一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种螺旋型硅漂移探测器，其其包括正反两面为相同正六边形且平行对齐的基体，所述基体正面的中心为收集电子的阳极，该阳极外环绕有螺旋向外、沿六边形轨迹延伸的正面螺旋环阴极，所述基体反面的中心部设有反面阴极环，沿该阴极的边沿环绕有螺旋向外、沿六边形轨迹延伸的反面螺旋环阴极，所述正面螺旋环阴极和反面螺旋环阴极均位于基体边缘部的边界环内，且正面螺旋环阴极和反面螺旋环阴极的空间对应。本发明专利技术还公开了一种探测器的设计方法。本发明专利技术的探测器采用六边形的基体和双面螺旋环阴极，其上施加偏压能形成一个均匀的电压梯度，确保硅衬底中电子漂移通道的电子分布均匀，有利于提高探测性能。有利于提高探测性能。有利于提高探测性能。

【技术实现步骤摘要】
一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器及其设计方法
[0001][0002][0003][0004]

[0005]本专利技术涉及半导体探测器
，具体是一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器及其设计方法。

技术介绍

[0006]硅漂移探测器是一种用于探测能量束的半导体探测器，基于硅材料自身结构的特殊性和优越的电学特性，随着科学技术的进步，工艺不断完善，硅漂移探测器在现代医学、核技术、高分辨X射线光谱等诸多方面都有重要应用。
[0007]硅漂移探测器在反偏电压的工作状态下，在漂移路径周围产生电子
‑
空穴对，可以把能量束的能量转化为可以输出的电学信号，对电学信号进行信号分析后，这个信号就反应了能量束的特征，从而起到探测的目的。
[0008]螺旋型硅漂移探测器作为SDD家族的主要产品，其工作原理可以看作是一个PN结，运用其几何结构特点，离子植入作为整流结和分压器，需要为入射粒子产生的载流子漂移到收集阳极创建一个势梯度(或漂移场)。
[0009]螺旋型硅漂移探测器相对于其他类型的探测器(例如三维探测器、同心硅漂移探测器等)而言，在工艺制作方面更加简单，运用平面工艺，只在硅基体的表面进行重掺杂，通过离子注入的方式进行掺杂，通过掺杂浓度不同，形成P 极和N极，简单的工艺制作使得其工艺成本也相对较低。在工作时，给中心阳极加以适当的反偏电压使得整个硅衬底达到耗尽状态，从而在硅衬底中形成一条类似于电子通道的电子分布，通道十分明显，这让其工作灵敏度、频率响应速度、收集效率和位置分辨率都表现出很好的性能。
[0010]中国专利文献公开号为CN 109671797 B的《漂移探测器及其制作方法》，该漂移探测器包括：第一导电半导体衬底、隧穿氧化层、第二导电半导体层、第三导电半导体层、金属电极层和隔离层；其中，第二导电半导体层与第一导电半导体衬底的导电类型相反，第三导电半导体层与第一导电半导体衬底的导电类型相同，第二导电半导体层、位于其下方的隧穿氧化层和第一导电半导体衬底共同构成PN结，该PN结形成：漂移电极、第一保护环、入射窗口和第二保护环；第三导电半导体层、位于其下方的隧穿氧化层和第一导电半导体衬底共同构成高低结，该高低结形成：阳极、第一接地电极和第二接地电极。该漂移探测器实现大面积、低噪声、能量分辨率高。
[0011]上述同心环漂移探测器存在环间间隙较大，进而环间间隙上的氧化硅面积较大，增加了氧化硅和硅界面电子态引起的表面漏电流；同时同心环结构，不能自动分压，加压的时候为了保证环与环之间按照一定的电压梯度变化，需要给每个同心环加以不同的偏压，偏压施加过程复杂。

技术实现思路

[0012]针对上述现有技术中的不足之处，本专利技术提出一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器及其设计方法，用于解决现有技术偏压施加过程中不能自动分压的问题。
[0013]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案：
[0014]一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器，其包括正反两面为相同正六边形且平行对齐的基体，所述基体正面的中心为收集电子的阳极，该阳极外环绕有螺旋向外、沿六边形轨迹延伸的正面螺旋环阴极，所述基体反面的中心部设有反面阴极环，沿该反面阴极环的边沿环绕有螺旋向外、沿六边形轨迹延伸的反面螺旋环阴极，所述正面螺旋环阴极和反面螺旋环阴极均位于基体边缘部的边界环内，且正面螺旋环阴极和反面螺旋环阴极的空间对应关系使得探测器在偏压下自动分压后于基体内形成的电子漂移通道趋于一个平面。
[0015]进一步地，所述正面螺旋环阴极和反面螺旋环阴极互为镜像，其相邻环级的螺旋环环间间隙均相等，螺旋环阴极的宽度沿向外延伸的螺旋轨迹逐渐增加。
[0016]进一步地，还包括位于阳极与正面螺旋环阴极之间的六边形阴极环，所述阳极为正六边形，所述反面阴极环为正六边形环，该六边形阴极环、反面阴极环与阳极同心相似。
[0017]进一步地，所述阳极、六边形阴极环、螺旋环阴极朝六个方向的对应角对齐，所述螺旋环阴极的起始点位于角的位置上。
[0018]进一步地，所述阳极、六边形阴极环、反面阴极环、边界环、正面螺旋环阴极的起始部位以及反面螺旋环阴极的起始部位的表面均覆盖有铝电极接触层，基体正面、反面的螺旋环阴极环间区域都覆盖有S
i
O2膜。
[0019]进一步地，所述基体尺寸为3000μm
×
3000μm
×
300μm，所述阳极的外切圆半径为60μm，所述六边形阴极环的内切圆半径为70μm且环宽20μm，正面螺旋环阴极的起始点距离基体正面中心的距离为100μm，正面螺旋环阴极的环级圈数为21圈，环间间隙为10μm，所述反面阴极环的外切圆半径为80μm且环宽19μm，所述边界环的内径为2940μm且环宽为60μm；
[0020]所述基体是掺杂浓度是4
×
10
11
/cm3、掺杂深度为1μm的N型轻掺杂，所述阳极是掺杂浓度是1
×
10
19
/cm3、掺杂深度为1μm的N型重掺杂，所述六边形阴极环、反面阴极环、边界环是掺杂浓度是1
×
10
19
/cm3、掺杂深度为1μm的P型重掺杂。
[0021]本专利技术还公开了一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器的设计方法，其包括步骤：
[0022]S1、给定施加的表面电场E(r)，E(r)与环间间隙g、螺旋环阴极的螺距p(r)、螺旋环阴极的宽度ω(r)、电阻率ρ
s
、电流I、螺旋环阴极的每级环长的常系数α之间的对应关系为：
[0023][0024]则有螺距p(r)的计算式：
[0025][0026]又依据螺旋环阴极的宽度ω(r)与螺旋环阴极的螺距p(r)、环间间隙g之间的关系，得到：
[0027][0028]S2、通过表面电势φ(R)公式迭代解出计算式
③
中的σ，其中：
[0029][0030][0031]所述式
⑤
中，φ
I
＝4ρ
s
αI；x＝σ2r
2ε
‑
1；x1＝σ2r
12ε
‑
1；n＝0,1,2,3Λ；1；n＝0,1,2,3Λ；r为随螺旋环角度不断向外延伸的半径，r1为最内环的半径，R为最外环的半径；
[0032]S3、根据S2中的算式，计算：
[0033][0034]S4、根据S3中的算式，计算随螺旋环角度不断向外延伸的半径r：
[0035][0036]式
⑦
中的为正反两面螺旋旋转中连续递增的弧度；
[0037]S5、根据S3、S4中的计算结果σ、r，代入式
③
得到螺旋环阴极的宽度ω(r)；
[0038]S6、计算耗尽电压其中N
eff
为硅基体N型轻掺杂有效掺杂浓度， q为每个电子的电荷量q＝1.6
×
10...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器，其特征在于：包括正反两面为相同正六边形且平行对齐的基体，所述基体正面的中心为收集电子的阳极，该阳极外环绕有螺旋向外、沿六边形轨迹延伸的正面螺旋环阴极，所述基体反面的中心部设有反面阴极环，沿该反面阴极环的边沿环绕有螺旋向外、沿六边形轨迹延伸的反面螺旋环阴极，所述正面螺旋环阴极和反面螺旋环阴极均位于基体边缘部的边界环内，且正面螺旋环阴极和反面螺旋环阴极的空间对应关系使得探测器在偏压下自动分压后于基体内形成的电子漂移通道趋于一个平面。2.根据权利要求1所述的一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器，其特征在于：所述正面螺旋环阴极和反面螺旋环阴极互为镜像，其相邻环级的螺旋环环间间隙均相等，螺旋环阴极的宽度沿向外延伸的螺旋轨迹逐渐增加。3.根据权利要求2所述的一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器，其特征在于：还包括位于阳极与正面螺旋环阴极之间的六边形阴极环，所述阳极为正六边形，所述反面阴极环为正六边形环，该六边形阴极环、反面阴极环与阳极同心相似。4.根据权利要求3所述的一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器，其特征在于：所述阳极、六边形阴极环、螺旋环阴极朝六个方向的对应角对齐，所述螺旋环阴极的起始点位于角的位置上。5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器，其特征在于：所述阳极、六边形阴极环、反面阴极环、边界环、正面螺旋环阴极的起始部位以及反面螺旋环阴极的起始部位的表面均覆盖有铝电极接触层，基体正面、反面的螺旋环阴极环间区域都覆盖有S
i
O2膜。6.根据权利要求5所述的一种双面等阴极环间隙螺旋型硅漂移探测器，其特征在于：所述基体尺寸为3000μm
×
3000μm
×
300μm，所述阳极的外切圆半径为60μm，所述六边形阴极环的内切圆半径为70μm且环宽20μm，正面螺旋环阴极的起始点距离基体正面中心的距离为100μm，正面螺旋环阴极的环级圈数为21圈，环间间隙为10μm，所述反面阴极环的外切圆半径为80μm且环宽19μm，所述边界环的内径为2940μm且环宽为60μm；所述基体是掺杂浓度是4
×
10
11
/cm3、掺杂深度为1μm的N型轻掺杂，所述阳极是掺杂浓度是1
×
10
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/cm3、掺杂深度为1μm的N型重掺杂，所述六边形阴极环、...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙佳雄，李正，李晓丹，谭泽文，蔡新毅，李鑫卿，王洪斐，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：