硅漂移探测器的制作工艺及特性研究

　　硅漂移探测器(SDD)结构在1983年首先被E.Gatti和P.Rehak提出[1,2],因其输出电容小(一般小于0.1pF)且不依赖于探测器面积,电子学噪声一般远小于同样面积和厚度的Si-PIN探测器,只需采用简单的半导体致冷就能够达到甚至超过需用液氮致冷的Si(Li)探测器的能量分辨率[3,4],使得该探测器在物质成份分析、天体物理、核物理及核技术等领域有十分广泛的应用[5-8]。

　　我国“十二五”期间全面实施航天二期工程以及2010年开始实施的“夸父计划”,提出建成短期有人照料、长期在轨自主飞行的空间实验室,需要建造5m2的X射线望远镜探测器阵列,并且对探测器的能量分辨率与时间分辨率都提出了很高的要求,采用小面积的Si-PIN探测器将不再可行。SDD的研发在国外较为成熟,目前Ketek公司商品化的探测器有源区面积达到100mm2,外集成了结型场效应晶体管(JFET),对55Fe 5.9keV峰能量分辨率在-35℃时达180eV[9],但在国内开展相关研究的报道很少[10]。国外SDD探测器产品造价高,且受订货数量限制,很难满足我国日益增长自主开展空间探测研究的需求。因此,利用国内现有技术开展SDD相关研制工作是有意义的,可以为以后大面积、高时间和高能量分辨的X射线望远镜的研究做前期技术准备。

　　1　实验

　　1·1　探测器制作工艺

　　我们研制的SDD具有螺旋型漂移环结构,有源区面积5mm2,采用n型双抛<111>晶向的区熔单晶硅片,其电阻率为8~12kΩ·cm,500μm厚。硅漂移探测器制作的一个难点在于具有双面pn结结构,制作工艺步骤较多且繁琐,通常在制作某一面图形结构时需要保护另外一面,以免遭受化学腐蚀的破坏[11]。为了克服这个难点,我们采用双面并行的平面工艺来制作SDD,使得探测器绝大部分正面和背面的pn结结构能够并行完成,极大地简化了工艺流程。器件制作的主要工艺步骤如下:

　　(1)热氧化4800埃氧化层,光刻出收集阳极和N+接地环离子注入窗口。为了避免在离子注入过程中污染硅片,离子注入窗口残留800埃氧化硅;

　　(2)磷离子注入;

　　(3)双面甩胶,双面并行地用光刻工艺在正面开P+漂移环、保护环以及在背面开P+入射、保护环窗口,残留800埃氧化硅;

　　(4)正面漂移环和保护环硼离子注入、背面入射窗口和保护环硼离子注入。采用快速退火来激活注入离子和消除离子注入所带来的晶格损伤;

　　(5)双面并行地用光刻工艺开电极窗口,用BHF腐蚀干净窗口内的SiO2;

　　(6)双面真空蒸镀1.2μm厚的铝膜,双面并行刻蚀铝电极,快速合金。

　　器件制作的简易流程如图1所示,得到的螺旋型漂移环分压器和同心多保护环结构如图2所示。