CN102695967A - 3d沟槽电极检测器 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种三维（3D）沟槽检测器以及制造该检测器的方法。3D沟槽检测器包括：具有彼此相隔一主体厚度的第一表面和第二表面的半导体材料的主体，3D沟槽形式的第一电极、以及3D柱形式的第二电极。第一电极和第二电极沿主体厚度延伸至主体中。第一电极和第二电极彼此相隔预定电极距离，并且第一电极大致上沿两个电极延伸到主体中的整个距离环绕第二电极，使得这两个电极基本上彼此同心。制造方法包括围绕主体外围掺杂第一窄且深的区域，以形成第一电极，并且在主体的中心掺杂第二窄且深的区域，以形成第二电极。

Description

3D沟槽电极检测器

相关申请的交叉参考

本申请要求于2009年10月19日提交的美国临时申请第61/252,756号的35U.S.C.119(e)的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

政府许可权利的声明

本发明根据由美国能源部签署的合同号DE-ACO2-98CH 10086在政府的支持下做出的。美国政府对本发明具有一定权利。

技术领域

本发明涉及辐射检测器。具体地，本发明涉及三维检测器，其中，多个电极中的至少一个被配置为三维沟槽电极（three-dimensional trenchelectrode，三维凹槽电极）。

背景技术

辐射检测器是众所周知的，并经常用于各领域。虽然最初被开发用于原子、核子和基本粒子物理学，但是现在，在科学、工程和日常生活的许多其他领域都可以找到辐射检测器。可以出现辐射检测器的领域的一些实例为天文学成像、医学中的医疗成像（例如，正电子发射断层扫描）、以及高能物理学中的跟踪检测器、国家安全中的辐射跟踪成像等。在实验和应用粒子物理以及核工程中，辐射检测器是用于检测、跟踪、和/或识别诸如由核衰变、宇宙辐射产生的高能粒子或者通过粒子加速器中的反应生成的粒子的装置。为了检测辐射，辐射检测器必须与物质相互作用，并且必须记录该相互作用。用以检测辐射的主要处理是电离，其中，粒子与检测的介质的原子相互作用，并放弃其部分或全部能量用于电子电离（或者半导体中电子空穴对的生成）。直接（例如，通过正比计数器或固态半导体检测器）或间接（例如，通过闪烁检测器）地收集并测量由粒子释放的能量。因此，有许多不同类型的辐射检测器。一些更广为人知的辐射检测器是充气检测器、闪烁检测器、和半导体检测器。

充气检测器通常被称为气体计数器，并由两个电极之间的气体的灵敏体积组成。电输出信号与由气体积中的粒子或辐射事件沉积的能量成比例。闪烁检测器由发光材料（液体或固体）的灵敏体积组成，其中，通过检测由灵敏体积中沉积的能量所感生的光发射的装置来测量辐射。

半导体检测器通常包括放置在正电极（阳极）和负电极（阴极）之间的半导体材料的灵敏体积。入射的辐射或粒子通过与半导体材料的相互作用而被检测，这产生了电子空穴对。所产生的电子空穴对的数量取决于入射辐射/粒子的能量。偏压被提供给电极，从而向半导体材料施加强电场。在强电场的影响下，电子和空穴分别朝着正极（+）和负极（-）漂移。在电子和空穴的漂移期间，在电极处收集感应电荷。该感应电荷生成了可以由外部电路测量作为信号的电流。由于输出信号与通过半导体中的粒子或辐射事件沉积的能量成比例，因此电荷收集效率主要取决于入射辐射与半导体材料的相互作用深度以及所生成的电子和空穴的传输特性（例如，迁移率和寿命）。因此，对于检测器的最优操作（例如，最大信号和分辨率），理想的是收集所有电子空穴对（即，全耗尽）。但是，存在阻止半导体材料变成全耗尽的各个方面，因此阻碍了检测器的最优操作。半导体检测器主要以两种配置来制造：平面或二维（2D）或三维（3D）。

在图1A中，平面的2D辐射检测器10主要包括具有预定厚度d的掺杂有n型掺杂剂或p型掺杂剂的半导体材料的主体20。在半导体材料的第一表面22上形成的用第一掺杂剂（p⁺）重掺杂的第一区域限定了第一集电极30（或阳极）；并且在主体20的第二表面24上形成的用第二掺杂剂（n⁺）重掺杂的第二区域限定了第二集电极40（或阴极）。包含在第一电极30和第二电极40之间的主体20的区域形成了检测器的灵敏体积（称为耗尽区）。偏压被提供给集电极30、40。在辐射下，电离粒子90与主体20的灵敏体积反应，并生成一对电子60和空穴50。电子和空穴在施加的电压的影响下移动，并感生了可以被外部电路测量为信号的电流。

在2D检测器中，阻止全耗尽的一个方面是给定偏压下的半导体材料的厚度。具体地，电子和空穴（电荷）在被电极收集之前经历的漂移路径可以非常长。例如，一些电荷可以被生成为从集电极出发远至半导体材料的全厚度。在这种情况下，电荷收集可能花费很长时间。可选地，如果一些辐射生成的电荷靠近集电极发生，则电荷收集可以在相对短的时间内发生。收集的电荷所行进的平均距离被定义为“漂移长度”，而电子和/或空穴行进漂移长度并到达电极所需的平均时间被定义为“收集时间”。其中，感应电荷的收集时间取决于载流子速度，而载流子速度又取决于由所施加的电压生成的电场。因此，高电场（由此为高偏压）对于快速检测器响应和提高的电荷收集效率（CCE）是理想的。通过以超过全耗尽电压的偏压（例如，以“过耗尽”电压）来操作检测器可以减小收集时间。

阻止2D检测器中的全耗尽的另一个方面是辐射损害。例如，由电离粒子生成的电子空穴对所感生的信号与粒子所贯穿的半导体材料的厚度的倒数成正比。如果粒子在半导体材料的内部停止，则测量的电荷与粒子的能量成正比；否则，如果粒子贯穿了半导体材料，则测量的信号与粒子的能量损失成正比。粒子停止或能量损失的原因之一是由于电子与半导体材料的原子核的库仑作用（例如，散射）。具体地，在高能粒子与半导体材料相互作用时，半导体材料的一些原子从其正常晶格位置移位。原子的移位留下了空位，空位与间隙（移位）位置的原有原子构成了弗伦克尔对（Frenkel-Pair）。最初移位的原子的级联将引起更多的移位，并且在该过程中产生的空位和间隙能够在半导体中找到其自身或杂质，以形成稳定的点缺陷或缺陷群。点缺陷或缺陷群充当电子空穴对的捕获点（trappingsite）。捕获点能够捕获空穴或电子，并相对长期地保持其固定。尽管捕获点可以最终释放捕获的载流子，但是时间延迟通常足够长以延迟平均收集时间和/或防止载流子影响可测量的感应电荷。点缺陷和缺陷群还大大作用于由检测器全耗尽电压的显著增大所产生的半导体中的空间电荷。检测器全耗尽电压的增大，防止了2D检测器在给定的合理偏压中的全耗尽。

在高通量辐射环境中，诸如半导体材料中的载流子捕获的辐射作用显著减小了检测器的电荷收集效率。在高辐射通量，捕获点显著增加，这导致了不完全耗尽，并减小了电子和空穴的有效漂移长度。在主体厚度（即为电极间距）通常在300μm至500μm之间的传统2D辐射检测器中，在重辐射之后，可以将所生成的载流子的有效漂移长度减小至小于50μm。实际上，通常观察到，例如，在2D硅（Si）检测器中，在1×10¹⁶n^eq/cm²的辐射之后，有效漂移长度减小至大约20μm。因此，在高辐射水平下的传统2D检测器中，感应信号变得很小，甚至可能不可检测。

结果，显而易见的是，过高的偏压和/或极高的辐射水平不仅消极地影响检测器的电荷收集效率，还物理地损害检测器的半导体材料。在努力克服传统2D检测器中的上述问题时，已经开发了三维（3D）检测器架构。传统3D半导体检测器（以下被称为“3D检测器”）包括穿入检测器主体的薄圆柱电极的阵列。图1B示出了传统3D检测器的基本部件。

在图1B中，3D检测器100通常由诸如硅晶圆的半导体材料形成，并包括彼此以预定距离λc穿入主体中的多个圆柱形柱状电极。为了良好的电荷载流子检测，已经确认10μm的电极直径和电极之间大约50μm至100μm的间距是适当的。3D检测器的制造包括：在主体120中形成圆柱形空穴阵列，之后用预定掺杂材料和/或金属插在空穴的表面或内壁，以形成柱状圆柱形电极。在图1中，主体120具有预定厚度d，d可以在几百微米（μm）至几毫米（mm）的范围内。主体120通常由轻掺杂有预定类型的掺杂剂（p型或n型）的诸如硅的半导体材料的单晶制成。重掺杂有n型掺杂剂（n⁺）的第一电极150和重掺杂有p型掺杂剂（p⁺）的第二电极160穿过主体120，并通常贯穿从第一表面130到第二表面140的整个主体120。在图1B中，在半导体二极管结的背景下，根据主体120的掺杂剂的类型，在第一电极150和主体120之间或者在第二电极160和主体120之间形成有p-n结。例如，如果主体120为n型，则p-n结形成在第二电极160的表面与主体120的半导体材料交汇的区域中。在该情况下，第二电极160被认为为“结电极”。在所施加的电压（偏压）的影响下，用于电荷收集的电场主要是径向的，结电极周围的区域中的场浓度高并且靠近其他电极的区域中的场浓度低。

在3D检测器的灵敏体积上入射的辐射或粒子190在大致垂直于第一表面130的方向上进入主体120，并且当其沿主体120的厚度d在大致平行于电极150和160的路径中行进时产生电子空穴对。沿粒子190的路径所生成的电荷载流子（电子空穴对）朝电极150和160横向漂移。电荷载流子的漂移感生了在电极处被收集的电荷。结果，在3D检测器中生成的电荷载流子在被收集之前只需经过相隔电极很小的距离。由于3D检测器中电荷载流子的耗尽不再取决于半导体材料的厚度，而仅取决于电极间隔，因此3D检测器相比于其2D对手的一个优点在于检测器全耗尽电压独立于主体厚度。为了提高CCE，可以使电极间隔尽可能地物理上靠近。相比于2D检测器中遇到的漂移长度和收集时间，将电极放置在彼此相距短距离处，通常产生了显著缩短的平均漂移长度和减小了的收集时间。假定入射粒子的路径与电极大致平行，并且假定漂移长度短得多，因此，感应信号在3D检测器中比在2D检测器中检测得更快。

上述结构的直接后果是，3D检测器中的全耗尽电压对主体厚度不敏感，并取决于电极间隔。由于可以使电极之间的间隔非常小，因此相比于2D检测器中所需的电压，需要小得多的电压来使3D检测器全耗尽。另外，借助于这种减小的电极间距，可以极大地减小载流子捕获并提高了检测器的CCE。因此，显然，相比于传统2D检测器架构，3D检测器架构以低得多的电压偏压提供了更快的收集时间和更高的耐辐射性。然而，具体地在极高的辐射下，3D检测器仍然存在重大的缺点和不足。

3D检测器的至少一个这种不足是由于接近的电极间距引起的电荷共享。具体地，如上所述，为了提高CCE，传统3D检测器中的3D电极必须彼此非常接近的隔开。另一方面，相比于2D检测器，小的电极间距离意味着电极之间的较高电容。另一方面，在这种短的间距距离，在多元件（多像素）检测器中，经常发生相邻像素之间的电荷共享。为了限制相邻像素之间的电荷共享，在检测器的表面上容纳有金属格栅（也被称为“准直器”）。通常占据几百微米空间的金属格栅的应用，不利地增加了检测器的灵敏表面中的大死区。此外，在检测器表面上制造和实施金属格栅增加了检测器制造成本，使检测器操作复杂。

传统3D检测器的其他缺点是，在薄柱电极周围产生了高度不均匀电场以及在极高的辐射水平下半导体材料的辐射损害的可能性。具体地，电场在检测器的单位像元（像素）中是高度不均匀的，并且在极高辐射水平下变得更差。在检测高能辐射期间，电场趋于在窄结电极柱附近高度集中。该高度集中的电场能够达到并且有时超过检测器半导体材料的固有击穿极限，并大大损害其薄电极或主体。该现象对于高能物理应用中的检测器可能特别不利。例如，已经观察到，在重辐射之后，诸如在粒子对撞器中经历的，硅晶格遭受了严重的辐射诱发的缺陷，这导致了过度载流子捕获并最终导致不良的载流子收集效率。因此，传统3D检测器中的过高辐射水平可能引起：1）在窄结电极周围高度集中的不均匀电场，其可能在结电极或其附近诱发内在击穿；2）具有提供低电场或不提供电场的鞍电势的区域；3）低场区域中的长载流子漂移时间（引起不完全电荷收集）；以及4）相比于厚度相当于3D检测器的柱间距的2D检测器，需要更高的耗尽电压。

发明内容

通过具有多个电极并且多个电极中的至少一个形成为围绕薄柱状电极的三维沟槽的3D沟槽检测器，可以克服薄柱状电极周围高度不均匀电场的存在、以及高辐射水平下半导体材料的辐射损害。根据本发明的至少一个实施方式，这样形成的3D沟槽检测器提供了以下优点：（1）检测器中的电场分布在整个表面上接近均匀，防止或最小化了薄柱状电极周围高度不均匀电场的集中；（2）检测器的完全和过耗尽所需的最大电场密度比传统3D和2D检测器低得多，允许以已知半导体材料的击穿极限以下的偏压操作；（3）可以使检测器厚度为2mm大，允许更好的检测效率；（4）因为在3D沟槽检测器中需要的全耗尽电压比在其他检测器结构中小得多，因此可以使多像素检测器中的像素间距为1mm大，而不需要大的偏压；（5）由集电极的非常小面积引起的电容很小，提高了检测器能量分辨率；以及（6）由于沟槽壁产生的死区，相邻像素自然地隔离，进一步提高了检测器能量分辨率。

在优选实施方式中，辐射检测器包括半导体材料的主体，具有彼此隔开预定主体厚度的第一表面和第二表面。用第一导电型掺杂剂高度掺杂的六边形3D沟槽形式的第一电极、以及用第二导电型掺杂剂高度掺杂的六边形3D柱形式的第二电极形成在主体中。优选地，第一导电型掺杂剂不同于第二导电型掺杂剂。第一电极和第二电极沿主体厚度从第一表面和第二表面中的一个延伸到主体中。该实施方式的3D沟槽检测器形成为使得第一电极包围第二电极，并且这两个电极大致彼此平行并同心；并且第一电极和第二电极以由包含在第一电极和第二电极之间的主体区域确定的预定距离比例隔开。半导体材料的主体用第一导电型掺杂剂和第二导电型掺杂剂中的一种轻掺杂，使得第一导电型掺杂剂和第二导电型掺杂剂之间的半导体结形成在第一电极与半导体材料相接的平面。优选地，第一电极和第二电极以小于等于主体厚度95%的预定深度延伸至主体中，然而，还可以设想，在一个实施方式中，第一电极和第二电极延伸到主体厚度中全深度（100%）。

在其他实施方式中，第一电极的形状可以是矩形、正方形、三角形、或圆柱形3D沟槽的形式，并使第二电极的形状可以是矩形、正方形、或圆柱形3D柱的形式。单-像元3D沟槽检测器可以通过将任意一个第一电极形状与对应的一个第二电极形状或者其组合相结合来形成。在这样形成的3D沟槽检测器中，第一电极由掺杂有第一导电型掺杂剂的材料形成，并且第二电极由掺杂有不同于第一导电型掺杂剂的第二导电型掺杂剂的材料形成，并且主体仅用第一导电掺杂剂和第二导电掺杂剂中的一种轻掺杂，使得在第一电极和主体之间或者在第二电极和主体之间产生了相对掺杂剂的半导体结。在一个实施方式中，中心结电极形成在主体与第二电极相接的平面。在其他实施方式中，外环结形成在主体与第一电极相接的平面。

在优选实施方式中，第一电极和第二电极沿主体厚度从第一表面和第二表面中的同一表面延伸至主体中。在可选实施方式中，第一电极和第二电极可以沿主体厚度从第一表面和第二表面中的不同表面延伸至主体中。在优选实施方式中，第一电极和第二电极以小于等于主体厚度的95%的预定深度延伸至主体中。

在另一实施方式中，第一电极和第二电极以主体厚度的100%延伸至主体中，在该情况下，可能需要支撑晶圆来防止像素单元在蚀刻之后脱落。在可选实施方式中，为了避免使用支撑晶圆，可以通过半导体材料的中心或外围周围部分蚀刻/扩散的可选步骤来形成沟槽和柱电极，从而在掺杂步骤期间，沟槽或柱中的剩余主体材料被用作支撑，或者在掺杂步骤之后，已经设置的掺杂剂用作支撑。

还披露了一种用于制造3D沟槽检测器的方法。在一个实施方式中，制造方法包括：提供具有预定主体厚度的半导体材料的主体，并在上面限定平行于第二表面的第一表面，第二表面从第一表面隔开该预定主体厚度；在主体的外围周围蚀刻沟槽，该沟槽具有预定宽度并沿主体厚度从第一表面和第二表面中的一个延伸到主体中；在主体的中心蚀刻孔，该孔也具有预定宽度并从沿主体厚度从第一表面和第二表面中的一个延伸到主体中；通过扩散或通过填充预掺杂多晶硅用第一导电型掺杂剂和第二导电型掺杂剂中的一种掺杂沟槽和孔材料中的每一个，并退火该导电型掺杂剂，使得在沟槽中形成3D沟槽形状的第一电极，并在孔中形成3D柱形状的第二电极。在优选实施方式中，蚀刻沟槽包括蚀刻六边形沟槽，并且蚀刻孔包括蚀刻六边形或圆形孔。在其他实施方式中，蚀刻沟槽包括蚀刻圆形或者诸如三角形、正方形、或矩形的多边形沟槽。在优选实施方式中，沟槽和孔从第一表面和第二表面中的一个小于等于主体厚度的95%的深度延伸至主体中。这允许包括蚀刻、注入、退火的制造过程完全是单边的。在可选实施方式中，然而，沟槽和孔可以从第一表面和第二表面中的任一侧以主体厚度的100%延伸至主体中，在该情况下，可能需要支撑晶圆来防止像素单元在蚀刻时脱落。

在可选实施方式中，如果分阶段完成了蚀刻，则可以在没有支撑晶圆的情况下制造从第一表面和第二表面中的任一侧延伸到主体中主体厚度的100%的沟槽和孔。具体地，在蚀刻/扩散步骤期间，半导体材料的主体被蚀刻/扩散，并且沟槽或柱将用预掺杂材料（例如，多晶硅）被填充，以将沟槽和孔从第一表面和第二表面中的一个延伸到小于100%的预定距离（只需要沟槽的填充来提供晶圆的机械强度---柱可以填充或部分填充）。一旦部分沟槽/柱被形成并填充，则通过将掺杂剂从预掺杂材料推动（例如，高温扩散）到Si中来用n型或p型掺杂剂进行掺杂。在该阶段之后，已经完成了一个表面（第一表面或第二表面）上的沟槽和柱的形成。然后，在相对表面（第二表面或背面）上执行沟槽/柱的蚀刻，以匹配第一表面上的图样，以将沟槽/柱延伸至掺杂部分，并根据所使用的掺杂剂再次用n型或p型掺杂剂掺杂，以匹配来自第一表面的掺杂剂。沟槽/柱可以在第二表面（背面）上部分地填充或填充。因此，可以在不需要支撑晶圆的情况下制造全厚度电极。

通过提供包括多个检测单元的多电极3D沟槽检测器，其中，每个检测单元均包括形成为3D沟槽电极的多个电极中的至少一个，可以解决使用金属晶格来防止相邻像素之间的电荷共享产生的问题。更具体地，在多像素3D沟槽检测器中，形成像素的每个电测单元均包括3D沟槽形状的第一电极和3D柱形状的第二电极。第一电极包围第二电极，并用于将检测单元与相邻的检测单元隔开，以自然地防止检测单元之间的电荷共享。因此，不再需要使用金属格栅来防止电荷共享。

本发明的其他目标和优点将从参照附图进行的优选实施方式的以下详细描述中变得显而易见。

附图说明

图1A示出了传统2D检测器的实例；

图1B示出了传统3D检测器的透视图；

图2A示出了具有矩形沟槽外电极和矩形柱内电极的单像元（single-cell）3D沟槽检测器的第一实施方式的透视图；

图2B示出了图2A中示出的第一实施方式的顶视图；

图3示出了具有3D沟槽和圆柱形中心电极的单像元3D沟槽检测器的可选实施方式；

图4A示出了矩形类型的独立同轴检测器阵列（ICDA）多像素3D沟槽检测器；

图4B示出了多像元3D沟槽条状检测器；

图5A和图5B分别示出了具有中心结（CJ）电极的六边形类型的单像元3D沟槽检测器的实施方式的透视图和截面图；

图5C示出了六边形类型的ICDA多像素3D沟槽CJ检测器的实例；

图5D示意性示出了图5C中示出的ICDA多像素系统的一个单元的部分截面视图，为了简单，仅示出了四个单元；

图6A和图6B分别示出了用于近似图5A的单像元3D沟槽CJ检测器的圆柱形几何形状的透视图和截面图；

图7示出了函数的笛卡尔图，其图解了非辐射状态下六边形类型的单单元3D沟槽CJ检测器中的电场分布；

图8示出了图解单像元3D沟槽CJ检测器与2D平面检测器的电场分布的比较的曲线图；

图9示出了比较性地图解了作为辐射的3D沟槽CJ检测器的外半径的函数的全耗尽电压增长、以及作为电极之间的距离的函数的平面2D检测器的全耗尽电压增长的曲线图；

图10示出了图解相比于平面2D检测器，单像元3D沟槽CJ检测器的过耗尽状态下的电场分布的曲线图；

图11是示出了单像元3D沟槽CJ检测器的模拟加权场分布的曲线图；

图12是示出了单像元3D沟槽CJ检测器中的载流子漂移速度和加权场的乘积的曲线图；

图13示出了具有外环结（3D沟槽ORJ）的六边形类型的3D沟槽检测器的优选实施方式；

图14A和图14B分别示出了用于近似单像元3D沟槽CJ检测器中的电场计算的圆柱形几何形状的透视图和截面图；

图15示出了图解3D沟槽ORJ检测器和参考用2D平面检测器中的电场分布的比较的曲线图；

图16示出了图解用于辐射的单像元3D沟槽ORJ检测器的外半径距离的函数的全耗尽电压、以及参考用平面2D检测器的全耗尽电压的曲线图；

图17示出了图解3D沟槽ORJ检测器（过耗尽）和参考用2D检测器中的电场分布的比较的曲线图；

图18示出图解在三种不同过耗尽偏压的单像元3D沟槽-ORF检测器中的电场分布的曲线图；

图19示出了图解偏压在最优过耗尽电压的3D沟槽ORJ检测器中的电场分布的曲线图；

图20示出了图解3D沟槽ORJ检测器中的电子和空穴的载流子漂移速度和加权场的乘积的曲线图；

图21A示出了比较性地图解3D沟槽ORJ检测器和3D沟槽CJ检测器中的电子的载流子漂移速度和加权场的乘积的曲线图；

图21B示出了比较性地图解3D沟槽ORJ检测器和3D沟槽CJ检测器的电场分布的曲线图；

图21C示出了比较性地图解六边形类型的3D沟槽ORJ（8V）和3D沟槽CJ（52V）检测器的3D电场分布的曲线图；

图22示出了图解利用辐射3D沟槽CJ检测器中的最小电离粒子（MIP）的电子和空穴感应电流的实例的曲线图；

图23是示出了图解利用97V的偏压下的辐射3D沟槽ORJ检测器中的MIP的电子和空穴感应电流的实例的曲线图；

图24示出了图解利用224V的偏压下的辐射3D沟槽ORJ检测器中的MIP的电子和空穴感应电流的实例的曲线图；

图25示意性示出了单像元3D沟槽ORJ检测器中的MIP的自由载流子的漂移；

图26A示出了描述了总收集电荷和电子和空穴的作用对总电荷的相关性的曲线图，总电荷作为3D沟槽CJ检测器的粒子入射位置r0的函数；

图26B示出了描述了作为3D沟槽ORJ检测器的粒子入射位置r0的函数的、总收集电荷与电子和空穴对总电荷的作用的相关性的曲线图；

图27示出了图解作为六边形形式的单像元3D沟槽检测器的距离R的函数的死区百分比的曲线图；

图28A示意性示出了用于x射线应用的单像元3D沟槽ORJ检测器的实例；

图28B示出了包括图28A中示出的类型的单像元单元的阵列的多像素3D沟槽ORJ检测器；

图29A示出了具有用于沿正面减小电场集中的p⁺离子注入保护环系统的单像元3D沟槽ORJ检测器；

图29B示出了适用于示例性多像素3D沟槽检测器的多保护环系统的不同构造；

图29C示出了电场分布的模拟，其比较性地示出了有多保护环系统和没有多保护环系统的微条状检测器中的电场分布；

图30示出了用于制造由本发明的一个实施方式设想的3D沟槽检测器的处理的示例性制造步骤的流程图；

图31A至图31D示出了在制造的渐进阶段中的示例性单像元3D沟槽检测器的透视图；

图32A示出了通过半导体材料的主体的注入处理形成的3D检测器；

图32B示出了其中通过增强注入处理形成3D电极的3D检测器的另一实施方式。

具体实施方式

为了避免在命名和结构上与其他3D技术和检测器的误解（即检测器和电子产品的3D堆叠以及3D位置灵敏检测器），相对于图1B中示出的上述传统“3D检测器”，本发明的3D检测器被称为“3D沟槽电极检测器”。具体地，基于以环绕了杆或柱形式的第二电极的“沟槽”形式制造的第一电极配置，披露了新并且新颖的3D检测器的若干实施方式。如在该说明书中使用的，术语“沟槽”一般表示具有预定宽度和深度的深且窄的沟或切口。因此，该新型的3D检测器通常被描述为“3D沟槽电极检测器”，但是为了简单和简短起见，3D沟槽电极检测器还可以互换地被称为“3D沟槽检测器”。为了方便读者，以下面的章节顺序进行详细描述：

1.3D沟槽检测器的实施方式

1.1矩形类型的3D沟槽检测器

1.1.1矩形类型的3D沟槽检测器的结构

1.1.2基于矩形类型的3D沟槽检测器的其他实施方式

1.1.3矩形类型的多像素3D沟槽检测器

1.2六边形类型的3D沟槽检测器

1.2.1具有中心结的3D沟槽检测器（3D沟槽CJ）

1.2.1.1六边形类型的单-像元3D沟槽CJ检测器的结构

1.2.1.2六边形类型的多像素3D沟槽CJ检测器

1.2.2具有外环结的3D沟槽检测器（3D沟槽ORJ）

2.电场计算

2.1矩形类型的3D沟槽检测器中的电场考虑

2.1.1电场分布

2.2六边形类型的3D沟槽CJ检测器中的电场分布

2.2.1电场分布

2.2.1.1非辐射3D沟槽CJ检测器中的耗尽电压

2.2.1.2辐射3D沟槽CJ检测器中的耗尽电压

2.2.1.3辐射3D沟槽CJ检测器中的过耗尽电压

2.2.1.4非辐射相对于辐射3D沟槽CJ检测器中的电场

2.2.2六边形类型的3D沟槽CJ检测器中的加权场计算

2.2.33D沟槽DJ检测器中的感应电流

2.33D沟槽ORJ检测器中的电场考虑

2.3.1电场分布

2.3.1.1全耗尽电压的电场

2.3.1.2过耗尽电压的电场

2.3.23D沟槽ORJ检测器中的最优耗尽电压

2.3.33D沟槽ORJ检测器中的加权场和载流子漂移动力

2.43D沟槽检测器的特性总结

3.3D沟槽硅检测器中的收集电荷的分析

3.13D沟槽CJ硅检测器中的收集电荷

3.23D沟槽ORJ硅检测器中的收集电荷

3.3收集电荷对3D沟槽电子检测器中的粒子入射位置以及载流子捕获的依赖性

3.4多像素3D沟槽检测器中的像素之间的死区考虑

4.用于实际应用的3D沟槽检测器的实例

4.1具有增强的电极分离的单像元3D沟槽检测器

4.2具有增强的电极分离和增大的像素间距的多像素3D沟槽检测器

5.形成3D沟槽检测器的方法

另外，为了清楚地描述本发明的各实施方式，如下定义下列缩略语、术语和符号：

2D二维

3D三维

b有效掺杂浓度与1MeV的中子等量通量的的比例常数

d主体厚度（从第一表面到第二表面的距离）

d_eff有效主体厚度（略小于d）

e电子电荷

E_w加权场

E电场

E(x)x方向的电场分布

E(r)作为半径函数的电场分布（忽略对θ的依赖性）

E(r_c)r=r_c处的电场分布

E(R)r=R处的电场分布

E^optima最优电场（见等式32）

E_eq当E(r_c)=E(R)时获得的相等电场值

h空穴

i^e，h(t)电荷的感应电流

L矩形类型的3D沟槽检测器中的沟槽长度

l等于电极沿主体厚度延伸到主体中的距离的沟槽深度（应用于公开的所有类型的3D沟槽检测器）

N_eff半导体主体中的有效掺杂浓度（或空间电荷密度）

n n型半导体材料

n⁺重掺杂n型材料

n_eq中子当量（辐射通量的单位）

p p型半导体材料

p⁺重掺杂p型材料

q基本电荷1.6012×10^-19C

Q^e，h电子（e）或空穴（h）的收集电荷

r极坐标系统中的径向坐标

r半径

r₀粒子入射的位置（例如，电离粒子进入检测器的衬底主体的点）

r_c通过圆柱形几何形状近似的六边形类型的3D沟槽检测器中的第二电极（柱）的半径

R在通过圆柱形几何形状近似的六边形类型的单像元3D沟槽检测器中，R表示从柱电极的中心到沟槽电极的内表面的距离

SiO₂二氧化硅或简单的氧化硅

t时间

电子（e）或空穴（h）的漂移时间

V电势，外部电压

v_d漂移速度

V_fd全耗尽电压

电子（e）或空穴（h）的饱和速度

V^optima 3D沟槽ORJ检测器中的最优操作条件所需的最优偏压（见等式29）

w耗尽宽度

w_n六边形类型的3D沟槽检测器中的n⁺柱（第一电极）的耗尽宽度

w_p六边形类型的3D沟槽检测器中的p型主体的耗尽宽度

W_T沟槽宽度（在矩形类型的3D沟槽检测器中）

x x方向

y y方向

z z方向

希腊字母

μm微米（1×10^-6m）

ε₀真空介电常数，8.854×10^-12F/m

ε半导体材料的介电常数（例如，硅的介电常数为ε_si=11.7ε₀）

λ_c电极间隔，也被称为柱间隔或电极间距

θ极坐标系统中的角坐标或极角

Φ辐射通量

Φ_neq中子当量通量

μ^e,h电子（e）或空穴（h）的迁移率

τ_t载流子捕获常数

ΔV^optima过耗尽偏压（大于最有偏压）

缩略语

CCE：电荷收集效率

CERN：欧洲核研究组织，从（欧洲核研究理事会）衍生的缩略语

LHC：大型强子对撞机

SLHC：超级大型强子对撞机，是增大LHC中的亮度的提议升级，计划在2012年左右生产

MIP：最小电离粒子

定义：

n型：负责导电的主要电荷载流子是电子的半导体材料。半导体材料中的n型掺杂剂的目的在于产生充足的电子。

p型：负责导电的主要电荷载流子是空穴的半导体材料。半导体材料中的p型掺杂剂的目的在于产生充足的空穴。

半导体结：通过使相反掺杂剂类型的半导体非常密切地接触形成的结。p-n半导体结是通过将p型和n型半导体非常密切接触地结合在一起形成的结。术语“结”是指两个半导体相遇的区域。

耗尽区：在热平衡或稳定状态条件下，在半导体结相遇的电子和空穴将重组并消失。失去其所有移动电子和空穴的结的近邻区域称为半导体耗尽区。为了本说明书的目的，然而，n和p型电极之间的区域是耗尽区并因此用作检测器灵敏体积。耗尽区还将随着反向偏压增大。

全耗尽电压（V_fd）：刚好完全耗尽厚度d的整个检测器所需的反响泛亚的绝对值。

小电极效应：相比于耗尽深度尺寸非常小的结电极附近的高电场浓度的效应。

沟槽：在半导体材料的主体中产生的具有预定宽度和深度的深且窄的切口或沟。

本发明的各个实施方式表明，当新3D检测器中的至少第一电极被垂直蚀刻到主体中作为“沟槽”（而不是现有技术中的柱或杆）并且至少第二电极被蚀刻到相同主体中作为构建在沟槽内部的柱时，可以实现具有基本上没有鞍点电势的非常均匀的电场的新3D检测器，其中，最高电场可以比传统3D检测器小至少8倍，并且比2D检测器小至少2倍。第一电极和第二电极可以仅从一侧蚀刻到主体中，这允许新3D沟槽检测器的制造和/或控制中的真正单面操作。为了与传统技术相区分，该设计在这里称为“3D沟槽”检测器。披露了3D沟槽配置的一些可能的非限制和非穷尽的实例。还描述了用于每个配置的电场和其他参数的理论和模拟计算。

1.3D沟槽检测器的实施方式

1.1矩形类型的3D沟槽检测器

1.1.1矩形类型的3D沟槽检测器的结构

图2A示出了单-像元3D沟槽电极检测器（3D沟槽检测器）200的第一实施方式的基本部件。相应地标注了p型和n型半导体区。n和p型区域之间的区域是耗尽区，并用作半导体灵敏体积。更具体地，检测器200包括n或p型掺杂半导体材料的主体210，该n或p型掺杂半导体材料具有用p型掺杂剂高度掺杂的外部区域（p⁺）以及用n型掺杂剂高度掺杂的内部或中心区域（n⁺）。外部（p⁺）和内部（n⁺）重掺杂区域通过整个由半导体材料占据的检测器灵敏体积彼此隔开。为了本说明书的目的，外部重掺杂区域（图2A中的p⁺）被称为第一电极240，并且内部重掺杂区域（n⁺）被称为第二电极250。n型或p型半导体材料优选地以称为主体210的半导体材料的单晶形成提供。如图2A所示，主体210是单体结构，厚度为d，且为具有位于x、y和z主平面的六个表面的立方体状形状。矩形顶面（第一表面220）位于x-y平面，并且矩形底面（第二表面230）位于第二x-y平面。第一表面和第二表面位于平行的x-y平面，并彼此相隔主体厚度d，d在原则上没有限制，但是通常在200μm至2000μm的范围内，在优选实施方式中，在200μm至500μm的范围内。主体210的立方体状形状还定义了位于x-z平面的彼此平行的第三表面和第四表面，以及位于y-z平面的也彼此平行的第五表面和第六表面。第一电极240可以如下形成：蚀刻，随后填充主体210中的单个像元外围周围的具有预定宽度和深度的深且窄的沟或切口（称为“沟槽”），以限定沟槽壁240a、240b、240c和240d。例如，可以优选地通过蚀刻并随后填充主体210的中心的深且窄的切口来形成第二电极250。

图2B中示出了第一表面220的顶视图。如图2B中的顶视图所示，第一电极240优选地形成为占据第一表面220的四条边的闭合矩形条沟槽。矩形条沟槽（第一电极240）的两条长边位于y方向，并且沟槽的两条短边位于x方向。第二电极250大致在第一表面220的中心形成为长且窄的切口或柱；第二电极的长度位于y方向，即，矩形条柱。第一电极和第二电极彼此隔开由半导体材料的主体210占据的预定距离。第一电极和第二电极基本上彼此同心，并相隔电极间隔λ_c，电极间隔λ_c等于由主体210的一部分占据的预定距离。

返回图2A的透视图，如图所示，第一电极240形成在主体210中的单个像元的外围周围，以限定沟槽壁240a、240b、240c和240d。优选地，每个壁都具有预定沟槽宽度W_T和沟槽深度l，并沿主体厚度d在z方向上延伸。因此，第一电极240包括四个薄壁（240a、240b、240c、和240d），其每个都沿主体210中的单个像元的外围布置（即，沿第三、第四、第五和第六表面）。壁从第一表面220延伸深入主体210中预定深度l。例如，l=d-20μm。

在该说明书中描述的其他单像元实施方式中，第一电极可以不形成为矩形沟槽。相反，如下面充分描述的，单像元可以形成为正方形、六边形、圆柱形或其他几何形状。不论其形状，第一电极优选地形成为沟槽，其具有预定宽度W_T，位于主体中的单像元的外围周围，并延伸到主体厚度d中的预定深度l。对于该说明书的其余部分，第一电极将被称为“3D沟槽电极”或者其还可以互换地被称为“沟槽电极”或者简称为“沟槽”。

第二电极250以距第一电极240的预定距离形成在主体210的体积中，并大致在其中心，使得第一电极240完全环绕第二电极250。如图2A的透视图所示，第二电极250形成为在主体210的单像元的中心形成的矩形柱，并具有矩形宽度W_T、深度l以及侧面长度L。表面长度L在图2B中示出。因此，第二电极240可以被称为矩形柱，大致与第一电极240同心且平行。主体210的一部分占据将第一电极240从第二电极250隔开的预定距离。因此，该实施方式的第二电极250形成为薄矩形柱，位于沿主体210的厚度d延伸的y-z平面。第二电极250的侧面长度L在原则上没有限制，但可以在100μm至400μm的范围内。由于第一电极的壁240b和240d以及第二电极250均沿y-z平面布置，因此认为第二电极250大致平行于第一电极240的壁240b和240d。实际上，设想在该说明书中描述的所有实施方式中，第一电极和第二电极基本上彼此平行。

在本说明书的通篇描述中，术语“第一电极”可以互换地被称为“外电极”或“沟槽”，并且术语“第二电极”可以被称为“内电极”、“中心电极”、或“柱”。随着使用术语来指示第一电极和第二电极，但是应当理解，这些术语仅仅为了易于描述而使用。实际上，两个电极之间的空间完全被主体的半导体材料占据，并且称为“电极”的空间基本上是蚀刻空间中填充的掺杂材料。因此，一旦制造了检测器，则不能容易地观察到明显的沟槽或柱结构。此外，如下面更全面地描述的，第一电极和第二电极不限于通过蚀刻和填充来形成。实际上，电极可以通过任何已知方法（例如，激光打孔、晶体生长、材料沉积、掺杂剂扩散等）形成在半导体材料中。

仍然参照图2A和图2B，形成3D沟槽的外壁的第一电极240具有有预定宽度W_T的壁。在图2B的实施方式中，宽度W_T可以等于10微米（W_T＝10μm）。然而，实际上，根据特殊应用需求可以确定任何适当的宽度。为此，值得注意的是，宽度W_T的至少一部分表示就检测器灵敏度而言的“死区”，因为该宽度W_T占据的空间不与撞击辐射相互作用。因此，如在下面的章节1.1.3.1中全面描述的，沟槽壁的宽度W_T用作多元件3D沟槽检测器的相邻元件之间的自然间隔空间。还应当注意的是，优选地，沟槽深度l不超过整个主体厚度d。实际上，根据图2A的实施方式，优选地，沟槽深度l等于主体厚度d减去预定值，例如，20μm。因此，在主体210的厚度d可以在200μm至500μm的范围内、且沟槽深度l=d-20μm的给定实例中，遵循沟槽深度l例如可以在厚度d的大约90%至96%的范围内（0.9d≤l≤0.96d）。然而，优选地，至少为了易于计算和制造过程，沟槽深度l可以在厚度d的90%和95%的范围内（0.9d≤l≤0.95d）。然而，在另一实施方式中，还假设沟槽深度l可以延伸全厚度d（l=d）。

尽管上文已经描述了优选地使第一电极240和第二电极250都从第一表面220延伸到主体210中的3D沟槽检测器，但是相反情况也可以成立。即，第一电极240和第二电极250可以从第二表面230延伸到主体210中。此外，在特殊设计需要时，第一电极和第二电极可以分别从第一表面和第二表面延伸到主体中。因此，可以说，在本发明的3D沟槽检测器中，第一电极和第二电极沿主体的厚度方向从第一表面和第二表面中的至少一个延伸到主体中。

值得注意的是，然而，使第一电极和第二电极仅从一个表面延伸到主体中允许真正的单面处理，这可以带来显著的设计和制造优点。例如，单面处理减少了处理期间的处理时间，并允许操作期间的单面连接。另外，还应当注意，这里披露的特殊尺寸不是限制性的，仅仅为了参考和实例的目的而提出。在不背离本公开的情况下，本领域技术人员可以开发其他尺寸。如上面阐述的，只要主体的总体尺寸能够满足3D沟槽检测器的设计特性和输出性能，实际上可以根据特殊应用的要求提前确定主体以及第一和第二电极中的每个的尺寸。

继续参照图2A，优选地从用预定导电类型（n或p型）的掺杂剂轻掺杂的适当半导体材料选择主体210。例如，对于诸如实验物理和/或x射线成像的高能辐射应用中使用的检测器，已经发现，由于硅的广为接受的使用及其极好的能量分辨率属性，因此硅的主体衬底特别适合。然而，根据应用的类型，还设想其他类型的材料同等地适于描述的3D沟槽检测器。实际上，例如，在“3d Semiconductor Radiation Detectors For MedicalImaging”，Proceedings of the COMSUL Users Conference,2007,Grenoble,France中，M.Raut等已经提出了由用于X和γ射线检测的碲化镉（CdTe）和砷化镓（GaAs）制成的3D半导体辐射检测器，其结合与此作为参考。另外，其他可广泛地获得的半导体材料（诸如硅锗、锗、碲锌镉（CZT）等）也可以是适合的。

3D沟槽检测器的制造不限于任何特殊处理。有多种已知技术来制造半导体衬底的主体中的通孔或雕刻沟槽、掺杂这些的内部并对其填充，以制造所需的结构。例如，深度反应离子蚀刻（DRIE）的可用性提供了蚀刻穿过主体的通孔的可能性，或者在主体中制造深沟槽的可能性。在蚀刻主体以制造孔和沟槽之后，可以使用诸如化学气相沉积（CVD）的方法，通过用具有适当导电类型的材料填充孔和沟槽来形成电极。可以使用其他已知处理来完成相关和必要的欧姆接触、保护层等的制造。然而，应牢记，为了使3D沟槽检测器中的检测器性能最优化，应当注意防止在形成电极期间产生空隙或其他不规则。

由于检测器的性能很大程度上取决于其设计的几何形状，因此鼓励本领域普通技术人员应用适于披露的不同实施方式的最佳可用技术，从而实现最佳性能。例如，在1999年5月30日发布的Parke等的标题为“Three-dimensional Architecture For Solid-State Radiation Detectors”第5,889,313号美国专利以及在2002年12月3日发布的Conder等的标题为“Process for Fabricating a Charge Coupled Device”的第6,489,179号美国专利中，讨论了用于制造3D检测器的丰富细节，二者的全部内容均结合于此作为参考。然而，应当理解，只要3D沟槽检测器的一般架构保持在本文披露的参数内，这种检测器就可以被所附权利要求中的至少一个包括。在标题为“用于制造3D沟槽检测器的方法的”章节5中，示出了用于形成根据本发明的至少一个实施方式的3D沟槽检测器的示例性处理步骤的流程图。

矩形类型的3D沟槽检测器的架构不限于上述布置。基于特殊应用需要，例如，基于分辨率、辐射硬度、和/或灵敏度要求，其他电极形式是可能的。例如，包括预定几何形状（诸如正方形、矩形、三角形、六边形等）的其他沟槽和柱形状，被认为在能够容易地采用以上参照图2A和2B阐述的3D沟槽和柱参数的配置范围内。实际上，单像元3D沟槽检测器的一个可能修改可以包括，例如，将内部或第二电极（即，中心柱）设计成圆形的，或者为杆或圆柱形柱的形状。

1.1.2基于矩形类型的3D沟槽检测器的其他实施方式

图3示出了基于矩形类型的单像元3D沟槽检测器300的这样一个可能的实施方式。如图3所示，图3的3D沟槽检测器300优选地由半导体材料的主体310形成，其中例如通过蚀刻和填充p⁺和n⁺区域形成有第一电极340和第二电极350。与矩形类型的3D沟槽检测器类似，检测器300的电极340和350沿主体的厚度d从其第一表面和第二表面中的一个延伸到主体中。优选地，电极不到达第二表面。如图3所示，第一电极340形成为限定了三维正方形沟槽的外壁的正方形结构，而第二电极350形成为圆柱形柱或杆。参照图2A的矩形类型的单像元3D沟槽检测器讨论的所有示例性尺寸都可以适用于正方形单像元3D沟槽检测器。因此，与矩形类型类似，其他3D沟槽检测器布置也可以限定为具有至少第一和第二电极，其中第一电极限定沟槽并且第二电极限定柱，第一电极完全环绕第二电极，并且电极彼此隔开半导体材料占据的预定距离。

1.1.3矩形类型的多像素3D沟槽检测器

扩展矩形类型的单像元3D沟槽检测器的概念，图4A和4B示出了具有检测单元的2×2矩阵的多像素3D沟槽检测器400和401。多像素3D沟槽检测器400形成在具有第一表面420和与第一表面相隔厚度d的第二表面430的半导体（n型或p型）主体410上，并包括多个3D沟槽像元400A、400B、400C、和400D。像元400A至400D中的每个都以与图2A和2B中示出的上述单像元3D沟槽检测器大致类似的方式形成。如图4A所示，所有3D沟槽像元都经由3D沟槽像元400B的第一或外电极连接至负电压偏压（-V），并且每个3D沟槽像元单元都经由像元400A至400D中的每个的第二或内电极连接至用于信号读取的电子通道450。可以以任何实际已知的方式进行像元400A至400D中的每个和电子通道450之间的电子连接。例如，可以在每个第一电极的顶部设置金属化接头（例如，铝接头），然后例如通过焊线连接至读取电子设备450。

在图4A的多像素3D沟槽检测器400中，如图2A中限定的，可以优选地基于基本单像元检测器的电极间隔λ_c和中心电极（第二电极）的长度L来配置电极（或像素）间距。因此，如图4A所示，x方向的两个相邻内电极的中心之间的距离（相邻第二电极之间的距离）可以等于基本电极间隔的两倍，使得P_x=2λ_c+2W_T，并且y方向的两个相邻内电极的中心之间的距离可以等于内电极的长度L加上基本电极间隔的两倍，使得P_y=L+2λ_c+W_T。这样形成的多像素3D沟槽检测器提供了突出的优点，即，检测器的每个像元中的灵敏区域从相邻像元通过由沟槽电极的宽度W_T产生的死区隔开，其中根据特殊应用的要求，W_T可以大约为10μm或更厚。因此，这种多像素检测器不再需要金属格栅来防止相邻像素间的电荷共享。由于金属格栅的使用一般在像素之间加入大的死区（通常是几百微米），因此，没有这种格栅的3D沟槽检测器可以更有效地使用检测器的表面空间，而不会牺牲灵敏度和/或分辨率。结果，可以制造更小的并且更紧凑的辐射检测器，并且没有金属格栅，这种检测的制造过程可以不太复杂和昂贵。

矩形类型的其他多像元3D沟槽检测器也是可以的。例如，图4B示出了3D沟槽检测器401，其具有在y方向呈线性阵列对准的多个矩形3D沟槽单元401A、401B和401C。3D沟槽检测器401可以配置为由p型或n型半导体主体411形成的条状检测器，在主体411上重掺杂的条电极从第一表面421（或正面）延伸至主体411中。第二表面431（或背面）可以通过例如SiO₂的保护层415处理为保护主体411免受环境损害。更具体地，在3D沟槽检测器401中，检测单元401A至401C中的每个都包括以参照图2A描述的方式形成的第一电极441和第二电极451。在该实施方式中，第一电极441可以配置为p⁺条沟槽，并且第二电极451可以配置为n⁺条柱。两个电极都位于大致平行于y-z平面，并沿主体的厚度d在z方向延伸到主体411中预定深度l。所有的p⁺条（第一电极441）可以与正偏压（–V）绑定到一起，而每个n⁺条（每个第二电极451）可以连接至用于信号读取的电子通道460。因此，在该实施方式中，每个检测单元的中心条可以连接作为检测器的单独元件，使得检测器能够顺序读取用于位置灵敏度的每个检测单元，或者通过合并每个单元的单独信号来生成合成信号。根据该实施方式，因此，如果内部条电极沿x方向并行布置（如图4B所示），则可以将条状检测器配置为使得条间距等于P_x＝2λ_c+2W_T，并且如果内部条电极在y方向串行布置，则P_y＝L+2λ_c+W_T。

1.2六边形类型的3D沟槽检测器

1.2.1具有中心结的3D沟槽检测器（3D沟槽CJ）

1.2.1.1六边形类型的单像元3D沟槽CJ检测器的结构

图5A示出了3D沟槽检测器的另一单像元实施方式。图5A的3D沟槽检测器与图2A的有些类似，实质性不同在于，在图5A中，第一电极限定了六边形沟槽，并且第二电极限定了六边形柱（或圆柱形柱），而不是分别限定矩形沟槽和柱。更具体地，如图5A所示，检测器500包括n型或p型半导体材料的主体510，其具有彼此隔开预定距离的重掺杂区p⁺和n⁺。在图5A中，重掺杂区p⁺被称为第一电极540，并且重掺杂区n⁺被称为第二电极550。N型或p型半导体材料优选地为这里被称为主体510的单晶半导体材料。主体510具有预定厚度d，预定厚度d原则上没有限制，但是优选地在200μm和500μm之间。主体510可以被配置为具有六边形形状的单体结构，但非单体结构也是可以的。在图5A中，在第二电极的表面与主体510的半导体材料相遇的平面，p-n结（半导体结）优选地形成在主体510（在该情况下为p型）与内部或第二电极550之间。因此，在半导体结的背景下，根据具有中心结（CJ）电极的检测器的概念讨论了图5A的实施方式。

在图5A中，3D沟槽CJ检测器优选地包括p型半导体材料的主体510，其具有第一表面520和从第一表面隔开主体厚度d的第二表面530。第一电极540和第二电极550分别表示相对导电类型的区域。在其他的制造方法中，这些区域可以如下形成：蚀刻并用预掺杂材料填充、蚀刻并用然后被掺杂的非掺杂材料填充、或者将掺杂剂仅离子注入到这些区域中的主体中。可以采用诸如退火的进一步处理步骤，以获得所需的掺杂剂分布或结位置。在该实施方式中，第一电极540是重p型（p⁺），并限定了具有大小大致相等的六个（6）面的沟槽。第一电极540具有壁或预定值的沟槽宽度W_T，通常，可以为大约10μm。第二电极550是重n型（n⁺），并限定了六边形或圆形横截面的柱。由于第二电极550处于由第一电极540封闭的空间中，因此还可以被称为内部或中心电极。第二电极550的六边形横截面的每个面大小也大致相同，并位于预定值的半径r周围，通常，从柱的中心测量，r大约为10μm。第一电极540和第二电极550以等于检测器厚度d减去预定值的预定深度l延伸至主体510中。通常，l=d-20μm。

在图5A中，第一电极540和第二电极550均以与上面参照图2A描述的相同方式配置。特别地，优选地，第一电极和第二电极（540，550）沿主体厚度d仅从第一表面和第二表面中的一个以小于等于检测器厚度的95%的预定深度l延伸到主体（510）中。然而，在设想的其他实施方式中，第一电极和第二电极（540，550）以等于检测器厚度的100%的深度l（l＝d）延伸到主体（510）中。再者，电极仅从一个表面延伸至主体中的特征是显著的，因为在检测器的处理和/或连接期间能够实现真正的单面处理。双面处理在现有技术中是已知的，并且在一些传统3D检测器中，柱电极需要使用支撑晶圆和/或双面处理从第一表面到第二表面来穿透整个主体。特别是，在“双面”处理中，在其中一面执行并在对面重复执行蚀刻/扩散和掺杂的步骤。具体地，在蚀刻/扩散步骤期间，半导体材料的主体被蚀刻/扩散，并且用预掺杂材料（例如，多晶硅）填充沟槽和/或柱，以将沟槽和孔从第一表面和第二表面中的一个延伸至小于100%的预定距离。应当注意的是，只需要沟槽的填充来提供晶圆的机械强度。另一方面，柱可以是完全或部分填充的。一旦形成并填充了部分沟槽/柱，则通过将掺杂剂从预掺杂材料推至预填充沟槽/柱中，例如，通过高温扩散，用n型或p型掺杂剂进行掺杂。在完成该阶段之后，在相对面执行沟槽/柱的蚀刻，以与第一表面上的图样匹配。下一步延伸沟槽/柱，以与掺杂部分相遇，并且根据使用的掺杂剂，再次用n型或p型掺杂剂掺杂，以与来自第一表面的掺杂剂匹配。沟槽/柱可以在第二表面（背面）上部分填充或完全填充。因此，可以制造完全延伸穿过主体厚度的电极，而不需要支撑晶圆。然而，为了简化制造过程，设想至少在一些实施方式中，根据“单面”处理来制造3D沟槽检测器。如在该说明书中使用的，单面处理意味着优选地从一面（例如，正面）蚀刻第一电极和第二电极，但是并不是穿透主体来蚀刻，而是保留大约5%至10%的主体厚度完好。除了SiO₂的薄保护层或其所应用的其他保护材料之外，主体的第二表面（或背面）保持未处理。表1中给出了基于选择的掺杂剂根据本发明制造的六边形类型的3D沟槽检测器的示例性配置。

表I：根据本发明制造的六边形类型的3D沟槽检测器的示例性构造

为了简单和便于理解，在表1中仅示出了六边形类型的检测器来表明基于电极深度以及半导体主体和/或电极的掺杂剂选择的配置变化。然而，如果检测器具有矩形、圆形、或任何其他几何形状，相同的属性均将成立。

图5B示出了图5A中示出的3D沟槽检测器500的横截面图A-A。如图5B所示，第一电极540环绕第二电极550，并且这两个电极大致彼此同心并隔开。电极之间的间隔（电极间隔）λ_c可以根据检测器应用而改变。例如，对于高能物理实验中的抗辐射检测器，优选地为50μm（λ_c=50μm），使得第一电极和第二电极之间存在预定距离。应当理解，尽管第一电极和第二电极确实彼此相隔等于λ_c的预定距离，但第一电极和第二电极之间的空间被主体510的半导体材料占据。因此，六边形类型的3D沟槽检测器至少包括半导体主体510、第一电极540、以及形成在第一电极内部的第二电极550，其中，第一电极完全环绕第二电极，并且电极彼此相隔预定距离。如前面说明的，披露的特殊尺寸是非限制性的。相反，给出这些尺寸的唯一目的是参考和示例。在不背离本公开的教导的情况下，本领域技术人员可以开发并采用其他尺寸。

1.2.1.2六边形类型的多像素3D沟槽CJ检测器

图5C示出了六边形类型的多像素3D沟槽CJ检测器的实例。多像素3D沟槽CJ检测器501形成在具有第一表面521和与第一表面隔开主体厚度d的第二表面531的半导体（n型或p型）主体511上。多像素3D沟槽检测器501包括多个单像元3D沟槽单元501a至501n。单像元单元501a至501n中的每一个都可以被认为是以与图5A中示出的上述单像元3D沟槽CJ检测器大致类似的方式形成的检测单元或像素。如图5C所示，3D沟CJ像元的所有外电极都可以一起连接至负偏压（-V），并且3D沟槽CJ像元的每个内电极都可以优选地连接至用于信号读取的电子通道551。在图5C的多像素3D沟槽CJ检测器中，如同图5A中限定的，可以优选地基于基本单像元3D沟槽CJ检测器的电极间隔λc来布置电极（或像素）间距。因此，两个相邻单位单元的中心电极之间的距离可以等于第一电极和第二件电极之间的距离λc的两倍加上中心电极的半径r和外电极的宽度W_T，即，

1.2.2带外环结的3D沟槽检测器（3D沟槽ORJ）

图13示出了六边形类型的3D沟槽检测器的另一实施方式。图13示出了3D沟槽检测器1300，其与参照图5A和5B的章节1.2.1.1“六边形类型的单像元3D沟槽CJ检测器的结构”中披露的3D沟槽检测器在结构和物理尺寸上类似。相比于图5A和图5B，图13的实施方式的主要不同在于，3D沟槽检测器1300包括外环结，而检测器500（图5A中）包括中心结电极。具体地，在图13中，3D沟槽检测器1300包括p型半导体主体1310、第一电极1340、以及第二电极1350。P型半导体主体1310具有第一表面1320以及与第一表面相隔主体厚度d(大约200μm至500μm）的第二表面1330。第一电极1340占据主体1310的优选地已经被蚀刻并用n型材料填充（n⁺）以形成六边形沟槽形状的三维结构的高度掺杂外部区域。第二电极1350占据主体1310的优选地已经被蚀刻并用p型材料填充（p⁺）以形成六边形（或圆形）横截面的3D柱的高度掺杂内部区域。内部柱（第二电极1350）的六边形横截面反映（mirror）六边形沟槽（1340）的横截面形状。优选地，第一电极1340和第二电极1350仅从主体的一个表面（第一表面1320）延伸到主体1310中，且不到达第二表面。因此，3D沟槽检测器1300是一面的。第一电极和第二电极优选地彼此同心并隔开，使得第一电极1340完全环绕第二电极1350，且主体1310的部分将这两个电极隔开。可以根据应用需要来确定第一电极和第二电极延伸到主体中的深度l。一个实例是，对于一些应用，深度l=d-20μm可能适合。在主体1310的第二表面上，形成有厚度不超过几微米的二氧化硅（SiO₂）的薄层，用于保护主体免受环境污染。

在二极管结的背景下，n⁺/p结（半导体结）形成在第一电极1340（沟槽）的内表面和主体的半导体材料之间。为此，第一电极1340被认为是外环结电极。因此，为了该说明书的目的，该实施方式的3D沟槽检测器1300被称为3D沟槽外环结或3D沟槽ORJ检测器。因此，与其中内部柱电极形成中心结（CJ）的图5A的实施方式相反，在图13的实施方式中，外部沟槽电极形成外环结（ORJ）。如下面更详细地描述的，六边形类型的3D沟槽检测器的电极中从中心结到外环结的转变，颠倒了电荷收集动态，并在3D沟槽ORJ和3D沟槽CJ检测器中产生了相当大的不同。

值得注意的是，3D沟槽ORJ检测器的概念不限于该章节1.2.2中描述的n⁺/p结。如果主体半导体是n型，则外环沟槽将p⁺掺杂，并且结将是n/p⁺。该反转还应用与章节1.2.1中讨论的3D沟槽CJ检测器。

2.电场计算

此章节比较详细地描述了本发明设想的3D沟槽检测器的各实施方式中的模拟辐射检测的数值计算和分析。其中，给出了应用的电势、加权场、自由电荷载流子传输动态（感应电流和电荷）的计算。用于电极电荷收集分析的模拟系统是单像元单体硅晶，其参数在相应的子章节中描述并在对应的附图中示出。以下的分析结构显示，通过带外环结的3D沟槽检测器，在近线性电场，并且，在一些特殊情况下（例如，当过耗尽偏压足够高，从而产生了虚拟结时），在恒定电场附近，获得了极好的电荷收集效率。

2.1矩形类型的3D沟槽检测器中的电场考虑

如上所述，在3D检测器中，电荷载流子的耗尽集中在环绕垂直电极的邻近区域中。相反，在平面2D检测器中，电荷载流子的耗尽取决于半导体材料的厚度。类似地，3D检测器中的电场主要是径向的，且集中于结电极的周围，而2D检测器中的电场大致垂直于半导体材料的横截面区域。在图2A和2B的实施方式中，假设第一电极240和第二电极250之间的电场大致均质。具体地，假设在x方向的区域I中（在图2B中示出），在两个电极的平行平面之间，即，在中心电极的主平面y-z和外电极的壁240b、240d的y-z平面之间，电场是线性且均匀的。因此，在这两个平面的y或z方向中，有电场的不显著低部分。

2.2.1.电场分布

在数学方面，可以如下从一般电场分布E(x，y，z)来计算区域I中的电场，其中，忽略y和z方向的E场：

$E(x,y,z)=E\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}(w-x),(\frac{1}{2}{W}_T<x<w,-\frac{1}{2}L<y<\frac{1}{2}L,0<z<l)\\ -\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}(w+x),(-w<x\&le;-\frac{1}{2}{W}_T,-\frac{1}{2}L<y<\frac{1}{2}L,0<z<l)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，e是电子电荷，ε₀是真空介电常数（8.854×10^-12F/m），ε是半导体材料的介电常数（对于硅，ε_si=11.7ε₀），w是x方向的耗尽宽度（w≤λ_c），N_eff是衬底或主体的有效掺杂浓度（或空间电荷密度）。所有其他参数都在图2A和2B中定义。

仅在第二电极250的两个垂直边和第一电极240的壁240a和240c的两个内表面之间的小区域中存在不均匀电场（在x和y方向）。因此，在不同于区域I的区域中，其中， $[-(\frac{1}{2}L+{\mathrm{\&lambda;}}_c)<y<-\frac{1}{2}L$ 且 $\frac{1}{2}L<y<(\frac{1}{2}L+{\mathrm{\&lambda;}}_c)],$ 电场被认为是接近线性的（或者优选的次线性的）。在这些区域中，通过以下给出场分布：

$E\left(r\right)=\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}(w-f)(0<\mathrm{\&theta;}<180)---\left(2\right)$

以及

$E\left(r\right)=\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{2{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}(\frac{w^2}{r}-r)(0<\mathrm{\&theta;}<180)---\left(3\right)$

其中，r和θ分别是源自第二电极250的每个垂直边的电场的圆柱坐标。

2.2.六边形类型的3D沟槽CJ检测器中的电场考虑

在图5A中，为了优化空间封装，已经采用了六边形几何形状。然而，当通过圆柱形集合形状近似六边形类型的3D沟槽检测器时，可以获得大大简化了计算的更均匀的电场分布。具体地，对于下面的所有计算，通过用具有与六边形电极相同的半径（例如，在该实施方式中大约10μm）的圆柱形柱替换第二电极550（六边形柱或内电极），并用与圆柱形柱同轴且位于与从检测器像元的中心到沟槽的外表面的距离相等的距离R的圆柱形表面替换六边形沟槽电极，将六边形类型的3D沟槽检测器减小成圆柱形3D沟槽检测器。因此，通过单圆柱形像元3D沟槽检测器，可以有效地近似六边形类型的3D沟槽检测器的单位像元中的电场。

图6A示意性示出了用于模拟六边形类型的单像元3D沟槽CJ检测器中的电场的3D沟槽CJ检测器的圆柱形几何形状。在图6A中，如同由圆柱形几何形状近似的，通过具有厚度d、第一表面620、以及从第一表面620隔开主体厚度d的第二表面630的圆柱形p型主体610来形成圆柱形像元600。在p型主体610中，通过圆柱形表面640（p⁺沟槽）近似第一电极（沟槽），并通过杆或圆柱形n⁺柱650近似第二电极。在半导体二极管结的背景下，p-n结（半导体结）形成在在n⁺柱650的外表面与主体610的半导体材料相接的平面环绕中心电极的区域中。n⁺柱650从第一表面620延伸到主体610中，且不到达第二表面630。

图6B示出了表示沿圆柱形像元600的模拟平面的切口B-B的横截面图。出于模拟的目的，3D沟槽CJ检测器的圆柱形几何形状在内电极（n⁺柱650）的中心定义了中心点“0”以及位于距该中心点“0”距离R的外圆柱形平面（P⁺沟槽640）。p型主体610具有耗尽宽度w_p和有效沉积浓度N_eff。n⁺柱650具有半径r_c、耗尽宽度w_n、以及掺杂浓度N_d。因此，作为极坐标r的函数的耗尽区域由两部分组成。第一部分在（r_c-w_n≤r<r_c）的区域中的n⁺柱650的耗尽宽度中延伸，并且第二部分在（r_c≤r≤w_p）的区域中的p型主体的耗尽宽度中延伸。

如同在该说明书的背景技术中讨论的，当电离粒子或高能光子与半导体材料的灵敏体积相互作用时，生成了电荷载流子（电子-空穴对）。电子和空穴从耗尽区传播得多快由电场决定。在六边形类型的3D沟槽CJ检测器的圆柱形几何形状中（例如，见图5D），用于电荷收集的电场主要是径向的，且一些次要的轴向元件仅存在于圆柱形柱650的末端。通过泊松方程用电荷分布来确定电场E。在圆柱形像元600中，解泊松方程用于具有由耗尽区的宽度确定的半径的无限长圆柱体的电场的情况，其中，电场分布E(r，θ)满足极(r，θ)坐标系统中的泊松方程。

2.2.1电场分布

为了分析计算，3D沟槽CJ检测器的单像元的电性分布被认为在近似的圆柱形像元600中大致均质。具体地，认为除在中心柱650的两端的区域中之外，电场没有θ依赖性，并且仅作为极坐标r的函数而改变。因此，仅在中心柱650的末端附近的小区域中存在可以忽略不计的非均匀电场。沿n⁺柱650的其他地方，通过如下为耗尽区的两部分在极坐标中解泊松方程来找到电场：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{r}\frac{d}{\mathrm{dr}}\left(\mathrm{rE}\left(r\right)\right)=\frac{{\mathrm{eN}}_d}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}& (r_C-w_n\&le;r\&le;r_C)\\ \frac{1}{r}\frac{d}{\mathrm{dr}}\left(\mathrm{rE}\left(r\right)\right)=-\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}& (r_C\&le;r\&le;w_p)\end{array}\right.---\left(4\right)$

边界条件为：

$\left\{\begin{array}{c}E(r_C-w_u)=0\\ E\left({\left(r_C\right)}^{-}\right)=E\left({\left(r_C\right)}^{+}\right)\\ E\left(w_p\right)=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

通过（6）给出3D沟槽CJ检测器的单个圆柱形像元的电场：

$E\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& (r<r_C-w_n)\\ \frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_d}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}r[1-\frac{{(r_C-w_n)}^2}{r^2}]& (r_C-w_n\&le;r<r_C)\\ \frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}r[\frac{{(r_C+w_p)}^2}{r^2}-1]& (r_C\&le;r<r_C+w_p)\\ 0& (r\&GreaterEqual;r_C+w_p)\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，N_d、r_c、和w_n分别是n⁺柱650的掺杂浓度、半径、和耗尽宽度。N_eff和w_p分别是p型衬底或主体中的有效掺杂浓度和耗尽宽度。

掺杂宽度w_n和w_p满足以下条件：

$N_d[1-\frac{{(r_C-w_n)}^2}{{r_C}^2}]=N_{\mathrm{eff}}[\frac{{(r_C+w_p)}^2}{{r_C}^2}-1]---\left(7\right)$

并且可以再加上下面的方程来确定：

$\underset{r_C-w_n}{\overset{r_C+w_p}{\&Integral;}}E\left(r\right)\mathrm{dr}=V+V_{\mathrm{bt}}---\left(8\right)$

其中，V是施加的反向电压的绝对值，V_bi是内置电势。执行方程（8）中的积分得到如下的方程（9）：

$\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_d}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}\left\{\frac{1}{2}\right[r_C^2-{(r_C-w_n)}^2]-{(r_C-w_n)}^2\ln \frac{r_C}{r_C-w_n}\}+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}\{{(r_C+w_p)}^2\ln \frac{r_C+w_p}{r_C}-\frac{1}{2}[{(r_C+w_p)}^2-r_C^2\left]\right\}=V+V_{\mathrm{bi}}$

对于大多数情况，p型主体的有效掺杂浓度与n⁺柱的掺杂的比相对较小，即使在用1×10¹⁶n_eq/cm²通量辐射后，N_eff/N_d<10^-5。因此，从方程（7）和（9）计算的n⁺柱的耗尽宽度w_n远小于p型主体的耗尽宽度w_p，w_p（w_n/w_p<10^-4）且r_c（w_n/r_c<10^-3）。因此，可以简化方程（9）来解p型主体的耗尽宽度w_p，使得：

${(r_C+w_p)}^2\ln \frac{r_C+w_p}{r_C}-\frac{1}{2}[{(r_C+w_p)}^2-r_C^2]=\frac{{2\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_c(V+V_{\mathrm{bi}})}{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}---\left(10\right)$

并且用方程（11）来计算p型主体中的电场

$E\left(r\right)=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}r[\frac{{(r_C+w_p)}^2}{r^2}-1](r_C\&le;r<r_C+w_p)---\left(11\right)$

2.2.1.1非辐射3D沟槽CJ检测器中的耗尽电压

图7示出了六边形类型的单像元非辐射3D沟槽CJ检测器（诸如在图5A中阐述并由图6A的圆柱形几何形状近似的检测器）中的电场分布710。电场（E场）值在纵坐标（y轴）绘制，而半径在横坐标（x轴）绘制。在用于图7以及以下的其他附图的计算中，除非另有特别说明，模拟的3D沟槽检测器包括5微米的内电极（柱）半径r_c（r_c=5μm）以及10微米的外电极（沟槽）宽度W_T（W_T=10μm）。图7显示用大约2.03V来耗尽35μm的有效掺杂浓度为1×10¹²cm^-3（N_eff=1×10¹²cm^-3）的非辐射p型主体。在小的r值，由于电场E被形式1/r支配（见方程（11）），因此在内电极附近（即，在n⁺柱或者其附近）的电场远高于p型主体610。因此，r＝r_c处（即，在第一或中心电极的外表面）的电场远高于r＝r_c+w_p处（在主体中的耗尽区的末端）。相比于平面2D检测器和3D沟槽矩形类型检测器（例如，图2A和方程（1）），这将导致固定耗尽宽度的更高耗尽电压。

2.2.1.2辐射3D沟槽CJ检测器中的耗尽电压

图8示出了辐射3D沟槽CJ电极检测器的电场分布（曲线820）和2D平面检测器的电场分布（曲线810），二者都是沿耗尽宽度的坐标的函数。3D沟槽CJ检测器的电场分布（曲线820）显示随着p型主体的耗尽宽度从r=r_c延长到r_c+w_p，电场强度是极坐标r的函数。平面2D检测器的电场分布（810）显示，随着检测器中的耗尽宽度从结电极延伸到半导体材料中并延伸到外环沟槽，电场强度基本上是线性的。通过比较图8中的两个曲线，显然，中心结电极（点821）附近的3D沟槽CJ检测器的电场分布（曲线820）大约比结电极（点811）附近的2D检测器的电场分布高3倍。两个电场分布都考虑相同的偏压（V=206V）、相等的耗尽宽度（从r_c至r_c+w_p）、以及相同的辐射通量（1×10¹⁶n_eq/cm²）。与非辐射的情况类似，辐射3D沟槽CJ检测器中的电场在内电极附近（即，在n⁺柱650或其附近）远高于p型主体610（即，图6B的圆柱形表面R附近）。

2.2.1.3辐射3D沟槽CJ检测器中的过耗尽电压

在过耗尽的情况下，以下的方程显示，高电场进一步集中在中心电极（图6B中的n+柱650）周围。如下给出了过耗尽的电场分布：

$E\left(r\right)=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}r[\frac{R^2}{r^2}-1]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{r\ln \frac{R}{r_C}}(r_C\&le;r\&le;R)$ (用于3D沟槽CJ）（12）

其中，可以通过以下方程解全耗尽电压V_fd

$R^2\ln \frac{R}{r_C}-\frac{1}{2}(R^2-r_C^2)=\frac{{2\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0(V_{\mathrm{fd}}+V_{\mathrm{fd}})}{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}---\left(13\right)$

或者

$V_{\mathrm{fd}}=\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{2\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2\ln \frac{R}{r_C}-\frac{1}{2}(R^2-r_C^2)]-V_{\mathrm{bi}}$ （用于3D沟槽CJ）（14）

如果用中子和/或电荷粒子辐射3D沟槽CJ检测器，则有效掺杂浓度Neff将线性波动1MeV中子当量通量Φ_neq，如下示出:

N_eff＝bΦ_neq （用于Φ_neq>10¹⁴n_eq/cm²）                （15）

其中，b是有效掺杂浓度对1MeV的中子等量通量的的比例常数。

对于用高能质子辐射后的含氧硅检测器，有效掺杂浓度对通量的比例常数大约为0.01cm^-1。因此，可以合理地推测，在更好的通量水平，可以期望有更好的有效掺杂浓度。实际上，通过将辐射通量从1×10¹⁴n_eq/cm²增大到1×10¹⁶n_eq/cm²的通量，期望在LHC对撞机升级或SLHC中获得的通量，p型主体的N_eff的值将增加100倍。换句话说，当用通量为1×10¹⁶n_eq/cm²的高能质子辐射35μm的p型主体时，35μm的p型硅主体的有效掺杂浓度N_eff=1×10¹²cm^-3将增大到1×10¹⁴cm^-3。此外，从方程（14）可以看出，检测器全耗尽电压还N_eff与成比例。因此，全耗尽电压也将增大该倍数。

2.2.1.4非辐射vs.辐射3D沟槽CJ检测器中的电场

通过将图8与图7相比较，有趣的是，注意到除了图8的曲线820中的绝对值与图7中的曲线710的值相比增大100倍之外，3D沟槽CJ检测器的电场分布形式在两个图中几乎相同。由于辐射检测器中的全耗尽值比非辐射检测器中大100倍，则显然，电场和耗尽电压的值均与辐射通量成比例。从方程（11）和（14）中也能看出该关系。因此，可能是高于1×10¹⁶n_eq/cm²的辐射通量可以将3D沟槽CJ检测器推至大于击穿场限制（例如，硅是3×10¹⁵V/cm），这将严重阻碍检测器的操作，甚至导致检测器无法使用。如在章节1.2.2“有外环结的3D沟槽检测器”中全面讨论的，该问题可以通过在外电极（沟槽）而不是内电极形成半导体结来克服。然而，应当注意，3D沟槽CJ检测器给出了更均质的电场分布（在电势分布中没有低场区、没有鞍点），并且其第一电极（或沟槽）产生了防止相邻像素之间的电荷共享或使其最小化的死区，相比于现有技术的3D检测器的一些属性，这可能是优点。

图9比较性地示出了作为辐射（以1×10¹⁶n_eq/cm²的通量）3D沟槽CJ电极检测器的外半径（R）的函数的全耗尽电压，以及作为电极之间的距离的函数的平面2D检测器的全耗尽电压。在图9中，曲线910表示作为耗尽宽度的函数的集中在中心电极（柱）区域周围并向外延伸的电场的单像元3D沟槽CJ检测器中的全耗尽电压值。曲线920表示耗尽厚度等于3D沟槽CJ检测器的半径的平面2D检测器所需的全耗尽电压值。图9显示，在1×10¹⁶n_eq/cm²的相同辐射通量下，全耗尽电压3D在沟槽CJ检测器中随半径的增大远快于在2D平面检测器中随厚度的增大。该效果被认为是由中心结柱周围的小电场效应引起的。具体地，高得多的耗尽电压产生了聚集在小结柱（内电极）上的非常高的电场分配。该高的电场浓度可能是不稳定的，并且尤其是在过耗尽水平，可能导致结柱处或附近的内部击穿。

图10示出了过耗尽情况的电场分布。图10示出了电场分布1010，用于以在入射点r₀撞击3D沟槽CJ检测器的1×10¹⁶n_eq/cm²的通量进行电离粒子的电荷收集，所生成的电荷载流子（e’s和h’s）分别从该入射点朝中心结电极和外环沟槽漂移。电场分布1020示出了在相同通量和电极之间的相等距离的情况下，平面2D检测器的相同的检测过程。如图10所示（当相比于图8），在全耗尽电压上再加30V进一步增大了已经有了高电场的中心结电极附近的电场浓度。因此，即使在3D沟槽CJ检测器的全耗尽水平之上驱动偏压，也不能阻止电场在中心结电极附近进一步集中。

当考虑方程（12）时可以预期到该效果。在方程（12）中，由过耗尽引起的电场与l/r成比例。在大的r值（例如，r=R附近），超出全耗尽水平（在过耗尽）的偏压的增大不增大低场区附近的电场。然而，在小的r值（例如，r=r_c附近），过耗尽显著地增大了高场区中的电场。如图10所示，在低场区附近，全耗尽电压加30V（V=260+30V）仅将电场从0V/cm增大到4×10³V/cm。然而，图10中的曲线1010示出，在高场区中，即，在r＝r_c处，相同的偏压增大将电场从2.5×10⁵V/cm增大到2.8×10⁵V/cm。因此，在全耗尽水平上增大偏压似乎只增大最终损害检测器的可能性，而不是改善电场分布。虽然有这些不足，但是仍然认为3D沟槽CJ检测器中的电场比传统3D检测器好。例如，相比于传统3D检测器，由于θ坐标的非依赖性，3D沟槽CJ检测器给出了更均质的电场分布（在电势分布中没有低场区，没有鞍点）。在背景技术中讨论的全耗尽电压和CCE方面，其还具有3D检测器比2D平面检测器有的通常优势。

2.2.2六边形类型的3D沟槽CJ检测器中的加权场计算

将信号引入到检测器的电极中受如下原理的支配：在给定电极上感应的瞬时电流等于载流子的电荷、其漂移速度（与电场成比例）、以及加权场E_w的乘积。通过向测量电极施加单位电势并向所有其他电极施加零电势、同时将主体视为没有空间电荷的体积，来确定加权场。虽然电场确定电荷轨道和漂移速度，但是加权场仅取决于检测器的几何形状，并决定到具体电极的电荷载流子耦合。

如上所述，在六边形类型的单像元3D沟槽检测器的情况下，其中，该检测器可以通过其中对即极坐标θ没有依赖性的圆柱形几何形状来准确地近似，从下面获得加权电势Φ_w和加权场E_w的计算：

$\frac{1}{r}\frac{d}{d_r}\left({\mathrm{rE}}_w\left(r\right)\right)=0(r_C\&le;r<R)---\left(16\right)$

边界条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Phi;}}_w\left(r_C\right)=1\\ {\mathrm{\&Phi;}}_w\left(R\right)=0\\ E_w\left(r\right)=-\frac{\mathrm{d\&Phi;}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}\end{array}\right.---\left(17\right)$

解为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Phi;}}_w\left(r\right)=\frac{\ln (r/R)}{\ln (r_C/R)}\\ E_w\left(r\right)=\frac{1}{r}\&CenterDot;\frac{1}{\ln (R/r_C)}\end{array}\right.---\left(18\right)$

图11示出了单像元3D沟槽CJ检测器的加权场分布。在图11中，曲线1110表示以上参照图6描述的单像元3D沟槽CJ检测器的加权场，其中，内电极（中心n⁺柱650）的半径r_c等于5微米（r_c=5μm），并且从内电极的中心到外电极的外表面的距离R=40微米（R=40μm）。图11显示，加权场在中心集电极（柱n⁺）附近高度集中。中心（或内）电极附近的加权场的浓度归因于小电极效应。具体的，如图11所示，曲线1110开始相当高，并在中心集电极柱的前5μm中从大约1000cm^-1大幅下降到大约450cm^-1。随后，场从大约450cm^-1缓慢减小至120cm^-1（在远离中心集电极柱的从5μm至35μm的区域中）。

2.2.3 3D沟槽CJ检测器中的感应电流

由电场中漂移的自由载流子感生的电流与加权场和载流子漂移速度v_dr的乘积成比例：

$v_{\mathrm{dr}}^{e,h}\left(r\right)=\frac{{\mathrm{\&mu;}}^{\mathrm{\&epsiv;},h}E\left(r\right)}{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^{e,h}E\left(r\right)}{v_S^{e,h}}}---\left(19\right)$

其中，μ^e，h是电子（e）或空穴（h）的饱和速度

的迁移率。

对于最小电离粒子（MIP），硅主体的每单位距离中生成的电荷为Q_o/d＝80e’s/μm。MIP是其穿过物质的平均能量损失速率接近最小的粒子。当快速带电离子穿过物质时，其电离或激发其遇到的原子或分子，逐步损失能量。其损失能量的平均速率取决于材料、粒子种类以及粒子的动量。在实际情况中，大部分相对论粒子（例如，宇宙射线μ介子）都是最小电离粒子。对于3D电极检测器，由MIP生成的电荷沿主体的厚度d，即，独立于漂移方向，并且为80e’s/μm*d。在单面3D检测器的情况下，所城成的电荷是80e’s/μm*d_eff，其中，d_eff是衬底的有效厚度，其一般率小于厚度d。因此，在单像元3D沟槽CJ检测器中，由电荷在r_o感生的电流为：

$i^{e,h}\left(t\right)=80e^{\&prime;}s/\mathrm{\&mu;m}\&CenterDot;d_{\mathrm{eff}}\&CenterDot;E_w\&CenterDot;v_{\mathrm{dr}}^{e,h}\&CenterDot;e^{\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_t}}---\left(20\right)$

并且收集电荷为：

$Q^{e,h}=80e^{\&prime;}s/\mathrm{\&mu;m}\&CenterDot;d_{\mathrm{eff}}\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{dr}}^{e,h}\left(r_C\right)}{\&Integral;}}{E}_w\&CenterDot;v_{\mathrm{dr}}^{e,h}\&CenterDot;e^{\frac{t}{{\mathrm{\&tau;}}_t}}\mathrm{dt},$ 且Q＝Q^e+Q^h              （21）

其中，是电子从r_e→r_o的漂移时间，

是空穴从r_o→R的漂移时间，τ_t是如下给出的载流子捕获常数：

$\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_t}={5\&CenterDot;10}^{-7}{\mathrm{\&Phi;}}_{n_{\mathrm{eq}}}---\left(22\right)$

其中，

是1MeV的中子当量通量。

图12示出了作为载流子行进的距离（半径）的函数的单像元3D沟槽CJ检测器中的载流子漂移速度和加权场的乘积。在图12中，曲线1210和1220分别示出了六边形类型的单像元3D沟槽CJ检测器中的电子（e’s）和空穴（h’s）的载流子漂移速度和加权场（v_dr*E_w(1/s)）。如图12所示，显然，直到移动到中心集电极柱附近，自由载流子的移动有很少的感应电流。具体地，从曲线1210和1220可以推测，仅在从中心电极大约10μm中检测到显著感应电流。对于非常高度辐射的检测器，例如，在诸如高能物理的应用中，由于在对感应电流（以及收集电荷）有重大作用之前，离中心集电极超过大约20μm远的电荷（在该情况下为电子）可能受到捕获的不利影响，因此这种情况可能是不理想的。然而，在其他应用中，中线电极附近的高加权场浓度对于3D沟槽CJ检测器可能是有利的。例如，在用于医学成像应用和伽马能谱的CZT检测器中，小电极（或像素）效应允许将几乎所有的感应电荷加权到最靠近集电极区移动的这些电荷载流子，从而抵消了不良空穴收集的问题，并且几乎收集了总电荷。

2.3.3D沟槽CJ检测器中的电场考虑

虽然为了优化封装优选地采用六边形几何形状，但是当通过圆柱形几何形状近似这种检测器时，能够简化六边形类型的3D沟槽检测器中的电场分布的计算。图14A和14B分别示出了用于单像元3D沟槽ORJ检测器中的电场计算的圆柱形几何形状的示意性透视和横截面图。在图14A中，单像元3D检测器1400由从第一表面1420向与第一表面隔开厚度d的第二表面1430延伸的圆柱形p型主体1410形成。在p型主体1410中，通过圆柱形表面1440（n⁺沟槽）近似第一电极，而通过p⁺杆或柱1450近似第二电极。P⁺柱1450具有第一末端1420a和第二末端1420b。p⁺柱1450的第一末端1420a在第一表面1420结合到主体1410。P⁺柱1450的的第二末端1420b深位于p型主体1410中，但是未达到第二表面1430。

图14B中给出了沿单像元3D检测器1400的模拟平面C-C的横截面图。为了模拟，假设电场起源于点R并向内延伸作为穿过耗尽区w_p的极坐标r的函数。为了分析计算，认为单像元3D沟槽ORJ检测器的电场分布在像元内大致均质。具体地，除了在靠近中心柱1450的两个末端的区域中，认为电场没有θ依赖性，并且仅作为r的函数改变。换句话说，除了如下面描述的，电荷收集的电场主要集中在像元的外部区域，3D沟槽ORJ检测器的载流子传输动态大致与3D沟槽CJ检测器的类似。

2.3.1电场分布

如下面给出的，使用图14A和14B的几何形状可以计算p型主体中的电场。然而，值得注意的是，该实施方式不限于p型主体。实际上，还可以容易地制造具有n型主体的检测器。在该情况下，对于n型主体，可以在下面的所有附图和计算中简单地切换

和

在图14的圆柱形几何形状中，如下给出电场：

$\frac{1}{r}\frac{d}{\mathrm{dr}}\left(\mathrm{rE}\left(r\right)\right)=-\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}(r_C<R-w_p\&le;r\&le;R)---\left(23\right)$

边界条件：

$\left\{\begin{array}{c}E(R-w_p)=0\\ \underset{R-w_p}{\overset{R}{\&Integral;}}E\left(r\right)\mathrm{dr}=-(V+V_{\mathrm{bi}})\end{array}\right.---\left(24\right)$

得到：

$E\left(r\right)=-\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{2\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}r[1-\frac{{(R-w_p)}^2}{r^2}](r_C<R-w_p\&le;r\&le;R)---\left(25\right)$

其中，从（26）确定w_p：

$\frac{1}{2}[R^2-{(R-w_p)}^2]-{(R-w_p)}^2\ln \frac{R}{R-w_p}=\frac{{2\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0(V+V_{\mathrm{bi}})}{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}---\left(26\right)$

2.3.1.1全耗尽电压的电场

图15示出了比较性地图解3D沟槽ORJ和平面2D检测器中的电场分布的曲线图。在图15中，曲线1510表示3D沟槽ORJ的电场，并且曲线1520表示平面2D检测器的电场。值得注意的是，为了比较和更好的说明，在图15和图17至图19中，由于E-场是负的，因此绘制的值是绝对值。在图15的两个曲线（1510和1520）中，假设1×10¹⁶n_eq/cm²的辐射下的35μm的硅主体、以及59V的全耗尽偏压下的电荷收集电场。

2.3.1.2过耗尽电压的电场

在过耗条件下，3D沟槽ORJ检测器中的电场分布可以如下表示：

$E\left(r\right)=-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}r[1-\frac{{r_C}^2}{r^2}]-\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{r\ln \frac{R}{r_C}}(r_C\&le;r\&le;R)$ (用于3D沟槽ORJ）（27）

从（28）计算全耗尽电压V_fd：

$V_{\mathrm{fd}}=\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{2{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}\left[\right[\frac{1}{2}(R^2-r_C^2)-r_C^2\ln \frac{R}{r_C}\left]\right]-V_{\mathrm{id}}$ （用于3D沟槽ORJ）（28）

图16示出了作为单像元3D沟槽ORJ检测器和平面2D检测器中的耗尽宽度的函数的全耗尽电压的曲线图。具体地，在图16中，曲线1610示出，单像元3D沟槽ORJ检测器中的全耗尽电压值随着耗尽宽度wp（图14B中）从r＝R的初始位置增大到r=r_c的最终位置而增大。因此，在曲线1610中，随着耗尽宽度w_p在极坐标r的负方向从圆柱形表面R（n⁺沟槽）迅速朝r=r_c的圆柱形柱的表面增大，全耗尽电压也增大。类似地，曲线1620表示隔开主体距离d（等于从r＝R到r＝r_c的距离）的两个集电极之间的电场的2D检测器中的全耗尽电压值。在曲线1620中，随着沿主体厚度d的耗尽宽度w增大，全耗尽电压也增大。值得注意的是，在曲线1610和1620中，3D沟槽ORJ检测器中的全耗尽电压值比2D检测器中的全耗尽电压值增大的慢得多。在该情况下，更具体地，图16示出，在用1×10¹⁶n_eq/cm²的通量辐射时，全耗尽电压在3D沟槽ORJ Si检测器中随半径的增大比在2D检测器中随厚度的增大慢得多。该结果可以归因于在中心柱（在该情况下不是结电极）周围有“小电场效应”的最小影响的事实。当与图16至图9比较时，显然，3D沟槽ORJ检测器中的全耗尽电压比3D沟槽CJ检测器小至少3倍。该特殊效果被认为在3D沟槽ORJ检测器中是有利的，这是因为，这种检测器可以配置为比3D沟槽CJ检测器承受高得多的耗尽电压。

3D沟槽ORJ检测器比3D沟槽CJ或平面2D检测器的另一优点是其对过耗尽偏压的应变性。具体地，从方程（27）可以看出，过耗尽项对1/r项有强依赖性。因此，在过耗尽偏压，3D沟槽ORJ检测器将主要在中心电极附近（r＝r_c）加电场，其中，低电场最初位于该中心电极。3D沟槽ORJ检测器中的电场的该特殊效果与3D沟槽CJ检测器的电场有鲜明对比。图17例证了该原理。

图17示出了3D沟槽ORJ检测器（在过耗尽）和平面2D检测器的电场分布的曲线图。在图17中，曲线1710表示3D沟槽ORJ检测器的电场分布，而曲线1720表示平面2D检测器的电场分布，均在69V的偏压。更具体地，当将图15的曲线1510与图17的曲线1710比较时，曲线1710显示，3D沟槽ORJ检测器中的10V的过耗尽偏压能够显著增大r=r_c处的电场，而r=R处的点成分布基本不变。特别地，如图17所示，用1×10¹⁶n_eq/cm²的通量辐射时，10V的过耗尽偏压在3D沟槽ORJ检测器（曲线1710）的r＝r_c处将电场从0V/cm增大到1×10⁴V/cm。然而，尤其是观察到，在r=R的高场区中，相同的过耗尽偏压产生电场的最小增大或没有增大。另一方面，当将图15的曲线1520与图17的曲线1720比较时，曲线1720示出，即使在69V的偏压，2D检测器也没有完全耗尽。这导致得出结论，相比于传统2D检测器，3D沟槽ORJ检测器需要低得多的偏压水平（即使在过耗尽）。

图18示出了比较性地示出3D沟槽ORJ检测器中的过耗尽偏压的各种实例的另一曲线图。特别地，图18示出了在三个不同偏压水平的单像元3D沟槽ORJ检测器中的电场分布（由于E场是负的，因此是绘制的绝对值）。曲线1810示出了2V的过耗尽偏压；这里，将曲线1810与图15的曲线1510相比较，观察到电场分布仍然保持线性，并且注意到没有变化。曲线1820示出了比全耗尽电压（V_fd）大20V的过耗尽偏压。当将曲线1820与图15的曲线1510比较时，观察到r=r_c处的电场已经从0V/cm增大到2×10⁴V/cm，而外环结（r＝R）处的电场分布基本上保持稳定在3×10⁴V/cm。最后，曲线1830描绘了比图15的曲线1510示出的59V的全耗尽电压大50V的过耗尽偏压的情况。当将曲线1830与图15的曲线1510相比时，观察到r=r_c处的电场已经从0V/cm增大到大约5×10⁴V/cm，而r＝R处的电场仅从3×10⁴V/cm增大到3.5×10⁴V/cm。如图18所示，大于全耗尽水平的偏压的增大可以如此多的提高r＝r_c处的电场，因此r＝r_c处的电场可以最终超过r＝R处的电场。因此，过耗尽电压的增大最终使中心电极成为“虚拟”结。

2.3.23D沟槽ORJ检测器中的最佳耗尽电压

如上面方程（28）中示出的，全耗尽电压V_fd与有效掺杂浓度N_eff成比例。在高辐射通量下，N_eff由于主体中的缺陷而有所变化。主体缺陷可能导致材料类型的反转。在辐射期间，通过增大辐射通量，最初的正主体掺杂浓度可以减小至半导体主体的类型反转，并变成负的。负N_eff意味着n型主体材料能够反转成有效p型主体材料。借助于反转的主体材料，高电场的区域从最初结电极朝欧姆接触电极移动，从而在中心电极产生了有效虚拟结电极。由于过耗尽偏压引起的电场的增大对于该检测器的电荷收集效率（CCE）是相当有利的，这是因为，在第二或中心电极产生了虚拟结的情况下，电场和加权场将位于集电极的同一侧。该效果的优点在于，可以在主体半导体材料的整个体积中实现大致均匀场，从而防止可能损害检测器的中心电极处的高度集中场。

3D沟槽ORJ检测器中的另一有趣的方面是，当耗尽区的两端的电场相等时，即，当E(r_c)＝E(R)时，可以在整个单像元检测器（或像素）中实现接近恒定（或接近均匀）的电场。对于其中对高电场具有高CCE和抵抗力的检测器是非常理想的高辐环境中的应用，该条件可能是最佳操作条件。例如，具有几乎恒定电场的3D沟槽ORJ检测器可以有极快的电荷收集，而不会因低场区（即，E(r_c)＝E(R)）而导致拉长。在这种具体条件下运行的3D沟槽ORJ检测器可以最佳地适用于粒子碰撞机的高亮度和高辐射环境，诸如在SLHC、或者其他高能物理和光子科学实验中预期的那些。

如下给出实现E(r_c)＝E(R)条件所需的最佳过耗尽偏压

${\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{over}}^{\mathrm{optima}}=V^{\mathrm{optima}}-V_{\mathrm{fd}}=\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{2\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}\left[r_C(R+r_C)\ln \frac{R}{r_C}\right]---\left(29\right)$

并且相等场值为：

$E_{\mathrm{eq}}=-\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{2\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}(R+r_C)---\left(30\right)$

从上面的方程（29）和（30），很显然，

和E_eq都取决于检测器的几何形状（r_c和R）以及有效掺杂浓度（N_eff）。如上面讨论的，N_eff与辐射通量成比例的线性增大。因此，

和E_eq也随着N_eff线性增大，并随着R接近线性增大。

对于1×10¹⁶n_eq/cm²的辐射通量下的3D沟槽ORJ硅检测器，具有5微米半径（r_c=5μm）的中心柱和位于距其中心40微米的沟槽电极（外电极）（R=40μm），通过使用方程（29）和（30），可以如下计算最佳全耗尽偏压和相等场值：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{over}}^{\mathrm{optima}}=3.74\&times;{10}^{-15}{\mathrm{\&Phi;}}_{n_{\mathrm{eq}}},\left(V\right)\\ E_{\mathrm{eq}}=-3.60\&times;{10}^{-13}{\mathrm{\&Phi;}}_{n_{\mathrm{eq}}},(V/\mathrm{cm})\end{array}\right.---\left(31\right)$

其结果是

并且E_eq=-3.6×10⁴V/cm。对应于该实例的电场分布在图19中绘制。

图19示出了在使得耗尽区两端的电场相等的最佳过耗尽电压被偏置的单像元3D沟槽ORJ检测器中的电场分布1910。即，中心结（r=r_c）处的电场E(r_c)等于外环结（r＝R）出的电场E(R)。为了更好地说明E场的负值，以绝对值绘制图19。在图19中，3D沟槽ORJ检测器的最佳电场分布具有以下形式：

$E^{\mathrm{optima}}\left(r\right)=-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}r[1+\frac{r_{C}R}{r^2}](r_C\&le;r\&le;R)$ （用于3D沟槽ORJ）（32）

最小电场（E_min）位于r_min，其中，

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\min }=\sqrt{r_{C}R}\\ E_{\min }=-\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}\sqrt{r_{C}R}\end{array}\right.---\left(33\right)$

两个特征场的比是：

$\frac{E_{\mathrm{eq}}}{E_{\min }}=\frac{(r_C+R)/2}{\sqrt{r_{C}R}}\&cong;\frac{1}{2}\sqrt{\frac{R}{r_C},}(\mathrm{ifR}>>r_C)---\left(34\right)$

结果，从方程（34）可以看出，两个特征场的比E_eq/E_min仅取决于检测器的几何形状（r_c和R），因此不受辐射的影响。

2.3.3 3D沟槽ORJ检测器中的加权场和载流子漂移动态

图20示出了3D沟槽ORJ检测器的载流子漂移速度和加权场的乘积。

在图20中，曲线2010和2020分别示出了六边形类型的单像元3D沟槽ORJ检测器中电子（e’s）和空穴（h’s）的载流子漂移速度和加权场的乘积。如图20所示，显然，电子和空穴的乘积峰值在r=r_c，并且它们在整个像元中都为非零。曲线2010和2020的最小值均为其对应的峰值的大约1/5。这些曲线表明，3D沟槽ORJ检测器能够以全耗尽运行，且最大电场集中在外环结。

图21A示出了曲线图，其示出了3D沟槽ORJ检测器和3D沟槽CJ检测器的载流子漂移速度和加权场的计算乘积，用于比较。图21C描绘了与图21A中讨论的检测器对应的电场分布。如图21A所示，3D沟槽ORJ检测器中的电子的载流子漂移速度和加权场的乘积（曲线2110）有些类似于3D沟槽CJ检测器（曲线2120）。在图21A中，曲线2110显示，单像元3D沟槽ORJ检测器中的电子的载流子漂移速度和加权场的乘积峰值在r＝r_c，并且在整个像元中保持非零水平。相反，曲线2120显示，单像元3D沟槽CJ检测器中的电子的载流子漂移速度和加权场的乘积峰值在r=r_c，但是其在r＝R迅速降至零水平。此外，图21B的电场分布进一步表明了偏压的电场方面的结果。更具体地，图21B显示，3D沟槽ORJ检测器的偏压（96V）比3D沟槽CJ检测器的偏压（236V）小大约2.4倍。另外，3D沟槽ORJ检测器（曲线2131）的最大电场密度大约比3D沟槽CJ检测器（曲线2132）的最大电场密度小7倍。然而，为了易于理解，在3D空间中执行类似模拟（在图21中示出），以说明穿过带有外环结（ORJ）电极或中心结（CJ）电极的六边形类型的3D沟槽检测器的横截面的电场。图21C显示，在具有150μm的电极间隔和1μm的SiO₂层（顶和底）的检测器中，3D沟槽ORJ检测器的偏压（8V）比3D沟槽CJ检测器的偏压（52V）小大约6.5倍，并且比厚度为150μm的2D传统平面检测器的偏压小大约2倍。另外，3D沟槽ORJ和3D沟槽CJ检测器中的电场都是非常均匀的。

结果显示，相比于3D沟槽CJ检测器和现有技术的3D检测器架构可以应用的辐射环境，3D沟槽ORJ检测器架构可以有利地应用于具有更好的辐射通量的辐射环境。

2.4 3D沟槽检测器的特征总结

从3D沟槽检测器的以上详细描述和样本计算，可以将3D沟槽检测器的特征总结如下：（1）3D沟槽ORJ中的电场分布是略微次线性的，（2）相比于3D沟槽CJ和平面2D检测器，耗尽3D沟槽ORJ检测器（在1×10¹⁶n_eq/cm²的辐射后）中的35μm的主体的偏压比2D检测器小40%，并比3D沟槽CJ检测器小3倍（见将图8与图15相比）；（3）最大电场在外环沟槽附近，并且比2D检测器小大约30%，并可以比3D沟槽CJ检测器小高达7倍（将图8与图15比较）。平面2D、3D沟槽CJ、和3D沟槽ORJ检测器之间的比较在表II中总结。从这些比较可以得出，即使在极高的辐射通量下（例如，1×10¹⁶n_eq/cm²），硅3D沟槽ORJ检测器也能够以有最大电场的全耗尽操作，并且仍然保持在Si的3×10⁵V/cm的击穿场以下。

表II：在1×10¹⁶n_eq/cm²的辐射通量下，2D平面、3D沟槽CJ、和3D沟槽ORJ检测器的特征比较。

*为了比较的目的，在第一电极和第二电极彼此平行的至少一个平面中（例如，图2A中的区域I），矩形类型的3D沟槽电极可以由2D平面模型近似。

3.3D沟槽硅检测器中收集电荷的分析

如上所述，通过如下产生的方程（21）来给出沿主体厚度（独立于漂移方向）的MIP的电荷。

$Q^{e,h}=80e^{\&prime;}s/\mathrm{\&mu;m}\&CenterDot;d_{\mathrm{eff}}\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{dr}}^{e,h}\left(r_C\right)}{\&Integral;}}{E}_w\&CenterDot;v_{\mathrm{dr}}^{e,h}\&CenterDot;e^{\frac{t}{{\mathrm{\&tau;}}_t}}\mathrm{dt},$ 且Q＝Q^e+Q^h              （21）

从方程（21），需要首先计算从r₀（在图10中）开始的电子和空穴的漂移r^e，h(t，r₀)，其中：

$\frac{{\mathrm{dr}}^{e,h}(t,r_0)}{\mathrm{dt}}=v_{\mathrm{dr}}^{e,h}\left(r\right)=\frac{{\mathrm{\&mu;}}^{e,h}E\left(r^{e,h}(t,r_0)\right)}{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}^{e,h}E\left(r^{e,h}(t,r_C)\right)}{v_S^{e,h}}}---\left(35\right)$

可以使用3D沟槽CJ检测器的方程（12）和3D沟槽ORJ检测器的方程（27）中列出的电场分布来解方程（35）。

3.1 3D沟槽CJ硅检测器中收集的电荷

对于硅制成的3D沟槽CJ检测器，可以如下计算电子和空穴的漂移：

$t=\frac{r_0-r^e(t,r_0)}{v_s^e}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}{e{\mathrm{\&mu;}}^e{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-r^e{(t,r_C)}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{df}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-{r_0}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{df}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}(e^{\&prime;}s,r_C\&le;r^e(t,r_0)\&le;r_0\&le;R)$

（36）和

$t=\frac{r^h(t,r_0)-r_0}{v_d^h}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}{{\mathrm{e\&mu;}}^h{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-{r_0}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-r^h{(t,r_0)}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}(h^{\&prime;}s,r_C\&le;r_0\&le;r^h(t,r_0)\&le;R)$

（37）

其中，漂移时间为：

$t_{\mathrm{dr}}^e\left(r_0\right)=\frac{r_0-r_C}{v_d^e}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}{{\mathrm{e\&mu;}}^e{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-{r_C}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-{r_0}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}(e^{\&prime;}s,r_C\&le;r_0\&le;R)---\left(38\right)$

$t_{\mathrm{dr}}^h\left(r_{\mathrm{fi}}\right)=\frac{R-r_c}{v_s^h}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}{{\mathrm{e\&mu;}}^h{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-{r_0}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}(h^{\&prime;}s,r_C\&le;r_0\&le;R)---\left(39\right)$

在上述方程中，最大漂移时间或瞬态时间，是载流子漂移从R到r_c的整个距离所需的时间。因此，

$t_{\mathrm{dr}}^c=\frac{R-r_C}{v_d^e}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}{{\mathrm{e\&mu;}}^e{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-{r_C}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}$ (e’s从R→r_c漂移)（40）

$t_{\mathrm{dr}}^h=\frac{R-r_C}{v_s^h}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}{{\mathrm{e\&mu;}}^h{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-{r_C}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}$ (h’s从r_c→R漂移)（41）

现在可以使用用于电子(e)和空穴(h)的感应电流和收集电荷的方程（35）-（39）来执行方程（20）和（21）中的计算。

图22中示出了感应电流和收集电荷的实例。图22示出了通过辐射（1×10¹⁶n_eq/cm²）由硅制成的3D沟槽CJ检测器产生的电子和空穴感应电流。对于图22中的实例，已经假设了以下条件：r₀=25.5μm；r_c=5μm；R=40μm；d_eff＝290μm，V＝243V（V_fd＝206V），并且E_max=2.91×105V/cm。因此，图22示出了MIP的电子（曲线2210）和空穴（曲线2220）感应电流的曲线，该MIP在r₀=25.5μm的主体处撞击。即，由撞击辐射（1×10¹⁶n_eq/cm²）3D沟槽CJ检测器中的外环表面（R=40μm）和中心结柱（r_c=5μm）的外表面之间的中点的MIP产生的电子和空穴。

从图22，显然，在该情况下，总感应电流和总收集电荷受电子支配。实际上，发现在模拟期间发生的感应电流的整合给出了12,100e’s的总收集电荷，或者原始21,600e’s的CCE=56%，其中9,010e’s是由于电子漂移（或者总收集电荷的大约75%）。总收集电荷是标准平面（2D）Si检测器的5-6倍。电荷收集时间也非常短。对于电子，小于0.2×10^-9秒（0.2ns），对于空穴，小于0.45ns。然而，检测器以243V（有37V的过耗尽电压）的非常高的偏压操作。最高电场是291×10³V/cm，这非常接近Si中的内部击穿电压。估计小于或等于全耗尽电压的操作偏压会将电荷收集时间增大至大约1.5ns或者甚至更大。

3.23D沟槽ORJ硅检测器中的收集电荷

对于由硅支撑的3D沟槽ORJ检测器，可以如下计算电子和空穴的漂移：

$t=\frac{r^e(t,r_0)-r_0}{v_r^e}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}{e{\mathrm{\&mu;}}^{\mathrm{\&epsiv;}}{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[r^e{(t,r_0)}^2-{r_C}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}({r_0}^2-{r_C}^2)+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}(e^{\&prime;}s,r_C\&le;r_0\&le;r^e(t,r_0)\&le;R)---\left(42\right)$

$t=\frac{r_0-r^k(t,r_0)}{v_r^h}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_c}{e{\mathrm{\&mu;}}^h{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[{r_0}^2-{r_C}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[r^h{(t,r_0)}^2-{r_C}^2+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}(h^{\&prime;}s,r_C\&le;r^h(t,r_0)\&le;r_0\&le;R)---\left(43\right)$

并且，漂移时间为：

$t_{\mathrm{dr}}^e\left(r_0\right)=\frac{R-r_0}{v_s^e}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}{{\mathrm{e\&mu;}}^e{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[R^2-{r_C}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{df}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}({r_0}^2-{r_C}^2)+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}(e^{\&prime;}s,r_C\&le;r_0\&le;R)---\left(44\right)$

$t_{\mathrm{dr}}^h\left(r_0\right)=\frac{r_0-r_C}{v_s^h}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}{e{\mathrm{\&mu;}}^h{N}_{\mathrm{eff}}}\ln \left\{\frac{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{eN}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\&epsiv;\&epsiv;}}_0}[{r_0}^2-{r_C}^2]+\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}{\frac{V-V_{\mathrm{fd}}}{\ln (R/r_C)}}\right\}(h^{\&prime;}s,r_C\&le;r_0\&le;R)---\left(45\right)$

从上面的方程（43）-（45）注意到，可以分别从与方程（38）和（39）基本上系统的方程（44）和（45）来确定3D沟槽ORJ检测器中的电子和空穴的最大漂移时间。然而，3D沟槽ORJ检测器的情况下的一个显著不同在于，电子和空穴以与3D沟槽CJ检测器相反的方向漂移。具体地，如上面指出的，在3D沟槽ORJ检测器中（图14），电子从R→r_c漂移，而空穴从r_c→R漂移，而在3D沟槽CJ检测器中（图26），电子从r_c→R漂移，并且空穴从R→r_c漂移。

另外，考虑到检测器的架构和极性来应用上述计算。具体地，在计算上述实例时，假设有p型主体，即，3D沟槽CJ检测器的n⁺中心结柱、以及3D沟槽ORJ检测器的p⁺欧姆柱。对于n型主体，需要进行如下转换：

$\left\{\begin{array}{c}{n}^{+}\&LeftRightArrow;p^{+}\\ p\&RightArrow;n\\ e\&LeftRightArrow;h\\ E\left(r\right)\&RightArrow;-E\left(r\right)\end{array}\right.$ （用于n型主体：3D沟槽CJ中的p⁺中心柱和ORJ中的n⁺中心柱）                                （46）

考虑以上告诫，可以通过使用方程（42）至（45）执行方程（20）和（21）中的计算来确定3D沟槽ORJ检测器中的电子和空穴的感应电流和收集电荷。

图23示出了MIP的电子和空穴感应电流，该MIP以1×10¹⁶n_eq/cm²的辐射通量在入射位置r₀撞击3D沟槽ORJ检测器。更具体地，图23假设3D沟槽ORJ检测器满足以下条件：r₀=22.5μm；r_c=5μm；R=40μm；并且辐射通量=1×10¹⁶n_eq/cm²，其中，r₀是中心结柱（r_c=5μm）的外表面和沟槽电极（R=40μm）的内表面之间的中点。如图23所示，总感应电流以及总收集电荷略微受空穴的支配（曲线2320）。在10,200e’s的总收集电荷中，或者在原始21,600e’s的CCE=47.3%中，认为6,280e’s（或者大约是总收集电荷的62%）是由于空穴漂移引起的。注意到在图23中使用了97V的偏压。如从方程（32）计算的，97V的偏压包括大于耗尽电压的38V，以达到最佳操作场。最大电场是36kV/cm，比具有相同辐射的3D沟槽CJ电极Si检测器小8倍，并轻松小于300kV/cm的SI内部击穿场。

在图23中，注意到总收集电荷略微小于以上参照图22描述的3D沟槽CJ检测器的收集电荷。图23的较低平均电场归因于相比于3D沟槽CJ中使用的偏压（243V），3D沟槽ORJ检测器中使用了小得多的偏压（97V）。

图24示出了已经从上述3D沟槽ORJ检测器收集了MIIP的电子（曲线2410）和空穴（曲线2420）感应电流的情况。相比于图23，图24中的不同在于，现在使用了224V的偏压。更具体地，图24描绘了其中3D沟槽ORJ Si检测器中的偏压已经从97V增大到224V的情况。在该情况下，总感应电流和总收集电荷仍然受空穴支配（曲线2420）。以与章节3.1中描述的3D-沟槽CJ检测器相同的方式，但是以最大电场中的小得多的值（即，159kV/cm），获得了大约12,100e’s的总收集电荷。由于空穴漂移产生的收集电荷是7992e’s，或者是总收集电荷的大约66%。

图23和图24这两种情况下的电荷收集时间t(s)都非常短。在图23中，对于V=97V，其小于0.35ns，并且在图24中，对于V=224V，其小于0.25ns。因此，重要的是注意到即使这两种类型的检测器由相同的材料制成，3D沟槽ORJ检测器的电荷收集时间也比3D沟槽CJ检测器的短。3D沟槽ORJ检测器中的更短的收集时间可能是由于更均匀的电场分布引起的。

3.3收集电荷对3D沟槽电极检测器中的粒子入射位置和载流子捕获的依赖性

对于任何3D电极检测器，这里讨论的传统3D和/或3D沟槽（矩形或六边形类型）检测器，自由载流子由平行于检测器的表面平面并垂直于检测器厚度漂移的粒子生成。如图25所示，对于垂直于检测器表面进入检测器的MIP，沿平行于中心柱和外环的MIP路径生成了电子和空穴对（如图所示）。图25示意性示出了单像元3D沟槽ORJ检测器中的MIP生成的自由载流子的漂移。在图25中，3D沟槽ORJ检测器2500在结构上类似于上面已经在章节2.3“3D沟槽ORJ检测器中的电场考虑”中描述的图14A的检测器1400。因为，为了避免重复，参考该章节。在图25中，设想MIP 2590在垂直于检测器的第一表面2590的方向进入近侧其，并在距离r₀撞击主体2510（p⁺柱的圆柱形表面R和外部表面之间的点）。在r₀撞击主体2510时，MIP 2590在大致平行于中心柱（p⁺柱）和外环（n⁺沟道）的路径上行进，从而生成电子（e）-空穴（h）对。由MIP 2510生成的自由自流子（e和h对）平行于检测器的表面平面（即，平行于第一表面2520和/或第二表面2530）漂移。具体地，在图25的情况下，电子将垂直于并朝R（外环的内表面）移动，类似地，空穴将垂直于并朝r_c（内部柱的外表面）。

根据MIP的进入点（r₀）和生成的载流子的数量，电子和空穴的漂移对总收集电荷的作用将不同。在r₀≈r_c的一种极端（即，当MIP在大致靠近内部柱的位置进入检测器），空穴对收集电荷的共享将基本为零，并且所有的感应电流和收集电荷可以归因于从r_c到R漂移穿过像元的电子。在另一中极端，当r₀＝R时，电子作用将基本为零，并且所有的感应电流和收集电荷将是由从R到r_c漂移穿过像元的空穴引起的。

对于高能物理实验（诸如CERN的LHC中的实验）中的Si检测器应用，如果当由辐射感应缺陷引起的自由载流子的捕获不显著时，辐射环境的水平在1×10¹⁵n_eq/cm²的阶，则以上描述仍然成立。然而，对于其中辐射水平期望达到1×10¹⁶n_eq/cm²（高10倍）的诸如LHC升级（SLHC）中的极高辐射环境，自由载流子的捕获成为严重的限制因素。在图25中，如果MIP 2510在检测器内部被停止，则收集的电荷与粒子的能量成比例；否则，如果粒子通过了检测器，则测量的信号与粒子的能量损失成比例。粒子停止或能量损失是由于库仑作用、以及与电子和硅原子的散射引起的。特别地，在与半导体材料中的电荷粒子相互作用时，半导体材料的原子从其正常晶格节点的移位可以认为是辐射感应缺陷的主要类型。留下的空位以及在间隙（移位）位置的原来的原子，构成了正常电荷自流子的捕获结点。捕获节点能够捕捉空穴或电子，并相对长时期地保持其固定。虽然捕获中心将最终释放载流子，但是对于延迟平均瞬态时间、和/或防止载流子作用于可测量电荷来说，该时间延迟通常足够长。

自由载流子捕获的缺陷还与粒子入射位置密切相关。例如，在诸如LHC中或SLHC升级中的极高辐射应用中，有了自由载流子的大的捕获，3D沟槽检测器中的总收集电荷可以大致依赖于检测器上的粒子入射位置而改变。这电子和/或空穴捕获的可能性随着粒子入射位置而改变的事实引起的，当将这添加到加权场配置时，影响作用于总电荷收集的电子和空穴的组成。图26A和图26B描绘了作为粒子入射位置r₀的函数的总收集电荷以及电荷和空穴对总电荷的作用的依赖性。

图26示出了由硅制成的单像元3D沟槽CJ检测器中总收集电荷（曲线2610）以及电子（曲线2620）和空穴（曲线2630）对其的作用。图26B是相同材料的3D沟槽ORJ检测器的情况，其中，总收集电荷为曲线2650，电子对其的作用为曲线2670，空穴对其的作用为曲线2680。假设在图26A和26B中有以下条件：辐射通量=1×10¹⁶n_eq/cm²，r_c=5μm；R=40μm；d_eff＝290μm（Q₀=21,600e’s）；对于3D沟槽CJ检测器，V＝243V（V_fd=206V），并且对于3D沟槽ORJ检测器，V＝96V（V_fd=59V）。一般地，如图26A和26B中所示，当粒子入射位置（r₀）在高权重场区时（见图11），或者至少在内部电极（中心收集柱）的大约20μm中时，总收集电荷高。相反，当粒子入射位置远离高权重场，或者在外部电极附近（即，在外环结的内表面附近）时，电荷最低。

当考虑了以下的考虑时，容易地解释了图26A和26B中描述的结果：（1）最有效的电荷收集距离为大约20μm，因此在移动到在集电极附近35μm的高加权场区中之前，在外环（n⁺沟槽）或外环附近生成的电子和/或空穴有被辐射感应捕获中心捕获的可能性。即，当电子和空穴在具有低加权场的区域中的电场中漂移时，感应电流以及对总收集电荷的电子/空穴作用将会很低。（2）如前面观察到的，在r₀=R的极端情况下，只有一种载流子作用于总感应电流和收集电荷。因此，当r₀=R时，所有自由载流子将需要从沟槽的内表面（r=R）移动到柱的外表面（r＝r_c），这意味着当MIP在r₀=R撞击检测器时，存在可能是最大捕获以及低收集电荷（例如，5000至6000e’s）。返回到图26A和图26B，描述了在3D沟槽CJ检测器中，平均电荷收集为大约10,800e’s或50%的CCE（图26A）。在3D沟槽ORJ检测器中，平均电荷收集为大约9,650e’s或45%的CCE。因此，再次表明平均总收集电荷在辐射3D沟槽ORJ检测器中略微小于在3D沟槽CJ检测器中，这归因于3D沟槽ORJ检测器所需的更小的偏压。

具有具有低辐射粒子或没有辐射粒子的情形，诸如在x-射线或γ-射线成像的应用、或者低亮度对撞机实验（例如，相对重离子对撞机（RHIC））中，有很少或者没有自由自载流子的捕获。因此，总收集电荷将基本上是全电荷，并且不依赖于粒子的入射位置。结果是，对于没有辐射或低亮度，如方程（41）定义的，整体电荷收集时间应当单独是空穴的最大漂移时间。

3.4多像素3D沟槽检测器中的像素之间的死区的考虑

传统辐射检测器中的一个缺点是检测器灵敏体积中的死区。具体地，如上面讨论的，在传统2D和3D检测器中，为了防止x-射线进入相邻像素的边界区以防止电荷共享，在多元素（多像素）x-射线检测器中需要金属格栅。金属格栅使检测器的制造复杂，并占据检测器灵敏体积中的几百微米。因此，在检测器灵敏体积中产生了死区，并且这种检测器的使用不是最佳的。传统辐射检测器中通常存在死区的另一区域在主体的边缘周围。在平面2D检测器的情况下，主体的灵敏体积优选地保持原理物理边缘，以保护主体免受物理损害（例如，裂缝）、电场延伸到高偏压的边缘引起的电流注入、以及由辐射造成的可能泄漏。在传统3D检测器中，通过提供具有最小半径（大约5μm）的电极柱（杆）和足够大的柱间隔（大约50μm或更大）来使主体的死区最小化。

在3D沟槽检测器中，检测器灵敏体积中的死区是由沟槽蚀刻产生的。具体地，沟槽（在该说明书中，外部或第二电极）用作检测器的灵敏体积中的“无效区”。因此，在这种3D沟槽检测器中，最初看起来将存在引起填充因子退化的死区。然而，如下面充分证明的，至少在3D沟槽检测器的一些应用中，灵敏体积的这种减小不必然引起严重的问题。实际上，对于x-射线方向和能谱中的应用，例如，检测器制造中沟槽的使用可以认为是非常有利的。具体地，因为在x-射线方向和能谱中不存在粒子辐射，因此有很少的捕获或根本没有捕获。因此，在六边形类型的3D沟槽检测器中，可以轻松地使R很大，以满足具体的应用需求。例如，估计以R=100μm，可以获得仅大约8%的死区。此外，以R=500μm，死区将仅为检测器的灵敏表面的2%或更少。因此，通过使用空间效率更高的基于检测器的沟槽，可以完全避免100μm或更大阶的金属格栅。

图27示出了曲线2710，表示作为六边形类型的单像元3D沟槽检测器的距离R的函数的死区百分比。在图27中，考虑了内电极直径为10μm（r_c=5μm）并且外电极宽度等于10μm（沟槽宽度w=10μm）的3D沟槽电极Si检测器。如图27所示，显然，随着距离R增大，死区的百分比大幅减小。在一个极端，在点2711，R大约为40μm，死区超过16%。由于小R的3D沟槽检测器应用于具有极大捕获的高能物理实验中，因此，16%的死区仍然比由厚度为300μm的2D检测器中的95%以上的捕获引起的默认电荷损失小得多。并且，其没有比具有50μm间距和5μm半径的柱的传统3D检测器的4%的死区大太多，但是有更大的均质电场分布和低得多的全耗尽电压。另一方面，在点2712，R为500μm，死区减小至2%。结果，根据检测器的具体几何形状，新3D沟槽设计可以提供相对传统2D检测器的显著改善。

4.实际应用的3D沟槽检测器的实例

新3D沟槽检测器的上述实施方式可以适合的应用可能有很多。该描述没有试图详尽地列举本发明的所有可能实施方式或应用。相反，作出了真诚的努力来披露足够信息，使得本领域普通技术人员在不用不适当的实验的情况下实践本方面的各种实施方式。为此，下面给出了所描述的实施方式中的一个如何应用于实际应用的一个可能实例。

由于其接近均匀的电场分布和相对低的全耗尽电压，例如，在光子科学中，新3D沟槽ORJ检测器似乎能为硬x-射线和/或γ-射线应用提供良好的基础。X-射线应用中的一个优点在于有很少的或者没有能够导致自由载流子捕获的移位损害（主体衬底损害）。该优点单独可以极大地放松对靠近的电极间距的要求。例如，在LHC升级（SLHC）中期望的极高辐射通量可能在3D沟槽检测器中潜在地产生大量捕获缺陷。因此，原则上，应当使R很小，以最小化捕获。然而，如上面表明的，3D沟槽ORJ检测器允许R大到500μm，而不会影响检测器的效率。此外，由于3D沟槽ORJ检测器中需要的小得多的耗尽电压，可以容易地使电极间距大到500μm，这可以产生大到1mm的像素间距。然后，随着电极间距增大（或R增大），由于沟槽引起的像素之间的死区百分比将大幅下降到甚至小于2%。结果，3D沟槽ORJ检测器似乎理想地适于诸如x-射线和/或γ-射线检测的光子科学应用。

另外，随着现代蚀刻技术的不断改进提高，其能够进行具有25-50比1的沟槽深度l与沟槽宽度W_T的纵横比（AR）（AR=l/W_T）的垂直结构的蚀刻，设想大到1mm至2mm的检测器厚度可以用于直到10’s keV的硬x-射线辐射的高检测效率。并且，在多像素检测器中，基于3D沟槽ORJ检测器像元，所有像素将由于沟槽壁提供的自然分离而完全彼此隔离。更具体地，在多像素3D沟槽检测器中，每个像元的灵敏体积将由于外部电极（沟槽）的蚀刻产生的死区或无效区而彼此自然隔开。因此，在相邻像素之间没有电荷共享。较少的电荷共享将大幅减小尾能谱，从而提高峰谷比和能源分辨率。

4.1具有增强的电极分离的单像元3D沟槽检测器

其中，图28示出了可以用于x-射线应用的单像元3D沟槽ORJ检测器2800的实例。3D沟槽ORJ检测器2800优选地配置为与图13的检测器1300基本上类似，检测器2800与检测器1300相比，二者之间的主要不同在于，对于x-射线应用，检测器2800可以配置为相对较大的尺寸。特别地，检测器2800的第一电极和第二电极优选地彼此相隔30μm至50μm，并且更优选地在100μm与500μm之间。如图28A所示，检测器2800由厚度为d的n型主体2810形成，其中，例如，通过蚀刻和填充对应的第一掺杂区域和第二掺杂区域，形成了第一电极2840和第二电极2850。第一电极2840形成为六边形管状结构形状（沟槽）并且包括第一导电类型（p⁺）的材料。第二电极2850形成为包括第二导电类型（n⁺）的材料的六边形（或圆形）柱形状。在二极管结的背景下，p⁺/n结形成在外部或第一电极，即，在第一电极2840（p⁺沟槽）的内表面和n型主体2810之间。

如上所述，相比于传统3D检测器，3D沟槽ORJ检测器的提高的CCE和低耗尽电压特征允许以相对大的尺寸来制造这种检测器。在图28A的实例中，主体厚度d可以在500μm和2000μm之间的范围。第一电极和第二电极2840和2850从第一表面2820穿透到主体中，而没有到达第二表面2830，以沿主体厚度d达到预定沟槽和柱深度l。优选地，第一电极和第二电极从第一表面2820延伸到主体中主体厚度d的90%和95%之间的范围中的深度l(0.9d≤l≤0.95d)。在该实施方式中，电极间隔λ_c不特别限制于具体尺寸，可以在100μm和500μm之间的范围内（λ_c～100μm至500μm）。如同在上一实施方式中，这样形成的3D沟槽ORJ检测器2800至少包括：预定厚度的主体，主体具有隔开该厚度的第一表面和第二表面；沟槽形状的第一电极以及柱形状的第二电极，第一电极和第二电极彼此同心并从第一表面沿主体厚度穿透到主体中小于等于厚度的95%的预定距离，并且第二电极沿整个预定距离完全被第一电极环绕。

4.2具有增强的电极分离和增大的像素间距的多像素3D沟槽检测器

图28B示出了多像素3D沟槽ORJ检测器，其包括上面参照图28A描述的类型的单像元单元（检测单元）阵列。具体地，在图28B中，多像素3D沟槽ORJ 2801表示用于x-射线辐射应用的多像素检测器的示例性实施方式。多像素3D沟槽ORJ检测器2801形成在半导体主体2811（对于该实施方式，n型）上，主体2811具有第一表面2821以及与第一表面相隔主体厚度d的第二表面2831，检测器2801包括多个3D沟槽ORJ像元（检测单元）2801a至2801z。单像元2801a至2801z中的每一个可以被认为是以与图28A中示出的上述单像元3D沟槽ORJ检测器大致类似的方式形成的检测单元或像素。如图28B所示，多像素3D沟槽ORJ检测器的所有外部电极都可以一起连接至共负电压偏压（–V），并且3D沟槽ORJ检测器的每个内部电极可以连接至用于信号读取的电子通道2851。

为了隔离图28B的多像素3D沟槽ORJ检测器2801的中心收集n⁺柱（第一电极），在执行全检测器处理之前，可以在主体衬底的背面应用厚度为几微米的p⁺喷射离子注入。另外，在主体2811的第二表面上，形成了厚度不多于几微米的二氧化硅（SiO₂）薄层，用于保护主体免受环境污染。诸如氮化硅、对二甲苯的其他适当保护材料或多层保护材料，可以在二氧化硅外另外使用或代替二氧化硅使用。由于该步骤不需要光刻，并且背面不需要进一步处理，因此检测器处理保持真正地单面。

返回至图28A，应当注意，在用于x-射线应用的3D沟槽ORJ检测器的参数中，收集n⁺柱（第二电极2850）的半径表示为仅5μm（r=5μm）.结果，图28B的多像素检测器中的集电极的区域非常小。对于该类型的检测器，小的内部电极表面产生了显著的优势。具体地，在图28中，每个像素的电容用柱n⁺的深度表示，其最大可以为大约0.2cm。该类型的电极几何形状的典型电容为大约0.5pF/cm。因此，对于该实施方式，每个单个像元的总电容（C_cell）可以低至0.1pF（C_cell=0.2cm×0.5pF/cm）。根据需要的像元（像素）的数量，这将表示整个检测器的相当小的整体电容。小电容又确保了低噪声，并提高了x-射线能量分辨率以及信噪比。

当在该实施方式中使用非常薄的集电极时，特别是沿检测器的正面，可能有运行足够高以致达到半导体材料的击穿场的电场的可能性。为了减小沿正面的横向场，可以使用带有离子注入的多保护环系统（MGRS）。图29A示出了这样的实施方式。

在图29A中，示出了具有与检测器2800大致类似的配置的单像元3D沟槽ORJ检测器2900的透视图。相对于检测器2800，一个显著的不同在于，3D沟槽ORJ检测器2900包括多个同心的p⁺注入物（2901和2902），作为已经形成在环绕收集n⁺柱（第二电极）的检测器的正面上的保护环。检测器2900还包括：几微米的p⁺喷射离子注入，用于隔离主体后侧（或背面）上的n⁺柱；以及用户保护主体的二氧化硅（SiO₂）的薄层2903。P⁺喷射和SiO₂层优选地在执行全检测器处理之前应用到主体的背面。因此，即使在主体的正面需要保护环注入物，检测器的处理也仍然保持单面。

图29B示出了适合多像素3D沟槽检测器的正面的多保护系统的可能配置。检测器2910是矩形类型的多像素3D沟槽检测器的顶视图，其中，已经在第一电极2940和第二电极2950之间形成了MGRS 2905。检测器2920和2930分别是圆形和六边形类型的3D沟槽检测器的顶视图，其每个还包括第一电极和第二电极之间的MGRS。

多保护环系统优选地通过形成结的掺杂剂类型的已知离子注入技术来形成。离子注入可以到达距检测器的表面几百纳米的深度。优选地，离子注入的深度可以在10nm至10000nm的范围内。MGRS帮助控制第一电极和第二电极之间的检测器的灵敏区域的电场电势降，并防止高电场集中在结电极周围。图29C示出了条状检测器中的示例性MGRS的效果。图29C的子集（a）示出了在表面上没有保护条（GS）的硅条状检测器2980。条状检测器2980的电场分布2981在图29C的子集（c）中示出。从图29C的子集（c）可以观察到，电场电势高度集中在条状检测器表面的10μm和100μm周围。两个电极之间的保护条优选地处于浮置，而两个电极被偏置。相反，图29C的子集（b）示出了具有MGRS 2995的条状检测器2990。条状检测器2990的电场分布2991在图29C的子集（d）中示出。在使用MGRS的情况下，可以观察到，电场在检测器2990的正面的整个灵敏区域更均匀地分布。结果，似乎MGRS防止了检测器的结电极附近的高电场集中。

5.形成3D沟槽检测器的方法

图30是示出用于制造根据本发明的一个实施方式的单像元3D沟槽检测器的处理的示例性制造步骤的流程图。结合并参照图31A至31D来描述图30的处理步骤，图31A至图31D示出了在制造的进展阶段的单像元3D沟槽检测器的透视图。

参照图30，如图31A所示，制造过程3000从提供半导体材料的主体的步骤S3010开始。参照图31A，3D沟槽检测器形成在诸如硅晶圆的轻掺杂半导体材料的主体3110上。主体3110优选地形成为具有正或第一表面3120、背或第二表面3130、以及预定主体厚度d的半导体材料的单晶。具有几微米厚度的薄氧化物层3112形成在主体的至少一个表面上（优选地至少在背面）。薄氧化物层在处理步骤期间保护主体。然后，可以在薄氧化物层3112上沉积可选的氮化硅层（未示出）。薄氧化物层3112和可选的氮化硅层优选地通过传统的热氧化处理来形成。这些步骤示出为步骤S3012和S3014。优选地，半导体材料可以包括硅、锗、硅锗、碳化硅、CdTe、CZT、或其等同物。还可以使用的其他半导体材料是CdMnTe、HgI₂、TIBr、HgCdTe、CdMnTe、HgZnSe、GaAs、PbI₂、AlSb、InP、ZnSe、ZnTe、PbO、BiI₃、SiC、Hg_xBr_1-xI₂、Hg_xCd_1-xI₂，其中x大于0且小于1，InI₂、Ga₃Se₃、Ga₂Te₃、TIPbI₃、Tl₄HgI₆、Tl₃As₂Se₃、TlGaSe₂、或AgGaTe₂。然而，应当注意的是，本发明实施方式不限于具体半导体材料。本领域普通技术人员能够理解，可以根据应用的要求来选择这些材料。

然后，如图31B所示，在步骤S3016，在主体3110中的单像元的外围（外边缘）周围制成深且窄的切口或沟，也称为“沟槽”，使得其中形成了矩形沟槽3140。沟槽3140可以通过传统光刻技术来形成。例如，可以通过使用诸如反应离子蚀刻（RIE）或优选的深反应离子蚀刻（DRIE）的处理、以形成例如集成电路存储器装置的沟槽电容器的已知传统方式来形成沟槽3140。如图31B所示，通过从主体去除半导体材料的部分来制成沟槽3140。优选地，通过沿主体厚度d从第一表面3120处理主体，从主体3110中的单个像元去除来自被分隔了预定宽度W_T和预定深度l的主体3110中的单个像元的外围周围的半导体材料体积。

在步骤S3018，在主体中的单个像元中的中心区域中形成矩形孔3150。孔3150可以使用与用于形成沟槽3140的相同或等同的处理来形成；根据具体设计需求，可以使用其他已知处理。例如，在本发明的一些上述实施方式中，3D沟槽检测器可以要求主体1310的中心中的具有窄直径的深圆柱形孔，而不是图31C中示出的矩形孔。在这种情况下，诸如激光切除的可选处理也可以适于形成窄且深的圆柱形孔。该步骤S3018在图31C中示出。如图31C所示，孔3150还具有宽度W_T，并沿主体厚度d从主体3110的第一表面3120延伸到主体3110中深度l。在可选实施方式中，沟槽3140还可以从第一表面蚀刻，而孔3150可以从第二表面蚀刻。

在形成沟槽3140和孔3150之前，其中，限定了与沟槽3140和孔3150的横截面对应的预定形状的掩模（未示出）优选地放置在主体3110的表面上。

返回到图30的处理，在步骤S3020，分别在步骤S3016和S3018形成的沟槽3140和孔3150均用掺杂了第一导电类型掺杂剂和第二导电类型掺杂剂中的一种的材料填充。具体地，例如，通过扩散到未掺杂材料中或预掺杂多晶硅的低压化学气相沉积（LPCVD）或者扽提供处理，n型和/或p型掺杂剂分别沉积到沟槽3140和孔3150中。另外，在适当和需要时，通过用上述掺杂处理掺杂单像元检测器的至少一个表面，可以形成多个保护环（如在章节4.2的最后一段中描述并在图29中示出的）。在n型和/或p型区已经掺杂到沟槽314和孔3150中之后，主体3110经历高温退火处理（步骤S3022），以提供掺杂剂到单晶主体中的轻微扩散，并激活n型和p型区。可以根据特殊应用需求选择性地选择合适的掺杂剂。

例如，对于诸如硅、锗、硅锗的族4半导体，最常用的掺杂剂是来自族3的受体或来自族5元素的供体。硼、砷、磷、偶尔还有钾可以用于掺杂硅。硼是选择用于硅集成电路制造的p型掺杂剂，因为其在使得可以容易地控制结深度的速度扩散。磷通常用于硅晶圆的主体掺杂，而砷用于产生结，这是因为砷扩散比磷慢得多，因此更可控制。通过用诸如磷的族5元素掺杂纯硅，添加了额外价电子，变得从单个原子无键合，从而允许化合物为导电n型半导体。用丢失了第四价电子的族3元素掺杂，在自由移动的硅晶格中产生了“断键”（孔）。产物是导电p型半导体。在该上下文中，认为5族元素充当电子供体，而3族元素为受体。上述沟槽和柱电极掺杂浓度可以在10¹⁶cm^-3至10²⁰cm^-3的范围内，或者优选地，在半导体材料的体积中，在每立方厘米（cm³）10¹⁹个原子的范围内。

然而，在可选实施方式中还设想，上述沟槽和柱电极掺杂浓度可以很高，以致其作用更像金属导体而不是半导体，并称为简并半导体。不受理论的约束，可以预计在足够高的掺杂剂浓度，单个掺杂剂原子可能成为足够靠近的邻居，其掺杂水平合并成掺杂剂带，并且这种系统的行为不再显示半导体的典型特征，例如，其导电性随温度增大。尽管如此，简并半导体仍然具有比真正金属少得多的电荷载流子，因此其行为在许多方面界于半导体和金属之间。

在另一可选实施方式中，特别是对于高-Z半导体材料，而不是上述的高度掺杂半导体，可以用金属导电材料（诸如，例如金（Au）或任何其他类似位置的金属材料）制造电极。

图31D示出了限定了外部或第一电极3160的第一掺杂区和限定了内部或第二电极3180的第二掺杂区。在该实施方式中，电极3160和3180分别是蚀刻和填充沟槽3140和孔3150的结果。因此，第一电极3160也被称为“沟槽电极”，并且第二电极3180也被称为“柱”。掺杂和退火处理形成了可选的p型和n型掺杂区，二者彼此相隔由主体3110的轻掺杂半导体材料的区域3115占据的预定距离。主体3110的轻掺杂半导体材料的该区域3115构成了半导体的灵敏区域。根据主体3110的轻掺杂半导体材料中使用的掺杂剂类型，在主体3110的第一电极和第二电极中的一个和部分3115之间形成了p-n结（半导体结）。当半导体结形成在主体的内部或第二电极之间时，形成了中心结（CJ）电极。可选地，当半导体结形成在主体的外部或第一电极（沟槽）之间时，形成了外环结（ORJ）。为了完成形成3D沟槽检测器的处理，在步骤S324，清洁第一表面，并准备放置金属触点（未示出）。

在图30的制造过程3000的上述示例步骤以及图31A至图31D示出的逐步的制造阶段中，值得注意的是，优选地，（1）沟槽3140和孔3150均延伸到主体中预定深度l，l小于主体厚度d，使得第一电极和第二电极都不从正面向背面穿透主体；（2）第一电极完全环绕第二电极，使得这两个电极大致彼此平行并同心；（3）主体3110的背面至少被硅氧化物的薄层覆盖，并且在背面上没有蚀刻或注入。因此，制造3D沟槽检测器的过程可以完全是单面的。然而，3D沟槽检测器不限于这些参数。例如，当需要具体设计参数时，可以允许第一电极和第二电极中的至少一个从正面到背面穿透主体的整个厚度d。另外，可以修改3D沟槽检测器，使得一个电极从第一表面延伸，并且第二电极从背面延伸。

另外，尽管已经描述了矩形沟槽电极和对应的矩形柱，但是应当理解，其他电极形状是可以的。实际上，如在章节1.1、1.1.3、和1.2中描述的，带具有圆形或多边形（诸如三角形、方形、六边形、八角形等）的横截面的3D沟槽电极和3D柱电极的3D沟槽检测器，被认为在本发明的可能实施方式中。此外，本领域普通技术人员将容易理解，如上面在设计为具有单像元阵列的掩模中阐述的，通过制造多个单像元检测单元，制造过程的上述示例步骤可以容易地适于制造多像元（多像素或条状）检测器。对于多像元检测单元的情况，应当明白，相邻检测单元可以配置为共享第一电极的至少一部分。因此，多像元检测单元的制造考虑形成多个沟槽和孔，并如上所述顺序填充该沟槽和孔。

图32A和图32B分别示出了3D沟槽检测器3200和3201，如本发明的其他实施方式考虑的，其可以通过可选的制造过程来形成。具体地，章节5中的以上描述考虑了用于形成3D沟槽电极的方法：通过形成沟槽并随后用预定掺杂剂填充沟槽，或者，通过将掺杂剂扩散到主体半导体材料中以形成3D电极。在可选实施方式中，然而，可以通过增强的注入技术形成具有相对减小的厚度的3D检测器。

图32A示出了在具有第一表面3120和第二表面3230的半导体材料的主体中形成的3D检测器3200。与参照之前的实施方式描述的相同，主体3210可以具有预定厚度d。然而，在图32A中，第一电极3240和第二电极3250可以通过将预定导线类型的离子化掺杂剂注入到预定深度l来形成。可以根据具体应用参数来选择离子能量以及离子类别和目标材料的组成，使得可以优化离子穿透到半导体材料中的深度。单能离子束将一般具有广深度分布。平均穿透深度，也称为离子范围，将决定所需电极的深度l以及因此检测器的有效厚度。

当前技术已知半导体材料允许10纳米和1微米、高达几微米之间的离子范围。因此，在需要半导体材料中的化学或结构变化靠近检测器表面的情况下，离子注入特别有用。然而，具有非常高能离子源和适当掩模材料的离子注入可以达到高达10或甚至20微米的离子范围，这是可能的。因此，可以预见，增强的注入处理将能够制造具有基本上等于平均离子范围的薄衬底的3D检测器。有利的是，形成具有3D电极的3D检测器（其中，通过高能注入处理来形成电极）可以相当于形成平面或2D检测器，这意味着制造过程是简化的过程。在图32A中，主体3120从第一表面3220经历离子注入，并随后在第二表面3230被背面蚀刻，以将主体半导体材料的厚度d减小到深度l。可选地，主体材料可以首先被处理到减小的厚度，然后其可以经历注入处理。在任何情况下，在形成了3D电极并且减小了主体厚度之后，诸如焊料凸块等的金属触点3260可以形成在主体材料的任意侧。

图32B示出了3D检测器3201，其中，可以通过如上所述的增强注入处理来形成3D电极。在图32B中，具有预定厚度d的主体半导体材料3211用作支撑晶圆。薄的二氧化硅（SiO₂）涂层3212用于保护薄半导体晶圆3213。根据用于在绝缘子（SOI）衬底上制备硅的任何已知技术，半导体材料3211的支撑晶圆、SiO₂ 3212、以及半导体晶圆3213可以如图32B所示布置。半导体晶圆3213将被选择为与离子范围和离子注入源的容量严格匹配，使得可以达到最小离子注入深度l。然后，可以根据在本说明书的之前章节中描述的任意实施方式，来优化诸如检测器3201的电极间隔（λ_c）、电极宽度W_T、电极（沟槽或柱）横截面和其他参数的其余参数。具体地，离子注入的3D外部或第一电极3241可以形成为矩形、三角形、圆形、或六边形类型的沟槽中的任一个。类似地，中心或第二电极3251可以形成为多边形或圆形柱。最后，诸如焊料凸块等的金属触点3261可以形成在薄晶圆3213的任一侧。

尽管已经结合具体实施方式描述了本公开，但应当理解，所要求的本发明不应当过度地限制于这些具体实施方式。实际上，本领域技术人员将认识到、并能够仅使用常规实验来确定本文描述的具体实施方式的许多等同物。这种等同物及其修改旨在由所附权利要求涵盖。

Claims (63)

1.一种辐射检测器，包括：

半导体材料，具有主体厚度并在上面限定了与第二表面相对的第一表面，所述第二表面与所述第一表面相隔所述主体厚度；

第一电极，限定三维（3D）沟槽并沿所述主体厚度从所述第一表面和所述第二表面中的一个或两个延伸至主体中；以及

限定3D柱的第二电极，所述第二电极也沿所述主体厚度从所述第一表面和第二表面中的一个或两个延伸至所述主体中，

其中，所述第一电极环绕所述第二电极，使得所述第一电极和第二电极基本上彼此平行且同心，以及

其中，所述第一电极和所述第二电极彼此相隔由包含在所述第一电极和所述第二电极之间的半导体主体的区域所确定的预定距离。

2.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述第一电极和所述第二电极均从所述第一表面和所述第二表面中的同一表面延伸至所述半导体的所述主体中。

3.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述第一电极和所述第二电极从与所述第一表面和所述第二表面中的一个表面不同的表面延伸至所述半导体的所述主体中。

4.根据权利要求1、2或3所述的辐射检测器，其中，所述第一电极和所述第二电极延伸至所述半导体的所述主体中，以到达小于等于所述主体厚度的95%的深度。

5.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，所述第一电极和所述第二电极从所述第一表面和所述第二表面中的一个穿过100%整个所述主体厚度完全延伸到所述第一表面和所述第二表面中的另一个。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的辐射检测器，其中，所述第一电极包括第一导电类型掺杂剂，所述第二电极包括不同于所述第一导电类型掺杂剂的第二导电类型掺杂剂，其中，所述半导体的所述主体掺杂有所述第一导电类型掺杂剂和所述第二导电类型掺杂剂中的一种。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的辐射检测器，其中，所述第一电极限定了矩形条沟槽，并且所述第二电极限定了配置在所述矩形条沟槽的中心中的矩形条柱。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的辐射检测器，其中，所述第一电极限定了具有多边形或圆形横截面的沟槽，并且所述第二电极限定了具有多边形或圆形横截面的柱。

9.根据权利要求8所述的辐射检测器，其中，所述第一电极限定了具有六边形横截面的沟槽，并且所述第二电极限定了具有六边形或圆形横截面的柱。

10.根据权利要求8所述的辐射检测器，其中，限定多边形横截面的沟槽的所述第一电极在所述多边形横截面的每侧均具有间隙。

11.根据权利要求8所述的辐射检测器，其中，限定圆形横截面的沟槽的所述第一电极具有一个或多个间隙。

12.根据权利要求1至9中的任一项所述的辐射检测器，其中，在所述半导体材料的所述主体与所述第二电极相接合的区域处形成了半导体结，所述第二电极限定中心结电极。

13.根据权利要求1至9中的任一项所述的辐射检测器，其中，在所述半导体材料的所述主体与所述第一电极相接合的区域处形成有半导体结，所述第一电极限定外环结。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的辐射检测器，其中，预定偏压被施加至所述第一电极和所述第二电极，使得在所述第一电极和所述第二电极之间产生电场。

15.根据权利要求14所述的辐射检测器，其中，所述第一电极处的电场强度基本上等于所述第二电极处的电场强度。

16.根据权利要求14所述的辐射检测器，其中，所述第一电极和所述第二电极之间的电场强度在包含于所述第一电极和所述第二电极之间的所述半导体的主体的整个体积中基本上是均匀的。

17.根据权利要求1至16中的任一项所述的辐射检测器，其中，所述半导体的所述主体为掺杂有p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂的所述半导体材料的单晶。

18.根据权利要求17所述的辐射检测器，其中，所述第一电极包含p型导电类型掺杂剂，并且所述第二电极包含n型导电类型掺杂剂。

19.根据权利要求17所述的辐射检测器，其中，所述第一电极包含n型导电类型掺杂剂，并且所述第二电极包含p型导电类型掺杂剂。

20.根据权利要求18或19所述的辐射检测器，其中，所述半导体材料为硅（Si）、锗（Ge）、硅锗（Si_1-xGe_x，其中，x大于0且小于1）、碳化硅（SiC）、碲化镉（CdTe）或碲锌镉（CdZnTe）。

21.根据权利要求18或19所述的辐射检测器，其中，所述半导体材料为CdMnTe、HgI₂、TIBr、HgCdTe、HgZnSe、GaAs、PbI₂、AlSb、InP、ZnSe、ZnTe、PbO、BiI₃、SiC、Hg_xBr_1-xI₂、Hg_xCd_1-xI₂、InI₂、Ga₃Se₃、Ga₂Te₃、TIPbI₃、Tl₄HgI₆、Tl₃As₂Se₃、TlGaSe₂或AgGaTe₂，其中，x大于0且小于1。

22.根据权利要求18所述的辐射检测器，其中，所述半导体材料为硅、锗、硅锗或碳化硅，以及

其中，所述p型导电类型掺杂剂包括3族元素中的至少一种，所述n型导电类型掺杂剂包含5族元素中的至少一种。

23.根据权利要求22所述的辐射检测器，其中，所述半导体材料为硅，并且电极的掺杂剂为硼、砷、磷或镓。

24.根据权利要求22所述的辐射检测器，其中，在所述半导体材料的体积中，电极的掺杂浓度在大约10¹⁶cm^-3至大约10²⁰cm^-3（每立方厘米的原子）的范围内。

25.根据权利要求24所述的辐射检测器，其中，在所述半导体材料的体积中，电极的所述掺杂浓度为大约10¹⁹cm^-3（每立方厘米的原子）。

26.根据权利要求1至25中的任一项所述的辐射检测器，还包括与所述第二电极同心的多个保护环，

其中，所述保护环形成在所述第一表面和所述第二表面中的所述第二电极从其开始延伸至所述主体中的一个上，以及

其中，所述保护环由p型掺杂剂和n型掺杂剂中的至少一种形成。

27.根据权利要求1至26中的任一项所述的辐射检测器，其中，所述半导体材料的所述主体厚度在200μm与2000μm之间的范围内。

28.根据权利要求27所述的辐射检测器，其中，所述半导体材料的所述主体厚度在200μm与500μm之间的范围内。

29.根据权利要求1至28中的任一项所述的辐射检测器，其中，将所述第一电极和所述第二电极隔开的所述预定距离在30μm与500μm之间的范围内。

30.根据权利要求29所述的辐射检测器，其中，所述第一电极和所述第二电极间隔的所述预定距离在100μm与500μm之间的范围内。

31.根据权利要求1至230中的任一项所述的辐射检测器，其中，限定所述3D沟槽的所述第一电极的宽度以及限定所述3D柱的所述第二电极的直径基于电压、电阻、掺杂剂选择、半导体材料、或半导体尺寸的应用需求来确定。

32.根据权利要求1至30中的任一项所述的辐射检测器，其中，限定所述3D沟槽的所述第一电极具有在5μm至30μm范围内的预定沟槽宽度，并且限定所述3D柱的所述第二电极具有在5μm至10μm范围内的柱直径。

33.根据权利要求32所述的辐射检测器，其中，限定所述3D沟槽的所述第一电极具有大约10μm的预定沟槽宽度，并且限定所述3D柱的所述第二电极具有大约10μm的柱直径。

34.根据权利要求1所述的辐射检测器，其中，限定所述3D沟槽的所述第一电极具有预定沟槽宽度，所述预定沟槽宽度限定一死区，所述死区小于等于包含在所述第一电极和所述第二电极之间的所述主体的区域的16%。

35.一种多像素辐射检测器，包括：

多个相邻定位的辐射检测单元，每个辐射检测单元包括：半导体材料，具有主体厚度并在上面限定与第二表面相对的第一表面，所述第二表面与所述第一表面相隔所述主体厚度；第一电极，限定三维（3D）沟槽并沿所述主体厚度从所述第一表面和第二表面中的一个（或两个）延伸至所述主体中；以及限定了3D柱的第二电极，所述第二电极也沿所述主体厚度从所述第一表面和所述第二表面中的一个（或两个）延伸至所述主体中，其中，所述第一电极环绕所述第二电极，使得所述第一电极和第二电极基本上彼此平行且同心，并且其中，所述第一电极和所述第二电极彼此相隔由包含在所述第一电极和所述第二电极之间的所述主体的区域所确定的预定距离，以及

其中，所述相邻的检测单元共享所述第一电极的至少一部分。

36.根据权利要求35所述的多像素辐射检测器，其中，两个相邻的辐射检测单元的第二电极之间的距离等于所述第一电极和所述第二电极相隔的所述预定距离与电极厚度之和的两倍。

37.一种辐射检测器系统，包括：根据权利要求35所述的多像素辐射检测器；专用集成电路（ASIC），连接至所述多像素辐射检测器用于从所述多像素辐射检测器接收信号；以及微控制器，与所述ASIC连接用于控制所述ASIC。

38.一种条状辐射检测器，包括：

彼此相邻配置的多个辐射检测单元，

其中，所述多个辐射检测单元中的每一个均包括根据权利要求7所述的一个辐射检测器，以及其中，相邻的检测单元共享所述第一电极的至少一部分。

39.一种辐射检测器的制造方法，包括：

提供半导体材料，所述半导体材料具有主体厚度并在其上限定与第二表面相对的第一表面，所述第二表面与所述第一表面相隔所述主体厚度；以及

在所述主体的外围周围形成沟槽，所述沟槽具有预定宽度并沿所述主体厚度从所述第一表面和所述第二表面中的一个（或两个）延伸至所述主体中；

在所述主体的中心中且在距所述沟槽的预定距离处形成孔，所述孔也具有所述预定宽度并沿所述主体厚度从所述第一表面和所述第二表面中的一个（或两个）延伸至所述主体中，

用n型掺杂剂或p型掺杂剂掺杂所述沟槽，并且激活所述沟槽掺杂剂使得在所述沟槽中形成第一电极；以及

用n型掺杂剂或p型掺杂剂掺杂所述孔，并且激活所述孔掺杂剂使得在所述孔中形成第二电极。

40.根据权利要求39所述的方法，其中，形成步骤包括分别在所述主体的所述外围周围和中心蚀刻或扩散一部分半导体材料，以及

其中，所述掺杂和激活步骤包括分别将所述n型掺杂剂和所述p型掺杂剂中的一种注入到所述沟槽和所述孔的每一个中并退火。

41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述形成步骤包括分别在所述半导体材料的所述主体的外围周围和中心蚀刻或扩散小于等于所述半导体材料的所述主体厚度的95%的一部分半导体材料。

42.根据权利要求40所述的方法，其中，所述形成步骤包括分别在所述半导体材料的所述主体的外围周围和中心进行蚀刻或扩散，以从所述第一表面和所述第二表面中的一个穿过所述半导体材料的所述主体厚度的100%朝所述第一表面和所述第二表面中的另一个延伸。

43.根据权利要求39所述的方法，其中，所述形成步骤包括：（i）分别在所述半导体材料的主体的外围周围和中心蚀刻或扩散一部分半导体材料，以将所述沟槽和所述孔从所述第一表面和所述第二表面中的一个穿过小于所述半导体材料的所述主体厚度的100%朝相对表面延伸，（ii）用n型掺杂剂或p型掺杂剂填充并掺杂所述沟槽和/或所述孔，（iii）分别在所述主体厚度的外围周围和中心从所述相对表面蚀刻或扩散一部分半导体材料，来匹配所述第一表面上的沟槽/孔的图样，以将所述沟槽和所述孔延伸至所述半导体的剩余主体厚度直至100%的半导体材料厚度，从而所述沟槽和所述孔从所述第一表面延伸到所述第二表面，（iv）用与所述第一表面上的掺杂剂相匹配的n型掺杂剂或p型掺杂剂掺杂所述沟槽或所述孔的剩余部分，以及（v）激活所述沟槽和所述孔掺杂剂，使得在其中形成所述第一电极和所述第二电极。

44.根据权利要求39、40、41、42或43所述的方法，其中，形成所述沟槽包括：形成具有圆形横截面或第一多边形横截面的沟槽，以及

其中，形成所述孔包括：形成具有圆形横截面或第二多边形横截面或圆形横截面的孔。

45.根据权利要求44所述的用于制造辐射检测器的方法，其中，形成所述沟槽包括：形成具有带一个或多个间隙的所述圆形横截面的沟槽或者形成具有在所述多边形横截面的每侧都带间隙的所述第一多边形横截面的沟槽。

46.根据权利要求44所述的用于制造辐射检测器的方法，其中，所述第一多边形横截面和所述第二多边形横截面包括矩形横截面和六边形横截面中的一个。

47.根据权利要求46所述的方法，还包括：在所述半导体材料的主体与所述第一电极和所述第二电极中的一个相接合的区域处形成半导体结，其中，所述半导体结分别限定了中心结电极和外环结中的一个。

48.根据权利要求44所述的方法，其中，从与所述第一表面和所述第二表面中的所述一个表面相同的表面执行形成所述沟槽和所述孔的这两个步骤。

49.根据权利要求44所述的方法，其中，从与所述第一表面和所述第二表面中的所述一个表面不同的表面执行形成所述沟槽和所述孔的这两个步骤。

50.根据权利要求39至49中的任一项所述的方法，其中，形成步骤包括分别在所述主体的所述外围周围和所述中心将p型离子化掺杂剂材料和n型离子化掺杂剂材料中的一种注入到等于平均离子范围的预定深度。

51.一种用于制造多像素辐射检测器的方法，包括：

形成彼此相邻配置的多个辐射检测单元，

其中，所述多个辐射检测单元中的每一个均包括根据权利要求44所述的方法制造的一个辐射检测器，以及

其中，相邻的检测单元共享所述第一电极的至少一部分。

52.一种检测器，包括：

半导体材料，具有基本平行于第二表面的第一表面，所述第二表面与所述第一表面相隔所述半导体材料的预定厚度，其中

所述半导体材料的第一区域重掺杂第一导电类型掺杂剂至预定宽度，所述第一区域占据包含在所述第一表面和所述第二表面之间的所述半导体材料的外围体积，所述第一区域沿所述半导体材料的所述厚度从所述第一表面和所述第二表面中的一个延伸，

所述半导体材料的第二区域重掺杂有第二导电类型掺杂剂至所述预定宽度，所述第二导电类型掺杂剂不同于所述第一导电类型掺杂剂，所述第二区域占据也包含在所述第一表面和所述第二表面之间的所述半导体材料的中心体积，所述第二区域也沿所述半导体材料的厚度从所述第一表面和所述第二表面中的一个延伸，

所述第一区域环绕所述第二区域，使得所述第一区域和所述第二区域彼此基本平行且同心，以及

其中，所述第一区域和所述第二区域彼此间隔由包含在所述第一区域和所述第二区域之间的所述半导体材料的轻掺杂区域所确定的预定距离。

53.根据权利要求52所述的检测器，其中，所述第一区域和所述第二区域从所述第一表面或所述第二表面延伸至所述半导体材料中。

54.根据权利要求52所述的检测器，其中，所述第一区域和所述第二区域从所述第一表面和所述第二表面中的不同表面延伸至所述半导体材料中。

55.根据权利要求52、53或54所述的检测器，其中，所述第一区域和所述第二区域以预定深度延伸至所述半导体材料中，所述预定深度小于等于所述半导体材料的所述预定厚度的95%。

56.根据权利要求52、53或54所述的方法，其中，所述第一区域和所述第二区域从所述第一表面和所述第二表面中的一个完全穿过所述半导体材料的主体厚度延伸至所述第一表面和所述第二表面中的另一个。

57.根据权利要求52至56中的任一项所述的检测器，其中，所述第一区域是通过蚀刻并随后用含有所述第一导电类型掺杂剂的材料填充所述外围体积来形成的，以及

其中，所述第二区域是通过蚀刻并随后用含有所述第二导电类型掺杂剂的材料填充所述中心体积来形成的。

58.根据权利要求52至57中的任一项所述的检测器，其中，所述半导体材料轻掺杂有所述第一导电类型掺杂剂和所述第二导电类型掺杂剂中的一种，以及

其中，在所述半导体材料与所述第一区域和所述第二区域中的一个相接合的平面处形成有半导体结。

59.根据权利要求52至58中的任一项所述的检测器，其中，所述第一区域限定了六边形沟槽，并且所述第二区域限定了六边形或圆柱形柱。

60.一种多像素检测器，包括：

彼此相邻配置的多个检测单元，

其中，所述多个检测单元中的每一个均包括权利要求36中定义的检测器，以及

其中，相邻的检测单元共享所述第一区域的至少一部分。

61.一种辐射检测器系统，包括根据权利要求60所述的多像素辐射检测器、连接至所述多像素辐射检测器的用于从所述多像素辐射检测器接收信号的专用集成电路（ASIC）、以及连接至所述ASIC的用于控制所述ASIC的微控制器。

62.根据权利要求22所述的辐射检测器，其中，所述掺杂浓度足够高以充当简并半导体。

63.根据权利要求1至5中的任一项所述的辐射检测器，其中，所述半导体由高Z半导体材料制成，电极由导电金属制成，其中，用于所述第一电极的导电金属和用于所述第二电极的导电金属可以相同或不同。

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