六边形盒状三维探测器的制作方法

本实用新型属于高能物理、天体物理、航空航天、军事、医学技术领域，涉及一种六边形盒状三维探测器。

背景技术：

探测器主要用于高能物理、天体物理、航空航天、军事、医学技术领域，传统的三维沟槽硅探测器有许多的不足之处。

沟槽电极没有贯穿硅体，探测器底部有一层厚度为10％d的硅衬底(d为探测器整体厚度)，硅衬底只具有支撑硅体的作用，使得探测器的死区比例大，粒子在硅衬底中由于弱电场的影响，漂移速度很小，因此在硅衬底中由于低速漂移而被强辐射造成的深能级缺陷俘获的粒子很多，电荷收集效率不好。

排成阵列后各个探测器单元之间会相互干扰，电学信号会通过10％的硅衬底(低电场区)影响其他单元，造成分辨率的降低。

由于中央柱形电极表面积很长，导致探测器电容大，信号噪声大。

光子、粒子不可以双面入射。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本实用新型提供一种六边形盒状三维探测器，解决了现有探测器死区比例大，电荷收集效率低，且读出电流信号相互干扰，能量分辨率低、结电容及信号噪音大，粒子只能单面入射的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，六边形盒状三维探测器由数个探测单元排列组成，探测单元的外部呈正六棱柱，探测单元包括硅基底，硅基底上固定有壳形电极，壳形电极由底面和侧面组成，底面为正六边形的离子注入层，侧面是沿着底面正六边形边垂直刻蚀的矩形沟槽，沟槽中扩散掺杂有半导体材料，壳形电极内填充有探测基体，探测基体顶面的中间部位镶嵌有正六棱柱状的中央收集电极，中央收集电极和壳形电极的顶面附着有金属层，探测基体顶面附着有氧化层，中央收集电极接负极，壳形电极接阳极。

进一步的，中央收集电极为正六棱柱状，中央收集电极底面的外接圆半径为5μm，厚度为1～5μm。

进一步的，壳形电极的高度为探测单元整体高度的90％。

进一步的，中央收集电极与壳形电极的电极间距为20～500μm。

本实用新型的有益效果是：(1)本实用新型内部的电场分布均匀，低电场区很少，死区相对较小；(2)本实用新型的结电容很小，信号噪声小的优点；(3)本实用新型的耗尽电压低，方便驱动、便于携带；(4)本实用新型的探测单元读出电流信号不会相互干扰，能量分辨率提高；(5)本实用新型工作时，粒子可以双面入射，提高了工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是六边形盒状三维探测器的结构图。

图2是六边形盒状三维探测器的侧视图。

图3是六边形盒状三维探测器的探测单元排列图。

图中，1.中央收集电极，2.探测基体，3.壳形电极，4.硅基底，5.氧化层，6.金属层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

六边形盒状三维探测器由数个探测单元按照图3的方式排列组成，探测单元结构如图1～图2所示，探测单元的外形呈正六棱柱，探测单元底部是硅基底4，硅基底4上固定有壳形电极3，壳形电极3由底面和侧面组成，底面为正六边形的离子注入层，侧面是沿着底面正六边形边垂直刻蚀的矩形沟槽，沟槽中扩散掺杂有半导体材料，壳形电极3中填充有探测基体2，探测基体2顶面的中间部位镶嵌有正六棱柱状的中央收集电极1，中央收集电极1和壳形电极3的顶面附着有金属层6，探测基体2顶面附着有氧化层5，中央收集电极1接负极，壳形电极3接阳极，氧化层5将负极和正极隔离，防止短路。

六边形盒状三维探测器中的壳形电极3从上到下的长度为探测单元总长的90％，壳形电极3的侧壁深度为10μm；中央收集电极1的外接圆半径为5μm，厚度为1～5μm，中央收集电极1与壳形电极3底面、侧面的间距相同，电极间距为20～500μm，电极间距取20～150μm时，探测器的耐辐射性能较优；在电极间距取150～500μm时，探测器可以用作光子探测，探测器的耗尽方式与球型pn结的耗尽方式相同，耗尽电压降低，方便驱动、便于携带。

探测单元中探测基体2是掺杂浓度为1×10¹²cm^-3的p型半导体，中央收集电极1和壳形电极3的掺杂类型相反，掺杂浓度相同，壳形电极3与中央收集电极1的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁹cm^-3，当中央收集电极1为n型重掺杂半导体，壳形电极3为p型重掺杂半导体时，探测器的耐辐射性能提高，内部电场分布不均匀；当中央收集电极1为p型重掺杂半导体，壳形电极3为n型重掺杂半导体时，探测器中电场分布均匀，探测器内部的粒子漂移速度提高，探测器的电荷收集效率提高；中央收集电极1、壳形电极3与探测基体2的掺杂浓度差，使中央收集电极1与探测基体2、壳形电极3与探测基体2形成单边突变结，pn结两边的耗尽区宽度不同，探测基体2能够全耗尽，使得探测单元中入射粒子的漂移速度提高，探测单元的电荷收集效率提高。

硅基底4作为探测单元的支撑衬底，上面附着有壳形电极3，由于壳形电极3底面离子注入层的隔离作用，硅基底4中的空穴不会被中央收集电极1收集，探测器中死区比例小，且壳形电极3底面、侧面距离中央收集电极1的间距相同，使得探测单元中电场分布均匀，强辐射造成的深能级缺陷俘获的粒子减少，探测器的电荷收集效率提高；壳形电极3的隔离作用还促使探测单元排列成探测器后，各探测单元的读出电流信号不会相互干扰，能量分辨率提高。

探测单元的制备工艺为：

步骤1，清洗和氧化：使用去离子水将硅基底4清洗至少3次，以保证硅基底4清洁、无浮尘；

在1000℃下，使用高纯氮气和氧气混合气体对硅基底4氧化，生成的氧化硅干燥均匀，能够保护硅基底4，氧原子能与硅基底4中的缺陷(空位)结合，提高硅基底4的抗辐射性能，降低漏电流，吸附杂质，降低硅基底4的杂质含量，提高硅基底4的少子寿命；

步骤2，用boe刻蚀液刻蚀硅基底4顶部的氧化保护层，保留氧化保护层的厚度为900埃米，由于不同离子进入硅基底4所需的能量不同，氧化保护层的存在能保证离子注入时，部分离子(如硼离子和磷离子等)进入硅基底4，同时能隔绝外界环境中的杂质，保证硅基底4的纯净；

保留硅基底4底部的氧化保护层，以保护硅基底4的洁净；

boe刻蚀液能在不损伤硅的情况下，对二氧化硅进行刻蚀，且能调节刻蚀速率；

步骤3，在顶部有900埃米厚氧化保护层的硅基底4上，离子注入形成离子注入层，充当壳形电极3的底面，离子注入操作完成后，使用boe刻蚀液将硅基底4上的氧化保护层刻蚀穿；

步骤4，在离子注入层上继续生长硅形成探测基体2，由于硅基底4上的氧化保护层已经刻蚀完全，使得后续的硅直接生长在硅上，提高先生长硅与后生长硅的晶格匹配度，使生长过程顺利，且结合强度高；

步骤5，用深刻蚀机在探测基体2周围刻蚀出中空的沟槽，混合气体在沟槽内化学沉积生成多晶硅，在沟槽内扩散，制成壳形电极3的侧壁；

步骤6，在探测基体2顶部中间，离子注入形成中央收集电极1；

步骤7，在中央收集电极1和壳形电极3顶部附着金属层6，方便引出引线与外部器件相连，在探测基体2顶部附着氧化层5，隔绝壳形电极3与中央收集电极1，防止短路；

步骤8，退火：将探测单元放于退火炉中，在真空环境或氮气与氩气的混合气体中，在500s内升温到850℃，保持4～8min，然后在40～60s之间急速降温至室温，得到退火后的探测单元，整个退火工艺维持在13min～18min内；

采用真空环境或是氮气与氩气的混合气体，使探测单元能保持之前的工序成果，不易被氧化，退火工艺能够减少探测单元内部的损伤，使得内部的损伤分解为简单缺陷，使少子寿命部分恢复，降低探测单元的漏电流和耗尽电压；

步骤8，封装：将探测单元电极上的金属管脚引出，与外部器件相连。

六边形盒状三维探测器的边界条件为：泊松方程为：可得：

其中，|v|≤vfd，r1≥rc，全耗尽时，r1＝rc，

为探测单元中pn结耗尽层边缘的电势，为探测单元内任一点的电势，为探测单元壳形电极3外侧边缘处的电势，|v|外加电压差的绝对值，r1为探测单元内任一点与中央收集电极1中心的间距，r为中央收集电极1中心与壳形电极3的间距，e为基本电荷，neff为探测基体2的有效掺杂浓度，vfd是耗尽电压，rc为中央收集电极1半径，为中央收集电极1的电势，e(r1)为电场强度，εr是硅的相对介电常数为11.9，εo是探测基体2的真空介电常数8.854×10^-14f/cm，则探测器的耗尽电压vfd和电场强度e(r1)：

由公式(1)可知，正四棱柱电极探测器的耗尽电压，仅与中央收集电极1与壳形电极3的间距，以及离子在探测单元中所处位置与中央收集电极1的距离有关，在本实用新型所述的探测单元尺寸下，探测器的耗尽电压很低，可以使用电池驱动，方便移动、携带；

由公式(2)可知，在探测器的尺寸和耗尽电压很低时，探测单元内部的电场变化平滑，没有慢区，收集的信号没有长尾，电流信号间不会相互干扰，使得探测器的位置分辨率和能量分辨率都有所提高，并且电场相差不大，探测器不会因为电场局部很高而被击穿。

实施例1

探测基体2为p型半导体材料，中央收集电极1为p型重掺杂半导体材料，壳形电极3为n型重掺杂半导体材料，其中探测基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3。

实施例2

在实施例1掺杂类型不变的情况下，使探测基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

实施例3

在实施例1掺杂类型不变的情况下，使探测基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3。

实施例4

探测基体2为p型半导体材料，中央收集电极1为n型重掺杂半导体材料，壳形电极3为p型重掺杂半导体材料，其中探测基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3。

实施例5

在实施例4掺杂类型不变的情况下，使探测基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

实施例6

在实施例4掺杂类型不变的情况下，使探测基体2的掺杂浓度为1×10¹²cm^-3，中央收集电极1的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3，壳形电极3的掺杂浓度为2.45×10¹⁹cm^-3。

实施例1和实施例4、实施例2和实施例5中，中央收集电极1、壳形电极3与探测基体2之间的掺杂浓度差相同，中央收集电极1与探测基体2、壳形电极3与探测基体2之间形成单边突变结，pn结两边的耗尽宽度不同，使得探测基体2能够完全耗尽，提高了入射粒子在探测基体2中的漂移速度，进而使得探测器的电荷收集效率提高。

实施例3和实施例6中，中央收集电极1、壳形电极3与探测基体2之间的掺杂浓度差减小，使得探测基体2不能完全耗尽，入射粒子在探测基体2中的漂移速度降低，进而导致探测器的电荷收集效率降低。

实施例1～3中，pn结位于壳形电极3附近，探测单元的内部电场分布均匀，不易被局部击穿，探测单元内部没有慢区，使得中央收集电极1收集的电流信号没有长尾，不会相互干扰，探测器的能量分辨率提高；而实施例4～6中，探测单元的耐辐射性能提高，探测单元内部电场分布不均匀，易局部击穿。

本说明书中的各个实施例用相关的方式描述，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。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。