螺旋线性硅漂移探测器及其设计方法与流程

1.本发明属于辐射探测技术领域，涉及一种螺旋线性硅漂移探测器及其设计方法。


背景技术：

2.新型半导体探测器的飞速发展和应用促进了高能物理的发展，在大量测量中，不仅要检测入射粒子的能谱，还要检测粒子的径迹，这就要求探测器具有较好的位置分辨率，现阶段大多都采用像素探测器、微调探测器和半导体漂移探测器实现位置分辨，如图1所示的线性硅漂移探测器是半导体漂移探测器的一种，其在n型硅基底两面通过离子注入生成p 阴极漂移电极，在探测器的边缘制作n 收集阳极，通过分压电阻链给各p 阴极漂移电极施加不同的电压，使其形成电势梯度，从而保证电子能沿水平方向漂移至收集阳极，通过检测载流子的漂移时间来检测入射粒子的位置信息。
3.然而现有线性硅漂移探测器中p 阴极漂移电极不能自主分压，需要设置电阻链条对各p 阴极漂移电极进行单独加压，而电子漂移通道中的电场与表面电场分布有关，现有的线性硅漂移探测器很难通过分压电阻链条实现电子漂移的最优化。


技术实现要素：

4.为了达到上述目的，本发明提供一种螺旋线性硅漂移探测器，该探测器能够自主分压，使用方便，且探测器的有效探测面积增大，电荷收集效率和能量分辨率提高。
5.为了达到上述目的，本发明还提供一种螺旋线性硅漂移探测器设计方法，使探测器能够自主分压，内部电场分布均匀，入射粒子漂移时间缩短，电荷收集效率提高。
6.本发明所采用的技术方案是，螺旋线性硅漂移探测器，包括长方体状的硅基底，硅基底顶面相对的两个边缘处都设有收集阳极，所述收集阳极之间设有链条状的正面漂移阴极，所述正面漂移阴极s形排布在硅基底顶面，所述硅基底底部设有反面漂移阴极，所述收集阳极、反面漂移阴极上均附着有铝层，所述硅基底顶面和正面漂移阴极顶面均附着有二氧化硅层，所述正面漂移阴极两端和中间的二氧化硅层被刻蚀掉，其上附有铝层。
7.进一步的，所述收集阳极为条状电极或数个等间距排列的块状电极。
8.进一步的，所述反面漂移阴极为片状电极或与正面漂移阴极结构相同的链条状电极。
9.进一步的，所述正面漂移阴极的宽度由中间向两边逐渐增加，所述相邻正面漂移阴极的间距为定值或从中间到两端逐渐增加。
10.进一步的，所述硅基底为n型高阻硅，掺杂浓度为4
×
10
11
cm
‑3～2
×
10
12
cm
‑3，所述收集阳极为n型重掺杂硅，所述正面漂移阴极和反面漂移阴极均为p型重掺杂硅，收集阳极、正面漂移阴极和反面漂移阴极的掺杂浓度均为10
16
cm
‑3～10
20
cm
‑3。
11.螺旋线性硅漂移探测器的设计方法，具体包括以下步骤：
12.步骤1，使用公式(1.1)计算探测器中粒子漂移通道的电场edr，进而确定探测器的正面电势和正面电场e(y)；
[0013][0014]
其中v
fd
表示探测器的全耗尽电压，l表示硅基底长度的一半，y1表示正面漂移阴极端部到收集阳极的垂直距离，γ表示反面电势调节参数，0≤γ≤1，φ(y1)、φ(l)分别表示y＝y1、y＝l时φ(y)的取值，φ(y)的计算如公式(1.2)所示；
[0015][0016]
当y＝y1时为施加在正面漂移阴极两端的正偏压v
el
，当y＝l时为施加在正面漂移阴极中间的负偏压v
out
，将v
el
、v
out
分别代入公式(1.2)可以得到φ(y1)、φ(l)的值，再将φ(y1)、φ(l)代入公式(1.1)得到edr的取值；
[0017]
又有其中c为常量，令算得到φ(y)，将φ(y)代入公式(1.2)获得正面电势正面电场
[0018]
步骤2，确定硅基底(4)的表面电场、电势分布；
[0019][0020]
其中v
b
表示常数电势，v
out
表示正面漂移阴极中间施加的负偏压；
[0021]
步骤3，确定正面漂移阴极的宽度及相邻正面漂移阴极条的间距；
[0022]
定义正面漂移阴极相邻阴极条之间的电压降为
▽
v，其计算如公式(1.3)所示：
[0023][0024]
正面漂移阴极的方块电阻ρ
s
＝ρ/t，令w(y)＝βp(y)可得其中i表示流经正面漂移阴极的电流，i取10μa～50μa，
▽
r表示正面漂移阴极上两点间的电阻值增量，ρ表示正面漂移阴极的电阻率，t表示正面漂移阴极的厚度，l表示探测器的宽度，w(y)表示正面漂移阴极的宽度，p(y)＝w(y) g(y)，g(y)表示相邻正面漂移阴极条的间距，β表示涉及正面漂移阴极宽度的参数，1≥β≥0.6。
[0025]
进一步的，所述步骤3中令相邻正面漂移阴极条间的间距g(y)为固定常数g，w(y)＝p(y)
‑
g，p(y)的计算如下：
[0026]
本发明的有益效果是：本发明实施例将正面漂移阴极设计成链条状，s形排布在硅基底表面，在正面漂移阴极两端和中间施加电压，使其能够自主分压，避免了使用分压电阻链对其进行分压，使其使用更加方便；通过调整正面漂移阴极的宽度和间隔间距，使正面漂移阴极两端的电压值升高，探测器的漂移电场提高且分布均匀，缩短入射粒子的漂移时间，使尽量多的电子能顺利被收集阳极捕获，提高了电荷的收集效率和能量分辨率；本发明实施例将正面漂移阴极和收集阳极在硅基底上对称分布，使探测器的有效探测面积增加，提高了探测器的灵敏度。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
[0028]
图1是现有硅漂移探测器的三维图。
[0029]
图2是本发明实施例的立体结构图。
[0030]
图3是本发明实施例的局部剖面图。
[0031]
图4是本发明一实施例的俯视图。
[0032]
图5是本发明另一实施例的俯视图。
[0033]
图中，1.收集阳极，2.正面漂移阴极，3.反面漂移阴极，4.硅基底，5.二氧化硅层，6.铝层。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0035]
螺旋线性硅漂移探测器结构如图2、图3所示，包括长方体状的硅基底4，硅基底4顶面相对的两边缘处均设有收集阳极1，收集阳极1之间设有链条状的正面漂移阴极2，正面漂移阴极2呈s形布设在硅基底4顶面，硅基底4底面设有反面漂移阴极3，收集阳极1和反面漂移阴极3上均附着有铝层6，收集阳极1周围的硅基底4和正面漂移阴极2上均附着有二氧化硅层5，正面漂移阴极2中间及两端的二氧化硅层5被刻蚀掉，其上附着铝层6。
[0036]
如图4、图5所示，收集阳极1为长度与硅基底4宽度相同的条状电极或数个等间距的块状电极，使用条状电极能实现一维的位置分辨，使用块状电极能实现二维的位置分辨，反面漂移阴极3为全覆盖的片状电极或s形布设的链条状电极，使用链条状电极可以提高最外端的电压值，从而提高探测器中的漂移电场，减少辐射环境导致的载流子复合，使尽量多的电子能顺利被收集阳极1收集，进而提高电荷的收集效率；反面漂移阴极3为片状电极时在其一角施加负偏压v
b
，其结构设计和制作简单，电压施加方便，反面漂移阴极3为链条状电极时，在其中间施加负偏压两端施加正偏压
[0037]
所述硅基底4为n型高阻硅，掺杂浓度为4
×
10
11
cm
‑3～2
×
10
12
cm
‑3，硅基底4的掺杂
浓度增高，使其耗尽所需的全耗尽电压也随之升高，需要施加更高的负偏压以提高漂移电场，掺杂浓度降低会相应降低负偏压的上限，进而降低漂移电场，增加电子的漂移时间，降低电荷收集效率；收集阳极1为n型重掺杂硅，正面漂移阴极2和反面漂移阴极3均为p型重掺杂硅，收集阳极1、正面漂移阴极2和反面漂移阴极3的掺杂浓度均为10
16
cm
‑3～10
20
cm
‑3。
[0038]
硅基底4的长度小于2cm，厚度为200μm～1000μm，其长度太大会增加两个收集阳极1之间的距离，相应增加电子的漂移距离，降低粒子的收集效率，其长度减小会相应缩小探测器的探测面积，使探测器的探测效率降低；其厚度的选择与探测粒子的能量有关，探测粒子能量越高，硅基底4的厚度越大；本发明实施例所述探测器结构中收集阳极1尺寸与探测面积不相关，即在做大探测面积时可以尽量做小收集阳极1的尺寸，以保证收集阳极1的电容较小，不会增加噪声，保证了探测器的能量分辨率。
[0039]
本发明实施例所述正面漂移阴极2的宽度和间距从两端到中间均逐渐变窄，反面漂移阴极3也为链条状电极，其宽度和间距与正面漂移阴极2相同，本发明实施例通过对正面漂移阴极2进行再设计，使其连续分布，仅在正面漂移阴极2两端和中间施加电压，即可使正面漂移阴极2能按照电子漂移通道最优化设计的电势梯度自主分压，保证电子以最短的漂移时间被收集阳极1收集，提高探测器的电荷收集效率，减小电子的统计涨落，从而提高探测器的能量分辨率，将正面漂移阴极2设计成链条状，s形排布，简化了探测器的结构和工艺过程，且在正面漂移阴极2两端均施加正偏压v
el
、中间施加负偏压v
out
，在不增加工作电压的情况下，使探测器上的有效探测面积增加，提高了探测器的灵敏度。
[0040]
使用螺旋线性硅漂移探测器检测粒子时，在正面漂移阴极2中间施加负偏压v
out
，两端施加正偏压v
el
，|vo
ut
|＞|v
el
|，施加电压后正面漂移阴极2与硅基底4形成pn结，探测器从硅基底4两边向中间耗尽，收集阳极1处的电势最高，入射粒子产生的电子在横向电场的作用下沿电子漂移通道向收集阳极1移动；由于探测器的结构呈对称分布，所以如图2所示，定义探测器左上角/右上角为坐标原点，平行收集阳极1向前为x轴正方向，垂直收集阳极1向右/向左为y轴正方向，0≤y≤l，垂直硅基底4顶面向下为z轴，设信号产生位置的坐标为(x,y)，有如下关系式：
[0041]
y＝l
‑
μ
·
edr
·
t
drift
[0042]
其中y为信号产生位置的纵坐标，也是电子实际漂移的垂直距离，l为入射粒子的最远漂移距离，由于探测器为对称结构，l也是探测器有效探测区域长度的一半，μ为电子迁移率，edr为电子漂移通道的漂移电场，t
drift
为电子漂移时间，参数l和edr在探测器设计时可以确定，使用探测器检测时秩序测量信号到达收集阳极1的时间即可得到y值，当收集阳极1为单个条状电极时，能够实现y轴上的一维位置分辨，当收集阳极1为多个块状电极时，不同的收集阳极1会得到收集信号的x轴坐标，能够实现xy平面的二维位置分辨。
[0043]
螺旋线性硅漂移探测器的设计方法，包括以下步骤：
[0044]
步骤1，确定电子漂移通道内的电场edr和探测器的正面电场e(y)；
[0045]
螺旋线性硅漂移探测器的泊松方程近似如下：
[0046][0047]
其中是探测器内点(y,z)处的电势，y为入射粒子距离收集阳极1的垂直距
离，即纵坐标，z为入射粒子在探测器厚度方向的坐标，z∈[0,d]，d为探测器的厚度，e为电荷常量，n
eff
为硅基底4的有效掺杂浓度，ε为硅的相对介电常数，ε0为真空介电常数；
[0048]
由公式(1)可知的计算如公式(2)所示：
[0049][0050]
其中v
fd
为探测器的全耗尽电压，ψ(y)为硅基底4的反面电势，为硅基底4的正面电势；
[0051]
使用公式(3)确定电子漂移通道内部电场edr沿z方向的电场分量edr,z：
[0052][0053]
edr,z正比于d/l，探测器的总长度为2l，l为探测器有效探测区域长度的一半，电场edr在探测器内对称分布；
[0054]
由公式(3)得到电子漂移通道的表达式如下：由于实际应用中l远大于d，上式中后一项可忽略不计，将其简化如下：z
ch
为电子漂移通道在探测器厚度方向的坐标；
[0055]
将z
ch
代入公式(2)求导，得到电子漂移通道内y方向的电场分量edr,y如公式(4)所示：
[0056][0057]
由于edr,z的取值较小，可以忽略不计，所以edr＝edr,y；
[0058]
定义反面漂移阴极3的加压方式如公式(5)所示：
[0059][0060]
其中v
b
为常数电势，γ为反面电势调节参数，0≤γ≤1，将公式(5)代入公式(4)可得公式(6)：
[0061][0062]
其中e(y)为硅基底4的正面电场，令则将与代入公式(6)可得：其原函数如公式(7)所示：
[0063][0064]
则c为常量，令将c和φ(l)代入公式(7)可得公式(8)：
[0065][0066]
φ(y1)、φ(l)分别表示y＝y1、y＝l时φ(y)的取值，当y＝y1时为施加在正面漂移阴极2两端的正偏压|v
el
|，当y＝l时为施加在正面漂移阴极2中间的负偏压|v
out
|，将v
el
、v
out
分别代入计算得到φ(y1)、φ(l)的值，再将φ(y1)、φ(l)代入公式(8)得到edr的取值；
[0067]
由edr和c的取值获得φ(y)的取值，从而进一步得到硅基底4的正面电势和正面电场e(y)，
[0068]
步骤2，确定探测器中硅基底4的表面电势分布；
[0069]
正反两面所加电压的联合效应使探测器正好全耗尽，|v
b
|＝v
fd
‑
|v
el
|，同时由硅基底4正面电场e(y)的计算可知，要避开奇点必须使φ(y)＞0，可得|v
b
|和|v
out
|的设定限制如下：
[0070]
|v
b
|≤v
fd
ꢀꢀ
(9)
[0071][0072]
当γ＝0时探测器反面各点的电势相同，即反面漂移阴极3为片状电极，此时|v
out
|≤2v
fd
，当0＜γ≤1时探测器反面有电势梯度，即反面漂移阴极3为链条状电极，此时反面漂移阴极3为片状电极时，其设计过程和制作工艺相对简单，使用时仅需在反面施加一个电压，在辐射环境较弱的情况下多采用这种设计，反面漂移阴极3为链条状电极时，能够提高最外边加压的上限，从而提高漂移电场的强度，更加适合在辐射环境较强时使用；
[0073]
步骤3，确定正面漂移阴极2的宽度及相邻阴极条的间距；
[0074]
定义正面漂移阴极2相邻条之间的电压降为
▽
v，
▽
v的计算如公式(11)所示：
[0075][0076]
其中i为流经正面漂移阴极2的电流，i取10μa～50μa，由于正面漂移阴极2是s形布设，每多绕一次其链条长度均会增长，所以
▽
r表示正面漂移阴极2上两点间的电阻值增量，l为探测器的宽度，w(y)为正面漂移阴极2的宽度，g(y)为相邻正面漂移阴极2条的间距，p(y)＝w(y) g(y)，t为正面漂移阴极2的厚度，ρ为正面漂移阴极2的电阻率，正面漂移阴极2
的方块电阻ρ
s
＝ρ/t，公式(11)改写如下：2
·
i
·
l
·
ρ
s
＝e(y)
·
p(y)
·
w(y)；
[0077]
令w(y)＝βp(y)，β为涉及正面漂移阴极2宽度的参数，1≥β≥0.6，将w(y)代入公式(11)可得由于φ(y)随y值的增加呈现递减趋势，所以e(y)随y值的增加呈递增趋势，所以w(y)、g(y)均随y值的增加呈递减，可以确定正面漂移阴极2的宽度w(y)，及相邻正面漂移阴极2条的间距g(y)。
[0078]
探测器的功耗主要来源于漂移阴极，在|v
out
|
‑
|v
el
|的电势差下，功耗p＝(|v
out
|
‑
|v
el
|)
×
i，在上述i的取值下，为了减小探测器的功耗，应尽量减小正面漂移阴极2的宽度w(y)，从而提高整体的电阻值，但是正面漂移阴极2的宽度太小，就会相应增加硅基底4的裸露面积，增加其表面漏电流，从而降低探测器的能量分辨率，为综合考虑探测器的功耗和能量分辨率，将β的取值设为[0.6，1]。
[0079]
由于探测器呈对称分布，本发明实施例构建的坐标系其y值取值范围仅为探测器的一半，因此如图4、图5所示，本发明实施例所述正面漂移阴极2的宽度和间距从两端到中间均逐渐变窄，反面漂移阴极3也为链条状电极，其宽度和间距与正面漂移阴极2相同，这样能保证探测器内电场分布均匀，使入射粒子的电子漂移时间缩短，探测器的电荷收集效率提高。
[0080]
在步骤3中也可以将g(y)设置为固定常数g，此时w(y)＝p(y)
‑
g，p(y)的表达式如下：将g(y)设为定值后，在硅漂移探测器尺寸较大时能够保持相邻正面漂移阴极2条之间的间距不变，避免了因g(y)增大导致的相邻正面漂移阴极2不能全部耗尽，同时能减少部分表面漏电流，从而减少探测器的本底噪声，提高探测器的能量分辨率。
[0081]
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0082]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。