扇形硅漂移探测器及其制备方法与流程

1.本发明属于辐射探测技术领域，涉及一种扇形硅漂移探测器及其制备方法。


背景技术：

2.硅漂移探测器是为原子物理、核物理和基本粒子物理而开发。现在，硅漂移探测已广泛用于辐射源探测，高能物理粒子轨迹探测，食品安全检测等众多领域。传统圆柱形硅漂移探测设计采用单面螺旋环设计，收集阳极位于螺旋环中间，入射面是整块阴极，在阳极面和入射面均加上不同的工作偏压，形成指向阳极的电子收集通道。硅漂移探测的漏电流包括体漏电流和表面漏电流，由于二氧化硅层材料的属性，其下表面能感应出电子，存在于二氧化硅和硅的界面处。传统圆柱形硅漂移探测器设计中，表面漏电流和体漏电流均被阳极收集，表面漏电流部分会额外增加探测器的不良影响。传统圆柱形硅漂移探测器一般采用圆柱形、六边形或正方形的设计结构，对于不同角度的扇形结构则无法实现。


技术实现要素：

3.为了达到上述目的，本发明提供一种扇形硅漂移探测器及其制备方法，解决了现有技术中存在的表面漏电流会被阳极收集、对于不同角度的扇形结构无法实现拼接等问题。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种扇形硅漂移探测器，包括基底，所述基底的上表面为收集面，基底的下表面为入射面；收集面的中心是收集阳极，以收集阳极为中心向外依次设置有收集面漂浮阴极环、收集面内环加压环，收集面内环加压环、收集阳极、收集面漂浮阴极环之间同心；收集面内环加压环外围设置有扇形单元，扇形单元之间设有表面电子排出通道；扇形单元外侧设置有环形保护阳极；入射面包括入射面窗口、入射面阴极加压环和入射面保护环，入射面阴极加压环内部为入射窗口，入射面阴极加压环外侧为入射面保护环，入射面阴极加压环和入射面保护环与入射面的正中心同心。
5.进一步地，所述扇形单元包括收集面保护环、收集面外环阴极加压环，收集面保护环位于扇形单元的最外围，收集面外环阴极加压环位于收集面保护环内侧。
6.进一步地，所述扇形单元还包括分压链条、收集面漂移环；分压链条和收集面漂移环由扇形单元最内侧向外交错排布；分压链条由内向外长度和宽度依次增加；收集面漂移环两端与分压链条漂移环的两端对应连接。
7.进一步地，最内环的分压链条的宽度是5μm，最外环的分压链条的宽度为17μm；收集面漂移环的宽度均为55μm。
8.进一步地，扇形单元的收集面漂移环、扇形单元的收集面外环阴极加压环、收集面内环加压环、收集面漂浮阴极环、入射面阴极加压环的表面镀有铝层；所述铝层之间填充有二氧化硅层。
9.进一步地，基底是n+型高阻硅晶片，厚度为300～500μm，掺杂浓度为4
×
1011～2
×
1012cm-3
。
10.进一步地，收集面漂移环、分压链条、收集面保护环、收集面外环阴极加压环、收集面内环加压环、收集面漂浮阴极环、入射面窗口、入射面保护环、入射面阴极加压环是通过p+型离子掺杂，掺杂浓度为1016～1020cm-3
，厚度为0.5um。
11.进一步地，收集阳极和环形保护阳极是通过n+型离子掺杂，掺杂浓度为1016～1020cm-3
，厚度为0.5um。
12.本发明还提供了一种扇形硅漂移探测器的制备方法，包括以下步骤：
13.步骤s1、通过吸杂氧化工艺在n+型高阻硅晶片的上下表面生成厚度约的二氧化硅层，经光刻工艺将设计的探测器图形转移到二氧化硅层上；
14.步骤s2、通过双面刻蚀工艺将收集面漂移环、分压链条、收集面保护环、收集面外环阴极加压环、收集面内环加压环、收集面漂浮阴极环、入射面窗口、入射面保护环和入射面阴极加压环所在区域的二氧化硅层刻蚀至
15.步骤s3、将p+型离子注入被刻蚀的区域形成收收集面漂移环、分压链条、收集面保护环、收集面外环阴极加压环、收集面内环加压环、收集面漂浮阴极环、入射面窗口、入射面保护环和入射面阴极加压环；
16.步骤s4、通过光刻及刻蚀工艺，将收集阳极和环形保护阳极所在区域的二氧化硅层刻蚀到底，然后注入n+型离子形成收集阳极和环形保护阳极；
17.步骤s5、通过氧化炉对注入的p+型离子和n+型离子进行激活；
18.步骤s6、通过光刻、刻蚀工艺，将收集面漂移环、收集面外环阴极加压环、收集面内环加压环、收集面漂浮阴极环、入射面阴极加压环所在区域的二氧化硅层刻蚀到底；
19.步骤s7、通过磁控溅射工艺生成一层铝膜，通过光刻、铝腐蚀工艺，收集面漂移环、收集面外环阴极加压环、收集面内环加压环、收集面漂浮阴极环、入射面阴极加压环所在区域上方生成铝层；
20.步骤s8、通过退火工艺对前面步骤造成的损伤进行修复，同时形成铝硅合金，形成欧姆接触。
21.本发明的有益效果是：
22.1、通过设计扇形硅漂移探测器，在探测器灵敏区外设计接地的阳极保护结构，将表面漏电流通过保护阳极流出，减少探测器的漏电流，降低探测器的本底噪声，最终提高探测器的能量分辨率。
23.2、通过设计不同角度的扇形硅漂移探测器单元，在保证电场良好分布的前提下，根据使用需求拼接成不同形状的探测器，且每个扇形单元是独立工作的状态。
附图说明
24.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。
25.图1是本发明实施例的扇形单元(θ＝45
°
)时的漂移探测器收集面图。
26.图2是本发明实施例的扇形单元(θ＝45
°
)时的圆形硅漂移探测器入射面图。
27.图3是本发明实施例的收集面中间区域示意图。
28.图4是本发明实施例的收集面漂移环、分压链条连接示意图。
29.图5是本发明实施例的收集阳极、收集面漂浮阴极和收集面内环加压环的位置关系示意图。
30.图中，1.收集面，2.扇形单元，3.环形保护阳极，4.收集面外环阴极加压环，5.收集面保护环，6.表面电子排除通道，7.入射面，8.入射面窗口，9.入射面阴极加压环，10.入射面保护环，11.分压链条，12.收集面漂移环，13.收集面内环加压环，14.收集阳极，15.收集面漂浮阴极环。
具体实施方式
31.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。
32.本发明的扇形硅漂移探测器单元可以设计成不同的角度θ，每个单元既可以独立的实现自主分压实现硅漂移探测器的功能，也可以拼接成其它形状。本实施例中将采用圆心角θ＝45
°
的单元结构来进行阐述。
33.如图1-图5所示，一种扇形硅漂移探测器，包括基底，基底的上表面为收集面1，基底的下表面为入射面7；收集面1的中心是收集阳极14，以收集阳极14为中心向外依次设置有收集面漂浮阴极环15、收集面内环加压环13，收集面内环加压环13、收集阳极14、收集面漂浮阴极环15之间同心；收集面漂浮阴极环15的设置可以优化收集阳极14和收集面内环加压环13之间的电场分布；收集面内环加压环13外围设置有呈环形布置的8个扇形单元2，扇形单元2之间设有表面电子排出通道6。入射面7包括入射面窗口8、入射面阴极加压环9和入射面保护环10，入射面阴极加压环9内部为入射窗口，入射面阴极加压环9外侧为入射面保护环10，入射面阴极加压环9和入射面保护环10与入射面7正中心同心；探测器工作时，光子或高能粒子从入射面窗口8入射，入射面加压阴极9提供给探测器入射面的工作电压，整个入射面的电势vb处处相同。
34.所述扇形单元2包括收集面保护环5、收集面外环阴极加压环4，收集面保护环5位于扇形单元2的最外围，收集面外环阴极加压环4位于收集面保护环5内侧；收集面外环阴极加压环4用于提供探测器工作电压v
out
，使探测器工作于全耗尽状态，与收集面内环加压环13加工作电压v
e1
在探测器表面形成v
out-v
e1
的电势梯度，同时与入射面阴极加压环9共同作用，形成由探测器外端指向收集阳极14的漂移通道。收集面保护环5的设计可以很好的均衡过度探测器边缘高电场区域，防止击穿破坏探测器的结构。
35.如图3-图4所示，所述扇形单元2还包括分压链条11、收集面漂移环12。分压链条11和收集面漂移环12由扇形单元2最内侧向外交错排布；为保证阴极收集面漂移环12间良好的电场分布，阴极漂移环12间的分压链条11长度和宽度是变化的设计：越靠内的分压链条11的宽度越小，本实施例中最内环的分压链条11的宽度是5μm，最外环的分压链条11的宽度达到17μm。如图4所示，本实施例采用收集面漂移环12与分压链条11转角处连接的方式，即收集面漂移环12两端与分压链条11漂移环的两端对应连接，可以分别取连接处分压链条11处的电势，本实施例中的收集面漂移环12的宽度均为55μm。分压链条11的内环加压v
e1
，最外
环加压v
out
，分压链条11上有电势梯度的变化，本实施例中漂移电极间的电势梯度采用保持相邻环电势差想等的设计。
36.进一步地，扇形单元2外侧设置有环形保护阳极3，环形保护阳极3可以收集表面电子并通过接地排出，从而减少探测器的漏电流，提高探测器的能量分辨率的性能。
37.进一步地，收集面漂移环12、收集面外环阴极加压环4、收集面内环加压环13、收集面漂浮阴极环15、入射面阴极加压环9的表面镀有铝层；所述铝层之间填充有二氧化硅层。
38.进一步地，扇形硅漂移探测器的基底是n+型高阻硅晶片，厚度为300～500μm，掺杂浓度为4
×
1011～2
×
1012cm-3
。收集面漂移环12、分压链条11、收集面保护环5、收集面外环阴极加压环4、收集面内环加压环13、收集面漂浮阴极环15、入射面窗口8、入射面保护环10、入射面阴极加压环9是通过p+型离子注入的工艺掺杂入基底，掺杂浓度为1016～1020cm-3
，远高于高阻硅基底，厚度为0.5um。收集阳极14和环形保护阳极3是通过n+型离子注入的工艺掺杂入基底，掺杂浓度为1016～1020cm-3
，远高于高阻硅基底，厚度为0.5um。
39.具体制备方法：
40.步骤s1、通过吸杂氧化工艺在n+型高阻硅晶片(基底)的上下表面生成厚度约的二氧化硅层，经光刻工艺将设计的探测器图形转移到二氧化硅层上；
41.步骤s2、通过双面刻蚀工艺将收集面漂移环12、分压链条11、收集面保护环5、收集面外环阴极加压环4、收集面内环加压环13、收集面漂浮阴极环15、入射面窗口8、入射面保护环10和入射面阴极加压环9所在区域的二氧化硅层刻蚀至
42.步骤s3、将p+型离子注入被刻蚀的区域形成收收集面漂移环12、分压链条11、收集面保护环5、收集面外环阴极加压环4、收集面内环加压环13、收集面漂浮阴极环15、入射面窗口8、入射面保护环10和入射面阴极加压环9；
43.步骤s4、通过光刻及刻蚀工艺，将收集阳极14和环形保护阳极3所在区域的二氧化硅层刻蚀到底，然后注入n+型离子形成收集阳极14和环形保护阳极3；
44.步骤s5、通过氧化炉对注入的p+型离子和n+型离子进行激活；
45.步骤s6、通过光刻、刻蚀工艺，将收集面漂移环12、收集面外环阴极加压环4、收集面内环加压环13、收集面漂浮阴极环15、入射面阴极加压环9所在区域的二氧化硅层刻蚀到底；
46.步骤s7、通过磁控溅射工艺生成一层铝膜，通过光刻、铝腐蚀工艺，收集面漂移环12、收集面外环阴极加压环4、收集面内环加压环13、收集面漂浮阴极环15、入射面阴极加压环9所在区域上方生成铝层；
47.步骤s8、通过退火工艺对前面步骤造成的损伤进行修复，同时形成铝硅合金，形成欧姆接触。
48.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。
49.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。