CN111146298A - 六边形互扣式电极三维硅探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六边形互扣式电极三维硅探测器，包括六棱柱状的隔离硅体，隔离硅体的中心轴向设有中心电极，隔离硅体的六个侧面设有上下拼接的第一沟槽电极和第二沟槽电极，第一沟槽电极由两块C形沟槽电极卡扣而成，第一沟槽电极和中心电极的顶部设有金属接触层，金属接触层之间的隔离硅体顶部设有二氧化硅保护层，第二沟槽电极、中心电极和隔离硅体的底部设有二氧化硅保护层；本发明制备的六边形互扣式电极三维硅探测器死区小、内部电场分布均匀、电荷收集性能好，探测单元之间的单元独立性良好，探测效率高，对硅晶圆的利用率高。
Description
技术领域
本发明属于高能物理及天体物理技术领域，涉及一种六边形互扣式电极三维硅探测器。
背景技术
1997年S.Parker等人率先提出了第一代三维柱状电极硅探测器，该探测器的电极附近存在高电场区，电极对称中心存在低电场区，电场分布不均匀使硅探测器在高辐射环境下使用时受到限制；为了进一步增强硅探测器的抗辐射性能，2009年美国布鲁克海文国家实验室的科学家提出一种新型三维硅探测器，即三维沟槽电极硅探测器，相对于三维柱状电极硅探测器，三维沟槽电极硅探测器的各探测单元更加独立，电场分布更加均匀，抗辐射性能提高。
但由于三维沟槽电极硅探测器底部有10％～30％厚的未刻蚀电极的“死区”，在“死区”内电场极低、电场分布不均匀、电压无法耗尽，电子和空穴在“死区”内移动缓慢甚至不能移动，导致电子和空穴的运动时间变长，在强辐射条件下电子和空穴容易被陷阱俘获，使得电信号衰减；“死区”不能定向收集电子和空穴，该区域基本失去探测功能，三维沟槽电极硅探测器工作时粒子只能单面入射，硅探测器的探测效率低，探测单元组成阵列时“死区”使得硅探测器单元的独立性变差。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种六边形互扣式电极三维硅探测器，通过双面刻蚀工艺消除了三维沟槽电极硅探测器底部的“死区”，使得硅探测器能够双面收集粒子，提高了硅探测器的单元独立性和探测效率。
本发明所采用的技术方案是，六边形互扣式电极三维硅探测器，包括呈六棱柱状的隔离硅体，隔离硅体的中心轴向贯穿刻蚀有中心电极，隔离硅体的六个侧面从上至下刻蚀有第一沟槽电极，所述隔离硅体的六个侧面从下至上刻蚀有第二沟槽电极，所述第一沟槽电极与第二沟槽电极拼接，所述第一沟槽电极由两块C形沟槽电极卡扣而成，两个C形沟槽电极的卡接处留有未刻蚀的S形隔离硅体；
所述第二沟槽电极、隔离硅体、中心电极的底面覆盖有二氧化硅保护层；
所述第一沟槽电极和中心电极的顶面覆盖有金属接触层，所述第一沟槽电极、中心电极之间的隔离硅体上覆盖有二氧化硅保护层，所述二氧化硅保护层与金属接触层等高。
进一步的，所述隔离硅体的总高度为300μm～500μm，所述第一沟槽电极的高度为隔离硅体总高度的10％，所述第二沟槽电极的高度为隔离硅体总高度的90％，所述第一沟槽电极和第二沟槽电极的壁厚均为10μm，所述S形隔离硅体的壁厚为3μm～4μm，所述二氧化硅保护层与金属接触层的厚度均为1μm。
进一步的，所述中心电极的横截面边长为5μm，所述中心电极横截面的侧边与第一沟槽电极顶面的侧边平行，中心电极的拐角与第一沟槽电极的拐角间距为50μm。
进一步的，所述中心电极通过以下过程构成：首先在隔离硅体的中心轴处从上至下贯穿刻蚀六棱柱，然后在六棱柱的内侧壁扩散掺杂硼，最后再在六棱柱内填充多晶硅。
进一步的，所述第一沟槽电极和第二沟槽电极通过以下过程构成：首先在隔离硅体的六个侧面刻蚀沟槽，然后在沟槽内壁扩散掺杂磷，最后再在沟槽内填充多晶硅。
进一步的，所述中心电极、第一沟槽电极和第二沟槽电极的重掺杂浓度均为1×1019cm-3，隔离硅体由轻掺杂硼硅基构成，隔离硅体的轻掺杂浓度为1×1012cm-3。
本发明的有益效果是：1、本发明采用双面刻蚀工艺使沟槽电极贯穿整个硅探测器，消除了死区，使硅探测器内部的电场分布均匀，提高了硅探测器的电荷收集性能；2、沟槽电极覆盖整个硅探测器单元，使硅探测器单元形成阵列时的单元独立性提高；3、本发明在工作时能双面接收粒子，探测效率提高，且组成阵列时硅探测器单元之间可以无缝对接，相邻硅探测器单元能共用一条外围沟槽边，使硅晶圆的利用率提高，节约了成本、提高生产效率。
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是本发明的硅探测器单元结构图。
图2是本发明硅探测器单元俯视图。
图3是本发明硅探测器单元仰视图。
图4是本发明硅探测器单元的排列图。
图5是本发明实施例的效果图。
图6是本发明实施例效果的对比图。
图中，1.第一沟槽电极，2.S形隔离硅体，3.第二沟槽电极，4.中心电极，5.隔离硅体，6.金属接触层，7.二氧化硅保护层。
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。
六边形互扣式电极三维硅探测器包括六棱柱状的隔离硅体5，隔离硅体5的中心轴处从上到下单面贯穿刻蚀有中心电极4，隔离硅体5的六个侧面从上到下刻蚀有第一沟槽电极1，隔离硅体5的六个侧面从下至上刻蚀有第二沟槽电极3，第一沟槽电极1与第二沟槽电极3拼接，第一沟槽电极1由两块C形沟槽电极卡扣而成，两个C形沟槽电极的卡接处留有未刻蚀的S形隔离硅体2；第二沟槽电极3、中心电极4和隔离硅体5底面覆盖有二氧化硅保护层7，第一沟槽电极1和中心电极4的顶面覆盖有金属接触层6，第一沟槽电极1和中心电极4间的隔离硅体5上覆盖有二氧化硅保护层7，第一沟槽电极1与中心电极4顶面覆盖的金属接触层6为铝电极接触层，铝电极接触层与二氧化硅保护层7的厚度均为1μm。
制备中心电极4时首先在隔离硅体5的中心轴处贯穿刻蚀一个六棱柱，在六棱柱内侧壁扩散掺杂硼，然后在六棱柱内填充多晶硅；制备第一沟槽电极1和第二沟槽电极3时在隔离硅体5的六个侧面先刻蚀出沟槽，在沟槽内壁扩散掺杂磷后再填充多晶硅。
中心电极4作为硅探测器的阴极，在探测过程中收集空穴，第一沟槽电极1和第二沟槽电极3作为硅探测器的阳极，在探测过程中收集电子，中心电极4、第一沟槽电极1和第二沟槽电极3的掺杂浓度相同，中心电极4、第一沟槽电极1和第二沟槽电极3的重掺杂浓度均为1×1019cm-3，隔离硅体5由轻掺杂硼硅基构成，隔离硅体5的轻掺杂浓度为1×1012cm-3。
隔离硅体5的高度为300μm～500μm，第一沟槽电极1的高度为隔离硅体5高度的10％，第二沟槽电极3的高度为隔离硅体5高度的90％，第一沟槽电极1和第二沟槽电极3的壁厚均为10μm，S形隔离硅体2的壁厚为3μm～4μm；第一沟槽电极1与S形隔离硅体2等高，S形隔离硅体2的高度增大，会增加两个C形沟槽电极未覆盖隔离硅体5的侧面面积，然而S形隔离硅体2未进行刻蚀、重掺杂，电荷收集效率不高，所以应尽量减小S形隔离硅体2的高度；S形隔离硅体2的高度和宽度太小，又无法支撑相邻硅探测器单元间的隔离硅体5，造成硅探测器机械失稳，影响硅探测器的使用；所以本发明将S形隔离硅体2高度设置为隔离硅体5高度的10％，宽度设为3μm～4μm，能在保证硅探测器机械稳定的情况下，尽可能减小相邻硅探测器单元间S形隔离硅体2的接触面积，提高硅探测器的电荷收集能力和单元独立性；同时本发明将两个C形沟槽电极之间的隔离硅体设置成S形扣接，而没有采用直线式连接，S形扣接使高能粒子入射后激发产生的载流子几乎不会在相邻单元电极上产生感应电荷，即干扰感应电荷，提高了硅探测器的单元独立性，使检测结果更加准确。
中心电极4的横截面边长为5μm，中心电极4横截面的侧边与第一沟槽电极1顶面的侧边平行，中心电极4的拐角与第一沟槽电极1的拐角间距为50μm，中心电极4与沟槽电极的中心间距减小，会减小硅探测器的有效探测区域面积比率，中心间距增大会相应增大入射粒子在硅探测器中激发的载流子的漂移距离，使载流子在漂移时容易被辐照产生的缺陷能级俘获，使得电荷收集率减小，进而降低硅探测器的抗辐射性能，使硅探测器在高辐射环境下使用的可靠性降低；本发明将中心电极4与第一沟槽电极1拐角之间的间距设为50μm，在保证硅探测器有效探测区域的情况下，减小了载流子的漂移距离，提高了硅探测器的电荷收集效率和抗辐射性能。
三维沟槽电极硅探测器存在“死区”是由于外围沟槽电极和中心电极在自上往下单面刻蚀后，沟槽电极和中心电极4之间的隔离硅体5会掉落造成刻蚀工艺失败，所以只能刻蚀一部分外围沟槽电极和中心电极，在高度方向上不能贯穿刻蚀，硅探测器底部留有“死区”，本发明实施例采用双面刻蚀工艺，在C形沟槽电极间设置S形隔离硅体2来连接相邻探测器单元或硅晶圆的硅体，以防止中间的隔离硅体5发生掉落，消除了三维沟槽电极硅探测器底部的“死区”，使硅探测器内部的电场分布均匀，电子和空穴在硅探测器内部运动时间缩短、被缺陷俘获的概率降低，提高了硅探测器的电荷收集性能和抗辐射性能，同时硅探测器工作时粒子能双面入射，使硅探测器的探测效率提高。
实施例1
六边形互扣式电极硅探测器结构如图1-图3所示，包括呈六棱柱状的隔离硅体5，隔离硅体5的中心轴处由顶面向底面单面贯穿刻蚀有六棱柱，在六棱柱内侧壁扩散掺杂硼后填充多晶硅形成中心电极4，隔离硅体5的六个侧面刻蚀有沟槽，在沟槽内壁扩散掺杂磷后填充多晶硅形成第一沟槽电极1和第二沟槽电极3，隔离硅体5、中心电极4、第二沟槽电极3的底面覆盖有二氧化硅保护层7，第一沟槽电极1和和中心电极4顶面覆盖有金属接触层6，金属接触层6之间的隔离硅体5上覆盖有二氧化硅保护层7；第一沟槽电极1由两个C形沟槽电极卡扣而成，两个C形沟槽电极的连接处留有未刻蚀的S形隔离硅体2，S形隔离硅体2的壁厚为3μm。
隔离硅体5的高度为300μm，第一沟槽电极1和S形隔离硅体2的高度为30μm，第二沟槽电极3的高度为270μm，第一沟槽电极1和第二沟槽电极3的壁厚均为10μm，第一沟槽电极1和第二沟槽电极3为硅探测器的阳极，在探测过程中收集电子，中心电极4横截面的边长为5μm，中心电极4为硅探测器的阴极，在探测过程中收集空穴，第一沟槽电极1和第二沟槽电极3的重掺杂浓度均为1×1019cm-3。
沟槽电极与中心电极4之间的隔离硅体5隔开了硅探测器的阳极和阴极，中心电极4的拐角与第一沟槽电极1拐角的间距为50μm，隔离硅体5和S形隔离硅体2都由轻掺杂硼硅基构成，掺杂浓度均为1×1012cm-3；沟槽电极、隔离硅体5和中心电极4形成PIN型同质结，且PN结位于沟槽电极附近，使硅探测器的耗尽电压更低，不易被击穿。
第一沟槽电极1与中心电极4顶部覆盖有1μm厚的铝电极接触层，铝电极接触层把硅探测器的阳极和阴极与偏置电压连接，阳极接偏置电压正极，阴极接偏置电压负极，铝电极接触层之间的隔离硅体5上覆盖有1μm厚的二氧化硅保护层7，中心电极4、第二沟槽电极3、隔离硅体5底面也覆盖有1μm厚的二氧化硅保护层7，能够将阳极和阴极隔离以防止短路。
如图4所示，本发明实施例制备的探测单元在排列成硅探测器时，相邻探测单元共用一个沟槽电极侧壁，使得探测单元之间无缝对接，硅探测器结构紧凑，对硅晶圆的利用率高，能够节约成本。
实施例2
将硅探测器的以下尺寸修改为：隔离硅体5的高度为500μm，第一沟槽电极1和S形隔离硅体2的高度为50μm，第二沟槽电极3的高度为450μm，S形隔离硅体2的壁厚为4μm，硅探测器的其他结构与实施例1相同。
使用实施例1～实施例2制备的硅探测器检测入射粒子，根据检测结果可知，入射粒子入射硅探测器后需激发出足够多的载流子，且在受界面电荷的影响较小时才能获得较好的电信号，硅探测器的高度过小会使入射粒子产生的载流子容易受到硅探测器上下界面电荷的影响，导致硅探测器检测的电信号较弱，不利于入射粒子的探测；为了提高硅探测器的位置分辨率和能量分辨率，需适当调整硅探测器的高度，在硅探测器的高度为300μm～500μm，硅探测器的探测性能较好。
实施例3
不改变实施例1探测单元中各结构的尺寸和位置，仅将两个C形沟槽电极的缺口处设为连线过中心电极4的直线形，两个C形沟槽电极拼合后结合处留有直线形的开口。
实施例4
不改变实施例1探测单元中各结构的尺寸和位置，仅将两个C形沟槽电极的缺口处设为倾斜的直线形缺口，两个C形沟槽电极拼合后结合处留有平行的倾斜开口。
利用单个MIP(Minimum Ionizing Particle)垂直入射到实施例1、实施例3和实施例4制备的硅探测器的一个单元中，在探测单元的相邻单元中收集感应电流，得到的感应电流即干扰电流，干扰电流越小，探测器的能量分辨率越好，经仿真模拟得到各实施例制备的硅探测器的比重分配场和电场分布，利用仿真结果进行插值拟合，并编程积分计算得到具体的干扰电流大小，制作干扰电流的i-t曲线如图5所示，为显示各曲线的差异对图5的纵坐标取以10为底的对数如图6所示，实施例1制备的硅探测器的比重分配场比实施例3、实施例4制备的小很多，其间存在好几个数量级的差异；根据Ramo定理i＝q·vdr·Ew可知，载流子带电量q为定值，载流子漂移速度vdr与硅探测器的内部电场强度相关，而实施例1、实施例3和实施例4制备的硅探测器内部电场强度相差不大，所以干扰电流i的大小仅与硅探测器内部的比重分配场有关，结合图6可知实施例1制备的硅探测器单元在粒子入射时其相邻单元检测到的干扰电流最小，探测单元之间的单元独立性最优。
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)
1.六边形互扣式电极三维硅探测器，其特征在于，包括呈六棱柱状的隔离硅体(5)，隔离硅体(5)的中心轴向贯穿刻蚀有中心电极(4)，隔离硅体(5)的六个侧面从上至下刻蚀有第一沟槽电极(1)，所述隔离硅体(5)的六个侧面从下至上刻蚀有第二沟槽电极(3)，所述第一沟槽电极(1)与第二沟槽电极(3)拼接，所述第一沟槽电极(1)由两块C形沟槽电极卡扣而成，两个C形沟槽电极的卡接处留有未刻蚀的S形隔离硅体(2)；
所述第二沟槽电极(3)、隔离硅体(5)、中心电极(4)的底面覆盖有二氧化硅保护层(7)；
所述第一沟槽电极(1)和中心电极(4)的顶面覆盖有金属接触层(6)，所述第一沟槽电极(1)、中心电极(4)之间的隔离硅体(5)上覆盖有二氧化硅保护层(7)，所述二氧化硅保护层(7)与金属接触层(6)等高。
2.根据权利要求1所述的六边形互扣式电极三维硅探测器，其特征在于，所述隔离硅体(5)的总高度为300μm～500μm，所述第一沟槽电极(1)的高度为隔离硅体(5)总高度的10％，所述第二沟槽电极(3)的高度为隔离硅体(5)总高度的90％，所述第一沟槽电极(1)和第二沟槽电极(3)的壁厚均为10μm，所述S形隔离硅体(2)的壁厚为3μm～4μm，所述二氧化硅保护层(7)与金属接触层(6)的厚度均为1μm。
3.根据权利要求1所述的六边形互扣式电极三维硅探测器，其特征在于，所述中心电极(4)的横截面边长为5μm，所述中心电极(4)横截面的侧边与第一沟槽电极(1)顶面的侧边平行，中心电极(4)的拐角与第一沟槽电极(1)的拐角间距为50μm。
4.根据权利要求1所述的六边形互扣式电极三维硅探测器，其特征在于，所述中心电极(4)通过以下过程构成：首先在隔离硅体(5)的中心轴处从上至下贯穿刻蚀六棱柱，然后在六棱柱的内侧壁扩散掺杂硼，最后再在六棱柱内填充多晶硅。
5.根据权利要求1所述的六边形互扣式电极三维硅探测器，其特征在于，所述第一沟槽电极(1)和第二沟槽电极(3)通过以下过程构成：首先在隔离硅体(5)的六个侧面刻蚀沟槽，然后在沟槽内壁扩散掺杂磷，最后再在沟槽内填充多晶硅。
6.根据权利要求1所述的六边形互扣式电极三维硅探测器，其特征在于，所述中心电极(4)、第一沟槽电极(1)和第二沟槽电极(3)的重掺杂浓度均为1×1019cm-3，隔离硅体(5)由轻掺杂硼硅基构成，隔离硅体(5)的轻掺杂浓度为1×1012cm-3。
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| CN202010045297.9A CN111146298A (zh) | 2020-01-16 | 2020-01-16 | 六边形互扣式电极三维硅探测器 |
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2020
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