一種新型低電容像素探測器的設計與模擬*

王思遠, 郭秦文, 孫澤亮, 李 正

(湘潭大學 材料科學與工程學院，湖南 湘潭 411105)

像素探測器是以硅為探測材料的粒子徑跡探測器，是半導體探測器的一種.從20世紀60年代開始，這種像素探測器就得到了廣泛的使用[1].像素探測器的特點是擁有優異的空間分辨率和迅速的時間響應能力.目前，像素探測器廣泛應用于高能物理實驗，如大型強子對撞機(LHC)的ATLAS內部探測器和能量分辨率較好的X射線光譜學.在這種對撞機中，質子束在電場和磁場的作用下加速，這些被加速的質子速度接近光速，高能質子束進行碰撞，產生出14萬億電子伏特的高能粒子，最靠近束流的子探測器就是像素探測器.像素探測器的重要參數是像素電容，像素電容決定了像素探測器的噪聲性能.本文著重研究的是如何使電容降低.傳統探測器的電容值較高，信號電極覆蓋了整個探測器區域，低電容是設計新型探測器的關鍵要求.在這項工作中，提出了一種新型結構，減少了探測器的有效面積，同時保持敏感體積不變，還保持了電極的對稱性，這樣就能在電場和電位中得到更均勻地分布.與傳統的探測器相比，新的探測器的結構具有較低的電容.本文主要介紹一種新設計的電極形狀:內空圈掃把結構.

1 新型像素探測器的結構

新型低電容像素探測器實際上是加了反偏電壓的PIN結[2]，使用Silvaco TCAD仿真工具，可以模擬內空圈掃把結構.圖1是整體形狀，圖2是具體尺寸，一個大的區域探測器可以由這些獨立單元的陣列組成.在模擬中，中間為本征層，本征層為N型高電阻硅，其摻雜濃度為8×1011P/cm-3.探測器厚度為500 μm.有1 μm厚的P型重摻雜區(摻雜濃度為1×1019B/cm-3)刻蝕在前表面和一個1 μm厚N型重摻雜區(摻雜濃度為1×1019P/cm-3)刻蝕在后表面.正面P型摻雜區是由1 μm鋁覆蓋形成內空圈掃把形狀陰極，背面摻雜區是由1 μm鋁形成陽極.二氧化硅將陰極隔開，對輻射產生的損傷起到一定的削弱作用[3]，所以選擇二氧化硅作為本實驗的介電質.我們選擇兩個相鄰的內空圈掃把形狀的最大距離為233 μm，此時像素探測器可以在250 V電壓下全部耗盡.

2 電勢

電勢均勻程度是衡量探測器性能的一項重要指標，圖3和圖4是內空圈掃把型結構在反偏電壓為250 V時，探測器表面的剖視圖(縱剖面1和縱剖面2)的電勢，從圖中我們可看到電勢都是均勻分布的，符合設計要求.

3 電場特性

圖5和圖6顯示了在250 V的反偏電壓下，內空圈掃把型結構的探測器表面的縱向截面1和縱向截面2的電場特性，從圖中可知電場也是均勻分布的，且是高電場,同樣符合技術要求.

4 全耗盡電壓

傳統探測器全耗盡電壓約為160 V.我們設計的新結構中，減小了電極的有效面積，故其耗盡電壓有所提升.在250 V反偏電壓下對這個新型的像素探測器進行了3D仿真，圖7和圖8顯示了縱剖面1和縱剖面2的二維平面剖面圖的電子濃度,可以發現大部分區域在250 V時完全耗盡.

5 C-V特性曲線

電容是硅像素探測器中的一個重要的敏感參數，它直接影響噪聲和串擾,電容越小，性能越好[4].通過小信號分析，我們得出了電容-電壓特性(交流分析，頻率為1×106Hz)[5].新設計的探測器(內空圈掃把型)的電容如圖9所示.與傳統的像素探測器相比，電容減少了大約1/12.

6 總結

提出了一種有效電極面積減少的新型探測器結構，通過三維仿真和計算，得出了電場、電勢、電容、全耗盡電壓等電學特性.我們發現新結構的電容是139 fF,比傳統的像素探測器小，得出以下結論：(1) 隨著有效面積的減少，電容降低,小的電容引發的噪聲小，像素探測器的性能就更加優異.(2) 由于電極有效面積的減小，新探測器結構中全耗盡電壓有所增加[6].(3) 電場、電勢分布越均勻，探測器的性能越優異.