CN205643730U - 一种开阖式盒型电极半导体探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体探测器技术领域，公开了一种开阖式盒型电极半导体探测器，包括了沟槽电极和中央柱状电极，通过对传统半导体探测器的沟槽电极进行改良设计，沟槽电极采用开阖式结构，通过斜纹状半导体基体将沟槽电极分隔为结构相同且互为互补的两半，克服了传统的基底结构设计，避免了死区的出现；经过合理设计的开阖式盒型电极半导体探测器，可以采用通过共用沟槽电极的电极壁可组成任意M*N阵列探测器，探测器阵列中各个探测器的电场分布更均匀，每一个单元不会受其他单元的影响，从而达到更好的探测效果。

Description

一种开阖式盒型电极半导体探测器

技术领域

本实用新型涉及半导体探测器技术领域，特别是一种开阖式盒型电极半导体探测器。

背景技术

硅探测器是一种最通用的半导体探测器，以硅为探测介质，主要可用作辐射探测器。其探测灵敏度高、响应速度快、具有很强的抗辐照能力，并且易于集成，在高能粒子探测与X光检测等领域有重要应用价值。硅探测器是工作在反向偏压下的，当外部粒子进入到探测器的灵敏区时，在反向偏压作用下，产生的电子-空穴对被分开，电子向正极运动，在到达正极后被收集，空穴向负极运动，被负极收集，在外部电路中就能形成反映粒子信息的电信号。硅探测器从早期的硅面垒等结构向更加复杂的电极制作、PN结厚度、位置灵敏与成像系统发展。这包括利用表面电极分块形成的多单元探测器，如像素探测器等；利用不同的掺杂处理而产生的不同空间电场分布，形成螺旋形或环形结构，如SDD等；在探测器内集成场效应晶体管，从而能够进一步降低噪声，如集成硅微条探测器。不同的硅探测器主要应用方向也各不相同，如硅微条探测器主要应用作为位置灵敏探测，硅漂移探测器用于测低能X射线，CCD主要用于摄像机数字成像。

最早的固态半导体二极管抗辐照探测器是由Peter Heerden，二战期间在被占荷兰的一个研究生制造并应用的，其使用寿命超过了50年。在20世纪60年代末期，Jean Hoerni等人组建了飞兆半导体公司，在制造探测器时的一个主要的难题就是：所有的产品在蚀刻曝光的结表面都有不稳定的表面漏电流。Jean Hoerni的想法是通过扩散的方法使结生成在氧化硅下面的硅面上，从而获得一个较低的稳定的漏电流。在接下来的6年里，他们将二维平面技术应用在了PIN型硅二极管探测器上。在二维平面技术中，所有的单元都是附着在硅片表面或非常接近硅片表面，氧化物钝化层占据或者松散分布着表面电荷。在高辐照条件下，二维平面探测器由于耗尽区域紧挨电极，使得耗尽电压很高。

随着微条状芯片技术的发展，以及后来在1982-1984年间研发的集成芯片技术，第一个通用大规模集成电路读出芯片的制造(也用的平面技术)，硅探测器开始广泛应用在高能对撞机实验的粒子追踪器中。1997年，为了满足探测器在大型强子对撞机以及结构分子生物学中的应用，夏威夷大学的S.Parker等人，提出了三维硅探测器的模型。该探测器综合了传统的VLSI工艺与MEMS(微机电系统)技术。将电极通过蚀刻、扩散掺杂的方法直接加工在硅体中，而不再像二维平面探测器那样附着在晶片表面。因此，探测器的耗尽宽度不再与探测器厚度相关，通过改变电极之间的距离可以极大地减小耗尽电压。相比于二维平面探测器，三维硅探测器具有以下优点：较小的漂移距离；在较小的电压下就能全耗尽；其耗尽电压在辐照影响下增长较小；较快的电荷收集速率。

虽然三维半导体探测器相比二维平面探测器性能有很大提高，但还是存在很多缺点，例如：电极附近有高电场，容易被击穿，低电场区存在鞍状电势缺陷；电极之间会相互影响，电极之间电场不均匀。这些缺点严重影响了探测器的性能。需要提出新的结构来满足高辐照条件下的应用。在2009年，美国布鲁克海文国家实验室提出了一种新型的三维硅探测器—三维沟槽电极硅探测器。这种探测器的电极也是通过蚀刻、扩散掺杂的方法将电极构造在硅体中的。不过它的一个电极是被另一个电极—沟槽电极—围绕着的，这样，探测器的电场分布将更均匀，并且每一个单元不会受其他单元的影响。但是这种三维沟槽探测器由于封闭圆柱形以及沟槽电极的特性，不能够贯穿刻蚀(etch-through)整个探测器厚度，从而留下死区。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种开阖式盒型电极半导体探测器，采用贯穿刻蚀技术的单面工艺技术制作，克服了传统探测器存在死区的技术问题，简化了探测器的制作工艺。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型公开了一种开阖式盒型电极半导体探测器，包括了半导体基体、沟槽电极和中央柱状电极，沟槽电极和中央柱状电极由半导体基体通过贯穿刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，沟槽电极环绕于中央柱状电极之外，沟槽电极为开阖式结构。

其中，半导体基体材料为Si、Ge、HgI₂、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI₂或AlSb中的一种。

其中，所述的沟槽电极为矩形中空电极，沟槽电极刻蚀成结构相同，且结构上互为互补的两半，在沟槽电极间没有刻蚀部分形成斜纹状半导体基体，且斜纹状半导体基体宽度小于10μm。

优选的，阖式盒型电极半导体探测器通过共用沟槽电极的电极壁可组成M*N阵列探测器，其中M,N均为正整数。

本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型通过对传统半导体探测器的沟槽电极进行改良设计，采用开阖式结构，刻蚀出的结构上互为互补的两半沟槽电极，剩下的斜纹状半导体基体可以将半导体基体1与外部半导体基体相连，避免了传统沟槽电极半导体探测器电极刻蚀后剩下孤立的半导体基体的掉落，避免了基底的使用和死区的形成。

2.经过合理设计的开阖式盒型电极半导体探测器，可以采用通过共用沟槽电极的电极壁可组成任意M*N阵列探测器，探测器阵列中各个探测器的电场分布更均匀，每一个单元不会受其他单元的影响，不仅能保证单元的独立性，也能在电学特性上让每一个单元相互联系，从而达到更好的探测效果。

附图说明

图1为传统三维沟槽探测器结构示意。

图2为本实用新型的结构示意图。

图3为本实用新型2*2阵列的结构示意图。

主要组件符号说明:

1：半导体基体，2：沟槽电极，3：中央柱状电极，4：斜纹状半导体基体。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

本实用新型公开了一种开阖式盒型电极半导体探测器，包括了半导体基体1、沟槽电极2和中央柱状电极3。

如图2、3所示，沟槽电极2和中央柱状电极3由半导体基体1通过贯穿刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，沟槽电极2环绕于中央柱状电极3之外，其中，沟槽电极2为矩形中空电极，沟槽电极2刻蚀成结构相同，且结构上互为互补的两半，在沟槽电极2间没有刻蚀部分形成斜纹状半导体基体4，且斜纹状半导体基体4宽度小于10μm。

所制备得到的开阖式盒型电极半导体探测器可以通过共用沟槽电极2的电极壁可组成M*N阵列探测器。图3为本申请半导体探测器阵列的2*2阵列结构。

工作原理：

本申请开阖式盒型电极半导体探测器与传统三维沟槽探测器(图1)相比，通过对沟槽电极2的结构优化，采用贯穿刻蚀技术的单面工艺技术制作，刻蚀出的结构上互为互补的两半沟槽电极2，剩下的斜纹状半导体基体4可以将半导体基体1与外部半导体基体相连，避免了传统沟槽电极半导体探测器电极刻蚀后剩下孤立的半导体基体1的掉落，避免了基底的使用和死区的形成，从而简化了制作工艺，如图3所示，通过共用沟槽电极2的电极壁可组成任意M*N阵列探测器，探测器阵列中各个探测器的电场分布更均匀，每一个单元不会受其他单元的影响，不仅能保证单元的独立性，也能在电学特性上让每一个单元相互联系，可以达到更好的探测效果。

并且本申请半导体探测器中，半导体探测器制备材料不限定为Si基材料，可以为Ge、HgI₂、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI₂或AlSb中的一种，应用范围广。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种开阖式盒型电极半导体探测器，其特征在于，包括了半导体基体、沟槽电极和中央柱状电极，所述的沟槽电极和中央柱状电极由半导体基体通过贯穿刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，所述的沟槽电极环绕于中央柱状电极之外，所述的沟槽电极为开阖式结构，所述的沟槽电极为矩形中空电极，沟槽电极刻蚀成结构相同，且结构上互为互补的两半，在沟槽电极间没有刻蚀部分形成斜纹状半导体基体，且斜纹状半导体基体宽度小于10μm，所述的阖式盒型电极半导体探测器通过共用沟槽电极的电极壁可组成M*N阵列探测器，其中M,N均为正整数。

2.如权利要求1所述的一种开阖式盒型电极半导体探测器，其特征在于：所述的半导体基体材料为Si、Ge、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2或AlSb中的一种。