双面硅条探测器的研制与测试

孙立杰，林承键，＊，杨 峰，＊，郭昭乔，郭天舒，徐新星，包鹏飞，杨 磊，贾会明，马南茹，张焕乔，刘祖华，夏清良

（1.中国原子能科学研究院核物理研究所，北京 102413；2.北京科立兴光电技术有限公司，北京 102413）

双面硅条探测器的研制与测试

孙立杰1，林承键1，＊，杨 峰1，＊，郭昭乔2，郭天舒2，徐新星1，包鹏飞1，杨 磊1，贾会明1，马南茹1，张焕乔1，刘祖华1，夏清良1

（1.中国原子能科学研究院核物理研究所，北京 102413；2.北京科立兴光电技术有限公司，北京 102413）

研制了双面硅条探测器。探测器灵敏面积为48mm×48mm，厚约300μm，结面和欧姆面的硅条互相垂直，均由相互平行、宽度相等的48条组成，每条宽0.9mm、间距0.1mm。对其电气特性（耗尽偏压、反向漏电流、条间电阻）和探测特性（上升时间、能量分辨、条间串扰）进行了测试。在偏压为－15V时，各条平均反向漏电流小于10nA。对于从结面入射的5.157MeV的α粒子，前放信号上升时间约45ns，结面各条的能量分辨率约0.6%～0.7%，基本无条间串扰；欧姆面各条能量分辨率较差，存在条间串扰。

双面硅条探测器；微电子工艺；电气特性；探测特性；条间串扰

随着半导体技术的迅速发展，半导体粒子探测器也有了很大的发展［1］。Kemmer［2］充分利用制备半导体MOS器件的工艺成就，解决了许多关键性的平面工艺难题，综合了氧化钝化、离子注入、光刻腐蚀等技术，使半导体探测器性能大为提高。其中，采用平面工艺技术研制的硅条探测器（silicon strip detector，SSD）的发展和应用非常突出。硅条探测器具有很高的位置分辨率和能量分辨率、较宽的线性范围、很快的响应时间，并可加工成圆形、环形、扇形、矩形、多边形等，被广泛应用于高能物理、天体物理、空间科学、核物理及核医学等实验研究［3］。在核物理实验中，利用硅条探测器可得到带电粒子精确的位置、能量和时间信息，如在低能区的超重核合成研究中，硅条探测器常被用作余核注入探测器，通过对余核级联α衰变的粒子进行时间、位置的关联测量来指认目标核［4］。

近年来，许多实验室用硅条探测器搭建阵列用于放射性核束物理实验，如MUST［5］、MUST2［6］、LEDA［7］、CD［8］、HiRA［9］、DRAGON［10］等。但制作硅条探测器需采用微机械加工工艺和离子注入掺杂等技术，制作工艺复杂、难度大，成品率低。目前国内核物理实验中使用的硅条探测器，尤其是双面硅条探测器（doublesided silicon strip detector，DSSD），基本靠购买国外技术成熟的产品，价格昂贵。为此，中国原子能科学研究院、北京大学微电子研究院、中国科学院近代物理研究所等［11－12］开始自主研制双面硅条探测器，本文对中国原子能科学研究院与北京科立兴光电技术有限公司联合研制的双面硅条探测器进行介绍及测试。

1 结构及工作原理

研制的双面硅条探测器及前置放大器如图1所示。探测器灵敏面积为48mm× 48mm，P＋掺杂的结面（正面）与N＋掺杂的欧姆面（背面）构成PN结的基本结构，均均匀分成相互平行的48条，每条宽0.9mm、间距0.1mm，结面48条和欧姆面48条的走向互相垂直。这样双面硅条探测器就具有两维位置探测能力，从结面各条读出入射粒子的某一维的位置信息，同时可从欧姆面各条读出入射粒子的另一维的位置信息。掺杂区中间部分的高阻N型硅基是探测器的灵敏区，外加足够高的偏压电场，耗尽层扩展到整个N型硅片，基本全耗尽。其内部可移动的载流子密度很低，电阻率很高，漏电流很小，外加电压几乎全加到耗尽层上，形成很高的电场。带电粒子穿过探测器的灵敏区时，将产生电子－空穴对，在电场的作用下，电子向欧姆面电极漂移，空穴向加负偏压的结面电极漂移，探测器厚度很薄（仅几百μm），收集电荷只需很短的时间（ns量级），在探测器的相应条上产生脉冲信号（结面输出正脉冲，欧姆面输出负脉冲），信号反映了粒子在各硅条中的能损信息。每条硅条可视为一独立的探测器，所有硅条电极上读出的信号经前置放大器、主放大器放大，进入数据获取系统，读入计算机［13］。

图1 双面硅条探测器与前置放大器示意图（a）和实物图（b）Fig.1 Schematic view（a）and photo（b）of DSSD and preamplifiers

2 制备工艺

硅探测器的整个制备过程在超净室内进行，基体采用标准的4英寸高阻N型硅材料，厚300μm，电阻率大于10kΩ·cm。主要工艺流程为：1）氧化钝化。硅片清洗后置于高温下，在表面形成约600nm的SiO2层，这样可消除表面漏电流。2）光刻。根据设计版图分别对探测器结面和欧姆面进行光刻。3）掺杂。在结面注入B离子，剂量约5×1014cm－2，形成P＋区；欧姆面注入P离子，形成N＋区；两面掺杂区的厚度均小于400nm，这样就形成了P－I－N形式的结构；用p＋－stops方法隔离N＋条，即在N＋条间注入B离子形成P＋隔离栅，同时也围绕N＋条注入一圈B离子形成P＋隔离圈以加强绝缘效果。4）退火。注入后的硅片在干燥的氮气中600℃退火30min。5）溅铝。在结面欧姆面均溅射一层Al。6）反刻。在氧化层区域反刻去掉Al层。7）合金。在380℃时合金形成铝电极。8）封装。超声波焊接电极引出丝，探测器的信号即可从铝电极读出。制成的双面硅条探测器的结构如图2所示。

图2 双面硅条探测器结构示意图Fig.2 Structure schematic of DSSD

制备工艺流程的每步均需严格控制各参数和条件，并尽量减少环境杂质的污染。需说明的是，双面硅条探测器欧姆面各条为N＋条，条间会聚集电荷，若隔离不佳，有可能被导通，为解决条间的电气绝缘问题，需复杂的设计及技术工艺，一般采用p＋－stops、field plates或p＋－spray等方法隔离N＋条［14］。因此，相比单面硅条探测器，双面硅条探测器制备工艺更复杂、难度更大、成品率更低。

3 测试结果

图3 测试电子学框图Fig.3 Electronics block diagram of test

使用239Pu源的α粒子对探测器进行测试，239Pu源距硅面约2.5cm，其α粒子从探测器结面入射，首先根据前置放大器的输出信号选择探测器的工作偏压。从前置放大器信号的幅度和上升时间随不同偏压的变化关系（图4）可发现，偏压10V以上的信号幅度已基本不再增加，上升时间缓慢减小，此时探测器已全耗尽。一般，工作偏压较耗尽电压高一些，以获得更快的时间响应，所以选择15V作为本测试的工作偏压。

3.1 漏电流

利用ORTEC710高压电源直接测量双面硅条探测器的反向漏电流，测得的不同偏压下的漏电流示于图5。

图4 前置放大器信号上升时间和幅度随工作偏压的变化Fig.4 Rise time and amplitude of signal from preamplifier as a function of bias voltage

图5 漏电流随工作偏压的变化Fig.5 Leakage current as a function of bias voltage

图6 结面（a）和欧姆面（b）第24条的α粒子能谱Fig.6 αparticle spectra from the 24th junction（a）and ohmic（b）side strips

反向漏电流直接影响探测器的噪声水平，所以探测器漏电流应尽量小。工作偏压为15V，探测器每条硅条的平均漏电流约8.1nA。对于厚300μm，面积48mm×48mm的双面硅条探测器，这样的漏电流较小。

3.2 条间电阻

避光且未加偏压时测量硅条探测器结面的条间电阻，其均超过200MΩ。对探测器欧姆面采用p＋－stops方法隔离N＋条，测量未加偏压时欧姆面相邻各N＋条之间的电阻为0.75～0.91kΩ；加－15V偏压时，相邻N＋条间电阻为0.98～1.29kΩ。条间电阻反映了硅条间的隔离情况，若条间电阻不够大，条间串扰会较严重［15］。

3.3 能量分辨

测量239Pu源的α粒子能谱，图6a示出了硅条探测器结面第24条的能谱，主峰来自239Pu α衰变发射的α粒子，能量为5.157MeV，更高能量处还有一小峰，来自放射源中混入的238Pu α衰变发射的α粒子，能量为5.499MeV。对其5.157MeV的最高能量峰进行单高斯拟合，确定峰位道数和峰位的统计误差。5.157MeV峰位在2 651道，统计误差σ＝7.432道，根据半高宽FWHM＝2.36σ，能量分辨率η＝FWHM／E，E＝34keV，得到能量分辨率为0.66%。以此方法分别计算探测器结面48条的能量分辨率，得到能量分辨率为0.60%～0.68%。尽管有本次所用239Pu源无限光栏准直且距离探测器较近等因素的影响，但从所测能谱可看出，探测器仍具很高的能量分辨率。图6b示出了硅条探测器欧姆面第24条的能谱，欧姆面能量分辨较差，且在低道数有其他能量峰。

3.4 条间串扰

对于硅条探测器，相邻条间存在一等效耦合电容。当某带电粒子入射到某条并在其中产生一定电荷时，由于存在耦合电容，在相邻条中会产生感应电荷，从而产生伪信号，即形成串扰，而伪信号的幅度（或感应电荷的多少）取决于条间耦合电容的大小。串扰率约为条间耦合电容与硅条本身等效电容（结电容）之比，一般，耦合电容越大，串扰问题越严重，产生的伪信号更多，越影响探测器能量分辨；而硅条本身等效电容增大，串扰问题将减少，但输出信号幅度V（V＝Q／C，Q为电子－空穴对的电荷量，C为结电容）也会变小［16］，不利于信噪比，时间响应也会变差，影响探测器性能，所以应使条间耦合电容尽量小。

串扰是硅探测器的一重要指标，直接影响探测器探测物理事件的可靠性。用放射源测试硅条，根据测得的相邻条的二维能谱（即能量关联图），可判断探测器的串扰。从两条之间SiO2隔离条区域射入耗尽层的粒子电荷信号被相邻两条共同收集，若硅条探测器串扰率很小，其相邻条的二维能谱主要反映的是这部分真实事件，而非伪信号。239Pu源α粒子测试探测器结面相邻的两条（第25、26条）的二维能谱示于图7。

图7 探测器结面第25、26条的二维能谱Fig.7 Two－dimensional spectrum from the 25th and 26th junction side strips

从图7可看出，相邻两条共同记录的事件在二维能谱上呈一条斜线，具有较好的线性，共同记录的事件数为1 319，这两条上的α粒子的计数分别为18 400和17 810，即共同记录的事件数占相邻条计数的7.3%左右。考虑条间面积与硅条面积的几何比例（11%）及数据获取系统有一定阈值的实际情况，可知共同记录的事件对应粒子从条间入射的情况，该双面硅条探测器结面具有非常低的串扰率。从图7可发现，斜线中段部分计数的道数较斜线首尾计数的道数略偏高（不同探测器的具体情况有差异），这是由于SiO2隔离条的厚度与覆盖铝电极的P＋条厚度不同，粒子从SiO2隔离条入射穿透的死层更薄，所以能量偏高。一个信号由相邻两条间共同记录并不会影响探测性能，因为电荷信号分配到相邻两条上共同收集，将这两条间的信号刻度后相加，就可得到粒子原始的能量（图8）。图7斜线首尾部分的粒子能量相加后为5.157MeV（239Pu源的α粒子能量）；而斜线中段的粒子能量相加后为5.198MeV，两者相差41keV，这与SRIM程序计算的结果一致。

图8 探测器结面第25、26条间信号相加后的能谱Fig.8 Sum spectrum of interstrip signal from the 25th and 26th junction side strips

图9 探测器欧姆面第24、25条的二维能谱Fig.9 Two－dimensional spectrum from the 24th and 25th ohmic side strips

欧姆面相邻两条的239Puα二维能谱示于图9。从图9可发现许多事件呈团状，且500道以下的低道数有很高的计数。利用图9中标记为24的团开窗，分别投影到欧姆面其他相邻条的二维能谱上。发现5.157MeVα粒子在第24条上的信号约在1 900道左右，在第23条上产生的串扰信号在1 100道左右，在第22条上产生的串扰信号在600道左右，在第21条上产生的串扰信号在450道左右，在第20条上产生的串扰信号在300道左右。同样传递到第25、26、27、…条产生的串扰也是对称依次减弱。所以，探测器欧姆面第24、25条的α二维能谱中，第23、25条在第24条上产生的串扰信号幅度相近，第22、26条在第24条上产生的串扰信号幅度相近，更远的条传递过来的串扰信号幅度更低（图9）。

综上所述，探测器欧姆面每条上的信号中除自身收集入射α粒子的电荷外，还会混入邻近若干条的串扰信号，双面硅条探测器欧姆面条间之所以存在这些串扰，主要原因在于条间电阻不够大，条与条之间绝缘性不够好，每条在与其邻近的条上产生的串扰，实际是其收集的入射粒子电荷在相邻条上的传递分配，这种电荷分配既会使自身能量分辨变差，也会对邻近条产生干扰。因为条间距的增加，等效于条间耦合电容的减小，条间电阻的增大，因此串扰信号强度随条间距的增加而递减。而欧姆面N＋条之间绝缘性不好的原因可能在于做p＋－stops时工艺精度不够高，导致B离子注入位置不准确或注入深度不足，未能起到良好的隔离效果，具体原因有待进一步研究。

3.5 与Micron双面硅条探测器的对比

在完全相同的实验条件下对英国Micron Semiconductor公司W1型双面硅条探测器进行测试。该探测器曾在实验中使用过，其厚度为64μm，灵敏面积为49.5mm×49.5mm，结面（P＋掺杂）与欧姆面（N＋掺杂）均均匀分成相互平行的16条，每条宽3.0mm，相邻条间间距0.1mm，结面16条和欧姆面16条互相垂直。避光未加偏压时，结面相邻条间电阻约30MΩ，欧姆面相邻条间电阻约1.6kΩ。耗尽偏压8V，测试工作偏压12V，前放信号幅度140mV，上升时间110ns，反向漏电流0.04μA，平均每条漏电流2.5nA。测量α粒子能谱，拟合得到结面各条对5.157MeVα粒子的能量分辨率为1.2%～1.3%，欧姆面各条能量分辨率为1.5%～1.6%。并根据相邻条二维能谱判断出结面与欧姆面均无明显的条间串扰。

4 小结

对中国原子能科学研究院和北京科立兴光电技术有限公司自主研制的双面硅条探测器的电气特性（耗尽偏压、反向漏电流、条间电阻）和探测特性（上升时间、能量分辨、条间串扰）进行了测试。在偏压为－15V时，各条平均反向漏电流小于10nA。对于从结面入射的5.157MeV的α粒子，前置放大器信号上升时间约45ns，结面各条的能量分辨率约为0.6%～0.7%，基本无条间串扰；欧姆面各条能量分辨率较差，存在条间串扰。与进口的Micron双面硅条探测器各方面性能指标进行对比，本文研制的探测器结面具有很高的能量分辨率和很快的时间响应，均匀性好、工作稳定，条间电阻大，条间串扰可忽略。探测带电粒子一般从结面各条取得能量信息，结合欧姆面各条取得的位置信息进行分析，该探测器的指标已满足上述基本实验要求。但仍存在欧姆面能量分辨率较差，且条间串扰对测量造成干扰的问题，这也是制作双面硅条探测器最主要的技术难题，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－hua1，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

国家重点基础研究发展计划资助项目（2013CB834404）；国家自然科学基金资助项目（10727505，10735100，11375268）

孙立杰（1989—），男，山东淄博人，硕士研究生，粒子物理与原子核物理专业

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