CN114005893A - 一种三维外延注入六边形电极硅探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维外延注入六边形电极硅探测器，包括由多个硅探测器单元组成的硅探测器阵列，所述硅探测器单元包括N型轻掺杂硅基体、阴极铝电极接触层、阴极铝电极接触层、上表面SiO2、N型重掺杂阳极和P型重掺杂阴极，所述先由外延工艺生长出N型轻掺杂硅基体，再通过离子注入进行P型重掺杂阴极进行掺杂，并重复30次，所述P型重掺杂阴极外侧覆盖有阴极铝电极接触层，所述N型轻掺杂硅基体的顶部嵌设有N型重掺杂阳极。本发明探测器阵列在单元下侧连接处增加了阳极，从结构设计上避免了死区的存在，因此具有更加均匀的电势、电场分布，拥有更高的电荷收集率，探测器的性能更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及半导体探测器技术领域，尤其涉及一种三维外延注入六边形电极硅探测器。
背景技术
半导体探测器是一种固体辐射探测器，最常用的半导体材料是硅和锗，而硅探测器是以硅为探测介质的辐射探测器，拥有灵敏度高，体积小，易于集成等特点。其实用性强、工艺成熟而被广泛应用，逐步发展成为最成熟的辐射探测器，从而被广泛应用于医疗、军事、航空航天以及高能物理实验等诸多方面。
硅探测器从被提出至今，大概根据工艺方法可大致分为两类：1.基于二维平面工艺的二维硅探测器，其形成电极一般位于探测器表面，代表为硅微条、硅像素探测器及硅漂移探测器(SDD)。2.基于三维深刻蚀、离子注入等工艺的三维硅探测器，其形成的电极由探测器表面延伸至基体内部，代表为三维柱状电极硅探测器及三维沟槽电极硅探测器。三维外延注入六边形电极硅探测器正是基于三维沟槽硅探测器，提出的一种电场更加均匀、漏电流更小、能量分辨率更高的硅探测器。
三维外延注入六边形电极硅探测器其基本原理可简化为PN结或PIN结，硅探测器与入射粒子间的相互作用是硅探测器运行的基础，入射粒子携带的能量传给介质中满带顶部的电子，使电子获得能量脱离原子核的约束，跨越禁带跃迁至导带，形成电子-空穴对，在适当反向偏压的作用下硅探测器可以完全耗尽，探测器中的内建电场增大，基体中自由载流子在电场作用下向电极漂移并被电极收集，从而产生响应电流，同时通过外围电子读出设备输出探测器内产生的信号脉冲，从而得到包含入射粒子相关的数据信息。
三维外延注入六边形电极硅探测器主要采用外延与离子注入工艺，通过在下层衬底上外延生长上层的硅基体，再通过离子注入工艺进行掺杂，掺杂时在不同层级采用不同的掺杂位置，重复以上步骤，并在整个硅体顶部和底部的重掺杂外侧生成金属层、轻掺杂外侧生成氧化层，再经划片、引线、封装等步骤，可完成三维外延注入六边形电极硅探测器的制作。由于三维外延注入六边形电极硅探测器的外延与离子注入工艺，相比三维沟槽电极硅探测器，电极间距更加均匀，从而电势分布与电场分布也更均匀。
探测器中的弱电场区或零电场区，被称之为“死区”。探测器工作时，粒子入射死区时也会产生大量的电子-空穴对，因死区中电场极弱，电子-空穴对不能及时的漂移至电极被收集，只能等电子-空穴对扩散到探测器电场较强的工作区中才能被及时收集。因此死区的存在大大增加了探测器的电荷收集率与响应速度，死区对探测器的工作性能有极为消极的影响。
传统的三维沟槽电极硅探测器由于工艺限制，需要在刻蚀时保留10％左右的衬底，以防止三维沟槽电极硅探测器中间的硅体部分因没有支撑而从晶圆上脱落。不贯穿整个硅体的刻蚀工艺在制作过程中难度非常大，且未刻蚀区域的电场强度极低，存在大面积死区。且三维沟槽电极硅探测器在排布成阵列时，各单元底部衬底相互连接，从而单元间的电信号会相互干扰，极大影响探测器性能。
完美球状三维探测器的提出过于理想化，虽然其内部电场非常均匀，但其为假想模型，仅处于理论阶段。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明的目的是为了解决现有技术中传统硅探测器死区所占比例过大，且完美球形电极过于理想化，无法在工艺中实现的问题，在现有工艺基础上为了剔除死区并提高探测器性能而提出的一种三维外延注入六边形电极硅探测器。
2.技术方案
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种三维外延注入六边形电极硅探测器，包括由多个硅探测器单元组成的硅探测器阵列，所述硅探测器单元包括N型轻掺杂硅基体、阴极铝电极接触层、阴极铝电极接触层、上表面SiO2、N型重掺杂阳极和P型重掺杂阴极，所述先由外延工艺生长出N型轻掺杂硅基体，再通过离子注入进行P型重掺杂阴极进行掺杂，并重复30次，所述P型重掺杂阴极外侧覆盖有阴极铝电极接触层，所述N型轻掺杂硅基体的顶部嵌设有N型重掺杂阳极，所述N型轻掺杂硅基体的上方覆盖有上表面SiO2，所述N型重掺杂阳极外侧覆盖阳极铝电极接触层。
优选地，所述阴极铝电极接触层包括上表面阴极铝电极接触层和下表面阴极铝电极接触层。
优选地，所述硅探测器阵列中N型重掺杂阳极包括上表面N型重掺杂阳极和下表面N型重掺杂阳极。
优选地，所述硅探测器阵列中阳极铝电极接触层包括上表面阳极铝电极接触层和下表面阳极铝电极接触层。
优选地，所述下表面阳极铝电极接触层的外部覆盖有下表面SiO2阳极保护环。
优选地，所述下表面N型重掺杂阳极的外部覆盖有下表面N型轻掺杂阳极保护环。
优选地，所述N型轻掺杂硅基体的底部覆盖有下表面P型重掺杂阴极。
优选地，所述P型重掺杂阴极的掺杂浓度为1×1018/cm3，所述N型轻掺杂硅基体的掺杂浓度为1×1012/cm3。
优选地，所述N型重掺杂阳极掺杂浓度为1×1018/cm3。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
1.本发明中，探测器为六边形设计，同时可以为圆形或正方形设计。正方形设计的排列更为简单，但六边形阳极到阴极间的距离更为均匀且对称性更好；对比圆形单元组成的阵列，六边形单元排成的阵列可以实现无间隙的紧密连接；
2.对比三维沟槽探测器，本探测器阵列在单元下侧连接处增加了阳极，从结构设计上避免了死区的存在，因此具有更加均匀的电势、电场分布，拥有更高的电荷收集率，获得更大面积的灵敏区域，单元独立性更好，单元之间的相互影响更小，同时又保留大幅度减少死区的优势，探测器的性能更加稳定；
3.对比二维探测器，本探测器耗尽电压不再受探测器硅晶圆厚度的限制，仅与电极间距相关；
4.对比球形三维探测器，本探测器根据现有工艺，通过外延与离子注入工艺相结合，可在轻掺杂硅基体中实现半球形重掺杂阴极，使电场分布更加均匀；
5.对比三维沟槽探测器，本探测器耗尽电压较小，在无辐照情况下探测器单元耗尽电压仅为2.7V，能耗更低，抗辐射能力更强。
附图说明
图1是三维外延注入六边形电极硅探测器单元的沿X轴截面图。
图2是三维外延注入六边形电极硅探测器单元的整体结构图。
图3是三维外延注入六边形电极硅探测器单元的三维透视图。
图4是三维外延注入六边形电极硅探测器阵列的顶面结构图。
图5是三维外延注入六边形电极硅探测器阵列的底面结构图。
图6是三维外延注入六边形电极硅探测器阵列的三维透视图。
图7是三维外延注入六边形电极硅探测器阵列的沿X轴截面图。
图8是三维外延注入六边形电极硅探测器阵列的沿Y轴截面图。
图9是三维外延注入六边形电极硅探测器阵列的三维结构透视图。
图10是三维外延注入六边形电极硅探测器单元在不同反向偏压下的电子浓度图。
图11是图10的局部放大图。
图12是三维外延注入六边形电极硅探测器单元在耗尽电压下的电场分布仿真图。
图13是三维外延注入六边形电极硅探测器单元在耗尽电压下的电势分布仿真图。
图14是三维外延注入六边形电极硅探测器单元在耗尽电压下的电子浓度分布仿真图。
图中，1：上表面阳极铝电极接触层；2：上表面SiO2；3：上表面阴极铝电极接触层；4：P型重掺杂阴极；5：N型轻掺杂硅基体；6：上表面N型重掺杂阳极；7：下表面SiO2阳极保护环；8：下表面阳极铝电极接触层；9：下表面阴极铝电极接触层；10：下表面N型轻掺杂阳极保护环；11：下表面N型重掺杂阳极；12：下表面P型重掺杂阴极。
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。
实施例1：
参照图1-14，一种三维外延注入六边形电极硅探测器，包括由多个硅探测器单元组成的硅探测器阵列，硅探测器单元包括N型轻掺杂硅基体5、阴极铝电极接触层、阴极铝电极接触层、上表面SiO22、N型重掺杂阳极和P型重掺杂阴极4，先由外延工艺生长出N型轻掺杂硅基体5，再通过离子注入进行P型重掺杂阴极4进行掺杂，并重复30次，P型重掺杂阴极4外侧覆盖有阴极铝电极接触层，N型轻掺杂硅基体5的顶部嵌设有N型重掺杂阳极，N型轻掺杂硅基体5的上方覆盖有上表面SiO22，N型重掺杂阳极外侧覆盖阳极铝电极接触层。
本发明中，阴极铝电极接触层包括上表面阴极铝电极接触层3和下表面阴极铝电极接触层9，硅探测器阵列中N型重掺杂阳极包括上表面N型重掺杂阳极6和下表面N型重掺杂阳极11，硅探测器阵列中阳极铝电极接触层包括上表面阳极铝电极接触层1和下表面阳极铝电极接触层8。
本发明中，N型轻掺杂硅基体5的上方覆盖有上表面SiO2，下表面阳极铝电极接触层8的外部覆盖有下表面SiO2阳极保护环7，下表面N型重掺杂阳极11的外部覆盖有下表面N型轻掺杂阳极保护环10，N型轻掺杂硅基体5的底部覆盖有下表面P型重掺杂阴极12，P型重掺杂阴极4的掺杂浓度为1×1018/cm3，N型轻掺杂硅基体5的掺杂浓度为1×1012/cm3，N型重掺杂阳极掺杂浓度为1×1018/cm3。
本发明中，整个硅体厚度为60μm，由30层厚度为2μm硅体薄层构成，2μm硅体薄层先由外延工艺生长出硅基体，在通过离子注入进行掺杂，具体掺杂位置与宽度可由下方公式计算得出。
本发明中，P型重掺杂阴极外侧覆盖阴极铝电极接触层，N型重掺杂阳极外侧覆盖阳极铝电极接触层，N型轻掺杂硅基体外侧覆盖SiO2以防止硅基体在空气中发生氧化。硅探测器上下表面铝电极接触层厚度均为1μm，上下表面SiO2层厚度均为0.5μm。
本发明中，硅探测器单元的下侧硅体宽度为120μm，上侧硅体宽度为124μm，左右两侧各多出2μm P型重掺杂阴极区域，在构成阵列时会与相邻的单元共用该区域，如图6所示。
本发明中，三维外延注入六边形电极硅探测器单元与阵列的具体结构可由以下公式计算得出：
Given d＝R,Epi-Si thicknessΔd,Number of layers N＝R/Δd
yi＝iΔd(i＝1,....,N)
SinceΔxN＝0,we can letΔxN＝ΔxN-1.
If ΔxN-1is too small,we can letΔxN-1＝ΔxN-2,and so on,until we find alarge enoughΔxN-m
其中，d为探测器硅体厚度，R为探测器单元六边形外切圆半径，Δd为每层外延生长硅基体的厚度，N为硅体外延层数，yi为第i层硅基体上表面与硅基体底面的距离，xi为第i层硅基体中六边形P型重掺杂区域中心到硅基体中心的距离，Δxi为第i层硅基体中六边形P型重掺杂的水平宽度。由于设计需求与工艺的限制，当Δxi＜4μm时，令Δxi＝4μm。
本发明中，硅探测器结构的形状，层数，掺杂浓度等数据都是可变的，本文实施例是在R＝60μm，Δd＝2μm情况下所做案例，例中轻掺杂、重掺杂浓度可根据需要调节。
本发明中，三维外延注入六边形电极硅探测器的阵列在底部单元交接处增添了阳极，并在阳极与阴极之间增添了N型轻掺杂阳极保护环区域，以避免阳极与阴极重掺杂区域直接接触。三维沟槽电极硅探测器阵列从设计上避免了死区的存在，提高了探测器的灵敏区域面积，大幅优化了硅探测器的性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种三维外延注入六边形电极硅探测器，包括由多个硅探测器单元组成的硅探测器阵列，其特征在于，所述硅探测器单元包括N型轻掺杂硅基体(5)、阴极铝电极接触层、阴极铝电极接触层、上表面SiO2(2)、N型重掺杂阳极和P型重掺杂阴极(4)，所述先由外延工艺生长出N型轻掺杂硅基体(5)，再通过离子注入进行P型重掺杂阴极(4)进行掺杂，并重复30次，所述P型重掺杂阴极(4)外侧覆盖有阴极铝电极接触层，所述N型轻掺杂硅基体(5)的顶部嵌设有N型重掺杂阳极，所述N型轻掺杂硅基体(5)的上方覆盖有上表面SiO2(2)，所述N型重掺杂阳极外侧覆盖阳极铝电极接触层。
2.根据权利要求1所述的一种三维外延注入六边形电极硅探测器，其特征在于，所述阴极铝电极接触层包括上表面阴极铝电极接触层(3)和下表面阴极铝电极接触层(9)。
3.根据权利要求1所述的一种三维外延注入六边形电极硅探测器，其特征在于，所述硅探测器阵列中N型重掺杂阳极包括上表面N型重掺杂阳极(6)和下表面N型重掺杂阳极(11)。
4.根据权利要求1所述的一种三维外延注入六边形电极硅探测器，其特征在于，所述硅探测器阵列中阳极铝电极接触层包括上表面阳极铝电极接触层(1)和下表面阳极铝电极接触层(8)。
5.根据权利要求4所述的一种三维外延注入六边形电极硅探测器，其特征在于，所述下表面阳极铝电极接触层(8)的外部覆盖有下表面SiO2阳极保护环(7)。
6.根据权利要求3所述的一种三维外延注入六边形电极硅探测器，其特征在于，所述下表面N型重掺杂阳极(11)的外部覆盖有下表面N型轻掺杂阳极保护环(10)。
7.根据权利要求1所述的一种三维外延注入六边形电极硅探测器，其特征在于，所述N型轻掺杂硅基体(5)的底部覆盖有下表面P型重掺杂阴极(12)。
8.根据权利要求1所述的一种三维外延注入六边形电极硅探测器，其特征在于，所述P型重掺杂阴极(4)的掺杂浓度为1×1018/cm3，所述N型轻掺杂硅基体(5)的掺杂浓度为1×1012/cm3。
9.根据权利要求1所述的一种三维外延注入六边形电极硅探测器，其特征在于，所述N型重掺杂阳极掺杂浓度为1×1018/cm3。
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| CN202111361836.0A Pending CN114005893A (zh) | 2021-11-17 | 2021-11-17 | 一种三维外延注入六边形电极硅探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114005893A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115084288A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-20 | 鲁东大学 | 一种螺旋型硅漂移探测器及设计方法 |
-
2021
- 2021-11-17 CN CN202111361836.0A patent/CN114005893A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115084288A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-20 | 鲁东大学 | 一种螺旋型硅漂移探测器及设计方法 |
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