本發(fā)明涉及高能物理，天體物理，航空航天，軍事，醫(yī)學等技術領域的半導體探測器領域，特別涉及一種圓形開闔式盒型電極半導體探測器。

背景技術：

半導體探測器主要應用于高能物理、天體物理等領域，具有高能量分辨率、高靈敏度、響應時間快、抗輻照能力強等特點，且易于集成，在x射線、高能粒子探測等領域有顯著應用價值。在高能物理和天體物理等領域，探測器處于強輻射條件下工作，對半導體探測器能量分辨率響應速度等要求高，且具有低漏電流及低全耗盡電壓，對于其體積大小等有不同要求。

半導體探測器在反向偏壓下工作，當粒子射入探測器靈敏區(qū)時，在反向偏壓下，產(chǎn)生電子-空穴對，其中電子對向正極運動，到達正極后被收集，空穴對向負極運動，被負極收集，在外部讀出電路中形成電信號等。

相對于傳統(tǒng)“三維柱狀電極半導體探測器”，美國布魯克海文實驗室最新提出的“三維溝槽電極半導體探測器”克服了電勢分布及電場分布的“鞍點”，使電場分布更加均勻。然而，“三維溝槽電極半導體探測器”因設計的局限性，工藝上為形成襯底，在電極刻蝕時不能完全貫穿整個半導體，未刻蝕的部分電場分布較弱，電荷分布不均勻，探測效率低，對探測器的性能影響大。我們稱這部分為“死區(qū)”，“死區(qū)”在單個探測器單元中占20％-30％。若做成列陣，則會占據(jù)更大的比例。而且，“三維溝槽電極半導體探測器”工作時，粒子僅能單面入射，會降低探測效率。

因此，提供一種圓形開闔式盒型電極半導體探測器，解決上述現(xiàn)有技術存在的問題。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種圓形開闔式盒型電極半導體探測器。優(yōu)化結構類型，消除死區(qū)，優(yōu)化單面刻蝕工藝為貫穿刻蝕工藝，工作時，粒子可雙面入射，反應更靈敏，探測效率更高。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為：

一種圓形開闔式盒型電極半導體探測器，該圓形開闔式盒型電極半導體探測器，由半導體基體1，及半導體基體1刻蝕而成的溝槽電極2和中央柱狀電極3嵌套構成，溝槽電極2為圓柱形框中空電極，溝槽電極2刻蝕成結構相似且結構上互為呼應的幾瓣；溝槽電極2的兩對側有斜紋狀實體縫隙，溝槽電極2及中央柱狀電極3為中空電極，經(jīng)刻蝕之后再進行離子擴散形成，半導體基體1采用輕摻雜硅，溝槽電極2及中央柱狀電極3采用重摻雜硅，其中，溝槽電極2與中央柱狀電極3的p/n型相反，所述圓形開闔式盒型電極半導體探測器頂面的溝槽電極2和中央柱狀電極3上覆蓋有電極接觸層4，頂面未覆蓋電極接觸層4的其他半導體基體1表面覆蓋二氧化硅絕緣層5，底面設置有二氧化硅襯底層6。

進一步的，所述溝槽電極2和中央柱狀電極3由半導體基體1通過貫穿刻蝕、擴散摻雜的方法制備形成；探測器是一個pin結：p型半導體-絕緣層-n型半導體形，其中，重摻雜的p/n型半導體硅的電阻率與輕摻雜的p/n半導體硅不同，在半導體基體上進行刻蝕，形成溝槽電極2和中央柱狀電極3，然后溝槽電極2采用n型硅重摻雜，中央柱狀電極3采用p型硅重摻雜，半導體基體1采用p型輕摻雜。

進一步的，所述探測器厚度即電極高度為100-300微米。

進一步的，所述探測器厚度為150微米。

進一步的，所述探測器圓形半徑為5-100微米。

進一步的，中央柱狀電極3和溝槽電極2寬度均為5-10微米。

進一步的，溝槽電極2刻蝕成結構相似且結構上成中心對稱的兩瓣，其中間形成縫隙，縫隙是在平行線段與嵌套圓柱相切的基礎上，以突出一側的尖端為圓心，半徑為電極寬度0.5至0.7倍做圓，刻蝕掉相切部分外的半導體基體，從而留下的半導體基體；

以探測器半徑為r，電極寬度為r，縫隙寬度為g，則存在，相對突出一側尖端縫隙邊緣與圓周夾角θ滿足α≥90-θ；

sinα＝(r-r/2-g/2)/r。

進一步的，所述電極接觸層4為鋁電極接觸層；所述電極接觸層厚度為1微米，所述二氧化硅襯底層厚度為1微米，所述二氧化硅絕緣層5厚度為1微米。

進一步的，所述圓形開闔式盒型電極半導體探測器通過共用溝槽電極2的電極壁能拼合組成m*n陣列探測器，其中m,n均為正整數(shù)。單個圓形晶格中兩個縫隙與圓心的連線與其他晶格兩個縫隙與圓心的連線均平行。

進一步的，所述半導體基體1的半導體材料采用si、ge、hgi2、gaas、tibr、cdte、cdznte、cdse、gap、hgs、pbi2和alsb中的一種或多種的組合。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明優(yōu)化了電極半導體探測器的結構類型，消除了死區(qū)，優(yōu)化單面刻蝕工藝為貫穿刻蝕工藝，工作時，粒子可雙面入射，反應更靈敏，探測效率更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明圓形開闔式盒型電極半導體探測器的三維結構示意圖。

圖2為本發(fā)明圓形開闔式盒型電極半導體探測器的頂面電極接觸層和二氧化硅絕緣層示意圖。

圖3為本發(fā)明圓形開闔式盒型電極半導體探測器4x4陣列平面圖。

圖4為本發(fā)明圓形開闔式盒型電極半導體探測器4x4三維陣列圖。

圖5為本發(fā)明圓形開闔式盒型電極半導體探測器的側視圖。

圖6為本發(fā)明圓形開闔式盒型電極半導體探測器的電場分布示意圖。

圖7為本發(fā)明縫隙形成切線與探測器位置關系圖。

其中，1-半導體基體，2-溝槽電極，3-中央柱狀電極，4-電極接觸層，5-二氧化硅絕緣層，6-二氧化硅襯底層。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明技術方案做進一步詳細描述：

如圖1-6所示，一種圓形開闔式盒型電極半導體探測器，該圓形開闔式盒型電極半導體探測器，由半導體基體1，及半導體基體1刻蝕而成的溝槽電極2和中央柱狀電極3嵌套構成，溝槽電極2為圓柱形框中空電極，溝槽電極2刻蝕成結構相似且結構上互為呼應的幾瓣；溝槽電極2的兩對側有斜紋狀實體縫隙，溝槽電極2及中央柱狀電極3為中空電極，經(jīng)刻蝕之后再進行離子擴散形成，半導體基體1采用輕摻雜硅，溝槽電極2及中央柱狀電極3采用重摻雜硅，其中，溝槽電極2與中央柱狀電極3的p/n型相反，所述圓形開闔式盒型電極半導體探測器頂面的溝槽電極2和中央柱狀電極3上覆蓋有電極接觸層4，頂面未覆蓋電極接觸層4的其他半導體基體1表面覆蓋二氧化硅絕緣層5，底面設置有二氧化硅襯底層6。本發(fā)明中圓形截面的設計在探測器的能量分辨率上較其他結構類型的探測器更高，加偏置電壓時，探測器靈敏區(qū)域電場分布更為均勻。這種設計更有利于制作大面積單元靈敏的探測器，適用于需要高能量分辨的深空軟x射線的探測及高能粒子探測應用。

進一步的，所述溝槽電極2和中央柱狀電極3由半導體基體1通過貫穿刻蝕、擴散摻雜的方法制備形成；探測器是一個pin結：p型半導體-絕緣層-n型半導體形，其中，重摻雜的p/n型半導體硅的電阻率與輕摻雜的p/n半導體硅不同，在半導體基體上進行刻蝕，形成溝槽電極2和中央柱狀電極3，然后溝槽電極2采用n型硅重摻雜，中央柱狀電極3采用p型硅重摻雜，半導體基體1采用p型輕摻雜。

進一步的，所述探測器厚度即電極高度為100-300微米。

進一步的，所述探測器厚度為150微米。

進一步的，中央柱狀電極3和溝槽電極2寬度均為5-10微米。

進一步的，所述探測器圓形半徑為5-100微米。

進一步的，溝槽電極2刻蝕成結構相似且結構上成中心對稱的兩瓣，其中間形成縫隙，縫隙是在平行線段與嵌套圓柱相切的基礎上，以突出一側的尖端為圓心，半徑為電極寬度0.5至0.7倍做圓，刻蝕掉相切部分外的半導體基體，從而留下的半導體基體；

以探測器半徑為r，電極寬度為r，縫隙寬度為g，則存在，相對突出一側尖端縫隙邊緣與圓周夾角θ滿足α≥90-θ；

sinα＝(r-r/2-g/2)/r。

這種設計不僅能消除單個探測器單元死區(qū)面積，使探測器制作時可以采用貫穿刻蝕，提高探測器單元探測效率，還能在探測器形成陣列時通過斜紋狀半導體使各單元有效探測區(qū)域相互連接。溝槽電極間留下的半導體基體通過特殊設計后能使得電極和半導體基體的性質的相互影響達到最小，這樣在探測器形成陣列后有更小的低電場區(qū)域，且各單元間的相干性也被降到最小。

進一步的，所述電極接觸層4為鋁電極接觸層；所述電極接觸層厚度為1微米，所述二氧化硅襯底層厚度為1微米，所述二氧化硅絕緣層5厚度為1微米。

進一步的，所述圓形開闔式盒型電極半導體探測器通過共用溝槽電極2的電極壁能拼合組成m*n陣列探測器，其中m,n均為正整數(shù)。

進一步的，所述半導體基體1的半導體材料采用si、ge、hgi2、gaas、tibr、cdte、cdznte、cdse、gap、hgs、pbi2和alsb中的一種或多種的組合。

本發(fā)明的工作原理為：

如圖1所示是一種圓形開闔式盒型電極半導體探測器。圖2是截面圖，溝槽電極2和中央柱狀電極3在半導體基體1上通過貫穿刻蝕、擴散摻雜的方法制備形成。根據(jù)現(xiàn)有工藝技術，探測器厚度即電極高度在100至300微米任意值均可。溝槽電極2環(huán)繞于中央柱狀電極3之外，其中，中央柱狀電極3和溝槽電極2寬度均為10微米，溝槽電極2為中空電極。溝槽電極2刻蝕成結構相似且結構上互相呼應的兩瓣。所述圓形開闔式盒型電極半導體探測器的頂面電極上覆蓋有電極接觸層，其他面積覆蓋二氧化硅絕緣層，底面設置有二氧化硅襯底層。所述電極接觸層為鋁電極接觸層。所述電極接觸層厚度為1微米，所述二氧化硅襯底層厚度為1微米。所制備得到的半導體探測器可以通過共用溝槽電極2的電極壁可組成m*n陣列探測器，其中m,n均為正整數(shù)。

圖3是圓形開闔式盒型電極半導體探測器陣列平面圖，圖4是新穎圓形開闔式盒型電極半導體探測器三維陣列圖。該新型探測器除了適合一般的硅半導體材料外，也可使用各種其他半導體材料制作。如：自ge、hgi2、gaas、tibr、cdte、cdznte、cdse、gap、hgs、pbi2和alsb等。

溝槽電極2刻蝕成結構相似且結構上成中心對稱的兩瓣，其中間形成縫隙，縫隙是在平行線段與嵌套圓柱相切的基礎上，以突出一側的尖端為圓心，半徑為電極寬度0.5至0.7倍做圓，刻蝕掉相切部分外的半導體基體，從而留下的半導體基體；

以探測器半徑為r，電極寬度為r，縫隙寬度為g，則存在，相對突出一側尖端縫隙邊緣與圓周夾角θ滿足α≥90-θ；

sinα＝(r-r/2-g/2)/r。目的在于，電極貫穿刻蝕時，半導體基體1便可通過此部分的基體與其他單元或者外圍晶片接觸，從而不會掉落，從設計優(yōu)化的源頭上解決制作問題。

每個探測器單元是一個pin結：p型半導體-絕緣層-n型半導體形，其中，重摻雜的p/n型半導體硅的電阻率與輕摻雜的p/n半導體硅不同，在半導體基體上進行刻蝕，空心溝槽和空心中央柱，然后進行重摻雜以形成陰陽電極。為了得到最佳的探測器性能，取半導體基體為輕摻雜的p型半導體硅，結構設計上采用pn結在外圍溝槽處。溝槽電極是n型硅重摻雜，中央電極是p型硅重摻雜，探測器材料是p型輕摻雜的硅。中央電極是負極，外部溝槽是正極。如圖6所示為本發(fā)明探測器電場分布示意圖，加上偏置電壓后，可見隨著探測器半徑的增加，電場強度增大，但是隨著角度變化，電場強度分布幾乎沒有波動。電場強度的均勻性大大提高了探測器的探測性能，圓柱形設計的探測器的電場分布幾乎沒有角度依賴性，單元探測性能較其他形狀的探測器明顯優(yōu)越(這種情況下其他探測器的電場分布呈波浪狀，探測器截面的角度越尖銳，波動越大)。

本發(fā)明中縫隙設計的目的是為了使縫隙的面積盡可能少，但同時又不影響以單個圓柱為晶胞的晶格整體穩(wěn)定性，并盡可能少的影響電場強度，基于此，如圖7所示，溝槽電極2刻蝕成結構相似且結構上成中心對稱的兩瓣，其中間形成縫隙，縫隙是在平行線段與嵌套圓柱相切的基礎上，以突出一側的尖端為圓心，半徑為電極寬度0.5至0.7倍做圓，刻蝕掉相切部分外的半導體基體，從而留下的半導體基體。

以探測器半徑為r，電極寬度為r，縫隙寬度為g，則存在，相對突出一側尖端縫隙邊緣與圓周夾角θ滿足α≥90-θ；

sinα＝(r-r/2-g/2)/r。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書所限定的保護范圍為準。