孫立杰，林承鍵，＊，楊 峰，＊，郭昭喬，郭天舒，徐新星，包鵬飛，楊 磊，賈會(huì)明，馬南茹，張煥喬，劉祖華，夏清良

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所，北京 102413；2.北京科立興光電技術(shù)有限公司，北京 102413）

雙面硅條探測(cè)器的研制與測(cè)試

孫立杰1，林承鍵1，＊，楊 峰1，＊，郭昭喬2，郭天舒2，徐新星1，包鵬飛1，楊 磊1，賈會(huì)明1，馬南茹1，張煥喬1，劉祖華1，夏清良1

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所，北京 102413；2.北京科立興光電技術(shù)有限公司，北京 102413）

研制了雙面硅條探測(cè)器。探測(cè)器靈敏面積為48mm×48mm，厚約300μm，結(jié)面和歐姆面的硅條互相垂直，均由相互平行、寬度相等的48條組成，每條寬0.9mm、間距0.1mm。對(duì)其電氣特性（耗盡偏壓、反向漏電流、條間電阻）和探測(cè)特性（上升時(shí)間、能量分辨、條間串?dāng)_）進(jìn)行了測(cè)試。在偏壓為－15V時(shí)，各條平均反向漏電流小于10nA。對(duì)于從結(jié)面入射的5.157MeV的α粒子，前放信號(hào)上升時(shí)間約45ns，結(jié)面各條的能量分辨率約0.6%～0.7%，基本無(wú)條間串?dāng)_；歐姆面各條能量分辨率較差，存在條間串?dāng)_。

雙面硅條探測(cè)器；微電子工藝；電氣特性；探測(cè)特性；條間串?dāng)_

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體粒子探測(cè)器也有了很大的發(fā)展［1］。Kemmer［2］充分利用制備半導(dǎo)體MOS器件的工藝成就，解決了許多關(guān)鍵性的平面工藝難題，綜合了氧化鈍化、離子注入、光刻腐蝕等技術(shù)，使半導(dǎo)體探測(cè)器性能大為提高。其中，采用平面工藝技術(shù)研制的硅條探測(cè)器（silicon strip detector，SSD）的發(fā)展和應(yīng)用非常突出。硅條探測(cè)器具有很高的位置分辨率和能量分辨率、較寬的線性范圍、很快的響應(yīng)時(shí)間，并可加工成圓形、環(huán)形、扇形、矩形、多邊形等，被廣泛應(yīng)用于高能物理、天體物理、空間科學(xué)、核物理及核醫(yī)學(xué)等實(shí)驗(yàn)研究［3］。在核物理實(shí)驗(yàn)中，利用硅條探測(cè)器可得到帶電粒子精確的位置、能量和時(shí)間信息，如在低能區(qū)的超重核合成研究中，硅條探測(cè)器常被用作余核注入探測(cè)器，通過(guò)對(duì)余核級(jí)聯(lián)α衰變的粒子進(jìn)行時(shí)間、位置的關(guān)聯(lián)測(cè)量來(lái)指認(rèn)目標(biāo)核［4］。

近年來(lái)，許多實(shí)驗(yàn)室用硅條探測(cè)器搭建陣列用于放射性核束物理實(shí)驗(yàn)，如MUST［5］、MUST2［6］、LEDA［7］、CD［8］、HiRA［9］、DRAGON［10］等。但制作硅條探測(cè)器需采用微機(jī)械加工工藝和離子注入摻雜等技術(shù)，制作工藝復(fù)雜、難度大，成品率低。目前國(guó)內(nèi)核物理實(shí)驗(yàn)中使用的硅條探測(cè)器，尤其是雙面硅條探測(cè)器（doublesided silicon strip detector，DSSD），基本靠購(gòu)買(mǎi)國(guó)外技術(shù)成熟的產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。為此，中國(guó)原子能科學(xué)研究院、北京大學(xué)微電子研究院、中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所等［11－12］開(kāi)始自主研制雙面硅條探測(cè)器，本文對(duì)中國(guó)原子能科學(xué)研究院與北京科立興光電技術(shù)有限公司聯(lián)合研制的雙面硅條探測(cè)器進(jìn)行介紹及測(cè)試。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

研制的雙面硅條探測(cè)器及前置放大器如圖1所示。探測(cè)器靈敏面積為48mm× 48mm，P＋摻雜的結(jié)面（正面）與N＋摻雜的歐姆面（背面）構(gòu)成PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，均均勻分成相互平行的48條，每條寬0.9mm、間距0.1mm，結(jié)面48條和歐姆面48條的走向互相垂直。這樣雙面硅條探測(cè)器就具有兩維位置探測(cè)能力，從結(jié)面各條讀出入射粒子的某一維的位置信息，同時(shí)可從歐姆面各條讀出入射粒子的另一維的位置信息。摻雜區(qū)中間部分的高阻N型硅基是探測(cè)器的靈敏區(qū)，外加足夠高的偏壓電場(chǎng)，耗盡層擴(kuò)展到整個(gè)N型硅片，基本全耗盡。其內(nèi)部可移動(dòng)的載流子密度很低，電阻率很高，漏電流很小，外加電壓幾乎全加到耗盡層上，形成很高的電場(chǎng)。帶電粒子穿過(guò)探測(cè)器的靈敏區(qū)時(shí)，將產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在電場(chǎng)的作用下，電子向歐姆面電極漂移，空穴向加負(fù)偏壓的結(jié)面電極漂移，探測(cè)器厚度很?。▋H幾百μm），收集電荷只需很短的時(shí)間（ns量級(jí)），在探測(cè)器的相應(yīng)條上產(chǎn)生脈沖信號(hào)（結(jié)面輸出正脈沖，歐姆面輸出負(fù)脈沖），信號(hào)反映了粒子在各硅條中的能損信息。每條硅條可視為一獨(dú)立的探測(cè)器，所有硅條電極上讀出的信號(hào)經(jīng)前置放大器、主放大器放大，進(jìn)入數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，讀入計(jì)算機(jī)［13］。

圖1 雙面硅條探測(cè)器與前置放大器示意圖（a）和實(shí)物圖（b）Fig.1 Schematic view（a）and photo（b）of DSSD and preamplifiers

2 制備工藝

硅探測(cè)器的整個(gè)制備過(guò)程在超凈室內(nèi)進(jìn)行，基體采用標(biāo)準(zhǔn)的4英寸高阻N型硅材料，厚300μm，電阻率大于10kΩ·cm。主要工藝流程為：1）氧化鈍化。硅片清洗后置于高溫下，在表面形成約600nm的SiO2層，這樣可消除表面漏電流。2）光刻。根據(jù)設(shè)計(jì)版圖分別對(duì)探測(cè)器結(jié)面和歐姆面進(jìn)行光刻。3）摻雜。在結(jié)面注入B離子，劑量約5×1014cm－2，形成P＋區(qū)；歐姆面注入P離子，形成N＋區(qū)；兩面摻雜區(qū)的厚度均小于400nm，這樣就形成了P－I－N形式的結(jié)構(gòu)；用p＋－stops方法隔離N＋條，即在N＋條間注入B離子形成P＋隔離柵，同時(shí)也圍繞N＋條注入一圈B離子形成P＋隔離圈以加強(qiáng)絕緣效果。4）退火。注入后的硅片在干燥的氮?dú)庵?00℃退火30min。5）濺鋁。在結(jié)面歐姆面均濺射一層Al。6）反刻。在氧化層區(qū)域反刻去掉Al層。7）合金。在380℃時(shí)合金形成鋁電極。8）封裝。超聲波焊接電極引出絲，探測(cè)器的信號(hào)即可從鋁電極讀出。制成的雙面硅條探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙面硅條探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic of DSSD

制備工藝流程的每步均需嚴(yán)格控制各參數(shù)和條件，并盡量減少環(huán)境雜質(zhì)的污染。需說(shuō)明的是，雙面硅條探測(cè)器歐姆面各條為N＋條，條間會(huì)聚集電荷，若隔離不佳，有可能被導(dǎo)通，為解決條間的電氣絕緣問(wèn)題，需復(fù)雜的設(shè)計(jì)及技術(shù)工藝，一般采用p＋－stops、field plates或p＋－spray等方法隔離N＋條［14］。因此，相比單面硅條探測(cè)器，雙面硅條探測(cè)器制備工藝更復(fù)雜、難度更大、成品率更低。

3 測(cè)試結(jié)果

圖3 測(cè)試電子學(xué)框圖Fig.3 Electronics block diagram of test

使用239Pu源的α粒子對(duì)探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，239Pu源距硅面約2.5cm，其α粒子從探測(cè)器結(jié)面入射，首先根據(jù)前置放大器的輸出信號(hào)選擇探測(cè)器的工作偏壓。從前置放大器信號(hào)的幅度和上升時(shí)間隨不同偏壓的變化關(guān)系（圖4）可發(fā)現(xiàn)，偏壓10V以上的信號(hào)幅度已基本不再增加，上升時(shí)間緩慢減小，此時(shí)探測(cè)器已全耗盡。一般，工作偏壓較耗盡電壓高一些，以獲得更快的時(shí)間響應(yīng)，所以選擇15V作為本測(cè)試的工作偏壓。

3.1 漏電流

利用ORTEC710高壓電源直接測(cè)量雙面硅條探測(cè)器的反向漏電流，測(cè)得的不同偏壓下的漏電流示于圖5。

圖4 前置放大器信號(hào)上升時(shí)間和幅度隨工作偏壓的變化Fig.4 Rise time and amplitude of signal from preamplifier as a function of bias voltage

圖5 漏電流隨工作偏壓的變化Fig.5 Leakage current as a function of bias voltage

圖6 結(jié)面（a）和歐姆面（b）第24條的α粒子能譜Fig.6 αparticle spectra from the 24th junction（a）and ohmic（b）side strips

反向漏電流直接影響探測(cè)器的噪聲水平，所以探測(cè)器漏電流應(yīng)盡量小。工作偏壓為15V，探測(cè)器每條硅條的平均漏電流約8.1nA。對(duì)于厚300μm，面積48mm×48mm的雙面硅條探測(cè)器，這樣的漏電流較小。

3.2 條間電阻

避光且未加偏壓時(shí)測(cè)量硅條探測(cè)器結(jié)面的條間電阻，其均超過(guò)200MΩ。對(duì)探測(cè)器歐姆面采用p＋－stops方法隔離N＋條，測(cè)量未加偏壓時(shí)歐姆面相鄰各N＋條之間的電阻為0.75～0.91kΩ；加－15V偏壓時(shí)，相鄰N＋條間電阻為0.98～1.29kΩ。條間電阻反映了硅條間的隔離情況，若條間電阻不夠大，條間串?dāng)_會(huì)較嚴(yán)重［15］。

3.3 能量分辨

測(cè)量239Pu源的α粒子能譜，圖6a示出了硅條探測(cè)器結(jié)面第24條的能譜，主峰來(lái)自239Pu α衰變發(fā)射的α粒子，能量為5.157MeV，更高能量處還有一小峰，來(lái)自放射源中混入的238Pu α衰變發(fā)射的α粒子，能量為5.499MeV。對(duì)其5.157MeV的最高能量峰進(jìn)行單高斯擬合，確定峰位道數(shù)和峰位的統(tǒng)計(jì)誤差。5.157MeV峰位在2 651道，統(tǒng)計(jì)誤差σ＝7.432道，根據(jù)半高寬FWHM＝2.36σ，能量分辨率η＝FWHM／E，E＝34keV，得到能量分辨率為0.66%。以此方法分別計(jì)算探測(cè)器結(jié)面48條的能量分辨率，得到能量分辨率為0.60%～0.68%。盡管有本次所用239Pu源無(wú)限光欄準(zhǔn)直且距離探測(cè)器較近等因素的影響，但從所測(cè)能譜可看出，探測(cè)器仍具很高的能量分辨率。圖6b示出了硅條探測(cè)器歐姆面第24條的能譜，歐姆面能量分辨較差，且在低道數(shù)有其他能量峰。

3.4 條間串?dāng)_

對(duì)于硅條探測(cè)器，相鄰條間存在一等效耦合電容。當(dāng)某帶電粒子入射到某條并在其中產(chǎn)生一定電荷時(shí)，由于存在耦合電容，在相鄰條中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而產(chǎn)生偽信號(hào)，即形成串?dāng)_，而偽信號(hào)的幅度（或感應(yīng)電荷的多少）取決于條間耦合電容的大小。串?dāng)_率約為條間耦合電容與硅條本身等效電容（結(jié)電容）之比，一般，耦合電容越大，串?dāng)_問(wèn)題越嚴(yán)重，產(chǎn)生的偽信號(hào)更多，越影響探測(cè)器能量分辨；而硅條本身等效電容增大，串?dāng)_問(wèn)題將減少，但輸出信號(hào)幅度V（V＝Q／C，Q為電子－空穴對(duì)的電荷量，C為結(jié)電容）也會(huì)變小［16］，不利于信噪比，時(shí)間響應(yīng)也會(huì)變差，影響探測(cè)器性能，所以應(yīng)使條間耦合電容盡量小。

串?dāng)_是硅探測(cè)器的一重要指標(biāo)，直接影響探測(cè)器探測(cè)物理事件的可靠性。用放射源測(cè)試硅條，根據(jù)測(cè)得的相鄰條的二維能譜（即能量關(guān)聯(lián)圖），可判斷探測(cè)器的串?dāng)_。從兩條之間SiO2隔離條區(qū)域射入耗盡層的粒子電荷信號(hào)被相鄰兩條共同收集，若硅條探測(cè)器串?dāng)_率很小，其相鄰條的二維能譜主要反映的是這部分真實(shí)事件，而非偽信號(hào)。239Pu源α粒子測(cè)試探測(cè)器結(jié)面相鄰的兩條（第25、26條）的二維能譜示于圖7。

圖7 探測(cè)器結(jié)面第25、26條的二維能譜Fig.7 Two－dimensional spectrum from the 25th and 26th junction side strips

從圖7可看出，相鄰兩條共同記錄的事件在二維能譜上呈一條斜線，具有較好的線性，共同記錄的事件數(shù)為1 319，這兩條上的α粒子的計(jì)數(shù)分別為18 400和17 810，即共同記錄的事件數(shù)占相鄰條計(jì)數(shù)的7.3%左右。考慮條間面積與硅條面積的幾何比例（11%）及數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)有一定閾值的實(shí)際情況，可知共同記錄的事件對(duì)應(yīng)粒子從條間入射的情況，該雙面硅條探測(cè)器結(jié)面具有非常低的串?dāng)_率。從圖7可發(fā)現(xiàn)，斜線中段部分計(jì)數(shù)的道數(shù)較斜線首尾計(jì)數(shù)的道數(shù)略偏高（不同探測(cè)器的具體情況有差異），這是由于SiO2隔離條的厚度與覆蓋鋁電極的P＋條厚度不同，粒子從SiO2隔離條入射穿透的死層更薄，所以能量偏高。一個(gè)信號(hào)由相鄰兩條間共同記錄并不會(huì)影響探測(cè)性能，因?yàn)殡姾尚盘?hào)分配到相鄰兩條上共同收集，將這兩條間的信號(hào)刻度后相加，就可得到粒子原始的能量（圖8）。圖7斜線首尾部分的粒子能量相加后為5.157MeV（239Pu源的α粒子能量）；而斜線中段的粒子能量相加后為5.198MeV，兩者相差41keV，這與SRIM程序計(jì)算的結(jié)果一致。

圖8 探測(cè)器結(jié)面第25、26條間信號(hào)相加后的能譜Fig.8 Sum spectrum of interstrip signal from the 25th and 26th junction side strips

圖9 探測(cè)器歐姆面第24、25條的二維能譜Fig.9 Two－dimensional spectrum from the 24th and 25th ohmic side strips

歐姆面相鄰兩條的239Puα二維能譜示于圖9。從圖9可發(fā)現(xiàn)許多事件呈團(tuán)狀，且500道以下的低道數(shù)有很高的計(jì)數(shù)。利用圖9中標(biāo)記為24的團(tuán)開(kāi)窗，分別投影到歐姆面其他相鄰條的二維能譜上。發(fā)現(xiàn)5.157MeVα粒子在第24條上的信號(hào)約在1 900道左右，在第23條上產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)在1 100道左右，在第22條上產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)在600道左右，在第21條上產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)在450道左右，在第20條上產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)在300道左右。同樣傳遞到第25、26、27、…條產(chǎn)生的串?dāng)_也是對(duì)稱依次減弱。所以，探測(cè)器歐姆面第24、25條的α二維能譜中，第23、25條在第24條上產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)幅度相近，第22、26條在第24條上產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)幅度相近，更遠(yuǎn)的條傳遞過(guò)來(lái)的串?dāng)_信號(hào)幅度更低（圖9）。

綜上所述，探測(cè)器歐姆面每條上的信號(hào)中除自身收集入射α粒子的電荷外，還會(huì)混入鄰近若干條的串?dāng)_信號(hào)，雙面硅條探測(cè)器歐姆面條間之所以存在這些串?dāng)_，主要原因在于條間電阻不夠大，條與條之間絕緣性不夠好，每條在與其鄰近的條上產(chǎn)生的串?dāng)_，實(shí)際是其收集的入射粒子電荷在相鄰條上的傳遞分配，這種電荷分配既會(huì)使自身能量分辨變差，也會(huì)對(duì)鄰近條產(chǎn)生干擾。因?yàn)闂l間距的增加，等效于條間耦合電容的減小，條間電阻的增大，因此串?dāng)_信號(hào)強(qiáng)度隨條間距的增加而遞減。而歐姆面N＋條之間絕緣性不好的原因可能在于做p＋－stops時(shí)工藝精度不夠高，導(dǎo)致B離子注入位置不準(zhǔn)確或注入深度不足，未能起到良好的隔離效果，具體原因有待進(jìn)一步研究。

3.5 與Micron雙面硅條探測(cè)器的對(duì)比

在完全相同的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)英國(guó)Micron Semiconductor公司W(wǎng)1型雙面硅條探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試。該探測(cè)器曾在實(shí)驗(yàn)中使用過(guò)，其厚度為64μm，靈敏面積為49.5mm×49.5mm，結(jié)面（P＋摻雜）與歐姆面（N＋摻雜）均均勻分成相互平行的16條，每條寬3.0mm，相鄰條間間距0.1mm，結(jié)面16條和歐姆面16條互相垂直。避光未加偏壓時(shí)，結(jié)面相鄰條間電阻約30MΩ，歐姆面相鄰條間電阻約1.6kΩ。耗盡偏壓8V，測(cè)試工作偏壓12V，前放信號(hào)幅度140mV，上升時(shí)間110ns，反向漏電流0.04μA，平均每條漏電流2.5nA。測(cè)量α粒子能譜，擬合得到結(jié)面各條對(duì)5.157MeVα粒子的能量分辨率為1.2%～1.3%，歐姆面各條能量分辨率為1.5%～1.6%。并根據(jù)相鄰條二維能譜判斷出結(jié)面與歐姆面均無(wú)明顯的條間串?dāng)_。

4 小結(jié)

對(duì)中國(guó)原子能科學(xué)研究院和北京科立興光電技術(shù)有限公司自主研制的雙面硅條探測(cè)器的電氣特性（耗盡偏壓、反向漏電流、條間電阻）和探測(cè)特性（上升時(shí)間、能量分辨、條間串?dāng)_）進(jìn)行了測(cè)試。在偏壓為－15V時(shí)，各條平均反向漏電流小于10nA。對(duì)于從結(jié)面入射的5.157MeV的α粒子，前置放大器信號(hào)上升時(shí)間約45ns，結(jié)面各條的能量分辨率約為0.6%～0.7%，基本無(wú)條間串?dāng)_；歐姆面各條能量分辨率較差，存在條間串?dāng)_。與進(jìn)口的Micron雙面硅條探測(cè)器各方面性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，本文研制的探測(cè)器結(jié)面具有很高的能量分辨率和很快的時(shí)間響應(yīng)，均勻性好、工作穩(wěn)定，條間電阻大，條間串?dāng)_可忽略。探測(cè)帶電粒子一般從結(jié)面各條取得能量信息，結(jié)合歐姆面各條取得的位置信息進(jìn)行分析，該探測(cè)器的指標(biāo)已滿足上述基本實(shí)驗(yàn)要求。但仍存在歐姆面能量分辨率較差，且條間串?dāng)_對(duì)測(cè)量造成干擾的問(wèn)題，這也是制作雙面硅條探測(cè)器最主要的技術(shù)難題，需深入分析原因。

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Development and Test of Double－sided Silicon Strip Detector

SUN Li－jie1，LIN Cheng－jian1，＊，YANG Feng1，＊，GUO Zhao－qiao2，GUO Tian－shu2，XU Xin－xing1，BAO Peng－fei1，YANG Lei1，JIA Hui－ming1，MA Nan－ru1，ZHANG Huan－qiao1，LIU Zu－h(huán)ua1，XIA Qing－liang1
（1.Department of Nuclear Physics，China Institute of Atomic Energy，Beijing102413，China；2.Beijing Kelixing Photoelectric Technology Co.，Ltd.，Beijing102413，China）

The double－sided silicon strip detector（DSSD）was developed.The detector’s sensitive area is 48mm×48mm and the thickness is about 300μm.Both of two sides surfaces are divided into equal 48strips with width of 0.9mm by oxide separation of 0.1mm.The electronic performance（full depletion bias voltage，reverse leakage current and interstrip resistance）and detection performance（rise time，energy resolution and crosstalk）were tested.The reverse leakage current of each strip is less than 10nA，and the rise time of preamplifiers for 5.157MeVαparticles is about 45ns under bias voltage of－15V.The junction side strips display an energy resolution of 0.6%－0.7% whereas the ohmic side strips show an unsatisfactory resolution.The crosstalk between neighboring strips is negligible on the junction side but interferes with each strip on the ohmic side.

double－sided silicon strip detector；microelectronic technique；electronic performance；detection performance；crosstalk

TL814

A

1000－6931（2015）02－0336－07

10.7538／yzk.2015.49.02.0336

2013－11－20；

2014－01－21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013CB834404）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10727505，10735100，11375268）

孫立杰（1989—），男，山東淄博人，碩士研究生，粒子物理與原子核物理專業(yè)

＊通信作者：林承鍵，E－mail：cjlin＠ciae.ac.cn；楊 峰，E－mail：martin＠ciae.ac.cn