先进超纯高阻硅探测器特殊芯片的研发制作

论文摘要

硅基半导体探测器因其响应速度快、灵敏度高、易于集成等特点,广泛应用于光子及辐射环境下高能粒子的探测。其应用范围包括航天航空、科学研究、工业领域、环境监测、有色金属、冶金、食品、考古、核辐射监测等行业。典型的辐射环境应用为高能物理实验,如欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）实验中的ATLAS与CMS探测器。本研究立足于超纯高阻硅材料,在传统探测器结构基础上,对新型硅探测器进行研究,包括对大面积硅漂移探测器（Silicon Drift Detector,SDD）进行研发制作与电学性能测试,对新颖三维沟槽电极探测器（3D-Trench Electrode Detector）以及超快响应三维电极探测器（Ultra-fast 3D Detector）进行建模仿真。1.硅漂移探测器载流子的收集方式不同于传统平面探测器,电场独立于耗尽场负责电荷的传输（漂移）,这种载流子传输方式使硅漂移探测器收集阳极面积小,且独立于探测器单元面积。即使探测器单元面积增大到厘米级别,其极小阳极电容也会成为减少与前置放大电路串联噪声的因素而提高探测器系统整体噪声表现,提高能量分辨率。探测器使用的材料为超纯高阻硅。在大面积SDD的设计方面,采用数学变分法计算得到载流子漂移至收集阳极的最佳路径,计算正反面偏置电压关系,得到最小漂移时间和最佳漂移路径,沿该漂移路径的电场强度为一常数;采用螺旋环设计,使螺旋状的阴极环成为一个自动分压装置;计算螺旋间距、电极宽度等参数与探测器半径的关系得到具体几何结构。通过计算仿真可以得到探测器的电势和电场分布图,这是首次通过对电势进行微分来获得探测器的三维电场分布图,电场分布图可以用于更加清晰地观察载流子的最佳漂移轨道。探测器单元结构确定后,进行掩膜版的设计与制作,制得一套包括光刻标记、P/N型注入刻蚀、镀电极在内的掩膜版。利用一整套的掩膜版来指导完成探测器的工艺制作部分,尽管详细的工艺步骤非常复杂,但是仍然可以提取出大面积SDD工艺制作的几个创新点,吸杂氧化,双面光刻的标记制作以及保护性离子注入等。大面积SDD制作完成后,通过金相显微镜观察SDD的芯片外观,有无污点、孔洞等缺陷,并进行I-V、C-V等电学特性测试,主要包括漏电流测试、电容测试、螺旋环电流测试。测试结果显示制得的大面积SDD外观完美,电学特性良好,如低漏电流和低阳极电容等,均达到设计要求。2.新颖三维沟槽电极硅探测器设计是一种与平面硅探测器以及传统的三维柱状电极硅探测器完全不一样的设计,具有以下优势:只与电极间距有关的耗尽电压不再受到探测器厚度的限制,大大提升探测器各种性能以及应用范围;与三维柱状电极硅探测器相比,新颖三维沟槽电极硅探测器不存在电势“鞍点”,其电极附近也不会存在高电场,电势分布与电场分布将会更加均匀。新颖三维沟槽电极硅探测器在设计方面进行优化,沟槽电极的形状是两瓣相互互补的盒型形状,这也是三维开阖式盒型电极硅探测器的命名原因,从而提高了探测器的灵敏区域面积,减少低电场区域（死区）面积比例。本文利用Silvaco软件的TCAD组件进行模拟仿真,仿真过程通过基本方程及基本物理模型进行计算,得到探测器的电流、电容、电势分布、电场分布等各种电学特性。在新颖三维沟槽电极硅探测器的设计方面,介绍了方形开阖式盒型电极硅探测器、复合式盒型电极硅探测器、三维平行板电极硅探测器等。随后通过对方形开阖式盒型电极硅探测器在无辐射环境下的仿真与分析,得到获取最优设计的方法;再对其进行强辐射环境下的仿真分析,得到探测器的漏电流,耗尽电压与辐射环境的关系等。几何电容只与探测器的电极设计有关,因此在强辐射环境下保持不变且数值也在一个较小的数量级上。从电荷收集的模拟中,可以看出电荷收集总量与电子收集和空穴收集的关系。3.将三维电极硅探测器的电极间距减少到一个极限值,便可以得到超快响应的三维电极探测器,并通过计算和模拟仿真来研究超快响应的三维柱状电极和三维沟槽电极硅探测器的设计。超快响应的三维电极探测器收集时间在皮秒级别,仅需几伏特的偏置电压就可使载流子达到饱和速度。通过计算,可以知道在电极间距为5 μm时,使载流子达到饱和速度的最小偏置电压约为4 V,其响应时间为50 ps;在电极间距为10μm时,使载流子达到饱和速度的最小偏置电压约为8 V,其响应时间为100 ps。全耗尽电压与探测器的电极间距有关,当电极间距极小时,全耗尽电压也非常小,可以应用于一些便携式的探测装置。在三维柱状电极和三维沟槽电极的设计中,在使载流子达到饱和漂移速度的偏置电压或者更大的偏置电压数值下,探测器的电场强度均小于本征击穿电场,因此认为探测器可以在此类偏置电压下工作。因为电极间距小,超快响应的三维电极探测器具有自主抗辐射能力。超快响应的三维电极探测器可以通过形成阵列来达到位置分辨,进一步拓宽其应用领域。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘曼文

导师: 李正

关键词: 大面积硅漂移探测器,盒型电极硅探测器,电学性能表征

来源: 湘潭大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 湘潭大学

分类号: O572.212;TN40

DOI: 10.27426/d.cnki.gxtdu.2019.001693

总页数: 153

文件大小: 19561k

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