专利名称：一种高分辨率的半导体核辐射探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及X荧光光谱仪(以下简称XRF)中使用的半导体核辐射探测器，尤 其是一种具有超高分辨率的改进型硅漂移半导体探测器(以下简称UHRD)。
背景技术：
本发明主要针对能量色散X射线荧光光谱仪(以下简称EDXRF)中的关键 核心部件_一半导体核辐射探测器。EDXRF是利用经X射线照射样品后，其所含元素被激发，所产生荧光X射 线具有不同能量的特点，通过探测器的能量分辨本领和正比工作特性将其分 开并检测，从而计算出样品中元素组分含量的仪器。EDXRF系统中探测器是关 键部件，它的性能好坏是至关重要的。对探测器的基本要求有以下几点1) 良好的能量分辨率和能量线性。(一般使用55Fe放射源的5.894Kev Mn K a峰的半高宽度表示探测器的能量分辨率指标)2) 探测能量范围宽。3) 死时间短，有优良的高计数率特性。4) 良好的能谱特性，高的峰背比。(一般使用55Fe放射源的5.894Kev Mn K a峰的峰值计数与1. 0Kev处的本底计数之比表示探测器的峰背比指标)5)使用方便、可靠、坚固。而半导体探测器则是高性能EDXRF的首选，其基本原理是，X射线光子 射到探测器后形成一定数量的电子-空穴对，电子-空穴对在电场作用下形成 电脉冲，脉冲幅度与X光子的能量成正比。经放大器放大后送到多道脉冲分 析器。按脉冲幅度的大小分别统计脉冲数，脉冲幅度可以用X射线光子的能 量标度，从而得到计数率随光子能量变化的分布曲线，即X光能谱图。从上世纪六十年代起，半导体探测器被发现，应用于核射线探测，已发 展了几代，性能不断提高，常用的半导体探测器包括，金硅面垒探测器，锂 漂移硅探测器Si (Li) ， Si-PIN光电二极管探测器，硅漂移探测器SDD。锂漂移硅探测器Si (Li)，其组成是将高浓度的金属锂扩散到P型半导体 材料硅中，形成P—N结，在加上反向偏压后，在X光子打击下，就会产生 与X光子能量对应的电脉冲，这类探测器能量分辨率较高，但需加低温，存 储和工作在液氮罐中，在脱离液氮保护后，探测器中扩散掺入的锂将会反漂 移，造成不可逆转的变化，导致探测器损坏，这也就是液氮制冷的Si (Li) 探测器在不工作时也需要液氮的根本原因，这造成使用很不方便。Si-PIN光电二极管探测器，用二级半导体制冷，可在常温下保存，分辨 率已达到160eV。体积小重量轻，使用非常方便。但探测器等效电容较大， 尤其是随探测器面积加大而增加，使之电子噪声较大，能量分辨率也稍差。硅漂移探测器(SDD)的工作原理如图l所示，是以N型高电阻硅片为基 底制作的，在N型硅片(基片)的入射面和背面分别注入P +型离子层，形 成P—N结，当被施加反向偏置电压(8)，形成完全耗尽(fully d印leted)型半导体区域，这是入射X射线(1)产生的空穴和电子对而被探测的本征区(2)。现有的硅漂移探测器(SDD)的结构如图2所示，在高纯N型硅片的射线 入射面(6)制备一圆形面积均匀的P-N结，而在该P-N结相对应的背面，同 样使用离子注入技术，在中央制备一个点状的N型阳极(5)，以阳极(5)为 中心的周围形成许多同心的P型漂移电极(7)。在工作时，器件两面的P-N 结加上反向电压，从而在器件体内产生一个势阱(对电子)。在漂移电极(7) 上加一个电位差会在器件内产生一横向电场，它将使势阱弯曲从而迫使入射 辐射产生的信号电子在电场作用下向阳极(5)漂移(4)，到达阳极(读出电 极)附近才产生信号。而空穴沿路径(3)漂移。另外，第一级的场效应管(10)内置于阳极(5)中，场效应管的栅极直 接连接到阳极上。这第一级场效应管采用离子注入并在相当低的温度下进行 热处理来制造。场效应管的通道是用深层磷注入法制作的。由于采用环形深 层磷注入、通过保护环施加偏压、场效应管区域和收集区域分割开等方法， 因而对通道中的电子有一个较好的限制，于是给出一个较大的输出电阻。该 探测器利用连续不断地翻转场效应管的栅一漏极面结偏压方向，使探测器漏 电流放电和使阳极累积信号电荷复位。因此不再需要用一个外部控制的复位 机构。这样硅漂移探测器的阳极很小因而电容很小，且与探测器面积无关，同 时它的漏电流也很小，同时由于首级场效应管内置于探测器中，所以用电荷 灵敏前置放大器可低噪声、快速地读出电子信号。用一级半导体制冷，就达 到最低136Kev的分辨率，而且适用的计数率范围可高至100Kcps,同样也是体积小重量轻，使用非常方便。硅漂移探测器替代锂漂移硅探测器Si(Li)和 Si-PIN光电二极管探测器，成为高性能EDXRF的理想探测器。但上述硅漂移探测器存在如下一些缺点1) 由于第一级场效应管集成于探测器中，且位于探测器中心，因此位于场效 应管下面的电场会扭曲，导致入射X射线所产生的信号电子损失，影响X 射线能谱的形状(尤其是低能本底)。虽然这场效应管所占的面积很小， 但终究是对探测器的分辨率和峰背比指标有所影响。2) 由于P型漂移电极为同心圆环结构，入射到探测器探测区各处的X射线所 产生的信号电子，是沿各方向向位于中心圆形环内的阳极漂移，探测器的 输出电容还有减少的可能。3) 由于该硅漂移探测器使用第一级场效应管的漏极电流作为自复位，当入射 的X射线计数率变化范围很大时，场效应管的漏极电流也随着增大，使所 得X射线能谱出现峰位稍有漂移和分辨率稍差。上述这些问题，对使用硅漂移探测器的高性能EDXRF，进行定量分析(尤 其是对轻元素的分析)来说是至关重要的。发明内容本发明的目的是提供一种具有高分辨率的改进型硅漂移半导体探测器 UHRD。该探测器在目前硅漂移探测器SDD的基础上，采用了新型的P型漂移 电极平面结构，进行关键性改进，保持SDD分辨率高，适用计数率范围大， 体积小重量轻的特色，而SDD原有的一些缺点则被大有改善。本发明所采用的技术方案为一种高分辨率的半导体核辐射探测器，包括高纯的N型半导体硅片、探测本征区、点状N型阳极、P型漂移电极和第一级场效应管，所述半导体硅 片(即基片)为圆形，所述探测本征区由均匀的位于所述高纯N型半导体硅 片的射线入射面的P-N结组成，所述点状的N型阳极位于相对面的对应于所 述本征区外的区域，并被以该N型阳极为焦点的P型漂移电极环绕，所述P 型漂移电极为若干以所述N型阳极为焦点的凸圆状环形条，所述第一级场效 应管内置于所述N型阳极中。所述凸圆环形P型漂移电极的凸圆环形由一大圆和与其相连的小凸圆弧 闭合组成，所述入射X射线探测本征区的背面区域为凸圆环形P型漂移电极 的大圆所在区域。所述半导体核辐射探测器的点状阳极处设有复位端，所述复位端与一周期 脉冲复位装置相连。一种高分辨率的半导体核辐射探测器的制造方法，在高纯的N型半导体硅 片的射线入射面制备一大面积均匀的P-N结，制备成一圆形的探测射线的本 征区，而在另外一面的对应于该本征区外制备一个点状的N型阳极，并制备 以该阳极为焦点的凸圆环状的若干P型漂移电极，将第一级场效应管内置于 阳极中。本发明的有益效果在于本发明通过独特的凸圆状的探测器P型漂移电 极平面设计及相关改进措施，在硅漂移探测器SDD的基础上，产生的具有超 高分辨率的改进型硅漂移半导体探测器UHRD， U服D具有SDD所有的优点，而 又改善了 SDD的缺点，替代锂漂移硅探测器Si(Li)和Si-PIN光电二极管探 测器，成为高性能EDXRF的理想探测器。具体性能改善之处1)独特的凸圆状的探测器P型漂移电极平面设计，把探测器的点状阳极和第 一级场效应管移到探测区域外，通过准直器对入射X射线的限制，避免了内置的第一级场效应管对射线探测的不良影响，UHRD的峰背比指标从SDD 的2000 — 3000,提高到7000 —10000。2) 使用以阳极为焦点的凸圆状环的P型漂移电极，取代同心圆环电极，使入 射到探测器探测区各处的X射线所产生的信号电子,沿给定角度和方向的 辐射状直线，向阳极漂移，UHRD探测器的输出电容从SDD的200fF，减少 到120fF，能量分辨率SDD的135eV，提高到124eV。3) 采用周期脉冲复位装置，比之使用第一级场效应管的漏极电流作自复位， 完全避免了，当入射的X射线计数率变化范围很大时，所得X射线能谱出 现峰位的漂移和分辨率变差，如入射的X射线计数率在120Kcps时，脉冲 复位的峰漂移是0. 24%，而自复位是0. 92%，而能量分辨率的变化(对应 0到120Kcps)，自复位是40eV，而脉冲复位仅是3—4eV。
图1为本发明背景技术现有的硅漂移探测器SDD的工作原理示意图。 图2为本发明背景技术现有的硅漂移探测器SDD的结构示意图。 图3为本发明硅漂移半导体探测器U服D的入射面背面的平面示意图。 图4为本发明硅漂移半导体探测器UHRD的阳极及第一级场效应管的结构示 意图。图中，1、入射X射线；2、 N型硅基片及探测本征区；3、入射X射线产生的 空穴及漂移路径；4、入射X射线产生的电子及漂移路径；5、阳极；6、入射 面及P +离子注入层；7、 P +离子注入形成的环形漂移电极；8、反向偏置电 压；9、前置放大器；10、第一级场效应管；11、阳极及第一级场效应管；12、 P +离子注入形成的凸圆环形漂移电极；13、入射X射线产生电子的漂移路径;14、入射X射线探测本征区的背面区域；15、第一级场效应管；16、阳极；17、 复位端；121、凸圆环形漂移电极的大圆部分；122、凸圆环形漂移电极的小 凸圆弧部分。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，如图3和图4所示， 一种高 分辨率的半导体核辐射探测器(UHRD)，包括高阻的N型半导体硅片、探测本 征区、点状N型阳极(16)和第一级场效应管(11)、凸圆环状的P型漂移电 极(12)，所述半导体硅片为圆形,所述入射X射线探测本征区的背面区域(14) 为凸圆环P型漂移电极的大圆所在区域，因此，所述探测本征区是在(14) 和射线入射面的P-N结之间的区域；所述点状的N型阳极(11)位于所述入 射X射线探测本征区的背面区域(14)外的区域，并被以该N型阳极为焦点 的P型漂移电极(12)环绕，所述P型漂移电极(12)为若干以所述N型阳极(13)为焦点的凸圆状环形条状，所述第一级场效应管内置于所述N型阳极(11)中。所述凸圆环形P型漂移电极(12)的凸圆环形由一大圆(121)和与其相 连的小凸圆弧(122)闭合组成，所述入射X射线探测本征区的背面区域为凸 圆环形P型漂移电极的大圆(121)所在区域。所述半导体核辐射探测器的点状阳极(16)处设有复位端(17)，所述复位 端(17)与一周期脉冲复位装置相连。所述周期脉冲复位装置，是把一列频率 500或1000Hz，脉宽200 — 300ns的脉冲，连接到探测器的复位端，是探测器 所累积的电荷周期性快速泄放，既取得复位的效果，又不会因计数率的变化， 影响探测器的工作状态。一种高分辨率的半导体核辐射探测器的制造方法，在高纯的N型半导体硅 片的射线入射面制备一大面积均匀的P-N结，制备成一圆形的探测射线的本 征区，而在另外一面的对应于该本征区外制备一个点状的N型阳极(16)，并制备以该阳极为焦点的凸圆环状的若干P型漂移电极条(12)，所述第一级场效应管(15)内置于阳极(16)中。安装准直器后，入射射线只能在凸圆环的大园焦点所对应的本征区外作 用，产生信号电子和空穴对，在器件两面的P-N结加上反向电压和漂移电极 上加一个电位差会在器件内产生一横向电场，在所形成的弯曲势阱作用下， 信号电子辐射状直线沿着入射X射线产生电子的漂移路径(13)向阳极漂移， 到达阳极附近才产生信号。
权利要求
1. 一种高分辨率的半导体核辐射探测器，包括高纯的N型半导体硅片、入射X射线探测本征区、点状N型阳极、P型漂移电极和第一级场效应管，其特征在于所述半导体硅片为圆形，所述探测本征区由圆形的均匀的位于所述高纯N型半导体硅片的射线入射面的P-N结组成，所述点状的N型阳极位于入射面背面的对应于所述本征区外的区域，并被以该N型阳极为焦点的P型漂移电极环绕，所述P型漂移电极为若干以所述N型阳极为焦点的凸圆状环形条状，所述第一级场效应管内置于所述N型阳极中。
2、 根据权利要求1所述高分辨率的半导体核辐射探测器，其特征 在于所述凸圆环形P型漂移电极的凸圆环形由一大圆和与其相连的 小凸圆弧闭合组成，所述入射X射线探测本征区的背面区域为凸圆环 形P型漂移电极的大圆所在区域。
3、 根据权利要求1或2所述高分辨率的半导体核辐射探测器，其 特征在于:所述半导体核辐射探测器的点状阳极处设有复位端，所述 复位端与一周期脉冲复位装置相连。
4、 如权利要求1所述的一种高分辨率的半导体核辐射探测器的制 造方法，其特征在于在高纯的N型半导体硅片的射线入射面制备一 大面积均匀的P-N结，制备成一圆形的探测射线的本征区，而在另外 一面的对应于该本征区外制备一个点状的N型阳极，并制备以该阳极 为焦点的凸圆环状的若干P型漂移电极，最后将第一级场效应管内置 于阳极中。
全文摘要
一种高分辨率的半导体核辐射探测器，包括高纯的N型半导体硅片、探测本征区、点状N型阳极、P型漂移电极和第一级场效应管，半导体硅片(即基片)为圆形，探测本征区由均匀的位于所述高纯N型半导体硅片的射线入射面的P-N结组成，点状的N型阳极位于相对面的对应于所述本征区外的区域，并被以该N型阳极为焦点的P型漂移电极环绕，P型漂移电极为若干以所述N型阳极为焦点的凸圆状环形条，第一级场效应管内置于所述N型阳极中。该探测器在目前硅漂移探测器SDD的基础上，采用了新型的P型漂移电极平面结构，进行关键性改进，保持SDD分辨率高，适用计数率范围大，体积小重量轻的特色，而SDD原有的一些缺点则被大有改善。
文档编号G01N23/223GK101281148SQ20071007533
公开日2008年10月8日 申请日期2007年7月27日 优先权日2007年7月27日
发明者姚栋樑, 李胜辉 申请人:江苏天瑞信息技术有限公司