嵌套式X射线三维沟槽电极硅探测器

嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器
技术领域
1.本发明属于光电探测器技术领域，特别涉及一种嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器。


背景技术：

2.探测器广泛应用于高能物理、天体物理、航空航天、军事、医学等技术领域，在高能物理及天体物理应用领域中，探测器的工作环境处于强辐照条件，因此对探测器具有严格的要求，具体要求体现在其需要抗辐照能力强、漏电流及全耗尽电压适中、体积大小合适等方面。基于硅材料的x射线探测器荧光谱仪可用于土壤检测、金属成分分析、探矿选矿、食品检测、核医学等方面，传统的三维沟槽电极硅探测器，有许多不足之处：其一，在进行传统的三维沟槽电极硅探测器电极刻蚀时不能完全贯穿整个硅体，不被刻蚀的部分出现弱电场、无电场或电荷分布不均匀等现象，这一部分区域可称之为“死区”，“死区”在单个探测器中占据10％-30％，如果拼接成阵列，其占据的比例更大，严重影响探测器性能；其二，传统的三维沟槽电极硅探测器进行单面刻蚀，粒子只能从单面射入被吸收，粒子进入器件后，产生的电子空穴对不能快速的被电极收集，使得器件的响应时间增加，灵敏度受到很大的局限性；其三，传统的三维沟槽电极硅探测器电极间距大小的变化会影响其抗辐射性能，单个沟槽单元的大小对抗辐射性能影响大，当传统的三维沟槽电极硅探测器做成阵列时，探测器的单元结构不能随意改变，不便于调节使得探测器运用、实用性受到了极大地限制。


技术实现要素：

3.为解决了传统三维沟槽电极硅探测器存在较大“死区”、灵敏度的局限性及该探测器的单元结构不能随意改变等问题。本发明提供一种嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器，具体体现在隔离硅体上端由凸台与凹槽相间呈回字型排列，其高度、宽度均为10μm，以此达到探测器对x射线的吸收表面积大大增加的目的，从而实现探测器对x射线的有效利用。
4.本发明的目的通过下述技术方案实现：
5.一种嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器，包括下二氧化硅保护层、以及设置于所述下二氧化硅保护层上的硅基体和外围电极，所述硅基体包括基体部分和嵌套部分，所述基体部分的横截面与所述下二氧化硅保护层的相同，所述嵌套部分内嵌在外围电极内，所述外围电极内侧的所述下二氧化硅保护层上设有中心电极，所述中心电极与所述外围电极之间、以及所述嵌套部分与所述外围电极之间均填充有隔离硅体，所述外围电极和所述中心电极的顶部均设有电极接触层，所述电极接触层上设有电极接触端口，所述隔离硅体顶部设有上二氧化硅保护层，所述隔离硅体顶端由凸台与凹槽相间呈回字型排列。
6.优选的实施方式，所述隔离硅体的宽度为50μm，所述的凸台的高度和宽度均为10μm，所述凹槽的深度和宽度均为10μm。
7.所述嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器的高度为300-500μm。
8.其中：所述的外围电极为中空的直四棱柱状的外围电极；作为优选的实施方式，所
述外围电极为n

重掺杂磷硅或p

重掺杂硼硅，所述外围电极的宽度为10μm，掺杂浓度为10
19
cm-3
。
9.所述中心电极为半径等于5μm的圆柱形，其高度为300μm，作为优选的实施方式，所述中心电极为p

重掺杂硼硅或n

重掺杂磷硅，掺杂浓度为10
19
cm-3
。
10.所述嵌套部分的高度为30-50μm；作为优选的实施方式，所述嵌套部分的横截面为圆形。
11.所述电极接触层的厚度为1μm；作为优选的实施方式，所述电极接触层为铝层。
12.所述上二氧化硅保护层的厚度为1μm，作为优选的实施方式，所述的上二氧化硅保护层为横截面为四边形的二氧化硅保护层。
13.所述基体部分为p型硅基体，所述p型硅基体优选为p型轻掺杂硼硅，掺杂浓度为10
12
cm-3
；所述基体部分的目的是稳定器件的机械结构，对探测器的性能没有贡献，高度为10μm；
14.本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
15.本专利的嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器的顶端由凸台与凹槽相间回字型排列结构，具有显著增加顶部接收表面积的效果，对比可知新型嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器方波状凸起表面积增加后远大于原探测器的二倍，从而证明新型嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器对x射线的有效吸收和利用。
附图说明
16.图1为本发明一实施例的嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器阵列图；
17.图2为本发明一实施例的嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器的竖直切面视图；
18.图3为本发明一实施例的嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器的主视图；
19.图4为本发明一实施例的嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器结构示意图；
20.图5为本发明一实施例的嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器的顶部结构截面视图；
21.图6为本发明一实施例的嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器另一阵列图；其中
①
、
②
、
③
、
④
、
⑤
、
⑥
为图4中各侧面标号对应位置。
22.其中：1.外围电极；2.中心电极；3.嵌套部分；4.电极接触层；5.下二氧化硅保护层；6.基体部分；7.隔离硅体。
具体实施方式
23.下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
24.除非另有定义，否则本文中所用的全部技术术语和科学术语均具有如本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同含义。如本文所用，术语“含有”或“包括(包含)”可以是开放式、半封闭式和封闭式的。换言之，所述术语也包括“基本上由
…
构成”、或“由
…
构成”。
25.实施例1
26.如图1-图4所示，一种嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器，探测器高度为300-500μm，其包括横截面为四边形的下二氧化硅保护层5，下二氧化硅保护层5上依次设有硅基体和中空的直四棱柱状的外围电极1，所述硅基体包括基体部分6和嵌套部分3，所述基体部分
6的横截面与下二氧化硅保护层5的相同，所述嵌套部分3内嵌在外围电极1内，其横截面为圆形，外围电极3内侧的二氧化硅保护层5上还设有中心电极2，所述中心电极2的横截面为圆形，中心电极2与外围电极1之间、嵌套部分3与外围电极1之间均填充隔离硅体7，所述外围电极1、所述中心电极2顶部均设有电极接触层(铝层)4，两个铝层4上均设有电极接触端口，隔离硅体7顶部设有上二氧化硅保护层。
27.其中：所述隔离硅体7的宽度为50μm，所述隔离硅体7顶端由凸台与凹槽相间回字型排列，作为优选的实施方式，所述的凸台的高度和宽度均为10μm，所述凹槽的深度和宽度均为10μm；所述隔离硅体7顶端的剖面呈方波状(剖面为过中心电极且平行于一个侧面)，波状高度、宽度均为10μm。
28.所述的外围电极1为n

重掺杂磷硅或p

重掺杂硼硅，所述外围电极的宽度为10μm，掺杂浓度为10
19
cm-3
；
29.所述中心电极2为p

重掺杂硼硅或n

重掺杂磷硅，掺杂浓度为10
19
cm-3
；所述中心电极2为半径等于5μm的圆柱形，其高度为300μm。
30.所述嵌套部分3的高度为30-50μm；
31.所述电极接触层4为铝层(al)，电极厚度为1μm；
32.所述二氧化硅保护层5的厚度为1μm；
33.所述基体部分6为p型硅基体，所述p型硅基体优选为p型轻掺杂硼硅，掺杂浓度为10
12
cm-3
；所述基体部分的目的是稳定器件的机械结构，对探测器的性能没有贡献，高度为10μm；
34.其中，图4中，中心电极2为半径等于5μm的圆柱形，其高度为300μm。隔离硅体7宽度为50μm；隔离硅体7顶端呈方波状(剖视图)，方波状高度、宽度均为10μm；嵌套部分3高度为30μm，p型硅基体6高度为10μm，二氧化硅保护层5厚度为1μm，电极接触层4为al层，电极厚度1μm，探测器整体高度为310μm；外围电极1为n

重掺杂磷硅(p

重掺杂硼硅)电极宽度为10μm，掺杂浓度为10
19
cm-3
；中心电极2为p 重掺杂硼硅(n 重掺杂磷硅)半径等于5μm的圆柱形，掺杂浓度为10
19
cm-3
。
35.本专利的嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器顶端由凸台与凹槽相间回字型排列结构具有显著增加顶部接收表面积的效果，具体说明如下：如图5和图6所示：本发明专利对x射线吸收的方波状凸起表面积增加部分如
①
、
②
、
③
、
④
、
⑤
、
⑥
所示，其中
①
侧面增加的表面积为：110
×
10
×
4＝4400(μm2)；
②
侧面增加的表面积为：90
×
10
×
4＝3600(μm2)；
③
侧面增加的表面积为：70
×
10
×
4＝2800(μm2)；
④
侧面增加的表面积为：50
×
10
×
4＝2000(μm2)；
⑤
侧面增加的表面积为：30
×
10
×
4＝1200(μm2)；
⑥
侧面增加的表面积为：10
×
10
×
4＝400(μm2).表面积增加值
①

②

③

④

⑤

⑥
＝14400(μm2)；计算原三维沟槽电极硅探测器顶部接收表面积进行对比：110
×
110-π52＝12021.5(μm2)
36.对比可知新型嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器方波状凸起表面积增加后远大于原探测器的二倍，从而证明新型嵌套式x射线三维沟槽电极硅探测器对x射线的有效吸收和利用。
37.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。