用于光子计数X射线探测器的新型Cr补偿GaAs传感器
在过去的十年中，X 射线光子计数型探测器已经被证实是 X 射线成像领域的一项颠覆性技术，其主要特点是面积大、像素数量多、读出时间短、动态范围宽、无暗电流、无读出噪声以及出色的点扩展函数。随着高原子序数半导体(如CdTe、CdZnTe、GaAs)的制造技术不断改进，如今已达到探测器级质量，使其用作直接探测层成为可能，将良好的探测灵敏度扩展到更高的 X 射线能量，从而为 X 射线成像领域的发展提供了更多的可能性。
通常这些半导体材料的几个重要性能需要被考虑，以此决定适用于哪一种应用领域，包括晶体质量、平均原子序数、平均电离能、电阻率、载流子迁移率、能带间隙、荧光问题等等。下图总结了三种半导体材料的相关性能并给出了吸收效率曲线。GaAs 与 Si 相比有着更高的平均原子序数，说明对中、高能射线的吸收效率更好，更宽的能带间隙意味着更低的暗电流以及更好的耐辐照性，更快的电子迁移率代表着更好的电荷收集效率。GaAs 与 CdTe 相比荧光概率更小且荧光光子距离短(GaAs 50%, 11-12 keV vs CdTe 85%, 26-31 keV)，且更优的辐照稳定性意味着更高的成像质量。
制造新型 Cr 补偿 GaAs 传感器首先需要由通过 LEC (Liquid Encapsulated Czochralski)法生长 n 型 GaAs 晶圆，获得 3 英寸或 4 英寸的高质量晶圆。GaAs 晶圆再经退火、抛光、光刻、溅射、切割、倒装焊等步骤制成新型 Cr 补偿 GaAs 探测器，如下图所示。与传统的利用势垒结构的空间电荷区的 GaAs 半导体结构不同，新型 Cr 补偿 GaAs 半导体通过高温扩散将 Cr 掺杂到 n 型 GaAs 的外延层。在经过补偿的半导体中，耗尽区的概念不再有效，因为电场分布不再受空间电荷区中离子浓度的影响，而仅由半导体结构中电阻值分布的均匀性决定，电场在整个材料中基本上是均匀的。由于电荷输运通常受到引起额外噪声的电荷捕获的影响，如果材料不是完美的晶体，晶界和位错可能会使电荷偏离其正常的传输模式而引起空间畸变。目前的 Cr 补偿工艺已成功应用于厚度达 1 mm 的 GaAs 传感器，其电阻率值在室温下超过 109 Ω*cm。
目前，Advacam 原传感器技术团队-Advafab 公司传感器制造业务全线升级，除了能制造高质量的 Si 和 CdTe 传感器之外，Advafab 还研发了新型 Cr 补偿 GaAs 传感器。我们可向客户提供高质量像素探测器模块产品和辐射传感器制造及半导体集成服务的全线半导体解决方案：Top-Unistar和Advacam联合推出光子计数、像素化X射线探测器探测模块加工解决方案
由于 GaAs 的高电阻率，传感器采用无保护环设计，这样的无边缘 GaAs 传感器是大面积无缝拼接的必要核心部件。在读出芯片和传感器连接过程中，采用低温 In-Sn 焊点，使得探测器模块获得最好的连接效果，提高了工作像素的良品率。如下图所示，Advafab 利用 500μm 的 GaAs 传感器和 Timepix 读出芯片制成的探测模块对 PCB 和花朵成像，能清晰拍摄出它们的内部细节。
得益于新型 Cr 补偿 GaAs 传感器适中的平均原子序数、较快的电子迁移率、辐照稳定性以及低荧光产额，它在高通量 X 射线成像和医学成像等领域有着重要的研究价值。特别是相较于其他高原子序数材料 CdTe 和 CdZnTe，GaAs 表现出更强的辐照稳定性(更少的极化)。Advafab 已经利用 500μm 的 GaAs 传感器和 Timepix2 读出芯片制成的探测模块进行了初步测试，在长时间受高通量 X 射线辐照下，探测器整体呈现出较好的均匀性和辐照稳定性，且信噪比的中值高达 2000，如下图所示。只有很少一部分像素的计数值下降 10-20%，可能是由于长时间辐照后俘获的载流子累积导致的电场退化，以此造成计数率降低。（边缘 mask 区域是良品率问题而出现的像素缺陷）
北京众星联恒科技有限公司作为捷克Advacam公司中国区的总代理，也在积极推广Timex / Medipix芯片技术，并探索和推广光子计数X射线探测技术在中国市场的应用，目前已有众多客户将MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功应用于空间辐射探测、X射线小角散射、X射线光谱学、X射线应力分析和X射线能谱成像等领域。同时我们也有数台搭载Timpix、Timepix3芯片的MiniPIX探测器样机、Medipix3 芯片的WidePIX 1*5 CdTe探测器样机，我们也非常期待对我们探测器感兴趣或基于探测器应用有新的idea的老师联系我们，我们可以一起尝试做更多的事情。
参考文献：
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