新型半导体探测器发展和应用 - 孟祥承

1、第24卷第1期核电子学与探测技术V ol .24No .12004年1月Nuclear Electro nics&Detectio n Techno log yJ a n.2004新型半导体探测器发展和应用孟祥承(中国科学院高能物理研究所,北京100039摘要:新型半导体探测器如硅微条、Pixel 、CCD 、硅漂移室等,近些年发展很快,在高能物理和天体物理实验中作为顶点及径迹探测器应用很广。主要是它们的位置分辨率非常高,像硅微条探测器,目前可做到好于1.4m,这是任何气体探测器和闪烁探测器很难做到的。主要介绍这些新型半导体探测器的结构、原理、及其发展在高能物理、天体物理、核医学等领域

2、应用。关键词:半导体探测器;硅微条探测器;像素探测器;硅片探测器;电荷耦合探测器;硅漂移室中图分类号:T L814文献标识码:A 文章编号:0258-0934(200401-0087-10收稿日期:2003-05-25作者简介:孟祥承(1944-,男,内蒙古人,中国科学院高能物理研究所高级工程师,从事探测技术研究和粒子物理实验。0引言高能物理事业及核技术的发展,也带动各种探测器技术不断发展。气体探测器从早期的计数管、多丝正比室(MW PC、漂移室(DC等,研制出了新的微条气体正比室(M SGC、微间隙气体探测器(M GC、微网结构的气体探测器(Micro mesh g aseous struc

3、ture cha mber 、气体电子倍增器(GEM 、高阻板探测器(RPC 等。闪烁探测器方面,科学家们对CsI 、BGO 等闪烁体的性能不断进行改进提高,一些新型闪烁探测器材料如LSO 、GSO 等不断的被开发利用。与此同时,半导体探测器也有很大的发展,各国科学家们从早期的锗锂、硅锂探测器、研制出许多新型的半导体探测器,而且已经应用到高能物理、天体物理、核医学等方面。其中,硅微条探测器SM D(Silico n Micro strip Detecto r、像素探测器(Pix el及CCD 的发展和应用是非常突出的。近十几年来,世界各大高能物理实验室都采用它作为顶点探测器,西欧中心正研制的L

4、HC 对撞机上的两个实验ATLAS 和CM S 实验中将采用它作为探测粒子径迹的径迹室(tracker。在核医学领域的CT 和其他数字化图像方面的应用研究,也有了很多新的进展,这主要因为这些新型半导体探测器有很多优点:1非常好的位置分辨率这是这些新型半导体探测器最突出特点,如硅微条探测器,目前能做到好于 1.4m 。2很高的能量分辨率一些半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级。3很宽的线性范围由于在一定能量范围内,半导体的平均电离能与入射粒子的基本能量无关,故半导体探测器具有很好的线性,很宽的线性范围。4非常快的响应时间半导体探测器内电子和空穴的迁移率高,探测器很薄,电荷在很小的

5、区域里收集,响应时间非常快,可达到5ns 左右。并且可实现高计数率,可超过108/cm 2·s 。5体积可做得很小半导体探测器可以做得很薄,典型厚为300m ,探测器体积可以做得很小。正因为半导体探测器有如此多的优点,近十几年在世界各高能物理实验中得到广泛应用,在天体物理、宇宙线科学、核医学等领域的应用也有了许多新的发展1,2。871各种新型半导体探测器的结构原理1.1硅微条探测器1探测器表面:有薄铝条、SiO 2隔离条,铝条下边是重掺p +条。2中间部分:是厚度大约为300m 的高阻n 型硅基,作为探测器的灵敏区。3底部:是n 型硅掺入砷(As 形成重掺杂n +层和铝薄膜组成的探测

6、器的背衬电极。 图1硅微条探测器截面图 图2为单边读出的硅微条探测器的表面结构,其表面又分为:微条(strips 、保护环(Guard ring s 、偏压连接带(B ias trace 、多晶硅偏压电阻(Poly silico n bias resisto rs 、直流接触片(DC contact pad、交流接触片(AC contact pads等。 图2硅微条探测器表面结构图图2中的微条是探测器的信号读出条,保护环在探测器的四周,起到屏蔽保护作用,使探测器降低了噪声,提高了抗辐射能力。多晶硅偏压电阻是集成在硅片上的,它对于每个微条起到保护作用,降低漏电流,从而降低噪声。偏压连接带是连接偏

7、压电源到每一个微条的连接带。直流接触片是作直流耦合输出的接触点,交3,4随着技术水平的提高,采用了新设计、新技术工艺(双金属层,p -sto p 技术等,科学家们研制成双边读出的硅微条探测器。这种双边读出的硅微条探测器只在一片n 型硅片的两面,分别制p +型和n +型上下两层读出条,这两层读出条相交成一定的角度(90°或任意角度,个别有互相平行的。这种探测器具有两维的位置测试能力。它的结边(p-side的结构设计特征像单边读出的微条探测器,p +与n 形成p +n 结,而欧姆边(n-side,为防止条之间的短路,需要复杂的设计及技术工艺,其中包括条之间的电子学绝缘问题。根据不同的需要

8、,可以选择不同的绝缘方法,如场平面(field -pla te 法、p -stop 法及p-spray 法等。在p-side 和n-side 两边读出条上都读出电信号,得到二维的信息5,6。图3双边读出的硅微条探测器简图图4双边读出的硅微条探测器截面图1.2像素探测器7像素(Pix el探测器是由许多精心设计好的非常小的p -n 结组成的,它能够非常快的提供两维的信息。每一个小室(cell都连接它自己的读出电子学。这样制成的像素探测器对于高多重性,高事例率的实验是非常有用的。它不像88双层硅微条探测器那样,在多个粒子同时打到探测器的一个读出条有时会出现位置分辨模糊。像素探测器具有非常好的位置分

9、辨率,在每单位面积上需要大量的电子学路数。探测器每个像素和电子学集成在相同的基片上这叫单一型像素探测器,如图5所示。 图5单一型像素探测器 把像素探测器部分及前端电子部分建立在不同的基片上,然后对应的连接起来这叫混合像素探测器。如图6,两部分的工艺是独立的,可以各自采用不同材料和处理方法.每个像素和它对应的读出电子学的连接有两种方法:一种是用倒装片技术。另外一种是使用双层金属,即每个像素和对应的电子学,通过在探测器边缘的焊片连接. 图6混合像素探测器(用倒装片将探测器每个小室和对应的电子学线路连接示意图像素探测器的像素有采用简单的p-n 结型二极管和光电二极管,也有采用PIN 光敏二极管和耗尽

10、型场效应晶体管的,还有采用小型硅漂移室单元和CM OS 器件单元等,它们各自有不同的优缺点,各有不同的用途。1.3电荷耦合器件探测器CCD电荷耦合器件CCD 已经使用几十年了,过去多用在光测量和摄像机上,即使在高能物理中的应用,也是作为火花室和流光室的径迹图像记录。近些年科学家们已直接把它用作高能物理探测器,如SLD VXD3探测器,采用96CCD 'S ×3.2×108= 3.07×108个像素(20m ×20m ,每个CCD 读出通过4个输出结,8位FADC,全部读出时间是200ms 。日本高能物理实验室KEK 计划用它来作为未来实验的顶点探

11、测器,位置分辨率设计为2m 。因为CCD 作为粒子探测器,探测的不再是光,而是带电粒子,所以它的结构也有些变化。当带电粒子射入探测器时,产生电子-空穴对,电荷传输在CCD 很薄的耗尽区内,其传输是被氧化物顶部的门电极的三重周期电压变化控制的(这是对于线性CCD 而言,如图7所示。电荷从一个小室向一个小室的漂移,移向边缘那一列信号输出电极。因为信号输出电极及读出电子学路数都少,因此这种探测器的信号读出比较慢。现代的CCD 有线型的,还有面型的;从原理结构上分有pn -CCD ,也有CM OS 型的。图7电荷耦合器件(CCD的工作原理1.4硅片探测器(Silicon pad detecto r硅片

12、探测器是由一个或者多个作用面单元组成,这些单元是有p +注入和铝触点。探测器的单元通过线接头直接连到读出电子学电路。每个单元像素的尺寸一般为1mm ×1mm,或更小一些.对于每一个片读出是比较经济的,89探测器周围使用了双金属层技术,如图8所示。 这个类型的探测器一般用在能谱仪上,信号幅度的大小与探测到的粒子能量有关。探测器使用分割的作用面,它有比较好的位置分辨能力(但与其他好的位置分辨探测器相比较还是粗糙些,这种探测器一般用在光测量、闪烁体读出、荧光的测量和粒子谱测量等。在RHIC 的PHO BOS 实验中应用了这种探测器。将用它来测试在高能离子-离子对撞的多事例三维径迹。 图8硅

13、片探测器的结构1.5硅漂移室如图9所示,硅漂移室是在n 型的硅片的两个表面,注入杂质B 形成重搀杂p +条,中间是一层未耗尽区,由此形成两个耗尽层夹着一个中间未耗尽的区域。在边缘形成一个n + 微条与中间未耗尽区相连,当外加一定的负偏压(即负电压加到p +上,正电压加到n +条上后,使整个硅片实现全耗尽。硅片内部的电位分布,在z 方向成为抛物线型,中心的电位最低而靠近两个表面的部位最高,如图8中的z -v 曲线及下边的半圆桶型电位分布及电子流向示意图。在水平方向,电位分布是靠近正极n +最低,远离n + 方向的电位高。当带电粒子穿过探测器时产生电子空穴对,电子就会落入低电位的谷中,然后沿着电场

14、的水平方向分量向电位最低的正极微条n +漂移,形成电信号。信号经过前端电子学电路放大,数字化读入计算机中,如图9的示意图。通过测量电子的漂移时间(从某一个被定义等级的p +微条到正极n +微条及被分割开的n +读出微条上的坐标就得到了入射粒子的位置信息。它很像气体漂移室,但它的优点是可以大大节省电子学经费。另外,电子在耗尽区漂移很长距离才到达面积很小的正电极,电极之间的电容很小,因此噪声减小,有利于提高能量分辨率。还有,普通的半导体探测器的计数率一般在几十kHz 以下,硅漂移室由于其电容小,相应的脉冲成形时间也很短(大约为100ns ,硅漂移室的漂移时间虽然比较长,但它的计数率并不受此影响,硅

15、漂移室的允许计数率比一般的半导体探测器高几十倍。它的时间分辨可小于1ns,并且它有两维的位置分辨,其中按漂移方向的位置分辨率可达到几个m 。它也常用作为能量测量。图9硅漂移室结构原理图硅漂移室的工作原理如上所述,但根据它的结构可分为以下几种类型:一维读出型,阳极被分割的两维读出型,圆型,多单元阵列型可控型。如图1014所示。图10一维读出的硅漂移室结构原理图图11n +阳极条被分割的二维读出的硅漂移室工作原理图90 图12圆型硅漂移室结构图图13多单元的硅漂移室阵列 图14可控制的硅漂移室 图15耗尽型的场效应晶体管工作原理1.6耗尽型的场效应晶体管及其阵列像素探测器德国M PI半导体实验室研

16、制的耗尽型场效应晶体管(DEPFET及其阵列像素探测器,91其优点是:低电容,低噪声,信号读出后残余电荷被清除,重复读出时噪声被衰减。 图16耗尽型场效应晶体管作为像素的阵列探测器1.7三维硅微条探测器 Univ ersity of Hawaii 和英国一家实验室研制的三维硅微条探测器基本结构如图1719。 图17三维硅微条探测器立体图 图18三维硅微条探测器表面图2新型半导体探测器的应用随着这些新型半导体探测器的发展,它们的应用越来越广泛。在世界各国的高能物理实验,在天体物理,宇宙线实验中已经应用得很广泛,在核医学领域的CT 及其他数字图像系统方面也已经开始一些新的应用研究。2.1在高能物理

17、实验中的应用图19用三维硅微条探测器测得55M n K源能量分辨652eV (FW HM图20硅探测器使用面积随时间的增长92因为硅微条等新型半导体探测器的位置分辨率比气体探测器、闪烁探测器的位置分辨率高一到两个数量级,所以在近十几年来,世界各大高能物理实验室都采用它作为顶点探测器。如美国的FERM ILAB 的CDF 和D0,SLAC 实验室的B 介子工厂的Ba Bar 实验,西欧高能物理中心CERN 的LEP 25正负电子对撞机上的L3、ALEPH 、DELPHI 、O PAL,正在建造的质子-质子对撞机LHC 上的AT LAS 、CM S 及日本的KEK ,德国的HARA ,HARB 及

18、Zeus 和H1实验等等,全采用了它。不仅如此,LHC 上的ATLAS 和CM S 还采用了硅微条探测器代替漂移室作为径迹测量的径迹室8。近些年高能物理领域所有新的物理成果,从t 夸克的发现到标准模型的证实,无不与这些高精度的具有优良性能的顶点探测器、径迹室等先进探测器密切相关。顶点探测器和径迹室主要用来测量高能带电粒子的径迹。物理学家们根据这些带电粒子在磁场中的运动轨迹计算出它们的动量。根据粒子的动量、能量、质量及其他性能来判别粒子。各国的高能物理学家根据各自不同的实验要求,设计了不同的顶点探测器和径迹测量系统。有些采用的是单边读出,有些则采用双边读出的硅微条探测器,还有些采用像素探测器、C

19、CD 和硅片探测器等9。而且从图20和21中可以看到,硅微条等硅半导体探测器越来越受各国科学家的欢迎。随着时间的改变在世界各主要高能物理实验中,应用的面积和相应的电子学路数在迅速增长 。图21硅探测器的电子学路数随时间的增长美国费米实验室的D0实验采用硅微条探测器作为顶点探测器。为了增大覆盖立体角,除了桶部设计得比较长外,还设计了H -DISK 和F -DISK ,如图22所示。这个顶点探测器所用的硅微条探测器都是用交流耦合输出的,其桶部部分采用单边读出的硅微条探测器,而D-DISK 和H -DISK 部分是采用双边读出的硅微条探测器。读出电子学都是采用集成电路SVXIIb,每一片SVX II

20、b 就有128路读出10 。图22费米实验室D0实验的顶点探测器未来在西欧中心LHC 上运行的ATLAS 实验的内部探测器,除了采用了单边、双边读出硅微条探测器外还采用了像素探测器和穿越辐射径迹室,见图23所示。从图中可以看到,其结构从里到外分别为像素探测器、硅微条探测器、穿越辐射径迹室。另外,在对撞点的两边还设计安装了前向硅微条探测器。2.2在空间物理和宇宙线科学实验中的应用丁肇中先生领导的AM S 组,计划把磁谱仪AM S (Alpha Mag netic Spectrom enter 送到国际空间站ISSA(International Space Sta-tio n Alpha ,企图在

21、宇宙线中寻找反物质和暗物质。AM S 的中间核心部分的多层径迹室都是采用双边读出的硅微条探测器,请见图24所示。它是充分利用了双边读出硅微条探测器的高空间分辨率,两维信息读出,CM OS 电子学93的低功耗的特点。虽然谱仪的体积并不大(直径和高才1m 多,但这些精密的径迹探测器与谱仪中的永久磁铁、飞行时间计数器、契伦科夫探测器、量能器等紧密配合,可能会为天体物理和宇宙线科学作出非常卓越的贡献。 图23A T L A S桶部内探测器结构图 图24A M S 原理结构及位置图由美国N AS A 和能源部及法国、意大利、日本、瑞典等参加的GLAS T 实验组,为了研究宇宙中能量在20300GeV 的

22、射线等,研制了大面积射线太空望远镜GLAST (Ga mma -ray Larg e Area Space Telescope ,其中核心部分使用了多层硅微条探测器,总面积大于80m 2,共130多万路读出。主要用来作为e-+e +的对转换过程的径迹测量望远镜。请见图25。这些实验的设计,在当前大物理实验中,无论从实验方法到巧妙采用最先进的探测技术方面,都可称得上实验大师们的精品之作。2.3在核医学中的应用核医学影像技术与高能物理及核物理探测技术是密切相关的,探测技术的各项发展都在不断带动核医学影像技术的发展11。随着探测技术的发展,很多新的探测器应用到核医学的图像检测系统中。图26是有关文献

23、介绍的1996/1999应用到核医学领域各种探测器的统计基本概况12。1999年至今,新探测器技术又有发展,新的探测器在核医学领域的应用也在不断的变化,半导体探测器的应用所占比例更大。目前世界上虽然有了X-C T 、M RT 、PET 、EC T 等等各种核医学影像诊断技术,并且还发展了高速螺旋C T,能从荧光屏上直接观察到人体内的组织和脏器的三维结构,M RI 和PET 技术能探测出人的生理功能,生化代谢过程,从而得到早期病变的信息,但是这仍然不94能满足现代医学临床日益深入及更加深层次的研究需求,很多医学专家们希望最好不需要通过外科手术,组织取样,光镜和电镜病理分析等,能有一种更新更细的医

24、学影像检测系统,能直接从图像中分辨出恶性细胞、良性细胞及正常细胞结构的差异。这就需要探测器的空间分辨率达到m 级水平,才能满足这个要求13,14 。图25GL A ST 基本结构图图261996/1999核医学领域应用各种探测器的统计基本概况X 光CT 的空间分辨率在各种CT 中是较高的,在1mm 左右。近几年采用光电二极管阵列探测器,空间分辨率有了一定提高,但达到m 数量级还有很大一段距离。空间分辨率能接近m 量级的探测器,目前只有硅微条探测器、像素探测器、CCD 等半导体探测器。J .Strav er 等人用硅微条探测器的实验,经过离线分析、计算得到的点位置分辨率= 1.25m 。所以说将

25、来只有用硅微条等相关的半导体探测器才有可能完成这个任务,用气体探测器或晶体探测器很难作到。近几年来,各国科学家用这些半导体探测器做了许多有关的应用研究实验,并取得了一定的成果。图27为Beuvill,R.Cahn (Law rence Berkerley Na tional Labo rato ry等人用硅微条探测器建立起来的X 光扫描图像系统及用这个系统取得的鼠头颅像。在核医学影像的数字化方面,在新探测技术的带动下也有了很多进展,它克服了传统X射线成像方式的各种缺陷。3结束语这些新型的半导体探测器的飞速发展和应用不仅促进了高能物理的发展,而且还推动了天体物理、宇宙线物理、核医学数字影像技术等

26、领域的发展。这些先进的探测器技术,未来不仅在高能物理和天体物理实验中,而且在核医学数字影像及安全检查检测、工业等很多领域一定还会有更美好的应用前景!95图27硅微条X光扫描系统及鼠头像参考文献:1格伦理F诺尔.辐射探测与测量M.(李旭译,北京:原子能出版社,1998.2复旦大学,等.原子核物理实验方法M.北京:原子能出版社,1997.3Br uner N L,et al.Characte rization pr ocedures fo rdouble-side silico n micro strip de tecto r sJ.Nucl Inst rum M ethods,1995,A362:315.shtml5Zen M,et al.Dev elopment o f a fa brication tech-nolog y for do uble-sided A C-co upled silico n mi-cr ostrip detecto rsJ.N ucl Instrum M e tho ds, 2001,A460:306.6Ba t