CN107342335B - 长蜂窝壳型电极三维探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长蜂窝壳型电极三维探测器，在硅基体上部由上往下单面不贯穿刻蚀得到长蜂窝型沟槽电极，在硅基体下部由下往上单面不贯穿刻蚀得到七边形沟槽电极，长蜂窝型沟槽电极与七边形沟槽电极在Z轴有重合，长蜂窝型沟槽电极与七边形沟槽电极在X轴、Y轴所在平面内不重叠的部分与七边形沟槽电极的外表面围合形成第一死区；沟槽电极的中心包围有贯穿刻蚀的中心电极，中心电极上表面设有阳极金属接触层，沟槽电极上表面设有阴极金属接触层；多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以镜像方式排列或按照上下相互正交的方式排列成阵列。解决了现有技术中探测器电荷收集性能差，位置分辨率低，制作工艺难度大，信号读出路线多，成本高的问题。
Description
技术领域
本发明属于三维硅探测器技术领域，涉及一种长蜂窝壳型电极三维探测器。
背景技术
探测器主要用于高能物理、天体物理领域。传统的“三维硅探测器”有许多的不足之处，例如底部有一层厚度为30％d的硅衬底(d为探测器整体厚度)，硅衬底只具有支撑硅体的作用，粒子在这一层由于弱电场的影响，漂移速度很小，因此在这一层中由于低速漂移而被强辐射造成的深能级缺陷俘获的粒子很多，另外，粒子不能双面进入探测器。
现有技术(申请号：201620359775.2，名称：一种新型闭合式壳型电极硅探测器，公开日：2016.10.26)具体公开了一种新型闭合式壳型电极硅探测器，但是这种探测器的结构决定了在实际应用中存在以下几个问题：1.六棱柱与十二棱柱的嵌套方式使六棱柱与十二棱柱之间间隙形成的死区在该探测器阵列的灵敏区上分布密度大；2.单个探测器单元的死区面积大，拼成阵列时，死区面积更大，而且拼成阵列时需要的探测器单元数量多；3.探测器边角上电场仍然比较弱，影响电荷收集；4.探测器的六棱柱与十二棱柱的间隙小，实际制作工艺难度大；5.拼成M×N的阵列时，信号读出路数为M×N，信号读出路数多会造成成本高。6.电学信号会通过死区影响其它单元，造成位置分辨率的降低。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种长蜂窝壳型电极三维探测器，探测器死区集中分布于探测器阵列边缘，使得死区在灵敏区上的分布密度为零，减小死区面积，解决了现有技术中探测器的电荷收集性能差，位置分辨率低，制作工艺难度大，信号读出路线多，成本高的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种长蜂窝壳型电极三维探测器，每个长蜂窝壳型电极三维探测器单元包括硅基体，在硅基体的上部由上往下单面不贯穿刻蚀得到长蜂窝型沟槽电极，在硅基体的下部由下往上单面不贯穿刻蚀得到七边形沟槽电极，长蜂窝型沟槽电极的截面为六边形，该六边形的两条对角线相等且比第三条对角线短，七边形沟槽电极的截面为切去所述六边形较长对角线对应的一个角而形成的七边形，长蜂窝型沟槽电极与七边形沟槽电极在Z轴上有重合，长蜂窝型沟槽电极与七边形沟槽电极在X轴、Y轴所在平面内重叠的部分为贯穿刻蚀，长蜂窝型沟槽电极与七边形沟槽电极在X轴、Y轴所在平面内不重叠的部分与七边形沟槽电极的外表面围合形成第一死区，第一死区与硅基体相连接；长蜂窝型沟槽电极与七边形沟槽电极共同构成沟槽电极，沟槽电极的中心包围有贯穿刻蚀的中心电极，中心电极的上表面设有阳极金属接触层，沟槽电极的上表面设有阴极金属接触层，阳极金属接触层接正极，阴极金属接触层接负极；多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以镜像方式排列成阵列或按照上下相互正交的方式排列成阵列。
本发明的特征还在于，进一步的，所述多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以镜像方式排列具体为：长蜂窝壳型电极三维探测器单元没有第一死区的一端称A端，长蜂窝壳型电极三维探测器单元有第一死区的一端称B端，多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以AB|BA的方式进行排列。
进一步的，所述多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元按照上下相互正交的方式排列具体为：横向阵列与纵向阵列在Z方向上紧密相接，入射的粒子可以穿过上方的阵列到达下方的阵列。
进一步的，所述长蜂窝型沟槽电极和七边形沟槽电极的棱边间距为长蜂窝型沟槽电极和中心电极的电极间距为R，长蜂窝型沟槽电极与七边形沟槽电极的宽度相同，均为w。
进一步的，所述中心电极的厚度与探测器的厚度相同，均为d，d的取值范围为200-500微米；长蜂窝型沟槽电极的厚度为90％d，七边形沟槽电极的厚度为10％～20％d，长蜂窝型沟槽电极与七边形沟槽电极在Z轴上重合厚度为0-10％d。
进一步的，所述长蜂窝型沟槽电极、七边形沟槽电极、中心电极的掺杂浓度相同，中心电极为重掺杂p型硅，长蜂窝型沟槽电极、七边形沟槽电极均为重掺杂n型硅；硅基体和第一死区的掺杂浓度相同，且均为轻掺杂硅。
进一步的，所述阳极金属接触层、阴极金属接触层、二氧化硅保护层的厚度均为1微米。
进一步的，所述长蜂窝壳型电极三维探测器的下表面设有二氧化硅保护层，厚度为1微米。
进一步的，所述中心电极的宽度、长蜂窝型沟槽电极的宽度、七边形沟槽电极的宽度均为10微米。
本发明的有益效果是：本发明在硅基体的上部由上往下单面不贯穿刻蚀得到长蜂窝型沟槽电极，在硅基体的下部由下往上单面不贯穿刻蚀得到七边形沟槽电极，长蜂窝型沟槽电极的截面为六边形，该六边形的两条对角线相等且比第三条对角线短，七边形沟槽电极的截面为切去所述六边形较长对角线对应的一个角而形成的七边形，长蜂窝型沟槽电极和七边形沟槽电极的棱边间距为在形成死区最小的前提下，保证探测器单元拼成阵列时，贯穿的沟槽不会形成回路使硅体掉落。
七边形沟槽电极的形状设计与镜像的排列方式结合改变了原有死区的分布方式，使探测器的死区集中分布于阵列边缘，与背景技术中的新型闭合式壳型电极硅探测器相比，探测器灵敏区中没有死区存在，造成了在实际运用中的“无死区”；即使增大七边形沟槽电极与长蜂窝型沟槽电极之间的间隙，死区总面积依然较小，减小了由上往下刻蚀长蜂窝型沟槽电极的工艺难度，降低工艺操作成本。长蜂窝型沟槽电极与七边形沟槽电极在Z轴上有重合，避免使本单元上所加的电势影响到其它单元的电场分布，提高位置分辨率。
长蜂窝壳型电极三维探测器单元按照上下相互正交的方式排列成阵列，能够同时测量X、Y两个方向的位置，并且信号读出路线数目只有M+N，远远小于现有新型闭合式壳型电极硅探测器拼成阵列时后的信号读出路线数目M×N，大大降低了成本，并且不影响X、Y两个方向的位置分辨率。
长蜂窝型沟槽电极的截面为六边形，该六边形的两条对角线相等且比第三条对角线短，即长蜂窝型沟槽电极是正六边形在X方向上是拉长的，而不是整体等比例变大，ΔS区域可以看作平行板电容器，ΔS上的电场线总是垂直于棱边，ΔS电场线的距离总是最短，沿着电场线漂移的粒子漂移距离最短，因此ΔS区域粒子漂移路径上的深能级缺陷俘获的粒子变少，改善了探测器的边角上电荷收集性能。此外，拉长后每一探测器死区占总体的比例更小了，减小死区，同时各单元之间减少了电学相干性，各探测器单元之间电学信号独立性更好，减少了电学相干性带来的位置分辨率降低的影响；拉长后长蜂窝型沟槽电极比正六边形的面积大，减少拼成阵列时需要的探测器单元数量，降低信号读出路线数。
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是现有新型闭合式壳型电极硅探测器单元的结构示意图。
图2是现有新型闭合式壳型电极硅探测器阵列的死区示意图。
图3是本发明长蜂窝壳型电极三维探测器单元的结构示意图。
图4是本发明长蜂窝壳型电极三维探测器单元的俯视图。
图5是本发明长蜂窝壳型电极三维探测器单元镜像排列的俯视图。
图6是本发明长蜂窝壳型电极三维探测器阵列的死区示意图。
图7是现有新型闭合式壳型电极硅探测器阵列的俯视图。
图8是本发明长蜂窝壳型电极三维探测器单元上下相互正交排列的俯视图。
图中，1-1.空心六棱环，1-2.中央电极空心柱，1-3.空心十二棱环，101.阳极金属接触层，102.二氧化硅保护层，103.阴极金属接触层，2.沟槽电极，201.长蜂窝型沟槽电极，202.七边形沟槽电极，301.中心电极，401.硅基体，402.第一死区，403.第一边缘死区，404第二死区，405.第二边缘死区，501.二氧化硅保护层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中，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。
背景技术中一种新型闭合式壳型电极硅探测器的结构，如图1-2所示，空心六棱环1-1接正极，其宽度的10μm，最上层是1μm的铝，铝层下面是重掺杂磷的硅；中央电极空心柱1-2接负极，其半径是5μm，最上层是1μm的铝，铝层下面是180μm～450μm的重掺杂硼的硅。空心十二棱环1-3与空心六棱环1-1接触，均接正极，其宽度10μm。空心六棱环1-1与空心十二棱环1-3之间间隙形成的第二死区404大部分分布在探测器的中部灵敏区，且第二死区404的分布密度很大，只有少部分第二死区404分布在第二边缘死区405附近，因此在实际应用中第二死区404对探测器的影响较大；为了减小第二死区404对探测器的影响，只能减小第二死区404的面积，即将空心六棱环1-1与空心十二棱环1-3之间的间隙设计的最小，对工艺操作提出了较高的要求，导致工艺加工难度很大。
本发明长蜂窝壳型电极三维探测器的结构，如图3-4所示，每个长蜂窝壳型电极三维探测器单元包括硅基体401，在硅基体401的上部由上往下单面不贯穿刻蚀得到长蜂窝型沟槽电极201，在硅基体401的下部由下往上单面不贯穿刻蚀得到七边形沟槽电极202，长蜂窝型沟槽电极201的截面为六边形，该六边形的两条对角线相等且比第三条对角线短，七边形沟槽电极202的截面为切去所述六边形较长对角线对应的一个角而形成的七边形，长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202在Z轴上有重合，长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202在X、Y平面内重叠的部分为贯穿刻蚀，长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202在X、Y平面内不重叠的部分与七边形沟槽电极202的外壁围合形成第一死区402，第一死区402与硅基体401相连接，由于第一死区402内部没有中心电极301，电场低，不能收集到电荷；第一死区402与202的厚度相同；长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202共同构成沟槽电极2，沟槽电极2的中心包围有贯穿刻蚀的中心电极301，沟槽电极2与中心电极301形成封闭式电极，使探测器在轴向方向没有充当死区的衬底；中心电极301的表面设有阳极金属接触层101，沟槽电极2的表面设有阴极金属接触层103，阳极金属接触层101接正极，阴极金属接触层103接负极；二氧化硅保护层102用于隔开阳极金属接触层101和阴极金属接触层103，阳极金属接触层101、阴极金属接触层103、二氧化硅保护层102的厚度均为1微米。
长蜂窝型沟槽电极201和七边形沟槽电极202的棱边间距为在形成死区最小的前提下，保证探测器单元拼成阵列时，贯穿的沟槽不会形成回路使硅体掉落；长蜂窝型沟槽电极201和中心电极301的电极间距为R，长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202的宽度相同，均为w，w为10微米(由现有工艺技术条件决定)；中心电极301的宽度也为10微米。
中心电极301的厚度与探测器的厚度相同，均为d，d的取值范围为200-500微米，由现有工艺决定，长蜂窝型沟槽电极201的厚度为90％d，七边形沟槽电极202的厚度为10％～20％d，使轴向(Z轴)上各位置都能收集到电子；长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202在Z轴上重合厚度为0-10％d，是为了减小不同探测器单元在电学信号上的相干性；重合厚度为0是指长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202在Z轴上刚刚重合；若长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202在Z轴上没有重合，会使本单元上所加的电势影响到其他单元的电场分布；若长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202在Z轴上重合部分较大，会造成工艺上的浪费，增加刻蚀成本；因此选取长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202在Z轴上重合厚度为0-10％d，效果最好。
探测器的下表面设有二氧化硅保护层501，厚度为1微米，用于保护探测器表面没有划痕，同时起到隔开电极的作用。
长蜂窝型沟槽电极201、七边形沟槽电极202、中心电极301的掺杂浓度相同，中心电极301为重掺杂p型硅，长蜂窝型沟槽电极201、七边形沟槽电极202均为重掺杂n型硅；硅基体401和第一死区402的掺杂浓度相同，均为轻掺杂硅；
长蜂窝型沟槽电极201的截面为六边形，该六边形的两条对角线相等且比第三条对角线短，较长对角线与较短对角线的长度比增大，会引起一维方向上位置分辨的降低和电容的增大，电容会引起噪声，一维方向上位置分辨率的降低能够得到解决；因此，较长对角线与较短对角线的长度比在实际中根据电容大小确定。
使得长蜂窝型沟槽电极201是正六边形在X方向上是拉长的，而不是整体等比例变大；拉长后的有益效果是：ΔS区域可以看作平行板电容器，ΔS上的电场线总是垂直于棱边，ΔS电场线的距离总是最短，沿着电场线漂移的粒子漂移距离最短，因此ΔS区域粒子漂移路径上的深能级缺陷俘获的粒子变少了，改善了探测器的边角上电荷收集性能；此外，拉长后每一探测器死区占总体的比例更小了，减小死区，同时各单元之间减少了电学相干性，各探测器单元之间电学信号独立性更好，减少了电学相干性带来的位置分辨率降低的影响；因为拉长之后探测器面积变大了，长蜂窝型沟槽电极201比正六边形的面积大，减少拼成阵列时需要的探测器单元数量，拼成阵列时需要探测器单元数目更少，拉长会造成探测器沿拉长方向上的位置分辨率降低，当探测器无限拉长后，第一死区402均被分布在第一边缘死区403附近，降低了第一死区402在实际应用中对探测器的影响，可以用作一维方向上的探测。
如图7所示，现有新型闭合式壳型电极硅探测器拼成阵列后的信号读出路线数目M×N，M为X方向上的探测器单元的个数，N为Y方向上的探测器单元的个数，每个探测器单元都有一个收集电信号的收集电极，当有电信号时，可以通过收集到信号的收集极位置判断粒子的入射位置及路径。因此若想得到粒子的二维位置，则必须将M×N个探测器单元排成阵列，此时有M×N个探测器单元的收集极，信号读出路线多。
如图8所示，本发明长蜂窝壳型电极硅探测器的探测器单元为长条形，探测器单元按照上下相互正交的方式排列，其中实线表示长条形探测器单元排列的横向阵列，虚线表示长条形探测器单元排列的纵向阵列，横向阵列与纵向阵列在Z方向上紧密相接，入射的粒子可以穿过上方的阵列到达下方的阵列，横向阵列与纵向阵列中的探测器单元能先后收集到入射粒子的电信号。M为X方向上的探测器单元的个数，即横向阵列探测器单元的数目，N为Y方向上的探测器单元的个数，即纵向阵列探测器单元的数目，每个探测器单元都有一个收集电信号的收集电极，当有电信号时，可以通过结合横纵阵列中收集到信号的两个收集极位置判断粒子的入射位置及路径。因此若想得到粒子的二维位置，则只需将M个探测器单元和N个探测器单元按照上下相互正交的方式排列，此时总共有M+N个探测器单元，有M+N个探测器单元的收集极，信号读出路线少。
按照按照上下相互正交的排列方式，本发明拉长的探测器能够同时测量X、Y两个方向的位置，并且信号读出路线数目只有M+N，远远小于新型闭合式壳型电极硅探测器拼成阵列时后的信号读出路线数目M×N，大大降低了成本，并且不影响X、Y两个方向的位置分辨率。
如图5-6所示，多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以镜像方式排列成阵列，多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以镜像方式排列具体为：长蜂窝壳型电极三维探测器单元没有第一死区402的一端称A端，长蜂窝壳型电极三维探测器单元有第一死区402的一端称B端，多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以AB|BA的方式进行排列；该镜像排列方式避免了贯穿刻蚀的沟槽形成回路，并使死区分布在阵列边界处；若形成回路，回路包围的硅基体会掉落到芯片外无法使用，并且掉落的碎屑会污染工艺制作环境；七边形沟槽电极202的形状设计与镜像的排列方式结合改变了原有死区的分布方式，使探测器的第一死区402集中分布于阵列边缘，与背景技术中的新型闭合式壳型电极硅探测器相比，探测器灵敏区中没有死区存在，造成了在实际运用中的“无死区”；即使增大七边形沟槽电极202与长蜂窝型沟槽电极201之间的间隙，死区总面积依然较小，减小了由上往下刻蚀长蜂窝型沟槽电极201的工艺难度，降低工艺操作成本。
七边形沟槽电极202按照AB|BA的方式进行排列，当X、Y两个方向的尺寸相同时，新型闭合式壳型电极硅探测器单个探测器单元的死区面积为而本发明的死区只有其中，长蜂窝型沟槽电极201与七边形沟槽电极202的宽度相同，均为w，w为10微米；可见，本发明的死区比新型闭合式壳型电极硅探测器的死区小。要使本发明的死区比新型闭合式壳型电极硅探测器更小，探测器的电极间距由于探测器的电极间距R在20-120微米时，探测器的抗辐射性能比较好，在保证抗辐射性的前提下，本发明的死区是依然比新型闭合式壳型电极硅探测器小；另外将本发明用作光子探测器时，R在150-200微米，本发明的死区依然比新型闭合式壳型电极硅探测器小。
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 (9)
1.一种长蜂窝壳型电极三维探测器，其特征在于，每个长蜂窝壳型电极三维探测器单元包括硅基体(401)，在硅基体(401)的上部由上往下单面不贯穿刻蚀得到长蜂窝型沟槽电极(201)，在硅基体(401)的下部由下往上单面不贯穿刻蚀得到七边形沟槽电极(202)，长蜂窝型沟槽电极(201)的截面为六边形，六边形为沿着某一对平行边拉长的正六边形，该六边形的两条对角线相等且比第三条对角线短，七边形沟槽电极(202)的截面为切去所述六边形较长对角线对应的一个角而形成的七边形，长蜂窝型沟槽电极(201)与七边形沟槽电极(202)在Z轴上有重合，长蜂窝型沟槽电极(201)与七边形沟槽电极(202)在X轴、Y轴所在平面内重叠的部分为贯穿刻蚀，长蜂窝型沟槽电极(201)与七边形沟槽电极(202)在X轴、Y轴所在平面内不重叠的部分与七边形沟槽电极(202)的外表面围合形成第一死区(402)，第一死区(402)与硅基体(401)相连接；长蜂窝型沟槽电极(201)与七边形沟槽电极(202)共同构成沟槽电极(2)，沟槽电极(2)的中心包围有贯穿刻蚀的中心电极(301)，中心电极(301)的上表面设有阳极金属接触层(101)，沟槽电极(2)的上表面设有阴极金属接触层(103)，阳极金属接触层(101)接正极，阴极金属接触层(103)接负极；多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以镜像方式排列成阵列或按照上下相互正交的方式排列成阵列。
2.根据权利要求1所述的一种长蜂窝壳型电极三维探测器，其特征在于，所述多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以镜像方式排列具体为：长蜂窝壳型电极三维探测器单元没有第一死区(402)的一端称A端，长蜂窝壳型电极三维探测器单元有第一死区(402)的一端称B端，多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元以AB|BA的方式进行排列。
3.根据权利要求1所述的一种长蜂窝壳型电极三维探测器，其特征在于，所述多个长蜂窝壳型电极三维探测器单元按照上下相互正交的方式排列具体为：横向阵列与纵向阵列在Z方向上紧密相接，入射的粒子可以穿过上方的阵列到达下方的阵列。
4.根据权利要求1所述的一种长蜂窝壳型电极三维探测器，其特征在于，所述长蜂窝型沟槽电极(201)棱角和七边形沟槽电极(202)的棱边间距为长蜂窝型沟槽电极(201)和中心电极(301)的电极间距为R，长蜂窝型沟槽电极(201)与七边形沟槽电极(202)的宽度相同，均为w。
5.根据权利要求1所述的一种长蜂窝壳型电极三维探测器，其特征在于，所述中心电极(301)的厚度与探测器的厚度相同，均为d，d的取值范围为200-500微米；长蜂窝型沟槽电极(201)的厚度为90％d，七边形沟槽电极(202)的厚度为10％～20％d，长蜂窝型沟槽电极(201)与七边形沟槽电极(202)在Z轴上重合厚度为0-10％d。
6.根据权利要求1所述的一种长蜂窝壳型电极三维探测器，其特征在于，所述长蜂窝型沟槽电极(201)、七边形沟槽电极(202)、中心电极(301)的掺杂浓度相同，中心电极(301)为重掺杂p型硅，长蜂窝型沟槽电极(201)、七边形沟槽电极(202)均为重掺杂n型硅；硅基体(401)和第一死区(402)的掺杂浓度相同，且均为轻掺杂硅。
7.根据权利要求1所述的一种长蜂窝壳型电极三维探测器，其特征在于，所述阳极金属接触层(101)、阴极金属接触层(103)、二氧化硅保护层(102)的厚度均为1微米。
8.根据权利要求1所述的一种长蜂窝壳型电极三维探测器，其特征在于，所述长蜂窝壳型电极三维探测器的下表面设有二氧化硅保护层(501)，厚度为1微米。
9.根据权利要求1所述的一种长蜂窝壳型电极三维探测器，其特征在于，所述中心电极(301)的宽度、长蜂窝型沟槽电极(201)的宽度、七边形沟槽电极(202)的宽度均为10微米。
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