高纯锗探测器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体辐射探测器领域，尤其涉及一种高纯锗探测器。
【背景技术】
[0002]随着半导体制备技术的不断提高，基于大体积、良好性能的高纯锗(HPGe)单晶拉制成功，使HPGe探测器具备了良好的能量分辨和相对高的探测效率。高纯锗探测器可用于Y射线、X射线测量、暗物质探测以及辐射成像技术等，在衰变纲图研究、内转换系数测定、核反应、短寿命核测量、活化分析、核燃料研究、井矿探测、原子核精细结构研究和暗物质探测等方面获得了极广泛的应用。
[0003]探测器本身的噪声是影响HPGe探测器的能量分辨率的关键因素之一，HPGe探测器本身的噪声主要来源于反向泄漏电流，它直接影响到探测器的能量分辨率和灵敏度。另夕卜，它也是鉴定工艺、判别成品好坏的一个简便方法。一般情况下，一个好的HPGe探测器的反向电流应该小于ΙΟρΑ。然而使反向泄漏电流降低到这个水平并非易事，许多从事探测器研究的工作者围绕降低反向泄漏电流展开了大量研究。
[0004]反向泄漏电流的来源有三个:体漏电流、扩散漏电流、表面漏电流。
[0005]其中，体漏电流是热激发生成的电子空穴引起的电流，由于HPGe晶体的能带间隙小，为了提高分辨率，在实际测量时HPGe探测器会被制冷到70K?100K温区，在这个温区，体漏电流是可以忽略不计的；其中扩散漏电流是掺杂接触引起的电流，在少数载流子寿命很长的情况下，扩散电流也不随反向电压变化，因此这一部分的电流也是可以忽略的；表面漏电流则是与HPGe晶体封装处理的表面状态有关的电流，是在表面层产生的，一般表面漏电流随反向电压增加而增大，因此表面漏电流是不能忽略的，它是探测器的泄露电流的主要来源。
[0006]在降低探测器的表面漏电流的现有技术中，一种最直接最重要的方案就是表面清洁，采用了大量的复杂的工序对理想的表面进行清洁，以严格地保证表面为高阻的状态。然而即使事先做了最苛刻的清洁工作，由于晶格在晶体表面处突终止，在表面的最外层的每个锗原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和键，由于这些未饱和键的存在，在实际晶体表面上往往会形成微氧化膜或吸附着其它原子和分子，这使表面情况变得复杂，还应指出的是有研究表明，即使在高真空中，也只能在短时间内保持不附着任何原子或分子的洁净表面，经过数小时后，表面上仍会形成一层单原子层，除了上述表面悬挂键引起的表面态夕卜，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附各种带电粒子等原因引起的表面态。诸如吸附的各种粒子，表面的氧化层中的可动离子、固定电荷和陷阱等皆可引起HPGe半导体表面电阻的降低，在表面层中引起电场，这些因素将会对半导体表面的特征产生重大影响，尤其是会增大表面漏电流，导致分辨率降低和假信号。
[0007]另一种降低探测器的表面漏电流的技术是表面钝化技术，即在清洁好的HPGe半导体表面再沉积一层对带电粒子有阻挡作用的钝化膜，如非晶锗，氧化锗，二氧化锗膜等。钝化技术在控制表面漏电流方面起到了积极的作用，然而，也存在一些缺点，首先是死层增力口，在一些应用中死层增加到几百微米；其次是非晶态锗或氧化锗膜的沉积接触的加工也比较困难，需要很复杂的处理工艺。
[0008]因此，期望能够提供一种工艺简单、稳定有效的抑制HPGe表面漏电流的技术方案。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种高纯锗探测器，其能够有效地降低HPGe表面漏电流以提闻探测器的精度。
[0010]为了实现上述发明目的，本发明的技术方案通过以下方式来实现:
[0011]本发明提供了一种高纯锗探测器，包括:
[0012]闻纯错晶体，所述闻纯错晶体具有本征区裸露表面；
[0013]第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别与高纯锗晶体的第一接触极和第二接触极相连；和
[0014]导电保护环，所述导电保护环设置在所述本征区裸露表面中且环绕所述第一电极以将本征区裸露表面阻隔成内区域和外区域。
[0015]进一步地，所述导电保护环可以与所述第一电极具有大致相同的电位。
[0016]进一步地，所述导电保护环可以设置于本征区裸露表面中的环绕所述第一电极的沟槽中。
[0017]更进一步地，所述沟槽的宽度可以小于200微米。
[0018]更进一步地，所述沟槽的深度可以在I微米和10微米之间。
[0019]更进一步地，所述导电保护环可以是与所述沟槽尺寸匹配的实体金属环或金属镀层。
[0020]进一步地，所述高纯锗探测器还可以包括前置放大电路，所述导电保护环与前置放大电路的高阻输入端等电位电连接。
[0021]具体地，所述闻纯错晶体可以是N型闻纯错晶体或P型闻纯错晶体。
[0022]具体地，所述高纯锗探测器可以是同轴型或点电极型探测器，所述的本征区裸露表面为所述高纯锗晶体的端面，所述第一电极连接于位于所述端面的中心孔或中心点的第一接触极，第二电极连接于所述高纯锗晶体的外周侧面，所述导电保护环靠近第一电极且与所述第一电极电绝缘。
[0023]再进一步地，所述导电保护环的半径与被保护的所述端面的半径之比可以小于或等于1/3。
[0024]再进一步地，所述导电保护环的中心可以与所述端面的中心基本上重合。
[0025]具体地，所述高纯锗探测器可以是平面型探测器，所述的本征区裸露表面是高纯锗晶体的外周侧面，所述第一电极和第二电极分别连接在高纯锗晶体的两个端面，所述导电保护环设置在所述外周侧面上，靠近所述第一电极且与所述第一电极电绝缘。
[0026]再进一步地，所述本征区裸露表面在导电保护环和第一电极之间的面积可以小于或等于本征区裸露表面的总面积的1/3。
[0027]再进一步地，所述导电保护环可以与高纯锗晶体的轴向基本上垂直。本发明的上述技术方案中的任何一个能够通过在高纯锗探测器的本征区裸露表面中设置导电保护环来将该表面的漏电流与检测电流隔离开从而抑制表面漏电流的干扰。这种方案可以显著地提闻闻纯错探测器的检测精度且具有简单的结构。
【附图说明】
[0028]图1a-1d示意性地示出根据本发明的高纯锗探测器抑制表面漏电流的工作原理；
[0029]图2a_2c示意性地示出根据本发明的实施例的同轴型高纯锗探测器的结构图；
[0030]图3a_c示意性地示出根据本发明的实施例的点电极型高纯锗探测器的结构图；
[0031]图4a_c示意性地示出根据本发明的实施例的平面型高纯锗探测器的结构图；以及
[0032]图5示意性地示出根据本发明的实施例的高纯锗探测器的电连接图。
【具体实施方式】
[0033]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
[0034]图1a-1d以P型同轴高纯锗探测器为例示出了根据本发明的高纯锗探测器抑制表面漏电流的原理。其中图1a和Ib分别为现有技术中P型同轴高纯锗探测器的结构示意图和等效电路图。该闻纯错探测器包括闻纯错晶体I和第一电极2,闻纯错晶体I具有本征区裸露表面11和与第一电极2连接的第一接触极12，在同轴型高纯锗探测器中，本征区裸露表面11是高纯锗晶体I的端面。典型地，高纯锗晶体I可以为圆柱体形状。高纯锗探测器还可以设有第二电极，该第二电极与高纯锗晶体I的第二接触极13连接。在本示例中，第二接触极13即为高纯锗晶体I的外周侧面。第一电极2可以与电源6的低压侧电连接，高纯锗晶体I的外周侧面与电源6的高压侧电连接。在实际使用中，在第一电极2和电源6的低压侧之间往往还需要设置如放大电路等电路模块，以提高检测精度和稳定性。在此为了描述简便起见，省略了这些电路模块，仅示出一电流计7。
[0035]高纯锗探测器的基本原理是，在高纯锗晶体两极施加电压，当辐射射线射入高纯锗晶体的本征区时，会产生电子一空穴对并在电场的作用下形成离子电流，通过对离子电流的检测可以实现对照射到高纯锗探测器上的辐射射线的能量进行检测。也就是说，高纯锗探测器将对辐射射线能量的检测转换成对离子电流Iim的检测。高纯锗晶体具有本征区，所谓本征区是指能够产生上述效应的区域。本征区裸露表面是指本征区的裸露在外的表面，其可能被污染或钝化。作为示意性的描述，在图la-d中，对离子电流Iim的检测由电流计7来实现。如图1b所示，高纯锗晶体I的内电阻由Rbulk表示，本征区裸露表面11的表面电阻由Rsurt表示，流过表面电阻的表面漏电流为Ismf。可见，在现有技术中的高纯锗探测器中，流过电流计7的检测电流I_s = Iim+Isurf，其中，Iim是期望的反映辐射射线能量的电流信号，而表面漏电流Ismf则是干扰信号。由于本征区裸露表面11是裸露的，所以其易于被污染，而被污染的局部可能导致较小的表面电阻Rsmf，相应地，表面漏电流Ismf的幅度较大，因而对于测量电流Imeas可能造成明显的影响。
[0036]图1c和Id示出的是根据本发明的实施例的设有导电保护环的高纯锗探测器。与图1a和Ib相比可知，根据本发明的实施例的高纯锗探测器与现有技术中的高纯锗探测器相比区别主要在于设有导电保护环3。所述导电保护环3设置在本征区裸露表面11中，且围绕电极2。导电保护环3将本征区裸露表面11分成了内外两个区域，导电保护环3所包围的内区域的表面电阻由R1表示，导电保护环3外的本征区裸露表面11的外区域的表面电阻由R2表示。期望地，导电保护环3的厚度能够将本征区裸露表面11完全地阻隔成内外两个区域。导电保护环3与电流计7靠近电源低压侧的一侧电连接。在这种情况下，对应于两个区域的表面电阻R1和R2的表面漏电流分别是Isurtl和Isurt2。而Ismf2将不会流经电流计7，因此不会影响检测电流I_s。也就是说，由电源6引起的表面漏电流与检测电流隔离开。对于Isurfl,由于表面电阻R1两端(即第一电极2和导电保护环3)的电位相差很小，或者说基本上相同，因此导电保护环3所包围的内区域的表面漏电流Isurfl也很小。例如，当用静电计或皮安表测试时，表面电阻R1两端的压降小于lmV，所以在R1上产生的表面漏电流Ismfl是相当小的。而且在实际的探测器器件中，检测信号通常需要将信号先输入结型场效应晶体管(JEFT)进行放大，而JEFT的输入端压降更低，通常小于100 μ V，其产生的电流Isurfl是更小的。于是，几乎所有流过电流计7的检测电流I_s都是期望的离子电流Iim。
[0037]由上述可知，采用导电保护环3的结构，可以