廖非易，李高财，雷 林，黄鹤翔，王小英，赵一英

(1.中国工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621908；2.四川艺精科技集团有限公司，四川 江油 621700)

辐射探测技术在国土安全、太空探索、环境安全、石油勘探、医疗卫生等方面均有重要应用，其中的半导体辐射探测器是核辐射探测、成像技术的核心部件。半导体辐射探测器自20世纪60年代开始发展，逐步在核探测仪器中得到重要应用。

最常见的半导体辐射探测器是硅、锗探测器，其他还有CdTe、HgI2、SiC、CdS、GaAs、PbS等探测器[1]。硅、锗相比其他半导体材料，具有较低的禁带宽度(产生的电子-空穴对多)，更高的载流子迁移率和寿命(电荷收集效率高)，且生长的单晶缺陷低、尺寸大。虽然,其他半导体材料具有更高的辐射衰减系数(高原子序数)，但生长出的单晶材料存在电活性杂质高和天然缺陷密度高等问题，因此制备出的辐射探测器时间不稳定性，即极化效应比较严重。锗探测器能量分辨率高，但需要在液氮温度下工作，以降低热噪声，因此成本昂贵。硅辐射探测器具有室温下工作、能量分辨率高、空间分辨率高、探测能量范围宽、线性范围宽、对磁场不敏感、设计紧凑、机械强度高等优点，因此成为了半导体辐射探测器的主流。随着半导体技术的蓬勃发展，离子注入等新技术不断涌现，平面工艺以及超大规模集成电路广泛应用于硅探测器，因此探测器尺寸已由cm2级增长到m2级，通道数由几千量级增长到了百亿量级[2]，抗辐照能力也从数十Gy增长到了数十MGy[3]，这使得探测器粒子轨迹空间分辨率、快速计时能力、抗辐照能力、读出速率等都有显著提升，并在国土安全、天文学、放射性勘探、核医学等领域得到了重要应用[4]。

本文梳理了硅辐射探测器的发展脉络，并更新了最新的研究成果，希望有助于提升硅探测器的性能，并进一步拓展其应用。再者，硅辐射探测器发展过程中器件结构的创新、制备工艺的改进、性能的提升等，对其他半导体辐射探测器的研制也有重要的参考价值。

1 硅辐射探测器的工作原理及应用

根据探测器结构以及应用场景中对能量分辨率、空间分辨率等性能的要求，硅辐射探测器可分为平板型探测器、硅微条探测器、硅漂移室探测器、电荷耦合探测器、像素探测器等。其中，平板型探测器多用于带电粒子、光子的强度和能谱探测，硅微条探测器、硅漂移室探测器、电荷耦合探测器、像素探测器多用于二维位置探测和成像。根据分辨率不同，在同一系统中会用到多种硅辐射探测器。例如，在大型重离子对撞实验(A Large Ion Collider Experiment, ALICE)的内径迹系统探测器(Inner Tracking System, ITS)中[5]，由内层到外层依次使用了像素探测器、硅漂移室探测器、双面硅微条探测器。

2 平板型辐射探测器

平板型辐射探测器是最常见的一类辐射探测器，通常用于光子和带电粒子，如X射线、γ射线、α粒子、β粒子等的强度和能谱探测。平板型辐射探测器的工作原理[6]如图1所示。通常以n型硅为衬底，正面为p+掺杂，背面为n+掺杂。射线与探测器相互作用产生的电子-空穴对，在电场作用下分离并向两端移动，最终形成电信号。

图1 平板型辐射探测器工作原理

根据器件结构的不同，平板型辐射探测器包括面垒型探测器(Surface-Barrier Detector)和PN结型探测器[7-10]。根据制备工艺的不同和平板型辐射探测器的发展历程，PN结型探测器又可分为扩散型探测器(Diffusion Detector)、离子注入型探测器(Ion Implanted Detector)、钝化注入平面硅探测器(Passivated Implanted Planar Silicon, PIPS)和锂漂移型探测器(Lithium Diffusion-Drift Detector)等。面垒型探测器是20世纪60年代发展成熟且应用广泛的一种平板型辐射探测器，具有工艺简单、死层薄、灵敏面积大等特点。常见的金硅面垒探测器是通过在n型硅上沉积一层很薄的金，形成肖特基结来实现辐射探测[7]。面垒型探测器的缺点是薄窗对光敏感，可见光下也会产生电子-空穴对，从而产生噪声。此外，薄窗还易受环境蒸气的影响，导致表面损伤。相比面垒型探测器，PN结辐射探测器具有更高的可靠性,更高的稳定性和更高的抗辐照能力。PN型探测器主要通过在p型硅表面高温扩散(或者注入磷)，或在高阻本征硅(或高阻n型硅)两面分别高温扩散(或者进行粒子注入磷和硼)，形成PN结或PIN结[8]。其中，扩散型探测器的缺点是死层较厚，增加了入射粒子的能量损耗，且在高温扩散过程中会形成相关缺陷，增加探测器漏电流。为避免这些因素导致的探测器低能量分辨率，采用离子注入工艺代替高温扩散过程，不仅能降低漏电流，还能减小死层厚度。此外，离子注入后的退火温度也远低于热扩散温度，相比热扩散缺陷也少。这种离子注入型探测器兼具面垒型探测器和扩散型探测器的优点。特别是，钝化注入平面硅探测器，采用表面钝化工艺进一步降低器件漏电流，且PIPS探测器死层薄、入射窗口稳固，能达到很高的能量分辨率[9]，因此在带电粒子探测领域具有广泛的应用。锂漂移型探测器主要用来增强对X、γ等穿透强的粒子探测。它是通过热蒸发在p型硅表面沉积一层锂，然后通过高温、高电压使锂离子漂移进入硅体内，在一定深度内锂离子浓度超过受主，形成P-I-N型探测器[10]。锂漂移型探测器厚度可达 5 mm，因此对高能X、γ射线具有更高的吸收效率。

综上，影响平板型辐射探测器性能的主要因素为死层厚度和灵敏层厚度。随着半导体技术的发展，通过离子注入技术，可以降低死层厚度，并通过表面钝化技术，降低漏电流，实现带电粒子的高能量分辨率能谱探测。另外，通过增加灵敏层厚度，可以提高对X、γ射线的吸收能力，实现高能量光子的能谱探测。

3 硅微条辐射探测器

硅微条探测器(Silicon Micro-strip Detector, SMD)主要用于测量入射粒子的位置信息，具有空间分辨率高、抗辐照能力强等特点，其空间分辨率主要由条带宽度和间距决定。硅微条探测器可以在提供微米量级的位置分辨率的同时也给出优良的能量信号。它在世界上各大高能物理实验室的大型物理实验[11](如加速器、对撞机)中用作顶点探测器(Vertex Detector)和径迹探测器(Track Detector)，也可同时检测和识别大量粒子的能量、轨迹和产生位置。此外，硅微条探测器在核医学领域的CT和其它数字化成像方面也有重要应用。

单面硅微条探测器是在平板型探测器的基础上，通过氧化和离子注入、局部扩散等工艺技术制作成的条形PN结型单边读出探测器。探测器结构和工作原理[12]如图2(a)所示。微条宽度和间距在 10～50 μm，每个微条都对应一路独立的读出电子穴，对微条上收集的载流子进行放大和信号处理。最大的硅微条探测器包含792576个通道，由美国费米国家实验室建造，并用于DØ探测器[13]。通过调整微条宽度和间距，硅微条探测器沿光束方向的分辨率可达 12 μm，方位角分辨率可达 22 μm[14]。电子穴采用CMOS技术制造，器件结构尺寸可达 0.25 μm，放大成形时间约 25 ns，信噪比约10，漏电流<10 nA，并且结构尺寸越小，芯片抗辐照能力越强[15]。双面硅微条探测器是通过在探测器芯片的另一面制作正交方向的微条来收集电子，从而实现入射粒子双坐标的位置探测或成像的[16-17]，如图2(b)、图2(c)所示。在国家大型重离子加速器(Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, GANIL)的MUrà STrips II(MUST II)上，使用的双面硅微条探测器位置分辨率可达 0.01 cm2，能量分辨率小于 100 keV(0.5～30 MeV)，时间分辨率 0.5 ns[18]。当用于 160 MeV 的质子CT成像时，空间分辨率可达 0.45 mm[19]。

a) b) c)

通过半导体平面工艺和集成电路工艺的应用，进一步降低硅微条探测器的微条尺寸，并在同一芯片上集成前端放大电子，实现微米级别的快速精确X射线成像，因此在顶点探测器、径迹探测器、CT成像等高精度成像领域具有重要应用。

4 硅漂移室辐射探测器

硅漂移室探测器(Silicon Drift Detector, SDD)同样也可以用于粒子的位置探测。Gatti和Rehak[20]首先提出了一维读出型硅漂移室探测器，工作原理如图3 a)所示。探测器结构为P-N-P，上下两面的微条电极位置一一对应。通过在微条电极上从左到右施加依次降低的负偏压(-V，-V-ΔV，……，-V-nΔV)，使条带电极相对于其平行电极的中间平面具有负电位。入射粒子进入产生电子-空穴对，空穴在相对于电极的垂直方向移动，快速聚集在上下微条电极；电子被引导到中间平面，并在该平面中朝着不断降低的负电势的方向移动。在最后一组上下微条电极处形成PN结。其中，N是零电位(V=0)的阳极，P是比倒数第二微条带更多负电位的条带(-V’<-V)，从而使电子移动到阳极。粒子撞击漂移探测器的一维坐标位置由漂移时间确定，如图3 b)所示。通过将阳极划分为单独的电极并将每个电极连接到独立的读出电路，可以实现粒子空间位置的测量[21]。

在硅漂移室探测器中，电子的最大漂移距离可达35 mm，在500 V/cm场强下漂移时间接近4 μs，电子漂移到阳极的位置偏差均方根达200 μm，这限制了二维读出型的空间分辨率。此外，探测器的阳极分辨率和漂移分辨率均会随着漂移距离的变化而变化。例如，2 keV的X射线的平均阳极分辨率在30 μm以下，7 keV的X射线的平均阳极分辨率在10 μm以下，而能量为2 keV的X射线的平均漂移分辨率为1 cm，5 keV的X射线的平均漂移分辨率为2 ～4 mm[24]。硅漂移室探测器的电极不仅可以是直线微条结构，还可以是同心圆结构[22]，如图3 c)所示。探测器基体为轻掺杂N型，电极为重掺杂P型，上电级为同心圆条带电极，下电极为面电极。探测器工作在完全耗尽状态下，射线从下电极进入探测器产生电子-空穴对，受同心圆电极负偏压作用，电子沿斜线轨迹到达阳极，并通过集成在中心的一个结型场效应管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)对信号进行前置放大。5.9 keV的X-ray(55Fe Kα)在室温下能量分辨率FWHM可达190 eV，在 -30 ℃ 下的能量分辨率可达 127 eV，成形时间小于 1 μs。为了满足不同应用场景，可以通过将多个SDD进行拼接，增加灵敏区面积，组成多通道漂移室探测器(Multichannel Drift Detector)，如图3(d)所示。拼接后的单元具有独立的读出电路，探测器能量分辨率和计数率不受影响[23]，且相比PIN和Si(Li)探测器具有更高的计数率。

a) b)

综上，硅漂移室探测器的高能量分辨率和高计数率特性使其在荧光分析(X射线荧光光谱仪)、衍射仪、同步辐射实验中均具有重要应用。影响SDD空间分辨率的主要因素为载流子漂移过程中的位置误差和漂移距离，因此作为位置探测器SDD仅适用于X射线一维成像。

5 电荷耦合辐射探测器

电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)最初被用于光学成像探测器，还广泛用于模拟和数字存储元件，并逐步将其应用扩大到位置灵敏核辐射探测器中[25]。CCD是一个由大量像素组成的矩阵，CCD的工作过程分为电荷收集和电荷转移。其中，电荷收集采用金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS)结构的电容器。当在MOS结构的电极上施加电压时，P型半导体中的空穴会离开MOS结构表面，此时表面形成收集电子的势阱，收集射线产生的电子电荷。之后，电荷转移是通过三相CCD来实现的，如图4(a)所示。每个像素包含三个电极，每第三个电极保持同一电位，即①、②、③分别保持相同电压。首先，将②的电压增加到和①相同的电压，电荷将在①和②之间扩散；然后降低①的电压，电荷则转移到②电极下方势阱中；对②和③执行相同的过程，电荷由②转移到③电极下方势阱中；通过①、②、③电压周期性变化，则可以将电荷移向读出电极。

对于X射线探测，增加耗尽层的厚度可以提高射线吸收率，通过采用高阻硅作为衬底，制备PN型CCD[27]，结构如图4(b)所示。其工作原理和传统CCD略有不同，与漂移室探测器有相似之处，下电极为负偏压，上电级通过周期性三相脉冲负偏压使电子漂移到阳极(零偏压)。用于X射线荧光光谱探测和成像，Mn的Kα能量分辨率可达 150 eV，空间分辨率可达 20 μm[28]。

a) b)

综上，CCD探测器在成像时间、空间分辨率、强度测量都具有优势，可用于X射线同步辐射，CT成像等各种应用。

6 像素辐射探测器

为了得到更高精确度的粒子径迹成像，像素探测器(Pixel Detector, PD)应运而生。相比硅微条探测器和硅漂移室探测器，像素探测器具有更高成像速率和空间分辨率。特别是，有源像素传感器(Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS)，已在ALICE的内径迹探测器中对硅探测器进行了替代升级，以期对强相互作用物质的性质进行更细致研究[29]。像素探测器的像素单元结构如图5(a)所示。图5(a)中，衬底为n型硅，通过离子注入分别形成n+层和p+层，其中一个n+区用于信号输出，另一个n+区作为信号的保护栅，p层作为像素间的绝缘保护并增加像素单元的抗辐照性[30]。像素单元大小通常为50×50 μm2，通过倒装焊与独立的场效应晶体管连接，并输出信号[31]。

像素探测器的厚度通常为 300 μm，而载流子漂移距离对收集时间和空间分辨率均有影响，如图5(c)所示。通过将p+区和n+区做成立体结构，可在探测器厚度不变的情况下，有效降低载流子漂移距离[32]。为进一步提高集成度、降低探测器成本和功耗，将部分电子学和像素探测单元集成到单片硅上，就得到了单片有源像素探测器(MAPS)，像素尺寸可以减小到 20 μm，对 5.9 keV 的X-ray(55Fe)实现了 130 eV 的能量分辨率和 27 lp/mm 的空间分辨率[31]。

a) b) c)

综上，像素辐射探测器是满足未来高空间分辨率需求的发展趋势，相比硅漂移室、硅微条探测器，其具有高能量分辨率、高空间分辨率和高粒子计数率。特别是，集成一体式的像素辐射探测器，在粒子探测、大型物理实验、高精度成像领域均具有重要应用。

7 总结和展望

随着半导体技术的发展，硅辐射探测器的能量分辨率和位置分辨率不断提高，同时，通过提高器件集成度实现了射线能量和位置的高精度快速同时测量，在医学、国防、科研、环境监测等领域得到日益广泛的应用。目前，硅辐射探测器在带电粒子探测领域仍有不可替代的地位，在高能X、γ射线探测，硅材料较低的本征探测效率低限制了其性能，但仍然占据主要地位。随着具有更高辐射吸收率的新材料，如CdZnTe、有机-无机杂化钙钛矿等，探测器技术发展，高能X、γ射线探测领域的部分应用可能会被取代，但是在大面积、高位置分辨率、快速测量等领域，硅辐射探测器的地位依然难以撼动。