论文部分内容阅读
随着核物理实验和空间辐射环境探测应用的快速发展,硅PIN探测器己成为国内外研究热点,其中超薄硅PIN探测器尤其具有应用和研究价值,如提高高能粒子的分辨精度和探测范围,代表着各研制单位在高能粒子探测领域的研究水平。在超薄硅PIN探测器的制备过程中,特别当硅膜厚度小于50微米以下,器件缺陷控制和表面处理的难度增加,芯片极易破碎,因此制造出高性能高成品率的PIN探测器面临着更多困难和挑战。
与正常厚度的PIN探测器不同,超薄PIN探测器对泄漏电流、死层厚度和机械可靠性的要求很严格。基于这些问题,在原有研究工作基础上,本文设计了一种新型硅基超薄PIN高能粒子探测器制造工艺,并对超薄PIN探测器开展系统测试工作,包括I-V特性、C-V特性、击穿电压和能量分辨率等,同时开展了相关理论分析工作。
本文主要工作包括三个方面。首先,针对探测器结构的改进优化,加入保护环结构、改进电极接触、背腔大小,结果表明探测器漏电流以及入射窗死层厚度得到显著改善;其次,开展工艺优化研究,主要优化了氧化工艺、离子注入工艺、退火工艺。测试结果表明通过工艺改进不仅能有效减小器件的泄漏电流,也能保证器件具有足够的机械支撑能力;最后部分为超薄PIN探测器封装工艺的设计和研制工作,通过比较不同封装方法对漏电流及辐射探测性能的影响,确定出封装工艺技术方案。
通过本文的研究工作,取得了如下的研究成果:
1.从腐蚀速度、腐蚀表面平整性两个方面重点研究TMAH对硅腐蚀过程的影响规律,实验结果表明,TMAH水浴温度为86℃,25wt％的TMAH腐蚀出的硅表面平整度最好。通过全套工艺优化工作,制备出厚度分别为38μm、45μm、61μm完好硅片,有效探测面积分别为113mm2和24.6mm2的硅PIN探测器。
2.对超薄(30-65μm)PIN探测器(S=113mm2)开展直流测试和高能辐射测试工作,结果表明制成的超薄PIN探测器具有优秀的电学特性和良好的辐射探测特性。探测器反向泄漏电流达到nA数量级以下,而且封装对器件泄漏电流几乎没有影响;分析了应力区和探测器厚度对泄漏电流的影响;采用主峰值为5.486MeV的241Am标准噪声源,测得探测器噪声为15.41KeV,能量分辨率FWHM为21.56KeV。对超薄(30-65μm)PIN探测器(S=24.6mm2)进行测试工作。绝大多数探测器反向漏电流在0.1nA以下,击穿电压高达-644V,-3V全耗尽电压及此时58.5pF全耗尽电容。-10V下,能量分辨率FWHM为21.78KeV。
3.开发出的工艺流程稳定可靠。超薄PIN探测器不仅有良好的机械性能,同时也有很好的电学特性和很高的能量分辨率。探测器合格率很高,一般在91％以上,有的甚至达到100％。
通过本文系统研发工作,制备出的超薄PIN探测器厚度己达38μm,国内未见类似报道,且辐照测试表明该超薄PIN探测器已能初步满足用户的探测要求。由于本论文开发出的超薄PIN探测器具有较高的成品率和稳定性能,因此该工艺技术可直接应用于大规模生产,具有巨大的潜在应用价值。