CN107221569A - 一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器 - Google Patents
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Abstract
新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，有一六棱柱半导体基体，中央柱状电极位于沟槽电极正中，沟槽电极为六边形框中空电极，沟槽电极刻蚀成结构相同且结构上互为互补的两瓣；沟槽电极的一对平行边正中有斜纹状实体缝隙，新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器顶面的沟槽电极和中央柱状电极上覆盖有电极接触层，顶面其他半导体部分覆盖二氧化硅绝缘层，底面设置有二氧化硅衬底层；在沟槽电极间没有刻蚀成电极从而剩下斜纹状实体缝隙，新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器在斜纹状半导体基体的基础上以沟槽电极顶点为圆心，斜纹状实体缝隙的宽度为半径做圆，圆弧外的半导体基质都刻蚀成电极，留下带弧状的斜纹体半导体基体，提升探测器性能。
Description
技术领域
本发明专利属于高能物理，天体物理，航空航天，军事，医学等技术领域，涉及一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器。
背景技术
探测器主要用于高能物理、天体物理等，半导体探测器探测灵敏度高、响应速度快、具有很强的抗辐照能力，并且易于集成，在高能粒子探测与X光检测等领域有重要应用价值。但传统“三维半导体探测器”有许多不足，在高能物理及天体物理中，探测器处于强辐照条件下工作，这对探测器能量分辨率响应速度等有高的要求，且需具有较强的抗辐照能力，低漏电流以及低全耗尽电压，对于其体积的大小有不同的要求。
半导体探测器是工作在反向偏压下的，当外部粒子进入到探测器的灵敏区时，在反向偏压作用下，产生的电子-空穴对被分开，电子向正极运动，在到达正极后被收集，空穴向负极运动，被负极收集，在外部电路中就能形成反映粒子信息的电信号。
现有的“三维沟槽电极半导体探测器”在进行电极刻蚀时不能完全的贯穿整个硅体，这就使得探测器有一部分不能刻蚀，这一部分对探测器的性能影响大，比如该部分电场较弱，电荷分布不均匀，探测效率降低等现象。我们称这一部分为“死区”，而且“死区”在单个探测器中占据20％-30％，如果是做成列阵，则会占据更大的比例。其次，“三维沟槽电极半导体探测器”只能是在单面进行刻蚀。最后，这种探测器在工作时，粒子只能单面入射，影响探测效率。
为此，提供一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，解决上述现有技术存在的问题就显得尤为必要。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明专利目的在于提供一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器。其优化结构类型，消除死区，优化单面刻蚀工艺为双面刻蚀工艺，工作时，粒子可双面入射,反应更灵敏，探测效率更高。
为达到上述目的，本发明专利的技术方案为：
一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，有一六棱柱半导体基体(1)，沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)由半导体基体(1)通过贯穿刻蚀、扩散掺杂形成，中央柱状电极(3)位于沟槽电极(2)正中，沟槽电极(2)环绕于中央柱状电极(3)之外，其中，沟槽电极(2)为六边形框中空电极，沟槽电极(2)刻蚀成结构相同且结构上互为互补的两瓣；沟槽电极(2)的一对平行边正中有斜纹状实体缝隙(6)，半导体基体(1)采用轻掺杂硅，沟槽电极(2)及中央柱状电极(3)采用重掺杂硅，其中，沟槽电极(2)与中央柱状电极(3)的P/N型相反，所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器顶面的沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)上覆盖有电极接触层(4)，顶面未覆盖电极接触层(4)的其他半导体基体(1)表面覆盖二氧化硅绝缘层(7)，底面设置有二氧化硅衬底层(5)；在沟槽电极(2)间没有刻蚀成电极从而剩下斜纹状实体缝隙(6)，新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器在斜纹状半导体基体的基础上以沟槽电极顶点为圆心，斜纹状实体缝隙(6)的宽度为半径做圆，圆弧外的半导体基质都刻蚀成电极，从而留下带弧状的斜纹体半导体基体。
进一步的，所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器通过共用沟槽电极(2)的电极壁形成M*N阵列探测器，其中M,N均为正整数，探测器是一个PIN结：P型半导体-绝缘层-N型半导体形，其中，重掺杂的P/N型半导体硅的电阻率与轻掺杂的P/N半导体硅不同，在半导体基体上进行刻蚀，形成沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)，然后沟槽电极(2)采用N型硅重掺杂，中央柱状电极(3)采用P型硅重掺杂，半导体基体(1)采用P型轻掺杂。
进一步的，所述半导体基体(1)的半导体材料采用Si、Ge、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb中的一种或多种的组合。
进一步的，所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器高度为100至300微米。
进一步的，所述中央柱状电极(3)宽度为10微米。
进一步的，所述电极接触层(4)为铝电极接触层。
进一步的，所述电极接触层(4)厚度为1微米，所述二氧化硅衬底层(5)厚度为1微米。
进一步的，所述斜纹状实体缝隙(6)的宽度小于10微米。
相对于现有技术，本发明方案的有益效果为：
本发明一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器。其优化结构类型，消除死区，优化单面刻蚀工艺为双面刻蚀工艺，工作时，粒子可双面入射,反应更灵敏，探测效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器三维设计图；
图2新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器设计截面图；
图3新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器2x2阵列平面图；
图4新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器2x2三维阵列图；
图5为本发明的侧视图。
其中，半导体基体-1，沟槽电极-2，中央柱状电极-3，电极接触层-4，二氧化硅衬底层-5，斜纹状实体缝隙-6，二氧化硅绝缘层-7。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示，一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，有一六棱柱半导体基体(1)，沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)由半导体基体(1)通过贯穿刻蚀、扩散掺杂形成，中央柱状电极(3)位于沟槽电极(2)正中，沟槽电极(2)环绕于中央柱状电极(3)之外，其中，沟槽电极(2)为六边形框中空电极，沟槽电极(2)刻蚀成结构相同且结构上互为互补的两瓣；沟槽电极(2)的一对平行边正中有斜纹状实体缝隙(6)，半导体基体(1)采用轻掺杂硅，沟槽电极(2)及中央柱状电极(3)采用重掺杂硅，其中，沟槽电极(2)与中央柱状电极(3)的P/N型相反，所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器顶面的沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)上覆盖有电极接触层(4)，顶面未覆盖电极接触层(4)的其他半导体基体(1)表面覆盖二氧化硅绝缘层(7)，底面设置有二氧化硅衬底层(5)；在沟槽电极(2)间没有刻蚀成电极从而剩下斜纹状实体缝隙(6)，新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器在斜纹状半导体基体的基础上以沟槽电极顶点为圆心，斜纹状实体缝隙(6)的宽度为半径做圆，圆弧外的半导体基质都刻蚀成电极，从而留下带弧状的斜纹体半导体基体。
进一步的，所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器通过共用沟槽电极(2)的电极壁形成M*N阵列探测器，其中M,N均为正整数，探测器是一个PIN结：P型半导体-绝缘层-N型半导体形，其中，重掺杂的P/N型半导体硅的电阻率与轻掺杂的P/N半导体硅不同，在半导体基体上进行刻蚀，形成沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)，然后沟槽电极(2)采用N型硅重掺杂，中央柱状电极(3)采用P型硅重掺杂，半导体基体(1)采用P型轻掺杂。
进一步的，所述半导体基体(1)的半导体材料采用Si、Ge、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb中的一种或多种的组合。
进一步的，所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器高度为100至300微米。
进一步的，所述中央柱状电极(3)宽度为10微米。
进一步的，所述电极接触层(4)为铝电极接触层。
进一步的，所述电极接触层(4)厚度为1微米，所述二氧化硅衬底层(5)厚度为1微米。
进一步的，所述斜纹状实体缝隙(6)的宽度小于10微米。
本发明工作原理为：
图2是截面图，沟槽电极2和中央柱状电极3由半导体基体1通过贯穿刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，电极高度100至300微米任意值均可，沟槽电极2环绕于中央柱状电极3之外，其中，中央柱状电极3宽度为10微米，沟槽电极2为六边形中空电极，沟槽电极2刻蚀成结构相同且结构上互为互补的几瓣。所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器的顶面设置有电极接触层，底面设置有二氧化硅衬底层。所述电极接触层为铝电极接触层。所述电极接触层厚度为1微米，所述二氧化硅衬底层厚度为1微米。所制备得到的半导体探测器可以通过共用沟槽电极2的电极壁可组成M*N阵列探测器，其中M,N均为正整数。图3是新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器2x2阵列平面图。图4是新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器2x2三维阵列图。该新型探测器除了适合一般的硅半导体材料外，也可使用各种其他半导体材料制作。如：自Ge、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb等。
相较于现有“三维沟槽电极探测器”，这种电极可以贯穿刻蚀的结构设计，不仅可以从结构优化上使得探测器单元的电势和电场分布更加均匀，且可以消除低电场区域，提高探测器单元的探测效率及电荷收集效率20％至30％。应用到探测器阵列时，可更大幅度的提高探测效率。同时，因该新型结构的电极可以通过贯穿刻蚀工艺得到，使得探测器从单面灵敏变为双面灵敏，粒子可以双面入射，反应更灵敏，探测效率更高。
相较于六边形探测器的单元设计，六边形探测器单元的电场分部更均匀，电荷收集效能更好，相较于圆形探测器的阵列设计，六边形探测器阵列的空间利用率更高。
实际使用中，将每个探测器单元作为一个PIN结：P型半导体-绝缘层-N型半导体形，其中，重掺杂的P/N型半导体硅的电阻率与轻掺杂的P/N半导体硅不同，在半导体基体上进行刻蚀，空心沟槽和空心中央柱，然后进行重掺杂以形成阴阳电极。为了得到最佳的探测器性能，取半导体基体为轻掺杂的P型半导体硅，结构设计上采用PN结在外围沟槽处。沟槽电极是N型硅重掺杂，中央电极是P型硅重掺杂，探测器材料是P型轻掺杂的硅。中央电极是负极，外部沟槽是正极。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，有一六棱柱半导体基体(1)，沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)由半导体基体(1)通过贯穿刻蚀、扩散掺杂形成，中央柱状电极(3)位于沟槽电极(2)正中，沟槽电极(2)环绕于中央柱状电极(3)之外，其中，沟槽电极(2)为六边形框中空电极，沟槽电极(2)刻蚀成结构相同且结构上互为互补的两瓣；沟槽电极(2)的一对平行边正中有斜纹状实体缝隙(6)，半导体基体(1)采用轻掺杂硅，沟槽电极(2)及中央柱状电极(3)采用重掺杂硅，其中，沟槽电极(2)与中央柱状电极(3)的P/N型相反，所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器顶面的沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)上覆盖有电极接触层(4)，顶面未覆盖电极接触层(4)的其他半导体基体(1)表面覆盖二氧化硅绝缘层(7)，底面设置有二氧化硅衬底层(5)；在沟槽电极(2)间没有刻蚀成电极从而剩下斜纹状实体缝隙(6)，新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器在斜纹状半导体基体的基础上以沟槽电极顶点为圆心，斜纹状实体缝隙(6)的宽度为半径做圆，圆弧外的半导体基质都刻蚀成电极，从而留下带弧状的斜纹体半导体基体。
2.根据权利要求1所述的一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器通过共用沟槽电极(2)的电极壁形成M*N阵列探测器，其中M,N均为正整数，探测器是一个PIN结：P型半导体-绝缘层-N型半导体形，其中，重掺杂的P/N型半导体硅的电阻率与轻掺杂的P/N半导体硅不同，在半导体基体上进行刻蚀，形成沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)，然后沟槽电极(2)采用N型硅重掺杂，中央柱状电极(3)采用P型硅重掺杂，半导体基体(1)采用P型轻掺杂。
3.根据权利要求1所述的一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述半导体基体(1)的半导体材料采用Si、Ge、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器高度为100至300微米。
5.根据权利要求1所述的一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述中央柱状电极(3)宽度为10微米。
6.根据权利要求1所述的一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述电极接触层(4)为铝电极接触层。
7.根据权利要求1所述的一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述电极接触层(4)厚度为1微米，所述二氧化硅衬底层(5)厚度为1微米。
8.根据权利要求1所述的一种新型六边形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述斜纹状实体缝隙(6)的宽度小于10微米。
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