基于PIN硅像素探测器的新型低电容结构设计与仿真*

孙泽亮, 郭秦文, 龙 强, 李 正

(湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411105)

1 新型探测器结构

信噪比是高性能探测器的关键参数,其定义为有用信号与无用噪声的比值.探测器在完成信号转换的过程中, 不仅给出表征被测对象的有用信号,同时伴随着无用的噪声信号，这些噪声信号大大降低了探测器的探测性能和系统的信噪比.降低探测器噪声，提高信噪比是我们此次设计的主要任务.影响探测器噪声的首要因素就是电容，而探测器的电极面积决定了探测器的电容的大小，因此，本文基于减小探测器灵敏面积从而提高信噪比的思想展开[1-3].新型硅像素探测器结构如图1、图2所示.为保证其电场、电势对称均匀分布，将电极设计成对称型.其中间为本征层(I区)，掺杂浓度为8×1011P/cm-3，厚度为500 μm.其上下各离子注入1 μm厚的P型重掺杂区和N型重掺杂区，掺杂浓度分别为1×1019B/cm-3(P区)、1×1019P/cm-3(N区).在重掺杂区域表面覆盖1 μm厚的金属铝，形成欧姆接触作为电极，电极中间用SiO2隔开，其平面图如图2所示.为保证探测器可以被完全耗尽，电极间的最大间距不大于233 μm[4]，本探测器设计为229 μm.电极到探测器边部的距离设计为116 μm，以保证其能够完全耗尽.

2 全耗尽电压

传统型探测器，其全耗尽电压约为160 V[5].新结构中，由于减小了电极有效面积，故其耗尽电压有所提升，将新型低电容硅像素探测器接入250 V反偏电压环境中进行多次仿真模拟，并按图2中所示，截取两个剖面来观察其特性.图3和图4为两个剖面在电压为250 V时的电子浓度，从图中可以看出，当探测器接250 V反偏电压时，探测器已经完全耗尽.

3 电场和电势分布

电场和电势分布是否均匀也是衡量探测器性能的一项重要指标，弱电场区的产生对探测器的性能是非常不利的.图5～图8分别显示探测器在250 V反偏电压下的电场和电势分布情况，从图中我们可以看出，电场和电势都是均匀分布的，且大部分都是高电场，这有利于电荷的收集.

4 电容-电压特性曲线

电容是衡量探测器性能的一个重要指标，电容越小，探测器工作时的噪声与串扰越小[6].因此，我们设计的新型硅像素探测器旨在减小探测器电容，从而提高探测器的能量分辨率.图9是传统型硅像素探测器和新型硅像素探测器电容的比较，图10是图9的局域放大图.从两幅图中我们可以看出：新型低电容硅像素探测器与传统型硅像素探测器的C-V特性曲线走势基本一致，只是其电容大小略有差异.在相同电压下(250 V)，传统型硅像素探测器电容约为150 fF，我们设计的新型硅像素探测器，其电容有所减小，为140 fF.

5 结论

根据探测器的工作效率与灵敏区的厚度、全耗尽电压和电极有效面积的关系，确定了新型低电容硅像素探测器的结构.借助Sentaurus TCAD仿真软件对设计出的新结构进行仿真，对数据进行分析，得到了新型低电容硅像素探测器的电势、电场、电容、全耗尽电压等电学性能.将仿真结果与传统的硅像素探测器进行比较，得到以下结论：(1) 在设计新型低电容硅像素探测器的电极结构时，保持电极的对称性，获得均匀的电势分布.(2) 加上频率为1×106Hz的交流信号进行电容仿真，有效体积不变，新型结构的硅像素探测器与传统的硅像素探测器比较，电容减小了十分之一.(3) 新型结构的探测器的有效电极面积比传统的六边形的小，其电容小大约10 fF，但是由于有效电极面积的减小导致所需的耗尽电压有所增加，因此电容与耗尽电压的权衡可以根据实际应用的需求做出调整.