专利名称：一种硅pin中子剂量探测器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及中子剂量探测使用的硅PIN中子剂量探测器，尤其涉及在核探测中使用的对性能有较高要求的硅PIN中子剂量探测器及其制备方法。
背景技术：
中子剂量探测是利用快中子辐照硅材料后会使硅晶格内部产生缺陷，晶格缺陷会作为有效的复合中心使少数载流子寿命减低，从而改变硅器件的电压电流特性，通过检测硅器件电压电流特性的变化来反映其在一段时间内所受的中子辐射总剂量。从上世纪六十年代起，硅PIN探测器问世并应用于核物理探测。硅PIN中子剂量探测器的基本结构如图I所示，以高电阻硅片I为基片制作，在高电阻硅片I的正面(顶面) 和背面(底面)分别注入硼和磷离子层，分别形成P型掺杂的有源区2和N型掺杂的有源区3，中间的未掺杂区为I区。当中子辐照硅后，产生硅晶格缺陷而降低少数载流子寿命，当在正面施加正向偏压时，硅PIN器件电压电流特性发生的改变量与中子辐射剂量相关，从而测量中子辐射的总剂量。这样的硅PIN中子剂量探测器体积小，测量方法简单，大剂量时剂量响应线性较好，剂量响应与辐照剂量率无关，一般不需要前置放大器，使用十分方便。尽管硅PIN探测器具有所述的优点，但是上述的硅PIN探测器也存在缺陷。已发表的实验研究结果表明，中子探测的灵敏度依赖于P区和N区的间距，即I区的厚度，这就要求硅基片有较大的厚度，从而使上述的硅中子剂量探测器的灵敏度受制于硅基片的厚度， 同时增加制作成本和工艺难度。上述的问题，对于核探测中需要高灵敏度的中子探测器尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度的硅PIN中子剂量探测器，克服传统结构的探测器的缺点，降低硅PIN中子剂量探测器对硅基片厚度的要求，从而降低成本与工艺复杂度。本发明的目的通过下述技术方案实现一种硅PIN中子剂量探测器，包括高电阻硅片以及分别位于高电阻硅片正面和背面的P型和N型有源区，其特征在于，两个有源区中一个为圆形，另一个为圆环形。上述硅PIN中子剂量探测器，P型有源区与正极电连接，N型有源区与负极电连接， 在正极施加正向偏置电压，通过该硅PIN器件电压电流特性发生的改变量来测量中子辐射剂量。上述高电阻硅片的厚度可以是I. 5mm 2. 0mm，其电阻率优选大于3千欧姆 厘米。上述硅PIN中子剂量探测器的两个有源区为上下非对称结构，圆形的P型有源区对应圆环形的N型有源区，或者圆环形的P型有源区对应圆环形N型有源区。其中，优选圆环形有源区的内圆半径大于等于圆形有源区的圆半径，例如圆形有源区的圆半径为
0.75mm Imm,圆环形有源区的内圆半径为Imm I. 5mm,圆环的宽度为0. 5mm 0. 8mm。本发明通过将P型有源区和N型有源区设计成上下非对称结构，使得P区和N区之间的距离大于硅片的厚度，有效增大了 P型有源区到N型有源区的距离，也即增大了探测器件I区的有效厚度，突破了高阻硅片厚度对PIN管I区厚度的限制。另外，通过将有源区设计成环形，还可以通过环形本身的对称性产生比较均匀的电流分布。本发明还提供所述硅PIN中子剂量探测器的制造方法，包括如下步骤a)在双面抛光高电阻硅片的正面和背面形成隔离层；b)通过光刻并刻蚀隔离层，使硅片正面和背面有源区图形区域的硅表面裸露，其中一个有源区图形为圆形，另一个有源区图形为圆环形；c)分别对硅片的正面和背面进行离子注入，得到P型有源区和N型有源区；d)制作两个电极分别与P型有源区和N型有源区电连接。上述步骤a)所使用的双面抛光高电阻娃片的厚度可以是I. 5mm 2. 0mm,其电阻率优选大于3千欧姆 厘米。在高电阻硅片的上下表面通过高温氧化形成二氧化硅层作为隔尚层。上述步骤b)先在隔离层上涂光刻胶，通过光刻得到有源区的圆形图案和环形图案，优选两个图案的中心垂直对准。在本发明的一个具体实施例中，圆形图案的直径为
1.5mm 2. Omm,环形图案的宽度为0. 5mm 0. 8mm,环形图案的内圆直径为2_ 3_。上述步骤b)当所述隔离层是二氧化硅层时，在二氧化硅层表面涂光刻胶，光刻形成有源区图形，以光刻胶为掩膜利用氢氟酸缓冲溶液腐蚀二氧化硅，使得有源区图形区域的硅表面裸露，然后去除剩余光刻胶。上述步骤c)以隔离层为掩膜进行离子注入，可以通过硼离子注入得到P型有源区，通过磷离子注入得到N型有源区。上述步骤d)可以在硅片正面和背面有源区上沉积金属，得到正、负两个电极。与 P型有源区连接的电极用于施加正向偏置电压，为正极；与N型有源区连接的电极为负极。 常用的金属为铝。上述方法涉及腐蚀、光刻、沉积等常用技术手段，这些技术手段对于本领域技术人员而言是熟知的。上述方法在具体实施时的具体参数可根据具体情况和本申请公开的实例有所差异。本发明的硅PIN中子剂量探测器具有非对称的P型和N型有源区结构，相对于现有的硅PIN中子剂量探测器，具体性能的改善之处包括I)圆形和圆环形有源区结构，使的P区和N区的距离大于硅片厚度，从而降低了对硅基片厚度的过高的要求，同时降低了成本与工艺复杂度。2)环形有源区结构，通过环形本身的对称性产生比较均匀的电流分布。
图I为现有硅PIN中子剂量探测器的结构示意图；图2为本发明硅PIN中子剂量探测器的结构示意图；图3-1为本发明硅PIN中子剂量探测器圆形有源区的示意4
图3-2为本发明硅PIN中子剂量探测器圆环形有源区的示意图；图4-1至图4-4为本发明实施例制备硅PIN中子剂量探测器的步骤示意图；图中1.高电阻硅片，2.正面有源区，3.背面有源区，4. 二氧化硅层，5.圆形有源区图形窗口，6.圆环形有源区图形窗口，7.正极，8.负极。
具体实施例方式下面结合附图，通过具体实施例进一步说明本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。下述实施例旨在通过一个具体的制造方法制备出图2所示的硅PIN中子剂量探测器，该硅PIN中子剂量探测器包括作为基片的双面抛光高电阻硅片1，在硅片I的正面和背面分别具有圆形的P型有源区2和N型有源区3，有源区以外的硅表面上是二氧化硅层4。具体的制造方法包括下列步骤I.如图4-1所示，在作为基片的双面抛光高电阻型硅片I上进行1000°C高温氧化，在硅片上下表面形成厚度为8000 A的二氧化硅层4 ；2.如图4-2所示，首先进行光刻，分别在正反面的二氧化硅层4的表面涂光刻胶， 曝光显影后，利用氢氟酸缓冲溶液腐蚀二氧化硅，然后去除剩余光刻胶，从而得到正面圆形图案和背面环形图案的裸露娃表面，形成有源区图形窗口 5和6 ;3.如图4-3所示，对硅片I的正面(即上表面)进行硼离子注入得到P型有源区 2，离子注入能量50KeV，剂量1E15原子数/cm2 ;对硅片I的背面(即下表面)进行磷离子注入得到N型有源区3，离子注入能量IOOKeV,剂量5E15原子数/cm2 ；4.对硅基片进行退火，温度950°C，时间15分钟，保护气体为氮气；5.在硅基片的正面和背面分别溅射积淀I Pm厚的金属铝，形成正极7和负极8， 如图4-4所示；6.对硅基片进行铝合金，温度450°C，时间I小时；7.对得到的高电阻硅基片进行划片，得到所需的器件；8.将单个器件背面粘贴于陶瓷外壳管座上，对正极进行金丝压焊，正面覆盖硅胶保护。经过上述步骤之后，即得到根据本发明的硅PIN中子剂量探测器。
权利要求
1.一种硅PIN中子剂量探测器，包括高电阻硅片以及分别位于高电阻硅片正面和背面的P型和N型有源区，其特征在于，两个有源区中一个为圆形，另一个为圆环形。
2.如权利要求I所述的硅PIN中子剂量探测器，其特征在于，所述高电阻硅片的厚度为 I. 5mm 2. Omm,其电阻率大于3千欧姆 厘米。
3.如权利要求I所述的硅PIN中子剂量探测器，其特征在于，圆环形有源区的内圆半径大于等于圆形有源区的圆半径。
4.如权利要求3所述的硅PIN中子剂量探测器，其特征在于，圆形有源区的圆半径为0.75mm Imm,圆环形有源区的内圆半径为Imm I. 5mm,圆环的宽度为0. 5mm 0. 8mm。
5.一种权利要求I 4任一所述硅PIN中子剂量探测器的制备方法，包括以下步骤a)在双面抛光高电阻硅片的正面和背面形成隔离层；b)通过光刻并刻蚀隔离层，使硅片正面和背面有源区图形区域的硅表面裸露，其中一个有源区图形为圆形，另一个有源区图形为圆环形；c)分别对硅片的正面和背面进行离子注入，得到P型有源区和N型有源区；d)制作两个电极分别与P型有源区和N型有源区电连接。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤a)所述双面抛光高电阻硅片的厚度为I. 5mm 2. Omm,其电阻率大于3千欧姆 厘米。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤a)在所述高电阻硅片的上下表面通过高温氧化形成二氧化硅层作为隔离层；步骤b)在二氧化硅层表面涂光刻胶，光刻形成有源区图形，以光刻胶为掩膜利用氢氟酸缓冲溶液腐蚀二氧化硅，使得有源区图形区域的硅表面裸露，然后去除剩余光刻胶。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中圆形有源区图形的直径为1.5mm 2. Omm ;环形有源区图形的内圆直径为2_ 3mm,环的宽度为0. 5mm 0. 8_。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤c)以隔离层为掩膜进行离子注入， 通过硼离子注入得到P型有源区，通过磷离子注入得到N型有源区。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤d)在硅片正面和背面有源区上沉积金属，得到正、负两个电极。
全文摘要
本发明公开了一种硅PIN中子剂量探测器及其制备方法。该硅PIN中子剂量探测器包括高电阻硅片以及分别位于硅片正面和背面的P型和N型有源区，两个有源区中一个为圆形，另一个为圆环形。本发明通过将P型有源区和N型有源区设计成上下非对称结构，使得P区和N区之间的距离大于硅片的厚度，有效增大了两个有源区的距离，即增大了探测器I区的有效厚度，突破了硅片厚度对PIN管I区厚度的限制。此外，环形有源区通过其结构本身的对称性产生比较均匀的电流分布。
文档编号H01L31/18GK102544186SQ20121001514
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者于民, 杨昉东, 樊超, 王金延, 田大宇, 金玉丰 申请人:北京大学