1、国内平面工艺Si探测器研制进展,张万昌 曹学蕾,中国科学院高能物理研究所,报告提纲,一、前言,二、Si平面工艺探测器介绍,三、国内平面工艺Si探测器研制进展,四、今后Si平面工艺探测器研究,前 言,半导体探测器的基本工作机制,单元素半导体探测器 : Si面垒型探测器 Si(Li)漂移探测器 Si平面工艺探测器 高纯 Ge 探测器,主要化合物半导体探测器: GaAs 探测器 CdTe 探测器 CdZnTe 探测器 HgI2 探测器,二、Si平面工艺探测器介绍,Si平面工艺探测器介绍,Si平面工艺探测器主要优点 : 漏电流小: 比面垒探测器一般要小2个数量级。 噪声低，能量分辩率高，计数率高。 一
2、致性好，易于制备结构复杂探测器及大面积阵列探测器。 可以集成化，如前级FET集成在探测器上, 可大大提高其能量分辨率。,Si平面工艺探测器介绍,Si平面工艺探测器基本工艺 : Si片 -氧化 -光刻 -腐蚀 -离子注入 -退火 -制做电极 -热处理 - 做电极引线。,Si平面工艺探测器的种类 : 二极管,二极管阵列及单面多条带探测器（SiPIN类) 双面多条探测器 Si漂移室探测器( SDD ) 电荷偶合器件( CCD 、SCD) 全耗尽场效应管及其阵列,Si平面工艺探测器介绍,SiPIN探测器结构及特点:SiPIN探测器结构简单；10mm2 探测器、TO结构真空封装、-40时能量分辨率可以达
3、到140150eV5.9KeV。,Si平面工艺探测器介绍,SDD探测器结构及特点: 信号电极的电容极小且与探测器灵敏面积无关(电容2030pF），大大减小了串联噪声。 SDD探测器的电容比10mm2的Si-PIN探测器约小2个数量级。 因此，SDD探测器的能量分辨率与传统的Si-PIN探测器相比有显著的提高，并且可以工作在高计数率条件下,SDD探测器的基本结构及原理示意图,n+,p1+,p2+. . .,p1+,. . . p2+,p+,n-Si,Si平面工艺探测器介绍,SDD探测器的典型封装（TO管壳真空封装、温差电致冷器）,美国Amptek公司25mm2 SDD探测器产品能量分辨为125e
4、V5.9KeV，如下图所示。,Si平面工艺探测器介绍,Si平面工艺探测器介绍,国外从事相关研究并得到应用的的主要机构,Si平面工艺探测器介绍,电荷偶合器件( CCD 、SCD),传统的MOS型CCD -典型的用途： 光敏器件,数字摄像机,数字照相机。 表面涂上闪烁体可以进行X 或测量。全耗尽p-nCCD,Si平面工艺探测器介绍, 电极之间互相重叠 . 注入p型“阻止沟道” 注入n型埋层 .,传统的MOS型CCD :,Si平面工艺探测器介绍,实际的MOS型CCD结构,全耗尽p-nCCD :,结 构 及 原 理 图, 收集并读出多数载流子(电子) . 电子的势能低谷位置可由控制电极控制 .,Si平
5、面工艺探测器介绍,Si平面工艺探测器介绍,实际应用的两维全耗尽p-nCCD, 在垂直于控制电极的方向上注入n 型多条带.作用 : 控 制电子势能低谷的位置;阻止电子沿 p+ 条带方向的分布 . 集成全耗尽JFET在 CCD 上 （也可以粘接FET）.,Si平面工艺探测器介绍,与 MOS型CCD相比,全耗尽 p-nCCD主要优点 : 灵敏体积大，这对于X射线及高能离子的探测尤其重要。 从背面入射时,响应均匀，背面入射窗口可以做得很薄,以对短波长的光有较好的响应。 抗辐照性能好。,全耗尽型p-nCCD的实际应用例子 :,空间 X 射线望远镜 XMM 中的全耗尽 p-nCCD (Lumb et al
6、.1997 ).,总面积为 12x3x1cm2 .,Si平面工艺探测器介绍,XMM 中的全耗尽p-n CCD被 55FeX射线照射时,信号幅度和所在行的关系 ( - 100 ) ., 55Fe X 射线源 : MnK: 5.898keV, MnK: 6.490keV. 电荷转移效率大于 99.9% .,Si平面工艺探测器介绍,Si平面工艺探测器介绍,XMM 中的全耗尽 p-n 结 CCD 对 55Fe X 射线的能谱测量结果(-100 ).,FWHM = 130eV,5.898keV,6.490keV,Si平面工艺探测器介绍,全耗尽场效应管探测器（DEFET）：,全耗尽MOS型FET探测器(
7、DEMOSFET ).全耗尽结型FET探测器 ( DEJFET ) .全耗尽FET探测器( DEFET )的特点,Si平面工艺探测器介绍,全耗尽MOS型FET探测器( DEMOSFET ) .,基本原理,Si平面工艺探测器介绍,全耗尽p沟道结型FET探测器 ( DEPJFET ) .,全耗尽 P 沟道结型 FET 的基本结构, 图(a) - 带有侧面“遂穿”清除结，脉冲清除方式。 图 ( b ) -带有垂直“遂穿”清除结,脉冲或连续清除 方式。,Si平面工艺探测器介绍,全耗尽FET阵列探测器：,Si平面工艺探测器介绍,全耗尽FET探测器( DEFET )的特点 ：,即是探测器也是放大器 .极大
8、地减小了影响串联噪声的电容。门电极可以很小,增加了放大倍数也减小串联噪声。用脉冲可完全清除内部电极的电荷,避免了残留电荷的统计涨落引起的噪声 .信号电荷被限制在内部门电极的势阱中,可以进行重复多次读出 .,三、国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器用于X射线测量SiPIN探测器单面多条探测器像素探测器基于平面工艺技术的50-80m厚度的E探测器全耗尽SiPIN光电二极管SDD探测器,按照探测器的结构和用途,SiPIN探测器,SiPIN探测器-用于X射线测量SiPIN探测器 厚度500m， 5mm2、10mm2、25mm2、50mm2、100mm2SiPIN探测器 全耗尽电压时室温漏电
9、流约0.02-0.1nA,达到国外同类探测器的指标。,国内平面工艺Si探测器研制进展,厚度500m， 5mm2、10mm2探测器室温下I-V测量曲线（全耗尽电压80V）：漏电流约0.020.1nA, RT=20,SiPIN探测器,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,灵敏面积为5mm2的Si-PIN探测器，使用自制的电荷灵敏前置放大器、ORTEC673成形放大器，成形时间1s，室温下对55Fe 5.9KeV X射线的能量分辨率（FWHM）为590eV。（2005年） 使用国产两级温差电致冷器,成形时间4s，对55Fe 5.9KeV X射线的能量分辨率（FWHM）为310eV。（20
10、05年）,5.9KeV XFWHM=590eV,5.9KeV XFWHM=310eV,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,使用美国AmpTeK公司XCR-100的两级温差电致冷器、复位型前放及成形放大器，前级FET与探测器同时致冷，温度可以降低到约-40，成形时间6s，对55Fe 5.9KeV X射线的能量分辨率（FWHM）为198.5eV，达到了AmpTeK公司XCR-100 系统的标称值。（2005年）,5.9KeV XFWHM=198.5eV,国内平面工艺Si探测器研制进展,空间天文卫星硬X射线调制望远镜（HXMT）ME探测器： 厚度1mm、56mm2两像素的Si-PIN探
11、测器，探测器已交付卫星，今年6月份发射。（如下图所示）,SiPIN探测器,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,SiPIN探测器-单面多条探测器 500m厚度，条长18mm，pitch 2mm,共24条。 500m厚度，条长18mm，pitch 2mm,共32条。 500m厚度，条长20mm，pitch 2.06mm,共40条。 500m厚度，条长30mm,pitch 4.98mm,供12条。,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,2003年,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,12#, 0.23nA,1#,0.2nA,探测器第一条和第十二条对Am241
12、5.486MeV 粒子能谱,国内平面工艺Si探测器研制进展,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器-单面微条探测器 5cm*5cm、pitch=90m (正在研制）：,SiPIN探测器-像素探测器 100（10x10 ）个像素探测器，像素面积1mm2 （2012-2015年）,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,测试结果表明，任意一路均能正常工作，像素探测器常温测试能谱,像素探测器低温放射源测试结果,低温测试装置现场图,制冷组件,测试结果：Si-PIN像素探测器在低温-15 下，对Am-241放射源测量，得到能量分辨率F
13、WHM 263eV13.8keV。接近商业化的单像元Si-PIN探测器产品的性能指标。,Si-PIN像素探测器-15 下，Am-241放射源测量能谱,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,250 m50 m， 18（列）60（行）像素探测,室温下所有像素总漏电流：不接保护环时小于1nA。,利用MOXTEK公司的Si-PIN探头匹配自行研制的前放和成形放大电路。能量分辨率已达到FWHM 168eV5.9keV，达到产品的标称值。匹配自主研制的单像元Si-PIN探测器6mm2，厚度500m，在-35温度下，能量分辨率达到FWHM 184
14、eV5.9keV。接近商业化产品水平。,匹配MOXTEK Si-PIN探测器Fe-55源测试结果,关键技术攻关低噪声电子学单元读出电路,自主研制的Si-PIN探测器前放电路,匹配自主研制的Si-PIN探测器低温-35Fe-55 放射源测量结果,SiPIN探测器,国内平面工艺Si探测器研制进展,SiPIN探测器,Si-CZT复合探测器中的Si-E探测器：（2008年）,厚度50-80m灵敏面积10x40mm2，20x20mm2，10x10mm2，5x10mm2。项目能量分辨率要求120-150KeV（241Am 5.486MeV)。,国内平面工艺Si探测器研制进展,国内平面工艺Si探测器研制进展
15、,SiPIN探测器,对Am241 5.486MeV 粒子能谱测量结果如下图，FWHM为55KeV。,2008年,全耗尽SiPIN光电二极管,全耗尽SiPIN光电二极管 500m厚度，50mm2 、100mm2 （2010年）,国内平面工艺Si探测器研制进展,全耗尽SiPIN光电二极管,CsI+全耗尽SiPIN光电二极管：,全耗尽电压时漏电流：12nA（保户环悬空）,国内平面工艺Si探测器研制进展,响应测量结果（137Cs）,全耗尽SiPIN光电二极管,国内平面工艺Si探测器研制进展,SDD探测器,SDD探测器 厚度500m,灵敏面积5mm2、10mm2 （2010年）,国内平面工艺Si探测器研
16、制进展,SDD探测器,电子浓度分布计算机模拟结果,国内平面工艺Si探测器研制进展,SDD探测器,SDD探测器封装及能谱响应测量,国内平面工艺Si探测器研制进展,图：APXS原理样机Fe55测量谱，能量分辨率FWHM 131eV5.9keV,APXS原理样机采用国外购买的SDD探测器，匹配自行研制的前置放大器与成形放大器，能量分辨率达到FWHM 131eV5.9keV，优于在公司匹配测试系统得到的结果（能量分辨率 FWHM 133eV5.9keV）,SDD读出电子学研究-(高能所),国内平面工艺Si探测器研制进展,SDD探测器,在初样电性件及工程样机中，采用了可靠性高但性能指标稍差的元器件，其性
17、能指标比商业化产品低。粒子激发X射线谱仪工程样机选用了高等级的元器件后探头部分能量分辨率可以达到FWHM 138eV5.9keV, 好于当时已经发射和计划发射所有同类产品水平。,SDD探测器,国内平面工艺Si探测器研制进展,CE-3 粒子激发X射线谱仪在轨观测结果,CE-3粒子激发X射线谱仪在轨观测结果，系统能量分辨率达到：FWHM 136eV5.9keV（彭文溪，王焕玉等）,国内平面工艺Si探测器研制进展,SDD探测器,四、今后Si平面工艺探测器研究,先进Si探测器技术研究：耐辐照像素探测器(1017neq/cm2）耐辐照硅微条探测器（60um，1017neq/cm2）pn-CCD探测器SDD探测器及其阵列阵列目前空间探测项目需要的探测器,谢谢！,
