HgI2探测器的共面栅电极设计及有限元模拟优化

陆舒逸,李冬梅,杨伟光,黄璐,金晶,王晨,陈阳,史伟民

(上海大学材料科学与工程学院,上海 200072)

HgI2探测器的共面栅电极设计及有限元模拟优化

陆舒逸,李冬梅,杨伟光,黄璐,金晶,王晨,陈阳,史伟民

(上海大学材料科学与工程学院,上海 200072)

多晶碘化汞膜正逐渐成为制备室温下X射线成像探测器的优异半导体材料.设计8组不同栅宽和沟宽的共面栅探测器电极结构,进而使用有限元软件ANSYS对其进行模拟分析,得到相应的电势分布.结果发现,结构E(栅宽为150µm,沟宽为500µm)的电极设计效果最佳.之后,进一步设计了2组电极结构,用以研究在不对称电极形状所导致的边缘效应影响下的电势分布,结果发现通过加宽边缘第二个栅极(结构N)可以实现优化共面栅电极设计的目的,从而降低边缘效应产生的影响.

多晶HgI2;有限元分析;共面栅探测器

碘化汞(HgI2)是目前用于室温下γ射线和X射线探测器中性能最佳的半导体材料之一,主要是因其具有如下优异的特性:Hg原子和I原子都具有较高的原子序数,而HgI2具有较宽的禁带宽度(2.13 eV),从而具有较高的光电效率[1-3].在室温下,由碘化汞材料制备而成的高能辐射探测器对于γ射线和X射线具有较高的分辨能力[4-5].结合以往的应用情况来看,单晶碘化汞探测器表现出了较高的探测效率和能量分辨率,而多晶碘化汞膜的性能也已接近单晶[6-7].根据碘化汞材料的实际表现,以及大面积探测器的制造成本较低,本研究认为多晶α-HgI2膜是X射线数字成像技术中最有发展前景的直接转换器之一[8-9].

本研究采用有限元软件模拟分析了由厚度为4.5 mm碘化汞厚膜制备的共面栅探测器的电势分布[10-11].

1 研究背景

本研究所讨论的碘化汞共面栅探测器的结构由1组阴极和2组梳状阳极组成,载流子的输运情况通过2组阳极进行探测.探测器的基本结构如图1所示.

图1 共面栅探测器的基本结构Fig.1 Basic structure of a coplanar-grid detector

探测器阴极为负电位,2组梳状阳极分别为不同大小的正电位.由于2组阳极的电位不同,所以只有其中一组收集电子.将这组收集电子的阳极称为收集栅,而另一组称为非收集栅.分别用前置放大器对2组信号加以处理后,探测器的净输出即为2组信号的差值.

对于理想的共面栅探测器而言,由于2组栅极具有不同的电势,所以在靠近栅极的一小部分区域内,在栅极作用下的电势分布是不同的,而在其他区域则基本相同.当电子从阴极出发向栅极运动,在进入靠近栅极的一小部分区域之前,2组栅极上会产生相等的感应电荷,因此净输出为2组栅极产生信号的差值,也就是0,则称这一区域为非电荷感应区.

当电子进入靠近栅极的一小部分区域之后,由于收集栅的电势较高,电子会朝着收集栅运动,从而导致收集栅附近信号迅速增强.同时,由于非收集栅处没有电子靠近,从而导致非收集栅附近信号迅速减小至0,因此净输出(2组栅极产生信号之差)在电子进入靠近栅极的一小部分区域后迅速增大,则称这一区域为电荷感应区.

2 有限元模拟电极设计

本研究通过有限元模拟软件ANSYS模拟分析得到关于HgI2共面栅探测器的等势线分布,其中HgI2膜的尺寸为X=4.5 mm,Y=Z=2.5 cm,相对介电常数为8.3.

为了得到效果最佳的共面栅电极尺寸,本工作研究了8组栅宽和沟宽各不相同的电极结构的电势分布,然后对所得结果进行进一步分析.在模拟过程中,对阴极施加−10V的电压,而对收集栅和非收集栅分别施加10和0 V的电压.具体栅宽和沟宽的数据如表1所示.

表1 电极结构的栅宽和沟宽Table 1 Widths of grid and gap of the electrode patterns

3 模拟结果分析

3.1 电极设计的栅宽和沟宽

用ANSYS软件对表1所示的8组电极结构中最具代表性的3组(最小栅宽-最小沟宽、最小栅宽-最大沟宽、最大栅宽-最小沟宽)进行有限元模拟.发现在不同的栅宽和沟宽条件下,等势线分布的差别表现在开始发生弯曲的位置不同.结构E,G,H的等势线分布情况如图2所示.

图2 结构E,G,H的等势线分布Fig.2 Equipotential contour plot for patterns E,G,H

从图2中可以发现,等势线在靠近栅极处(图中椭圆标示部分)都发生了弯曲,这是由于对收集栅和非收集栅分别施加了10和0 V的不同电压所导致的.3个结构等势线分布的差别在于开始发生弯曲的位置不同.结构E的等势线发生弯曲的位置距离栅极最近,说明其电荷感应区较小;而结构G和结构H的等势线发生弯曲的位置与栅极的距离更远,说明其电荷感应区较大.也就是说,结构E的电荷感应区是最小的,即非电荷感应区是最大的.

由于电极不对称会导致边缘效应,从而对电势分布产生影响.为了方便起见,暂不考虑这一影响,将器件的中轴线选作参考路径,并命名为路径1(见图1).然后设定原点为栅极,横坐标为栅极与路径1上各点的距离,纵坐标为路径1上相邻节点的电压差,所得结果如图3所示.由图可见,各结构电势分布的均匀性差异表现为每条曲线的电压突变点位置有所区别.

图3 探测器相邻节点电压差与距离的关系Fig.3 Relationship of voltage difference of adjacent anodes and distance for the detectors

首先,选择任意沟宽值(此处为1 000µm)作为共同沟宽;然后,选取不同栅宽150,200, 250和300µm,分别标注为结构A,B,C,D.由图3(a)可以看出,在结构A,B,C,D中,同样沟宽下电压突变点的位置随着栅宽的增大,与原点距离越来越远,也就是说距离栅极越来越远,即非电荷感应区越来越小.因此,栅宽越小,非电荷感应区越大,即在结构A,B,C,D中,栅宽取150µm为最佳.

因而本研究选择150µm作为共同栅宽,选取不同沟宽500,750,1 000和1 250µm来分析比较沟宽大小对探测器电势分布的影响,分别标注为结构E,F,A,G.由图3(b)可以看出,在结构E,F,A,G中,同样栅宽下电压突变点的位置随着沟宽的增大,也距离栅极越来越远,即非电荷感应区越来越小.因此,沟宽越小,非电荷感应区越大.

由此可见,理论上栅宽和沟宽的尺寸对非电荷感应区的大小有决定性的影响.也就是说,在工艺条件允许的情况下,栅宽和沟宽越小,非电荷感应区越大,从而能收集更多的电子来产生感应电荷.

3.2 边缘效应的影响与修正

前面的讨论都是在忽略了边缘效应影响的情况下进行的.但对于实际探测器而言,探测器中间区域和边缘部分的电势分布会由于边缘效应的影响而存在差异.为了分析这一影响,本研究设计了2种不同的电极结构如图4所示(沟宽均为500µm).

图4 共面栅探测器的电极结构设计(边缘效应)Fig.4 Electrode patterns designed for the coplanar-grid detector(edge effects)

本研究通过设计结构M(见图4)来观察边缘效应的影响,图5是在结构M的收集栅和非收集栅上分别施加单位电压得到的等势线分布.从图中观察发现,在收集栅上施加单位电压时,结构M的等势线分布(见图5(a))在Y方向上呈现从左到右向上倾斜的状态.而在非收集栅上施加单位电压时,结构M的等势线分布(见图5(b))在Y方向上呈现从左到右向下倾斜的状态,刚好与收集栅相反.据此,在结构M的基础上加以改进,把右边最靠近边缘的收集栅和左边最靠近边缘的非收集栅加宽,即得到结构N(见图4).

图5 结构M的等势线分布Fig.5 Equipotential contour plot for pattern M

图6是在结构N的收集栅和非收集栅上分别施加单位电压情况下的等势线分布.可以看出,与结构M(见图5)相比,结构N的电势线倾斜程度得到明显优化(见图6(a)和(b)),均没有表现出明显的倾斜,基本上处于水平方向.

图6 结构N的等势线分布Fig.6 Equipotential contour plot for pattern N

4 结束语

本研究使用ANSYS软件,对8组不同栅宽和沟宽的共面栅电极探测器结构的等势线分布进行模拟并讨论.首先,选取任意沟宽(此处为1 000µm)作为共同沟宽,通过改变栅宽来分析栅宽大小对非电荷感应区大小的影响,从而选出最佳栅宽;然后,以最佳栅宽为共同栅宽,通过改变沟宽来分析沟宽大小对非电荷感应区大小的影响.最后得出如下结论:在工艺条件允许的情况下,栅宽和沟宽越小,探测器就具有越大的非电荷感应区,从而能够收集更多电子来产生感应电荷.在本研究所设计的8组结构中,结构E为最佳电极设计结构,其栅宽和沟宽分别为150和500µm.

在此基础上,通过把右边最靠近边缘的收集栅和左边最靠近边缘的非收集栅加宽而得到结构N,在很大程度上优化了由不对称电极导致的边缘效应所引起的等势线倾斜,使得非电荷感应区内的等势线基本保持在水平方向.

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Coplanar-grid electrode design of HgI2detector with finite element simulation and optimization

LU Shu-yi,LI Dong-mei,YANG Wei-guang,HUANG Lu, JIN Jing,WANG Chen,CHEN Yang,SHI Wei-min
(School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

Polycrystalline mercuric iodide films are developed as new detectors in room temperature X-ray imaging.In this paper,8 different electrode patterns are designed by varying the widths of grid and gap.Finite element analysis is used to simulate the potential distribution of the coplanar-grid detectors.The electrode design of pattern E,with width of grid 150µm and width of gap 500µm,is the best.The influence of edge effects resulting from the unsymmetrical electrodes on the potential distribution is discussed.The geometry of electrodes for coplanar-grid detectors is optimized by widening the second grids near edges as shown in pattern N.

polycrystalline HgI2;finite element analysis(FEA);coplanar-grid detector

TL 814

A

1007-2861(2015)05-0657-06

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.007

2014-11-25

史伟民(1951—),男,研究员,博士生导师,研究方向为光电材料与器件.E-mail:wmshi@mail.shu.edu.cn