使用聚焦 X 射线束和实验室测试表征新型磷化铟（InP）垫探测器 *
1. 概述
未来高能物理实验中的跟踪系统将需要具有低辐射长度的大型仪器区域。晶体硅传感器在跟踪系统中已经使用了几十年，但很难制造，而且大面积生产成本很高。研究者正在探索适用于薄膜器件快速制造技术的替代传感器材料。磷化铟（InP）垫传感器是使用2英寸InP:Fe单晶衬底制造的。对一组传感器的电流-电压和电容-电压特性进行了研究。加拿大光源和钻石光源的微聚焦X射线束用于研究电离辐射的响应，并表征了几种设备的响应均匀性。结果显示，在评估中，无论是在设备内部还是在48个测试设备之间，性能都具有高度的一致性。这促使人们进一步研究用于未来跟踪探测器的薄膜器件。
2. 样品制备
探测器制造洁净室设施中进行的。初始InP晶片（来自中芯晶研）的一面被抛光，另一面被蚀刻。晶片的背面和正面沉积了两层金属化层。背面的金属覆盖是连续的。正面包括图案化，以在 5mm间距上形成二维二极管阵列。金属厚度相对较小，为 110 nm。中央焊盘尺寸为 2x2mm2。防护环为100um宽，与中央垫相距 100um。为了防止导体几何形状导致电击穿，中央焊盘和保护环采用弧形边缘设计。保护环宽度和与中央焊盘的距离在所有位置都保持不变。弧形焊盘角的半径为 100um（图 1(a)）。具体的制造细节请参阅https://www.cswafer.com/120gevzhizishubiaozhengxinxinglinhuayininpdaidianlizitanceqi/。
有些装置的中心有额外的金属开口，数量达 150um 直径，以便用激光进行研究（图 1(b)）。此外，还包括由单独的相同晶圆制造的多焊盘设备。
图1 典型InP探测器的正面剖面图：（a）具有器件实心中心焊盘金属化；（b）焊盘中包含中心孔
3. 结论
基于InP材料的新型电离敏感器件已经制造出来。它们符合预期的平面和堆叠几何形状。对它们的电特性进行了几次测试，作为材料性能的衡量标准。InP:Fe器件通常具有高达 ±350V 的线性IV依赖性，这与电压极性对称。在总共测量的48个器件中，发现原始晶片上有3个相邻的器件，在保持标称电容的同时，漏电流增加了20%。其余设备之间的相对电流变化仅为9%。一个被击穿的设备在1kV时达到了它，这相当于28.9 kV/cm的场强。
测量的电容略大于基于等板平行板近似的预期，这可能是由于背面的金属化面积较大。研究人员观察到正极性和低频的偏压依赖性，并将其归因于顶侧未金属化区域存在表面电荷。虽然通常表现出2pF的电容，但通过接地保护环，电容可以进一步下降，边缘效应最小化。理想情况下，带电粒子检测时间窗口应在微秒级或更短的时间内发生，因为在低于1 MHz的频率下记录的电容在幅度和极性上都显示出电压依赖性。
研究人员还测试了CLS和Diamond设施在零度以下温度下的微聚焦X射线束中的设备。中心焊盘下有源区的响应变化在一个相对标准偏差内约为10%，最有可能的主要来源是读出噪声。响应幅度是施加电压的强函数，表明由于漂移更快，更高场的有效电荷捕获减少。
边缘效应对响应的影响远大于噪声，更靠近中心焊盘边缘的信号更高。在未来的束流实验中添加接地保护环可以证明这种不均匀性的来源可以得到多大程度的缓解。较厚的顶部金属可以通过减少边缘的峰值电场来衰减这种现象。
识别出高电流区域，例如设备1上的骤降电流和设备2上上述中心线处的尖峰电流。其原因的主要假设是引线键合造成的损坏，因为需要额外的力将引线连接到薄的中心焊盘金属层。如果这一假设成立，未来的器件架构可以通过更厚的金属化来解释这一缺陷。
在CLS和DLS上进行的观测只能用15keV的束能探测设备的上层。在较高光束能量下测试设备响应可以实现完整的设备表征（图2）。
图2 Si和InP探测器中的吸收长度与X射线束能量的函数关系，DLS和CLS的束在15keV下工作
作为对InP:Fe带电粒子检测应用性能的首批评估之一，这些实验提供了一种具有高击穿电压和高均匀性的材料：器件之间的漏电流和电容，以及器件之间对电离辐射的响应。所使用的样品具有易受边缘效应影响的特点，可以在后续制造中加以解决。
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