一种新型低电容像素探测器的设计与模拟*

王思远, 郭秦文, 孙泽亮, 李 正

(湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411105)

像素探测器是以硅为探测材料的粒子径迹探测器，是半导体探测器的一种.从20世纪60年代开始，这种像素探测器就得到了广泛的使用[1].像素探测器的特点是拥有优异的空间分辨率和迅速的时间响应能力.目前，像素探测器广泛应用于高能物理实验，如大型强子对撞机(LHC)的ATLAS内部探测器和能量分辨率较好的X射线光谱学.在这种对撞机中，质子束在电场和磁场的作用下加速，这些被加速的质子速度接近光速，高能质子束进行碰撞，产生出14万亿电子伏特的高能粒子，最靠近束流的子探测器就是像素探测器.像素探测器的重要参数是像素电容，像素电容决定了像素探测器的噪声性能.本文着重研究的是如何使电容降低.传统探测器的电容值较高，信号电极覆盖了整个探测器区域，低电容是设计新型探测器的关键要求.在这项工作中，提出了一种新型结构，减少了探测器的有效面积，同时保持敏感体积不变，还保持了电极的对称性，这样就能在电场和电位中得到更均匀地分布.与传统的探测器相比，新的探测器的结构具有较低的电容.本文主要介绍一种新设计的电极形状:内空圈扫把结构.

1 新型像素探测器的结构

新型低电容像素探测器实际上是加了反偏电压的PIN结[2]，使用Silvaco TCAD仿真工具，可以模拟内空圈扫把结构.图1是整体形状，图2是具体尺寸，一个大的区域探测器可以由这些独立单元的阵列组成.在模拟中，中间为本征层，本征层为N型高电阻硅，其掺杂浓度为8×1011P/cm-3.探测器厚度为500 μm.有1 μm厚的P型重掺杂区(掺杂浓度为1×1019B/cm-3)刻蚀在前表面和一个1 μm厚N型重掺杂区(掺杂浓度为1×1019P/cm-3)刻蚀在后表面.正面P型掺杂区是由1 μm铝覆盖形成内空圈扫把形状阴极，背面掺杂区是由1 μm铝形成阳极.二氧化硅将阴极隔开，对辐射产生的损伤起到一定的削弱作用[3]，所以选择二氧化硅作为本实验的介电质.我们选择两个相邻的内空圈扫把形状的最大距离为233 μm，此时像素探测器可以在250 V电压下全部耗尽.

2 电势

电势均匀程度是衡量探测器性能的一项重要指标，图3和图4是内空圈扫把型结构在反偏电压为250 V时，探测器表面的剖视图(纵剖面1和纵剖面2)的电势，从图中我们可看到电势都是均匀分布的，符合设计要求.

3 电场特性

图5和图6显示了在250 V的反偏电压下，内空圈扫把型结构的探测器表面的纵向截面1和纵向截面2的电场特性，从图中可知电场也是均匀分布的，且是高电场,同样符合技术要求.

4 全耗尽电压

传统探测器全耗尽电压约为160 V.我们设计的新结构中，减小了电极的有效面积，故其耗尽电压有所提升.在250 V反偏电压下对这个新型的像素探测器进行了3D仿真，图7和图8显示了纵剖面1和纵剖面2的二维平面剖面图的电子浓度,可以发现大部分区域在250 V时完全耗尽.

5 C-V特性曲线

电容是硅像素探测器中的一个重要的敏感参数，它直接影响噪声和串扰,电容越小，性能越好[4].通过小信号分析，我们得出了电容-电压特性(交流分析，频率为1×106Hz)[5].新设计的探测器(内空圈扫把型)的电容如图9所示.与传统的像素探测器相比，电容减少了大约1/12.

6 总结

提出了一种有效电极面积减少的新型探测器结构，通过三维仿真和计算，得出了电场、电势、电容、全耗尽电压等电学特性.我们发现新结构的电容是139 fF,比传统的像素探测器小，得出以下结论：(1) 随着有效面积的减少，电容降低,小的电容引发的噪声小，像素探测器的性能就更加优异.(2) 由于电极有效面积的减小，新探测器结构中全耗尽电压有所增加[6].(3) 电场、电势分布越均匀，探测器的性能越优异.