CN207441710U - 一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器 - Google Patents

Abstract

一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，有一立方柱半导体基体，中央柱状电极位于沟槽电极正中，沟槽电极为矩形框中空电极，沟槽电极刻蚀成结构相同且结构上互为互补的两瓣；沟槽电极的一对平行边正中有斜纹状实体缝隙，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器顶面的沟槽电极和中央柱状电极上覆盖有电极接触层，顶面未覆盖电极接触层的其他半导体基体表面覆盖二氧化硅绝缘层，底面设置有二氧化硅衬底层；在沟槽电极间没有刻蚀成电极从而剩下斜纹状实体缝隙，新型方形开阖式壳型电极半导体探测器在斜纹状半导体基体的基础上以沟槽电极顶点为圆心，斜纹状实体缝隙的宽度为半径做圆，圆弧外的半导体基质刻蚀成电极，留下斜纹体半导体基体，提升探测器性能。

Description

一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器

技术领域

本实用新型涉及属于高能物理，天体物理，航空航天，军事，医学等技术领域，特别涉及一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器。

背景技术

探测器主要用于高能物理、天体物理等，硅探测器探测灵敏度高、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。但传统“三维硅探测器”有许多不足，在高能物理及天体物理中，探测器处于强辐照条件下工作，这对探测器能量分辨率响应速度等有高的要求，且需具有较强的抗辐照能力，低漏电流以及低全耗尽电压，对于其体积的大小有不同的要求。

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。

现有的“三维沟槽电极硅探测器”在进行电极刻蚀时不能完全的贯穿整个硅体，这就使得探测器有一部分不能刻蚀，这一部分对探测器的性能影响大，比如该部分电场较弱，电荷分布不均匀，探测效率降低等现象。我们称这一部分为“死区”，而且“死区”在单个探测器中占据20％-30％，如果是做成列阵，则会占据更大的比例。其次，“三维沟槽电极硅探测器”只能是在单面进行刻蚀。最后，这种探测器在工作时，粒子只能单面入射，影响探测效率。

为此，提供一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，解决上述现有技术存在的问题就显得尤为必要。

实用新型内容

为解决上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，优化结构类型，消除死区，优化单面刻蚀工艺为双面刻蚀工艺，工作时，粒子可双面入射，反应更灵敏，探测效率更高。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，有一立方柱半导体基体(1)，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、离子扩散掺杂形成，中央柱状电极(3)位于沟槽电极(2)正中，沟槽电极(2)环绕于中央柱状电极(3)之外，其中，沟槽电极(2)为矩形框中空电极，沟槽电极(2)刻蚀成结构相同且结构上互为互补的两瓣；沟槽电极(2)的一对平行边正中有斜纹状实体缝隙(6)，半导体基体(1)采用轻掺杂硅，沟槽电极(2)及中央柱状电极(3)采用重掺杂硅，其中，沟槽电极(2)与中央柱状电极(3)的P/N型相反，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器顶面的沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)上覆盖有电极接触层(4)，顶面未覆盖电极接触层(4)的其他半导体基体(1)表面覆盖二氧化硅绝缘层(7)，底面设置有二氧化硅衬底层(5)；在沟槽电极(2) 间没有刻蚀成电极从而剩下斜纹状实体缝隙(6)，新型方形开阖式壳型电极半导体探测器在斜纹状半导体基体的基础上以沟槽电极顶点为圆心，斜纹状实体缝隙(6)的宽度为半径做圆，圆弧外的半导体基质都刻蚀成电极，从而留下带弧状的斜纹体半导体基体。

进一步的，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器通过共用沟槽电极(2)的电极壁形成M*N阵列探测器，其中M,N均为正整数，探测器是一个PIN结：P型半导体-绝缘层-N型半导体形，其中，重掺杂的P/N型半导体硅的电阻率与轻掺杂的P/N半导体硅不同，在半导体基体上进行刻蚀，形成沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)，然后沟槽电极(2)采用N型硅重掺杂，中央柱状电极(3)采用P 型硅重掺杂，半导体基体(1)采用P型轻掺杂。进一步的，所述半导体基体(1)的半导体材料采用Si、Ge、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、 CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb中的一种或多种的组合。

进一步的，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器高度为 100至300微米。

进一步的，所述中央柱状电极(3)宽度为10微米。

进一步的，所述电极接触层(4)为铝电极接触层。

进一步的，所述电极接触层(4)厚度为1微米，所述二氧化硅衬底层(5)厚度为1微米。

进一步的，所述斜纹状实体缝隙(6)的宽度小于10微米。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果为：

本实用新型一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，专利优化结构类型，消除死区，优化单面刻蚀工艺为双面刻蚀工艺，工作时，粒子可双面入射，反应更灵敏，探测效率更高。

附图说明

图1为本实用新型新型方形开阖式壳型电极半导体探测器的三维结构示意图。

图2为本实用新型新型方形开阖式壳型电极半导体探测器的顶面示意图。

图3为本实用新型新型方形开阖式壳型电极半导体探测器带弧状斜纹状半导体基体形成过程图。

图4为本实用新型新型方形开阖式壳型电极半导体探测器2x2阵列平面图。

图5为本实用新型的侧视图。

图6为本实用新型列成方正阵列的“死区”对照图。

其中，半导体基体-1，沟槽电极-2，中央柱状电极-3，电极接触层-4，二氧化硅衬底层-5，斜纹状实体缝隙-6，二氧化硅绝缘层-7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型技术方案做进一步详细描述：

如图1-6所示，一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，有一立方柱半导体基体1，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、离子扩散掺杂形成，中央柱状电极3位于沟槽电极 2正中，沟槽电极2环绕于中央柱状电极3之外，其中，沟槽电极2为矩形框中空电极，沟槽电极2刻蚀成结构相同且结构上互为互补的两瓣；沟槽电极2的一对平行边正中有斜纹状实体缝隙6，半导体基体1采用轻掺杂硅，沟槽电极2及中央柱状电极3采用重掺杂硅，其中，沟槽电极2与中央柱状电极3的P/N型相反，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器顶面的沟槽电极2和中央柱状电极3上覆盖有电极接触层4，顶面未覆盖电极接触层4的其他半导体基体1表面覆盖二氧化硅绝缘层7，底面设置有二氧化硅衬底层5；在沟槽电极 2间没有刻蚀成电极从而剩下斜纹状实体缝隙6，新型方形开阖式壳型电极半导体探测器在斜纹状半导体基体的基础上以沟槽电极顶点为圆心，斜纹状实体缝隙6的宽度为半径做圆，圆弧外的半导体基质都刻蚀成电极，从而留下带弧状的斜纹体半导体基体。

进一步的，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器通过共用沟槽电极2的电极壁形成M*N阵列探测器，其中M,N均为正整数，探测器是一个PIN结：P型半导体-绝缘层-N型半导体形，其中，重掺杂的P/N型半导体硅的电阻率与轻掺杂的P/N半导体硅不同，在半导体基体上进行刻蚀，形成沟槽电极2和中央柱状电极3，然后沟槽电极2采用N型硅重掺杂，中央柱状电极(3)采用P型硅重掺杂，半导体基体1采用P型轻掺杂。

进一步的，所述半导体基体1的半导体材料采用Si、Ge、HgI2、 GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb 中的一种或多种的组合。

进一步的，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器高度为 100至300微米。

进一步的，所述中央柱状电极3宽度为10微米。

进一步的，所述电极接触层4为铝电极接触层。

进一步的，所述电极接触层4厚度为1微米，所述二氧化硅衬底层5厚度为1微米。

进一步的，所述斜纹状实体缝隙6的宽度小于10微米。

图2是该结构的截面图。图3所示是电极间所剩半导体基体的形成过程。图4是新型方形开阖式壳型电极半导体探测器2x2阵列平面图。该新型探测器除了适合一般的硅半导体材料外，也可使用各种其他半导体材料制作。如：自Ge、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、 CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb等。

相较于现有“三维沟槽电极探测器”，本实用新型的这种电极可以贯穿刻蚀的结构设计，不仅可以从结构优化上使得探测器单元的电势和电场分布更加均匀，且可以消除低电场区域，提高探测器单元的探测效率及电荷收集效率20％至30％。应用到探测器阵列时，可更大幅度的提高探测效率。同时，因该新型结构的电极可以通过贯穿刻蚀工艺得到，使得探测器从单面灵敏变为双面灵敏，粒子可以双面入射，反应更灵敏，探测效率更高。

在高能物理或者天体物理的应用中，对于软X射线的探测等，往往需要大面积的探测器阵列。相较于其他形状设计的开阖式盒型电极探测器，其方正的形状更有利于最小死区的探测器阵列的形成。如图6所示，灰色部分为探测器灵敏区域，白色部分为形成阵列后晶圆片上余下的非灵敏区域，即“死区”。方形设计的探测器阵列死区面积最小，且排列成方正的阵列，空间排列利用率最好。

实际使用中，将每个探测器单元作为一个PIN结：P型半导体- 绝缘层-N型半导体形，其中，重掺杂的P/N型半导体硅的电阻率与轻掺杂的P/N半导体硅不同，在半导体基体上进行刻蚀，空心沟槽和空心中央柱，然后进行重掺杂以形成阴阳电极。为了得到最佳的探测器性能，取半导体基体为轻掺杂的P型半导体硅，结构设计上采用 PN结在外围沟槽处。沟槽电极是N型硅重掺杂，中央电极是P型硅重掺杂，探测器材料是P型轻掺杂的硅。中央电极是负极，外部沟槽是正极。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，有一立方柱半导体基体(1)，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、离子扩散掺杂形成，中央柱状电极(3)位于沟槽电极(2)正中，沟槽电极(2)环绕于中央柱状电极(3)之外，其中，沟槽电极(2)为矩形框中空电极，沟槽电极(2)刻蚀成结构相同且结构上互为互补的两瓣；沟槽电极(2)的一对平行边正中有斜纹状实体缝隙(6)，半导体基体(1)采用轻掺杂硅，沟槽电极(2)及中央柱状电极(3)采用重掺杂硅，其中，沟槽电极(2)与中央柱状电极(3)的P/N型相反，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器顶面的沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)上覆盖有电极接触层(4)，顶面未覆盖电极接触层(4)的其他半导体基体(1)表面覆盖二氧化硅绝缘层(7)，底面设置有二氧化硅衬底层(5)；在沟槽电极(2)间没有刻蚀成电极从而剩下斜纹状实体缝隙(6)，新型方形开阖式壳型电极半导体探测器在斜纹状半导体基体的基础上以沟槽电极顶点为圆心，斜纹状实体缝隙(6)的宽度为半径做圆，圆弧外的半导体基质都刻蚀成电极，从而留下带弧状的斜纹体半导体基体。

2.根据权利要求1所述的一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器通过共用沟槽电极(2)的电极壁形成M*N阵列探测器，其中M,N均为正整数，探测器是一个PIN结：P型半导体-绝缘层-N型半导体形，其中，重掺杂的P/N型半导体硅的电阻率与轻掺杂的P/N半导体硅不同，在半导体基体上进行刻蚀，形成沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)，然后沟槽电极(2)采用N型硅重掺杂，中央柱状电极(3)采用P型硅重掺杂，半导体基体(1)采用P型轻掺杂。

3.根据权利要求1所述的一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述新型方形开阖式壳型电极半导体探测器高度为100-300微米。

4.根据权利要求1所述的一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述中央柱状电极(3)宽度为10微米。

5.根据权利要求1所述的一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述电极接触层(4)为铝电极接触层。

6.根据权利要求1所述的一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述电极接触层(4)厚度为1微米，所述二氧化硅衬底层(5)厚度为1微米。

7.根据权利要求1所述的一种新型方形开阖式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述斜纹状实体缝隙(6)的宽度小于10微米。