球形盒状三维探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种球形盒状三维探测器及其制备方法，探测器由数个探测单元排列而成，探测单元外形呈圆柱状，探测单元包括空心的基底，基底底部附着有氧化层a，基底内固定有空心半球的壳形电极，壳形电极内填充有半导体基体，半导体基体顶部中间镶嵌有实心半球的中央收集电极，中央收集电极与壳形电极顶部附着有金属层，半导体基体顶部附着有氧化层b；本发明专利技术工作时内部电场均匀，电流信号无长尾、不相互干扰，探测器的能量分辨率提高，本发明专利技术的探测单元整体尺寸小，耗尽电压、结电容和漏电流都很小，噪音小，探测器的位置分辨率提高，能适应电池进行驱动，方便携带。

【技术实现步骤摘要】
球形盒状三维探测器及其制备方法
本专利技术属于高能物理、天体物理、航空航天、军事、医学
，涉及一种球形盒状三维探测器及其制备方法。
技术介绍
探测器主要用于高能物理、天体物理、航空航天、军事、医学
，三维探测器的电极为两个N型重掺杂的柱状电极和位于对角的两个P型重掺杂的柱状电极，外加电压取任意值，N型重掺杂柱状电极与p型重掺杂柱状电极之间的几何中心点电场都为零，且探测器内部灵敏区存在死区。传统的三维沟槽硅探测器的电极没有贯穿硅体，在探测单元的底部有一层厚度为10％的硅衬底，硅衬底只具有支撑硅体的作用，使得探测单元的死区比例大，粒子在硅衬底中由于弱电场的影响，漂移速度很小，容易被强辐射造成的深能级缺陷俘获，使得三维沟槽硅探测器的电荷收集效率不好；探测单元排列形成探测器后，各个探测器单元之间的电学信号会通过硅衬底影响其他单元，形成干扰，造成三维沟槽硅探测器的能量分辨率降低；中央柱形电极表面积分布较长，导致三维沟槽硅探测器电容较大，信号噪音大。
技术实现思路
本专利技术提供一种球形盒状三维探测器，该探测器的死区比例小，粒子漂移速度高，探测器的电荷收集效率好，同时探测器各探测单元间的电流信号不会相互干扰，探测器位置分辨率和能量分辨率提高。本专利技术提供一种球形盒状三维探测器的制备方法，该方法制备的探测器电极均匀性和可控性好，漏电流和结电容降低，探测单元间的电流信号无长尾、不会相互干扰，电流信号便于处理，探测器位置分辨率和能量分辨率提高。本专利技术所采用的技术方案是，球形盒状三维探测器，由数个探测单元排列组成，探测单元的外形为圆柱状，所述探测单元包括空心的基底，基底底部附有氧化层a，基底内固定有空心半球的壳形电极，壳形电极中填充有半导体基体，半导体基体顶部中间镶嵌有实心半球形的中央收集电极，在中央收集电极和壳形电极顶部附有金属层，半导体基体顶部附有氧化层b。进一步的，氧化层a厚度为1μm，中央收集电极的半径为1～2μm，壳形电极的厚度为1～2μm，壳形电极与中央收集电极中心的间距为20～500μm。进一步的，半导体基体为超纯高阻硅，掺杂浓度为1×1012cm-3，壳形电极与中央收集电极的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1019cm-3。进一步的，半导体基体为N型半导体材料或P型半导体材料。进一步的，壳形电极为P型重掺杂半导体材料，中央收集电极为N型重掺杂半导体材料。进一步的，壳形电极为N型重掺杂半导体材料，中央收集电极为P型重掺杂半导体材料。本专利技术所采用的技术方案是，球形盒状三维探测器的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1：在高阻硅芯片上附着轻掺杂材料，形成作为基底，在基底上离子注入横截面半径为1～2μm的圆柱形重掺杂半导体材料a；步骤2：在重掺杂半导体材料a顶面生长圆柱状轻掺杂硅，轻掺杂硅的底面与圆片大小一致；步骤3：在轻掺杂硅的侧面，离子注入宽度为1～2μm的重掺杂半导体材料a的圆环；步骤4：在轻掺杂硅与重掺杂半导体材料a顶面上，生长的轻掺杂硅，在轻掺杂硅的侧面离子注入宽度为1～2μm的重掺杂半导体材料a的圆环；步骤5：重复步骤4，重掺杂半导体材料a形成壳形电极，轻掺杂硅形成半导体基体；步骤6：在半导体基体顶部中间离子注入半球形的重掺杂半导体材料b，作为中央收集电极，重掺杂半导体材料a与重掺杂半导体材料b的掺杂类型相反；步骤7：在半导体基体顶部生成氧化层b，在基底底部附着氧化层a，在中央收集电极和壳形电极顶部生成金属层；步骤8：划片、引线、封装形成球形盒状三维探测器。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术的壳形电极使得探测器工作时内部电场分布均匀，低电场区域少，电流信号无长尾，且不相互干扰，探测器的分辨率提高；2、本专利技术的中央收集电极尺寸小，相应的结电容极小，信号噪音小，能量分辨率提高；3、本专利技术的全耗尽电压极低，能使用电池进行驱动，方便携带；4、本专利技术的整体尺寸较小，漏电流极低，响应时间短。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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是球形盒状三维探测器的结构图。图2是球形盒状三维探测器的俯视图。图3是球形盒状三维探测器的工艺图。图4是球形盒状三维探测器的排列图。图中，1.中央收集电极，2.半导体基体，3.壳形电极，4.基底，5.氧化层a，6.金属层，7.氧化层b。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。球形盒状三维探测器由数个探测单元按照图4所示的方式排列组成，探测单元结构如图1～图2所示，外形为圆柱形，探测单元包括氧化层a5，氧化层a5作为一个缓冲层，在探测器制备完成后，可机械减薄引出电极；氧化层a5附着在基底4底部，基底4内固定有空心半球的壳形电极3，壳形电极3中填充有半导体基体2，半导体基体2顶部中间镶嵌有实心半球形的中央收集电极1，在中央收集电极1和壳形电极3顶部附有金属层6，半导体基体2顶部附有氧化层b7。氧化层a5厚度为1μm，中央收集电极1的半径为1～2μm，壳形电极3的厚度为1～2μm，壳形电极3与中央收集电极1中心的间距为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。壳形电极3和中央收集电极1为掺杂类型不同、掺杂浓度相同的重掺杂半导体材料，壳形电极3和中央收集电极1的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1019cm-3，半导体基体2为超纯高阻硅，半导体基体2的掺杂浓度为1×1012cm-3；壳形电极3、中央收集电极1与半导体基体2的掺杂浓度差形成单边突变结，使得PN结两边的耗尽区宽度不同，半导体基体2能够全耗尽，形成空间电荷区，半导体基体2内部无可移动的载流子，形成高电场，使得入射粒子的漂移速度加快，探测器电荷收集效率提高；掺杂浓度差过大，在探测单元内部易形成不易去除的损伤，会增大载流子被俘获的概率，影响中央收集电极1收集电子空穴对的能力，增大探测器的漏电流，进而降低探测器的位置分辨率和能量分辨率；掺杂浓度过小，中央收集电极1与半导体基体2、壳形电极3与半导体基体2不能形成单边突变结，在半导体基体2耗尽宽度与中央收集电极1、壳形电极3的耗尽宽度相同，且半导体基体2面积远大于中央收集电极1、壳形电极3面积的情况下，半导体基体2不能完全耗尽，使得入射粒子的漂移速度降低，影响探测器的电荷收集效率。探测单元中各部分的掺杂类型有四种：(1)半导体基体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；(2)半导体基体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；(3)半导体基体2为N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；(4)半导体基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.球形盒状三维探测器，其特征在于，探测器由数个探测单元排列组成，探测单元的外形为圆柱状，所述探测单元包括空心的基底(4)，基底(4)底部附有氧化层a(5)，基底(4)内固定有空心半球的壳形电极(3)，壳形电极(3)中填充有半导体基体(2)，半导体基体(2)顶部中间镶嵌有实心半球形的中央收集电极(1)，在中央收集电极(1)和壳形电极(3)顶部附有金属层(6)，半导体基体(2)顶部附有氧化层b(7)。

【技术特征摘要】
1.球形盒状三维探测器，其特征在于，探测器由数个探测单元排列组成，探测单元的外形为圆柱状，所述探测单元包括空心的基底(4)，基底(4)底部附有氧化层a(5)，基底(4)内固定有空心半球的壳形电极(3)，壳形电极(3)中填充有半导体基体(2)，半导体基体(2)顶部中间镶嵌有实心半球形的中央收集电极(1)，在中央收集电极(1)和壳形电极(3)顶部附有金属层(6)，半导体基体(2)顶部附有氧化层b(7)。2.根据权利要求1所述的球形盒状三维探测器，其特征在于，所述氧化层a(5)厚度为1μm，中央收集电极(1)的半径为1～2μm，壳形电极(3)的厚度为1～2μm，壳形电极(3)与中央收集电极(1)中心的间距为20～500μm。3.根据权利要求1所述的球形盒状三维探测器，其特征在于，所述半导体基体(2)为超纯高阻硅，掺杂浓度为1×1012cm-3，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。4.根据权利要求1所述的球形盒状三维探测器，其特征在于，所述半导体基体(2)为N型半导体材料或P型半导体材料。5.根据权利要求1所述的球形盒状三维探测器，其特征在于，所述壳形电极(3)为P型重掺杂半导体材料，中央收集电极(1)为N型重掺杂半导体材...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正，张亚，廖川，路顺茂，
申请(专利权)人：李正，
类型：发明
国别省市：美国,US