基于PIN硅像素探測器的新型低電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真*

孫澤亮, 郭秦文, 龍 強(qiáng), 李 正

(湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

1 新型探測器結(jié)構(gòu)

信噪比是高性能探測器的關(guān)鍵參數(shù),其定義為有用信號與無用噪聲的比值.探測器在完成信號轉(zhuǎn)換的過程中, 不僅給出表征被測對象的有用信號,同時(shí)伴隨著無用的噪聲信號，這些噪聲信號大大降低了探測器的探測性能和系統(tǒng)的信噪比.降低探測器噪聲，提高信噪比是我們此次設(shè)計(jì)的主要任務(wù).影響探測器噪聲的首要因素就是電容，而探測器的電極面積決定了探測器的電容的大小，因此，本文基于減小探測器靈敏面積從而提高信噪比的思想展開[1-3].新型硅像素探測器結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示.為保證其電場、電勢對稱均勻分布，將電極設(shè)計(jì)成對稱型.其中間為本征層(I區(qū))，摻雜濃度為8×1011P/cm-3，厚度為500 μm.其上下各離子注入1 μm厚的P型重?fù)诫s區(qū)和N型重?fù)诫s區(qū)，摻雜濃度分別為1×1019B/cm-3(P區(qū))、1×1019P/cm-3(N區(qū)).在重?fù)诫s區(qū)域表面覆蓋1 μm厚的金屬鋁，形成歐姆接觸作為電極，電極中間用SiO2隔開，其平面圖如圖2所示.為保證探測器可以被完全耗盡，電極間的最大間距不大于233 μm[4]，本探測器設(shè)計(jì)為229 μm.電極到探測器邊部的距離設(shè)計(jì)為116 μm，以保證其能夠完全耗盡.

2 全耗盡電壓

傳統(tǒng)型探測器，其全耗盡電壓約為160 V[5].新結(jié)構(gòu)中，由于減小了電極有效面積，故其耗盡電壓有所提升，將新型低電容硅像素探測器接入250 V反偏電壓環(huán)境中進(jìn)行多次仿真模擬，并按圖2中所示，截取兩個(gè)剖面來觀察其特性.圖3和圖4為兩個(gè)剖面在電壓為250 V時(shí)的電子濃度，從圖中可以看出，當(dāng)探測器接250 V反偏電壓時(shí)，探測器已經(jīng)完全耗盡.

3 電場和電勢分布

電場和電勢分布是否均勻也是衡量探測器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，弱電場區(qū)的產(chǎn)生對探測器的性能是非常不利的.圖5～圖8分別顯示探測器在250 V反偏電壓下的電場和電勢分布情況，從圖中我們可以看出，電場和電勢都是均勻分布的，且大部分都是高電場，這有利于電荷的收集.

4 電容-電壓特性曲線

電容是衡量探測器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，電容越小，探測器工作時(shí)的噪聲與串?dāng)_越小[6].因此，我們設(shè)計(jì)的新型硅像素探測器旨在減小探測器電容，從而提高探測器的能量分辨率.圖9是傳統(tǒng)型硅像素探測器和新型硅像素探測器電容的比較，圖10是圖9的局域放大圖.從兩幅圖中我們可以看出：新型低電容硅像素探測器與傳統(tǒng)型硅像素探測器的C-V特性曲線走勢基本一致，只是其電容大小略有差異.在相同電壓下(250 V)，傳統(tǒng)型硅像素探測器電容約為150 fF，我們設(shè)計(jì)的新型硅像素探測器，其電容有所減小，為140 fF.

5 結(jié)論

根據(jù)探測器的工作效率與靈敏區(qū)的厚度、全耗盡電壓和電極有效面積的關(guān)系，確定了新型低電容硅像素探測器的結(jié)構(gòu).借助Sentaurus TCAD仿真軟件對設(shè)計(jì)出的新結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了新型低電容硅像素探測器的電勢、電場、電容、全耗盡電壓等電學(xué)性能.將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的硅像素探測器進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論：(1) 在設(shè)計(jì)新型低電容硅像素探測器的電極結(jié)構(gòu)時(shí)，保持電極的對稱性，獲得均勻的電勢分布.(2) 加上頻率為1×106Hz的交流信號進(jìn)行電容仿真，有效體積不變，新型結(jié)構(gòu)的硅像素探測器與傳統(tǒng)的硅像素探測器比較，電容減小了十分之一.(3) 新型結(jié)構(gòu)的探測器的有效電極面積比傳統(tǒng)的六邊形的小，其電容小大約10 fF，但是由于有效電極面積的減小導(dǎo)致所需的耗盡電壓有所增加，因此電容與耗盡電壓的權(quán)衡可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求做出調(diào)整.