像素探测单元、探测器及其制备方法

本申请属于半导体，具体涉及一种像素探测单元、探测器及其制备方法。

背景技术：

1、像素探测器目前是加速器高能物理实验上主流的顶点探测器。探测带电粒子的像素探测单元一般包含两部分，一部分是灵敏区，即传感器，带电粒子穿过它时通过电离产生电子空穴对；另一部分是读出电子学，通常是集成电路形式，对灵敏区收集的电荷进行放大、成形、甄别等处理，并将处理后的信号送到外部电子学进行触发与数据采集。然后现有的像素探测器仍存在结构复杂，性能不够理想等问题。

技术实现思路

1、本申请的技术目的是至少解决了现有像素探测器器结构比较复杂，性能还有待改善的问题。

2、该目的是通过以下技术方案实现的：

3、第一方面，本申请提供了一种像素探测单元，包含：

4、硅基探测单元：具备读出端；

5、薄膜晶体管：包含栅极；

6、所述读出端连接所述栅极以调控所述薄膜晶体管的开关状态。

7、本申请设计的像素探测单元包括将硅基探测单元与薄膜晶体管集成在一起以使硅基探测单元的读出端连接薄膜晶体管的栅极。当入射光或粒子(比如x射线，质子，中子，重离子等)进入硅基探测单元后在耗尽区内产生电子-空穴对，进一步在偏置电压影响下，电子将被电场拉到n极而空穴将被拉到p极。由于载流子带有电荷，它们在电场中的移动将导致电子或空穴在电极位置的累计而在读出端中产生一个可测量的电压信号。该电压信号随着入射光或粒子的改变而改变，且该电压信号施加到栅极上形成电场，薄膜晶体管内形成导电通道，使得薄膜晶体管中源极和漏极之间的电流可以流动进而实现了薄膜晶体管的开关闭合状态。

8、本申请中硅基探测单元内形成的电流值一般比较小在纳安级别，该纳安级别的电流值在薄膜晶体管中被放大至毫安级别，进而提高了信号增益。与此同时，薄膜晶体管自身的噪声并不大，而增益的信号在后续信号传输过程中对噪声的变化幅度影响小，提高了信号与噪声的比值，从而改善了信号的可靠性、准确性及可测性。与此同时，本申请硅基探测单元的组成及结构更简单，增加了器件自身的成品良率。

9、在本申请的一些实施方式中，所述薄膜晶体管还包括源极与漏极，及位于所述源极、所述漏极之间的沟道层；

10、优选地，所述沟道层与所述栅极之间设有绝缘层；

11、优选地，所述栅极位于所述沟道层的一侧。

12、在本申请的一些实施方式中，所述硅基探测单元包含pd型探测单元、lgad探测单元、sipm探测单元、apd探测单元中的任一种。

13、在本申请的一些实施方式中，所述硅基探测单元包含硅基体，沿所述硅基体厚度方向的两端分别设有第一掺杂区与第二掺杂区，所述第一掺杂区与所述第二掺杂区的掺杂类型不同；

14、优选地，所述第一掺杂区包含p型掺杂以构成所述读出端；

15、优选地，所述第二掺杂区包含n型掺杂以配合导电金属形成电极。

16、在本申请的一些实施方式中，所述像素探测单元包括叠置在一起的：

17、硅基体：具备读出端和电极，所述电极和所述读出端沿所述硅基体厚度方向的两端分别设置；

18、栅极：连接所述读出端；

19、源极和漏极：位于所述栅极两侧；

20、沟道层：位于所述源极与所述漏极之间且连接所述源极与所述漏极；

21、绝缘层：用于隔绝所述栅极与所述沟道层；

22、钝化层：形成于所述源极、所述漏极与所述沟道层的同一侧表面。

23、在本申请的一些实施方式中，所述沟道层的厚度小于所述源极的厚度和/或所述漏极的厚度。

24、在本申请的一些实施方式中，所述栅极具备台阶状侧面，所述台阶状侧面沿所述栅极的厚度方向分布。

25、在本申请的一些实施方式中，所述栅极、所述源极、所述漏极的材质各自独立地包含mo、ito、al、cu、w、ti中的任一种；

26、所述沟道层的材质包含铟镓锌氧化物、铟锌氧化物、铟钨氧化物、氧化锌、铟铝锌氧化物或多晶硅的任一种；

27、所述绝缘层与所述钝化层的材质各自独立的包含氧化硅、氮化硅中的任一种。

28、本申请的第二方面是提供一种像素探测器，包括第一方面所述的像素探测单元以阵列形式排布。

29、本申请的第三方面是提供一种像素探测单元的制备方法，包括如下过程：

30、提供硅基体；

31、沿所述硅基体厚度方向的一端形成读出端；

32、在所述读出端的一侧表面制备形成薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包含栅极；

33、所述读出端连接所述栅极以调控所述薄膜晶体管的开关状态。

34、在本申请的一些实施方式中，在所述读出端的一侧表面制备形成薄膜晶体管包含：

35、在所述读出端的一侧表面生长形成栅极；

36、在所述栅极表面生长绝缘层以覆盖所述栅极；

37、在所述绝缘层的中央位置生长沟道层；

38、刻蚀掉所述沟道层外周的部分绝缘层以形成沟槽；

39、在所述沟槽内生长形成源极和漏极；

40、在所述源极、所述漏极与所述沟道层的同一侧表面生钝化层以覆盖所述源极、所述漏极与所述沟道层。

41、本申请设计的像素探测单元还简化了系统设计和制造过程，减少了组件数量和连接电路，使器件自身的成品良率增加。因此本申请设计的像素探测单元用于制成电子设备在航空航天、深空探测、宇宙探索、重大物理实验、医学、x射线成像、军事工业等领域具备较好应用前景。

技术特征：

1.一种像素探测单元，其特征在于，包含：

2.根据权利要求1所述的像素探测单元，其特征在于，所述薄膜晶体管还包括源极与漏极，及位于所述源极、所述漏极之间的沟道层；

3.根据权利要求1～2中任一项所述的像素探测单元，其特征在于，所述硅基探测单元包含pd型探测单元、lgad探测单元、sipm探测单元、apd探测单元中的任一种；

4.根据权利要求1～2中任一项所述的像素探测单元，其特征在于，所述像素探测单元包括叠置在一起的：

5.根据权利要求4所述的像素探测单元，其特征在于，所述沟道层的厚度小于所述源极的厚度和/或所述漏极的厚度。

6.根据权利要求4所述的像素探测单元，其特征在于，所述栅极具备台阶状侧面，所述台阶状侧面沿所述栅极的厚度方向分布。

7.根据权利要求4所述的像素探测单元，其特征在于，所述栅极、所述源极、所述漏极的材质各自独立地包含mo、ito、al、cu、w、ti中的任一种；

8.一种像素探测器，其特征在于：包括权利要求1～7中任一项所述的像素探测单元以阵列形式排布。

9.一种像素探测单元的制备方法，其特征在于：包括如下过程：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：在所述读出端的一侧表面制备形成薄膜晶体管包含：

技术总结
本申请属于半导体器件技术领域，具体涉及一种像素探测单元、探测器及其制备方法。该像素探测单元包括将硅基探测单元与薄膜晶体管集成在一起以使硅基探测单元的读出端连接薄膜晶体管的栅极以调控薄膜晶体管的开关状态。本申请设计的像素探测单元改善了信号的可靠性、准确性及可测性。在该基础上，还简化了系统设计和制造过程，减少了组件数量和连接电路，增加了器件自身的成品良率。

技术研发人员：许高博,卢宇鹏,孙朋,殷华湘
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24