摘要：1982年秋，埃米利奥・加蒂（Emilio Gatti）和帕维尔・雷哈克（Pavel Rehak）想出了一个绝妙的主意——研发半导体漂移室；到1983 年，他们公布了基于这种新型电荷传输方案的首批实验结果，并在 1984 年发表了相关论文。25年后再看，硅探测

1982年秋，埃米利奥・加蒂（Emilio Gatti）和帕维尔・雷哈克（Pavel Rehak）想出了一个绝妙的主意——研发半导体漂移室；到1983 年，他们公布了基于这种新型电荷传输方案的首批实验结果，并在 1984 年发表了相关论文。25年后再看，硅探测领域的一个新纪元，正是从这时开始的。

这篇文章我想以个人视角，回顾这项发明的诞生，以及后续那些让硅漂移探测器能在科研和工业技术中广泛应用的发展工作。

翻文献能找到很多记录，讲硅探测器在不同领域的发展里程碑，也有几篇综述专门讲硅漂移探测器的发展。写这篇文章时，我心里挺有压力——毕竟是要纪念25 年来的努力和研发，正是这些工作让一种全新的探测器理念，变成了X射线光谱学里的主流探测器，不管是实验室研究还是工业应用都离不开它。

文章内容主要来自已发表的文献（里面很多事都是我还没入行时发生的），不过也加了一些相关研发负责人直接提供的信息。至于硅漂移探测器发展的后期，因为我直接参与过部分研发，所以这部分描述可能会带点个人倾向。有太多科学家、朋友和同事为这项技术出过力，篇幅有限，我没法把所有人都提到，但我的个人回顾里，从没忽略过那些让技术能落地的点点滴滴的贡献。

这篇文章不会细讲太多技术细节，更侧重从历史角度梳理，结构大概是这样：先说说 20 世纪 80 年代前，固态探测器已经发展到什么水平；再聚焦 80 年代初的变革——当时平面工艺被用到硅探测器制造里，算是开了个新局面；接下来，讲 “横向耗尽” 这个理念是怎么来的，正是它为 1983 年硅漂移探测器的诞生铺了路；然后，梳理硅漂移探测器自己的发展过程；最后简单说说从 “横向耗尽” 理念衍生出来的各种器件。要说明的是，这里只聊基于硅工艺 “漂移” 理念的探测器，其他研究团队在别的材料上做的相关工作，就不提了。

20 世纪80年代前：固态探测器的 “前传”

20世纪50年代初，单晶体开始能造出来了；没过多久，巴丁（Bardeen）、布拉顿（Brattain）和肖克利（Shockley）发明了双极结型晶体管，麦凯（McKay）接着就用锗做的点接触整流器，造出了一个晶体计数器。虽说这个计数器还不能当光谱仪用，但它意外推动了一件事——半导体器件开始被用来做核粒子探测器。那时候，硅pn结探测器和金-硅表面势垒探测器，都能稳定当粒子光谱仪用。一直到 70 年代末，几乎所有硅探测器都还是 “锂漂移探测器”。

图 | 1968年，Fitzgerald、Keil和Heinrich 在Science的一篇开创性论文中描述了一种用于电子探针分析 (EPMA) 的固态Si(Li) 能量色散光谱仪 (EDS)，其初始分辨率为600 eV。在SEM、STEM、XRD 和XRF领域都迎来了一个新时代。

差不多同时，70年代初，博伊尔（Boyle）和史密斯（Smith）提出了一种新的半导体器件概念——电荷耦合器件（CCD）（他们俩也因为这个发明，在今年拿了诺贝尔物理学奖）。CCD一开始被提议用来做移位寄存器、成像器件或者显示器件；但就算它在 “空间分辨率” 上很有潜力，当时高能物理领域的人也没马上接受它。

20 世纪 80 年代初：一场 “静悄悄” 的技术革命

80年代初发生了几件有革命性的事，直接给核探测器的发展打开了新大门。半导体探测器史上第一个 “里程碑级” 事件，出在1980年：当时已经在慕尼黑工业大学工作了10年的约瑟夫・肯默（Josef Kemmer），想了个新办法——把“平面工艺”用在探测器制造上。这种工艺最早是费尔柴尔德公司的赫尔尼（Hoerni）开发的，本来是用来做二极管和晶体管的。

这种工艺好在哪？给探测器表面做 “氧化物钝化”，能减少漏电流；用离子注入技术，能做出 “非对称近突变pn结”，这样探测器的 “死层”（对探测没用的部分）就能变簿。

约瑟夫在他自己写的一篇论文里（只用了不到一栏的篇幅，就说清了探测器的制造方法）提到：“平面工艺在电子器件制造里已经是成熟又好用的技术了，但到现在，没人怎么试着把它用在辐射探测器上。” 论文最后他还说：“用平面工艺造硅辐射探测器，能通过改善载流子寿命、消除表面漏电流，把反向电流做得特别小；探测器芯片的电学参数和尺寸公差也小，适合拼成多探测器系统 —— 这用别的方法很难做到。而且漏电流小，就算在室温下，也能高精度分析高能粒子或 X 射线的能量。”

现在看，这话太有预见性了——后来所有新型探测器，都是在这个技术基础上造出来的。可惜约瑟夫2007年就去世了，不管是做探测器的同行，还是整个科学界，都特别怀念他。

Josef Kemmer

平面工艺一出来，就能造 “精细分段探测器” 了—— 这种探测器能在 “位置探测” 上替代原来的多丝正比室（MWPC）。要知道，高能物理领域特别需要 “高精度跟踪探测器”：这种探测器得离粒子相互作用的地方近，才能准确识别从 “衰变顶点” 出来的粒子，这种需求也推着大家赶紧研发新探测器。把探测器的金属电极分成一条条 “条带”，能比整个探测器的电极电容小不少。

就像图1里显示的：在没有 1/f 噪声、用 “三角成形” 技术，而且探测器电容和前端电子设备的输入电容匹配的情况下，“最佳等效噪声电荷（ENC）” 和 “最佳成形时间”（也就是能得到最小噪声的成形时间），都和探测器电容有关系。所以想提升能量分辨率、提高计数率，关键就是把探测器电容做小。

图 1 | 横坐标是探测器电容（单位：法拉 F），范围从 10⁻¹⁴F 到 10⁻⁹F；左边纵坐标是最佳等效噪声电荷（单位：电子），从 0.1 到 1000；右边纵坐标是最佳成形时间（单位：秒 s），从 10⁻⁸s 到 10⁻¹s；图里有三条曲线，分别对应 6mm²、15mm² 和 5cm² 的 pn 二极管。）

1983年：硅漂移探测器的诞生

其实很早以前，大家就想造一种 “半导体版气体漂移室”，用来跟踪粒子。

硅漂移探测器能造出来，核心是要解决一个问题：怎么通过一小块 “接触区”，让半导体的 “体区” 完全 “耗尽”（简单说就是让半导体里的载流子都被 “赶光”，变成能探测辐射的状态）。

当时在意大利米兰理工大学当电子学全职教授的埃米利奥・加蒂，正琢磨这事 —— 他想造一个高阻值电阻，用来做低噪声的前端电子设备，就需要让半导体完全耗尽。从 1973 年开始，加蒂每年秋天都会以客座科学家的身份，去美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的仪器仪表部。1982 年秋天，他在那里提出了 “全耗尽电荷耦合器件” 的想法。

差不多同时，在布鲁克海文国家实验室物理系当物理学家的帕维尔・雷哈克（1995年他转到了实验室的仪器仪表部），正在想办法解决 “埋沟 CCD” 的局限 —— 那时候这种 CCD 已经开始用来做粒子探测器的位置跟踪了。图 2 就是埃米利奥和帕维尔在德国埃尔毛城堡（Schloss Elmau）开的 “欧洲半导体探测器研讨会” 上的合影。

图 2 | 左边是帕维尔・雷哈克，右边是埃米利奥・加蒂，拍摄于德国的欧洲半导体探测器研讨会。

硅漂移探测器（还有相关器件）的核心是 “横向耗尽” 这个革命性想法 —— 简单说，就是通过一个极小的 “虚拟电极”（这是原文里的叫法），让半导体衬底完全耗尽。25 年后再看，这其实是个很自然的耗尽方式：把pn二极管的 p⁺注入区，延伸到晶圆的另一面，同时把 n⁺接触（也就是 “虚拟电极”）缩到特别小的一块区域。因为晶圆两面都有 “整流结”，所以只要加标准 pn二极管四分之一的电压，就能让衬底完全耗尽。

但更让人惊喜的是 “虚拟电极” 的电容变化：就像图 3a 里画的，没耗尽的时候，“晶圆中间没耗尽的硅，就像两个电极之间的‘浮着的导体’，它的电容相当于两个电容串起来——一个是第一个 p⁺电极和中心沟道之间的电容，另一个是中心沟道和另一个 p⁺电极之间的电容”。等快耗尽的时候，探测器中间的 “导电沟道” 会缩回去（如图 3b），电容就会突然掉下来；电压再高一点，剩下的电容就是 n⁺接触和 p⁺电极之间的最小电容了。

为了验证 “横向耗尽” 到底行不行，他们决定造一个硅测试器件：BNL 的 H. 克兰纳（H. Kraner）提供了高纯度硅晶体，当时在 BNL 当仪器技术助理的 R.H. 比特滕米勒（R.H. Beuttenmuller）负责做这个测试件。只用了两天，测试件就做好了，而且真的验证了他们的想法。

图 3 | a 是横向耗尽没开始时的示意图；b 是完全耗尽时的示意图；c 是测试横向耗尽的圆盘形硅器件示意图，标注了金（p⁺势垒）、铝（n⁺接触）、n 型硅，尺寸 300μm、9mm，注明 “没按比例画”；d 是虚拟电极电容随电压变化的曲线，能看到电容在耗尽电压处骤降。

图 3c 是原文里画的测试件示意图：衬底是 n 型硅（电阻率 10¹²Ω・cm），在晶圆两面蒸发金（形成表面势垒），做出整流用的 p⁺n 结；沿着晶圆的圆形边缘，蒸发了 6 个独立的铝电极（当 n⁺接触）。图 3d 是测试件里 n⁺电极和两个 p⁺结之间的电容，随外加电压变化的曲线 —— 能清楚看到，电压到 “耗尽电压” 时，电容突然往下掉。

虽然那时候测的电容，已经比当时主流探测器小很多了，但还是比如今 SDD 的阳极电容大至少 10 倍。后来在更复杂的结构里，耗尽时也看到了类似的电容骤降。

不过还有个问题要解决：完全耗尽的晶圆，容易因为 “电子-空穴对热产生” 变得不稳定 —— 说白了就是，怎么把 “信号电子” 送到收集电极去。埃米利奥和帕维尔一起紧锣密鼓地忙了 4 天，想出了三种新的探测器结构。帕维尔的想法是，在 “耗尽场” 之外，再叠加一个外部静电场。这样一来，半导体里形成的 “电势沟槽” 会倾斜，辐射产生的电子就能从产生的地方，稳稳地飘到阳极。就像他们说的：“快粒子穿过探测器，到阳极产生信号，中间的时间差就是电子在‘飘’（漂移）；测这个时间差，就能像气体漂移室那样，算出快粒子产生的位置和阳极之间的距离”。硅漂移探测器，就这么诞生了。

这种最早叫 “固态漂移室” 的概念，第一次公开是在1983年2月28日到3月 4 日，美国加州劳伦斯伯克利实验室（LBL）开的 “DPF 对撞机探测器研讨会：现有能力与未来可能” 上。同年6月3日到7日，在意大利开 “第二届比萨先进探测器会议” 时，他们做了个报告，标题是 “半导体漂移室 —— 一种新型传输方案的应用”，第一次公布了实验结果。1984 年，第一篇讲这种探测器概念和首次实验验证的论文（同时申请了专利），发表在了Nuclear Instruments and Methods in Physics Research上—— 到现在，这篇论文至少被引用了381次。

硅漂移探测器的基本结构很巧妙：在晶圆两面的表面，注入分成条带的 p⁺结，然后给这些结加逐渐升高的电压。这样一来，探测器内部会形成一个几乎均匀、而且平行于表面的 “漂移场”，在晶圆中心聚集的信号电子，会以恒定速度飘向 “读出阳极”。阳极的电容特别小，这就能实现 “低噪声” 的时间和信号幅度测量。

图 | 现代SDD的设计。a)带有集成n通道JFET的圆柱形SDD的横截面。中间的绿色环代表信号电子收集阳极，红色环是p+漂移环（场带），产生一个分级电场，迫使信号电子到读取节点。均匀辐射的入口窗口位于器件的背面，在这里可以看到p+的背接触。

LBL 先造了第一个漂移室，还用⁹⁰Srβ 源在器件的一小块区域做了初步测试。图 4 就是准直源射在不同位置时，示波器显示的波形 —— 能看到输出脉冲的峰值在 “挪位置”，这就证明信号电荷真的在漂移。

图 4 | 高斯成形放大器的输出波形，对应准直狭缝的四个位置：a 狭缝在阳极正上方；b 狭缝离阳极 0.5mm；c 离 1.5mm；d 离 2.5mm。）

1983 年 11 月 14 日到 16 日，在慕尼黑开 “第三届欧洲半导体探测器研讨会” 时，帕维尔公布了这些结果。没多久，慕尼黑工业大学造了第一个能稳定工作的硅漂移探测器；第二年，BNL 测了电子漂移的性能，结果发表在了文献里。图 5 是造出来的探测器 N 面的照片；图 6 是红外激光光斑射在不同位置时，成形放大器输出的脉冲序列 —— 这些脉冲的幅度和形状几乎一样，说明电子没有被 “困住”（无俘获），而且漂移性能很均匀。

图 5 | a 是第一个能工作的半导体漂移探测器 N 面的俯视图，两个 SDD 并排，共享中间的阳极区，左右两边还有两个阳极区，两个 SDD 的场电极间距不一样（150μm 带 50μm 氧化层间隙，100μm 带 20μm 氧化层间隙）；b 是阳极区的放大图。）

图 6 | 第一个能工作的 SDD，激光光斑射在不同位置时，成形放大器的输出脉冲，标注了不同的距离 d：0.25mm、1.00mm、1.75mm、2.50mm、3.25mm、3.85mm。）

硅探测的新纪元，就这么开始了。

5 硅漂移探测器的 “成长史”

硅漂移探测器的发展，有几个关键的 “里程碑”。比如 “多阳极硅漂移探测器”，就是把收集电极分成小块，这样就能测出电子横向作用的位置。

已经有好几个研究团队，针对高能物理和粒子物理实验，做了这种探测器的原型机。在实验室里测，沿着漂移方向的位置分辨率大概能到 2μm；在测试束里大概 10μm；实际实验里大概 20μm。不管哪种情况，要测二维位置，都得有个和辐射 “同步” 的外部触发信号。

1988 年，为了给欧洲核子研究组织（CERN）超级质子同步加速器（SPS）对撞机的 UA-6 实验升级，启动了第一个把 SDD 用在高能物理实验的项目。研究团队做了原型探测器，用红外激光和带电粒子束测试，都成功了，测出来的分辨率能到 15μm。虽然这个项目做完的时候，UA-6 实验已经结束了，但它为 SDD 在高能物理实验里用，铺了路。

1992 年，CERN 大型正负电子对撞机（LEP）上的 NA45 实验，成了第一个用 SDD 的实验。这个探测器的第一个版本叫 “沃尔姆探测器”（用了研发者彼得・沃尔姆（Peter Wurm）的名字），是BNL在3英寸硅晶圆上做的——晶圆厚 280μm，是圆形的，外圈有 360 个收集阳极，有效面积 32cm²，中间留了个洞，让没发生相互作用的粒子束能过去。探测器内部的电势分布，形状像马戏团的帐篷，具体设计看文献。

这个实验一直做到 2000 年，期间探测器升级到了第二个版本（叫 AZTEC 探测器）—— 用 400mm 硅晶圆做的，有效面积涨到 55cm²，而且收集电极设计得很巧妙，优化了 “方位角位置分辨率”。AZTEC后来成了 CERN NA45 和 WA98 实验 “微顶点探测器” 的核心部件。

第二个用 SDD 的实验，是 2001 年在美国 BNL 相对论重离子对撞机（RHIC）上的 STAR 实验。这个实验用的SDD是 “蝶形” 结构，探测器每一半有 240 个收集阳极，用的是 400mm 的掺氮硅（NTD）晶圆——电阻率 3kΩ・cm，厚 280μm，有效面积是两个 6.3cm×6.3cm。

随着有效面积变大、衬底材料改进，又做出了适合 CERN 大型强子对撞机（LHC）ALICE 实验的 SDD。最终的器件还是蝶形结构，用500mm掺氮硅晶圆做的——电阻率3kΩ・cm，300μm；每个探测器有512个收集阳极，有效面积 7.02cm×7.53cm。

SDD 有个很突出的优点 —— 电容小，这让它在光学领域也有用武之地，比如做低噪声的光电二极管。不过这种应用里，探测器至少有一面得用 “均匀注入层”，当薄的 “入射窗”。

在 SDD 概念出来几年后，肯默、卢茨（Lutz）和他们的同事提出了一种新结构，叫 “低电容漂移二极管”—— 特点是 “正面是大面积 p⁺n 结，只在背面做 p⁺和 n⁺的图形”。这种探测器只要在背面引出阴极和阳极的电线就行，所以也适合读 “闪烁光”（比如 scintillator 发出的光）。但问题是，均匀的 p⁺接触会让 “最大漂移长度” 和 “能加的漂移场” 之间有点矛盾 —— 因为电势最小值的位置是 “锥形” 的。

为了解决这个问题，90 年代末又有人提出了一种新的硅漂移光电二极管—— 这种二极管 “和闪烁晶体贴在一起的那一面，不用接任何电线”，而是 “两面都做几乎一样的环形结构，每个环加逐渐升高的电压，这样就能形成需要的高漂移场”。

1989 年，SDD 的发展又迈了一步：有人在探测器的衬底上（更准确说是在探测器内部）集成了晶体管。选的是 “单侧边结型场效应晶体管（SSJFET）”，掺杂是用离子注入做的。要在完全耗尽的衬底上做这种晶体管，还得和探测器共用一套制造工艺，挑战不少；但最后器件还是正常工作了 —— 而这正是发挥阳极低电容优势的关键，也让 SDD 能用到高分辨率 X 射线光谱学里。

后来大家对最初的 “线性结构” 做了不少改进。因为光谱学用的探测器，只要测辐射的能量，不用测作用位置，所以把漂移场设计成 “方位角对称” 的 —— 用圆形的同心漂移环就行。探测器有效区里任何地方产生的电子，最后都会被中心的环形阳极收集。探测器背面用均匀的 p⁺注入层，当辐射的薄入射窗。片上的前端晶体管，就放在探测器中心、阳极环的里面。

2002年，为了把性能做到极致，大家改了圆形结构，把阳极和片上的 JFET 移到了探测器有效区的边缘 —— 这种新结构叫“液滴型硅漂移探测器（SD³）”。这么改有两个好处：一是阳极不用再装晶体管了，能做得更小；二是晶体管也能缩小，这让阳极电容进一步降到了 120fF。而且阳极在有效区边缘，容易做辐射屏蔽，“峰背比”（信号峰和背景的比例）也跟着提高了不少。。

SDD 在 X 射线光谱学里的性能是真的厉害：在 10℃的工作温度下（用珀尔帖制冷），测锰的 Ka 线（Mn Ka），能量分辨率能低到 125eV（相当于等效噪声电荷 ENC 只有 4 个电子的均方根），计数率能到 200kcps（每秒 20 万个计数）；最大计数率甚至能到 10⁶cps，峰背比大概是 10000:1。对于 450μm 厚的 SDD，在 0.3-10keV 的能量范围里，“量子效率”（能探测到的光子比例）超过 90%；现在商用的 SDD，已经能探测硼的 K 线（183eV）了。它的抗辐射能力也强，能承受超过 10¹⁴个钼 K（Mo K）光子的照射。

单个 SDD 单元还能拼成阵列，总面积和形状能按需求定。比如为了在紧凑型高分辨率 X 射线荧光（XRF）光谱仪里，尽量扩大荧光的收集 “立体角”，有人把 12 个普通圆形 SDD，或者 4 个液滴型 SDD，围着中心的洞排成一圈——这个洞是让激发束通过的。

2004 年 1 月，美国 NASA 的 “勇气号”（Spirit）和 “机遇号”（Opportunity）火星车，在火星不同地方着陆，开始做科学任务：研究火星的地质，找水的痕迹，为未来载人火星任务探路。火星车上装了不少仪器，其中就有一台 “α 粒子 X 射线光谱仪（APXS）”，里面用了一个 10mm² 的 SDD 来测 X 射线。和之前 “探路者号” 火星车搭载的光谱仪（用的是传统pn探测器）比，SDD 让性能提升了一大截。

现在最新的研发方向之一，是做SDD阵列，想用到月球探测任务里——通过 X 射线荧光，远程给月球表面做 “元素成像”。2009 年 6月7日到11 日，在德国维尔德巴德克罗伊特开 “第11届欧洲半导体探测器研讨会” 时，帕维尔公布了这个方向的最新结果。

从肯默和卢茨最早提出想法后，圆形结构的SDD从1997 年开始，也成功用来做 γ 射线成像里的 “闪烁光光电探测器”。最近，在意大利国家核物理研究所弗拉斯卡蒂国家实验室的 DAFNE 正负电子对撞机上，有个叫 SIDDHARTA 的实验，做了一个用 SDD 拼成的探测头，用来做 X 射线光谱学研究。这个实验是想研究 “奇异原子”（比如 Kaonic 氢、Kaonic 氘、Kaonic 氦）的特性，对探测器的要求特别高：能量分辨率要好、长期工作要稳定、线性要好，还得能在 “背景计数率是有用信号几千倍” 的环境下工作。

另外，电子的 “迁移率”（飘移速度相关）受温度影响大，所以必须有个可靠的 “在线校准” 方法，来测电子的漂移速度。为此，1990 年有人第一次设计并测试成功了 “MOS 电子注入器”——现在所有用来测位置的 SDD，都装了这种注入器。

90 年代初，SDD 的设计还有个大改进：帕维尔想办法减少了电子云在漂移时的 “展宽”（扩散变大）。他提出的 “沟道阻挡型硅漂移探测器”（现在叫 “多线性硅漂移探测器”），是用制造全耗尽 pn-CCD “沟道阻挡层” 的工艺，来实现 “横向约束”—— 在平行于漂移方向的地方，加 “深p注入区”，形成横向的 “势垒”，这样就像做出了一组几乎独立的 “单沟道线性 SDD”。

我很荣幸，在做硕士论文的时候，参与过这种探测器的 “表征”（性能测试）工作——这也是我第一次接触 SDD，从此开启了我在这个领域的研究之路。1995 年 2 月，我们第一次通过实验证明，“沟道阻挡注入层” 真的能抑制电荷云的横向展宽；1995年6月，Andrea Castoldi在埃尔毛城堡开的 “第七届欧洲半导体探测器研讨会” 上，公布了这个结果。

荷兰代尔夫特理工大学的 R.W. Hollander和他的同事，则用了另一种方法来抑制横向扩散：他们改了场电极的设计，把原来的平行条带，改成了 “锯齿形”。

从 “横向耗尽” 衍生出的 “器件家族”

1984 年 2 月 24 日，有人为探测器概念申请了一个专利，名字叫 “通过空间电荷场和电极电压场的共同作用，实现全耗尽半导体中载流子的传输与收集”。除了用来测位置和能量的 SDD，“这个发明还有个目标，是做出全耗尽电荷耦合器件”。

“横向耗尽” 这个原理，不光有创新性，还特别 “能生”—— 后来十几年里，基于它的各种探测器原理和结构，陆续被发明出来。图 7 就是基于这个原理的 “器件家族树”。篇幅有限，没法细讲每个器件的工作原理和发展过程，只能简单说下它们的核心想法和关键进展。

图 7 | 1983 年加蒂和雷哈克提出横向耗尽原理后，衍生出的探测器家族树，包括 SDD（圆形、液滴型）、全耗尽 pn-CCD（常规型）、DePMOS 阵列、受控漂移探测器等。）

卢茨・施特鲁德（Lothar Strüder）和他的团队，专门做 “全耗尽 pn 型电荷耦合器件（pn-CCD）”。和加蒂、雷哈克专利里的原始想法比，他们 “在 p⁺传输寄存器下面和氧化物下面，注入了深 n 沟道”—— 这样能 “减少 n 型硅隔开的 p⁺结之间的‘穿通’（电流漏过去），还能形成引导电子的沟道”。1986 年 3 月 3 日到 5 日，在慕尼黑开 “第四届欧洲半导体探测器研讨会” 时，他们第一次公布了设计；没多久，又报道了能工作的结构的实验结果。

从那以后，相关研发进展特别快，最后做出了 “晶圆级” 的探测器 —— 有效面积 36cm²，而且没有任何缺陷。这种探测器是把 12 个 pn-CCD，单片集成在 4 英寸硅晶圆上，像素尺寸 150μm×150μm，是为欧洲 “X 射线多镜面卫星（XMM-Newton）” 上的 “欧洲光子成像相机（EPIC）” 焦平面仪器做的。

1999 年 12 月 10 日，这颗卫星从欧洲空间局（ESA）的库鲁发射基地成功发射入轨。从那以后，这个 pn-CCD 相机一直在拍宇宙的 X 射线图像，光谱学和成像性能都特别好。它工作起来又可靠又稳定，能用地面校准的参数直接运行；过去 10 年里，在 6keV 能量处的最大能量误差，只在 2eV 以内。

最近，德国马克斯・普朗克学会 “自由电子激光科学中心” 下属的 “高级研究小组”，做了一种更大面积的 pn-CCD—— 适合未来 “自由电子激光光源”（能量从真空紫外 VUV 到硬 X 射线）的各种应用。这种探测器的有效面积是 7.6cm×7.6cm，分成两半，中间有个直径 2.4mm 的洞，让激发束通过；每一半的像素是 512×1024 个，每个像素 75μm×75μm。

今年（2010 年），会开始做更大的单片探测器——有 1024×1024 个像素，以后会用来拼 400 万像素的 X 射线相机，有效面积能到 236cm²。

1986 年，肯默和卢茨把 “横向耗尽” 和传统的 “p 沟道增强型 MOSFET” 结合，提出了一种新的 “探测器-放大结构”，叫 “耗尽型p 沟道金属氧化物半导体（DePMOS）晶体管”。

1989 年，有人第一次报道了验证它工作原理的实验结果。从这个开创性工作开始，相关研发做了很多；现在 DePMOS 探测器阵列，正在为 “贝皮科伦布（BepiColombo）” 任务的 MIXS 仪器焦平面，以及 IXO/WFI 卫星任务研发。另外，“背减薄” 的 DePMOS 传感器，也在为 “超级贝尔（SuperBelle）” 实验升级和国际直线对撞机（ILC）的顶点探测器做设计。

还有人成功把 SDD 和 DePMOS 的概念结合起来 —— 把 “DEPFET（耗尽型场效应晶体管）”，当成漂移环结构中心的 “读出元件”。

未来几年有个有挑战性的项目：为 X 射线自由电子激光（XFEL）装置，做一个 5MHz 的成像仪（预计 2014 年能用）。这个加速器的 “束团结构” 要求，每 200 纳秒就得拍一帧图像（也就是帧间隔200ns）。DSSC 联盟正在研发一套基于 DePMOS 传感器的探测器系统，用了“信号压缩” 技术 —— 每个像素里都集成了自己的前置放大器、模数转换器（ADC）和本地存储器。传感器矩阵有 1024×1024个六边形像素，边长136μm；要同时实现 5MHz 帧频、1keV以下的单光子分辨率，还要有高动态范围，这已经在挑战现有技术的边界，需要探索新方法。

“横向耗尽” 衍生出的最新器件，叫 “受控漂移探测器”—— 它既有 SDD 的优点（通道少、信号电荷读得快），又有 CCD 的 “成像能力”。

1995 年 5 月，在埃尔毛城堡开 “第七届欧洲半导体探测器研讨会” 时，帕维尔听了 “沟道阻挡型 SDD” 的表征结果报告后，第一次有了做 “受控漂移探测器” 的想法。那些积极的测试结果，让他想到：在原来的结构上，加 “能外部切换的纵向沟道阻挡层”。

他是这么说的：“当纵向沟道阻挡层打开时，探测器会把电荷存在不同的像素里，就像全耗尽 pn-CCD 的像素一样 —— 这是新器件的‘积分阶段’，电荷在像素里存着，不管存多久，位置信息都不会丢；当纵向沟道阻挡层关掉时，探测器就变成了‘横向扩散受限的 SDD’（也就是多线性 SDD），积分阶段存的电荷会以 SDD 特有的速度飘向阳极。从关掉沟道阻挡层到电子到阳极的时间（漂移时间），就能确定电荷是从哪个像素来的 —— 新探测器的想法就这么来了”。

基于这个想法，我很荣幸参与了第一批结构的设计；1997 年 9 月，我们在米兰第一次证明，这些 “可切换的纵向沟道阻挡层” 真的能控制电子漂移 —— 通过外部控制电极，既能造出阻挡漂移的势垒，也能恢复让信号电荷飘向收集电极的 “线性电势”。到现在，已经设计并成功运行了有效面积 3cm×3cm 的受控漂移探测器。

同样的探测器设计，也给德国 “ABRIXAS” 卫星任务做过，但可惜这颗卫星发射后就丢了（和地面失去联系）。

结语

这篇文章的结语，我想这么写：未来 25 年，我们还要继续 “漂移”，朝着新型探测器的挑战和设计前进。就像加蒂和雷哈克在他们的专利里写的：“本发明的其他目标和优势，会让业内人士慢慢明白”。

可惜的是，以后再也得不到帕维尔・雷哈克那出色又有创造力的贡献了 —— 他在 2009 年 11 月 5 日英年早逝。帕维尔是个充满热情的物理学家，在好几个物理领域都有深厚的知识，对探测器概念的直觉和创造力更是少见。整个探测器领域的人，都会怀念他在报告和研讨会上举手提问、发表看法的样子。

参考资料 The first 25 years of silicon drift detectors: A personal view

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

来源：芯片测试赵工