120GeV质子束表征新型磷化铟（InP）带电粒子探测器 *

1. 概述

        包含硅以外的半导体材料的薄膜探测器有可能利用其独特的材料特性，并提供更快的响应时间、在室温下操作和辐射硬度等优势。为了探索这种可能性，选择了有前景的候选材料，并制作了粒子跟踪探测器。本研究制作了一种用于粒子跟踪的金属-绝缘体-金属（MIM）结构的磷化铟（InP）探测器。该探测器在费米国家加速器实验室使用放射源和高能质子束进行了测试。除了简单的设计和制造工艺外，InP粒子探测器对120 GeV质子的响应时间非常快，达到数百皮秒，与超快硅探测器相当。这种快速的定时响应归因于InP的高电子迁移率。可以利用这种材料特性来构建具有超高性能的新型探测器。

2. 样品制备

        将2英寸350um厚的单晶单面抛光InP:Fe晶片(来自中芯晶研）切割成1 x 1 cm的样片，然后在120°C的食人鱼浴中清洗2分钟。用Microposit S1818光致抗蚀剂旋涂芯片的正面，然后使用Heidelberg MLA150将其图案化。在芯片的正面上图案化200 x 200um焊盘的4 x 4阵列。使用电子束蒸发（Temescal FC2000）将电极蒸发到芯片上。沉积厚度为10nm的铬粘附层，随后沉积另外的100nm的金以允许引线接合。使用溅射涂层（AJA金属溅射系统）沉积背面电极。单个背面电极覆盖整个芯片，铬和金的厚度分别为20nm和100nm。最后，进行实验室电气和辐射源测量以及测试光束测量。

图1 InP:Fe探测器的I-V温度研究

图2 InP探测器的测试光束数据

3. 结论

        使用半绝缘InP晶片制造了带电粒子探测器。InP探测器与其他使用CdZnTe和单晶金刚石的探测器进行了对比，如图3所示。

图3 带电粒子探测器的器件性能

        在费米国家加速器实验室，使用实验室内辐射源以及120GeV质子测试束对探测器进行了测试。InP基探测器显示出作为带电粒子探测器的巨大前景，在皮秒区域显示出非常快的时序响应。光谱显示使用4种不同能量源进行线性能量校准，能量分辨率约为28%。该探测器以标称优化设计和架构为第一次迭代提供了良好的性能。测量的上升时间与诸如低增益雪崩二极管（LGAD）检测器的快速硅检测器相当。与一些硅探测器相比，简单的器件设计可以转化为更低的制造成本。可以通过将InP与现有的CMOS技术集成来进行进一步的改进，例如更快的响应时间和更清洁的信号。感测层不需要减薄到可能导致耐久性问题的非常低的厚度，这对于一些硅探测器来说是快速响应所必需的。

        更多InP晶片信息或疑问，请邮件咨询：vp@honestgroup.cn