CN208077991U - 一种方形复合式壳型电极半导体探测器 - Google Patents

Abstract

一种方形复合式壳型电极半导体探测器，包括正面沟槽电极、反面沟槽电极和中央柱状电极，其中正面沟槽电极、反面沟槽电极和中央柱状电极由半导体基体通过刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，正面沟槽电极和反面沟槽电极环绕于中央柱状电极之外，其中，正面沟槽电极和反面沟槽电极为矩形中空电极；正面沟槽电极刻蚀成结构相同，且结构上互为互补的两半，在正面沟槽电极间没有刻蚀的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；正面沟槽电极和中央柱状电极上覆盖有电极接触层，正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。

Description

一种方形复合式壳型电极半导体探测器

技术领域

本实用新型专利属于高能物理，天体物理，航空航天，军事，医学等技术领域，特别涉及一种方形复合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，提供一种方形复合式壳型电极半导体探测器，解决上述现有技术存在的问题。

实用新型内容

本实用新型公开了一种方形复合式壳型电极半导体探测器，本实用新型中制备得到的探测器少于百分之十的体积在刻蚀沟槽电极时留有斜纹状半导体基体，用于工艺实现时探测器单元直接的相互连接。其余部分均为贯穿的沟槽电极，进一步提高探测器的探测效率。

本实用新型中将设计改进为少于百分之十的体积留有斜纹状半导体基体，这部分半导体基体可以作为连接两个探测器单元的工艺实现条件，相对于现有专利“一种开阖式盒型电极半导体探测器”，本专利的死区面积在之前的专利基础上减少90％。

基于现有专利“一种开阖式盒型电极半导体探测器”(专利号： 201620384599.8)，进一步优化探测器结构，将斜纹状半导体的厚度变薄，提高探测器的探测效率，并详细阐述该种方形开阖式盒型电极硅探测器的工艺实现方法。该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。本工艺实现方法采用激光刻蚀三维沟槽技术。

为达到上述目的，本实用新型的方案为：

一种方形复合式壳型电极半导体探测器，包括正面沟槽电极(2)、反面沟槽电极(5)和中央柱状电极(3)，其中正面沟槽电极(2)、反面沟槽电极(5)和中央柱状电极(3)由半导体基体(1)通过刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，正面沟槽电极(2)和反面沟槽电极(5)环绕于中央柱状电极(3)之外，其中，正面沟槽电极(2)和反面沟槽电极(5)为矩形中空电极；正面沟槽电极(2)刻蚀成结构相同，且结构上互为互补的两半，在正面沟槽电极(2)间没有刻蚀的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；正面沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)上覆盖有电极接触层，正面未覆盖电极接触层的其他半导体基体(1)表面覆盖二氧化硅绝缘层，底面设置有二氧化硅衬底层。

进一步的，所述正面沟槽电极(2)的厚度小于探测器整体高度的十分之一。

进一步的，所述的方形复合式壳型电极半导体探测器能通过共用正面沟槽电极(2)的电极壁组成M*N阵列的探测器阵列。

进一步的，所述半导体基体(1)材质采用硅、氧化硅、Ge、HgI₂、 GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI₂或AlSb中的一种或多种的组合。

上述一种方形复合式壳型电极半导体探测器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在半导体晶圆片正面激光刻蚀三维沟槽，沟槽之间留下硅片缝隙，在长好一定厚度的氧化保护层F的晶圆片D正面激光刻蚀厚度为d_top的沟槽A，沟槽之间留有一定宽度的斜纹状硅体B；其中，斜纹状硅体B是晶圆片D被刻蚀后留下的小部分硅体；中央柱状电极C由激光贯穿刻蚀硅体后扩散掺杂得到；

步骤二、在硅晶圆片反面激光刻蚀三维沟槽沟槽之间没有硅片缝隙：在长好一定厚度的二氧化硅的晶圆片D反面激光刻蚀厚度为d_bottom的沟槽E，其中d_bottom大于等于90％的硅晶圆片厚度d；反面激光刻蚀沟槽后没有留下斜纹状硅体；

步骤三、利用抛光技术使沟槽壁周围平整：此步骤仅实施于硅半导体或在深刻蚀过程中会造成沟槽壁不平整的其他半导体，有些类型的半导体如氧化锌在激光刻蚀时没有损伤，故无需此步骤；

步骤四、沿沟槽壁的硼扩散掺杂：此步骤仅实施在硅半导体或与硅性质类似的半导体上，掺杂厚度为1微米；

步骤五、填充三维沟槽：使用多晶硅填充硅半导体晶圆，使用金属填充氧化锌半导体晶圆；填充后的区域用A’与E’表示，沟槽电极形成；

步骤六、正面激光深刻蚀中央柱状电极：刻蚀厚度为整块晶圆的厚度d，刻蚀宽度为10微米；

步骤七、用多晶硅或者金属填充中央柱状电极C；

步骤八、给所有的电极镀金属层：正面为金属层K，反面为金属层L。

进一步的，所述步骤一中，所述氧化保护层F为二氧化硅层。

进一步的，所述步骤一中，所述沟槽A宽度为10微米。

进一步的，所述步骤三中硅，金刚石类单物质元素半导体，需要抛光以及进行沟槽壁的扩散掺杂；氧化锌类化合物半导体则无需进行该工艺步骤。

进一步的，所述步骤六中，所述中央柱状电极为方形。

进一步的，所述方法在恒温恒湿百级洁净室中操作完成。

进一步的，上述方法中所述探测器结构为：正面沟槽电极2和反面沟槽电极5和中央柱状电极3由半导体基体1通过刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，正面沟槽电极2和反面沟槽电极5环绕于中央柱状电极3之外，其中，正面沟槽电极2和反面沟槽电极5为矩形中空电极。正面少于百分之十的厚度沟槽电极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。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果为：

探测器少于百分之十的体积在刻蚀沟槽电极时留有斜纹状半导体基体，用于工艺实现时探测器单元直接的相互连接。其余部分均为贯穿的沟槽电极，进一步提高探测器的探测效率。

本实用新型中将设计改进为少于百分之十的体积留有斜纹状半导体基体，这部分半导体基体可以作为连接两个探测器单元的工艺实现条件，相对于现有专利“一种开阖式盒型电极半导体探测器”，本专利的死区面积在之前的专利基础上减少90％。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型晶圆片正面激光刻蚀三维沟槽(沟槽之间留下硅片缝隙)侧视图。

图2晶圆片正面激光刻蚀三维沟槽(沟槽之间留下硅片缝隙)俯视图。

图3晶圆片反面激光刻蚀三维沟槽(沟槽之间没有留下硅片缝隙)侧视图。

图4晶圆片反面激光刻蚀三维沟槽俯视图。

图5硅晶圆片三维沟槽壁的硼扩散掺杂侧视图。

图6形成三维沟槽电极。

图7刻蚀中央柱状电极。

图8形成中央柱状电极。

图9镀金属电极。

图10探测器的三维示意图。

图11是正面沟槽电极覆盖(带有斜纹状基体)部分的电场分布示意图。在半导体基体与外围沟槽电极连接的部分，电场分布明显受到了扰动，且使得电场的数值变低，形成了小部分的低电场区域。

图12是反面沟槽电极(电极区域全部刻蚀)部分的电场分布示意图。该截面的在半导体基体有效区域内的电场分布更为光滑。本专利进一步增加这部分的面积，使得探测器的探测效率提高。

图中，1：半导体基体，2：正面沟槽电极(留有斜纹状半导体基体)， 3：中央柱状电极，4：斜纹状半导体基体，5：反面沟槽电极(电极区域全部刻蚀)。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-12所示，

一种方形复合式壳型电极半导体探测器，包括正面沟槽电极2、反面沟槽电极5和中央柱状电极3，其中正面沟槽电极2、反面沟槽电极5 和中央柱状电极3由半导体基体1通过刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，正面沟槽电极2和反面沟槽电极5环绕于中央柱状电极3之外，其中，正面沟槽电极2和反面沟槽电极5为矩形中空电极；正面沟槽电极2 刻蚀成结构相同，且结构上互为互补的两半，在正面沟槽电极2间没有刻蚀的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；正面沟槽电极2和中央柱状电极3上覆盖有电极接触层，正面未覆盖电极接触层的其他半导体基体1表面覆盖二氧化硅绝缘层，底面设置有二氧化硅衬底层。

进一步的，所述正面沟槽电极2的厚度小于探测器整体高度的十分之一。

进一步的，所述的方形复合式壳型电极半导体探测器能通过共用正面沟槽电极(2)的电极壁组成M*N阵列的探测器阵列。

进一步的，所述半导体基体1材质采用硅、氧化硅、Ge、HgI₂、GaAs、 TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI₂或AlSb中的一种或多种的组合。

一种方形复合式壳型电极半导体探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)半导体晶圆片正面激光刻蚀三维沟槽，沟槽之间留下硅片缝隙：在长好一定厚度的氧化保护层F的晶圆片D正面激光刻蚀厚度为d_top的沟槽A，宽度约为10微米。图2是刻蚀好以后的俯视图，由图2可以看到，沟槽之间留有一定宽度的斜纹状硅体B。其中，B是D被刻蚀后留下的小部分硅体。中央柱状电极C由激光贯穿刻蚀硅体后扩散掺杂得到，具体步骤后续将详细介绍。

2)硅晶圆片反面激光刻蚀三维沟槽(沟槽之间没有硅片缝隙)：如图3 所示，在长好一定厚度的二氧化硅的晶圆片D反面激光刻蚀厚度为d_bottom的沟槽E，其中d_bottom大于等于90％的硅晶圆片厚度d。图3是侧视图。图4是刻蚀后的仰视图。由图4可见，反面激光刻蚀沟槽后没有留下斜纹状硅体。

3)利用刻蚀技术使沟槽壁周围平整：此步骤仅实施于硅半导体或在深刻蚀过程中会造成沟槽壁不平整的其他半导体，有些类型的半导体如氧化锌在激光刻蚀时没有损伤，故无需此步骤。

4)沿沟槽壁的硼扩散掺杂：此步骤仅实施在硅半导体或与硅性质类似的半导体上，掺杂厚度为1微米。

5)填充三维沟槽：使用多晶硅填充硅半导体晶圆，使用金属填充氧化锌半导体晶圆。填充后的区域用A’与E’表示，沟槽电极形成

6)正面激光深刻蚀中央柱状电极(方形)：刻蚀厚度为整块晶圆的厚度d，刻蚀宽度约为10微米。

7)用多晶硅或者金属填充中央柱状电极C。

8)给所有的电极镀金属层：正面为金属层K，反面为金属层L。

进一步的，所述氧化保护层F为二氧化硅层。

本实用新型步骤1)中，探测器的厚度若为150微米，则斜纹状硅体的厚度约为15微米，如何精准地控制探测器硅体的保留厚度，以及保持探测器沟槽电极壁的光滑度，对于半导体制作，尤其是超纯高阻硅半导体而言，是一个很大的难点。本实用新型使用激光刻蚀的方法，能更高效的改善传统半导体深刻蚀的不足。

同时，目前在半导体深刻蚀工艺中，以硅工艺为例，目前世界上最先进的刻蚀技术是采用边刻蚀边保护的方法，刻蚀几个微米便进行沟槽电极壁的保护，之后继续刻蚀。该方法步骤繁杂，效率低，且无法保证刻蚀壁的光滑度。本专利的方法采用激光刻蚀，刻蚀程度深，一次性刻蚀到底，刻蚀后将周围的沟槽电极壁进行抛光即可。对于一些化合物半导体，甚至无需进行抛光。

探测器的单元三维结构示意图如下：

主要组件符号说明:如图10所示，探测器少于百分之十的体积在刻蚀沟槽电极时留有斜纹状半导体基体，用于工艺实现时探测器单元直接的相互连接。其余部分均为贯穿的沟槽电极，进一步提高探测器的探测效率。

图10为三维示意图，氧化保护层与金属层均没有显示。正面沟槽电极2和反面沟槽电极5和中央柱状电极3由半导体基体1通过刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，正面沟槽电极2和反面沟槽电极5环绕于中央柱状电极3之外，其中，正面沟槽电极2和反面沟槽电极5为矩形中空电极。正面少于百分之十的厚度沟槽电极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。

将设计改进为少于百分之十的体积留有斜纹状半导体基体，这部分半导体基体可以作为连接两个探测器单元的工艺实现条件，相对于现有专利“一种开阖式盒型电极半导体探测器”，本专利的死区面积在之前的专利基础上减少90％。

通过本实用新型步骤得到的半导体探测器工艺步骤简单，摒弃复杂难以操作的传统深刻蚀技术，采用激光刻蚀技术，使得设计复杂的探测器在制作上有所简化，且可重复性强。调整好各种参数以后，不仅可在实验室操作，也利于工业上的批量生产等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种方形复合式壳型电极半导体探测器，其特征在于，包括正面沟槽电极(2)、反面沟槽电极(5)和中央柱状电极(3)，其中正面沟槽电极(2)、反面沟槽电极(5)和中央柱状电极(3)由半导体基体(1)通过刻蚀、扩散掺杂的方法制备形成，正面沟槽电极(2)和反面沟槽电极(5)环绕于中央柱状电极(3)之外，其中，正面沟槽电极(2)和反面沟槽电极(5)为矩形中空电极；正面沟槽电极(2)刻蚀成结构相同，且结构上互为互补的两半，在正面沟槽电极(2)间没有刻蚀的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；正面沟槽电极(2)和中央柱状电极(3)上覆盖有电极接触层，正面未覆盖电极接触层的其他半导体基体(1)表面覆盖二氧化硅绝缘层，底面设置有二氧化硅衬底层。

2.根据权利要求1所述的方形复合式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述正面沟槽电极(2)的厚度小于探测器整体高度的十分之一。

3.根据权利要求1所述的方形复合式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述的方形复合式壳型电极半导体探测器能通过共用正面沟槽电极(2)的电极壁组成M*N阵列的探测器阵列。

4.根据权利要求1所述的方形复合式壳型电极半导体探测器，其特征在于，所述半导体基体(1)材质采用硅、氧化硅、Ge、HgI₂、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI₂或AlSb中的一种或多种的组合。