可自主分压的硅漂移探测器及其设计方法

技术领域

本发明属于探测器技术领域，特别是涉及一种可自主分压的硅漂移探测器及其设计方法。

背景技术

目前国内脉冲星导航方面的核心技术—高能量分辨率单元及SDD阵列的研究工作严重滞后，国内研究主要集中于小单元单个SDD的制作工艺，国外研究朝着具有低功耗、高能量分辨率的硅漂移室的探测器发展，以满足X射线脉冲星导航授时系统对高性能、大区域覆盖、高可用性的技术需求；圆形硅漂移探测器的对称性高、电学性能良好、应用广泛，但其组成的阵列死区面积过大，同心环位置的分辨率较差、性能较低。

且目前使用的SDD不能自主分压，电极铝的电阻太小，若加入电压过高会产生大量的热导致探测器不能正常工作，若加入电压过低探测器内部出现死区，所以需要外接分压电阻帮助分压，外接电路的复杂性会导致探测器结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可自主分压的硅漂移探测器及其设计方法，将探测器单元的硅基体设置成正六棱柱状，使其组成阵列时没有死区，探测器单元内部电势电场分布均匀，电极的电荷收集效率提高，本发明在电极之间原子层沉积分压电阻圈，使硅漂移探测器使用更加方便，避免了外接分压电阻对探测器面积和性能的限制。

本发明所采用的技术方案是，可自主分压的硅漂移探测器，包括正六棱柱状的硅基体，所述硅基体正面中心掺杂有中心阳极，所述中心阳极外侧的硅基体正面掺杂有数个六边形的正面阴极环，所述硅基体反面掺杂有数个六边形的反面阴极环，所述中心阳极、正面阴极环和反面阴极环上均附着有金属铝，所述金属铝间的硅基体上均附着有二氧化硅保护层，硅基体正面的二氧化硅保护层上原子层沉积有正面分压电阻圈，硅基体反面的二氧化硅保护层上原子层沉积有反面分压电阻圈；

所述正面阴极环的宽度与反面阴极环的宽度相同，所述正面分压电阻圈的宽度与反面分压电阻圈的宽度相同，所述正面阴极环与相邻正面分压电阻圈的间距、反面阴极环与反面分压电阻圈的间距相同。

进一步的，所述硅基体(6)的高度为500μm，所述正面阴极环的宽度为90μm，所述正面分压电阻圈的宽度为10μm，所述正面阴极环与相邻正面分压电阻圈的间距为15μm。

进一步的，所述中心阳极为N型重掺杂材料，所述正面阴极环与反面阴极环均为P型重掺杂材料，所述硅基体为N型轻掺杂材料，所述正面分压电阻圈与反面分压电阻圈均为半导体材料。

进一步的，所述中心阳极的掺杂浓度为1×10

可自主分压的硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，计算硅漂移探测器单元的电阻分布：

正面分压电阻圈的阻值

令正面分压电阻圈的原子层沉积厚度为t，正面分压电阻圈的方块电阻率

步骤2，计算硅漂移探测器单元内的电场电压分布；

为保证硅漂移探测器单元内部的电场分布均匀，硅漂移探测器单元内部任意点(r,x,θ)的负电势

由正面分压电阻圈的阻值可得相邻正面阴极环间的电势差ΔV

硅基体横截面上任意点的电势分布

步骤3，确定入射粒子在硅漂移探测器单元内部的最佳漂移路径，得到漂移通道内的电场分布：

入射粒子在硅漂移探测器单元内漂移时漂移通道内的电场

步骤4，设置正面分压电阻圈的宽度为10μm，沉积厚度t为0.05μm，通过半导体模拟软件Silvaco确定正面阴极环的宽度为90μm，中心阳极与相邻正面分压电阻圈的间距为15μm，正面阴极环与相邻正面分压电阻圈的间距为15μm，中心阳极的半径为50μm；

步骤5，确定硅漂移探测器反面结构，构建可自主分压的硅漂移探测器；

由正面阴极环的宽度、正面分压电阻圈的宽度以及正面阴极环与相邻正面分压电阻圈的间距，确定反面阴极环的宽度为90μm，反面分压电阻圈的宽度为10μm，反面阴极环与相邻反面分压电阻圈的间距为15μm；

在硅基体正面分别掺杂中心阳极和正面阴极环，在其反面掺杂反面阴极环，在中心阳极、正面阴极环和反面阴极环表面附着金属铝，在金属铝间的硅基体上附着二氧化硅保护层，在中心阳极与正面阴极环间、相邻正面阴极环间的二氧化硅保护层上原子层沉积正面分压电阻圈，在相邻反面阴极环间的二氧化硅保护层上原子层沉积反面分压电阻圈，构成可自主分压的硅漂移探测器。

本发明的有益效果是：本发明将硅基体设置成正六棱柱状，使探测器单元组成阵列时没有死区，探测器单元内部的电势电场分布更加均匀，电极的电荷收集效率提高，本发明还在电极之间沉积分压电阻圈，避免在硅漂移探测器使用时外接分压器，减少了外接分压电阻电路对探测器面积和性能的限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明的上表面示意图。

图2是本发明的下表面示意图。

图3是本发明的剖视图。

图4是本发明实施例的电势分布图。

图5是图4中I线处的电势变化图。

图6是图4中II线处的电势变化图。

图7是本发明实施例的电场分布图。

图8是图7中III线处的电场变化图。

图中：1.中心阳极，2.正面分压电阻圈，3.正面阴极环，4.反面分压电阻圈，5.反面阴极环，6.硅基体，7.二氧化硅保护层，8.金属铝。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1～图3所示，可自主分压的硅漂移探测器包括正六棱柱状的硅基体6，硅基体6正面中心掺杂有中心阳极1，中心阳极1外侧的硅基体6正面掺杂有数个六边形的正面阴极环3，硅基体6反面掺杂有数个六边形的反面阴极环5，中心阳极1表面、正面阴极环3表面和反面阴极环5表面均附着有金属铝8，金属铝8之间的硅基体6上均附着有二氧化硅保护层7，硅基体6正面的二氧化硅保护层7上原子层沉积有正面分压电阻圈2，硅基体6反面的二氧化硅保护层7上原子层沉积有反面分压电阻圈4，正面阴极环3与反面阴极环5的宽度相同，正面分压电阻圈2与反面分压电阻圈4的宽度相同，正面阴极环3和相邻正面分压电阻圈2的间距与反面阴极环5与相邻反面分压电阻圈4的间距相同。

正面阴极环3的宽度为90μm，正面分压电阻圈2的宽度均为10μm，正面阴极环3与相邻正面分压电阻圈2的间距为15μm，中心阳极1为N型重掺杂材料，掺杂浓度为1×10

实施例

可自主分压的硅漂移探测器的设计方法包括以下步骤：

步骤1，计算硅漂移探测器单元的电阻分布：

硅漂移探测器单元的内部电压由P型重掺杂材料的正面阴极环3和反面阴极环5提供，正面分压电阻圈2和反面分压电阻圈4均采用原子层沉积技术沉积在硅漂移探测器单元内，正面分压电阻圈2的阻值

令正面分压电阻圈2的原子层沉积厚度为t，正面分压电阻圈2的方块电阻率

步骤2，计算硅漂移探测器的电场电势分布；

六边形硅漂移探测器的内部漂移电场与探测器单元的正面电势、反面电势有关，六边形硅漂移探测器内部任意点(r,x,θ)的负电势

由正面分压电阻圈2的阻值计算得到相邻正面阴极环3间的电势差ΔV

硅基体6横截面上任意点的电势分布

步骤3，确定入射粒子在硅漂移探测器单元内部的最佳漂移路径，得到漂移通道内的电场分布：

入射粒子在硅漂移探测器单元内漂移时漂移通道内的电场

步骤4，由电阻计算公式可知在半径和弧长不变时，电阻环的宽度越小其阻值越大，而靠近中心阳极1的正面分压电阻圈2的半径较小，为保证能精确沉积正面分压电阻圈2，且其阻值能满足使用需求，设置正面分压电阻圈2的宽度W

令硅基体6的厚度为500μm，根据掺杂工艺和硅基体6的尺寸初步确定中心阳极1、正面阴极环3和反面阴极环5的尺寸范围，进而确定各电极上施加的电压，使用氮化钛作分压电阻，将中心阳极1、正面阴极环3、反面阴极环5的尺寸及掺杂浓度、所加电压作为输入，利用半导体模拟软件Silvaco筛选出电势分布和电场分布均匀、电子漂移轨迹明显的硅漂移探测器单元，该单元中的正面阴极环3的宽度为90μm，中心阳极1与相邻正面分压电阻圈2的间距为15μm，正面阴极环3与相邻正面分压电阻圈2的间距为15μm，中心阳极1的半径为50μm；

步骤5，确定硅漂移探测器反面结构，构建可自主分压的硅漂移探测器；

由于反面阴极环5的宽度、反面分压电阻圈4的宽度、相邻反面阴极环5之间的间距及反面阴极环5与反面分压电阻圈4的间距均与正面的相同，所以设置反面阴极环5的宽度为90μm，反面分压电阻圈4的宽度为10μm，沉积厚度t为0.05μm，反面阴极环5与反面分压电阻圈4的间距为15μm，相邻反面阴极环5的间距为130μm；

在硅基体6的正面中心处掺杂中心阳极1，在硅基体6正面和反面分别掺杂正面阴极环3和反面阴极环5，在中心阳极1、正面阴极环3和反面阴极环5表面附着金属铝8，在金属铝8间的硅基体6上附着二氧化硅保护层7，在中心阳极1与正面阴极环3间、相邻正面阴极环3间和相邻反面阴极环5间的二氧化硅保护层7上分别原子层沉积正面分压电阻圈2和反面分压电阻圈4，构成可自主分压的硅漂移探测器。

使用Silvaco软件检测该硅漂移探测器的电势分布图和电场分布图，分别如图4、图7所示，由图可知探测器单元内部的电势分布对称且均匀，电子在漂移时漂移速度稳定，不易被死区内的缺陷俘获，能稳定被中心阳极俘获；图5为r′＝818μm处的截图(图4中I线的位置)，从图5可以看出在距离硅基体6横截面中心距离不变时，硅漂移探测器单元高度方向上的电势先增后减，入射电子由低电势向高电势漂移，进而被探测器单元的中心阳极1俘获；图6为图4中II线位置的截图，从图6可以看出在高度变化不大时，硅漂移探测器半径方向上的电势是均匀减小的，该位置的电场为定值，电子以恒定的速度漂移至中心阳极1；图8为在图7中III线位置的截图，从图8中可以看出电场先减小后增大，所以电子会先快速到器件内，再以恒定的速度漂移到中心阳极1。

本发明的内部电势、电场分布均匀，入射粒子能以稳定的速度快速漂移至中心阳极1，本发明组成阵列时没有死区，入射粒子漂移时不会被死区内的缺陷俘获，中心阳极1的粒子收集效率提高，检测的分辨率提高，同时本发明自带分压电阻，使用时无需外接分压电阻，免去了外接分压电阻对硅漂移探测器面积和性能的限制。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。