長蜂窩殼型電極三維探測器的製作方法

2023-07-20 03:11:51

本發明屬於三維矽探測器技術領域，涉及一種長蜂窩殼型電極三維探測器。

背景技術：

探測器主要用於高能物理、天體物理領域。傳統的「三維矽探測器」有許多的不足之處，例如底部有一層厚度為30％d的矽襯底(d為探測器整體厚度)，矽襯底只具有支撐矽體的作用，粒子在這一層由於弱電場的影響，漂移速度很小，因此在這一層中由於低速漂移而被強輻射造成的深能級缺陷俘獲的粒子很多，另外，粒子不能雙面進入探測器。

現有技術(申請號：201620359775.2，名稱：一種新型閉合式殼型電極矽探測器，公開日：2016.10.26)具體公開了一種新型閉合式殼型電極矽探測器，但是這種探測器的結構決定了在實際應用中存在以下幾個問題：1.六稜柱與十二稜柱的嵌套方式使六稜柱與十二稜柱之間間隙形成的死區在該探測器陣列的靈敏區上分布密度大；2.單個探測器單元的死區面積大，拼成陣列時，死區面積更大，而且拼成陣列時需要的探測器單元數量多；3.探測器邊角上電場仍然比較弱，影響電荷收集；4.探測器的六稜柱與十二稜柱的間隙小，實際製作工藝難度大；5.拼成m×n的陣列時，信號讀出路數為m×n，信號讀出路數多會造成成本高。6.電學信號會通過死區影響其它單元，造成位置解析度的降低。

技術實現要素：

為實現上述目的，本發明提供一種長蜂窩殼型電極三維探測器，探測器死區集中分布於探測器陣列邊緣，使得死區在靈敏區上的分布密度為零，減小死區面積，解決了現有技術中探測器的電荷收集性能差，位置解析度低，製作工藝難度大，信號讀出路線多，成本高的問題。

本發明所採用的技術方案是，一種長蜂窩殼型電極三維探測器，每個長蜂窩殼型電極三維探測器單元包括矽基體，在矽基體的上部由上往下單面不貫穿刻蝕得到長蜂窩型溝槽電極，在矽基體的下部由下往上單面不貫穿刻蝕得到七邊形溝槽電極，長蜂窩型溝槽電極的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，七邊形溝槽電極的截面為切去所述六邊形較長對角線對應的一個角而形成的七邊形，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在z軸上有重合，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在x軸、y軸所在平面內重疊的部分為貫穿刻蝕，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在x軸、y軸所在平面內不重疊的部分與七邊形溝槽電極的外表面圍合形成第一死區，第一死區與矽基體相連接；長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極共同構成溝槽電極，溝槽電極的中心包圍有貫穿刻蝕的中心電極，中心電極的上表面設有陽極金屬接觸層，溝槽電極的上表面設有陰極金屬接觸層，陽極金屬接觸層接正極，陰極金屬接觸層接負極；多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以鏡像方式排列成陣列或按照上下相互正交的方式排列成陣列。

本發明的特徵還在於，進一步的，所述多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以鏡像方式排列具體為：長蜂窩殼型電極三維探測器單元沒有第一死區的一端稱a端，長蜂窩殼型電極三維探測器單元有第一死區的一端稱b端，多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以ab|ba的方式進行排列。

進一步的，所述多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元按照上下相互正交的方式排列具體為：橫向陣列與縱向陣列在z方向上緊密相接，入射的粒子可以穿過上方的陣列到達下方的陣列。

進一步的，所述長蜂窩型溝槽電極和七邊形溝槽電極的稜邊間距為長蜂窩型溝槽電極和中心電極的電極間距為r，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極的寬度相同，均為w。

進一步的，所述中心電極的厚度與探測器的厚度相同，均為d，d的取值範圍為200-500微米；長蜂窩型溝槽電極的厚度為90％d，七邊形溝槽電極的厚度為10％～20％d，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在z軸上重合厚度為0-10％d。

進一步的，所述長蜂窩型溝槽電極、七邊形溝槽電極、中心電極的摻雜濃度相同，中心電極為重摻雜p型矽，長蜂窩型溝槽電極、七邊形溝槽電極均為重摻雜n型矽；矽基體和第一死區的摻雜濃度相同，且均為輕摻雜矽。

進一步的，所述陽極金屬接觸層、陰極金屬接觸層、二氧化矽保護層的厚度均為1微米。

進一步的，所述長蜂窩殼型電極三維探測器的下表面設有二氧化矽保護層，厚度為1微米。

進一步的，所述中心電極的寬度、長蜂窩型溝槽電極的寬度、七邊形溝槽電極的寬度均為10微米。

本發明的有益效果是：本發明在矽基體的上部由上往下單面不貫穿刻蝕得到長蜂窩型溝槽電極，在矽基體的下部由下往上單面不貫穿刻蝕得到七邊形溝槽電極，長蜂窩型溝槽電極的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，七邊形溝槽電極的截面為切去所述六邊形較長對角線對應的一個角而形成的七邊形，長蜂窩型溝槽電極和七邊形溝槽電極的稜邊間距為在形成死區最小的前提下，保證探測器單元拼成陣列時，貫穿的溝槽不會形成迴路使矽體掉落。

七邊形溝槽電極的形狀設計與鏡像的排列方式結合改變了原有死區的分布方式，使探測器的死區集中分布於陣列邊緣，與背景技術中的新型閉合式殼型電極矽探測器相比，探測器靈敏區中沒有死區存在，造成了在實際運用中的「無死區」；即使增大七邊形溝槽電極與長蜂窩型溝槽電極之間的間隙，死區總面積依然較小，減小了由上往下刻蝕長蜂窩型溝槽電極的工藝難度，降低工藝操作成本。長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在z軸上有重合，避免使本單元上所加的電勢影響到其它單元的電場分布，提高位置解析度。

長蜂窩殼型電極三維探測器單元按照上下相互正交的方式排列成陣列，能夠同時測量x、y兩個方向的位置，並且信號讀出路線數目只有m+n，遠遠小於現有新型閉合式殼型電極矽探測器拼成陣列時後的信號讀出路線數目m×n，大大降低了成本，並且不影響x、y兩個方向的位置解析度。

長蜂窩型溝槽電極的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，即長蜂窩型溝槽電極是正六邊形在x方向上是拉長的，而不是整體等比例變大，δs區域可以看作平行板電容器，δs上的電場線總是垂直於稜邊，δs電場線的距離總是最短，沿著電場線漂移的粒子漂移距離最短，因此δs區域粒子漂移路徑上的深能級缺陷俘獲的粒子變少，改善了探測器的邊角上電荷收集性能。此外，拉長後每一探測器死區佔總體的比例更小了，減小死區，同時各單元之間減少了電學相干性，各探測器單元之間電學信號獨立性更好，減少了電學相干性帶來的位置解析度降低的影響；拉長後長蜂窩型溝槽電極比正六邊形的面積大，減少拼成陣列時需要的探測器單元數量，降低信號讀出路線數。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明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發明的一些實施例，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是現有新型閉合式殼型電極矽探測器單元的結構示意圖。

圖2是現有新型閉合式殼型電極矽探測器陣列的死區示意圖。

圖3是本發明長蜂窩殼型電極三維探測器單元的結構示意圖。

圖4是本發明長蜂窩殼型電極三維探測器單元的俯視圖。

圖5是本發明長蜂窩殼型電極三維探測器單元鏡像排列的俯視圖。

圖6是本發明長蜂窩殼型電極三維探測器陣列的死區示意圖。

圖7是現有新型閉合式殼型電極矽探測器陣列的俯視圖。

圖8是本發明長蜂窩殼型電極三維探測器單元上下相互正交排列的俯視圖。

圖中，1-1.空心六稜環，1-2.中央電極空心柱，1-3.空心十二稜環，101.陽極金屬接觸層，102.二氧化矽保護層，103.陰極金屬接觸層，2.溝槽電極，201.長蜂窩型溝槽電極，202.七邊形溝槽電極，301.中心電極，401.矽基體，402.第一死區，403.第一邊緣死區，404第二死區，405.第二邊緣死區，501.二氧化矽保護層。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中，對本發明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發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，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，都屬於本發明保護的範圍。

背景技術中一種新型閉合式殼型電極矽探測器的結構，如圖1-2所示，空心六稜環1-1接正極，其寬度的10μm，最上層是1μm的鋁，鋁層下面是重摻雜磷的矽；中央電極空心柱1-2接負極，其半徑是5μm，最上層是1μm的鋁，鋁層下面是180μm～450μm的重摻雜硼的矽。空心十二稜環1-3與空心六稜環1-1接觸，均接正極，其寬度10μm。空心六稜環1-1與空心十二稜環1-3之間間隙形成的第二死區404大部分分布在探測器的中部靈敏區，且第二死區404的分布密度很大，只有少部分第二死區404分布在第二邊緣死區405附近，因此在實際應用中第二死區404對探測器的影響較大；為了減小第二死區404對探測器的影響，只能減小第二死區404的面積，即將空心六稜環1-1與空心十二稜環1-3之間的間隙設計的最小，對工藝操作提出了較高的要求，導致工藝加工難度很大。

本發明長蜂窩殼型電極三維探測器的結構，如圖3-4所示，每個長蜂窩殼型電極三維探測器單元包括矽基體401，在矽基體401的上部由上往下單面不貫穿刻蝕得到長蜂窩型溝槽電極201，在矽基體401的下部由下往上單面不貫穿刻蝕得到七邊形溝槽電極202，長蜂窩型溝槽電極201的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，七邊形溝槽電極202的截面為切去所述六邊形較長對角線對應的一個角而形成的七邊形，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上有重合，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在x、y平面內重疊的部分為貫穿刻蝕，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在x、y平面內不重疊的部分與七邊形溝槽電極202的外壁圍合形成第一死區402，第一死區402與矽基體401相連接，由於第一死區402內部沒有中心電極301，電場低，不能收集到電荷；第一死區402與202的厚度相同；長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202共同構成溝槽電極2，溝槽電極2的中心包圍有貫穿刻蝕的中心電極301，溝槽電極2與中心電極301形成封閉式電極，使探測器在軸向方向沒有充當死區的襯底；中心電極301的表面設有陽極金屬接觸層101，溝槽電極2的表面設有陰極金屬接觸層103，陽極金屬接觸層101接正極，陰極金屬接觸層103接負極；二氧化矽保護層102用於隔開陽極金屬接觸層101和陰極金屬接觸層103，陽極金屬接觸層101、陰極金屬接觸層103、二氧化矽保護層102的厚度均為1微米。

長蜂窩型溝槽電極201和七邊形溝槽電極202的稜邊間距為在形成死區最小的前提下，保證探測器單元拼成陣列時，貫穿的溝槽不會形成迴路使矽體掉落；長蜂窩型溝槽電極201和中心電極301的電極間距為r，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202的寬度相同，均為w，w為10微米(由現有工藝技術條件決定)；中心電極301的寬度也為10微米。

中心電極301的厚度與探測器的厚度相同，均為d，d的取值範圍為200-500微米，由現有工藝決定，長蜂窩型溝槽電極201的厚度為90％d，七邊形溝槽電極202的厚度為10％～20％d，使軸向(z軸)上各位置都能收集到電子；長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上重合厚度為0-10％d，是為了減小不同探測器單元在電學信號上的相干性；重合厚度為0是指長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上剛剛重合；若長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上沒有重合，會使本單元上所加的電勢影響到其他單元的電場分布；若長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上重合部分較大，會造成工藝上的浪費，增加刻蝕成本；因此選取長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上重合厚度為0-10％d，效果最好。

探測器的下表面設有二氧化矽保護層501，厚度為1微米，用於保護探測器表面沒有劃痕，同時起到隔開電極的作用。

長蜂窩型溝槽電極201、七邊形溝槽電極202、中心電極301的摻雜濃度相同，中心電極301為重摻雜p型矽，長蜂窩型溝槽電極201、七邊形溝槽電極202均為重摻雜n型矽；矽基體401和第一死區402的摻雜濃度相同，均為輕摻雜矽；

長蜂窩型溝槽電極201的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，較長對角線與較短對角線的長度比增大，會引起一維方向上位置分辨的降低和電容的增大，電容會引起噪聲，一維方向上位置解析度的降低能夠得到解決；因此，較長對角線與較短對角線的長度比在實際中根據電容大小確定。

使得長蜂窩型溝槽電極201是正六邊形在x方向上是拉長的，而不是整體等比例變大；拉長後的有益效果是：δs區域可以看作平行板電容器，δs上的電場線總是垂直於稜邊，δs電場線的距離總是最短，沿著電場線漂移的粒子漂移距離最短，因此δs區域粒子漂移路徑上的深能級缺陷俘獲的粒子變少了，改善了探測器的邊角上電荷收集性能；此外，拉長後每一探測器死區佔總體的比例更小了，減小死區，同時各單元之間減少了電學相干性，各探測器單元之間電學信號獨立性更好，減少了電學相干性帶來的位置解析度降低的影響；因為拉長之後探測器面積變大了，長蜂窩型溝槽電極201比正六邊形的面積大，減少拼成陣列時需要的探測器單元數量，拼成陣列時需要探測器單元數目更少，拉長會造成探測器沿拉長方向上的位置解析度降低，當探測器無限拉長後，第一死區402均被分布在第一邊緣死區403附近，降低了第一死區402在實際應用中對探測器的影響，可以用作一維方向上的探測。

如圖7所示，現有新型閉合式殼型電極矽探測器拼成陣列後的信號讀出路線數目m×n，m為x方向上的探測器單元的個數，n為y方向上的探測器單元的個數，每個探測器單元都有一個收集電信號的收集電極，當有電信號時，可以通過收集到信號的收集極位置判斷粒子的入射位置及路徑。因此若想得到粒子的二維位置，則必須將m×n個探測器單元排成陣列，此時有m×n個探測器單元的收集極，信號讀出路線多。

如圖8所示，本發明長蜂窩殼型電極矽探測器的探測器單元為長條形，探測器單元按照上下相互正交的方式排列，其中實線表示長條形探測器單元排列的橫向陣列，虛線表示長條形探測器單元排列的縱向陣列，橫向陣列與縱向陣列在z方向上緊密相接，入射的粒子可以穿過上方的陣列到達下方的陣列，橫向陣列與縱向陣列中的探測器單元能先後收集到入射粒子的電信號。m為x方向上的探測器單元的個數，即橫向陣列探測器單元的數目，n為y方向上的探測器單元的個數，即縱向陣列探測器單元的數目，每個探測器單元都有一個收集電信號的收集電極，當有電信號時，可以通過結合橫縱陣列中收集到信號的兩個收集極位置判斷粒子的入射位置及路徑。因此若想得到粒子的二維位置，則只需將m個探測器單元和n個探測器單元按照上下相互正交的方式排列，此時總共有m+n個探測器單元，有m+n個探測器單元的收集極，信號讀出路線少。

按照按照上下相互正交的排列方式，本發明拉長的探測器能夠同時測量x、y兩個方向的位置，並且信號讀出路線數目只有m+n，遠遠小於新型閉合式殼型電極矽探測器拼成陣列時後的信號讀出路線數目m×n，大大降低了成本，並且不影響x、y兩個方向的位置解析度。

如圖5-6所示，多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以鏡像方式排列成陣列，多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以鏡像方式排列具體為：長蜂窩殼型電極三維探測器單元沒有第一死區402的一端稱a端，長蜂窩殼型電極三維探測器單元有第一死區402的一端稱b端，多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以ab|ba的方式進行排列；該鏡像排列方式避免了貫穿刻蝕的溝槽形成迴路，並使死區分布在陣列邊界處；若形成迴路，迴路包圍的矽基體會掉落到晶片外無法使用，並且掉落的碎屑會汙染工藝製作環境；七邊形溝槽電極202的形狀設計與鏡像的排列方式結合改變了原有死區的分布方式，使探測器的第一死區402集中分布於陣列邊緣，與背景技術中的新型閉合式殼型電極矽探測器相比，探測器靈敏區中沒有死區存在，造成了在實際運用中的「無死區」；即使增大七邊形溝槽電極202與長蜂窩型溝槽電極201之間的間隙，死區總面積依然較小，減小了由上往下刻蝕長蜂窩型溝槽電極201的工藝難度，降低工藝操作成本。

七邊形溝槽電極202按照ab|ba的方式進行排列，當x、y兩個方向的尺寸相同時，新型閉合式殼型電極矽探測器單個探測器單元的死區面積為而本發明的死區只有其中，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202的寬度相同，均為w，w為10微米；可見，本發明的死區比新型閉合式殼型電極矽探測器的死區小。要使本發明的死區比新型閉合式殼型電極矽探測器更小，探測器的電極間距由於探測器的電極間距r在20-120微米時，探測器的抗輻射性能比較好，在保證抗輻射性的前提下，本發明的死區是依然比新型閉合式殼型電極矽探測器小；另外將本發明用作光子探測器時，r在150-200微米，本發明的死區依然比新型閉合式殼型電極矽探測器小。

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