器件结构设计对异质结像素探测器性能的影响_宋鸿宇.pdf

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 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（）可以得知，要使像素探测器具有更快的响应速率，一方面可以减少电荷的漂移距离，另一方面可以增大器件的偏置电压，增强器件中的漂移电场强度。因此就需要增强器件的耐压特性，使其可以在较高的偏置电压下工作。本文采用 模拟器首先研究了硅衬底厚度对像素探测器电场和载流子传输的影响。探测器分别制备在厚度为 和 的硅衬底上，采用 钝化接触形成器件的、功能区，像素探测器的有源区直径为 。在像素区域周围设置了几个保护环。单粒子事件用于模拟粒子的撞击，其开始时间为 。对于这两个样本，电荷产生在（，）位置附近。像素探测器的偏置电压设置为 。图（）和（）分别显示了 硅片和 硅片上像素探测器中电荷传输时间的变化。可以看出，电子和空穴在较薄的器件中迅速分离，分离时间小于 ，而较厚器件分离时间为。由于电子的迁移率大于空穴的迁移率，当电子被背电极收集时，空穴仍在探测器中 传 输。两 种 探 测 器 的 空 穴 传 输 距 离 相 同（约 ），对于较薄的探测器，空穴到达前电极大约第期宋鸿宇等：器件结构设计对异质结像素探测器性能的影响需要 ，完全收集空穴大约需要 。相比之下，对于较厚的探测器，空穴到达前电极大约需要 。图模拟显示了具有不同衬底厚度的像素探测图模拟不同厚度像素探测器电荷收集时间变化 器阳极电流随时间的变化。对于较薄的探测器（方形标记），在 附近可以观察到一个强峰值。此峰值 归 因 于 电 子 的 收 集（由 于 传 输 距 离 很短）。在 附近有另一个峰值，这是由于空穴的收 集 产 生 的。对 于 较 厚 的 探 测 器（圆 形 标记），电子收集没有明显的峰值，在 附近可以观察到空穴电流峰值。通过比较阳极电流的时间演化，还可以推断，对于较薄的探测器，载流子的传输速度更快。图显示了像素探测器随体厚度变化的电场分布图。可以看出，在较薄的探测器（圆形标记）中形成了较强的电场。在这种情况下，生成的电子空穴对可以更快地分离。同时，分离的载流子可以快速地被收集到两个电极上，因此对于较薄的探测器，可以获得更短的信号响应时间，更好的能量分辨率。为了探究器件表面结构对击穿电压的影响，首先分别模拟了不同保护环有源区间隔距离下探测器的曲线。从图可以发现探测器的击穿电压随着间隔距离的增大逐渐降低，间隔在 时，击穿电压约 ；而间隔为 时，击穿电压降到 。图模拟不同厚度像素探测器阳极电流随时间变化 光 电 子 激 光 年第 卷图不同衬底厚度像素探测器电场分布图 当间隔距离比较小的时候，从图可以看到有源区保护环间的电场会扩展到第二、第三保护环，进而有效降低了第一保护环有源区间的电场强度，使得击穿电压得到有效提高，而保护环有源区间隔为 时，仅微弱的电场扩展到第二、第三保护环，有源区边缘的电场强度非常大，抗击穿能力较低。图不同保护环有源区间隔距离对探测器特性曲线的影响 图不同保护环有源区间隔距离下，硅衬底表面的电场分布 从图中可以看到保护环有源区间隔较小时，电势较为均匀地落在个保护环上，而保护环有源区间隔较大时，第一保护环与有源区间电势差高达 ，因而在有源区边缘极容易发生雪崩击穿，这也是保护环有源区间隔过大导致击穿电压较低的原因。对于保护环有源区间距较大的情况，通过在探测器表面设置场板结构，可以有效提高探测器的耐压特性。如图所示，有源区与第一保护环间距设定为 ，此时探测器的击穿电压仅 。当场板长度仅 时，探测器的击穿电压提高到 ；当场板为 时，探测器的击穿电压大幅提高，达到 ；而当场板长度增大到 时，击穿电压最大，为 ；进一步增大场板长度，探测器的击穿电压趋于饱和。图为不同场板长度下探测器的电场强度分布图，从图中可以看出，当没有场板结构（场板长度为）时，电场最强区域分布在有源区边缘，因而这种情况下，探测器的击穿电压是最低的；当探测器引入场板结构后，电场最强区域逐渐向左移动，远离探测器有源区，使得探测器的耐压特性大幅提高，场板长度为 时，探测器的击穿电压已经提高到 ；进一步增大场板长度，硅衬底表面的电场强度进一步下降，与之对应的是探测器的抗击穿性能进一步提第期宋鸿宇等：器件结构设计对异质结像素探测器性能的影响高，在场板为 时，击穿电压达到 。图平行于衬底表面的电势分布 图不同场板长度条件下探测器的曲线 图场板长度对探测器中电场强度分布的影响 从图 中可以观察到，在没有场板结构时，衬底表面电场强度最强的位置位于有源区边缘，而随着场板长度的增大，电场强度最强电场开始左移，在长度分别为和时，电场强度最强处已经左移到金属电极边缘下方。上述结果表明，降低第一保护环与有源区间距或者在有源区边缘设计场板结构，均可以提高探测器的击穿电压。图 硅衬底表面电场强度随场板长度的变化 结论本文基于 模拟器，对异质结硅像素探测器结构对快速响应性能的影响进行了研究，研究了不同衬底厚度对电荷收集速率的影响。结果表明，在粒子入射后，较薄的器件具有更快的电子空穴分离速率和更短的电荷传输距离，相较于较厚器件的 获得了更加短的信号响应时间 。同时针对像素探测器有源区与保护环结构对探测器耐击穿特性进行了研究。分别研究了不同保护光 电 子 激 光 年第 卷环有源区间隔距离对探测器特性曲线的影响。结果发现：探测器的击穿电压随着间隔距离的增大逐渐降低，在间隔 时，击穿电压约 ，而间隔为 时，击穿电压降到了 。对于保护环有源区间距较大的情况，通过在探测器表面设置场板 结 构，可 以 有 效 提 高 探 测 器 的 耐 压 特 性。在场 板 长 度 增 大 到时，击 穿 电 压 最 大，达 到 ，进一步增大场板长度，探测器的击穿电压趋于饱和。结果表明，基于薄硅衬底上的异质结硅像素探测器拥有更快的信号响应速率，同时在有源区和保护环之间距离过大时，场板结构可以有效提升器件的耐高压特性，提高了探测器的击穿电压，可以使探测器工作在更高的工作电压下，保证了像素探测器的快速响应特性。参考文献：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：？：，：，（），：，：，：，：，（），：，：，（）：，（）：，（）：，（）：作者简介：李微（），女，博士研究生，教授，博士生导师，主要从事薄膜半导体器件方面的研究第期宋鸿宇等：器件结构设计对异质结像素探测器性能的影响