硅輻射探測(cè)器的研究進(jìn)展*

廖非易，李高財(cái)，雷 林，黃鶴翔，王小英，趙一英

(1.中國工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621908；2.四川藝精科技集團(tuán)有限公司，四川 江油 621700)

輻射探測(cè)技術(shù)在國土安全、太空探索、環(huán)境安全、石油勘探、醫(yī)療衛(wèi)生等方面均有重要應(yīng)用，其中的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器是核輻射探測(cè)、成像技術(shù)的核心部件。半導(dǎo)體輻射探測(cè)器自20世紀(jì)60年代開始發(fā)展，逐步在核探測(cè)儀器中得到重要應(yīng)用。

最常見的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器是硅、鍺探測(cè)器，其他還有CdTe、HgI2、SiC、CdS、GaAs、PbS等探測(cè)器[1]。硅、鍺相比其他半導(dǎo)體材料，具有較低的禁帶寬度(產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)多)，更高的載流子遷移率和壽命(電荷收集效率高)，且生長的單晶缺陷低、尺寸大。雖然,其他半導(dǎo)體材料具有更高的輻射衰減系數(shù)(高原子序數(shù))，但生長出的單晶材料存在電活性雜質(zhì)高和天然缺陷密度高等問題，因此制備出的輻射探測(cè)器時(shí)間不穩(wěn)定性，即極化效應(yīng)比較嚴(yán)重。鍺探測(cè)器能量分辨率高，但需要在液氮溫度下工作，以降低熱噪聲，因此成本昂貴。硅輻射探測(cè)器具有室溫下工作、能量分辨率高、空間分辨率高、探測(cè)能量范圍寬、線性范圍寬、對(duì)磁場(chǎng)不敏感、設(shè)計(jì)緊湊、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此成為了半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的主流。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的蓬勃發(fā)展，離子注入等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，平面工藝以及超大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于硅探測(cè)器，因此探測(cè)器尺寸已由cm2級(jí)增長到m2級(jí)，通道數(shù)由幾千量級(jí)增長到了百億量級(jí)[2]，抗輻照能力也從數(shù)十Gy增長到了數(shù)十MGy[3]，這使得探測(cè)器粒子軌跡空間分辨率、快速計(jì)時(shí)能力、抗輻照能力、讀出速率等都有顯著提升，并在國土安全、天文學(xué)、放射性勘探、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用[4]。

本文梳理了硅輻射探測(cè)器的發(fā)展脈絡(luò)，并更新了最新的研究成果，希望有助于提升硅探測(cè)器的性能，并進(jìn)一步拓展其應(yīng)用。再者，硅輻射探測(cè)器發(fā)展過程中器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、制備工藝的改進(jìn)、性能的提升等，對(duì)其他半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的研制也有重要的參考價(jià)值。

1 硅輻射探測(cè)器的工作原理及應(yīng)用

根據(jù)探測(cè)器結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)能量分辨率、空間分辨率等性能的要求，硅輻射探測(cè)器可分為平板型探測(cè)器、硅微條探測(cè)器、硅漂移室探測(cè)器、電荷耦合探測(cè)器、像素探測(cè)器等。其中，平板型探測(cè)器多用于帶電粒子、光子的強(qiáng)度和能譜探測(cè)，硅微條探測(cè)器、硅漂移室探測(cè)器、電荷耦合探測(cè)器、像素探測(cè)器多用于二維位置探測(cè)和成像。根據(jù)分辨率不同，在同一系統(tǒng)中會(huì)用到多種硅輻射探測(cè)器。例如，在大型重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)(A Large Ion Collider Experiment, ALICE)的內(nèi)徑跡系統(tǒng)探測(cè)器(Inner Tracking System, ITS)中[5]，由內(nèi)層到外層依次使用了像素探測(cè)器、硅漂移室探測(cè)器、雙面硅微條探測(cè)器。

2 平板型輻射探測(cè)器

平板型輻射探測(cè)器是最常見的一類輻射探測(cè)器，通常用于光子和帶電粒子，如X射線、γ射線、α粒子、β粒子等的強(qiáng)度和能譜探測(cè)。平板型輻射探測(cè)器的工作原理[6]如圖1所示。通常以n型硅為襯底，正面為p+摻雜，背面為n+摻雜。射線與探測(cè)器相互作用產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下分離并向兩端移動(dòng)，最終形成電信號(hào)。

圖1 平板型輻射探測(cè)器工作原理

根據(jù)器件結(jié)構(gòu)的不同，平板型輻射探測(cè)器包括面壘型探測(cè)器(Surface-Barrier Detector)和PN結(jié)型探測(cè)器[7-10]。根據(jù)制備工藝的不同和平板型輻射探測(cè)器的發(fā)展歷程，PN結(jié)型探測(cè)器又可分為擴(kuò)散型探測(cè)器(Diffusion Detector)、離子注入型探測(cè)器(Ion Implanted Detector)、鈍化注入平面硅探測(cè)器(Passivated Implanted Planar Silicon, PIPS)和鋰漂移型探測(cè)器(Lithium Diffusion-Drift Detector)等。面壘型探測(cè)器是20世紀(jì)60年代發(fā)展成熟且應(yīng)用廣泛的一種平板型輻射探測(cè)器，具有工藝簡單、死層薄、靈敏面積大等特點(diǎn)。常見的金硅面壘探測(cè)器是通過在n型硅上沉積一層很薄的金，形成肖特基結(jié)來實(shí)現(xiàn)輻射探測(cè)[7]。面壘型探測(cè)器的缺點(diǎn)是薄窗對(duì)光敏感，可見光下也會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而產(chǎn)生噪聲。此外，薄窗還易受環(huán)境蒸氣的影響，導(dǎo)致表面損傷。相比面壘型探測(cè)器，PN結(jié)輻射探測(cè)器具有更高的可靠性,更高的穩(wěn)定性和更高的抗輻照能力。PN型探測(cè)器主要通過在p型硅表面高溫?cái)U(kuò)散(或者注入磷)，或在高阻本征硅(或高阻n型硅)兩面分別高溫?cái)U(kuò)散(或者進(jìn)行粒子注入磷和硼)，形成PN結(jié)或PIN結(jié)[8]。其中，擴(kuò)散型探測(cè)器的缺點(diǎn)是死層較厚，增加了入射粒子的能量損耗，且在高溫?cái)U(kuò)散過程中會(huì)形成相關(guān)缺陷，增加探測(cè)器漏電流。為避免這些因素導(dǎo)致的探測(cè)器低能量分辨率，采用離子注入工藝代替高溫?cái)U(kuò)散過程，不僅能降低漏電流，還能減小死層厚度。此外，離子注入后的退火溫度也遠(yuǎn)低于熱擴(kuò)散溫度，相比熱擴(kuò)散缺陷也少。這種離子注入型探測(cè)器兼具面壘型探測(cè)器和擴(kuò)散型探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)。特別是，鈍化注入平面硅探測(cè)器，采用表面鈍化工藝進(jìn)一步降低器件漏電流，且PIPS探測(cè)器死層薄、入射窗口穩(wěn)固，能達(dá)到很高的能量分辨率[9]，因此在帶電粒子探測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。鋰漂移型探測(cè)器主要用來增強(qiáng)對(duì)X、γ等穿透強(qiáng)的粒子探測(cè)。它是通過熱蒸發(fā)在p型硅表面沉積一層鋰，然后通過高溫、高電壓使鋰離子漂移進(jìn)入硅體內(nèi)，在一定深度內(nèi)鋰離子濃度超過受主，形成P-I-N型探測(cè)器[10]。鋰漂移型探測(cè)器厚度可達(dá) 5 mm，因此對(duì)高能X、γ射線具有更高的吸收效率。

綜上，影響平板型輻射探測(cè)器性能的主要因素為死層厚度和靈敏層厚度。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，通過離子注入技術(shù)，可以降低死層厚度，并通過表面鈍化技術(shù)，降低漏電流，實(shí)現(xiàn)帶電粒子的高能量分辨率能譜探測(cè)。另外，通過增加靈敏層厚度，可以提高對(duì)X、γ射線的吸收能力，實(shí)現(xiàn)高能量光子的能譜探測(cè)。

3 硅微條輻射探測(cè)器

硅微條探測(cè)器(Silicon Micro-strip Detector, SMD)主要用于測(cè)量入射粒子的位置信息，具有空間分辨率高、抗輻照能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其空間分辨率主要由條帶寬度和間距決定。硅微條探測(cè)器可以在提供微米量級(jí)的位置分辨率的同時(shí)也給出優(yōu)良的能量信號(hào)。它在世界上各大高能物理實(shí)驗(yàn)室的大型物理實(shí)驗(yàn)[11](如加速器、對(duì)撞機(jī))中用作頂點(diǎn)探測(cè)器(Vertex Detector)和徑跡探測(cè)器(Track Detector)，也可同時(shí)檢測(cè)和識(shí)別大量粒子的能量、軌跡和產(chǎn)生位置。此外，硅微條探測(cè)器在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的CT和其它數(shù)字化成像方面也有重要應(yīng)用。

單面硅微條探測(cè)器是在平板型探測(cè)器的基礎(chǔ)上，通過氧化和離子注入、局部擴(kuò)散等工藝技術(shù)制作成的條形PN結(jié)型單邊讀出探測(cè)器。探測(cè)器結(jié)構(gòu)和工作原理[12]如圖2(a)所示。微條寬度和間距在 10～50 μm，每個(gè)微條都對(duì)應(yīng)一路獨(dú)立的讀出電子穴，對(duì)微條上收集的載流子進(jìn)行放大和信號(hào)處理。最大的硅微條探測(cè)器包含792576個(gè)通道，由美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室建造，并用于D?探測(cè)器[13]。通過調(diào)整微條寬度和間距，硅微條探測(cè)器沿光束方向的分辨率可達(dá) 12 μm，方位角分辨率可達(dá) 22 μm[14]。電子穴采用CMOS技術(shù)制造，器件結(jié)構(gòu)尺寸可達(dá) 0.25 μm，放大成形時(shí)間約 25 ns，信噪比約10，漏電流<10 nA，并且結(jié)構(gòu)尺寸越小，芯片抗輻照能力越強(qiáng)[15]。雙面硅微條探測(cè)器是通過在探測(cè)器芯片的另一面制作正交方向的微條來收集電子，從而實(shí)現(xiàn)入射粒子雙坐標(biāo)的位置探測(cè)或成像的[16-17]，如圖2(b)、圖2(c)所示。在國家大型重離子加速器(Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, GANIL)的MUrà STrips II(MUST II)上，使用的雙面硅微條探測(cè)器位置分辨率可達(dá) 0.01 cm2，能量分辨率小于 100 keV(0.5～30 MeV)，時(shí)間分辨率 0.5 ns[18]。當(dāng)用于 160 MeV 的質(zhì)子CT成像時(shí)，空間分辨率可達(dá) 0.45 mm[19]。

a) b) c)

通過半導(dǎo)體平面工藝和集成電路工藝的應(yīng)用，進(jìn)一步降低硅微條探測(cè)器的微條尺寸，并在同一芯片上集成前端放大電子，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的快速精確X射線成像，因此在頂點(diǎn)探測(cè)器、徑跡探測(cè)器、CT成像等高精度成像領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

4 硅漂移室輻射探測(cè)器

硅漂移室探測(cè)器(Silicon Drift Detector, SDD)同樣也可以用于粒子的位置探測(cè)。Gatti和Rehak[20]首先提出了一維讀出型硅漂移室探測(cè)器，工作原理如圖3 a)所示。探測(cè)器結(jié)構(gòu)為P-N-P，上下兩面的微條電極位置一一對(duì)應(yīng)。通過在微條電極上從左到右施加依次降低的負(fù)偏壓(-V，-V-ΔV，……，-V-nΔV)，使條帶電極相對(duì)于其平行電極的中間平面具有負(fù)電位。入射粒子進(jìn)入產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，空穴在相對(duì)于電極的垂直方向移動(dòng)，快速聚集在上下微條電極；電子被引導(dǎo)到中間平面，并在該平面中朝著不斷降低的負(fù)電勢(shì)的方向移動(dòng)。在最后一組上下微條電極處形成PN結(jié)。其中，N是零電位(V=0)的陽極，P是比倒數(shù)第二微條帶更多負(fù)電位的條帶(-V’<-V)，從而使電子移動(dòng)到陽極。粒子撞擊漂移探測(cè)器的一維坐標(biāo)位置由漂移時(shí)間確定，如圖3 b)所示。通過將陽極劃分為單獨(dú)的電極并將每個(gè)電極連接到獨(dú)立的讀出電路，可以實(shí)現(xiàn)粒子空間位置的測(cè)量[21]。

在硅漂移室探測(cè)器中，電子的最大漂移距離可達(dá)35 mm，在500 V/cm場(chǎng)強(qiáng)下漂移時(shí)間接近4 μs，電子漂移到陽極的位置偏差均方根達(dá)200 μm，這限制了二維讀出型的空間分辨率。此外，探測(cè)器的陽極分辨率和漂移分辨率均會(huì)隨著漂移距離的變化而變化。例如，2 keV的X射線的平均陽極分辨率在30 μm以下，7 keV的X射線的平均陽極分辨率在10 μm以下，而能量為2 keV的X射線的平均漂移分辨率為1 cm，5 keV的X射線的平均漂移分辨率為2 ～4 mm[24]。硅漂移室探測(cè)器的電極不僅可以是直線微條結(jié)構(gòu)，還可以是同心圓結(jié)構(gòu)[22]，如圖3 c)所示。探測(cè)器基體為輕摻雜N型，電極為重?fù)诫sP型，上電級(jí)為同心圓條帶電極，下電極為面電極。探測(cè)器工作在完全耗盡狀態(tài)下，射線從下電極進(jìn)入探測(cè)器產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，受同心圓電極負(fù)偏壓作用，電子沿斜線軌跡到達(dá)陽極，并通過集成在中心的一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置放大。5.9 keV的X-ray(55Fe Kα)在室溫下能量分辨率FWHM可達(dá)190 eV，在 -30 ℃ 下的能量分辨率可達(dá) 127 eV，成形時(shí)間小于 1 μs。為了滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景，可以通過將多個(gè)SDD進(jìn)行拼接，增加靈敏區(qū)面積，組成多通道漂移室探測(cè)器(Multichannel Drift Detector)，如圖3(d)所示。拼接后的單元具有獨(dú)立的讀出電路，探測(cè)器能量分辨率和計(jì)數(shù)率不受影響[23]，且相比PIN和Si(Li)探測(cè)器具有更高的計(jì)數(shù)率。

a) b)

綜上，硅漂移室探測(cè)器的高能量分辨率和高計(jì)數(shù)率特性使其在熒光分析(X射線熒光光譜儀)、衍射儀、同步輻射實(shí)驗(yàn)中均具有重要應(yīng)用。影響SDD空間分辨率的主要因素為載流子漂移過程中的位置誤差和漂移距離，因此作為位置探測(cè)器SDD僅適用于X射線一維成像。

5 電荷耦合輻射探測(cè)器

電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)最初被用于光學(xué)成像探測(cè)器，還廣泛用于模擬和數(shù)字存儲(chǔ)元件，并逐步將其應(yīng)用擴(kuò)大到位置靈敏核輻射探測(cè)器中[25]。CCD是一個(gè)由大量像素組成的矩陣，CCD的工作過程分為電荷收集和電荷轉(zhuǎn)移。其中，電荷收集采用金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS)結(jié)構(gòu)的電容器。當(dāng)在MOS結(jié)構(gòu)的電極上施加電壓時(shí)，P型半導(dǎo)體中的空穴會(huì)離開MOS結(jié)構(gòu)表面，此時(shí)表面形成收集電子的勢(shì)阱，收集射線產(chǎn)生的電子電荷。之后，電荷轉(zhuǎn)移是通過三相CCD來實(shí)現(xiàn)的，如圖4(a)所示。每個(gè)像素包含三個(gè)電極，每第三個(gè)電極保持同一電位，即①、②、③分別保持相同電壓。首先，將②的電壓增加到和①相同的電壓，電荷將在①和②之間擴(kuò)散；然后降低①的電壓，電荷則轉(zhuǎn)移到②電極下方勢(shì)阱中；對(duì)②和③執(zhí)行相同的過程，電荷由②轉(zhuǎn)移到③電極下方勢(shì)阱中；通過①、②、③電壓周期性變化，則可以將電荷移向讀出電極。

對(duì)于X射線探測(cè)，增加耗盡層的厚度可以提高射線吸收率，通過采用高阻硅作為襯底，制備PN型CCD[27]，結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。其工作原理和傳統(tǒng)CCD略有不同，與漂移室探測(cè)器有相似之處，下電極為負(fù)偏壓，上電級(jí)通過周期性三相脈沖負(fù)偏壓使電子漂移到陽極(零偏壓)。用于X射線熒光光譜探測(cè)和成像，Mn的Kα能量分辨率可達(dá) 150 eV，空間分辨率可達(dá) 20 μm[28]。

a) b)

綜上，CCD探測(cè)器在成像時(shí)間、空間分辨率、強(qiáng)度測(cè)量都具有優(yōu)勢(shì)，可用于X射線同步輻射，CT成像等各種應(yīng)用。

6 像素輻射探測(cè)器

為了得到更高精確度的粒子徑跡成像，像素探測(cè)器(Pixel Detector, PD)應(yīng)運(yùn)而生。相比硅微條探測(cè)器和硅漂移室探測(cè)器，像素探測(cè)器具有更高成像速率和空間分辨率。特別是，有源像素傳感器(Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS)，已在ALICE的內(nèi)徑跡探測(cè)器中對(duì)硅探測(cè)器進(jìn)行了替代升級(jí)，以期對(duì)強(qiáng)相互作用物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行更細(xì)致研究[29]。像素探測(cè)器的像素單元結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。圖5(a)中，襯底為n型硅，通過離子注入分別形成n+層和p+層，其中一個(gè)n+區(qū)用于信號(hào)輸出，另一個(gè)n+區(qū)作為信號(hào)的保護(hù)柵，p層作為像素間的絕緣保護(hù)并增加像素單元的抗輻照性[30]。像素單元大小通常為50×50 μm2，通過倒裝焊與獨(dú)立的場(chǎng)效應(yīng)晶體管連接，并輸出信號(hào)[31]。

像素探測(cè)器的厚度通常為 300 μm，而載流子漂移距離對(duì)收集時(shí)間和空間分辨率均有影響，如圖5(c)所示。通過將p+區(qū)和n+區(qū)做成立體結(jié)構(gòu)，可在探測(cè)器厚度不變的情況下，有效降低載流子漂移距離[32]。為進(jìn)一步提高集成度、降低探測(cè)器成本和功耗，將部分電子學(xué)和像素探測(cè)單元集成到單片硅上，就得到了單片有源像素探測(cè)器(MAPS)，像素尺寸可以減小到 20 μm，對(duì) 5.9 keV 的X-ray(55Fe)實(shí)現(xiàn)了 130 eV 的能量分辨率和 27 lp/mm 的空間分辨率[31]。

a) b) c)

綜上，像素輻射探測(cè)器是滿足未來高空間分辨率需求的發(fā)展趨勢(shì)，相比硅漂移室、硅微條探測(cè)器，其具有高能量分辨率、高空間分辨率和高粒子計(jì)數(shù)率。特別是，集成一體式的像素輻射探測(cè)器，在粒子探測(cè)、大型物理實(shí)驗(yàn)、高精度成像領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用。

7 總結(jié)和展望

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，硅輻射探測(cè)器的能量分辨率和位置分辨率不斷提高，同時(shí)，通過提高器件集成度實(shí)現(xiàn)了射線能量和位置的高精度快速同時(shí)測(cè)量，在醫(yī)學(xué)、國防、科研、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。目前，硅輻射探測(cè)器在帶電粒子探測(cè)領(lǐng)域仍有不可替代的地位，在高能X、γ射線探測(cè)，硅材料較低的本征探測(cè)效率低限制了其性能，但仍然占據(jù)主要地位。隨著具有更高輻射吸收率的新材料，如CdZnTe、有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦等，探測(cè)器技術(shù)發(fā)展，高能X、γ射線探測(cè)領(lǐng)域的部分應(yīng)用可能會(huì)被取代，但是在大面積、高位置分辨率、快速測(cè)量等領(lǐng)域，硅輻射探測(cè)器的地位依然難以撼動(dòng)。