一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的制作方法

1.本发明涉及探测器技术领域，尤其涉及一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器。


背景技术：

2.当代探测器的应用领域十分广泛，如核医学、工业、国防、x成像、航天航空、安全测试、高能物理、天体物理、军事和其他领域等。探测器的应用领域对器件的要求是极高的。其中，硅探测器具有体积小、灵敏度的高及响应速率快、抗辐照能力强且易于集成的特点，符合探测器领域对器件的严格要求，其优势是不可替代的。
3.硅探测器的工作原理：其设计是基于pn结构，所以硅探测器是工作在反向偏压下的。无论是辐射环境下的高能粒子还是无辐射时的光子穿透或入射，当外部粒子入射到探测器内部时，在外加偏压下，都会激发空穴电子对作为载流子，电子漂移到收集正极，同时空穴被负极收集。最后，粒子信息的电信号通过外部电路输出。
4.由于三维硅探测器性能独特的优势，被parker等人首次提出以后，便引起了世界各国的科研工作者相继研究与开发。2009年，三维沟槽硅电极探测器的概念，首次被美国brookhaven国家实验室(bnl)提出。
5.但是，现有的三维沟槽硅探测器虽然有较小的耗尽电压、功耗，但受于制作工艺技术等各方面的限制，刻蚀区域没法触及基体每个角落。


技术实现要素：

6.1.要解决的技术问题
7.本发明的目的是使在无辐照的条件下，全耗尽电压和能耗等物理量都小于等尺度的传统三维沟槽探测器的理想球型电极硅探测器的模拟，通过化学刻蚀的工艺得以实现。从而，解决现有技术中三维沟槽硅探测器虽然具有较小的耗尽电压、功耗，但受于制作工艺技术等各方面的限制，刻蚀区域没法触及基体每个角落的问题，而提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器。
8.2.技术方案
9.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
10.一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器，包括基体b、a1层和a2层，所述a1层和a2层分别设置于基体b的上表面和下表面，所述a1层的边缘覆盖有o1层，所述a2层的边缘覆盖有02层，所述a1层和a2层之间设置有基体b，所述基体b的顶部设有不同半径但宽度相同的圆环柱f1-f3，所述基体b顶部的中央悬浮有中央收集阳极fo，所述基体b的底部设有外围电极c1-c9，且通过d连接在一起，形成球型阴极。
11.优选地，所述a1层和a2层均为铝层，且厚度为1μm。。
12.优选地，所述o1层和o2层均为氧化层二氧化硅，且厚度为0.5μm。
13.优选地，所述基体b的材质为超纯高阻硅。
14.优选地，所述基体b为n型轻掺杂，掺杂浓度为1
×
10
12
cm-3
。
15.优选地，所述圆环柱f1-f3的厚度均为1μm，所述f1-f3圆环柱的掺杂类型为p型重掺杂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
。
16.优选地，所述中央收集阳极fo的厚度为1μm，掺杂类型为n型重掺杂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
。
17.优选地，所述圆柱体d的厚度为1μm，掺杂类型为p型重掺杂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
。
18.优选地，所述外围电极c1-c9，为不同宽度和高度的圆环柱，p型重掺杂，掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
，且通过d连接在一起，形成球型阴极。
19.3.有益效果
20.相比于现有技术，本发明的优点在于：
21.(1)本发明中，探测器的电极为类球型设计，探测器下部嵌套的几何柱电极之间的间隔相同，从而获得了单元内分布十分均匀的电势和电场等优良的电学性能。
22.(2)相对于传统的三维沟槽电极硅探测器，三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的类球型电极单元结构设计，使得产生的死区从理论上可以避免，进而硅探测器单元内的电荷收集效率大大提高。
23.(3)三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器通过化学刻蚀的工艺，使理想球型硅探测器的模拟得以实现。
24.(4)三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的全耗尽电压比较小，能耗比较低，在无辐照的条件下，得到全耗尽电压为-14.5v，小于等尺度的传统三维沟槽探测器的相应物理量。
附图说明
25.图1为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的上表面结构示意图；
26.图2为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的下表面结构示意图；
27.图3为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的模拟结构示意图；
28.图4为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的中间结构示意图；
29.图5为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的x＝0截面图；
30.图6为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的y＝149处的截面图；
31.图7为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的y＝1处的截面图；
32.图8为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的不同偏压下的电子浓度折线和局部放大图；
33.图9为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的不同偏压下的
电子浓度折线和局部放大图；
34.图10为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的电压为1-10v时的电场分布图；
35.图11为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的全耗尽电压(u＝-14.5v)时的电势图；
36.图12为本发明提出的一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的全耗尽电压(u＝-14.5v)时的电子浓度图。
具体实施方式
37.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。
38.实施例1：
39.参照图1-12，一种三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器，包括基体b、a1层和a2层，基体b的材质为超纯高阻硅，基体b为n型轻掺杂，掺杂浓度为1
×
10
12
cm-3
，a1层和a2层均为铝层，且厚度为1μm，a1层和a2层分别位于基体b的上表面和下表面；
40.本发明中，a1层的边缘覆盖有o1层，a2层的边缘覆盖有02层，o1层和o2层均为氧化层二氧化硅，且厚度为0.5μm。基体b的底部设有圆柱体d，厚度为1μm，掺杂类型为p型重掺杂；
41.本发明中，基体b顶部设有不同半径但宽度相同的圆环柱f1-f3，圆环柱f1-f3的厚度均为1μm，掺杂类型为p型重掺杂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
。基体b顶部的中央悬浮有中央收集阳极fo；
42.本发明中，中央收集阳极fo的厚度为1μm，为n型重掺杂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
。基体b的底部设有外围电极c1-c9，为不同宽度和高度的圆环柱，p型重掺杂，掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
，且通过d连接在一起，形成球型阴极。
43.本发明中，中央收集阳极fo是n型重掺杂硅，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
；基体为n型轻掺杂超纯高阻硅，掺杂浓度为1
×
10
12
cm-3
；外围电极是p型重掺杂硅,掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
,此类型结构的探测器模型属于p-n结在外围沟槽时的探测器模型。其全耗尽电压小于相同条件下，中央收集阳极fo是p型重掺杂，外围电极是n型重掺杂结构的全耗尽电压，说明此类探测器较之功耗更低且不容易被击穿。
44.本发明中，在无辐照情况下，相比于传统三维沟槽探测器，由模拟数据外加偏压可得全耗尽电压更低；新型三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的电子浓度随着外加偏压的变大而减小，当其灵敏区达到全耗尽状态后，电子浓度随着外加偏压的增大而几乎不变。以此推断，较传统三维沟槽探测器，新型三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器有全耗尽电压小和功耗低的优势。
45.本发明中，通过化学刻蚀的工艺，在时间(t0)相同的前提下，几何柱的深度与刻蚀的宽度成正比，来完成探测器底部的外围电极形成类球型的设计。几何结构涉及的相关公式如下：(其中，l：硅基体的高度，g:几何柱间距，y:刻蚀深度(几何柱的高度)，l:刻蚀的宽度(几何柱的宽度)。最外层几何柱的宽度和深度，分别为l1和y1。当刻蚀的宽度为l0，深度为y0时，所用的时间为t0)
46.y0＝l＝r，已知:x1＝r，y0＝r，y1＝βr(0＜β＜1)，g，l1[0047][0048][0049][0050][0051][0052][0053][0054]
令
[0055]
得：
[0056][0057][0058]
由以上公式，我们可以得到类球型的硅基体底部电极分布。可以改变相应的参数，来研究不同半径和间距的新型三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的全耗尽电压、电子浓度、电势、电场等电学性质的变化，为进一步研究新型三维非均匀化学刻蚀球型电极硅探测器的优良性能提供科学依据。从而，加快了理想球型电极硅探测器的模拟成为现实。
[0059]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。