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器件结构设计对异质结像素探测器性能的影响_宋鸿宇.pdf
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1、书书书 :器件结构设计对异质结像素探测器性能的影响宋鸿宇,陶科,李微,王博龙,罗威,贾锐(天津理工大学 集成电路科学与工程学院,天津 ;中国科学院微电子研究所,北京 )摘要:像素探测器一直是高分辨率、高速率粒子跟踪的工作平台。本 文 以 多 晶 硅氧 化 硅()钝化接触异质结结构设计了硅像素探测器,为了实现探测器的超快响应,采用 对异质结硅像素探测器进行器件仿真,一方面研究 了 不 同 衬 底 厚 度 对 载 流 子 输 运 和 收 集 的 影 响,另一方面研究了器件结构设计 对 异 质 结 像 素 探 测 器 击 穿 电 压 的 影 响。仿 真 结 果 表 明:在 相 同 的偏置电压下,较薄
2、的硅衬底可以获得更强的漂移电 场,进 而 提 高 器 件 对 信 号 电 荷 的 输 运 与 收 集 速率,有利于提高探测器的时间响应。较小的保护环有源区间距有利于提高器件的击穿 电 压,而 在保护环有源区间距较大的情况下,在有源区边缘设计金属场板结构,也能够有效提高器 件 的 击 穿电压,使探测器可以工作在较高电压下,从而提升探测器的响应速率。关键词:硅像素探测器;仿真模拟;异质结;快速响应中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,):,:;引言当前,半导体探测器被广泛应用于医疗、安检、工业探伤、环境 核辐 射 监测、射 线 通讯 以及科学检测等领域。射线探测器是半导体探测器中很重要的
3、组成部分。根据探测机制的不同,射线探测器可以被分为直接型探测器和间接性探测器两类。间接性探测器以 闪烁体为代表,包括光 电 子 激 光第 卷 第期 年月 :;收稿日期:修订日期:基金项目:国家重点研发项目(,)、国家自然科学基金(,)和北京市自然科学基金(,)资助项目掺铊碘化钠、碘化铯,锗酸铋及钙钛矿等,具有 价格便宜、稳定性高,响应速度快等优点,不 足之 处在于能量分辨率和空间分辨率较低。直接型探测器主要以半导体探测器为代表,包括 早 期 的面 垒型探测器、硅 探测器、高纯锗探测器、硅漂移 探 测 器、硅像 素探 测器及化合物半 导体(碘化汞、碲化镉)等,半导体探测器具有优异的能量分辨率而受
4、到越来越多的关注。作为半导体探测器的一种,硅像素探测器同时具 有 高 能量 分辨率、高响应速率和高粒子跟踪等特点,除了被应用于射线成像之外,还被大量应用于粒子物理实验中。常规的硅像素探测器采用高温氧化及离子注入等微电子工艺制备,相比于金硅面垒型探测器,漏电流 得 到 有 效 控 制,能 量 分 辨 率 也 显 著 提 高。随着钝化接触异质结技术的发展,其优异的表 面钝化特性和超浅结特点,得到人们越 来 越 多的 重视,值得一 提 的 是,钝 化 接 触 异 质 结 已 经 应 用于晶体硅太阳电池并大幅提高了太阳电池的转换效率。同样是基于 结的像 素探测器,如果采用钝化接触异质结技术来制备,从理
5、论上也 可以获得优异的能量分辨率,尤其是针对软射线探测器,其超浅结无疑是非常的适合。本文基于 钝化接触异质结技术,设计了硅像素探测器。采用 对 异质结像素探测器进行器件仿真,通过研究不同衬底厚度对电荷收集时间的影响以及器件结构设计对器件耐压性能的影响,明确了实现超快响应的异质结硅像素探测器的设计方案。器件结构设计与物理模型图所示为本次像素探测器仿真的器件结构示意图,包 括 前 表 面 有 源 区、有 源 区 金 属 电 极、个保护环、背面背场和背面金属电极。其中,有源区和保护环由 掺杂的多晶硅薄膜 和隧穿氧化 层 构成,保 护 环与有源 区间隔、保护环间隔均为氧化硅绝缘层。背场也由隧穿氧化层和
6、 多晶硅薄膜构成。仿真涉及的探测器结构及材料性能参数如表所示。图像素探测器仿真结构示意图 表 像素探测器仿真所涉及的参数 ()光 电 子 激 光 年第 卷为了研究像素探测器的耐压特性,本论文采用 碰撞电离模型(),碰撞电离模型中电子和空穴的离化率方程为:(),()(),()式中,为特定点沿电流方向的电场,参数、和 采用 和 的实验拟合值,其值如表所示。表 和 的实验拟合值 .关于复合机制,本文通过浓度依赖的少子寿命模 型 来 计 算()复 合 的复合速率由式()给出:()(),()其中:.,().,()式中,与分别为电子和空穴的寿命,与 分别为受主和施主浓度,为本征载流子浓度,为陷阱能级,为玻
7、尔兹曼常数,为绝对温度。本文采用非局域带间隧穿模型来模拟载流子从硅衬底隧穿超薄氧化膜到达多晶硅层。隧穿概率由式()给出:()(),()其中:(),()()(),()()(),()式中,为电子惯性质量,与分别为电子和空穴的有效质量,()为电子隧穿的势垒高度,()为空穴隧穿的势垒高度,和 为隧穿的起点和终点。此外,本论文也将能带变窄效应、费米狄拉克统计及电场依赖的迁移率模型考虑到仿真工作中,尽可能使得仿真具有实际指导意义。结果与讨论要设计超快响应的像素探测器,必须有效降低信号电荷的输运时间,根据牛顿第二定律:,(),()式中,为电子加速度,为电子质量,为电子电荷量,为偏置电压,为衬底厚度。根据式(
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