CN109950333B - 球形盒状三维探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形盒状三维探测器及其制备方法，探测器由数个探测单元排列而成，探测单元外形呈圆柱状，探测单元包括空心的基底，基底底部附着有氧化层a，基底内固定有空心半球的壳形电极，壳形电极内填充有半导体基体，半导体基体顶部中间镶嵌有实心半球的中央收集电极，中央收集电极与壳形电极顶部附着有金属层，半导体基体顶部附着有氧化层b；本发明工作时内部电场均匀，电流信号无长尾、不相互干扰，探测器的能量分辨率提高，本发明的探测单元整体尺寸小，耗尽电压、结电容和漏电流都很小，噪音小，探测器的位置分辨率提高，能适应电池进行驱动，方便携带。

Description

球形盒状三维探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于高能物理、天体物理、航空航天、军事、医学技术领域，涉及一种球形盒状三维探测器及其制备方法。

背景技术

探测器主要用于高能物理、天体物理、航空航天、军事、医学技术领域，三维探测器的电极为两个N型重掺杂的柱状电极和位于对角的两个P型重掺杂的柱状电极，外加电压取任意值，N型重掺杂柱状电极与p型重掺杂柱状电极之间的几何中心点电场都为零，且探测器内部灵敏区存在死区。

传统的三维沟槽硅探测器的电极没有贯穿硅体，在探测单元的底部有一层厚度为10％的硅衬底，硅衬底只具有支撑硅体的作用，使得探测单元的死区比例大，粒子在硅衬底中由于弱电场的影响，漂移速度很小，容易被强辐射造成的深能级缺陷俘获，使得三维沟槽硅探测器的电荷收集效率不好；探测单元排列形成探测器后，各个探测器单元之间的电学信号会通过硅衬底影响其他单元，形成干扰，造成三维沟槽硅探测器的能量分辨率降低；中央柱形电极表面积分布较长，导致三维沟槽硅探测器电容较大，信号噪音大。

发明内容

本发明提供一种球形盒状三维探测器，该探测器的死区比例小，粒子漂移速度高，探测器的电荷收集效率好，同时探测器各探测单元间的电流信号不会相互干扰，探测器位置分辨率和能量分辨率提高。

本发明提供一种球形盒状三维探测器的制备方法，该方法制备的探测器电极均匀性和可控性好，漏电流和结电容降低，探测单元间的电流信号无长尾、不会相互干扰，电流信号便于处理，探测器位置分辨率和能量分辨率提高。

本发明所采用的技术方案是，球形盒状三维探测器，由数个探测单元排列组成，探测单元的外形为圆柱状，所述探测单元包括空心的基底，基底底部附有氧化层a，基底内固定有空心半球的壳形电极，壳形电极中填充有半导体基体，半导体基体顶部中间镶嵌有实心半球形的中央收集电极，在中央收集电极和壳形电极顶部附有金属层，半导体基体顶部附有氧化层b。

进一步的，氧化层a厚度为1μm，中央收集电极的半径为1～2μm，壳形电极的厚度为1～2μm，壳形电极与中央收集电极中心的间距为20～500μm。

进一步的，半导体基体为超纯高阻硅，掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，壳形电极与中央收集电极的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁹cm^-3。

进一步的，半导体基体为N型半导体材料或P型半导体材料。

进一步的，壳形电极为P型重掺杂半导体材料，中央收集电极为N型重掺杂半导体材料。

进一步的，壳形电极为N型重掺杂半导体材料，中央收集电极为P型重掺杂半导体材料。

本发明所采用的技术方案是，球形盒状三维探测器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：在高阻硅芯片上附着轻掺杂材料，形成作为基底，在基底上离子注入横截面半径为1～2μm的圆柱形重掺杂半导体材料a；

步骤2：在重掺杂半导体材料a顶面生长圆柱状轻掺杂硅，轻掺杂硅的底面与圆片大小一致；

步骤3：在轻掺杂硅的侧面，离子注入宽度为1～2μm的重掺杂半导体材料a的圆环；

步骤4：在轻掺杂硅与重掺杂半导体材料a顶面上，生长的轻掺杂硅，在轻掺杂硅的侧面离子注入宽度为1～2μm的重掺杂半导体材料a的圆环；

步骤5：重复步骤4，重掺杂半导体材料a形成壳形电极，轻掺杂硅形成半导体基体；

步骤6：在半导体基体顶部中间离子注入半球形的重掺杂半导体材料b，作为中央收集电极，重掺杂半导体材料a与重掺杂半导体材料b的掺杂类型相反；

步骤7：在半导体基体顶部生成氧化层b，在基底底部附着氧化层a，在中央收集电极和壳形电极顶部生成金属层；

步骤8：划片、引线、封装形成球形盒状三维探测器。

本发明的有益效果是：1、本发明的壳形电极使得探测器工作时内部电场分布均匀，低电场区域少，电流信号无长尾，且不相互干扰，探测器的分辨率提高；2、本发明的中央收集电极尺寸小，相应的结电容极小，信号噪音小，能量分辨率提高；3、本发明的全耗尽电压极低，能使用电池进行驱动，方便携带；4、本发明的整体尺寸较小，漏电流极低，响应时间短。

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是球形盒状三维探测器的结构图。

图2是球形盒状三维探测器的俯视图。

图3是球形盒状三维探测器的工艺图。

图4是球形盒状三维探测器的排列图。

图中，1.中央收集电极，2.半导体基体，3.壳形电极，4.基底，5.氧化层a，6.金属层，7.氧化层b。

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。

球形盒状三维探测器由数个探测单元按照图4所示的方式排列组成，探测单元结构如图1～图2所示，外形为圆柱形，探测单元包括氧化层a5，氧化层a5作为一个缓冲层，在探测器制备完成后，可机械减薄引出电极；氧化层a5附着在基底4底部，基底4内固定有空心半球的壳形电极3，壳形电极3中填充有半导体基体2，半导体基体2顶部中间镶嵌有实心半球形的中央收集电极1，在中央收集电极1和壳形电极3顶部附有金属层6，半导体基体2顶部附有氧化层b7。

氧化层a5厚度为1μm，中央收集电极1的半径为1～2μm，壳形电极3的厚度为1～2μm，壳形电极3与中央收集电极1中心的间距为20～500μm，电极间距取20～150μm时，探测器的耐辐射性能较优；在电极间距取150～500μm时，探测器可以用作光子探测。

壳形电极3和中央收集电极1为掺杂类型不同、掺杂浓度相同的重掺杂半导体材料，壳形电极3和中央收集电极1的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁹cm^-3，半导体基体2为超纯高阻硅，半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3；壳形电极3、中央收集电极1与半导体基体2的掺杂浓度差形成单边突变结，使得PN结两边的耗尽区宽度不同，半导体基体2能够全耗尽，形成空间电荷区，半导体基体2内部无可移动的载流子，形成高电场，使得入射粒子的漂移速度加快，探测器电荷收集效率提高；掺杂浓度差过大，在探测单元内部易形成不易去除的损伤，会增大载流子被俘获的概率，影响中央收集电极1收集电子空穴对的能力，增大探测器的漏电流，进而降低探测器的位置分辨率和能量分辨率；掺杂浓度过小，中央收集电极1与半导体基体2、壳形电极3与半导体基体2不能形成单边突变结，在半导体基体2耗尽宽度与中央收集电极1、壳形电极3的耗尽宽度相同，且半导体基体2面积远大于中央收集电极1、壳形电极3面积的情况下，半导体基体2不能完全耗尽，使得入射粒子的漂移速度降低，影响探测器的电荷收集效率。

探测单元中各部分的掺杂类型有四种：(1)半导体基体2为P型半导体材料，中央收集电极1为P型重掺杂半导体材料，壳形电极3为N型重掺杂半导体材料；(2)半导体基体2为P型半导体材料，中央收集电极1为N型重掺杂半导体材料，壳形电极3为P型重掺杂半导体材料；(3)半导体基体2为N型半导体材料，中央收集电极1为P型重掺杂半导体材料，壳形电极3为N型重掺杂半导体材料；(4)半导体基体2为N型半导体材料，中央收集电极1为N型重掺杂半导体材料，壳形电极3为P型重掺杂半导体材料。

掺杂类型决定了球形盒状三维探测器的电场方向，若半导体基体2为P型半导体材料，中央收集电极1为P型重掺杂半导体材料，壳形电极3为N型重掺杂半导体材料，此时中央收集电极1收集的是电子而非空穴，电子的迁移率更高，电子在探测器内的漂移速度相对提高，电子被深能级缺陷俘获的几率变小，探测器能够抗辐射，且电荷收集效率提高；若半导体基体2为N型半导体材料，中央收集电极1为N型重掺杂半导体材料，壳形电极3为P型重掺杂半导体材料，此时中央收集电极1收集的是电子而非空穴，电子的迁移率更高，电子在探测器内的漂移速度相对提高，电子被深能级缺陷俘获的几率变小，探测器能够抗辐射，且电荷收集效率提高，探测器的电场均匀性较好，各探测单元的电子学信号无长尾，能量分辨率高。

探测单元的俯视图如图2所示，壳形电极3和中央收集电极1顶部金属层6连接电源，半导体基体2上面的氧化层b7隔开了壳形电极3和中央收集电极1，避免短路；壳形电极3具有屏蔽作用，壳形电极3、半导体基体2和中央收集电极1形成封闭区域，内部没有死区，提高了探测器的电荷收集效率，且各探测单元的读出电流信号无长尾、便于处理，探测器的能量分辨率提高；氧化层a5和基底4中的载流子不会被收集至中央收集电极1，探测单元的读出电流信号无长尾、便于处理；各探测单元的读出电流信号不会相互干扰，探测器的能量分辨率提高。

球形盒状三维探测器采用分层离子注入进行制备，示意图如图3所示，分层制备探测器时，每一层的厚度为离子注入的结深，即离子注入后每一层重掺杂硅的深度，具体制备步骤如下：

步骤1：在高阻硅芯片上附着轻掺杂材料，形成作为基底4，在基底4上离子注入横截面半径为1～2μm的圆柱形重掺杂半导体材料a；

步骤2：在重掺杂半导体材料a顶面生长圆柱状轻掺杂硅，轻掺杂硅的底面与圆片大小一致；

步骤3：在轻掺杂硅的侧面，离子注入宽度为1～2μm的重掺杂半导体材料a的圆环；

步骤4：在轻掺杂硅与重掺杂半导体材料a顶面上，生长的轻掺杂硅，在轻掺杂硅的侧面离子注入宽度为1～2μm的重掺杂半导体材料a的圆环；

步骤5：重复步骤4，重掺杂半导体材料a形成壳形电极3，轻掺杂硅形成半导体基体2；

步骤6：在半导体基体2顶部中间离子注入半球形的重掺杂半导体材料b，作为中央收集电极1，重掺杂半导体材料a与重掺杂半导体材料b的掺杂类型相反；

步骤7：在半导体基体2顶部生成氧化层b7，在基底4底部附着氧化层a5，在中央收集电极1和壳形电极3顶部生成金属层6；

步骤8：划片、引线、封装形成球形盒状三维探测器；

在硅晶圆上划出探测器单元阵列，将其固定于托起的底座上，再用金属线把探测器上的电极点跟外部的管脚通过焊接连接起来，最后用塑料管壳密封起来，保护探测器芯片，形成芯片整体，利用引出芯片的管脚，以便与外部器件相连。

采用分层离子注入制备的球形盒状三维探测器，壳形电极3和中央收集电极1中掺入的杂质横向扩散很少，使得壳形电极3和中央收集电极1的均匀性和可控性很好；同时探测单元中各结构之间硅的匹配度高，硅生长过程顺利，结合强度高；离子注入工艺还扩大了掺杂杂质的选择范围，能通过质量分析器选择单一杂质，提高掺杂的纯度，降低探测器的漏电流和结电容，电流信号无长尾、噪音小，能量分辨率和位置分辨率提高。

实施例1

半导体基体2为N型半导体材料，中央收集电极1为N型重掺杂半导体材料，壳形电极3为P型重掺杂半导体材料，其中半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，制备过程如下：

步骤1：在1μm厚的N型高阻硅芯片上附着1μm厚的N型轻掺杂材料，形成基底4；

步骤2：在基底4上离子注入高度为1μm、横截面半径为1μm的圆柱形P型重掺杂半导体材料；

步骤3：在圆片上生长厚度为1μm的圆柱状N型轻掺杂硅，N型轻掺杂硅的底面与圆片大小一致；

步骤4：在N型轻掺杂硅的侧面离子注入宽度为1μm的P型重掺杂半导体材料的圆环；

步骤5：在N型轻掺杂硅与圆环形成的圆形顶面上，生长厚度为1μm的N型轻掺杂硅，在N型轻掺杂硅的侧面离子注入宽度为1μm的P型重掺杂半导体材料的圆环；

步骤6：重复步骤5，P型重掺杂半导体材料形成壳形电极3，N型轻掺杂硅形成半导体基体2；

步骤7：在半导体基体2顶部中间离子注入半球形的N型重掺杂半导体材料，作为中央收集电极1，在N型轻掺杂硅顶部生成氧化层b7，在基底4底部附着氧化层a5，在中央收集电极1和壳形电极3顶部生成金属层6。

实施例2

在实施例1掺杂类型不变的情况下，使半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

实施例3

在实施例1掺杂类型不变的情况下，使半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3。

实施例1～3所述探测器的边界条件为：泊松方程为：可得：

其中，|V|≤V_fd，r₁≥r_c，全耗尽时，r₁＝r_c，

为探测单元中PN结耗尽层边缘的电势，/>为探测单元内任一点的电势，为探测单元壳形电极3外侧边缘处的电势，|V|外加电压差的绝对值，r₁为探测单元内任一点与中央收集电极1中心的间距，R为中央收集电极1中心与壳形电极3的间距，e为基本电荷，N_eff为半导体基体2的有效掺杂浓度，V_fd是耗尽电压，r_C为中央收集电极1半径，/>为中央收集电极1的电势，E(r₁)为电场强度，ε_r是硅的相对介电常数为11.9，ε_o是半导体基体2的真空介电常数8.854×10^-14F/cm，则探测器的耗尽电压V_fd和电场强度E(r₁)：

由公式(1)可知，正四棱柱电极探测器的耗尽电压，仅与中央收集电极1与壳形电极3的间距，以及离子在探测单元中所处位置与中央收集电极1的距离有关，在本发明所述的探测单元尺寸下，探测器的耗尽电压很低，可以使用电池驱动，方便移动、携带；

由公式(2)可知，相比于其他探测器，本发明制备的探测单元内部的电场变化平滑，没有慢区，收集的信号没有长尾，电流信号间不会相互干扰，使得探测器的位置分辨率和能量分辨率都有所提高，并且电场相差不大，探测器不会因为电场局部很高而被击穿。

实施例4

半导体基体2为N型半导体材料，中央收集电极1为P型重掺杂半导体材料，壳形电极3为N型重掺杂半导体材料，其中半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3。

实施例5

在实施例4掺杂类型不变的情况下，使半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

实施例6

在实施例4掺杂类型不变的情况下，使半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3。

实施例7

半导体基体2为P型半导体材料，中央收集电极1为N型重掺杂半导体材料，壳形电极3为P型重掺杂半导体材料，其中半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3。

实施例8

在实施例7掺杂类型不变的情况下，使半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

实施例9

在实施例7掺杂类型不变的情况下，使半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3。

实施例10

半导体基体2为P型半导体材料，中央收集电极1为P型重掺杂半导体材料，壳形电极3为N型重掺杂半导体材料，其中半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3。

实施例11

在实施例10掺杂类型不变的情况下，使半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

实施例12

在实施例10掺杂类型不变的情况下，使半导体基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3。

实施例1和实施例7、实施例2和实施例8、实施例4和实施例10、实施例5和实施例11中，中央收集电极1、壳形电极3与半导体基体2之间的掺杂浓度差相同，中央收集电极1与半导体基体2、壳形电极3与半导体基体2之间形成单边突变结，PN结两边的耗尽宽度不同，使得半导体基体2能够完全耗尽，减少了探测器的死区；而实施例3和实施例9、实施例6和实施例12中，中央收集电极1、壳形电极3与半导体基体2之间的掺杂浓度差减小，半导体基体2的耗尽宽度等于中央收集电极1与壳形电极3的耗尽宽度，在半导体基体2面积远大于中央收集电极1与壳形电极3面积的情况下，半导体基体2不能完全耗尽，入射粒子在半导体基体2中的漂移速度降低，进而导致探测器的电荷收集效率降低。

实施例1～3中，半导体基体2都是N型半导体材料，中央收集电极1为N型重掺杂半导体材料，壳形电极3为P型重掺杂半导体材料，此时半导体基体2表面电荷充当施主，但由于半导体基体2为N型半导体材料，不会形成表面的PN结，使得半导体基体2表面的电场强度降低，不容易产生表面击穿，且由于PN结在壳形电极3附近，探测单元内部电场平滑、均匀性好，电流信号无长尾，探测器的能量分辨率提高；实施例4～6中，半导体基体2都是N型半导体材料，中央收集电极1为P型重掺杂半导体材料，壳形电极3为N型重掺杂半导体材料，探测单元的上表面不易击穿，探测单元内部的电场分布不均匀，易局部击穿，且电流信号有长尾，探测器的能量分辨率降低。。

实施例7～9中，半导体基体2都是P型半导体材料，中央收集电极1为N型重掺杂半导体材料，壳形电极3为P型重掺杂半导体材料，探测器的抗辐射性能提高，PN结位于中间，局部电场偏高，易局部击穿；实施例10～12中，半导体基体2都是P型半导体材料，中央收集电极1为P型重掺杂半导体材料，壳形电极3为N型重掺杂半导体材料，探测器能够抗辐射，此时探测单元中被能级缺陷俘获的粒子变少，探测器的收集效率提高。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

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 (6)

1.球形盒状三维探测器的制备方法，其特征在于，

球形盒状三维探测器的结构由数个探测单元排列组成，探测单元的外形为圆柱状，所述探测单元包括空心的基底（4），基底（4）底部附有氧化层a（5），基底（4）内固定有空心半球的壳形电极（3），壳形电极（3）中填充有半导体基体（2），半导体基体（2）顶部中间镶嵌有实心半球形的中央收集电极（1），在中央收集电极（1）和壳形电极（3）顶部附有金属层（6），半导体基体（2）顶部附有氧化层b（7）；

具体包括以下步骤：

步骤1：在高阻硅芯片上附着轻掺杂材料，形成作为基底（4），在基底（4）上离子注入横截面半径为1～2µm的圆柱形重掺杂半导体材料a；

步骤2：在重掺杂半导体材料a顶面生长圆柱状轻掺杂硅，轻掺杂硅的底面与圆片大小一致；

步骤3：在轻掺杂硅的侧面，离子注入宽度为1～2µm的重掺杂半导体材料a的圆环；

步骤4：在轻掺杂硅与重掺杂半导体材料a顶面上，生长的轻掺杂硅，在轻掺杂硅的侧面离子注入宽度为1～2µm的重掺杂半导体材料a的圆环；

步骤5：重复步骤4，重掺杂半导体材料a形成壳形电极（3），轻掺杂硅形成半导体基体（2）；

步骤6：在半导体基体（2）顶部中间离子注入半球形的重掺杂半导体材料b，作为中央收集电极（1），重掺杂半导体材料a与重掺杂半导体材料b的掺杂类型相反；

步骤7：在半导体基体（2）顶部生成氧化层b（7），在基底（4）底部附着氧化层a（5），在中央收集电极（1）和壳形电极（3）顶部生成金属层（6）；

步骤8：划片、引线、封装形成球形盒状三维探测器。

2.根据权利要求1所述的球形盒状三维探测器的制备方法，其特征在于，所述氧化层a（5）厚度为1µm，中央收集电极（1）的半径为1～2µm，壳形电极（3）的厚度为1～2µm，壳形电极（3）与中央收集电极（1）中心的间距为20～500µm。

3.根据权利要求1所述的球形盒状三维探测器的制备方法，其特征在于，所述半导体基体（2）为超纯高阻硅，掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，壳形电极（3）与中央收集电极（1）的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁹cm^-3。

4.根据权利要求1所述的球形盒状三维探测器的制备方法，其特征在于，所述半导体基体（2）为N型半导体材料或P型半导体材料。

5.根据权利要求1所述的球形盒状三维探测器的制备方法，其特征在于，所述壳形电极（3）为P型重掺杂半导体材料，中央收集电极（1）为N型重掺杂半导体材料。

6.根据权利要求1所述的球形盒状三维探测器的制备方法，其特征在于，所述壳形电极（3）为N型重掺杂半导体材料，中央收集电极（1）为P型重掺杂半导体材料。