一种点状三维球状超小电容半导体探测器模型及应用的制作方法

本发明属于x射线探测技术领域，尤其涉及一种点状三维球状超小电容半导体探测器模型及应用。

背景技术：

目前，三维电极探测器较之传统的二维/平面探测器具有诸多优势，比如其耗尽电压不再受到探测器晶元厚度的影响，可以使探测器厚度增加至几个毫米而不增加探测器的耗尽电压(现有探测器较厚的厚度也仅为几百微米)。探测器的耗尽电压不受其厚度限制，将会给探测器带来很多优势，比如现存超纯高阻硅探测器在50kev能量以上的探测效率可以增加至30％左右，而平面探测器由于其厚度限制，探测效率仅约为15％。随着三维电极探测器的提出，如何将电场优化至理想模型一直是三维电极探测器的困扰。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的三维电极探测器无法将电场优化至理想模型。

解决以上问题及缺陷的难度为：传统二维探测器将电极制作在晶元的上下两个表面，其全耗尽电压与电极间距有关，因此晶元的厚度对探测器的全耗尽电压(耗能)有很大的限制。传统三维电极探测器分为柱状电极与沟槽电极两种，不管是哪一种设计，都会由于探测器柱状电极的对称排布或者沟槽电极的非贯穿刻蚀而存在至少10％的死区，在死区区域内，探测器的电场分布极不均匀，严重影响探测器的探测效率。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明专利针对上述问题进行了创新设计，将中央柱状电极进一步优化为一个点状电极，大大减少了探测器在读出过程中的体电容与输出电容，减少噪声，提高探测器的分辨率。另外，我们将沟槽电极优化为球状设计，如此一来，球状电极至中央点状电极的间距在任何一个位置都是相等的，使得探测器单元摆脱了角度的困扰，同时可以完全去掉死区，整个球体(灵敏区域)的电场分布都非常均匀，有效提高探测效率和收集效率。

由于其能量分辨率的提升，抗辐射性能的提升，噪声的减少，该探测器可以用于大型粒子加速器的顶点和径迹探测器上，比如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机lhc，当中的atlas加速器，以及中国在建的大型光源系统等。除此之外，可以实现各种类型探测器的替代，其中小型仪器比如能谱光谱仪上的x射线探测器的替代。另外，由于探测器的全耗尽电压不再受到晶元厚度的限制，只与探测器电极间距有关，因此可以做成厚度几个毫米的探测器件芯片，这样一来对于较高能量的x射线探测效率可以提高约20％，因此可以将这种探测器应用于医疗仪器，比如说核医学成像等。另外，该探测器还可以用于航天航空(深空射线探测，应用于脉冲星x射线探测等)、空间物理研究(用于宇宙射线辐射探测等)、安检(应用机场、安全通道、行李检测的x射线检测等)、核辐射监测(用于测量辐射剂量、强度、能量等)等领域。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种点状三维球状超小电容半导体探测器模型及应用，该模型可以将探测器的电场分布呈现完全角度对称的理想状态。

本发明是这样实现的，一种点状三维球状超小电容半导体探测器模型，所述点状三维球状超小电容半导体探测器模型为：

结合具体实例，上述公式中，φ代表电势，r为探测器的半径，θ为角度参数，为另一个角度参数，组成了一组空间坐标。其他参数均为电学参数。

通过对上述公式加边界条件求解，电势与电场如下：

whereaandbareconstantstobedeterminedbyboundaryconditions.。

进一步，所述探测器模型中央电极的半径约为10微米，球状外围电极的宽度约为10微米，探测器的半径约为60微米。

进一步，所述硅体即球体若是n型硅基，球状电极由1×10¹⁹/cm³的p型重掺杂组成，中央点状电极由1×10¹⁹/cm³的n型重掺杂组成，这种探测器用于无辐射环境下的光子探测，低能x射线探测等。

进一步，所述硅体即球体若是p型硅基，球状电极由1×10¹⁹/cm³的n型重掺杂组成，中央点状电极由1×10¹⁹/cm³的p型重掺杂组成，这种设计可用于辐射环境下的电子、高能粒子探测等，通常这种情况下的探测器半径设计与无辐射环境不一致，根据应用场合可能更大也可能更小。

本发明的另一目的在于提供一种半导体硅的探测方法，所述半导体硅的探测方法使用所述的点状三维球状超小电容半导体探测器模型。

本发明的另一目的在于提供一种半导体锗的探测方法，所述半导体锗的探测方法使用所述的点状三维球状超小电容锗探测器模型。

本发明的另一目的在于提供一种三五族化合物的探测方法，所述三五族化合物的探测方法使用所述的点状三维球状超小电容化合物半导体探测器模型。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明中点状三维球状超小电容半导体探测器模型对比二维探测器，耗尽电压将不会再受到探测器晶元厚度的限制，仅与电极间距，即本专利探测器的半径有关。对比其他三维电极探测器，电场分布不会有因无法耗尽而存在的低电场区。对比其他三维电极探测器，本发明探测器的电场分布更均匀，更理想。探测器厚度可作为一个参数灵活设计，可大大增加探测器的探测效率。由于探测器收集电极为点状设计，其体积非常小，因此该设计体电容将非常小，可以到飞法级别。因此本发明中点状三维球状超小电容半导体探测器模型对比二维探测器是一个理想模型。

初步设计探测器的制作方法为激光制作，在晶元上用激光刻蚀球状电极，这样一来即使破坏了探测器球状电极外的晶元，也不会对探测器球体内的部分产生影响，无需退火等复杂步骤，可以简化制作工艺，提高制作效率。其制作流程如下：晶元氧化--激光刻蚀球状电极--抛光--激光刻蚀中央点状电极--光刻刻蚀镀金属层--恒温恒湿条件存储。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。

图1是本发明实施例提供的点状三维球状超小电容半导体探测器模型结构示意图。

图2是本发明实施例提供的计算时使用的带坐标轴的维度图。

图3是本发明实施例提供的点状三维球状超小电容半导体探测器模型正视图。

图4是本发明实施例提供的截面的电场分布图。

图5是本发明实施例提供的六边形电场分布图。

图6是本发明实施例提供的方形电场分布图。

图7是本发明实施例提供的探测器厚度对探测效率的影响示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种点状三维球状超小电容半导体探测器模型及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的点状三维球状超小电容半导体探测器模型为：

电势与电场如下：

whereaandbareconstantstobedeterminedbyboundaryconditions.

本发明实施例提供的探测器模型中央电极的半径约为10微米，球状外围电极的宽度约为10微米，探测器的半径约为60微米。硅体即球体，可以是n型或者p型硅基，电极由1×10¹⁹/cm³的n或p型重掺杂组成。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

图2为计算时使用的带坐标轴的维度图，图2中的实例为n型硅体的设计。

图3为结构的正视图。

图4为其中一个截面的电场分布图，从图中可以看到非常完美的一个电场分布。图5和图6分别是六边形和方形电场分布图，从图4、图5、图6的对比中可以看出，只有圆状的探测器电场分布最为理想，外围电极对电场的干扰最小。

图7是探测器厚度对探测效率的影响示意图，可以看出厚度越大，在高能段其探测效率越高。

下面结合对比对本发明的技术效果作详细的描述。

图4、图5、图6对比了不同形状的探测器电场截面，从图中对比可以看出，探测器在圆形截面上电场分布最为均匀，不会受到角度干扰，而其他形状的截面中可以看出，在转角部分，存在不同程度的电场被干扰。图7是不同的硅体厚度下探测器探测效率的分布图，从图中可以看出，在几百微米的晶元厚度时，探测器的探测效率在入射光能量为50kev时便下降到了10％一下，而晶元厚度为几千微米(毫米)时，同样能量的入射光，其探测器效率则可以达到近20％。然而，普通的二维探测器设计，要使几微米的硅体耗尽，所施加电压需要达到几千伏，这样的能耗不利于探测器应用的推广。而三维探测器可以通过控制电极间距来控制耗尽电压，耗尽电压将不再受到晶元/硅体厚度的限制，使其在能耗方面也变得可控，这样一来探测器的应用将会更广，可以用于航天航空、深空探测、医学、工业探伤等。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。