVα粒子在第24條上的信號約在1 900道左右，在第23條上產生的串擾信號在1 100道左右，在第22條上產生的串擾信號在600道左右，在第21條上產生的串擾信號在450道左右，在第20條上產生的串擾信號在300道左右。同樣傳遞到第25、26、27、…條產生的串擾也是對稱依次減弱。所以，探測器歐姆面第24、25條的α二維能譜中，第23、25條在第24條上產生的串擾信號幅度相近，第22、26條在第24條上產生的串擾信號幅度相近，更遠的條傳遞過來的串擾信號幅度更低（圖9）。

綜上所述，探測器歐姆面每條上的信號中除自身收集入射α粒子的電荷外，還會混入鄰近若干條的串擾信號，雙面硅條探測器歐姆面條間之所以存在這些串擾，主要原因在于條間電阻不夠大，條與條之間絕緣性不夠好，每條在與其鄰近的條上產生的串擾，實際是其收集的入射粒子電荷在相鄰條上的傳遞分配，這種電荷分配既會使自身能量分辨變差，也會對鄰近條產生干擾。因為條間距的增加，等效于條間耦合電容的減小，條間電阻的增大，因此串擾信號強度隨條間距的增加而遞減。而歐姆面N＋條之間絕緣性不好的原因可能在于做p＋－stops時工藝精度不夠高，導致B離子注入位置不準確或注入深度不足，未能起到良好的隔離效果，具體原因有待進一步研究。

3.5 與Micron雙面硅條探測器的對比

在完全相同的實驗條件下對英國Micron Semiconductor公司W1型雙面硅條探測器進行測試。該探測器曾在實驗中使用過，其厚度為64μm，靈敏面積為49.5mm×49.5mm，結面（P＋摻雜）與歐姆面（N＋摻雜）均均勻分成相互平行的16條，每條寬3.0mm，相鄰條間間距0.1mm，結面16條和歐姆面16條互相垂直。避光未加偏壓時，結面相鄰條間電阻約30MΩ，歐姆面相鄰條間電阻約1.6kΩ。耗盡偏壓8V，測試工作偏壓12V，前放信號幅度140mV，上升時間110ns，反向漏電流0.04μA，平均每條漏電流2.5nA。測量α粒子能譜，擬合得到結面各條對5.157MeVα粒子的能量分辨率為1.2%～1.3%，歐姆面各條能量分辨率為1.5%～1.6%。并根據相鄰條二維能譜判斷出結面與歐姆面均無明顯的條間串擾。

4 小結

對中國原子能科學研究院和北京科立興光電技術有限公司自主研制的雙面硅條探測器的電氣特性（耗盡偏壓、反向漏電流、條間電阻）和探測特性（上升時間、能量分辨、條間串擾）進行了測試。在偏壓為－15V時，各條平均反向漏電流小于10nA。對于從結面入射的5.157MeV的α粒子，前置放大器信號上升時間約45ns，結面各條的能量分辨率約為0.6%～0.7%，基本無條間串擾；歐姆面各條能量分辨率較差，存在條間串擾。與進口的Micron雙面硅條探測器各方面性能指標進行對比，本文研制的探測器結面具有很高的能量分辨率和很快的時間響應，均勻性好、工作穩定，條間電阻大，條間串擾可忽略。探測帶電粒子一般從結面各條取得能量信息，結合歐姆面各條取得的位置信息進行分析，該探測器的指標已滿足上述基本實驗要求。但仍存在歐姆面能量分辨率較差，且條間串擾對測量造成干擾的問題，這也是制作雙面硅條探測器最主要的技術難題，需深入分析原因。

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Development and Test of Double－sided Silicon Strip Detector

SUN Li－jie1，LIN Cheng－jian1，＊，YANG Feng1，＊，GUO Zhao－qiao2，GUO Tian－shu2，XU Xin－xing1，BAO Peng－fei1，YANG Lei1，JIA Hui－ming1，MA Nan－ru1，ZHANG Huan－qiao1，LIU Zu－hua1，XIA Qing－liang1
（1.Department of Nuclear Physics，China Institute of Atomic Energy，Beijing102413，China；2.Beijing Kelixing Photoelectric Technology Co.，Ltd.，Beijing102413，China）

The double－sided silicon strip detector（DSSD）was developed.The detector’s sensitive area is 48mm×48mm and the thickness is about 300μm.Both of two sides surfaces are divided into equal 48strips with width of 0.9mm by oxide separation of 0.1mm.The electronic performance（full depletion bias voltage，reverse leakage current and interstrip resistance）and detection performance（rise time，energy resolution and crosstalk）were tested.The reverse leakage current of each strip is less than 10nA，and the rise time of preamplifiers for 5.157MeVαparticles is about 45ns under bias voltage of－15V.The junction side strips display an energy resolution of 0.6%－0.7% whereas the ohmic side strips show an unsatisfactory resolution.The crosstalk between neighboring strips is negligible on the junction side but interferes with each strip on the ohmic side.

double－sided silicon strip detector；microelectronic technique；electronic performance；detection performance；crosstalk

TL814

A

1000－6931（2015）02－0336－07

10.7538／yzk.2015.49.02.0336

2013－11－20；

2014－01－21

國家重點基礎研究發展計劃資助項目（2013CB834404）；國家自然科學基金資助項目（10727505，10735100，11375268）

孫立杰（1989—），男，山東淄博人，碩士研究生，粒子物理與原子核物理專業

＊通信作者：林承鍵，E－mail：cjlin＠ciae.ac.cn；楊 峰，E－mail：martin＠ciae.ac.cn