[发明专利]一种硅PIN中子剂量探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及中子剂量探测使用的硅PIN中子剂量探测器，尤其涉及在核探测中使用的对性能有较高要求的硅PIN中子剂量探测器及其制备方法。

背景技术

中子剂量探测是利用快中子辐照硅材料后会使硅晶格内部产生缺陷，晶格缺陷会作为有效的复合中心使少数载流子寿命减低，从而改变硅器件的电压电流特性，通过检测硅器件电压电流特性的变化来反映其在一段时间内所受的中子辐射总剂量。

从上世纪六十年代起，硅PIN探测器问世并应用于核物理探测。硅PIN中子剂量探测器的基本结构如图1所示，以高电阻硅片1为基片制作，在高电阻硅片1的正面(顶面)和背面(底面)分别注入硼和磷离子层，分别形成P型掺杂的有源区2和N型掺杂的有源区3，中间的未掺杂区为I区。当中子辐照硅后，产生硅晶格缺陷而降低少数载流子寿命，当在正面施加正向偏压时，硅PIN器件电压电流特性发生的改变量与中子辐射剂量相关，从而测量中子辐射的总剂量。

这样的硅PIN中子剂量探测器体积小，测量方法简单，大剂量时剂量响应线性较好，剂量响应与辐照剂量率无关，一般不需要前置放大器，使用十分方便。

尽管硅PIN探测器具有所述的优点，但是上述的硅PIN探测器也存在缺陷。已发表的实验研究结果表明，中子探测的灵敏度依赖于P区和N区的间距，即I区的厚度，这就要求硅基片有较大的厚度，从而使上述的硅中子剂量探测器的灵敏度受制于硅基片的厚度，同时增加制作成本和工艺难度。

上述的问题，对于核探测中需要高灵敏度的中子探测器尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高灵敏度的硅PIN中子剂量探测器，克服传统结构的探测器的缺点，降低硅PIN中子剂量探测器对硅基片厚度的要求，从而降低成本与工艺复杂度。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种硅PIN中子剂量探测器，包括高电阻硅片以及分别位于高电阻硅片正面和背面的P型和N型有源区，其特征在于，两个有源区中一个为圆形，另一个为圆环形。

上述硅PIN中子剂量探测器，P型有源区与正极电连接，N型有源区与负极电连接，在正极施加正向偏置电压，通过该硅PIN器件电压电流特性发生的改变量来测量中子辐射剂量。

上述高电阻硅片的厚度可以是1.5mm～2.0mm，其电阻率优选大于3千欧姆·厘米。

上述硅PIN中子剂量探测器的两个有源区为上下非对称结构，圆形的P型有源区对应圆环形的N型有源区，或者圆环形的P型有源区对应圆环形N型有源区。其中，优选圆环形有源区的内圆半径大于等于圆形有源区的圆半径，例如：圆形有源区的圆半径为0.75mm～1mm，圆环形有源区的内圆半径为1mm～1.5mm，圆环的宽度为0.5mm～0.8mm。

本发明通过将P型有源区和N型有源区设计成上下非对称结构，使得P区和N区之间的距离大于硅片的厚度，有效增大了P型有源区到N型有源区的距离，也即增大了探测器件I区的有效厚度，突破了高阻硅片厚度对PIN管I区厚度的限制。另外，通过将有源区设计成环形，还可以通过环形本身的对称性产生比较均匀的电流分布。

本发明还提供所述硅PIN中子剂量探测器的制造方法，包括如下步骤：

a)在双面抛光高电阻硅片的正面和背面形成隔离层；

b)通过光刻并刻蚀隔离层，使硅片正面和背面有源区图形区域的硅表面裸露，其中一个有源区图形为圆形，另一个有源区图形为圆环形；

c)分别对硅片的正面和背面进行离子注入，得到P型有源区和N型有源区；

d)制作两个电极分别与P型有源区和N型有源区电连接。

上述步骤a)所使用的双面抛光高电阻硅片的厚度可以是1.5mm～2.0mm，其电阻率优选大于3千欧姆·厘米。在高电阻硅片的上下表面通过高温氧化形成二氧化硅层作为隔离层。

上述步骤b)先在隔离层上涂光刻胶，通过光刻得到有源区的圆形图案和环形图案，优选两个图案的中心垂直对准。在本发明的一个具体实施例中，圆形图案的直径为1.5mm～2.0mm，环形图案的宽度为0.5mm～0.8mm，环形图案的内圆直径为2mm～3mm。

上述步骤b)当所述隔离层是二氧化硅层时，在二氧化硅层表面涂光刻胶，光刻形成有源区图形，以光刻胶为掩膜利用氢氟酸缓冲溶液腐蚀二氧化硅，使得有源区图形区域的硅表面裸露，然后去除剩余光刻胶。

上述步骤c)以隔离层为掩膜进行离子注入，可以通过硼离子注入得到P型有源区，通过磷离子注入得到N型有源区。