低死区复合结构壳型电极硅探测器的电学性能研究

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1、学校代号10530学号201510131294分类号TN305密级公开硕士学位论文低死区复合结构壳型电极硅探测器的电学性能研究学位申请人刘晓洁指导教师李正教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向微电子材料与器件工程二零一八年五月StudyonElectricalCharacteristicsofLowDeadzoneCompositeShell-ElectrodeSiliconDetectorCandidateXiaojieLiuSupervisorProfessorZhengLiCollegeSchoolofMaterialsScienceandEngin

2、eeringProgramMaterialsScienceandEngineeringSpecializationMicroelectronicMaterialsandDevicesEngineeringDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay,2018湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式

3、标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要随着科学技术的发展，半导体材料与工艺技术的发展突飞猛进，传统探测器工艺日趋完善，新材料半导体探测器也越来越多的进入人们的视野之内。大量的半导体探测器中，硅

4、探测器因其优越的性能和成熟先进的工艺技术，广泛地被应用于高能物理、核物理等领域。在欧洲超级强子对撞机(SLHC)实验中，硅探测器的辐照通量高达到1×1016n/cm2，此时，探测器的性能便会开始有衰减。目前硅探测器的研究研究领域中，一般以耗尽电压、电容、暗电流、电荷收集等参数对硅探测器噪声、能耗、能量分辨率、收集效率的影响等作为评价探测器性能是否优越的指标。因此，本文提出一种新型低死区复合结构壳型电极硅探测器(LDCD)，旨在有效地加固探测器的抗辐照性能，更大程度剔除探测器的弱电场区，从而提高硅探测器的电荷收集效率。首先在SilvacoTCAD中仿真方形结构，再结合半导体器件物

5、理基础，研究低死区复合结构壳型电极硅探测器的电学性能。本文的研究内容包括：(1)提出一种低死区复合结构壳型电极硅探测器。该结构是在三维沟槽电极硅探测器在结构上加以创新，在原有单面刻蚀的方形结构的基础上改进为双面刻蚀的四棱柱嵌套底部特殊结构（底端短四棱柱刻蚀掉四个四分之一圆）。这种新型结构剔除了原有三维沟槽电极硅探测器的弱电场区域，极大地降低了死区比例，提高了探测器的抗辐照性能。(2)低死区复合结构壳型电极硅探测器的电学性能仿真。基于半导体硅探测器基本理论，结合模拟仿真软件，研究新型结构探测器的全耗尽电压、漏电流、电容等电学特性与辐照环境及探测器自身结构的关系。研究发现：硅探测器

6、的耗尽电压和辐射通量有关。根据仿真结果得知该探测器的全耗尽电压较小，能耗较低，无辐照情况下，其全耗尽电压为1.5V；硅探测器的漏电流与少数载流子的寿命有关，寿命越低漏电流越大，且随着辐射增强，其漏电流会随之增大，不利于电信号的收集；新型低死区复合结构壳型电极硅探测器的电容只与探测器自身结构相关，探测器的电容越小噪声也相应越小，其几何电容也可以表征探测器的信噪比，此外模拟C-V特性曲线得到饱和电容约为87fF。(3)对低死区复合结构壳型电极硅探测器的电荷收集性能进行了研究。结合电荷收集理论，经过仿真模拟计算，推导出简单的电荷收集模型。研究结果表明：在无辐照环境下，收集电极接受的全

7、部电荷与小电离粒子（MIP）入射的位置无关。当器件处于强辐照环境时，电荷收集与MIP的入射位置有关；辐射强度越大，新型低死区复合结构壳型电极硅探测器的电荷收集效率越低，并且电荷收集效率与电场大小密切相关，从侧面证明了减少探测器死区的必要性。关键词：低死区复合结构壳型电极硅探测器；辐照强度；漏电流；电荷收集效率IAbstractWhilesemiconductormaterialsandfabricationtechnologieshavebeendevelopingrapidly,thetr