本發(fā)明屬于三維硅探測器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種長蜂窩殼型電極三維探測器。

背景技術(shù)：

探測器主要用于高能物理、天體物理領(lǐng)域。傳統(tǒng)的“三維硅探測器”有許多的不足之處，例如底部有一層厚度為30％d的硅襯底(d為探測器整體厚度)，硅襯底只具有支撐硅體的作用，粒子在這一層由于弱電場的影響，漂移速度很小，因此在這一層中由于低速漂移而被強(qiáng)輻射造成的深能級缺陷俘獲的粒子很多，另外，粒子不能雙面進(jìn)入探測器。

現(xiàn)有技術(shù)(申請?zhí)枺?01620359775.2，名稱：一種新型閉合式殼型電極硅探測器，公開日：2016.10.26)具體公開了一種新型閉合式殼型電極硅探測器，但是這種探測器的結(jié)構(gòu)決定了在實(shí)際應(yīng)用中存在以下幾個問題：1.六棱柱與十二棱柱的嵌套方式使六棱柱與十二棱柱之間間隙形成的死區(qū)在該探測器陣列的靈敏區(qū)上分布密度大；2.單個探測器單元的死區(qū)面積大，拼成陣列時，死區(qū)面積更大，而且拼成陣列時需要的探測器單元數(shù)量多；3.探測器邊角上電場仍然比較弱，影響電荷收集；4.探測器的六棱柱與十二棱柱的間隙小，實(shí)際制作工藝難度大；5.拼成m×n的陣列時，信號讀出路數(shù)為m×n，信號讀出路數(shù)多會造成成本高。6.電學(xué)信號會通過死區(qū)影響其它單元，造成位置分辨率的降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種長蜂窩殼型電極三維探測器，探測器死區(qū)集中分布于探測器陣列邊緣，使得死區(qū)在靈敏區(qū)上的分布密度為零，減小死區(qū)面積，解決了現(xiàn)有技術(shù)中探測器的電荷收集性能差，位置分辨率低，制作工藝難度大，信號讀出路線多，成本高的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種長蜂窩殼型電極三維探測器，每個長蜂窩殼型電極三維探測器單元包括硅基體，在硅基體的上部由上往下單面不貫穿刻蝕得到長蜂窩型溝槽電極，在硅基體的下部由下往上單面不貫穿刻蝕得到七邊形溝槽電極，長蜂窩型溝槽電極的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，七邊形溝槽電極的截面為切去所述六邊形較長對角線對應(yīng)的一個角而形成的七邊形，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在z軸上有重合，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在x軸、y軸所在平面內(nèi)重疊的部分為貫穿刻蝕，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在x軸、y軸所在平面內(nèi)不重疊的部分與七邊形溝槽電極的外表面圍合形成第一死區(qū)，第一死區(qū)與硅基體相連接；長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極共同構(gòu)成溝槽電極，溝槽電極的中心包圍有貫穿刻蝕的中心電極，中心電極的上表面設(shè)有陽極金屬接觸層，溝槽電極的上表面設(shè)有陰極金屬接觸層，陽極金屬接觸層接正極，陰極金屬接觸層接負(fù)極；多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以鏡像方式排列成陣列或按照上下相互正交的方式排列成陣列。

本發(fā)明的特征還在于，進(jìn)一步的，所述多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以鏡像方式排列具體為：長蜂窩殼型電極三維探測器單元沒有第一死區(qū)的一端稱a端，長蜂窩殼型電極三維探測器單元有第一死區(qū)的一端稱b端，多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以ab|ba的方式進(jìn)行排列。

進(jìn)一步的，所述多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元按照上下相互正交的方式排列具體為：橫向陣列與縱向陣列在z方向上緊密相接，入射的粒子可以穿過上方的陣列到達(dá)下方的陣列。

進(jìn)一步的，所述長蜂窩型溝槽電極和七邊形溝槽電極的棱邊間距為長蜂窩型溝槽電極和中心電極的電極間距為r，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極的寬度相同，均為w。

進(jìn)一步的，所述中心電極的厚度與探測器的厚度相同，均為d，d的取值范圍為200-500微米；長蜂窩型溝槽電極的厚度為90％d，七邊形溝槽電極的厚度為10％～20％d，長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在z軸上重合厚度為0-10％d。

進(jìn)一步的，所述長蜂窩型溝槽電極、七邊形溝槽電極、中心電極的摻雜濃度相同，中心電極為重?fù)诫sp型硅，長蜂窩型溝槽電極、七邊形溝槽電極均為重?fù)诫sn型硅；硅基體和第一死區(qū)的摻雜濃度相同，且均為輕摻雜硅。

進(jìn)一步的，所述陽極金屬接觸層、陰極金屬接觸層、二氧化硅保護(hù)層的厚度均為1微米。

進(jìn)一步的，所述長蜂窩殼型電極三維探測器的下表面設(shè)有二氧化硅保護(hù)層，厚度為1微米。

進(jìn)一步的，所述中心電極的寬度、長蜂窩型溝槽電極的寬度、七邊形溝槽電極的寬度均為10微米。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在硅基體的上部由上往下單面不貫穿刻蝕得到長蜂窩型溝槽電極，在硅基體的下部由下往上單面不貫穿刻蝕得到七邊形溝槽電極，長蜂窩型溝槽電極的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，七邊形溝槽電極的截面為切去所述六邊形較長對角線對應(yīng)的一個角而形成的七邊形，長蜂窩型溝槽電極和七邊形溝槽電極的棱邊間距為在形成死區(qū)最小的前提下，保證探測器單元拼成陣列時，貫穿的溝槽不會形成回路使硅體掉落。

七邊形溝槽電極的形狀設(shè)計與鏡像的排列方式結(jié)合改變了原有死區(qū)的分布方式，使探測器的死區(qū)集中分布于陣列邊緣，與背景技術(shù)中的新型閉合式殼型電極硅探測器相比，探測器靈敏區(qū)中沒有死區(qū)存在，造成了在實(shí)際運(yùn)用中的“無死區(qū)”；即使增大七邊形溝槽電極與長蜂窩型溝槽電極之間的間隙，死區(qū)總面積依然較小，減小了由上往下刻蝕長蜂窩型溝槽電極的工藝難度，降低工藝操作成本。長蜂窩型溝槽電極與七邊形溝槽電極在z軸上有重合，避免使本單元上所加的電勢影響到其它單元的電場分布，提高位置分辨率。

長蜂窩殼型電極三維探測器單元按照上下相互正交的方式排列成陣列，能夠同時測量x、y兩個方向的位置，并且信號讀出路線數(shù)目只有m+n，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有新型閉合式殼型電極硅探測器拼成陣列時后的信號讀出路線數(shù)目m×n，大大降低了成本，并且不影響x、y兩個方向的位置分辨率。

長蜂窩型溝槽電極的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，即長蜂窩型溝槽電極是正六邊形在x方向上是拉長的，而不是整體等比例變大，δs區(qū)域可以看作平行板電容器，δs上的電場線總是垂直于棱邊，δs電場線的距離總是最短，沿著電場線漂移的粒子漂移距離最短，因此δs區(qū)域粒子漂移路徑上的深能級缺陷俘獲的粒子變少，改善了探測器的邊角上電荷收集性能。此外，拉長后每一探測器死區(qū)占總體的比例更小了，減小死區(qū)，同時各單元之間減少了電學(xué)相干性，各探測器單元之間電學(xué)信號獨(dú)立性更好，減少了電學(xué)相干性帶來的位置分辨率降低的影響；拉長后長蜂窩型溝槽電極比正六邊形的面積大，減少拼成陣列時需要的探測器單元數(shù)量，降低信號讀出路線數(shù)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是現(xiàn)有新型閉合式殼型電極硅探測器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是現(xiàn)有新型閉合式殼型電極硅探測器陣列的死區(qū)示意圖。

圖3是本發(fā)明長蜂窩殼型電極三維探測器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明長蜂窩殼型電極三維探測器單元的俯視圖。

圖5是本發(fā)明長蜂窩殼型電極三維探測器單元鏡像排列的俯視圖。

圖6是本發(fā)明長蜂窩殼型電極三維探測器陣列的死區(qū)示意圖。

圖7是現(xiàn)有新型閉合式殼型電極硅探測器陣列的俯視圖。

圖8是本發(fā)明長蜂窩殼型電極三維探測器單元上下相互正交排列的俯視圖。

圖中，1-1.空心六棱環(huán)，1-2.中央電極空心柱，1-3.空心十二棱環(huán)，101.陽極金屬接觸層，102.二氧化硅保護(hù)層，103.陰極金屬接觸層，2.溝槽電極，201.長蜂窩型溝槽電極，202.七邊形溝槽電極，301.中心電極，401.硅基體，402.第一死區(qū)，403.第一邊緣死區(qū)，404第二死區(qū)，405.第二邊緣死區(qū)，501.二氧化硅保護(hù)層。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

背景技術(shù)中一種新型閉合式殼型電極硅探測器的結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示，空心六棱環(huán)1-1接正極，其寬度的10μm，最上層是1μm的鋁，鋁層下面是重?fù)诫s磷的硅；中央電極空心柱1-2接負(fù)極，其半徑是5μm，最上層是1μm的鋁，鋁層下面是180μm～450μm的重?fù)诫s硼的硅?？招氖猸h(huán)1-3與空心六棱環(huán)1-1接觸，均接正極，其寬度10μm。空心六棱環(huán)1-1與空心十二棱環(huán)1-3之間間隙形成的第二死區(qū)404大部分分布在探測器的中部靈敏區(qū)，且第二死區(qū)404的分布密度很大，只有少部分第二死區(qū)404分布在第二邊緣死區(qū)405附近，因此在實(shí)際應(yīng)用中第二死區(qū)404對探測器的影響較大；為了減小第二死區(qū)404對探測器的影響，只能減小第二死區(qū)404的面積，即將空心六棱環(huán)1-1與空心十二棱環(huán)1-3之間的間隙設(shè)計的最小，對工藝操作提出了較高的要求，導(dǎo)致工藝加工難度很大。

本發(fā)明長蜂窩殼型電極三維探測器的結(jié)構(gòu)，如圖3-4所示，每個長蜂窩殼型電極三維探測器單元包括硅基體401，在硅基體401的上部由上往下單面不貫穿刻蝕得到長蜂窩型溝槽電極201，在硅基體401的下部由下往上單面不貫穿刻蝕得到七邊形溝槽電極202，長蜂窩型溝槽電極201的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，七邊形溝槽電極202的截面為切去所述六邊形較長對角線對應(yīng)的一個角而形成的七邊形，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上有重合，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在x、y平面內(nèi)重疊的部分為貫穿刻蝕，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在x、y平面內(nèi)不重疊的部分與七邊形溝槽電極202的外壁圍合形成第一死區(qū)402，第一死區(qū)402與硅基體401相連接，由于第一死區(qū)402內(nèi)部沒有中心電極301，電場低，不能收集到電荷；第一死區(qū)402與202的厚度相同；長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202共同構(gòu)成溝槽電極2，溝槽電極2的中心包圍有貫穿刻蝕的中心電極301，溝槽電極2與中心電極301形成封閉式電極，使探測器在軸向方向沒有充當(dāng)死區(qū)的襯底；中心電極301的表面設(shè)有陽極金屬接觸層101，溝槽電極2的表面設(shè)有陰極金屬接觸層103，陽極金屬接觸層101接正極，陰極金屬接觸層103接負(fù)極；二氧化硅保護(hù)層102用于隔開陽極金屬接觸層101和陰極金屬接觸層103，陽極金屬接觸層101、陰極金屬接觸層103、二氧化硅保護(hù)層102的厚度均為1微米。

長蜂窩型溝槽電極201和七邊形溝槽電極202的棱邊間距為在形成死區(qū)最小的前提下，保證探測器單元拼成陣列時，貫穿的溝槽不會形成回路使硅體掉落；長蜂窩型溝槽電極201和中心電極301的電極間距為r，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202的寬度相同，均為w，w為10微米(由現(xiàn)有工藝技術(shù)條件決定)；中心電極301的寬度也為10微米。

中心電極301的厚度與探測器的厚度相同，均為d，d的取值范圍為200-500微米，由現(xiàn)有工藝決定，長蜂窩型溝槽電極201的厚度為90％d，七邊形溝槽電極202的厚度為10％～20％d，使軸向(z軸)上各位置都能收集到電子；長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上重合厚度為0-10％d，是為了減小不同探測器單元在電學(xué)信號上的相干性；重合厚度為0是指長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上剛剛重合；若長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上沒有重合，會使本單元上所加的電勢影響到其他單元的電場分布；若長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上重合部分較大，會造成工藝上的浪費(fèi)，增加刻蝕成本；因此選取長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202在z軸上重合厚度為0-10％d，效果最好。

探測器的下表面設(shè)有二氧化硅保護(hù)層501，厚度為1微米，用于保護(hù)探測器表面沒有劃痕，同時起到隔開電極的作用。

長蜂窩型溝槽電極201、七邊形溝槽電極202、中心電極301的摻雜濃度相同，中心電極301為重?fù)诫sp型硅，長蜂窩型溝槽電極201、七邊形溝槽電極202均為重?fù)诫sn型硅；硅基體401和第一死區(qū)402的摻雜濃度相同，均為輕摻雜硅；

長蜂窩型溝槽電極201的截面為六邊形，該六邊形的兩條對角線相等且比第三條對角線短，較長對角線與較短對角線的長度比增大，會引起一維方向上位置分辨的降低和電容的增大，電容會引起噪聲，一維方向上位置分辨率的降低能夠得到解決；因此，較長對角線與較短對角線的長度比在實(shí)際中根據(jù)電容大小確定。

使得長蜂窩型溝槽電極201是正六邊形在x方向上是拉長的，而不是整體等比例變大；拉長后的有益效果是：δs區(qū)域可以看作平行板電容器，δs上的電場線總是垂直于棱邊，δs電場線的距離總是最短，沿著電場線漂移的粒子漂移距離最短，因此δs區(qū)域粒子漂移路徑上的深能級缺陷俘獲的粒子變少了，改善了探測器的邊角上電荷收集性能；此外，拉長后每一探測器死區(qū)占總體的比例更小了，減小死區(qū)，同時各單元之間減少了電學(xué)相干性，各探測器單元之間電學(xué)信號獨(dú)立性更好，減少了電學(xué)相干性帶來的位置分辨率降低的影響；因?yàn)槔L之后探測器面積變大了，長蜂窩型溝槽電極201比正六邊形的面積大，減少拼成陣列時需要的探測器單元數(shù)量，拼成陣列時需要探測器單元數(shù)目更少，拉長會造成探測器沿拉長方向上的位置分辨率降低，當(dāng)探測器無限拉長后，第一死區(qū)402均被分布在第一邊緣死區(qū)403附近，降低了第一死區(qū)402在實(shí)際應(yīng)用中對探測器的影響，可以用作一維方向上的探測。

如圖7所示，現(xiàn)有新型閉合式殼型電極硅探測器拼成陣列后的信號讀出路線數(shù)目m×n，m為x方向上的探測器單元的個數(shù)，n為y方向上的探測器單元的個數(shù)，每個探測器單元都有一個收集電信號的收集電極，當(dāng)有電信號時，可以通過收集到信號的收集極位置判斷粒子的入射位置及路徑。因此若想得到粒子的二維位置，則必須將m×n個探測器單元排成陣列，此時有m×n個探測器單元的收集極，信號讀出路線多。

如圖8所示，本發(fā)明長蜂窩殼型電極硅探測器的探測器單元為長條形，探測器單元按照上下相互正交的方式排列，其中實(shí)線表示長條形探測器單元排列的橫向陣列，虛線表示長條形探測器單元排列的縱向陣列，橫向陣列與縱向陣列在z方向上緊密相接，入射的粒子可以穿過上方的陣列到達(dá)下方的陣列，橫向陣列與縱向陣列中的探測器單元能先后收集到入射粒子的電信號。m為x方向上的探測器單元的個數(shù)，即橫向陣列探測器單元的數(shù)目，n為y方向上的探測器單元的個數(shù)，即縱向陣列探測器單元的數(shù)目，每個探測器單元都有一個收集電信號的收集電極，當(dāng)有電信號時，可以通過結(jié)合橫縱陣列中收集到信號的兩個收集極位置判斷粒子的入射位置及路徑。因此若想得到粒子的二維位置，則只需將m個探測器單元和n個探測器單元按照上下相互正交的方式排列，此時總共有m+n個探測器單元，有m+n個探測器單元的收集極，信號讀出路線少。

按照按照上下相互正交的排列方式，本發(fā)明拉長的探測器能夠同時測量x、y兩個方向的位置，并且信號讀出路線數(shù)目只有m+n，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于新型閉合式殼型電極硅探測器拼成陣列時后的信號讀出路線數(shù)目m×n，大大降低了成本，并且不影響x、y兩個方向的位置分辨率。

如圖5-6所示，多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以鏡像方式排列成陣列，多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以鏡像方式排列具體為：長蜂窩殼型電極三維探測器單元沒有第一死區(qū)402的一端稱a端，長蜂窩殼型電極三維探測器單元有第一死區(qū)402的一端稱b端，多個長蜂窩殼型電極三維探測器單元以ab|ba的方式進(jìn)行排列；該鏡像排列方式避免了貫穿刻蝕的溝槽形成回路，并使死區(qū)分布在陣列邊界處；若形成回路，回路包圍的硅基體會掉落到芯片外無法使用，并且掉落的碎屑會污染工藝制作環(huán)境；七邊形溝槽電極202的形狀設(shè)計與鏡像的排列方式結(jié)合改變了原有死區(qū)的分布方式，使探測器的第一死區(qū)402集中分布于陣列邊緣，與背景技術(shù)中的新型閉合式殼型電極硅探測器相比，探測器靈敏區(qū)中沒有死區(qū)存在，造成了在實(shí)際運(yùn)用中的“無死區(qū)”；即使增大七邊形溝槽電極202與長蜂窩型溝槽電極201之間的間隙，死區(qū)總面積依然較小，減小了由上往下刻蝕長蜂窩型溝槽電極201的工藝難度，降低工藝操作成本。

七邊形溝槽電極202按照ab|ba的方式進(jìn)行排列，當(dāng)x、y兩個方向的尺寸相同時，新型閉合式殼型電極硅探測器單個探測器單元的死區(qū)面積為而本發(fā)明的死區(qū)只有其中，長蜂窩型溝槽電極201與七邊形溝槽電極202的寬度相同，均為w，w為10微米；可見，本發(fā)明的死區(qū)比新型閉合式殼型電極硅探測器的死區(qū)小。要使本發(fā)明的死區(qū)比新型閉合式殼型電極硅探測器更小，探測器的電極間距由于探測器的電極間距r在20-120微米時，探測器的抗輻射性能比較好，在保證抗輻射性的前提下，本發(fā)明的死區(qū)是依然比新型閉合式殼型電極硅探測器?。涣硗鈱⒈景l(fā)明用作光子探測器時，r在150-200微米，本發(fā)明的死區(qū)依然比新型閉合式殼型電極硅探測器小。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。