CN110611009B - 嵌套式三维沟槽电极硅探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌套式三维沟槽电极硅探测器，包括厚度为1μm的二氧化硅保护层，二氧化硅保护层上设有外围电极，外围电极是从上到下内部中空的长方体结构；外围电极内嵌有嵌套部分和中心电极，嵌套部分由位于二氧化硅层上表面的p型硅基体和位于p型硅基体上的n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层组成；中心电极底部贯穿嵌套部分与二氧化硅保护层相接；外围电极与中心电极间设有隔离硅体；外围电极、中心电极和隔离硅体的顶部位于同一平面内，且三者顶部设有电极接触层，电极接触层由与外围电极及中心电极相接的铝皮和与隔离硅体相接的二氧化硅组成；电极接触层与外围电极、中心电极相接的铝皮上分别设有电极接触端口。探测器实用性大大增强。
Description
技术领域
本发明属于高能物理及天体物理技术领域，涉及一种嵌套式三维沟槽电极硅探测器。
背景技术
探测器广泛应用于高能物理、天体物理、航空航天、军事、医学等技术领域，在高能物理及天体物理应用领域中，探测器的工作环境处于强辐照条件，因此对探测器具有严格的要求，具体要求体现在其需要抗辐照能力强、漏电流及全耗尽电压适中、体积大小合适等方面。传统的三维沟槽电极硅探测器，有许多不足之处：其一，在进行传统的三维沟槽电极硅探测器电极刻蚀时不能完全贯穿整个硅体，不被刻蚀的部分出现弱电场、无电场或电荷分布不均匀等现象，这一部分区域可称之为“死区”，“死区”在单个探测器中占据10％~30％，如果拼接成阵列，其占据的比例更大，严重影响探测器性能；其二，传统的三维沟槽电极硅探测器进行单面刻蚀，粒子只能从单面射入被吸收，粒子进入器件后，产生的电子空穴对不能快速的被电极收集，使得器件的响应时间增加，灵敏度受到很大的局限性；其三，传统的三维沟槽电极硅探测器电极间距大小的变化会影响其抗辐射性能，单个沟槽单元的大小对抗辐射性能影响大，当传统的三维沟槽电极硅探测器做成阵列时，探测器的单元结构不能随意改变，不便于调节使得探测器运用、实用性受到了极大地限制。
基于此，提供一种新型嵌套式三维沟槽电极硅探测器，解决上述现有技术存在的问题就显得尤为重要。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种嵌套式三维沟槽电极硅探测器，解决了传统的三维沟槽电极硅探测器存在较大死区、灵敏度受限及该探测器的单元结构大小调节不方便，使得其实用性受限的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，嵌套式三维沟槽电极硅探测器，包括厚度为1μm的二氧化硅保护层，二氧化硅保护层上设有外围电极，外围电极是从上到下内部中空的长方体结构；外围电极内嵌有嵌套部分和中心电极，嵌套部分由位于二氧化硅保护层上表面的p型硅基体和位于p型硅基体上表面的n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层组成；中心电极底部贯穿嵌套部分与二氧化硅保护层相接；中心电极和p型硅基体均为柱体结构；外围电极与中心电极之间设有隔离硅体；外围电极、中心电极和隔离硅体的顶部位于同一平面内，且三者顶部设有电极接触层，电极接触层由与外围电极及中心电极相接的铝皮部分和与隔离硅体相接的二氧化硅部分组成；电极接触层与外围电极、中心电极相接的铝皮上分别设有电极接触端口。
进一步的，所述嵌套部分高度为30μm，外围电极、中心电极和隔离硅体高度为300μm；外围电极和中心电极的电极宽度均为10μm；中心电极的长度为117~500μm；隔离硅体的厚度为43.5μm。
进一步的，所述嵌套部分高度与嵌套式三维沟槽电极硅探测器高度比为1:10；外围电极中为重掺杂硼硅层/重掺杂磷硅层，中心电极中为重掺杂磷硅层/重掺杂硼硅层；外围电极中为重掺杂硼硅层时中心电极中为重掺杂磷硅层，外围电极中为重掺杂磷硅层时中心电极中为重掺杂硼硅层。
一般嵌套式三维沟槽电极硅探测器的高度设置为200 ~500μm，本文选取外围电极、中心电极和隔离硅体的高度为300μm，即设置嵌套式三维沟槽电极硅探测器的高度为300μm，并设置套部分高度为30μm，使得嵌套部分高度与嵌套式三维沟槽电极硅探测器高度比为1:10，保证探测器结构单元的封闭性，增加抗辐射性能和器件稳定性，有利于减少死区面积。另外，电极宽度与探测器的稳定性能相关，电极宽度越窄，电容越小，探测器的稳定性越好，由于目前工艺上最小可以做到10μm，所以本发明外围电极与中心电极的电极宽度选用10μm。
进一步的，所述中心电极和p型硅基体上下底面均是在长方形基础上将长方形相互平行的两条短边设置为圆心向内的半圆形结构。
进一步的，所述p型硅基体的长度和宽度分别与外围电极的外长和外宽相等。
进一步的，所述电极接触层和二氧化硅保护层的高度均为1μm。
进一步的，所述外围电极和中心电极由电极接触层双面刻蚀至二氧化硅保护层。
进一步的，所述p型硅基体高度为10~25μm；n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层的高度为5~20μm。
进一步的，所述电极接触层的电极接触端口的连接形式有两种：外围电极中是重掺杂磷硅层时，外围电极顶部铝皮上的电极接触端口接电源正极，中心电极顶部铝皮上的电极接触端口接触电源负极；外围电极中是重掺杂硼硅层时，外围电极顶部铝皮上的电极接触端口接触电源负极，中心电极顶部铝皮上的电极接触端口接触电源正极。
进一步的，所述中心电极与p型硅基体底面的直线部分和外围电极任意一个侧面相互平行；所述外围电极、中心电极和p型硅基体的中心轴线重合。
本发明的有益效果是，嵌套式三维沟槽电极硅探测器，优化了器件结构，嵌套刻蚀使得探测器没有了衬底，减少了死区面积，响应时间减少，器件采用双面刻蚀，粒子从双面入射被吸收，从而增加了探测器粒子吸收性，探测器抗辐射性能、粒子吸收性能及灵敏度提升，解决了传统的三维沟槽电极硅探测器存在较大死区，灵敏度受限问题；保持中心电极与外围电极间距不变，伴随着探测器单元结构体积的增大，其抗辐射性能变化微小，在辐射性能相同的条件下，按长度方向调节探测器结构的大小，可增大探测器的体积，解决了传统的三维沟槽电极硅探测器单元结构大小调节不方便，其实用性受限问题，实用性大大增强，使得探测器运用更加广泛。
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是中心电极为半径r=5的圆柱的嵌套式三维沟槽电极硅探测器结构示意图；
图2是中心电极增长且其底面两端为半径r=5的半圆结构的嵌套式三维沟槽电极硅探测器结构示意图；
图3是嵌套式三维沟槽电极硅探测器结构侧视图；
图4是嵌套式三维沟槽电极硅探测器阵列结构俯视图。
图中，1.外围电极，2.中心电极，3.嵌套部分，4.电极接触层，5.二氧化硅保护层，6.p型硅基体，7.隔离硅体。
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。
实施例1
嵌套式三维沟槽电极硅探测器，如图2~4所示，其最底层为二氧化硅保护层5，二氧化硅层保护层5的厚度为1μm；在二氧化硅保护层5上设有外围电极1，外围电极1内嵌有高度为30μm的嵌套部分3，嵌套部分3由位于二氧化硅保护层5上表面的p型硅基体6和位于p型硅基体6上表面的n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层；p型硅基体6的高度为10μm，p型硅基体6的长度和宽度与外围电极1外长和外宽相等，n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层的高度为20μm；嵌套部分3内嵌有中心电极2，中心电极2底部贯穿n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层、p型硅基体6与二氧化硅保护层5相接，中心电极2为柱体结构，其与p型硅基体6的上下底面均是在长方形基础上将长方形相互平行的两条短边设置为圆心向内的半圆形结构；外围电极1与中心电极2之间设有隔离硅体7，隔离硅体7是p型轻掺杂硼硅；外围电极1、中心电极2和隔离硅体7的高度均为300μm；外围电极1和中心电极2的电极宽度均为10μm；中心电极2的长度为117μm，隔离硅体7的厚度为43.5μm；中心电极2底面的直线部分、p型硅基体6底面的直线部分和外围电极1任意一个侧面相互平行，外围电极1、中心电极2和p型硅基体6的中心轴线重合；外围电极1、中心电极2和隔离硅体7的顶部设有厚度为1μm的电极接触层4，电极接触层4由与外围电极1及中心电极2顶部相接的铝皮部分和与隔离硅体7顶部相接的二氧化硅部分组成；电极接触层4与外围电极1、中心电极2相接的铝皮上分别设有一电极接触端口；外围电极1和中心电极2直接由电极接触层4双面刻蚀至二氧化硅保护层5。
实施例2
嵌套式三维沟槽电极硅探测器，如图2~4所示，其最底层为二氧化硅保护层5，二氧化硅层保护层5的厚度为1μm；在二氧化硅保护层5上设有外围电极1，外围电极1内嵌有高度为30μm的嵌套部分3，嵌套部分3由位于二氧化硅保护层5上表面的p型硅基体6和位于p型硅基体6上表面的n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层；p型硅基体6的高度为20μm，p型硅基体6的长度和宽度与外围电极1外长和外宽相等，n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层的高度为10μm；嵌套部分3内嵌有中心电极2，中心电极2底部贯穿n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层、p型硅基体6与二氧化硅保护层5相接，中心电极2为柱体结构，其与p型硅基体6的上下底面均是在长方形基础上将长方形相互平行的两条短边设置为圆心向内的半圆形结构；外围电极1与中心电极2之间设有隔离硅体7，隔离硅体7是p型轻掺杂硼硅；外围电极1、中心电极2和隔离硅体7的高度均为300μm；外围电极1和中心电极2的电极宽度均为10μm；中心电极2的长度为350μm，隔离硅体的厚度为43.5μm；中心电极2底面的直线部分、p型硅基体6底面的直线部分和外围电极1任意一个侧面相互平行，外围电极1、中心电极2和p型硅基体6的中心轴线重合；外围电极1、中心电极2和隔离硅体7的顶部设有厚度为1μm的电极接触层4，电极接触层4由与外围电极1及中心电极2顶部相接的铝皮部分和与隔离硅体7顶部相接的二氧化硅部分组成；电极接触层4与外围电极1、中心电极2相接的铝皮上分别设有一电极接触端口；外围电极1和中心电极2直接由电极接触层4双面刻蚀至二氧化硅保护层5。
实施例3
嵌套式三维沟槽电极硅探测器，如图1所示，其最底层为二氧化硅保护层5，二氧化硅层保护层5的厚度为1μm；在二氧化硅保护层5上设有长度相等的中空圆柱体嵌套部分3和长方体外围电极1；嵌套部分3由位于二氧化硅保护层5上的p型硅基体6和位于p型硅基体6上的n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层构成；嵌套部分3高度为30μm，p型硅基体6的高度为25μm，p型硅基体6的长度和宽度与外围电极1外长和外宽相等，n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层的高度为5μm；嵌套部分3内部设有中心电极2，中心电极2底部贯穿n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层、p型硅基体6与二氧化硅保护层5相接，中心电极2为圆柱体结构，外围电极1与中心电极2之间设有隔离硅体7，隔离硅体7是p型轻掺杂硼硅；外围电极1、中心电极2和隔离硅体7的高度均为300μm；外围电极1和中心电极2的电极宽度均为10μm；中心电极2的长度为500μm，隔离硅体的厚度为43.5μm；外围电极1、中心电极2和p型硅基体6的中心轴线重合；外围电极1、中心电极2及隔离硅体7的顶部设有厚度为1μm的电极接触层4，该电极接触层4由与外围电极1及中心电极2相接的铝皮部分和与隔离硅体7相接的二氧化硅部分组成；电极接触层4与外围电极1、中心电极2相接的铝皮上分别设有一电极接触端口；外围电极1和中心电极2直接由电极接触层4双面刻蚀至二氧化硅保护层5。
电极接触端口通常有两种连接形式：当外围电极1中是重掺杂磷硅层、中心电极2中是重掺杂硼硅层时，外围电极1顶部的铝皮上的电极接触端口接电源正极，中心电极2顶部的铝皮上的电极接触端口接电源负极；当外围电极1中是重掺杂硼硅层、中心电极2中是重掺杂磷硅层时，外围电极1顶部的铝皮上的电极接触端口接电源负极，中心电极2顶部的铝皮上的电极接触端口接电源正极。
图4是本发明的嵌套式三维沟槽电极硅探测器阵列结构示意图，如图可知外围电极1与中心电极2之间的横向间距a与纵向间距b相等，均为隔离硅体7的厚度43.5μm。
本发明中二氧化硅保护层5首先起保护作用，二氧化硅保护层5位于最底层，其上面为嵌套部分3，二氧化硅保护层5防止探测器的外围电子设备接触电信号而发生改变；其次，二氧化硅保护层5起重掺杂n型硅的作用，其与p型硅基体6产生PN节，同时，隔绝外围电极1及中心电极2以防止短路；另外，还起到稳定器件的机械性能，在制备过程中，二氧化硅保护层5与嵌套部分3的存在保证外围电极1及中心电极2刻蚀的完整性，进而保护器件完整性。电极接触层4中二氧化硅的高度与铝的高度相同均为1μm，铝主要起与电极相连接的作用，故而不需要太厚，太厚对探测器探测信号不利。
隔离硅体7的作用是隔绝外围电极1与中心电极2，以防止短路；隔离硅体7的厚度由外围电极1和中心电极2的尺寸决定。图1中，中心电极2为半径r=5μm的圆柱嵌套式三维沟槽电极硅探测器结构，其中外围电极1的外围半径R大=58.31μm， 其内径R小=48.31μm，中心电极半径R中=5μm；则隔离硅体7的厚度为R大-R中-10=43.31μm，约等于43.5μm。
本发明中嵌套部分3首先与二氧化硅保护层5共同稳定器件的机械性能，二氧化硅保护层5与嵌套部分3的存在保证硅体刻蚀时不掉落，保护器件完整性；其次，嵌套刻蚀使得探测器没有了衬底，减少了死区面积，死区面积可影响粒子吸收率即灵敏度，减少死区面积使得载流子有效漂移距离变短，响应时间减少，探测器抗辐射性能、粒子吸收性能及灵敏度提升。n型重掺杂磷硅层和p型轻掺杂硼硅层的交界处将被耗尽形成pn结，称为耗尽区，也是探测器的灵敏区，当在外界辐射的作用下，由于光电效应pn结内部产生载流子，载流子在电场驱动作用下向两侧漂移，产生感应电流，辐射与感应电流相关，通过感应电流的大小可判断辐射量和辐射种类。同时，通过光刻机刻蚀，粒子注入实现嵌套部分的双面刻蚀，粒子从上下两面入射，粒子进入探测器后，产生的电子空穴对被电极快速吸收（当外围电极1接电源正极，中心电极2接电源负极，空穴对被外围电极1收集，电子被中心电极2收集；当外围电极1接电源负极，中心电极2接电源正极，电子被外围电极1收集，空穴对被中心电极2收集），提高探测器的灵敏度。本发明与传统三维沟槽电极硅探测器的刻蚀工艺类似，外围电极1、中心电极2是通过光刻机刻蚀，离子注入而形成。刻蚀是沿着探测器单元结构的长度方向进行，首先将外围电极1和中心电极2的相互平行的n+线、p+线刻蚀出来，其长度可根据生产要求自行拟定（不影响其抗辐射性能），再刻蚀中心电极2弯曲部分，弯曲部分优选为半圆形，其直径等于中心电极宽度。另外，强辐射使硅探测器的性能衰减，本发明的嵌套式探测器结构，使得电极间距在载流子的有效漂移距离之内，使其被缺陷俘获的几率大大减小，电极收集到更多的电荷，从而提高了探测器的灵敏度。
本发明的嵌套式三维沟槽硅探测器，加入高度为30μm的嵌套部分3，保证硅体刻蚀时不掉落，保护器件完整性；其次，嵌套刻蚀使得探测器没有了衬底，减少了死区面积，响应时间减少，探测器抗辐射性能、粒子吸收性能及灵敏度提升；实施例2的p型硅基体6高度为20μm、n型重掺杂磷硅层和p型轻掺杂硼硅层高度为10μm，中心电极2长度为350μm，此时探测器的抗辐射性能及灵敏度最优。
本发明采用双面刻蚀，有效提升探测器灵敏度；保持中心电极2与外围电极1的间距不变，调节两个电极长度，增大嵌套式三维沟槽硅探测器体积，而不减弱其抗辐射性能和灵敏度，可适应于不同辐照环境。解决了传统的三维沟槽电极硅探测器单元结构大小调节不方便的问题，使得探测器运用更加广泛，实用性大大增强。嵌套式三维沟槽电极硅探测器可根据不同需要探测不同粒子及光子。当用于超强子对撞机中，用于寻找希格斯粒子的实验，探测高能粒子。当作成阵列用于位置灵敏探测器，通过几个探测器层来确定粒子的轨迹。单个探测器单元只要是探测X光的能量，从而确定被探测物质的元素成分。组合成阵列后通过其位置分辨率可以做X光成像。
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.嵌套式三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，包括厚度为1μm的二氧化硅保护层（5），二氧化硅保护层（5）上设有外围电极（1），外围电极（1）是从上到下内部中空的长方体结构；外围电极（1）内嵌有嵌套部分（3）和中心电极（2），嵌套部分（3）由位于二氧化硅保护层（5）上表面的p型硅基体（6）和位于p型硅基体（6）上表面的n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层组成；中心电极（2）底部贯穿嵌套部分（3）与二氧化硅保护层（5）相接；中心电极（2）和p型硅基体（6）均为柱体结构；外围电极（1）与中心电极（2）之间设有隔离硅体（7）；外围电极（1）、中心电极（2）和隔离硅体（7）的顶部位于同一平面内，且三者顶部设有电极接触层（4），电极接触层（4）由与外围电极（1）及中心电极（2）相接的铝皮部分和与隔离硅体（7）相接的二氧化硅部分组成；电极接触层（4）与外围电极（1）、中心电极（2）相接的铝皮上分别设有电极接触端口；
所述中心电极（2）和p型硅基体（6）上下底面均是在长方形基础上将长方形相互平行的两条短边设置为圆心向内的半圆形结构；
所述外围电极（1）和中心电极（2）由电极接触层（4）双面刻蚀至二氧化硅保护层（5）。
2.根据权利要求1所述的嵌套式三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述嵌套部分（3）高度与嵌套式三维沟槽电极硅探测器高度比为1:10；嵌套部分（3）高度为30μm，外围电极（1）、中心电极（2）和隔离硅体（7）高度为300μm；外围电极（1）和中心电极（2）的电极宽度均为10μm；中心电极（2）的长度为117~500μm；隔离硅体（7）的厚度为43.5μm。
3.根据权利要求1所述的嵌套式三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述外围电极（1）中为重掺杂硼硅层/重掺杂磷硅层，中心电极（2）中为重掺杂磷硅层/重掺杂硼硅层；外围电极（1）中为重掺杂硼硅层时中心电极（2）中为重掺杂磷硅层，外围电极（1）中为重掺杂磷硅层时中心电极（2）中为重掺杂硼硅层。
4.根据权利要求1所述的嵌套式三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述p型硅基体（6）的长度和宽度分别与外围电极（1）的外长和外宽相等。
5.根据权利要求1所述的嵌套式三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述电极接触层（4）和二氧化硅保护层（5）的高度均为1μm。
6.根据权利要求2所述的嵌套式三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述p型硅基体（6）高度为10~25μm；n型重掺杂磷硅层与p型轻掺杂硼硅层的高度为5~20μm。
7.根据权利要求3所述的嵌套式三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述电极接触层（4）的电极接触端口的连接形式有两种：外围电极（1）中是重掺杂磷硅层时，外围电极（1）顶部铝皮上的电极接触端口接电源正极，中心电极（2）顶部铝皮上的电极接触端口接触电源负极；外围电极（1）中是重掺杂硼硅层时，外围电极（1）顶部铝皮上的电极接触端口接触电源负极，中心电极（2）顶部铝皮上的电极接触端口接触电源正极。
8.根据权利要求1所述的嵌套式三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述中心电极（2）与p型硅基体（6）底面的直线部分和外围电极（1）任意一个侧面相互平行；
所述外围电极（1）、中心电极（2）和p型硅基体（6）的中心轴线重合。
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