SOI硅微劑量計(jì)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的電荷收集及能量沉積特性模擬研究

閆學(xué)文 靳海晶 李華 李德源 喬霈 牛蒙青

關(guān)鍵詞：SOI硅微劑量計(jì);電荷收集;能量沉積;微劑量譜

放射治療是癌癥治療最常用的手段，常規(guī)X、γ射線放療在人體組織內(nèi)的劑量分布不理想，在殺死癌細(xì)胞的同時，周圍健康組織也受到了較大損傷，造成明顯副效應(yīng)乃至一些并發(fā)癥。與常規(guī)X、γ射線相比，質(zhì)子、重離子以及中子等高傳能線密度（linearenergytransfer，LET）粒子具有倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布及Bragg峰附近相對較高的生物效應(yīng)，通過束流調(diào)制、適形調(diào)強(qiáng)等技術(shù)選擇性地將劑量集中分布在目標(biāo)靶區(qū)，能夠減少在周圍正常組織中的能量沉積，從而降低放療副作用[1-4]。

在評估高LET粒子輻射對人體組織的損傷作用時，除了從宏觀層面考慮離子束在目標(biāo)靶區(qū)內(nèi)的吸收劑量外，還需要考慮在微尺度空間離子隨機(jī)作用產(chǎn)生的能量沉積，即微劑量分布，以評價其相對生物效應(yīng)。

微劑量測量對揭示輻射生物效應(yīng)的微觀本質(zhì)至關(guān)重要。想要了解輻射對細(xì)胞的影響，必須在與細(xì)胞結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)某叨认聦Τ练e能量的分布情況進(jìn)行研究。Bradley等人[5-6]在1998年設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能夠真實(shí)模擬細(xì)胞尺度的SOI硅微劑量計(jì)，用于微劑量的精確測量。但由于微納加工技術(shù)以及探測效率的限制，至今仍未形成特別實(shí)用的產(chǎn)品。因此，本文就SOI硅微劑量計(jì)的電荷收集及能量沉積特性進(jìn)行模擬研究，以期明確微劑量計(jì)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素，有助于后續(xù)SOI硅微劑量計(jì)的設(shè)計(jì)研發(fā)。

1SOI硅微劑量計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理

SOI硅微劑量計(jì)是通過將硅半導(dǎo)體蝕刻成細(xì)胞大小的探測單元來記錄輻射粒子在其中的能量轉(zhuǎn)移和沉積，具有空間分辨率高、響應(yīng)快、輸出信號強(qiáng)并且能從物理層面真實(shí)模擬細(xì)胞尺度的突出優(yōu)勢[7-9]。SOI硅微劑量計(jì)大致包括5個部分：Si靈敏區(qū)、SiO2埋氧層、Si基底以及n+、p+電極和聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）轉(zhuǎn)換層，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體工作原理[10]：當(dāng)載能粒子入射到劑量計(jì)的靈敏區(qū)（圖1圓柱型Si靈敏區(qū)范圍內(nèi)）時，在靈敏區(qū)內(nèi)沉積能量，電離產(chǎn)生大量電子-空穴對，這些電子-空穴對在外加電場的作用下漂移，最后電子和空穴分別被n+極和p+極收集，產(chǎn)生瞬時電流，通過對電流信號的讀取來獲得劑量信息。

2電荷收集特性模擬

SOI硅微劑量計(jì)是從物理結(jié)構(gòu)出發(fā)真實(shí)模擬細(xì)胞尺寸的半導(dǎo)體陣列探測器，目的是獲取每個細(xì)胞內(nèi)部的能量沉積，而對能量沉積的探測需要轉(zhuǎn)化為對電荷的收集。因此，SOI硅微劑量計(jì)的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要避免相鄰硅靈敏區(qū)之間的電荷共享，對微劑量計(jì)的電荷收集特性進(jìn)行模擬研究對其物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有極其重要的指導(dǎo)意義。

2.1SOI硅微劑量計(jì)的TCAD建模

如圖1所示，利用TCAD（technologycomputeraideddesign）軟件對圓柱型硅探測單元進(jìn)行建模。由于人體細(xì)胞的尺寸大部分是在10μm甚至小于10μm的范圍內(nèi)，且目前微納加工技術(shù)能很好地實(shí)現(xiàn)10μm左右的半導(dǎo)體蝕刻工藝，因此初始建模參數(shù)如下：硅單元高10μm，直徑10μm;埋氧層（SiO2）厚度為2μm，硅襯底厚度為400μm，埋氧層和襯底寬度均為20μm;中間n+電極（陽極）注入深度2μm，寬度2μm，磷摻雜峰值濃度1×1020cm-3，外圈p+電極（陰極）注入深度1μm，寬度1μm，硼摻雜峰值濃度1×1020cm-3;陰、陽Al電極厚度均為0.2μm，邊長均為1μm。

利用TCAD軟件對SOI硅微劑量計(jì)進(jìn)行相關(guān)電參數(shù)的模擬，主要涉及到不同硅探測單元尺寸對應(yīng)的電場變化、電極注入深度不同時對應(yīng)的電場變化以及重離子入射到靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電荷分布等。圖2所示為圓柱型探測單元n+端加10V反向偏壓時的電場分布，從圖2可以看出，電場基本集中分布在硅單元內(nèi)的n+電極和p+電極之間，在埋氧層及硅襯底部分也有電場分布。本文主要目的就是要通過改變物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少電荷在硅襯底中的分布，提高硅探測單元對電荷的收集效率。

2.2結(jié)構(gòu)形狀對電荷收集的影響

通過TCAD軟件分別建立了立方體和圓柱型兩種形狀的硅微劑量計(jì)物理模型。其中立方體硅探測單元尺寸為10μm×10μm×10μm，圓柱型硅探測單元尺寸為?10μm×10μm，埋氧層、硅襯底以及電極注入情況均相同，具體參照圖1所示結(jié)構(gòu)。

對立方體和圓柱型兩種結(jié)構(gòu)形狀的微劑量計(jì)進(jìn)行了電場空間分布的模擬計(jì)算，在n+端加10V反向偏壓后得到兩種結(jié)構(gòu)形狀下同一位置處（圖2中顯示的距探測單元頂部1μm）電場的具體分布，如圖3所示。

從圖3中可知，直徑和邊長相同、高度相同的圓柱型和立方體硅探測單元在10V反向偏壓的情況下，電場分布幾乎完全一致。這說明備選的兩種初始結(jié)構(gòu)對電場的影響幾乎可以忽略。因此，基于SOI硅基微劑量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用圓柱或立方體均可，對電荷收集影響甚微。

對不同尺寸的圓柱型硅探測單元進(jìn)行模擬計(jì)算。保持圓柱型硅探測單元的高度10μm不變，圓柱型結(jié)構(gòu)半徑從2～5μm逐漸改變，得到如圖4所示的電場分布;保持圓柱型硅探測單元的半徑5μm不變，圓柱型結(jié)構(gòu)高度從4～10μm逐漸改變，得到如圖5所示的電場分布。

從圖4可知，當(dāng)圓柱型硅探測單元高度保持10μm不變，半徑從5μm逐漸減小到2μm時，由于電壓不變，距離縮短，導(dǎo)致了n+端和p+端之間形成的電場強(qiáng)度逐漸升高，說明半徑越小對電荷的收集效率越高。

從圖5可知，當(dāng)圓柱型硅探測單元半徑保持5μm不變，高度從10μm逐漸減小到4μm時，n+端和p+端之間的電場變化趨勢在8～10μm之間較為平緩，當(dāng)高度減小到6μm時，電場開始發(fā)生變化，直到減小到4μm時發(fā)生了劇烈變化，在n+的遠(yuǎn)端發(fā)生了驟減。但由于高度減小、半徑不變等效于相鄰探測單元之間的物理距離減小，因此在p+往外的位置電場強(qiáng)度逐漸升高，這會降低硅探測單元的電荷收集率。因此，說明半徑為5μm的圓柱型硅探測單元對應(yīng)8～10μm的高度時對電荷收集是有利的。

綜上所述，在10μm的尺寸范圍內(nèi)，硅探測單元采用圓柱型或立方體結(jié)構(gòu)對電荷收集效率的影響不大，探測單元高度越高、半徑越小，電荷收集效率越高。應(yīng)綜合考慮現(xiàn)有微納加工技術(shù)的成熟度選擇硅探測單元的尺寸，盡量做到半徑小、高度高。

2.3電極注入深度對電荷收集的影響

電極注入深度的不同也可能影響n+端和p+端之間形成的電場分布。因此，仿真模擬了硅探測單元電極注入深度不同時的電場分布情況，結(jié)果如圖6所示。仿真采用了圓柱型硅探測單元，結(jié)構(gòu)尺寸為?10μm×10μm，埋氧層、硅襯底保持如圖1所示結(jié)構(gòu)不變，電極注入深度從2～10μm逐漸改變。

從圖6中可看出，電極注入的深度大于6μm時，n+端和p+端之間的電場變化基本趨于緩和，電極注入深度小于6μm時，電場變化相對較大。但是，當(dāng)電極注入深度小于8μm時，由于相鄰探測單元p+電極和p+電極之間未建立完全物理隔離，p+端向外產(chǎn)生的電場強(qiáng)度隨著電極注入深度的減小逐漸升高，這會降低硅探測單元的電荷收集。因此，在10μm的探測單元中，電極注入深度應(yīng)選擇大于8μm較佳。

2.4重離子入射靈敏區(qū)域的電荷收集狀況

仿真模擬了3MeV的α粒子和2MeV的質(zhì)子入射到靈敏體積時空間電荷在不同時刻的空間分布情況。α粒子和質(zhì)子分別從n+極和p+極中間的硅靈敏區(qū)入射，位置如圖7所示箭頭方向。硅探測單元尺寸為?10μm×10μm和?20μm×10μm，n+端加10V偏壓，得到的各時間點(diǎn)的電勢分布如圖7所示。

從圖7中可看出，當(dāng)硅探測單元直徑為10μm時，在粒子入射后約1ns的時間內(nèi)，電勢基本回歸到與入射時的狀態(tài)一致，說明1ns的時間內(nèi)電荷幾乎全部被收集。而將硅探測單元直徑增大到20μm時，粒子入射1ns的時刻，由于相鄰探測單元對其電荷產(chǎn)生的影響還未完全消失，在p+端外延處還存在一定的電勢，此時電荷收集未完成。

另外，對中子的探測實(shí)際上是對中子與物質(zhì)相互作用后產(chǎn)生的α、質(zhì)子等重離子的探測，以上仿真結(jié)果同樣適用于中子。綜上可知，硅探測單元的半徑越小，越有利于在較短的時間內(nèi)完成電荷收集。

3能量沉積特性模擬

3.1SOI硅微劑量計(jì)的蒙特卡羅建模

按照設(shè)計(jì)參數(shù)，基于蒙卡方法初步建立了硅探測陣列（11×11）模型，如圖8所示，模擬在SOI晶體上蝕刻出直徑9μm，高度9μm的圓柱型探測單元，探測單元之間和頂部均使用PMMA轉(zhuǎn)換層進(jìn)行填充，圓柱軸心注入n+電極，圓周注入p+電極，上接鋁電極后包裹一層SiO2以形成保護(hù)層。具體如圖8所示。為顯示效果，本文建模圖片中硅襯底厚度并非實(shí)際建模厚度。

3.2能量沉積模擬

針對圓柱型和立方體兩種結(jié)構(gòu)的探測單元，利用中子、質(zhì)子和α粒子轟擊硅敏感單元獲取其能量沉積情況。模擬計(jì)算中硅探測單元尺寸：圓 圖8 基于蒙卡的硅探測陣列建模Fig.8 ModelingofsilicondetectorarraybasedonMonteCarlo柱型?9μm×9μm，立方體9μm×9μm×9μm，周圍用PMMA包裹。入射粒子方向垂直于硅探測單元平面，在9μm×9μm的范圍內(nèi)均勻入射，中子、質(zhì)子和α粒子的能量均為5MeV。圖9是α粒子、質(zhì)子和中子入射粒子轟擊硅探測單元的能量沉積情況，圖中均只顯示了探測單元橫截面的1/4部分。

由圖9可知，中子、質(zhì)子和α粒子轟擊探測單元，較大的能量沉積基本發(fā)生在硅敏感單元內(nèi)，在PMMA中的能量沉積明顯較少。因此，針對能量沉積特性分析，模擬中的硅基微劑量計(jì)結(jié)構(gòu)符合實(shí)際需求。

3.3結(jié)構(gòu)形狀對微劑量譜的影響

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對微劑量的高效測量，對圓柱型和立方體探測單元兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了60Co和137Cs源的微劑量譜的仿真模擬，仿真中計(jì)算中入射粒子方向垂直于硅探測單元平面，在9μm×9μm的范圍內(nèi)均勻入射。圓柱型硅探測單元尺寸為?9μm×9μm，立方體硅探測單元尺寸為9μm×9μm×9μm，微劑量譜的仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11可知，針對60Co，立方體和圓柱型兩種結(jié)構(gòu)下積分面積偏差為1.86%;針對137Cs，立方體和圓柱型兩種結(jié)構(gòu)下積分面積偏差為3.79%。以上結(jié)果充分說明在立方體與圓柱型兩種硅探測單元結(jié)構(gòu)下，微劑量譜基本重合，立方體與圓柱型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中均可。這與本文2.2節(jié)中尺寸為10μm×10μm×10μm的立方體與?10μm×10μm的圓柱型結(jié)構(gòu)的電荷收集仿真結(jié)果一致。

3.4PMMA轉(zhuǎn)換層對微劑量譜的影響

PMMA轉(zhuǎn)換層在SOI硅微劑量計(jì)中的作用是將中子和γ等不帶電粒子轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的次級帶電粒子，然后這些帶電粒子經(jīng)過SOI硅靈敏區(qū)產(chǎn)生脈沖信號，從而得到相應(yīng)的線能譜數(shù)據(jù)[11]。因此，PMMA的厚度對中子和γ等不帶電粒子的微劑量測量會產(chǎn)生一定的影響。

為了得到PMMA轉(zhuǎn)換層厚度對硅基微劑量計(jì)微劑量譜的影響，模擬了60Co和137Cs的γ微劑量譜在不同厚度的PMMA轉(zhuǎn)換層下的變化情況。模擬過程中采用圓柱型硅探測單元，尺寸為?9μm×9μm，PMMA厚度從0.0～5.0mm逐漸增加，入射粒子方向垂直于硅探測單元平面，在9μm×9μm的范圍內(nèi)均勻入射。

由圖12和圖13可知，隨著PMMA厚度的增加，SOI硅微劑量計(jì)探測到的60Co和137Cs的γ能譜分布變化基本一致，但是譜峰值發(fā)生了一定的變化。隨著轉(zhuǎn)換層厚度的增加，在1～10keV/μm區(qū)間呈現(xiàn)出峰位向右偏移且峰值逐漸增高的結(jié)果。這可能是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)換層厚度較小時，γ射線與轉(zhuǎn)換層相互作用產(chǎn)生的次級電子大部分可穿過硅靈敏區(qū)，隨著厚度增加，部分次級電子被阻止在硅靈敏區(qū)的份額逐漸增加，使得相應(yīng)的峰值增加。

采用同樣尺寸的圓柱型硅探測單元模擬了252Cf中子微劑量譜，入射粒子方向垂直于硅探測單元平面，在9μm×9μm范圍內(nèi)均勻入射。PMMA厚度從0.0～3.0mm逐漸增加，不同轉(zhuǎn)換層厚度下的譜分布如圖14所示。

由圖14可知，隨著PMMA轉(zhuǎn)換層厚度的增加，在10～100keV/μm區(qū)間內(nèi)譜峰同樣發(fā)生了右移以及增高，說明中子與轉(zhuǎn)換層相互作用產(chǎn)生的次級質(zhì)子被阻止在硅靈敏區(qū)的份額隨著PMMA厚度的增加而逐漸增加。

4結(jié)論

本文采用TCAD和蒙特卡羅方法分別對SOI硅微劑量計(jì)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的電荷收集特性和能量沉積特性進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明在10μm的尺寸內(nèi)，（1）SOI硅微劑量計(jì)的結(jié)構(gòu)形狀對電荷收集和能量沉積的影響均很小;（2）對圓柱型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，探測單元的半徑越小、高度越高，其電荷收集效率越高，在1ns的時間內(nèi)基本能達(dá)到100%的電荷收集率;（3）當(dāng)探測單元高度為10μm時，電極注入深度達(dá)到8μm對電荷收集更有利;（4）PMMA轉(zhuǎn)換層厚度的增加將中子和γ射線產(chǎn)生的次級粒子更多地阻止在了硅靈敏區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致了微劑量譜的峰值增高。以上結(jié)論將對SOI硅微劑量計(jì)的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)意義。