CN213459767U - 一种螺旋环电极硅阵列探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种螺旋环电极硅阵列探测器，涉及辐射探测技术领域，其螺旋环电极面积远小于传统的整面电极面积，漏电流和电容更小，噪声小能量分辨率高；根据现有工艺，像素可以做到微纳级别，位置分辨率很高；探测器可以灵活设置加压方式，螺旋环的设计使得该电极有足够的空间来作为读出电极或者施加偏置电压，具体方案为：包括柱形基体，基体顶面上设有掺杂形成的螺旋环电极和中央电极共同构成的阴极，中央电极位于螺旋环电极正中，螺旋环电极环绕于中央电极之外，螺旋环电极的螺旋环数量为K，K为正整数，基体底面为掺杂形成的阳极；基体顶面电极上设有电极接触层，在没有电极接触层的地方覆盖有SiO₂，基体底面整面电极设有电极接触层。

Description

一种螺旋环电极硅阵列探测器

技术领域

本实用新型涉及辐射探测技术领域，更具体地说，它涉及一种螺旋环电极硅阵列探测器。

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。

硅探测器是在反向偏压下工作的，当外部粒子入射到探测器内部的灵敏区时，在外加电压作用下产生电子-空穴对，正极收集漂移到正极的电子，而空穴会向负极运动被负极收集，然后向外部电路输出反映粒子信息的电信号。

像素探测器是通过像素单元有序阵列而成，其基本原理和很多其他类型的探测器原理一样是PN结或者PIN结。每个像素探测器的单元都由起传感作用的灵敏区和外端电子读出部分构成，当有带电粒子入射进入灵敏区时会产生电子-空穴对，在外加电场作用下向正负两极作漂移运动，被两极收集后通过外端集成电路对反馈的电流信号进行处理后，可以得到有关入射粒子的能量、位置、运动轨迹等信息。

相比于其他类型探测器像素探测器的制作技术逐渐成熟并且在制作工艺上相较于其它复杂结构的探测器(例如硅漂移室探测器、三维柱状探测器等)更为容易，也有相对低成本，仍然在工作中保持有比较突出的性能，这使得像素探测器在应用上更为广泛，并且在选择适当的耗尽层厚度后，可获得的输出电流较大、灵敏度较高、频率响应特性也较好，位置的分辨率也较高。

在硅探测器中的一个敏感因素是电容的大小，因为电容会直接影响到在探测器工作时的噪声与串扰。传统像素硅探测器的整个平面的阳极、阴极均被金属电极覆盖，虽然三角形与正方形形状的阵列使得电极排列非常有序，但是这种探测器有效电极面积会很大，而大的电极面积又会导致探测器有较大电容。电容太大对探测器是不利的，电容越大会增加漏电流和更多的噪声，最终降低了探测器的能量分辨率。因此提高硅探测器性能的主要研究方向之一就是减小电容。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种螺旋环电极硅阵列探测器，对比传统像素探测器，其螺旋环电极面积远小于传统的整面电极面积，漏电流和电容更小，噪声小能量分辨率高；根据现有工艺，像素可以做到微纳级别，位置分辨率很高；探测器可以灵活设置加压方式，螺旋环的设计使得该电极有足够的空间来作为读出电极或者施加偏置电压。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种螺旋环电极硅阵列探测器，包括柱形基体，基体顶面上设有掺杂形成的螺旋环电极和中央电极共同构成的阴极，中央电极位于螺旋环电极正中，螺旋环电极环绕于中央电极之外，螺旋环电极的螺旋环数量为K，K为正整数，基体底面为掺杂形成的阳极；基体顶面电极上设有电极接触层，在没有电极接触层的地方覆盖有SiO₂，基体底面整面电极设有电极接触层。

在上述方案中，当K值越小，则整个螺旋环电极所需要的的面积就越小，但是就需要更高的电压，且耗尽效果更差；故针对不同的情形，需对K值进行取舍性选择。

作为一种优选方案，螺旋环电极为圆形螺旋环形、方形螺旋环形或正多边形螺旋环形；柱形基体为圆柱形、方柱形或正多边柱形。

在上述优选方案中，螺旋环电极的形状和柱形基体可以任意组合，均可实现探测的目的。

作为一种优选方案，螺旋环电极为圆形螺旋环形，柱形基体为圆形柱。

在上述优选方案中，柱形基体为圆形柱设计，可以使得探测器单元内的电场分布更均匀；在使用圆形螺旋环电极硅的同时，使用方形柱的情况，螺旋环电极距离柱形基体的四个角距离较大，就容易产生低电场区域，或需要更高的电压，效果相对较差。在使用方形螺旋环电极硅的同时，使用圆形柱的情况，与上述情况类似，电场分布均匀性较差。

作为一种优选方案，螺旋环电极为方形螺旋环形，柱形基体为方形柱。

作为一种优选方案，螺旋环电极为正n边形，n≥6，柱形基体为正m边柱形，m≥n。

在上述优选方案中，正n边型，n值越大，越接近圆形，电场均匀性效果更好的，但是阵列排列放置难度较高。圆柱基体排列放置存在死角。

作为一种优选方案，阴极是掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³—1×10²¹/cm³的 P型掺杂，掺杂深度为1μm；阳极是掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³—1×10²¹/cm³的N型掺杂，掺杂深度为1μm；基体是掺杂浓度1×10¹⁹/cm³—1×10²¹/cm³的N型掺杂。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

(1)对比传统像素探测器，其螺旋环电极面积远小于传统的整面电极面积，漏电流和电容更小，噪声小能量分辨率高。

(2)探测器可以为方形设计，没有死角方便排成阵列。也可以为圆形设计，探测器单元内的电场分布更均匀。六边形设计单元电场是最接近圆形性的，也可以实现没有死区的阵列排布。

(3)根据现有工艺，像素可以做到微纳级别，位置分辨率很高。

(4)探测器可以灵活设置加压方式，螺旋环的设计使得该电极有足够的空间来作为读出电极或者施加偏置电压。

附图说明

图1为本实用新型整体立体结构示意图；

图2为本实用新型整体俯视结构示意图；

图3为本实用新型探测器侧视结构示意图；

图4为本实用新型探测器2x2阵列俯视结构示意图；

图5为本实用新型传统像素硅探测器三角形阵列俯视结构示意图；

图6为本实用新型传统像素硅探测器四方形阵列俯视结构示意图；

图7为本实用新型电势示意图及曲线图；

图8为本实用新型电场示意图及曲线图；

图9为本实用新型电子浓度示意图及曲线图；

图中：

1、半导体基体；2、方形螺旋环电极；3、中心电极；4、探测器阳极；5、电极接触层；6、二氧化硅层。

具体实施方式

本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

本说明书及权利要求的上下左右等方位名词，是结合附图以便于进一步说明，使得本申请更加方便理解，并不对本申请做出限定，在不同的场景中，上下、左右、里外均是相对而言。

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

一种螺旋环电极硅阵列探测器，包括柱形基体，基体顶面上设有掺杂形成的螺旋环电极和中央电极共同构成的阴极，中央电极位于螺旋环电极正中，螺旋环电极环绕于中央电极之外，螺旋环电极的螺旋环数量为K，K为正整数，基体底面为掺杂形成的阳极；基体顶面电极上设有电极接触层，在没有电极接触层的地方覆盖有SiO₂，基体底面整面电极设有电极接触层。

在上述实施例中，当K值越小，则整个螺旋环电极所需要的的面积就越小，但是就需要更高的电压，且耗尽效果更差；故针对不同的情形，需对K值进行取舍性选择。

作为一种优选实施例，螺旋环电极为圆形螺旋环形、方形螺旋环形或正多边形螺旋环形；柱形基体为圆柱形、方柱形或正多边柱形。

在上述优选实施例中，螺旋环电极的形状和柱形基体可以任意组合，均可实现探测的目的。

作为一种优选实施例，螺旋环电极为圆形螺旋环形，柱形基体为圆形柱。

在上述优选实施例中，柱形基体为圆形柱设计，可以使得探测器单元内的电场分布更均匀；在使用圆形螺旋环电极硅的同时，使用方形柱的情况，螺旋环电极距离柱形基体的四个角距离较大，就容易产生低电场区域，或需要更高的电压，效果相对较差。在使用方形螺旋环电极硅的同时，使用圆形柱的情况，与上述情况类似，电场分布均匀性较差。

作为一种优选实施例，螺旋环电极为方形螺旋环形，柱形基体为方形柱。

作为一种优选实施例，螺旋环电极为正n边形，n≥6，柱形基体为正m边柱形，m≥n。

在上述优选实施例中，正n边型，n值越大，越接近圆形，电场均匀性效果更好的，但是阵列排列放置难度较高。圆柱基体排列放置存在死角。

作为一种优选实施例，阴极是掺杂浓度为1×10¹⁹/cm³—1×10²¹/cm³的P型掺杂，掺杂深度为1μm；阳极是掺杂浓度为 1×10¹⁹/cm³—1×10²¹/cm³的N型掺杂，掺杂深度为1μm；基体是掺杂浓度1×10¹⁹/cm³—1×10²¹/cm³的N型掺杂。

原理：螺旋环电极硅阵列探测器通过共用底部阳极电极形成M*N 阵列探测器，其中M,N均为正整数。

螺旋环电极硅阵列探测器是一个PIN结：P型半导体-本征层-N 型半导体，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，在半导体基体顶层进行掺杂，形成方形螺旋环电极2 和中心电极3，然后方形螺旋环电极2和中心电极3采用P型硅重掺杂组成阴极，底层阳极电极采用N型硅重掺杂，半导体基体1采用N 型轻掺杂。

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。

螺旋环电极硅阵列探测器电极接触层为铝电极接触层，且电极接触层厚度为1微米；螺旋环电极硅阵列探测器未设置电极接触层表面设置有绝缘层其材质为二氧化硅，且二氧化硅层厚度为1微米；探测器螺旋环电极硅阵列探测器高度为100至500微米；探测器阴极中心电极宽度为15微米，且中心电极关于中央方形螺旋环电极2的轴线对称设置。

以方形探测器单元为例：

探测器的大致模型如图1所示，有一80μm*80μm*300μm立方柱半导体基体，顶层是方形螺旋环电极2和中央电极组成的阴极，阴极是掺杂浓度1×10¹⁹/cm³的P型重掺杂，掺杂深度为1μm，中央电极位于方形螺旋环电极2正中，方形螺旋环电极2环绕于中央电极之外，方形螺旋环电极2的螺旋环数量为K，K为正整数，如图2所示为探测器俯视图；基体为N型轻掺杂，掺杂浓度为8×10¹¹/cm³，整个底层作为探测器的阳极，阳极是掺杂浓度1×10¹⁹/cm³的N型重掺杂，掺杂深度为1μm；所述新型方形螺旋环电极硅探测器的顶面设置有电极接触层，在顶面没有电极接触层的地方覆盖有SiO₂，整个底面都设置有电极接触层，如图3所示。

传统的像素硅探测器阳极、阴极均被金属电极覆盖，三角形与四方形电极形状的阵列，电极非常有序的排列，如图4、5所示，但是探测器的有效电极面积大，大的电极面积导致探测器的电容较大。螺旋环电极硅阵列位置探测器采用方形螺旋环电极设计，电极面积小只有顶面面积40％左右。

探测器耗尽电压的表达式为：

螺旋环电极硅阵列探测器其中q是每个电子所带的电荷 q＝1.6×10^-19C，N_eff是硅基体N型轻掺杂有效掺杂浓度8×10¹¹/cm³，d是硅基体的厚度d＝300μm，ε₀是真空介电常数ε₀＝8.854×10^-12F/m，ε_Si是硅的相对介电常数ε_Si＝11.9，通过耗尽电压方程求得V_fd＝54.7V。

可以通过推导硅探测器相关参数公式证明：

1.电极面积越小，探测器电容越小；

2.探测器漏电流小，漏电流小会使得探测器的性能更好；

3.探测器电容越小，噪声会更小，探测器的灵敏度会更高。

Si-PIN探测器的结电容可由下式计算：

D为探测器的耗尽层厚度(对于N型硅来说

ρ_n是N型硅电阻率(ψ·cm),V是所加偏压 (V_bias)，S为探测器的电极面积(cm²)。耗尽层厚度D会影响结电容，耗尽层厚度越大，结电容越小。电极面积S越小，结电容越小。

而偏置电压与耗尽层厚度的关系如下：

式中ε为介电常数，ρ为电阻率，μ是多数载流子迁移率。Si-PIN 探测器的耗尽层厚度D会随着偏置电压V_bias的增加而变厚，直到探测器完全耗尽D不再随着偏置电压V_bias而变化。

所以在探测器完全耗尽时偏置电压V_bias增加不会再使耗尽层厚度 D变大，所以完全耗尽后探测器结电容C_d的大小与电极面积有关。

探测器结电容C_d与电极面积成正比。

有效平行噪声ENC_par可以表示为：

其中I_leak为探测器的漏电流，t_peak是输出信号的峰值响应时间，可以看出有效平行噪声与漏电流是正比关系，所以漏电流小会使得探测器的性能更好。

有效串联噪声ENC_series可以表示为：

其中C_t为探测器的总输入电容，t_peak是输出信号的峰值响应时间。也可以看出电容与噪声的关系，当探测器电容小的时候，噪声会更小，探测器的灵敏度会更高。

图7.8.9为螺旋环电极硅阵列位置探测器的仿真图。图7可以看出探测器由下而上电势分布非常均匀；图8为电场强度分布图，探测器电场分布均匀且电场较高，大于1000V，并不存在弱电场；图9可以看出55v下耗尽区浓度为几乎一条直线，整个探测器耗尽区已耗尽。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种螺旋环电极硅阵列探测器，其特征在于，包括柱形基体，基体顶面上设有掺杂形成的螺旋环电极和中央电极共同构成的阴极，中央电极位于螺旋环电极正中，螺旋环电极环绕于中央电极之外，螺旋环电极的螺旋环数量为K，K为正整数，基体底面为掺杂形成的阳极；基体顶面电极上设有电极接触层，在没有电极接触层的地方覆盖有SiO₂，基体底面整面电极设有电极接触层。

2.根据权利要求1所述的螺旋环电极硅阵列探测器，其特征在于，所述螺旋环电极为圆形螺旋环形、方形螺旋环形或正多边形螺旋环形；柱形基体为圆柱形、方柱形或正多边柱形。

3.根据权利要求2所述的螺旋环电极硅阵列探测器，其特征在于，所述螺旋环电极为圆形螺旋环形，柱形基体为圆形柱。

4.根据权利要求2所述的螺旋环电极硅阵列探测器，其特征在于，所述螺旋环电极为方形螺旋环形，柱形基体为方形柱。

5.根据权利要求2所述的螺旋环电极硅阵列探测器，其特征在于，所述螺旋环电极为正n边形，n≥6，柱形基体为正m边柱形，m≥n。

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