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高分辨耐辐照硅探测器的研发与产业化应用

2021-05-19

 

射线探测技术作为现代科技关键核心技术,在公共安检设备、国防建设、核能开发利用等领域应用广泛。目前我国硅辐射探测器市场上的产品绝大部分被国外垄断,迫切需要在关键领域进行重点突破。由四川艺精科技集团有限公司牵头承担的国家重点研发计划“高分辨耐辐照硅探测器的研发与产业化应用”项目(项目编号:2018YFF01010000),在X射线硅探测器技术积累和产品开发的基础上,进行关键工艺攻关,开发以耐辐照高压辐射探测、高性能安检X射线探测和大面积X射线探测为特点的产品,并在安检用X射线探测器方面进行应用开发和产业化推广,力争实现进口替代,满足我国核辐射、公共安全等领域的产品应用需求。
该项目下设“高压耐辐照硅探测器的研制”“面向公共安检应用的高性能X射线探测器开发”“大面积X射线硅探测器的研制”和“X射线硅探测器的应用开发及产业化”4个课题,分别由中国工程物理研究院电子工程研究所、江苏尚飞光电科技股份有限公司、中国工程物理研究院材料研究所、四川艺精科技集团有限公司承担,王小英任项目负责人,唐彬、仇超、黄鹤翔任课题负责人。该项目起止时间为2018年10月至2021年9月。目前,项目已研发完成3款探测器产品(图1),并通过了第三方测试,相关产品在大面积、高工作电压、低漏电流、耐辐照、高位置分辨率等多项性能上满足国内需求,可替代相应市场中的国外同类产品。
 
1 研究内容
为满足我国核辐射、公共安全等领域的产品应用需求,项目开发以耐辐照高压辐射探测、高性能安检X射线探测和大面积X射线探测为特点的产品,并在安检用X射线探测器方面进行应用开发和产业化推广。
1.1 高压耐辐照硅探测器的研制
针对高压耐辐照硅探测器实现耐高压、低漏电流和耐辐照的相关技术开展研究,完成高压耐辐照硅探测器的制备。通过对离子注入工艺参数如离子注入能量、注入剂量的优化,以及对离子注入后退火工艺的优化,提升PIN辐射探测器性能,降低器件漏电流;通过对硅表面清洗技术的优化,提高器件耐高压性能;在关键工艺优化的基础上,通过采用多片封装叠加、单片材料优化等技术方案,提高探测器耐高压指标;通过严格控制表面钝化处理工艺,减少器件灵敏区域辐照损伤,提升探测器耐辐照性能。
1.2 面向公共安检应用的高性能X射线探测器开发
研究提高探测器光响应灵敏度的方法,并确保可以在制造工艺上稳定实现;研究有效降低器件暗电流的方法,从而降低整个系统的噪声。通过设计和工艺优化,提高X射线探测器的信噪比,从而使搭载设备实现更高的图像清晰度;通过搭建闪烁体跟芯片的高精度耦合系统,提升X射线探测器整体响应曲线的均匀性,以便在设备上获得较好的图像效果及线分辨率;对该课题研制开发的探测器进行一致性测试和可靠性测试;通过与目标客户(安检机设备商)合作,共同搭建探测器测试系统,在客户的安检机设备上实地测试所研制开发的探测器性能,从安检机最终图像指标上评价探测器的实际效果。
1.3 大面积X射线硅探测器的研制
针对探测器面积增大导致的漏电流增加等问题进行研究,研究适用于大面积硅探测器的离子注入和表面钝化技术,降低器件漏电流;研究信号处理的电路设计,提高整个探测器的信噪比。
对于大面积传感元件,面积增大会导致总体缺陷增加,降低探测器元件性能。课题在前期X射线探测器研发基础上,优化离子注入工艺和表面钝化工艺参数,降低表面电荷复合,降低器件漏电流,提高探测器性能,从而得到符合要求的部件。
通过结构设计,降低漏电流,实现低漏电流大面积的硅探测元件制备。对探测器电极制备和传感元件与读出电路导联技术进行研究,减少探测器寄生电容和电感。研究信号处理的电路设计,采用电荷灵敏前置放大器和电信号主放大器,提高探测器信噪比。通过高信噪比信号处理、放大电路设计和后端电路设计等手段校正探测器元件的基准信号,研制低噪声、响应时间快、能量分辨率高的硅探测器,从而获得高性能的大面积低漏电流X射线硅探测器。
设计大面积X射线硅探测器传感元件与读出电路组装技术,减少组装及封装过程中的器件失效,降低探测器的随机噪声。研究适用于不同应用场景的封装规格及配套信号处理系统,提高器件的可靠性和稳定性。最后搭建整套测试系统,实现对X射线探测性能的测试。
1.4 X射线硅探测器的应用开发及产业化
该课题主要进行大面积X射线探测器和高压耐辐照探测器产品的应用示范以及产业化推广。依托项目组的技术和人才优势,整合项目单位研发和应用基础,建立探测器的应用开发方案。将高压耐辐照探测器与国防用特殊辐射测量设备进行集成,并且实现在国防用特殊辐射测量设备上的应用示范。整合项目组的人力、技术、产品资源,利用成熟的营销体系进行探测器的产业化推广。通过与高校企业等合作、参会等方式,选择具有相关经验的专业公司,结合市场客户检验、第三方验证等进行产品推广。同时,探索探测器产品应用的新渠道,将大面积X射线硅探测器、高压耐辐照硅探测器和安检用高性能X射线探测器逐渐推广至我国国防、公共安全和其他国民经济等领域。
 
2 主要成果
该项目突破表面钝化和离子注入等关键技术,自主研发了高分辨耐辐照硅探测器,主要技术指标接近或达到国际同类产品水平,并通过可靠性验证,获得第三方测试报告,产品性能可以满足国内多个不同领域的应用需求。研发的3款硅基探测器主要技术参数见表1。
 
3 创新点
项目在硅材料双面抛光技术、耐高压PIN探测器的表面清洁工艺、掺杂工艺和结构的优化、高可靠性增透膜技术等方面进行了创新。
3.1 硅材料双面抛光技术
硅材料的表面钝化层的质量直接决定了器件的漏电流和其他性能。该项目采用硅双面抛光技术在硅片表面生长一层非常薄的自然氧化层,能达到传统钝化处理的效果,而且抛光表面态稳定,能有效避免引入杂质或金属阳离子对器件漏电流的影响。
3.2 耐高压PIN探测器的表面清洁工艺
PIN探测器表层氧化膜的生长及生产工艺环节的洁净度直接影响器件的耐压程度。该项目开发氧化膜制备和清洗工艺流程,采用中低温快速退火工艺及多次清洗工艺,提升了器件的表面质量,可显著提高PIN探测器的工作电压。
3.3 掺杂工艺和结构的优化
优化掺杂工艺采用多步离子注入及退火工艺,在不影响其他性能的前提下降低器件暗电流。引入掺杂保护环结构,从器件结构设计上进一步降低器件暗电流。
3.4 高可靠性增透膜技术
在硅衬底和增透膜之间引入薄层氧化层,从而消除增透膜和硅衬底之间失配而引起的应力,提高产品可靠性和稳定性,同时不会损害器件的响应灵敏度。
 
4 应用示范和推广
项目研发的3款高性能硅辐射探测器拟应用示范于公共安检X射线探测、国防用特殊辐射测量设备等两种或更多高端仪器设备上,实现核心部件的国产化。同时对具有潜在市场价值的X射线衍射仪用“大面积X射线硅探测器”进行产品的应用开发,并进行市场培育,通过产品的多种应用示范及产业化前期准备,带动辐射探测器领域上下游产业的发展,促进我国辐射探测、无损检测、探伤等相关领域的产业升级。
项目组通过参加第十六届国际核工业展览会、菁蓉汇·校企双进·企业家进院所活动等进行了市场推广(图2、图3、图4),相关产品获得客户的广泛关注,现已与四川新先达公司、上海朱光亚研究院等机构进行了合作应用转化(图5)。
该项目计划销售探测器1 000个单元或以上,实现销售额50万100万元,预计2024年左右实现销售额1 380万元/年,净利率达15%20%。通过该项目的研发,将实现同类产品的进口替代,并带动辐射探测器领域上下游产业发展,促进产业升级,提升我国科学仪器行业核心竞争力以及可持续发展能力。