一种具有低电容、简化加压方式的硅像素探测器

摘要

本发明公开一种具有低电容、简化加压方式的硅像素探测器，包括n×n个像素单元；像素单元包括硅体，硅体其中一端中间设有中心阴极电极，中心阴极电极外围有间隔的设有两个同心方形环阴极电极，中心阴极电极和两个同心方形环阴极电极外面均包有阴极电极表面外的电极金属层；阴极电极表面外的电极金属层两两之间设置有二氧化硅保护层；连接部电极金属层通过连接中心阴极电极和两个同心方形环阴极电极外的阴极电极表面的电极金属层，将中心阴极电极和两个同心方形环阴极电极连接起来；硅体另一端设置有下表面阳极电极，下表面阳极电极外面包有阳极电极表面外的电极金属层。本发明减小了探测器电容，简化了加压方式，降低了读电路的难度。

说明书

技术领域

本发明属于高能物理和天体物理领域，特别是涉及一种具有低电容、简化加压方式的硅像素探测器。

背景技术

大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)是粒子物理科学家为了探索新的粒子和微观量化粒子的“新物理”机制设备，是一种将质子加速对撞的高能物理设备。欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。在位于欧洲核子研究中心(Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire，CERN)大型强子对撞机(LHC)的探测器中，主顶点表示初始硬度交互的位置，次顶点是粒子衰变发生的点，通常反映重离子(底夸克，轻子)的存在。

在大型强子对撞机(LHC)的ATLAS试验中，像素探测器作为最靠近粒子对撞点的粒子径迹探测器，所承受的辐射强度极大。很强的抗辐射能力也是像素探测器的一个特点，在高能物理实验领域像素探测器的应用已越来越成熟，像素探测器的模块也越来越经得起极端环境的考验。但是传统像素探测器是通过直接耦合读出芯片的电流信号的，所以在将探测器连接到芯片之前偏置以及测试传感器的特性是困难的。且传统硅像素探测器单元的有效面积与像素单元的上表面面积一致，由于有效面积越大探测器电容越大，而电容是检验探测器性能的一个重要指标，减小电容，会相应的减小噪声，提高信噪比，从而提高探测器的位置分辨率和能量分辨率。电容在硅半导体探测器中是一个敏感因素，它直接影响探测器工作的噪声和串扰。为了优化像素探测器的信噪比，必须在频率响应和电容的限制下，寻找最小化电容、最小化漏电流。而攻克小电容的设计和制备技术是亟待解决的问题。一旦小电容像素探测器单元的设计与制造技术瓶颈攻破，对于中国探测器的发展和使用探测器的各个领域均会得到极大发展。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种具有低电容及简化加压方式的硅像素探测器，解决了传统硅像素探测器位置分辨率和能量分辨率低，读取电路数据难度高的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，

一种具有低电容、简化加压方式的硅像素探测器，包括n×n个硅像素探测器的像素单元；

其中硅像素探测器的像素单元包括硅体，硅体其中一端的中间设置有中心阴极电极，中心阴极电极外围有间隔的设置有两个同心方形环阴极电极，依次是第一层方形环阴极电极和第二层方形环阴极电极，中心阴极电极、第一层方形环阴极电极和第二层方形环阴极电极外面均包有阴极电极表面外的电极金属层；阴极电极表面外的电极金属层两两之间设置有二氧化硅保护层；连接部电极金属层通过连接中心阴极电极、第一层方形环阴极电极、第二层方形环阴极电极外包裹的阴极电极表面外的电极金属层，从而将中心阴极电极、第一层方形环阴极电极、第二层方形环阴极电极连接起来；使得加压时只需在三个阴极中的其中一个上加压；硅体另一端设置有下表面阳极电极，下表面阳极电极外面包有阳极电极表面外的电极金属层。

进一步的，所述硅体掺杂方式为轻掺杂n。

进一步的，所述中心阴极电极、第一层方形环阴极电极和第二层方形环阴极电极掺杂方式为重掺杂p+。

进一步的，所述下表面阳极电极掺杂方式为n+。

进一步的，所述二氧化硅保护层厚度与电极金属层等厚。

进一步的，所述连接部电极金属层为杆型。

进一步的，所述阳极电极表面外的电极金属层、阴极电极表面外的电极金属层、连接部电极金属层为铝材质。

进一步的，所述硅像素探测器的像素单元是下表面为正方形的四棱柱，高为300微米，边长为80微米，上表面中心阴极电极边长为15微米，连接部电极金属层宽度为2微米，中心部以及两个同心方形环，其相邻两个之间的间隙宽度为G微米，两个同心方形环的宽度为W微米；其中，W＝βG，其中β是一个常数，需要通过仿真模拟找到最合适的β；中心阴极电极、第一层方形环阴极电极、第二层方形环阴极电极的厚度均为1微米；二氧化硅保护层厚度为1微米，重掺杂p+和重掺杂n+的掺杂厚度均为1微米。

本发明的有益效果是：本发明通过对硅像素探测器的合理设计，在保持探测器的有效体积不变的前提下，通过减小探测器电极的有效面积达到减小探测器的电容、减小噪声，进而提高信噪比，也进一步提高了硅像素探测器位置分辨率和能量分辨率，将其应用于能谱仪可提高能谱仪对能量的分辨率。同时使用连接部将中心部与两个同心方形环的外围部连接起来，极大简化了加压方式，大大降低了读出电路的难度。

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是硅像素探测器的像素单元内部构造图

图2是硅像素探测器的像素单元的二维剖面图；

图3是Sentaurus TCAD半导体仿真软件计算出的电容大小图；

图4是将本发明的像素单元做成阵列后的形状。

1-阳极电极表面外的电极金属层；2-下表面阳极电极，为重掺杂的N型半导体硅；3-硅体，为轻掺杂的N型半导体硅；4-中心阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅；5-第一层方形环阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅；6-第二层方形环阴极电极，为重掺杂的P型半导体硅；7-二氧化硅保护层；8-阴极电极表面外的电极金属层，9-连接部电极金属层。

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1-4所示，硅像素探测器的像素单元包括硅体3，硅体3掺杂方式为轻掺杂n，硅体3其中一端的中间设置有中心阴极电极4，中心阴极电极4外围有间隔的设置有两个同心方形环阴极电极，依次是第一层方形环阴极电极5和第二层方形环阴极电极6，中心阴极电极4、第一层方形环阴极电极5和第二层方形环阴极电极6掺杂方式为重掺杂p+，外面均包有阴极电极表面外的电极金属层8；阴极电极表面外的电极金属层8两两之间设置有二氧化硅保护层7，其厚度与电极金属层8等厚；连接部电极金属层9通过连接中心阴极电极4、第一层方形环阴极电极5、第二层方形环阴极电极6外包裹的电极金属层8，从而将中心阴极电极4、第一层方形环阴极电极5、第二层方形环阴极电极6连接起来。使得加压时只需在三个阴极中的其中一个上加压，由此简化了加压方式；连接部电极金属层9为杆型。硅体3另一端设置有下表面阳极电极2，下表面阳极电极2外面包有阳极电极表面外的电极金属层1，下表面阳极电极2掺杂方式为n+。

其中像素单元是下表面为正方形的四棱柱，高为300微米，边长为80微米。所述上表面中心阴极电极4边长为15微米，连接部电极金属层9宽度为2微米；中心部以及两个同心方形环，其相邻两个之间的间隙宽度为G微米，两个同心方形环的宽度为W微米；其中，W＝βG，其中β是一个常数，需要通过仿真模拟找到最合适的β；所述阳极电极表面外的电极金属层1、阴极电极表面外的电极金属层8、连接部电极金属层9为铝材质，中心阴极电极4、第一层方形环阴极电极5、第二层方形环阴极电极6的厚度均为1微米；所述二氧化硅保护层厚度均为1微米，重掺杂p+和重掺杂n+的掺杂厚度均为1微米。

其中像素单元的有效面积小于像素单元的上表面积。

本发明通过对硅像素探测器的合理设计，在保持探测器的有效体积不变的前提下，通过减小探测器电极的有效面积达到减小探测器的电容，同时使用连接部将中心部与两个同心方形环的外围部连接起来，极大简化了加压方式，大大降低了读出电路的难度。

实施例：

1、电容是衡量硅像素探测器性能的一个重要指标，电容越小，探测器工作时的噪声与串扰越小。本设计旨在减小探测器的电容，从而提高探测器的位置分辨率和能量分辨率。

硅探测器的结电容一般由势垒电容和扩散电容组成。加正向偏置电压时，扩散电容起主要作用；加反向偏置电压时，起主导作用的则为势垒电容。硅探测器工作时所加偏置电压为反向偏置电压，因此电容主要由势垒电容构成。小像素X射线探测器的结电容与芯片厚度和阳极面积有关。其关系近似可描述为:

其中C为像素单元的势垒电容，ε为相对介电常数，ε

这与我们通过Sentaurus TCAD仿真软件得到的结电容大小(2.1383fF)基本一致，而与之结构参数相同的传统像素探测器的结电容大小为6.743fF。

2、计算该像素单元探测器全耗尽电压

耗尽厚度与电压和掺杂浓度有关，关系为：

其中ω是耗尽层厚度，V为偏置电压，N

因此，耗尽电压我们可以推倒为：

V

由于芯片厚度我们设计为300μm，所以耗尽层厚度近似为300μm，此时的耗尽电压可看作为全耗尽电压。带入数值计算，我们可以得到理论计算的全耗尽电压约为13.667V。

本申请将方形中心阴极、第一层阴极电极、第二层阴极电极通过连接部连接，加阴极电压时，可以直接将电压加在这三者其中的一个上面，简化了加压方式，降低了读出电路的设计难度。且本申请的四方形像素探测器相较于传统的六边型像素探测器具有结构简单，制作工艺简单的特点，更适用于小像素探测器。

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。