[發(fā)明專利]一種三維外延注入六邊形電極硅探測器

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• 申請日: 2021-11-17
• 公開（公告）號: CN114005893A
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔡新毅;李正;譚澤文;李鑫卿;王洪斐;劉曼文
• 申請（專利權(quán)）人: 魯東大學(xué)
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L31/0352;H01L31/115
• 代理公司: 池州優(yōu)佐知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34198
• 代理人: 劉爾才

本發(fā)明公開了一種三維外延注入六邊形電極硅探測器，包括由多個硅探測器單元組成的硅探測器陣列，所述硅探測器單元包括N型輕摻雜硅基體、陰極鋁電極接觸層、陰極鋁電極接觸層、上表面SiO₂、N型重摻雜陽極和P型重摻雜陰極，所述先由外延工藝生長出N型輕摻雜硅基體，再通過離子注入進行P型重摻雜陰極進行摻雜，并重復(fù)30次，所述P型重摻雜陰極外側(cè)覆蓋有陰極鋁電極接觸層，所述N型輕摻雜硅基體的頂部嵌設(shè)有N型重摻雜陽極。本發(fā)明探測器陣列在單元下側(cè)連接處增加了陽極，從結(jié)構(gòu)設(shè)計上避免了死區(qū)的存在，因此具有更加均勻的電勢、電場分布，擁有更高的電荷收集率，探測器的性能更加穩(wěn)定。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體探測器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維外延注入六邊形電極硅探測器。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體探測器是一種固體輻射探測器，最常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺，而硅探測器是以硅為探測介質(zhì)的輻射探測器，擁有靈敏度高，體積小，易于集成等特點。其實用性強、工藝成熟而被廣泛應(yīng)用，逐步發(fā)展成為最成熟的輻射探測器，從而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、航空航天以及高能物理實驗等諸多方面。

硅探測器從被提出至今，大概根據(jù)工藝方法可大致分為兩類：1.基于二維平面工藝的二維硅探測器，其形成電極一般位于探測器表面，代表為硅微條、硅像素探測器及硅漂移探測器(SDD)。2.基于三維深刻蝕、離子注入等工藝的三維硅探測器，其形成的電極由探測器表面延伸至基體內(nèi)部，代表為三維柱狀電極硅探測器及三維溝槽電極硅探測器。三維外延注入六邊形電極硅探測器正是基于三維溝槽硅探測器，提出的一種電場更加均勻、漏電流更小、能量分辨率更高的硅探測器。

三維外延注入六邊形電極硅探測器其基本原理可簡化為PN結(jié)或PIN結(jié)，硅探測器與入射粒子間的相互作用是硅探測器運行的基礎(chǔ)，入射粒子攜帶的能量傳給介質(zhì)中滿帶頂部的電子，使電子獲得能量脫離原子核的約束，跨越禁帶躍遷至導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，在適當(dāng)反向偏壓的作用下硅探測器可以完全耗盡，探測器中的內(nèi)建電場增大，基體中自由載流子在電場作用下向電極漂移并被電極收集，從而產(chǎn)生響應(yīng)電流，同時通過外圍電子讀出設(shè)備輸出探測器內(nèi)產(chǎn)生的信號脈沖，從而得到包含入射粒子相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

三維外延注入六邊形電極硅探測器主要采用外延與離子注入工藝，通過在下層襯底上外延生長上層的硅基體，再通過離子注入工藝進行摻雜，摻雜時在不同層級采用不同的摻雜位置，重復(fù)以上步驟，并在整個硅體頂部和底部的重摻雜外側(cè)生成金屬層、輕摻雜外側(cè)生成氧化層，再經(jīng)劃片、引線、封裝等步驟，可完成三維外延注入六邊形電極硅探測器的制作。由于三維外延注入六邊形電極硅探測器的外延與離子注入工藝，相比三維溝槽電極硅探測器，電極間距更加均勻，從而電勢分布與電場分布也更均勻。

探測器中的弱電場區(qū)或零電場區(qū)，被稱之為“死區(qū)”。探測器工作時，粒子入射死區(qū)時也會產(chǎn)生大量的電子-空穴對，因死區(qū)中電場極弱，電子-空穴對不能及時的漂移至電極被收集，只能等電子-空穴對擴散到探測器電場較強的工作區(qū)中才能被及時收集。因此死區(qū)的存在大大增加了探測器的電荷收集率與響應(yīng)速度，死區(qū)對探測器的工作性能有極為消極的影響。

傳統(tǒng)的三維溝槽電極硅探測器由于工藝限制，需要在刻蝕時保留10％左右的襯底，以防止三維溝槽電極硅探測器中間的硅體部分因沒有支撐而從晶圓上脫落。不貫穿整個硅體的刻蝕工藝在制作過程中難度非常大，且未刻蝕區(qū)域的電場強度極低，存在大面積死區(qū)。且三維溝槽電極硅探測器在排布成陣列時，各單元底部襯底相互連接，從而單元間的電信號會相互干擾，極大影響探測器性能。

完美球狀三維探測器的提出過于理想化，雖然其內(nèi)部電場非常均勻，但其為假想模型，僅處于理論階段。

發(fā)明內(nèi)容

1.要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)硅探測器死區(qū)所占比例過大，且完美球形電極過于理想化，無法在工藝中實現(xiàn)的問題，在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上為了剔除死區(qū)并提高探測器性能而提出的一種三維外延注入六邊形電極硅探測器。

2.技術(shù)方案