CN111540795A - 最小死区三维沟槽电极硅探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种最小死区三维沟槽电极硅探测器，其探测单元包括长方体状的探测基体，探测基体横截面的中间、侧边中间和四角均设有柱状电极，探测基体从上到下刻蚀有井字形电极，探测基体从下到上刻蚀有多边形电极，井字形电极的底部与多边形电极的顶部抵靠，柱状电极顶部和井字形电极顶部均附着有铝电极层，铝电极层间的探测基体上附着有二氧化硅绝缘层，柱状电极底部、探测基体底部和多边形电极底部均附着有二氧化硅保护层；本发明内部死区面积较小，对电荷的收集效率较高，探测单元彼此之间不会相互干扰，独立性较好。
Description
技术领域
本发明属于高能物理、天体物理、航空航天等技术领域，特别是涉及一种最小死区三维沟槽电极硅探测器。
背景技术
三维沟槽电极硅探测器由于其抗辐照性能好、响应速度快等特点，主要被应用于高能物理技术领域，目前美国布鲁克海文实验室设计的三维沟槽电极硅探测器，已被制备成样品，探测器各探测单元组成阵列进行工作，而不单独参与工作使得沟槽电极在刻蚀时不能贯穿整个硅基体，会留下10％厚的未刻蚀区域以防止硅基体掉落，该未刻蚀区域称为死区，死区会在探测器底部形成一个不均匀的低电场区域，其组成阵列时会使探测单元之间的干扰增大，降低了探测单元的分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种最小死区三维沟槽电极硅探测器，通过双面刻蚀技术在探测基体上下表面刻蚀沟槽电极，在保证探测基体不掉落的同时，减小了沟槽电极硅探测器的死区面积，使探测单元之间的相互干扰减少，增加了探测单元的独立性。
本发明所采用的技术方案是，最小死区三维沟槽电极硅探测器，其探测单元包括长方体状的探测基体，所述探测基体从上到下刻蚀有井字形电极，所述探测基体从下到上刻蚀有多边形电极，所述井字形电极底部与多边形电极顶部抵靠，所述探测基体横截面的中间、四条侧边的中间和四个角均设有柱状电极，所述柱状电极贯穿探测基体上下表面，所述井字形电极和探测基体中间的柱状电极同轴，所述井字形电极顶部和柱状电极顶部均附着有铝电极层，所述铝电极层之间的探测基体上附着有二氧化硅绝缘层，所述探测基体底部、多边形电极底部和柱状电极底部均设有二氧化硅保护层；
所述多边形电极包括四个横截面呈U形的连接部，所述四个连接部开口朝内呈环形分布，所述四个连接部的开口处通过直线部连接形成多边形，所述多边形与探测基体中间的柱状电极同轴，所述四个连接部的闭口处均设有两个朝向探测基体侧边的延伸部，所述直线部、延伸部均与井字形电极的延伸线重合。
进一步的，所述探测基体为p型轻掺杂，所述井字形电极和多边形电极为n型重掺杂，所述柱状电极为p型重掺杂。
进一步的，所述柱状电极与井字形电极的垂直距离为30～50μm。
进一步的，所述探测单元的尺寸为长180μm×宽180μm×高300μm，所述井字形电极和多边形电极的宽度均为10μm，所述探测基体中间的柱状电极的横截面为10μm×10μm的正方形，所述探测基体侧边的柱状电极横截面为10μm×5μm的长方形，所述探测基体四角的柱状电极横截面为5μm×5μm的正方形，所述铝电极层、二氧化硅绝缘层和二氧化硅保护层的厚度均为1μm。
进一步的，所述井字形电极和多边形电极的高度比为9：1。
本发明的有益效果是：本发明采用双面刻蚀技术在探测基体顶面和底面刻蚀不同形状的沟槽电极，两个沟槽电极相互支撑，底面沟槽电极周围的探测基体与相邻探测单元的探测基体连接，能防止探测基体掉落，提高了探测单元的机械稳定性，减少探测单元的低电场区域，减少了探测单元之间的相互干扰，增加了探测单元的独立性和电荷收集效率。
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是本发明的整体结构图。
图2是本发明探测单元的俯视图。
图3是本发明探测单元的仰视图。
图4是本发明探测单元阵列的俯视图。
图5是本发明探测单元阵列的仰视图。
图6是传统三维沟槽电极探测器示意图。
图7是传统三维沟槽电极探测器单元45°方向的电场截面图。
图8是本发明探测器单元45°方向电场截面图。
图中，1.井字形电极，2.柱状电极，3.多边形电极，3-1.直线部，3-2.连接部，3-3.延伸部，4.探测基体。
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
如图1、图2、图3所示，最小死区三维沟槽电极硅探测器的探测单元包括长方体状的探测基体4，探测基体4从上至下刻蚀有井字形电极1，探测基体4从下至上刻蚀有多边形电极3，井字形电极1底部和多边形电极3顶部抵靠，探测基体4横截面的中间、四条侧边的中间和四个角均设有柱状电极2，柱状电极2贯穿探测基体4上下表面，井字形电极1和探测基体4中间的柱状电极2同轴，井字形电极1顶部和柱状电极2顶部均附着有铝电极层，所述铝电极层之间的探测基体4顶部设有二氧化硅绝缘层，探测基体4底部、柱状电极2底部和多边形电极3底部均设有二氧化硅保护层；多边形电极3包括四个横截面呈U形的连接部3-2，四个连接部3-2开口朝内呈环形分布，四个连接部3-2的开口处通过直线部3-1连接形成多边形，探测基体4中间的柱状电极2与该多边形同轴，四个连接部3-2的闭口端均设有两个朝向探测基体4侧边的延伸部3-3，直线部3-1、延伸部3-3均与井字形电极1竖直方向的延伸线重合；所述探测基体4为p型轻掺杂，井字形电极1和多边形电极3为n型重掺杂，柱状电极2为p型重掺杂。
探测单元的尺寸为长180μm×宽180μm×高300μm，探测单元的厚度与入射粒子有关，入射粒子的能量越高，其穿透能力越强，此时增加探测单元的厚度能增加入射粒子能量在探测单元内的沉积，提高探测器的能量分辨率，探测单元厚度减少，入射粒子的能量无法在探测基体4内完全沉积，会降低探测器对入射粒子的能量检测效果；井字形电极1的宽度为10μm，探测基体4中心的柱状电极2是边长为10μm的正方形，探测基体4侧边处柱状电极2的横截面为10μm×5μm的长方形，探测基体4四角处的柱状电极2为横截面为5μm×5μm的正方形，多边形电极3的宽度为10μm，铝电极层、二氧化硅绝缘层和二氧化硅保护层的厚度均为1μm，井字形电极1与多边形电极3的高度比为9：1，高度比增大使多边形电极3外侧的探测基体4对井字形电极1的支撑力度不够，井字形电极1容易掉落，探测单元的机械稳定性较差；由于多边形电极3内部的电场均匀程度比井字形电极1内部的差，高度比降低使多边形电极3区域增大，探测单元整体的电荷收集性能变差。
柱状电极2与井字形电极1的垂直距离为30～50μm，30～50μm接近1×1016n/cm-2辐照条件下载流子的俘获距离，在该范围内入射粒子激发的载流子被缺陷俘获的较少，有利于柱状电极2收集电荷，电极间距增大载流子被缺陷俘获的几率增大，测得的电学信号较弱，电极间距减小时载流子被缺陷俘获的较少，但是探测单元的探测面积相应减小，不利于电荷收集。
沟槽电极硅探测器的灵敏度和分辨率是通过输出电流或电压信号来体现的，电流、电压信号与电场密切相关，现有的三维沟槽电极硅探测器结构如图6所示，其底部留有未刻蚀的低电场区域，入射粒子激发的载流子在该区域内运动速度较慢，使中央电极收集电荷的速度减慢，中央电极收集的电压信号有一定的延迟，对入射粒子的检测灵敏度降低；另外探测单元之间的低电场区域会产生相互干扰，即一个探测单元接收到入射粒子激励后，在相邻探测单元中也会产生电压信号，使沟槽电极硅探测器的位置分辨率降低。
本发明通过双刻蚀工艺分别从探测基体4的上下表面刻蚀井字形电极1和多边形电极3，多边形电极3与井字形电极1部分接触、部分错开，错开部分的井字形电极1底部与探测基体4接触，使井字形电极1刻蚀时不易掉落，提高了探测单元的机械稳定性，还使探测基体4底部没有未刻蚀区域，消除了探测单元内的死区，探测单元内部电场分布均匀，沟槽电极硅探测器的电荷收集效率和灵敏度提高，探测单元独立性提高；本发明在探测基体4的中间、侧面中间和四个角均设置有柱状电极2，如图4、图5所示探测单元排成阵列后，探测单元的柱状电极2、井字形电极1和多边形电极3与相邻探测单元能组合成多个探测区域，以实现对入射粒子的探测。
检测现有三维沟槽电极硅探测器和本发明的内部电场，本发明实施例柱状电极2与井字形电极1的垂直距离为35μm，检测结果分别如图7、图8所示，由图7可知现有三维沟槽电极硅探测器的探测单元内刻蚀有中央电极的区域电场分布均匀，但是探测单元底部存在较大面积的低电场区域，用其检测入射粒子，入射粒子激发的载流子在低电场区域运动较慢，易被缺陷俘获，使得中央电极的电荷收集效率降低，且低电场区域与相邻探测单元的低电场区域之间易产生信号干扰，探测单元的独立性较差；由图8可知本发明实施例探测单元内部电场分布均匀，低电场区域(如图8圆圈内所示)显著减小，本发明在探测基体4上下表面双面刻蚀不同形状的沟槽电极，两种沟槽电极相互支撑，保证了探测单元的机械稳定性，使用本发明检测入射粒子时粒子激发的载流子在探测基体4内被缺陷俘获的概率较小，有利于提高沟槽电极硅探测器的电荷收集效率；低电场区域减小还能减少探测单元之间的相互干扰，增加探测单元的独立性。
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。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
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 (5)
1.最小死区三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，其探测单元包括长方体状的探测基体(4)，所述探测基体(4)从上到下刻蚀有井字形电极(1)，所述探测基体(4)从下到上刻蚀有多边形电极(3)，所述井字形电极(1)底部与多边形电极(3)顶部抵靠，所述探测基体(4)横截面的中间、四条侧边的中间和四个角均设有柱状电极(2)，所述柱状电极(2)贯穿探测基体(4)上下表面，所述井字形电极(1)和探测基体(4)中间的柱状电极(2)同轴，所述井字形电极(1)顶部和柱状电极(2)顶部均附着有铝电极层，所述铝电极层之间的探测基体(4)上附着有二氧化硅绝缘层，所述探测基体(4)底部、多边形电极(3)底部和柱状电极(2)底部均设有二氧化硅保护层；
所述多边形电极(3)包括四个横截面呈U形的连接部(3-2)，所述四个连接部(3-2)开口朝内呈环形分布，所述四个连接部(3-2)的开口处通过直线部(3-1)连接形成多边形，所述多边形与探测基体(4)中间的柱状电极(2)同轴，所述四个连接部(3-2)的闭口处均设有两个朝向探测基体(4)侧边的延伸部(3-3)，所述直线部(3-1)、延伸部(3-3)均与井字形电极(1)的延伸线重合。
2.根据权利要求1所述的最小死区三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述探测基体(4)为p型轻掺杂，所述井字形电极(1)和多边形电极(3)为n型重掺杂，所述柱状电极(2)为p型重掺杂。
3.根据权利要求1所述的最小死区三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述柱状电极(2)与井字形电极(1)的垂直距离为30～50μm。
4.根据权利要求1所述的最小死区三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述探测单元的尺寸为长180μm×宽180μm×高300μm，所述井字形电极(1)和多边形电极(3)的宽度均为10μm，所述探测基体(4)中间的柱状电极(2)的横截面为10μm×10μm的正方形，所述探测基体(4)侧边的柱状电极(2)横截面为10μm×5μm的长方形，所述探测基体(4)四角的柱状电极(2)横截面为5μm×5μm的正方形，所述铝电极层、二氧化硅绝缘层和二氧化硅保护层的厚度均为1μm。
5.根据权利要求1所述的最小死区三维沟槽电极硅探测器，其特征在于，所述井字形电极(1)和多边形电极(3)的高度比为9：1。
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