高纯锗是一种半导体材料，纯度非常高，杂质浓度一般在1010原子/cm3的水平，相对纯度达到了99.9999999999%（俗称12个9），这一纯度是人们熟知的万足金（99.99%）的一千万倍。

1，区域精炼

最初的原料是电子级多晶锗“金属” （因其外观像金属）。其在有热解石墨涂层的石英“船” 中进行区域精炼。区熔的原理是当物质开始凝固时，大多数杂质集中在液相中。

区域精炼机的射频（RF）加热线圈熔化了在石英“船” 中保持的锗锭或锗棒的一小部分。射频（RF）线圈沿锗锭的长度缓慢移动，导致线圈下方的液化部分也移动。

因此，锗锭在前进的固液界面上不断熔化，在后界面处冻结。

杂质倾向于留在熔体中。通过这个过程，“扫”到铸锭的一端。

这种“清扫”操作被重复多次，直到杂质集中在铸锭的一端。

最后将该端移走，剩下的部分比原来的原材料要纯净得多。

图2是三线圈区精炼机在运行中。在这个过程完成时，实际实现的杂质浓度的改善或减少大约是100倍或更多。

图3是一个区域精炼的锗锭。锥形端含有高浓度的杂质被切断。

然后通过霍尔效应测量确定剩余部分的杂质浓度，并且把铸锭切成片，装载到晶体生长设备中。

2，晶体生长

利用提拉法生长大的锗晶体。如图4。

将精确切割的籽晶浸入熔融锗中，然后缓慢撤回，同时保持熔体温度高于凝固点。

调整晶体的退缩速率和温度以控制晶体的生长。

适合于制造探测器的高纯度锗晶体总是生长在氢气下的石英坩埚中。

在生长接近完成时，晶体尾部逐渐变细，以最小化热应变。

晶体必须生长熔体耗尽，因为锗在凝固时会潮解坩埚和膨胀。

如果晶体生长完成后，石英坩埚中留下任何锗，则可能会损坏昂贵的坩埚。

3，晶体切割

在晶体生长和冷却后，它被安装石膏中切割。

图6是正在被切割的晶体。

完整的晶体由线锯切割，几乎不会对晶体造成损害。

水和碳化硅浆料通过导线拉动，从而产生锯切作用。通过霍尔效应测量晶体的顶部和底部截面，以确定杂质浓度和类型（N或P）。

根据霍尔效应的结果，选取达到探测器级材料的晶体部分。不合格的材料返回区域精炼操作。

4，探测器制造

对于同轴探测器的制造，晶体要具有足够的纯度和晶体完整性，而且是完全圆柱形的。晶体的一端斜切成一定弧度，以提高电荷收集和时间性能。

图7为磨削操作。

然后，在晶体底部打孔，以后加工探测器的中心电极。

探测器随后被手工研磨，以消除由加工过程引起的损坏。

P型同轴探测器，在外表面进行进进锂漂移以形成n+电极，这种锂漂移的厚度大概是 600 μm 微米。

在锂扩散操作之后，探测器再次研磨，化学抛光，并添加表面保护涂层。

涂层是通过溅射工艺沉积的非晶锗氢化物。

接着，通过硼离子的注入形成P+电极。

这是同轴探测器晶体本身制造工艺的最后一步。

图8是p型和n型同轴探测器的结构示意图。

然后，探测器晶体准备安装在低温恒温器中。

低温恒温器的基本功能是将锗探测器冷却到其近液氮的工作温度。

为了获得最佳性能，前置放大器的第一级也被冷却到低温，整个冷组件由低温恒温器保持在高真空下，用于隔热和保护内部部件免受污染。

低温吸附材料（分子筛）吸收残余气体，可维持长时间的真空。

探测器周围的所有材料应尽可能减少光子散射。所以选用低Z材料，

常用的有铝、镁、铍、特氟隆和聚酯薄膜。

一个高纯锗探测器的诞生！

因为在制造过程中的许多步骤都可能出现问题，探测器出厂之前在一个 “回路” 中可能花费很长的时间。最终走出迷宫。

参考资料：

1，High-Purity Germanium (HPGe) Detector Manufacturing.     https://www.ortec-online.com/

2，Germanium Detectors User's Manual. http://www.canberra.com

3，W.L. Hansen, E.E. Haller, and G.S. Hubbard, “Protective Surface Coatings on Semiconductor Nuclear Radiation Detectors,” IEEE Trans. on Nucl. Sci. NS-27, No. 1, 1980.

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