CN111863847B - 一种梳状硅像素探测单元及梳状硅像素探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梳状硅像素探测单元及梳状硅像素探测器，梳状硅像素探测器为采用梳状硅像素探测单元组成的梳状硅像素探测单元阵列。梳状硅像素探测单元包括硅基体，硅基体顶面生成有二氧化硅层，二氧化硅层内刻蚀有P+阴极，硅基体的底面刻蚀有n+阳极；P+阴极由第一梳状阴极和第二梳状阴极组成，第一梳状阴极和第二梳状阴极由一个L型阴极以及位于L型阴极内并与其连接的多个条型阴极组成，两者的L型阴极相距一定距离相对设置，两者的多个条型阴极相互平行交叉设置，且第一梳状阴极的L型阴极不与第二梳状阴极的条型阴极连接，其条型阴极不与第二梳状阴极的L型阴极连接。实现了硅像素探测器的空间二维位置分辨，分辨率高、工艺简单。
Description
技术领域
本发明属于硅探测器技术领域，涉及一种梳状硅像素探测单元及梳状硅像素探测器。
背景技术
硅像素探测器在很早之前就已经被发明，为达到具有空间分辨力的特性，传统的硅像素探测器在硅晶圆的上下面都进行了像素的设计与制作，在硅晶圆一个面上设计像素单元阵列，在另一个面上设计一条阳极以及像素单元阵列，且该面上的像素单元阵列与阳极条平行(阳极条一般靠近像素单元阵列的最边沿)。通过上下两面像素单元阵列的设计，使硅像素探测器获得了二维的空间分辨力，然而空间分辨率相对较低，且应用双面半导体工艺技术制作，制备工艺难度较大。
现有的硅像素探测器已经从双面设计理念和工艺技术提高到了单面设计和工艺。像素单元阵列在硅晶圆的一个面，阳极在另一整个面，工艺难度降低了很多，然而没有空间二维分辨的能力，完全只是一个pn结结构。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种梳状硅像素探测单元及梳状硅像素探测器，以解决现有像素单元阵列和阳极分开设计的硅像素探测器无空间二维位置分辨能力的问题，以及现有具备二维空间分辨能力的硅像素探测器空间分辨率低、制备工艺难度大的问题。
本发明实施例所采用的技术方案是，一种梳状硅像素探测单元，包括硅基体，硅基体顶面生成有二氧化硅层，二氧化硅层内刻蚀有P+阴极，硅基体的底面刻蚀有n+阳极；
所述P+阴极由第一梳状阴极和第二梳状阴极组成，第一梳状阴极和第二梳状阴极相对交叉设置。
进一步的，所述第一梳状阴极和第二梳状阴极均由一个L型阴极以及位于L型阴极内部并与其连接的多个条型阴极组成，第一梳状阴极和第二梳状阴极的L型阴极相距一定距离相对设置，第一梳状阴极和第二梳状阴极的多个条型阴极相互平行交叉设置。
进一步的，所述第一梳状阴极的L型阴极不与第二梳状阴极的条型阴极连接，第一梳状阴极的条型阴极不与第二梳状阴极的L型阴极连接。
进一步的，每个所述L型阴极内的多个条型阴极相隔一定间隙平行设置并朝向L型阴极的开口处倾斜，且多个条型阴极以与其连接的L型阴极的角平分线为对称轴对称设置。
进一步的，所述第一梳状阴极和第二梳状阴极的多个条型阴极的长度均从与其连接的L型阴极的内部中心向两侧依次递减，所有条型阴极的宽度相等，且L型阴极和条型阴极的宽度相等，条型阴极的宽度大于相邻两条型阴极的间隙宽度。
进一步的，所述第一梳状阴极和第二梳状阴极均是在二氧化硅层内依次经刻蚀、离子注入形成的p+重掺杂硅层；
所述n+阳极由n+重掺杂硅层和位于其上的阳极铝膜组成。
进一步的，所述第一梳状阴极和第二梳状阴极的L型阴极的直角处均镀设有一层铝膜作为信号输出点，每个所述信号输出点和与其对应的L型阴极相接触。
进一步的，所述p+重掺杂硅层和n+重掺杂硅层的厚度均为1um；
所述阳极铝膜的厚度为0.5um；
所述二氧化硅层的厚度为0.1～0.5um；
所述硅基体的厚度为200～500um，为n型轻掺杂硅基体，电阻率大于4000Ω·cm；
所述P+阴极外刻蚀有封闭的保护环。
本发明实施例所采用的另一技术方案是，一种梳状硅像素探测器，为采用上述梳状硅像素探测单元组成的梳状硅像素探测单元阵列。
进一步的，所述梳状硅像素探测单元阵列中，每行的梳状硅像素探测单元的第一梳状阴极的信号输出点连接在一起形成横向连接线，每列的梳状硅像素探测单元的第二梳状阴极的信号输出点连接在一起形成纵向连接线，构成一个二维数轴。
本发明实施例的有益效果是，提出一种梳状硅像素探测单元及由该梳状硅像素探测单元组成的梳状硅像素探测器，每个梳状硅像素探测单元的P+阴极由第一梳状阴极和第二梳状阴极组成，第一梳状阴极和第二梳状阴极均由一个L型阴极以及位于L型阴极内部并与其连接的多个条型阴极组成，第一梳状阴极和第二梳状阴极的L型阴极相距一定距离相对设置，第一梳状阴极和第二梳状阴极的多个条型阴极相互平行交叉设置。梳状硅像素探测器是采用该梳状硅像素探测单元组成的梳状硅像素探测单元阵列，梳状硅像素探测单元阵列中，每行的第一梳状阴极的信号输出点连接在一起形成横向连接线，每列的第二梳状阴极的信号输出点连接在一起形成纵向连接线，每条横向连接线和纵向连接线均构成一个二维数轴，可实现硅像素探测器的空间二维位置分辨，分辨率高，且由于结构的巧妙设计，在制备工艺上采用简单的单面工艺即可实现，有效解决了现有像素单元阵列和阳极分开设计的硅像素探测器无空间二维位置分辨能力的问题，以及现有具备二维空间分辨能力的硅像素探测器空间分辨率低、制备工艺难度大的问题。
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是本发明实施例的梳状硅像素探测器的像素单元结构示意图。
图2是本发明实施例的梳状硅像素探测器的像素单元俯视示意图。
图3是本发明实施例的第一梳状阴极和第二梳状阴极的结构示意图。
图4是本发明实施例的梳状硅像素探测器的像素单元阵列示意图。
图中，1.保护环，2.第一梳状阴极，3.第二梳状阴极，4.n+阳极，5.硅基体，6.二氧化硅层，7.L型阴极，8.条型阴极，9.信号输出点。
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。
本发明实施例提供一种梳状硅像素探测单元，如图1所示，为立方体结构，其包括硅基体5，硅基体5顶面生成有二氧化硅层6，二氧化硅层6内刻蚀有P+阴极，硅基体5底面刻蚀有n+阳极4。如图1～2所示，P+阴极由第一梳状阴极2和第二梳状阴极3组成，第一梳状阴极2和第二梳状阴极3相对交叉设置。如图3所示，第一梳状阴极2和第二梳状阴极3均由一个L型阴极7以及位于L型阴极7内部并与其连接的多个条型阴极8组成，每个L型阴极7内的多个条型阴极8相隔一定间隙平行设置并向L型阴极7的开口处倾斜，且多个条型阴极8以L型阴极7的角平分线为对称轴对称设置，第一梳状阴极2和第二梳状阴极3的L型阴极7相距一定距离相对设置，第一梳状阴极2和第二梳状阴极3的多个条型阴极8相互平行交叉设置，且第一梳状阴极2的L型阴极7不与第二梳状阴极3的条型阴极8连接，第一梳状阴极2的条型阴极8不与第二梳状阴极3的L型阴极7连接。第一梳状阴极2和第二梳状阴极3的多个条型阴极8的长度均从L型阴极7的内部中心向两侧依次递减。所有条型阴极8的宽度相等，L型阴极7和条型阴极8的宽度相等，且条型阴极8的宽度大于相邻两条型阴极8的间隙宽度，以避免在间隙区域出现电子陷进。条型阴极8的宽度设计要根据工艺水平以及工艺设备决定，宽度设计越窄，探测器的空间分辨率越高。
P+阴极外刻蚀有封闭的保护环1，保护环1可以降低探测器像素单元间的信号干扰以及表面漏电流，从而降低探测器的噪音。
本发明实施例的梳状硅像素探测单元的工作原理简单描述如下：梳状硅像素探测单元在工作过程中，n+阳极4施加耗尽正电压，使探测器处于耗尽状态，P+阴极连接信号处理电路。当其处于高能辐射环境中时，高能辐射促使硅基体粒子(原子或分子)电离，形成空穴-电子对，在内建电场的作用下，电子向n+阳极4运动，空穴向P+阴极运动，产生输出信号。
所述第一梳状阴极2和第二梳状阴极3均是在二氧化硅层6内依次经刻蚀、离子注入形成的p+重掺杂硅层，该p+重掺杂硅层的掺杂元素为硼元素，掺杂浓度为1×1018/cm3，掺杂深度即p+重掺杂硅层的厚度约为1um，p+重掺杂硅层的厚度可以根据不同探测器设计以及需求进行调整。二氧化硅层6的厚度在0.1～0.5um范围内，起绝缘和保护作用。硅基体5的厚度在200～500um范围内，为n型轻掺杂硅基体，使用超纯高阻硅，硅的掺杂浓度很低，电阻率一般大于4000Ω·cm，掺杂元素为磷元素。
第一梳状阴极2和第二梳状阴极3的L型阴极7的直角处均镀设一层厚度约为0.5um的金属铝层作为信号输出点9，如图3所示，信号输出点9下方的二氧化硅层6被全部刻蚀掉，每个信号输出点9和与其对应的L型阴极7直接接触。
硅基体5的整个底面均是n+阳极4，n+阳极4由在二氧化硅层6内依次经刻蚀、离子注入形成的n+重掺杂硅层，以及对二氧化硅层6进行全刻蚀、镀铝膜在n+重掺杂硅层形成的阳极铝膜组成，n+重掺杂硅层的掺杂元素为磷元素，掺杂深度即n+重掺杂硅层的厚度约为1um，掺杂浓度为1×1019/cm3，阳极铝膜作为电压输入端子，其厚度约为0.5um，n+阳极4的掺杂深度可以根据需要作调整。
本发明实施例提供一种梳状硅像素探测器，如图4所示，为采用梳状硅像素探测单元组成的梳状硅像素探测单元阵列，需要说明的是，图4仅是本发明实施例的梳状硅像素探测器的俯视图的一部分，可以根据对探测器尺寸的需求，增加或减少梳状硅像素探测单元的数量。图4的梳状硅像素探测器为梳状硅像素探测单元的4×4阵列，每行的梳状硅像素探测单元的第一梳状阴极2的信号输出点连接在一起形成横向连接线，每列的梳状硅像素探测单元的第二梳状阴极3的信号输出点连接在一起形成纵向连接线，构成一个二维数轴。在探测器内部产生一个信号，传递到每组相互垂直的连接线上，进而确定信号产生点，由此实现空间二维分辨的能力。比如在硅基体5内部区域A点被高能辐射电离产生空穴-电子对，对应A点垂直上方是a像素单元，其第一梳状阴极2所在连接线命名为Xa，第二梳状阴极所在连接线命名为Ya，此时产生的空穴会分别向两个梳状阴极运动，在对应的连接线上产生电学信号，通过有电学信号的两条连接线的交叉点就能确定信号产生比较准确的区域，由此实现空间的二维分辨。
梳状硅像素探测器与信号处理系统构成一个探测器系统，本发明实施例的梳状硅像素探测器即是探测器系统里的探测模块或信号产生模块。该类探测器可以用于探测X射线等高能粒子。当有X射线穿过探测器有效探测区域即硅基体5时，在探测器内部会电离产生电子-空穴对，在探测器内建电场作用下，电子和空穴向相应电极运动，然后向外部输出一个电学信号，信号处理系统将信号放大、分析得到相应结果。
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 (7)
1.一种梳状硅像素探测单元，其特征在于，包括硅基体（5），硅基体（5）顶面生成有二氧化硅层（6），二氧化硅层（6）内刻蚀有P+阴极，硅基体（5）的底面刻蚀有n+阳极（4）；
所述P+阴极由第一梳状阴极（2）和第二梳状阴极（3）组成，第一梳状阴极（2）和第二梳状阴极（3）相对交叉设置；
所述第一梳状阴极（2）和第二梳状阴极（3）均由一个L型阴极（7）以及位于L型阴极（7）内部并与其连接的多个条型阴极（8）组成，第一梳状阴极（2）和第二梳状阴极（3）的L型阴极（7）相距一定距离相对设置，第一梳状阴极（2）和第二梳状阴极（3）的多个条型阴极（8）相互平行交叉设置；
每个所述L型阴极（7）内的多个条型阴极（8）相隔一定间隙平行设置并朝向L型阴极（7）的开口处倾斜，且多个条型阴极（8）以与其连接的L型阴极（7）的角平分线为对称轴对称设置；
所述第一梳状阴极（2）和第二梳状阴极（3）的多个条型阴极（8）的长度均从与其连接的L型阴极（7）的内部中心向两侧依次递减，所有条型阴极（8）的宽度相等，且L型阴极（7）和条型阴极（8）的宽度相等，条型阴极（8）的宽度大于相邻两条型阴极（8）的间隙宽度。
2.根据权利要求1所述的一种梳状硅像素探测单元，其特征在于，所述第一梳状阴极（2）的L型阴极（7）不与第二梳状阴极（3）的条型阴极（8）连接，第一梳状阴极（2）的条型阴极（8）不与第二梳状阴极（3）的L型阴极（7）连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种梳状硅像素探测单元，其特征在于，所述第一梳状阴极（2）和第二梳状阴极（3）均是在二氧化硅层（6）内依次经刻蚀、离子注入形成的p+重掺杂硅层；
所述n+阳极（4）由n+重掺杂硅层和位于其上的阳极铝膜组成。
4.根据权利要求3所述的一种梳状硅像素探测单元，其特征在于，所述第一梳状阴极（2）和第二梳状阴极（3）的L型阴极（7）的直角处均镀设有一层铝膜作为信号输出点（9），每个所述信号输出点（9）和与其对应的L型阴极（7）相接触。
5.根据权利要求3所述的一种梳状硅像素探测单元，其特征在于，所述p+重掺杂硅层和n+重掺杂硅层的厚度均为1um；
所述阳极铝膜的厚度为0.5um；
所述二氧化硅层（6）的厚度为0.1~0.5um；
所述硅基体（5）的厚度为200~500 um，为n型轻掺杂硅基体，电阻率大于4000Ω· cm；
所述P+阴极外刻蚀有封闭的保护环（1）。
6.一种梳状硅像素探测器，其特征在于，为采用权利要求1、2、4、5任一项所述的梳状硅像素探测单元组成的梳状硅像素探测单元阵列。
7.根据权利要求6所述的一种梳状硅像素探测器，其特征在于，所述梳状硅像素探测单元阵列中，每行的梳状硅像素探测单元的第一梳状阴极（2）的信号输出点连接在一起形成横向连接线，每列的梳状硅像素探测单元的第二梳状阴极（3）的信号输出点连接在一起形成纵向连接线，构成一个二维数轴。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Effective date of registration: 20220119 Address after: 410205 office 310, third floor, 101, complex building, 1689 Yuelu West Avenue, high tech Development Zone, Changsha, Hunan Applicant after: Hunan maitanxin Semiconductor Technology Co.,Ltd. Address before: 411100 4th floor, building 4, area C, innovation and entrepreneurship Park, Yuetang District, Xiangtan City, Hunan Province Applicant before: HUNAN ZHENGXIN MICROELECTRONIC DETECTOR Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant |