在過去的十年中，X 射線光子計數(shù)型探測器已經(jīng)被證實是 X 射線成像領(lǐng)域的一項顛覆性技術(shù)，其主要特點是面積大、像素數(shù)量多、讀出時間短、動態(tài)范圍寬、無暗電流、無讀出噪聲以及出色的點擴展函數(shù)。隨著高原子序數(shù)半導(dǎo)體(如CdTe、CdZnTe、GaAs)的制造技術(shù)不斷改進，如今已達(dá)到探測器級質(zhì)量，使其用作直接探測層成為可能，將良好的探測靈敏度擴展到更高的 X 射線能量，從而為 X 射線成像領(lǐng)域的發(fā)展提供了更多的可能性。

通常這些半導(dǎo)體材料的幾個重要性能需要被考慮，以此決定適用于哪一種應(yīng)用領(lǐng)域，包括晶體質(zhì)量、平均原子序數(shù)、平均電離能、電阻率、載流子遷移率、能帶間隙、熒光問題等等。下圖總結(jié)了三種半導(dǎo)體材料的相關(guān)性能并給出了吸收效率曲線。GaAs 與 Si 相比有著更高的平均原子序數(shù)，說明對中、高能射線的吸收效率更好，更寬的能帶間隙意味著更低的暗電流以及更好的耐輻照性，更快的電子遷移率代表著更好的電荷收集效率。GaAs 與 CdTe 相比熒光概率更小且熒光光子距離短(GaAs 50%, 11-12 keV vs CdTe 85%, 26-31 keV)，且更優(yōu)的輻照穩(wěn)定性意味著更高的成像質(zhì)量。

制造新型 Cr 補償 GaAs 傳感器首先需要由通過 LEC  (Liquid Encapsulated Czochralski)法生長 n 型 GaAs 晶圓，獲得 3 英寸或 4 英寸的高質(zhì)量晶圓。GaAs 晶圓再經(jīng)退火、拋光、光刻、濺射、切割、倒裝焊等步驟制成新型 Cr 補償 GaAs 探測器，如下圖所示。與傳統(tǒng)的利用勢壘結(jié)構(gòu)的空間電荷區(qū)的 GaAs 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)不同，新型 Cr 補償 GaAs 半導(dǎo)體通過高溫擴散將 Cr 摻雜到 n 型 GaAs 的外延層。在經(jīng)過補償?shù)陌雽?dǎo)體中，耗盡區(qū)的概念不再有效，因為電場分布不再受空間電荷區(qū)中離子濃度的影響，而僅由半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中電阻值分布的均勻性決定，電場在整個材料中基本上是均勻的。由于電荷輸運通常受到引起額外噪聲的電荷捕獲的影響，如果材料不是完美的晶體，晶界和位錯可能會使電荷偏離其正常的傳輸模式而引起空間畸變。目前的 Cr 補償工藝已成功應(yīng)用于厚度達(dá) 1 mm 的 GaAs 傳感器，其電阻率值在室溫下超過 109 Ω*cm。

目前，Advacam 原傳感器技術(shù)團隊-Advafab 公司傳感器制造業(yè)務(wù)全線升級，除了能制造高質(zhì)量的 Si 和 CdTe 傳感器之外，Advafab 還研發(fā)了新型 Cr 補償 GaAs 傳感器。我們可向客戶提供高質(zhì)量像素探測器模塊產(chǎn)品和輻射傳感器制造及半導(dǎo)體集成服務(wù)的全線半導(dǎo)體解決方案：Top-Unistar和Advacam聯(lián)合推出光子計數(shù)、像素化X射線探測器探測模塊加工解決方案

由于 GaAs 的高電阻率，傳感器采用無保護環(huán)設(shè)計，這樣的無邊緣 GaAs 傳感器是大面積無縫拼接的必要核心部件。在讀出芯片和傳感器連接過程中，采用低溫 In-Sn 焊點，使得探測器模塊獲得最好的連接效果，提高了工作像素的良品率。如下圖所示，Advafab 利用 500μm 的 GaAs 傳感器和 Timepix 讀出芯片制成的探測模塊對 PCB 和花朵成像，能清晰拍攝出它們的內(nèi)部細(xì)節(jié)。

得益于新型 Cr 補償 GaAs 傳感器適中的平均原子序數(shù)、較快的電子遷移率、輻照穩(wěn)定性以及低熒光產(chǎn)額，它在高通量 X 射線成像和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有著重要的研究價值。特別是相較于其他高原子序數(shù)材料 CdTe 和 CdZnTe，GaAs 表現(xiàn)出更強的輻照穩(wěn)定性(更少的極化)。Advafab 已經(jīng)利用 500μm 的 GaAs 傳感器和 Timepix2 讀出芯片制成的探測模塊進行了初步測試，在長時間受高通量 X 射線輻照下，探測器整體呈現(xiàn)出較好的均勻性和輻照穩(wěn)定性，且信噪比的中值高達(dá) 2000，如下圖所示。只有很少一部分像素的計數(shù)值下降 10-20%，可能是由于長時間輻照后俘獲的載流子累積導(dǎo)致的電場退化，以此造成計數(shù)率降低。（邊緣 mask 區(qū)域是良品率問題而出現(xiàn)的像素缺陷）

參考文獻(xiàn)：

1. Tyazhev A V, Budnitsky D L, Koretskay O B, et al. GaAs radiation imaging detectors with an active layer thickness up to 1 mm. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2003, 509(1-3): 34-39.

2. Fiederle M, Procz S, Hamann E, et al. Overview of GaAs und CdTe pixel detectors using Medipix electronics. Crystal Research and Technology, 2020, 55(9): 2000021.

3. Zambon P, Gkoumas S, Taboada A G, et al. Spectral and DQE performance of 300 μm and 500 μm thick GaAs: Cr X-ray photon counting detectors for imaging applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2021, 992: 165046.