低增益雪崩探測(cè)器的數(shù)值仿真與輻照效應(yīng)研究

摘 要：低增益雪崩探測(cè)器（ LGAD） 是新型快速定時(shí)探測(cè)器，用于克服在重強(qiáng)子輻射下傳統(tǒng)硅探測(cè)器響應(yīng)速度慢和抗輻照能力差的問題。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具（ TCAD） ，構(gòu)建LGAD 的物理模型，對(duì)不同溫度、電壓下LGAD的漏電流、瞬態(tài)信號(hào)和增益等的變化進(jìn)行研究。引入一種新的“ 三陷阱體損傷模型” 研究LGAD 的抗輻照性能，計(jì)算不同中子輻照通量對(duì)LGAD 相關(guān)電學(xué)參數(shù)的影響。結(jié)果表明：LGAD 在低溫下工作具有更好的性能;輻照后漏電流增大，暗計(jì)數(shù)率增加，瞬態(tài)收集信號(hào)變差，增益降低。分析認(rèn)為是輻照所產(chǎn)生的缺陷影響了LGAD 的空間有效電荷和內(nèi)部電場(chǎng)，通過增大電壓和降低溫度可以降低這一影響。模擬研究工作得到了不同溫度和輻照對(duì)探測(cè)器性能的影響，對(duì)探測(cè)器后續(xù)的研究和輻照加固設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：低增益雪崩探測(cè)器;TCAD 仿真;中子輻照;輻照模型

中圖分類號(hào)：TL81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

低增益雪崩探測(cè)器（ low gain avalanchedetector，LGAD）是在RD-50 合作中首先提出的，用于應(yīng)對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（ large hadron collider，LHC） 升級(jí)為高亮度大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（ highlightlargehadron collider， HL-LHC）后粒子發(fā)生相互作用的數(shù)量大幅增加的情況[1] 。與傳統(tǒng)探測(cè)器相比，LGAD 具有體積小、快速定時(shí)（約為30 ps）和抗輻照性能好等優(yōu)點(diǎn)，可以通過測(cè)量時(shí)間間隔來區(qū)分不同的粒子事件，適用于高能物理實(shí)驗(yàn)中的粒子跟蹤和定時(shí)測(cè)量[2-3] 。目前，LGAD 已經(jīng)被歐洲粒子物理中心（CERN）選擇并將應(yīng)用于高粒度時(shí)間探測(cè)器（high granularity timing detector，HGTD）項(xiàng)目，多個(gè)機(jī)構(gòu)正在參與設(shè)計(jì)和優(yōu)化。由于快速定時(shí)和抗輻照性能好的需求，LGAD 受到輻照損傷后其性能的變化情況是很重要的[4-8] 。LGAD 受到輻照后，預(yù)計(jì)漏電流會(huì)增大，暗噪聲會(huì)增多，瞬態(tài)收集信號(hào)和增益降低[9-12] 。目前，我國中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科技大學(xué)和北京師范大學(xué)等單位已經(jīng)設(shè)計(jì)并流片制作了LGAD 的原型，中子輻照后漏電流、時(shí)間分辨率等均滿足HGTD 項(xiàng)目要求[13-14] 。

開發(fā)新的探測(cè)器技術(shù)時(shí)，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（technology computer aided design，TCAD） 軟件來測(cè)試和優(yōu)化可減少開發(fā)時(shí)間、降低成本，這在很多的研究中也被證實(shí)是可靠的[1，15-16] 。本文通過TCAD 軟件設(shè)計(jì)了LGAD 的結(jié)構(gòu)，獲得了不同溫度下LGAD 的相關(guān)參數(shù)，并采用體損傷模型來模擬中子輻照損傷，對(duì)受輻照后LGAD 的性能變化進(jìn)行研究。通過內(nèi)部電場(chǎng)和空間電荷密度的變化分析了輻照后漏電流和增益變化的可能原因，為L(zhǎng)GAD 的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1 探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和輻照模型

本研究工作主要采用Silvaco 公司開發(fā)的Silvaco TCAD 軟件進(jìn)行， 選用的版本為2021windows 版本。Silvaco TCAD 用于仿真半導(dǎo)體工藝和器件特性，其計(jì)算基于相關(guān)的物理模型及其方程。使用TCAD 軟件進(jìn)行仿真可以降低開發(fā)周期與成本、了解仿真器件內(nèi)部參數(shù)變化情況，方便進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。

1. 1 LGAD 探測(cè)器結(jié)構(gòu)

圖1 是仿真時(shí)采用的LGAD 二維結(jié)構(gòu)[5] ，寬度為80 μm，厚度為300 μm。上端是陰極，粒子從上端入射，因此上端也稱為正面，對(duì)應(yīng)的下端（背面）是陽極。與陰極相連的是N 型重?fù)诫s，峰值摻雜密度為1×1018 cm-3 ;N+區(qū)的下方是中度摻雜的P 阱區(qū)域，峰值摻雜濃度為9. 75×1016 cm-3 ，與N+區(qū)形成了P -N 結(jié)。襯底采用的是均勻摻雜的P型硅襯底，摻雜濃度為1×1012 cm-3 。相比于N 型襯底，P 型襯底具有更好的抗輻照性能，可以有效地避免N 型襯底在受到≥1×1013 neq cm-2 中子通量的輻照后發(fā)生類型反轉(zhuǎn)。背面與陽極相連的部分采用P 型重?fù)诫s，峰值濃度為1×1018 cm-3 。為了防止邊緣擊穿，在周圍還設(shè)置了摻雜濃度為5×1017 cm-3 的保護(hù)環(huán)。由于其摻雜深度較深，也叫結(jié)端延伸（junction termination extension，JTE）。