可變中心收集電極的三維溝槽電極矽探測器的製作方法

2023-09-22 19:01:20 1

本實用新型屬於高能物理及天體物理技術領域，涉及一種可變中心收集電極的三維溝槽電極矽探測器。

背景技術：

探測器廣泛應用於高能物理、天體物理、航空航天、軍事、醫學等技術領域，在高能物理及天體物理之中，探測器處於強輻照條件下，因此對探測器本身有嚴格的要求，要求其具有較強的抗輻照能力，且漏電流以及全耗盡電壓不能太大，對於其體積的大小也有不同的要求。傳統的「三維溝槽電極矽探測器」有許多不足之處：其一，在其正負極之間的電場分布並不均勻，且電場線多是曲線，不是最短的直線，而電子在電場中的運動是沿著電場方向的，進而導致電子的漂移距離增加，隨著電子漂移距離的增加，輻射產生的缺陷能級對電子的影響越大，導致電信號的衰減；其二，三維溝槽電極矽探測器常常有弱電場區，電子的速度在弱電場區是很小的，在弱電場區運動的時間長，在強輻射條件下，電信號會迅速衰減；其三，三維溝槽電極矽探測器電極間距的大小變化會影響其抗輻射性能，單個溝槽單元的大小對抗輻射性能影響大，所以三維溝槽電極矽探測器在做成陣列時，探測器單元結構的大小不能隨意的增大，不方便調節，這樣對其應用產生了很大的局限性。

技術實現要素：

為了達到上述目的，本實用新型提供一種可變中心收集電極的三維溝槽電極矽探測器，結構簡單合理，抗輻射性能強，解決了現有技術中正負電極間的電場分布不均勻，存在弱電場區，單個探測器單元結構的大小對抗輻射性能影響大而使得體積不方便調節的問題。

本實用新型所採用的技術方案是，一種可變中心收集電極的三維溝槽電極矽探測器，外圍電極由第一直線部、第二直線部和彎曲部構成，第一直線部和第二直線部平行，第一直線部的端部和第二直線部的端部通過彎曲部封閉連接，長中心電極位於外圍電極的中間，長中心電極與第一直線部、第二直線部平行，第一直線部與第二直線部的長度相同；外圍電極與長中心電極之間有隔離矽體，外圍電極、長中心電極的下面為p型矽基體，在p型矽基體的底部鍍有二氧化矽保護層。

本實用新型的特徵還在於，進一步的，所述長中心電極接負極，外圍電極接正極；長中心電極由鋁層和重摻雜硼矽層構成，鋁層位於最上層，重摻雜硼矽層位於鋁層下面；外圍電極由鋁層和重摻雜磷矽層構成，鋁層位於最上層，重摻雜磷矽層位於鋁層下面。

進一步的，所述長中心電極接正極，外圍電極接負極；長中心電極由鋁層和重摻雜磷矽層構成，鋁層位於最上層，重摻雜磷矽層位於鋁層下面；外圍電極由鋁層和重摻雜硼矽層構成，鋁層位於最上層，重摻雜硼矽層位於鋁層下面。

進一步的，所述鋁層厚度為1μm，重摻雜硼矽層厚度為200μm～500μm，重摻雜磷矽層厚度為200μm～500μm。

進一步的，所述長中心電極的寬度為10μm，外圍電極的寬度為10μm。

進一步的，所述彎曲部為半圓形，彎曲部的半徑等於電極間距，電極間距不超過50μm。

進一步的，所述隔離矽體由二氧化矽層和輕摻雜硼矽層構成，二氧化矽層位於最上層，厚度為1μm；輕摻雜硼矽層位於二氧化矽層下面，厚度為200μm～500μm。

進一步的，所述p型矽基體為輕摻雜硼矽，其厚度為20μm～50μm。

本實用新型的有益效果是：本實用新型的結構簡單合理，抗輻射性能強，探測器單元結構體積的增大，對其抗輻射性能影響小，這就意味著可以在不影響其抗輻射性能的條件下，調節探測器的結構大小按長度方向進行調整，有很大的可調節空間，其實用性大大增強，解決了傳統的三維溝槽電極矽探測器單元結構大小調節不方便的問題；此外，本實用新型的長中心電極的大小隨著探測器單元結構體積變化而變化，解決了傳統的三維溝槽電極矽探測器電場分布不均勻，導致電信號會迅速衰減的問題；本實用新型的外圍電極為圓柱與長方體相結合的結構，避免存在弱電場的問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是傳統三維溝槽電極矽探測器結構示意圖。

圖2是本實用新型的結構示意圖。

圖3是本實用新型電極矽探測器陣列的結構示意圖。

圖中，1.中央柱電極，2.溝槽電極，3.隔離矽體，4.p型矽基體，5.二氧化矽保護層，6.長中心電極，7.外圍電極，8.第一直線部，9.第二直線部，10.彎曲部。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

傳統三維溝槽電極矽探測器結構，如圖1所示，溝槽電極2環繞於中央柱電極1之外，溝槽電極2與中央柱電極1之間有隔離矽體3，溝槽電極2、中央柱電極1的下面有p型矽基體4，在電極矽探測器最底部設有1μm的二氧化矽保護層5；中央柱電極1接負極，其半徑是5μm，最上層是1μm的鋁，鋁層下面是180μm～450μm的重摻雜硼矽。溝槽電極2接正極，其寬度的10μm，最上層是1μm的鋁，鋁層下面是180μm～450μm的重摻雜磷矽。隔離矽體3最上層是1μm的二氧化矽，起隔開正負極的作用，二氧化矽層下面是180μm～450μm的輕摻雜硼矽。p型矽基體4為輕摻雜硼矽，其厚度為20μm～50μm。

實施例1，

本實用新型的結構，如圖2-3所示，外圍電極7由第一直線部8、第二直線部9和彎曲部10構成，第一直線部8和第二直線部9平行，第一直線部8的端部和第二直線部9的端部通過彎曲部10封閉連接，彎曲部10優選為半圓形；長中心電極6位於外圍電極7的中間，長中心電極6與第一直線部8、第二直線部9平行，外圍電極7與長中心電極6之間有隔離矽體3，外圍電極7、長中心電極6的下面為p型矽基體4，在p型矽基體4的底部鍍有厚1μm的二氧化矽保護層5。

長中心電極6接負極，外圍電極7接正極，也可以長中心電極6接正極，外圍電極7接負極；當長中心電極6接負極時，長中心電極6由鋁層和重摻雜硼矽層構成，鋁層位於最上層，重摻雜硼矽層位於鋁層下面；當長中心電極6接正極時，長中心電極6由鋁層和重摻雜磷矽層構成，鋁層位於最上層，重摻雜磷矽層位於鋁層下面。外圍電極7接正極時，外圍電極7由鋁層和重摻雜磷矽層構成，鋁層位於最上層，重摻雜磷矽層位於鋁層下面；外圍電極7接負極時，外圍電極7由鋁層和重摻雜硼矽層構成，鋁層位於最上層，重摻雜硼矽層位於鋁層下面；鋁層厚度均為1μm。其中，重摻雜硼矽層、重摻雜磷矽層的厚度均為200μm，根據探測器矽片厚度(不考慮鋁層與二氧化矽保護層5的厚度)而定，重摻雜硼矽層厚度、重摻雜磷矽層厚度均與探測器矽片厚度的比為9：10；這樣做的目的主要是兩個：其一，保證探測器結構單元的封閉性，進而增加抗輻射性能，其二，完全刻蝕，會使工藝上刻蝕時穿透矽片，穿透後單元會從矽片中掉出。綜合這兩個因素最終確立的重摻雜硼矽層厚度、重摻雜磷矽層厚度均為200μm。長中心電極6、外圍電極7的寬度均為10μm，因為探測器的電極寬度越小，電容越小，探測器的穩定性越好，但工藝上最小只能做到10μm。二氧化矽保護層5主要是起兩個作用：其一，保護總用，因為其上面為輕摻雜的基體，故而會有電信號產生，直接與探測器的外圍電子設備接觸電信號會改變；其二，二氧化矽有重摻雜N型矽的作用，與基地產生PN節。對整個探測器單元而言只要有就行，故而不需要做的太厚，這樣會使得探測器單元變得臃腫。隔離矽體3的最上層是二氧化矽，二氧化矽層下面是輕摻雜硼矽；二氧化矽的厚度為1μm，與鋁的厚度要相同，目的是隔絕正負極以防止短路，主要起到與電極相連接，故而不需要太厚，太厚對探測器探測信號不利，因為隔絕探測兩個電極的二氧化矽的也會變厚；輕摻雜硼矽的厚度為200μm，與重摻雜的矽相同，PN在此位置擴展；p型矽基體4為輕摻雜硼矽，p型矽基體4厚度為50μm，防止工藝上刻蝕時將矽片刻穿，數值由所需的矽片厚度(不考慮鋁層與二氧化矽保護層5的厚度)所確定，p型矽基體4厚度與矽片厚度比為1：10。

實施例2，

本實用新型的結構，除了重摻雜硼矽層、重摻雜磷矽層的厚度均為500μm，輕摻雜硼矽的厚度為500μm，p型矽基體4厚度為20μm以外，其餘部分與實施例1相同。

實施例3，

本實用新型的結構，除了重摻雜硼矽層、重摻雜磷矽層的厚度均為270μm，輕摻雜硼矽的厚度為270μm，p型矽基體4厚度為30μm以外，其餘部分與實施例1相同。

傳統的三維溝槽電極矽探測器考慮到正極位於中心時，其擊穿電壓明顯降低，而本實用新型的長中心電極6使得正負極位置不同，對擊穿電壓的影響相對降低了，且長中心電極6隨外圍電極7的改變而改變，即Mp與Mn相匹配(Mn-Mp＝2y)，其中Mp表示長中心電極6的長度，Mn表示外圍電極7的長度，y為第一直線部8、第二直線部9與長中心電極6的電極間距，根據均勻全耗盡的原則，x＝y，x為彎曲部10與長中心電極6的電極間距，見圖2；長中心電極6隻在長度方向上發生改變，而寬度是不變的，外圍電極7可在長和寬上改變。

如圖3所示，可變中心收集電極的三維溝槽電極矽探測器陣列，是由圖2中的探測器單元結構相互嵌套組合而成。

在工藝上，本實用新型與傳統三維溝槽電極矽探測器的刻蝕工藝類似，長中心電極6、外圍電極7是通過光刻機刻蝕，離子注入而成。刻蝕是沿著探測器單元結構的長度方向，首先將相互平行的第一直線部8(n+線)、長中心電極6(p+線)、第二直線部9(n+線)刻蝕出來，第一直線部8、長中心電極6、第二直線部9的線寬均為10μm，其長度可根據生產要求自行擬定(不影響其抗輻射性能)，再刻蝕彎曲部10，彎曲部10優選為半圓形，彎曲部10寬度為10μm；長中心電極6位於外圍電極7的中間，即長中心電極6分別至第一直線部8、第二直線部9的距離相同，長中心電極6至第一直線部8或第二直線部9的距離稱為電極間距，彎曲部10的半徑等於電極間距，滿足了Mn-Mp＝2y，且x＝y；電極間距不超過50μm(可根據生產自行擬定)。

組成本實用新型電極矽探測器陣列的每兩個探測器單元的外圍電極7有重疊部分，刻蝕時儘量使其與前一排交錯排列，如圖3所示。長中心電極6、外圍電極7的刻蝕都是不完全的，最後要留出30μm左右的p型矽基體4，該電極矽探測器的最底部鍍一層厚度為1μm的二氧化矽保護層5，二氧化矽保護層5的厚度可調整但不能太厚。

需要說明的是，在本文中，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用於限定本實用新型的保護範圍。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本實用新型的保護範圍內。