CN110164990B - 拉斜式柱状三维探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了拉斜式柱状三维探测器，该探测器的探测单元呈斜四棱柱状，上下面为矩形，四个侧面中两对面形状相同，为两个矩形和两个平行四边形，探测单元是先在探测器基体上附着一层氧化层a，然后在氧化层a的四条边上延伸生长形成壳型电极，在壳型电极的中间离子注入形成中央收集电极，壳型电极和中央收集电极间形成灵敏区，最后在灵敏区顶部附着氧化层b，在中央收集电极和壳型电极顶部附着金属层，将制备的探测单元排列形成拉斜式柱状三维探测器；本发明制备的探测器中没有死区、电荷收集效率高、耗尽宽度小、耗尽电压低、位置分辨率高，对设备和技术的要求降低，读出电子学信号不会相互干扰，能量分辨率高。
Description
本申请要求申请日为2019年04月01日申请号为201910255416.0，专利名称为“拉斜式柱状三维探测器”的中国专利申请的优先权。
技术领域
本发明属于三维硅探测器技术领域，涉及一种拉斜式柱状三维探测器。
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、医学技术等领域；利用硅微条探测器与硅像素探测器对粒子的位置分辨率进行测量时，有以下不足：这两种探测器的耗尽方向都是由芯片上表面至芯片下表面，耗尽宽度等于芯片厚度(一般为300微米)，因此，二维探测器的耗尽电压很高，在辐射环境下耗尽电压随着辐照变高，导致功耗变大，容易击穿，所以硅微条探测器和硅像素探测器虽然具有高位置分辨率，但不耐辐射；想获得高的位置分辨率，需要将微条或者像素做到很小，可能会导致击穿，在本身耗尽电压就高的情况下，更容易被击穿，同时将微条或者像素做到很小，受到工艺的限制。
3D探测器的耗尽方向与芯片厚度无关，是贯穿于芯片的电极柱之间，减少电极间距就可以减少耗尽宽度，因此耗尽电压相比二维探测器极低，在高能物理实验等中广泛被应用，但3D探测器电极之间的几何中心点电场几乎为0，于是提出三维沟槽硅探测器对3D探测器进行改进，但三维沟槽硅探测器仍有些许不足之处，例如：电极没有贯穿硅体，探测单元底部有一层厚度为10％d的硅衬底(d为探测器整体厚度)，硅衬底虽然有支撑硅体的作用，但死区比例大，由于弱电场的影响，粒子在硅衬底中漂移速度很小，被强辐射造成的深能级缺陷俘获的粒子很多，电荷收集效率不好；而且排成阵列后各个探测器单元之间，电学信号会通过10％d的硅衬底(低电场区)相互干扰，使得分辨率降低；在三维沟槽电极探测器中，只能检测到入射粒子的入射探测单元，却不能准确知道其在探测单元的入射位置；位置分辨率等于电极间距的长度，若想得到高位置分辨率，必须要将电极间距做到很小，不仅会有击穿的风险，也会受限于工艺设备与技术，同时带来电子学读出路数很多的问题，造成电子学复杂，成本高。
综合来说，在提高探测器位置分辨率方面，二维探测器与三维沟槽硅探测器各具有优缺点，为了改善其缺点，提高探测器的位置分辨率，本发明提供一种拉斜式柱状三维探测器。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种拉斜式柱状三维探测器，使得探测器的耗尽电压降低，耐辐射且位置分辨率高，制备时对工艺设备和技术的要求低，探测器中各探测单元没有死区，电荷收集效率好，探测单元间不会相互干扰。
本发明所采用的技术方案是，拉斜式柱状三维探测器，由探测单元排列组成，所述探测单元呈斜四棱柱状，上下底面为矩形，四个侧面中两对面为矩形，两对面为平行四边形，探测单元底面为探测器基体，在探测器基体上附有氧化层a，沿氧化层a的四条边倾斜延伸生长的探测单元的侧面形成壳型电极，氧化层a的中间离子注入形成中央收集电极，中央收集电极的延伸方向、厚度与壳型电极的延伸方向、厚度相同，壳型电极和中央收集电极间形成灵敏区，灵敏区上面附有氧化层b，壳型电极和中央收集电极上面附有金属层。
进一步的，中央收集电极和壳型电极为掺杂浓度相同、掺杂类型相反的重掺杂半导体材料，所述探测器基体和灵敏区为轻掺杂半导体材料。
进一步的，壳型电极和中央收集电极的重掺杂硅掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1019cm-3，探测器基体和灵敏区的掺杂浓度为1×1012cm-3。
进一步的，探测单元在排列时，相邻探测单元可以共用壳型电极壁，壳型电极的内顶部左侧与右侧相邻探测单元中壳型电极的内底部左侧位于同一平面内，且该平面垂直于氧化层a。
进一步的，拉斜式柱状三维探测器的位置分辨率的计算如公式(1)所示：
其中，σ为拉斜式柱状三维探测器的位置分辨率，Δy是ΔK引起的测量误差，K为入射粒子在相邻探测单元中产生信号的比重，ΔK是读出电子学造成的误差，Ki是第i次测得的测量值，1＜i＜n，n为测量的次数，θ为壳型电极与水平面的夹角，d为探测单元除氧化层a、氧化层b和探测器基体外的厚度，d2为探测器壳型电极竖向的厚度。
进一步的，探测单元除氧化层a、氧化层b和探测器基体外的厚度d的取值范围为200～300μm；d2＝w/cosθ，w为壳型电极的厚度，w取10μm；壳型电极与水平面的夹角θ的取值范围为(0.75rad，1.38rad)。
本发明的有益效果是：1、本发明的耗尽方向贯穿芯片的电极之间，耗尽电压低，不容易击穿；2、本发明的探测单元中没有死区，电荷收集效率高，相邻探测单元的读出信号不会相互干扰；3、本发明能通过计算粒子在相邻探测单元的信号比重，得知粒子的精确入射位置，使得探测器的位置分辨率高；4由于本发明中探测单元的电极壁是倾斜的，因此探测单元的面积很大，对于探测器制备设备和技术要求降低，并且芯片上探测单元总数少，读出电子学少，减少了成本。
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是拉斜式柱状三维探测器结构图。
图2是拉斜式柱状三维探测器探测单元阵列图。
图3是拉斜式柱状三维探测器探测单元的结构图。
图中，1.灵敏区，2.中央收集电极，3.壳型电极，4.金属层，5.氧化层a，6.探测器基体，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。
拉斜式柱状三维探测器的探测单元结构如图1所示，外形呈斜四棱柱状，上下底面为矩形，四个侧面中两对面形状相同，为两个矩形和两个平行四边形，由探测器基体6、壳型电极3、灵敏区1和中央收集电极2组成；拉斜式柱状三维探测器的探测单元的结构示意图如图3所示，在矩形的探测器基体6上附着氧化层a5，然后沿氧化层a5的四条边斜向延伸生长重掺杂半导体材料，形成壳型电极3，在壳型电极3的中间离子注入重掺杂半导体材料形成中央收集电极2，中央收集电极2的延伸方向、厚度与壳型电极3的延伸方向、厚度相同，壳型电极3和中央收集电极2间形成灵敏区1，在壳型电极3与中央收集电极2顶部附着金属层4，在灵敏区1上附着氧化层b7，形成探测单元；探测单元按照图2所示方式排列形成拉斜式柱状三维探测器。
相邻探测单元可以共用壳型电极3壁，探测单元壳型电极3的内顶部左侧与右侧相邻探测单元壳型电极3的内底部左侧位于同一平面内，且该平面垂直于氧化层a5；将探测单元按照图2所示方式排列形成拉斜式柱状三维探测器，其中壳型电极3和中央收集电极2为掺杂浓度相同、掺杂类型相反的重掺杂半导体材料，探测器基体6和灵敏区1为轻掺杂半导体材料；若离子注入掺杂形成的壳型电极3为n型重掺杂半导体材料，则外接阳极，中央收集电极2为p型重掺杂半导体材料，外接阴极，其余部分形成灵敏区1；若离子注入掺杂形成的壳型电极3为p型重掺杂半导体材料，则外接阴极，中央收集电极2为n型重掺杂半导体材料，外接阳极，其余部分形成灵敏区1。
可掺杂材料为硅、硅、锗、硒、砷化镓、磷化镓、磷化铟、硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌、硫化铅、硒化铅、碳化硅等中的一种；探测器基体6和灵敏区1的掺杂浓度为1×1012cm-3，壳型电极3和中央收集电极2的重掺杂硅掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1019cm-3，壳型电极3、中央收集电极2和探测器基体6、灵敏区1的掺杂浓度保持几个数量级的差值，形成单边突变结，使得轻掺杂硅的耗尽电压变低，PN结在壳型电极3附近，能保持电场平滑、变化小，增加了探测器击穿电压。
传统三维沟槽电极硅探测器的中央收集电极与外层沟槽电极均是刻蚀、填充形成，因此刻蚀出的沟槽电极宽度与沟槽电极厚度有关，深刻蚀的宽深比为1:30，即在厚度为300μm的芯片中刻蚀一条贯穿芯片的沟槽电极，沟槽电极的宽度最小为10μm，而沟槽电极本身不能收集电荷，使得传统三维沟槽电极的死区增大，电荷收集效率降低；而拉斜式柱状三维探测器结构简单，通过离子注入制备中央收集电极2和壳型电极3，可以将中央收集电极2和壳型电极3的宽度做到最小，对工艺设备和技术的要求降低，减少了电极本身充当的死区，增大了电荷收集效率，同时探测器基体6与灵敏区1间用氧化层间隔，探测单元内部无死区，深能级缺陷俘获的粒子数目变少，拉斜式柱状三维探测器的电荷收集效率提高，两个探测器单元可以共用电极壁，减少了电极壁本身引入的死区，使得粒子收集效率提高，相邻探测单元间的电信号不会相互干扰，能够准确计算粒子的入射位置；拉斜式柱状三维探测器的中央收集电极2尺寸很小，使得拉斜式柱状三维探测器的电容与漏电流小，信号噪音小，能量分辨率提高，壳型电极3和中央收集电极2保持一定的倾斜角度，使得壳型电极3和中央收集电极2的面积增大，拉斜式柱状三维探测器的组成探测单元减少，读出电子学减少，成本降低。
计算入射粒子在拉斜式柱状三维探测器中的位置分辨率时，粒子的入射位置及各结构组成如图3所示，以中央收集电极2的中心为Y轴原点，假设拉斜式柱状三维探测器中，入射粒子从Y轴正方向的y点入射，在探测单元A产生的信号为Q1，在探测单元B产生的信号Q2，Q1、Q2由实验测量得到，则Q1、Q2的比重K计算如公式c，壳型电极3与水平面的夹角θ的正切值计算如公式e所示：
其中，S(y)为入射粒子在探测单元A中运动的路径长度，d-d2-S(y)为入射粒子在探测单元B中运动的路径长度，d为柱状三维探测器除氧化层a5、氧化层b7和探测器基体6外的厚度，d为200～300μm，d2为探测器壳型电极3竖向的厚度，d2＝w/cosθ，w为壳型电极3的厚度，w＝10μm。
LC为壳型电极3与中央收集电极2中心的间距，y为粒子入射的位置，由公式c和公式e可得：
其中ΔK是读出电子学造成的误差，Ki是第i次测得的测量值，1＜i＜n，n为测量的次数，θ为壳型电极3与水平面的夹角，壳型电极3与水平面的夹角θ的取值范围为(0.75rad，1.38rad)，由公式f两边对y求微分，可得公式(1)：
其中Δy是ΔK引起的测量误差；σ为拉斜式柱状三维探测器的位置分辨率，在d和d2不变时，夹角θ的取值逐渐增大，位置分辨率呈现递减趋势。
由公式(1)可知拉斜式柱状三维探测器的位置分辨率与粒子的漂移路径、壳型电极3与水平面的夹角θ有关，在粒子的漂移路径确定，即探测单元除氧化层a5、氧化层b7和探测器基体6外的厚度d、壳型电极3竖向的厚度d2和壳型电极3厚度w或中央收集电极2厚度t确定时，根据入射粒子在探测单元中的实际漂移最短路径LDRI的计算公式g可确定壳型电极3与水平面的夹角θ值，计算公式如式h所示：
实施例1
制备一种拉斜式柱状三维探测器，壳型电极3的厚度w与中央收集电极2厚度t均为10μm，θ为0.785rad；
检测粒子位置时，假设粒子在两个探测单元交界处入射，粒子在探测单元A和探测单元B中漂移路径的长度d＝300μm，K＝1，ΔK＝0.1；
当d-d2为285.86μm，则由公式(1)可得位置分辨率
实施例2
制备一种拉斜式柱状三维探测器，壳型电极3的厚度w与中央收集电极2厚度t均为10μm，θ为1.38rad；
检测粒子位置时，假设粒子在两个探测单元交界处入射，粒子在探测单元A和探测单元B中漂移路径的长度d＝300μm，K＝1，ΔK＝0.1，d-d2为247.37μm时，则由公式(1)可得位置分辨率
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (1)
1.拉斜式柱状三维探测器，其特征在于，由探测单元排列组成，所述探测单元呈斜四棱柱状，上下底面为矩形，四个侧面中两对面为矩形，两对面为平行四边形，探测单元底面为探测器基体(6)，在探测器基体(6)上附有氧化层a(5)，沿氧化层a(5)的四条边倾斜延伸生长的探测单元的侧面形成壳型电极(3)，氧化层a(5)的中间离子注入形成中央收集电极(2)，中央收集电极(2)的延伸方向、厚度与壳型电极(3)的延伸方向、厚度相同，壳型电极(3)和中央收集电极(2)间形成灵敏区(1)，灵敏区(1)上面附有氧化层b(7)，壳型电极(3)和中央收集电极(2)上面附有金属层(4)；
所述中央收集电极(2)和壳型电极(3)为掺杂浓度相同、掺杂类型相反的重掺杂半导体材料，所述探测器基体(6)和灵敏区(1)为轻掺杂半导体材料；
所述壳型电极(3)和中央收集电极(2)的重掺杂硅掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1019cm-3，探测器基体(6)和灵敏区(1)的掺杂浓度为1×1012cm-3；
所述探测单元在排列时，相邻探测单元共用壳型电极(3)壁，壳型电极(3)的内顶部左侧与右侧相邻探测单元中壳型电极(3)的内底部左侧位于同一平面内，且该平面垂直于氧化层a(5)；
所述拉斜式柱状三维探测器的位置分辨率的计算如公式(1)所示：
其中，σ为拉斜式柱状三维探测器的位置分辨率，Δy是ΔK引起的测量误差，K为入射粒子在相邻探测单元中产生信号的比重，ΔK是读出电子学造成的误差，Ki是第i次测得的测量值，1＜i＜n，n为测量的次数，θ为壳型电极(3)与水平面的夹角，d为探测单元除氧化层a(5)、氧化层b(7)和探测器基体(6)外的厚度，d2为探测器壳型电极(3)竖向的厚度；
所述探测单元除氧化层a(5)、氧化层b(7)和探测器基体(6)外的厚度d的取值范围为200～300μm；探测器壳型电极(3)竖向的厚度d2＝w/cosθ，w为壳型电极(3)的厚度，w取10μm；壳型电极(3)与水平面的夹角θ的取值范围为(0.75rad，1.38rad)。
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