CN111863848A - 基于漂浮电极的硅像素探测器及其设计方法 - Google Patents

基于漂浮电极的硅像素探测器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于漂浮电极的硅像素探测器及其设计方法，所述硅像素探测器包括长方体状的硅基体，硅基体顶面中间设有收集阴极，收集阴极外侧的硅基体顶面设有第一漂浮电极环和第二漂浮电极环，收集阴极顶面设有金属铝，收集阴极外侧的硅基体顶面、第一漂浮电极环顶面和第二漂浮电极环顶面设有二氧化硅层，硅基体底面依次设有阳极层和金属铝；所述硅像素探测器内部的电势分布均匀，死区面积小，电荷收集效率和探测效率较高，收集阴极的表面积较小，硅像素探测器的输入电容降低、噪声减小，分辨率较高。

Description

基于漂浮电极的硅像素探测器及其设计方法
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，涉及一种基于漂浮电极的硅像素探测器及其设计方法。
背景技术
目前半导体探测器主要用于高能核物理、航空航天、军事、医药、脉冲星导航等技术领域，传统硅像素探测器的单元体积较大，有效电极面积与像素单元的上表面积一致，而有效电极面积较大会相应增大探测单元的输入电容，进而增大探测单元的有效串联噪声、降低信噪比，降低硅像素探测器的能量分辨率，同时探测单元体积较大的传统硅像素探测器不易设计成阵列，位置分辨率较低，响应时间较长。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种基于漂浮电极的硅像素探测器，本发明的收集阴极面积较小，漏电流、电容较低，信噪比较高，电荷收集效率、能量分辨率和位置分辨率提高，响应时间缩短。
本发明还提供一种基于漂浮电极的硅像素探测器的设计方法，通过该方法能确定硅像素探测器的基本结构参数及耗尽电压，获得的硅像素探测器内部电势分布均匀，输入电容较小，电荷收集效率和分辨率较好。
本发明所采用的技术方案是，基于漂浮电极的硅像素探测器，包括长方体状的硅基体，硅基体顶面中间设有正方形的收集阴极，收集阴极周围的硅基体顶面设有第一漂浮电极环和第二漂浮电极环，收集阴极、第一漂浮电极环和第二漂浮电极环的中心相同，收集阴极顶面设有金属铝，金属铝周围的硅基体顶面、第一漂浮电极环顶面、第二漂浮电极环顶面均设有二氧化硅层，硅基体底面依次设有阳极层和金属铝；
所述第一漂浮电极环和第二漂浮电极环的宽度相同，所述收集阴极与第一漂浮电极环之间、第一漂浮电极环和第二漂浮电极环之间的间距相同。
进一步的，所述硅基体的长×宽×高为80μm×80μm×300μm，收集阴极的顶面边长为15μm，第一漂浮电极环与第二漂浮电极环的宽度均为10μm，收集阴极与第一漂浮电极环的间距、第一漂浮电极环与第二漂浮电极环的间距均为5μm。
进一步的，收集阴极、第一漂浮电极环、第二漂浮电极环与阳极层的厚度均为1μm，金属铝和二氧化硅层的厚度均为1μm。
进一步的，所述硅基体为N型超纯高阻硅，收集阴极、第一漂浮电极环和第二漂浮电极环均为P型重掺杂材料，阳极层为N型重掺杂材料。
进一步的，所述硅基体的掺杂浓度为2×1011/cm3，所述收集阴极、第一漂浮电极环、第二漂浮电极环和阳极层的掺杂浓度均为1×1019/cm3。
基于漂浮电极的硅像素探测器的设计方法，具体包括以下步骤：
S1，根据硅基体的尺寸和掺杂浓度确定硅像素探测器单元的全耗尽电压；
硅像素探测器内任意点的电势
Figure BDA0002606266180000026
与该点空间电荷量q的泊松方程如公式(1)所示：
Figure BDA0002606266180000021
公式(1)中z为某点到硅基体(5)底面的距离，0≤z≤d，r为水平面内某点到硅基体横截面中心的距离，Neff为硅基体的有效掺杂浓度，ε0为真空介电常数，ε为硅的介电常数，泊松方程的解为
Figure BDA0002606266180000022
Vfd为硅像素探测器的全耗尽电压，Vfd＝qNDd2/2ε0ε，ND为硅基体的掺杂浓度，d为硅基体的厚度，ψ(r)为硅像素探测器背面的电势，
Figure BDA0002606266180000027
Φ(r)为硅像素探测器正面的电势，
Figure BDA0002606266180000023
S2，确定收集阴极的尺寸；
硅像素探测器的有效串联噪声ENCseries与其输入电容ct的关系如公式(2)所示：
Figure BDA0002606266180000024
公式(2)中en为波数为n的波的能量，h'(t)为冲激响应，tpeak为输入信号峰值响应时间，由公式(2)可知为减小有效串联噪声应尽量减小输入电容，而输入电容与收集阴极的表面积存在如下关系：
Figure BDA0002606266180000025
所以为减小硅像素探测器单元的有效串联噪声，取收集阴极的顶面边长为15μm；
S3，确定收集阴极和第一漂浮电极环之间的间距，第一漂浮电极环的宽度；
设收集阴极和第一漂浮电极环之间的间距为G，第一漂浮电极环的宽度为W，第一漂浮电极环和第二漂浮电极环的宽度相同，收集阴极与第一漂浮电极环之间的间距、第一漂浮电极环和第二漂浮电极环之间的间距相同，令W＝2G，根据硅基体顶面边长、收集阴极顶面边长确定收集阴极和第一漂浮电极环之间的间距、第一漂浮电极环的宽度。
本发明的有益效果是：1、本发明在收集阴极周围的硅基体顶部设置第一漂浮电极环和第二漂浮电极环，使探测器单元内部的电势分布均匀，死区面积较小，电荷收集效率和探测效率提高；2、本发明的收集阴极面积较小，使探测器单元的电容降低、噪声减小，硅像素探测器的分辨率提高；3、由于本发明结构体积小，易于集成形成阵列，当重离子或X射线入射后，电子-空穴对的漂移距离小，易于收集、读出，具有较高的能量分辨率和位置分辨率。
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是本发明的剖面图。
图3是本发明的截面图。
图4是本发明的电势分布图。
图5是本发明的电压与电容关系图。
图中，1.收集阴极，2.第一漂浮电极环，3.第二漂浮电极环，4.二氧化硅层，5.硅基体，6.阳极层，7.金属铝。
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所示，基于漂浮电极的硅像素探测器包括长方体状的硅基体5，硅基体5顶面中间设有顶面为正方形的收集阴极1，收集阴极1周围的硅基体5顶面设有第一漂浮电极环2和第二漂浮电极环3，收集阴极1、第一漂浮电极环2和第二漂浮电极环3的中心相同，第一漂浮电极环2和第二漂浮电极环3的宽度相同，收集阴极1与第一漂浮电极环2之间、第一漂浮电极环2与第二漂浮电极环3之间的间距相同，如图3所示收集阴极1顶部设有金属铝7，金属铝7周围的硅基体5顶面、第一漂浮电极环2顶面、第二漂浮电极环3顶面均设有二氧化硅层4，硅基体5底面依次设有阳极层6和金属铝7。
硅基体5为N型超纯高阻硅，硅基体5的掺杂浓度增大会增高探测器单元的耗尽电压，使探测器单元难以耗尽、内部电势分布不均，电荷收集效率较低，硅基体5的浓度为2×1011/cm3时能得到合理的耗尽电压，硅像素探测器内部的电势分布均匀，电荷收集效率较高；收集阴极1、第一漂浮电极环2和第二漂浮电极环3均为P型重掺杂，阳极层6为N型重掺杂，收集阴极1、第一漂浮电极环2、第二漂浮电极环3与阳极层6的掺杂浓度均为1×1019/cm3。
硅基体5的长×宽×高为80μm×80μm×300μm，硅基体5的尺寸增大会使硅基体5难以耗尽，相同漂移速度的电子-空穴对的漂移时间延长，硅像素探测器的响应时间延长，电子-空穴对被内部缺陷俘获的概率增大，硅像素探测器的电荷收集效率降低，硅基体5尺寸减小使硅像素探测器易击穿；收集阴极1顶面边长为15μm，收集阴极1面积太小会增大其收集电荷的难度以及工艺难度，收集阴极1表面积增大会提高硅像素探测器的输入电容，使有效串联噪声增加，影响硅像素探测器的分辨率。
第一漂浮电极环2与第二漂浮电极环3的宽度均为10μm，收集阴极1与第一漂浮电极环2之间的间距、第一漂浮电极环2与第二漂浮电极环3的间距均为5μm，若第一漂浮电极环2与第二漂浮电极环3的宽度不一致，收集阴极1与第一漂浮电极环2之间的间距、第一漂浮电极环2与第二漂浮电极环3之间的间距不一致，会使硅像素探测器单元内部的等势线间距不一致，电势分布不均匀，硅像素探测器单元的电荷收集效率较差。
收集阴极1、第一漂浮电极环2、第二漂浮电极环3与阳极层6的厚度均为1μm，金属铝7和二氧化硅层4的厚度均为1μm。
在硅像素探测器单元的收集阴极1外侧加设两圈漂浮电极环，漂浮电极环在外加电压作用下形成两个等势环，使硅像素探测器单元内部电势分布均匀，死区面积较小，电荷收集效率和探测效率提高。
基于漂浮电极的硅像素探测器的全耗尽电压设计方法包括以下步骤：
S1，根据硅基体5的尺寸和掺杂浓度确定硅像素探测器的全耗尽电压，
硅像素探测器内任意点的电势
Figure BDA0002606266180000051
与该点空间电荷量q的泊松方程如公式(1)所示：
Figure BDA0002606266180000052
公式(1)中z为某点到硅基体(5)底面的距离，0≤z≤d，r为水平面内某点到硅基体5横截面中心的距离，Neff为硅基体5的有效掺杂浓度，ε0为真空介电常数，ε为硅的介电常数，泊松方程的解为
Figure BDA0002606266180000053
Vfd为硅像素探测器的全耗尽电压，Vfd＝qNDd2/2ε0ε，ND为硅基体5的掺杂浓度，d为硅基体5的厚度，ψ(r)为硅像素探测器背面的电势，
Figure BDA0002606266180000054
Φ(r)为硅像素探测器正面的电势，
Figure BDA0002606266180000055
将硅基体5的尺寸设为长×宽×高＝80μm×80μm×300μm，硅基体5的掺杂浓度为2×1011/cm3，可得耗尽电压为13.6V；
S2，确定硅像素探测器的基本结构参数，硅像素探测器的有效串联噪声ENCseries与其输入电容ct的计算如公式(2)所示：
Figure BDA0002606266180000056
公式(2)中en为波数为n的波的能量，h'(t)为冲激响应，tpeak为输入信号峰值响应时间；
由公式(2)可知硅像素探测器的有效串联噪声ENCseries与输入电容ct的平方成正比，为降低硅像素探测器的有效串联噪声，提高硅像素探测器的能量分辨率，应尽量减小输入电容，而输入电容与收集阴极1的表面积A存在如下关系：
Figure BDA0002606266180000057
所以应尽可能减小收集阴极1的表面积，但收集阴极1的表面积太小在工艺上难以实现，还会增大收集阴极1收集电荷的难度，所以取收集阴极1的顶面边长为15μm；
S3，根据硅基体5顶面的边长和收集阴极1顶面边长，确定第一漂浮电极环2和第二漂浮电极环3的宽度，以及收集阴极1与第一漂浮电极环2的间距、第一漂浮电极环2和第二漂浮电极环3的间距；
为保证硅像素探测器单元内部等势线间距一致，电势分布均匀，使第一漂浮电极环2和第二漂浮电极环3的宽度相同，收集阴极1与第一漂浮电极环2之间的间距、第一漂浮电极环2和第二漂浮电极环3之间的间距相同，设第一漂浮电极环2的宽度为W，收集阴极1与第一漂浮电极环2的间距为G，由图3可知80μm＝15μm+4W+5G，令G＝2W，计算得到收集阴极和第一漂浮电极环2的间距、第一漂浮电极环和第二漂浮电极环3的间距均为10μm，第一漂浮电极环2和第二漂浮电极环3的宽度均为5μm。
本发明实施例的硅像素探测器工作时在阳极层6上加13.6V电压，收集阴极1上加0V电压，硅像素探测器单元在外加反向偏压下处于全耗尽状态，入射粒子进入硅像素探测器单元后会产生电子-空穴对，其在硅像素探测器单元内部电场的作用下分别向阳极层6和收集阴极1漂移，最终被电极捕获收集产生脉冲信号，再由电极连接的读出电路将脉冲信号放大读出，进而判断入射粒子的位置和能量。
如图4所示当反向偏置电压为13.6V时，硅像素探测器单元的电容达到较小值且基本保持平稳，证明探测器单元已经耗尽，如图5所示此时硅像素探测器单元内部各处电场均不为零，电势从收集阴极至阳极层逐渐升高，且电势差分布均匀，收集阴极附近电势面密集，探测器单元内部无死区，电子-空穴对在探测器单元内部的漂移速度较快，电极的电荷收集效率较好。
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.基于漂浮电极的硅像素探测器，其特征在于，包括长方体状的硅基体(5)，硅基体(5)顶面中间设有正方形的收集阴极(1)，收集阴极(1)周围的硅基体(5)顶面设有第一漂浮电极环(2)和第二漂浮电极环(3)，收集阴极(1)、第一漂浮电极环(2)和第二漂浮电极环(3)的中心相同，收集阴极(1)顶面设有金属铝(7)，金属铝(7)周围的硅基体(5)顶面、第一漂浮电极环(2)顶面、第二漂浮电极环(3)顶面均设有二氧化硅层(4)，硅基体(5)底面依次设有阳极层(6)和金属铝(7)；
所述第一漂浮电极环(2)和第二漂浮电极环(3)的宽度相同，所述收集阴极(1)与第一漂浮电极环(2)之间、第一漂浮电极环(2)和第二漂浮电极环(3)之间的间距相同。
2.根据权利要求1所述的基于漂浮电极的硅像素探测器，其特征在于，所述硅基体(5)的长×宽×高为80μm×80μm×300μm，收集阴极(1)的顶面边长为15μm，第一漂浮电极环(2)与第二漂浮电极环(3)的宽度均为10μm，收集阴极(1)与第一漂浮电极环(2)的间距、第一漂浮电极环(2)与第二漂浮电极环(3)的间距均为5μm。
3.根据权利要求1所述的基于漂浮电极的硅像素探测器，其特征在于，收集阴极(1)、第一漂浮电极环(2)、第二漂浮电极环(3)与阳极层(6)的厚度均为1μm，金属铝(7)和二氧化硅层(4)的厚度均为1μm。
4.根据权利要求1所述的基于漂浮电极的硅像素探测器，其特征在于，所述硅基体(5)为N型超纯高阻硅，收集阴极(1)、第一漂浮电极环(2)和第二漂浮电极环(3)均为P型重掺杂材料，阳极层(6)为N型重掺杂材料。
5.根据权利要求4所述的基于漂浮电极的硅像素探测器，其特征在于，所述硅基体(5)的掺杂浓度为2×1011/cm3，所述收集阴极(1)、第一漂浮电极环(2)、第二漂浮电极环(3)和阳极层(6)的掺杂浓度均为1×1019/cm3。
6.如权利要求1～5任一项所述的基于漂浮电极的硅像素探测器的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，根据硅基体(5)的尺寸和掺杂浓度确定硅像素探测器单元的全耗尽电压；
硅像素探测器内任意点的电势
Figure FDA0002606266170000011
与该点空间电荷量q的泊松方程如公式(1)所示：
Figure FDA0002606266170000012
公式(1)中z为某点到硅基体(5)底面的距离，0≤z≤d，r为水平面内某点到硅基体(5)横截面中心的距离，Neff为硅基体(5)的有效掺杂浓度，ε0为真空介电常数，ε为硅的介电常数，泊松方程的解为
Figure FDA0002606266170000021
Vfd为硅像素探测器的全耗尽电压，Vfd＝qNDd2/2ε0ε，ND为硅基体(5)的掺杂浓度，d为硅基体(5)的厚度，ψ(r)为硅像素探测器背面的电势，
Figure FDA0002606266170000022
Φ(r)为硅像素探测器正面的电势，
Figure FDA0002606266170000023
S2，确定收集阴极(1)的尺寸；
硅像素探测器的有效串联噪声ENCseries与其输入电容ct的关系如公式(2)所示：
Figure FDA0002606266170000024
公式(2)中en为波数为n的波的能量，h'(t)为冲激响应，tpeak为输入信号峰值响应时间，由公式(2)可知为减小有效串联噪声应尽量减小输入电容，而输入电容与收集阴极(1)的表面积存在如下关系：
Figure FDA0002606266170000025
所以为减小硅像素探测器单元的有效串联噪声，取收集阴极(1)的顶面边长为15μm；
S3，确定收集阴极(1)和第一漂浮电极环(2)之间的间距，第一漂浮电极环(2)的宽度；
设收集阴极(1)和第一漂浮电极环(2)之间的间距为G，第一漂浮电极环(2)的宽度为W，第一漂浮电极环(2)和第二漂浮电极环(3)的宽度相同，收集阴极(1)与第一漂浮电极环(2)之间的间距、第一漂浮电极环(2)和第二漂浮电极环(3)之间的间距相同，令W＝2G，根据硅基体(5)顶面边长、收集阴极(1)顶面边长确定收集阴极(1)和第一漂浮电极环(2)之间的间距、第一漂浮电极环(2)的宽度。
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