一种高效率高能光子探测器的制作方法

本技术涉及光电探测领域，尤其是针对x射线和γ射线高能光子的探测领域。

背景技术：

1、x射线和γ射线具有几十千电子伏特至几百兆电子伏特的高能量，同时它们具有光子的属性，一般忽略其质量和电荷量，所以高能x射线和γ射线光子对物体具有很强的穿透特性。由于x射线和γ射线光子的这种特性，x射线和γ射线光子探测成像在医学影像、工业无损探伤、空间探测以及材料科学等诸多领域发挥着无可替代的作用。

2、人们对高能光子的探测主要采用强度探测模式，即不同厚度以及不同密度的物体对x射线和γ射线的吸收程度不同，一般可以用lambert-beer定理i＝i0e-μl描述，其中i0是入射x射线和γ射线的强度，i是透射x射线和γ射线强度，μ是物体的吸收系数，l是物体的厚度。采用高能光子探测器测量透过物体的x射线和γ射线强度i即可以推知物体吸收系数μ(与密度相关)和厚度l的变化规律。

3、根据对高能光子的探测物理过程，对x射线和γ射线探测有间接探测和直接探测两种形式，如图1所示。在图1a所示的直接探测形式中，入射的高能光子1(如x射线光子或者γ射线光子)首先照射到高原子序数、高密度半导体2，如czt,cdte，以及钙钛矿等。高能光子1的能量在高原子序数、高密度半导体2中沉积，通过光电效应、康普顿散射、电子对效应，以及电子电离效应等在高原子序数、高密度半导体2中产生光生空穴5和光生电子6。我们通过顶电极3和底电极4在探测器上施加偏置电压v，在偏置电压作用下，产生光生空穴5和光生电子6分别向顶电极3和底电极4漂移，形成探测信号电流。在图1b所示的间接探测形式中，入射高能光子1首先照射到闪烁体7，并产生可见荧光8。可见荧光8再照射到常规半导体9，并产生光生空穴5和光生电子6。由于可见荧光的光子能量一般在1.55ev～3.1ev之间，所以常规半导体9可以采用常规的硅、锗等半导体以及它们的化合物。由于直接探测不需要将高能光子转换为可见荧光光子的中间过程，理论上它可以具有更高的量子效率，因此本实用新型聚焦于高能光子的直接探测结构。

4、图1b所示的高能光子直接探测结构中，为了获得很强的探测信号，首先要求高能光子1的能量能够尽可能多地沉积在常规半导体9。根据lambert-beer定理，这要求常规半导体9具有足够的厚度d。其次，高效率的高能光子探测器还要求高能光子1所产生的光生空穴5和光生电子6能够尽可能多地被顶电极3和底电极4收集。光生空穴5和光生电子6在常规半导体9中的收集过程包括载流子迁移、扩散，以及复合。综合上述效应，假设载流子的有效输运长度为l，当载流子的传输距离超过l以后，光生电子和光生空穴将产生复合，而不能形成有效的探测信号。

5、不失一般性，可以用半导体材料的迁移率·寿命μτ积来简单描述载流子的输运特性，其中μ是载流子的迁移率，τ是载流子寿命。图2是高能光子探测常用的mapbbr2.5cl0.5钙钛矿本征半导体tauc-plot曲线，根据该曲线可以大致计算出载流子的迁移率约为156.4cm2v-1s-1。图3是不同偏置电压下mapbbr2.5cl0.5钙钛矿本征半导体的光电流时间飞行(tof)曲线，从该曲线可以大致估算出mapbbr2.5cl0.5钙钛矿本征半导体的光生载流子寿命约为5μs。因此，mapbbr2.5cl0.5钙钛矿本征半导体的μτ积约为7.82×10-4cm2v-1。假设探测器所施加的偏置电压为100v，探测器厚度为5mm，探测器的电场强度则为20v/mm。由此计算得到探测器的载流子有效输运长度为1.56mm。

6、图4是美国argonne国家实验室给出的mapbbr2.5cl0.5的衰减系数曲线。从该曲线可以看出，当x射线光子能量为80kev时，mapbbr2.5cl0.5的衰减系数为4.24cm-1。在载流子的有效输运长度1.56mm范围内,mapbbr2.5cl0.5沉积的x射线能量只为初始能量的48.4％。如果希望沉积90％的x射线能量，则mapbbr2.5cl0.5的厚度应该为5.43mm，因此在常规的光电导探测器或者光电二极管探测器结构中，高效率的高能光子能量沉积和高效率的光生载流子收集存在较大矛盾。

7、综上所述，在高能x射线和γ射线光子直接探测过程中，高能光子能量沉积要求的高厚度(d值尽量大)和有限的载流子输运长度(l值较小)存在矛盾，因此现有探测器对高能x射线和γ射线光子探测效率不够高。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是针对现有高能x射线和γ射线光子探测效率不够高的问题，提出一种高效率高能光子探测器。该结构通过特殊的电极设计，可以调控探测器中电场强度分布，以及载流子的输运轨迹，进而解决高能光子能量沉积和光生载流子高效率收集的矛盾，提高高能光子的探测效率。除此之外，本实用新型提出的高能光子探测结构还可以一定程度上抑制探测器暗电流和噪声。

2、本实用新型采用的技术方案为：一种高效率高能光子探测器，包括高原子序数、高密度半导体、顶电极、底电极、奇数电极、偶数电极、右侧电极、左侧电极、上连接电极和下连接电极；

3、所述高原子序数、高密度半导体中设置若干金属电极层，所述金属电极层分为奇数电极和偶数电极，所述奇数电极向高原子序数、高密度半导体的右侧面靠拢，并与高原子序数、高密度半导体的左侧面相距0.5mm以上的距离；所述偶数电极向高原子序数、高密度半导体的左侧面靠拢，并与高原子序数、高密度半导体的右侧面相距0.5mm以上的距离；

4、所述高原子序数、高密度半导体的右侧面设置右侧电极，右侧电极与奇数电极具有电学连接，并通过上连接电极与顶电极相连接；所述高原子序数、高密度半导体的左侧面设置左侧电极，左侧电极与偶数电极具有电学连接，并通过下连接电极与底电极相连接；

5、所述顶电极接地，所述底电极施加有一个正偏置电压。

6、本实用新型相邻的奇数电极层和偶数电极层之间构成独立的传感层，传感层厚度小于半导体载流子有效输运长度，所以x射线和γ射线高能光子在传感层所产生的光生载流子可以全部被传感层的奇数电极和偶数电极收集，提高了光生载流子收集效率。两个相邻的传感层的电场强度方向相反，在这两个传感层内光生载流子的运动方向相反。因此，相邻的传感层相互并联，总的探测电流是每一个传感层探测电流的叠加；通过增大传感层的层数提高入射光能光子的能量沉积效率，同时使所有的光生载流子都可以被收集，最终提高高能光子的探测效率。

7、作为优选，所述高能光子探测器取消右侧电极和左侧电极，所述高原子序数、高密度半导体的左侧和右侧分别设置偶数电极过孔和奇数电极过孔，并在过孔中沉积金属形成偶数连接电极和奇数连接电极；通过奇数连接电极将所有的奇数电极与顶电极连接在一起；通过偶数连接电极将所有的偶数电极与底电极连接在一起。因为该探测结构没有侧边电极，所以可以沿电极侧边做周期性拓展，构成阵列探测像素。

8、作为优选，为了进一步降低探测器的暗电流和噪声，所述高原子序数、高密度半导体上下两端分别设置p型半导体层和n型半导体层，利用p-i-n光电二极管的耗尽层内建电场抑制暗电流和噪声。

9、上述一种高效率高能光子探测器的制备方法，包括以下步骤：

10、1).采用基于mapbbr2.5cl0.5本征光子吸收体，流动逆温结晶法生长第一层mapbbr2.5cl0.5本征半导体层，该半导体层的厚度小于载流子有效输运长度；

11、2).在第一层mapbbr2.5cl0.5本征半导体层的顶面采用真空蒸镀或者溅射方法沉积顶电极；

12、3).在第一层mapbbr2.5cl0.5本征半导体层的顶面采用真空蒸镀或者溅射方法沉积第一层偶数电极；通过掩模的方法使得该偶数电极左端和mapbbr2.5cl0.5本征半导体层左侧面靠拢，而右端和mapbbr2.5cl0.5本征半导体层右侧面相距0.5mm以上；

13、4).采用溶液外延法在第一传感层的下端面外延生长第二层mapbbr2.5cl0.5本征半导体层；

14、5).在第二层mapbbr2.5cl0.5本征半导体层的顶面采用真空蒸镀或者溅射方法沉积第一层奇数电极层；通过掩模的方法使得该奇数电极右端和mapbbr2.5cl0.5本征半导体层右侧面靠拢，而左端和mapbbr2.5cl0.5本征半导体层左侧面相距0.5mm以上；

15、6).采用和步骤4)相同的方法生长更多的mapbbr2.5cl0.5本征半导体层，所有mapbbr2.5cl0.5本征半导体层的总厚度应当将90％以上的入射高能光子能量沉积在mapbbr2.5cl0.5本征半导体；

16、7).采用步骤3)或者步骤5)的方法在每一个mapbbr2.5cl0.5本征半导体层的下端面沉积偶数电极层或者奇数电极层；

17、8).在最后一层mapbbr2.5cl0.5本征半导体层的底面采用真空蒸镀或者溅射方法沉积底电极；

18、9).采用涂敷的方法在探测器上端面和右侧面分别沉积上连接电极和右侧电极，使所有的奇数电极与上电极电学连接；在探测器下端面和左侧面分别沉积下连接电极和左侧电极，使所有的偶数电极与下电极电学连接。

19、本实用新型的有益效果：

20、(1).常规的高能光子直接探测结构中，高能光子的高效率能量沉积和光生载流子的高效率收集存在矛盾，所以高能光子的探测效率不高。本实用新型提出的探测结构利用奇数电极和偶数电极将探测器分为若干传感层，每一个传感层的厚度小于半导体载流子有效输运长度，这些传感层电学并联，通过探测器的偏置电场可以收集所有的光生载流子。另外，可以通过增大传感层的层数充分沉积高能光子能量。因此，本实用新型提出的高能光子探测结构较之常规的探测器具有更高的探测效率。

21、(2).由于每一个传感层的厚度小于半导体载流子的有效输运长度，因此相邻奇数电极和偶数电极之间的电压差较低，这也进一步降低了探测器的暗电流和噪声。