SOI硅微剂量计物理结构设计中的电荷收集及能量沉积特性模拟研究

采用TCAD软件和蒙特卡罗方法对SOI硅微剂量计的电荷收集特性与能量沉积特性进行了研究。分析了电场分布随探测单元形状、尺寸、电极注入深度、入射粒子种类和能量的变化情况以及微剂量谱随探测单元形状以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)转换层厚度的变化情况。模拟结果表明,在10μm的范围内,硅探测单元采用圆柱型或立方体结构对电荷收集效率和能量沉积的影响均很小,探测单元高度越高、半径越小,电荷收集效率越高,PMMA转换层的厚度对微剂量谱有一定的影响,随着PMMA厚度增加,中子和γ射线与PMMA作用产生的次级粒子被阻止在硅灵敏区内的份额增加,导致了微剂量谱峰值的增高。

4H-SiC肖特基二极管的电荷收集特性

针对极端环境下耐辐照半导体核探测器的研制需求,采用耐高温、耐辐照的4H碳化硅(4H-SiC)宽禁带材料制成肖特基二极管,研究了该探测器对241 Am源α粒子的电荷收集效率。从电容-电压曲线得出该二极管外延层净掺杂数密度为1.99×1015/cm3。从正向电流-电压曲线获得该二极管肖特基势垒高度为1.66eV,理想因子为1.07,表明该探测器具备良好的热电子发射特性。在反向偏压高达700V时,该二极管未击穿,其漏电流仅为21nA,具有较高的击穿电压。在反向偏压为0～350V范围内研究了该探测器对3.5MeVα粒子电荷收集效率,在0V时为48.7%,在150V时为99.4%,表明该探测器具有良好的电荷收集特性。

CMOS APS光电器件单粒子效应电荷收集特性仿真分析

卫星在轨飞行期间,星载电子器件将不可避免地遭受空间带电粒子的辐射,随着半导体技术的不断进步,电子器件的单粒子效应敏感性越来越高,已经成为一个影响其可靠性的重要因素。互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor,CMOS APS)光电器件因其低功耗、小体积和微重量的优点已成为遥感卫星成像的重要发展方向。为获取CMOS APS光电器件在遭受带电粒子辐射后性能变化的特征,在分析SOI MOSFET(Silicon on Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)结构和特性的基础上,通过理论分析和数值模拟,分析了重离子在CMOS APS光电器件中引起的辐射损伤,分析晶体管和光电二极管的电荷收集机理。通过TCAD(Technology Computer Aided Design)模拟了电荷收集过程,分析了影响漏电流变化的直接因素,获得了重离子LET(Linear Energy Transition)值、入射位置以及器件偏置电压与漏电流的相互关系,为后续CMOS APS的重离子模拟试验以及抗辐射加固设计提供了理论支撑。

平面型CdZnTe探测器电荷收集效率对能谱测量的影响

采用蒙特卡洛程序Geant4构建平面型CdZnTe探测器,模拟^(241)Am(59.5 keV)与^(137)Cs(662 keV)两种不同能量射线从阴极面垂直入射探测器.通过在Geant4中添加Hecht方程来计算探测器不同位置处的电荷收集效率.根据模拟输出的能谱,结合能量沉积分布、电子-空穴对分布及其相互作用类型,在考虑电荷收集效率的情况下,研究了探测器能谱测量的变化.结果发现,在考虑电荷收集效率后,能谱向低能部分偏移,偏移程度与最大电荷收集效率紧密相关.

基底均匀掺杂下EBAPS电荷收集效率的模拟研究

对P型基底均匀掺杂的情况下电子轰击有源像素传感器(EBAPS)的电荷收集效率进行了理论模拟研究,依据低能电子与固体的相互作用模型结合Monte-Carlo计算方法模拟了光电子入射到死层和倍增层中的运动轨迹,并分析了经过死层后的能量损失率所受影响因素;依据半导体理论研究了P型基底掺杂浓度、膜厚、入射电子能量对电荷收集效率的影响因素。最终获得的电荷收集效率理论模拟结果与已报道的(4 ke V,均匀掺杂的EPAPS)实测的结果较为相符,表明此文的模拟结果可以为高增益的EBAPS的制作提供理论指导。

化学气相沉积金刚石薄膜探测器对α粒子的电荷收集效率

实验测量了自行研制的三明治电极结构化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜探测器在室温下对241Am,243Am与244Cmα粒子的能谱响应,得到了其α粒子响应电荷收集效率随偏压的变化关系;获得了不同偏压下其相对平均电荷收集效率及响应谱下降沿10%处的相对电荷收集效率。结果表明:所研制的CVD金刚石薄膜探测器性能稳定,对α粒子响应的电荷收集效率随偏压的增加而趋于饱和,对α粒子平均电荷收集效率达33.5%,谱下降沿10%处的电荷收集效率达57%。

电荷收集法测量低温等离子体密度

利用电荷收集法,在正(135 V)、负(-117 V)偏置和低真空背景(0.5 Pa)三种不同收集条件下,测量了用于等离子体断路开关的电缆等离子体枪产生的低温等离子体的密度和漂移速率,测量值分别为 8.3×1014,1.2×1015,4.8×1014 cm-3;2.5,2.0 cm·μs-1。测量结果表明:三种收集条件下测得的等离子体漂移速率相近;在相同测量点处,负偏置收集条件下测得的等离子体密度大于正偏置和低真空背景收集条件下的测量值,而低真空背景收集条件下的测量值最小。

CVD金刚石薄膜探测器对γ射线响应的电荷收集效率测量方法

理论研究发现,在薄型半导体探测器前添加一定厚度的杂散电子过滤片,可以有效过滤探测系统中散射电子,准确测定探测器对γ射线诱发电子的电荷收集效率。以电荷收集效率为100%的Si-PIN探测器作为该测量方法理论模拟和实验校验的基准,建立了化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)金刚石薄膜探测器对γ射线响应时电荷收集效率的测量方法和系统。研究结果表明:所研制的CVD金刚石薄膜探测器,在600V饱和偏压下,电荷收集效率在常态时为55%,在"priming"状态时可达69%。

应用ITO膜作电荷收集极的位置灵敏探测器

首次尝试将ITO(IndiumTinOxide)膜与微通道板 (MicrochannelPlate)结合用作位置灵敏探测器 ,并对该探测器的线性、位置分辨及探测效率作了测试 。

偏压电荷收集器测量HPIB的原理和实验

介绍了偏压电荷收集器的结构,分析了利用其测量HPIB束流强度的原理,利用KARAT PIC软件模拟了偏压电荷收集器内部的电荷输运过程,模拟结果表明HPIB在偏压电荷收集器内部电荷中和而电流不中和,从而证实了电荷中和假设和这种装置测量HPIB的准确性。另外还分别对几何参数和偏置电压对偏压电荷收集器的影响进行了模拟,在德拜长度范围内,孔径的大小为0.6-0.8 mm比较合适,偏压为-800 V就可满足峰值能量为500keV HPIB的测量要求,实验验证了偏压大小与离子收集效率之间的关系。

高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运模拟

利用2.5维KARAT软件对高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运过程进行PIC数值模拟,模拟结果表明在偏压电荷收集器内部电荷中和而电流不中和。在模拟中考虑了收集器的几何尺寸和离子束密度,因此模拟结果比一维数值计算的结果更为可靠。同时还模拟了偏置电压与电荷收集器离子收集效率之间的关系,对于峰值能量为500keV的高功率离子束,偏压为-800V即可满足测量要求,这一结果与实验吻合较好。

p-n结脉冲激光诱发电荷收集试验研究

测量了脉冲激光诱发半导体p-n结的瞬态脉冲电流,研究瞬态脉冲幅值和收集电荷与能量、偏压及入射位置的相关性。研究结果表明,瞬态脉冲信号幅值和收集到的总电荷随脉冲激光能量的增大而增多,与激光能量呈指数关系;收集电荷随偏压而增大;敏感区内的收集电荷数相差不大,远离敏感区的收集电荷明显减小。另外,将研究结果与重离子试验数据进行比对,两者有一定的相似性,但电荷收集脉冲幅值、脉冲波形有一定的差异。其结果为深入研究激光模拟单粒子效应技术奠定了基础。

偏压电荷收集器阵列的研制

分析了偏压电荷收集器测量强流脉冲离子束的原理和影响测量准确度的主要因素;研制了13路偏压离子电荷收集器阵列,利用该装置测量了"闪光二号"加速器高功率离子束的束流密度分布,并对测量结果进行了简单分析。

CMOS器件单粒子效应电荷收集机理

针对90 nm CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺,采用三维数值模拟方法,研究了反相器中NMOS(Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管与PMOS(Positive channel-Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管的单粒子瞬变(SET,Single Event Transient)电流脉冲,深入分析了PMOSFET(Positive channel-Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect Transistor)与NMOSFET(Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)发生单粒子效应时电荷输运过程和电荷收集机理.研究结果表明,由于电路耦合作用,反相器中晶体管的电荷收集与单个晶体管差异显著;反相器中PMOS晶体管电荷收集过程中存在寄生双极放大效应,NMOS晶体管中不存在寄生双极放大效应;由于双极放大效应,90 nm工艺下PMOS晶体管产生的SET电压脉冲比NMOS晶体管产生的电压脉冲持续时间更长,进而导致PMOS晶体管的SET效应更加敏感.研究结果为数字电路SET的精确建模、进行大规模集成电路SET效应模拟提供了参考依据.

电子倍增层表层掺杂分布对EBCMOS电荷收集效率的影响

设计了电子倍增层的多种表层结构,并模拟分析了表层掺杂分布对电子轰击型CMOS(EBCMOS)成像器件的电荷收集效率的影响。结合离子注入工艺优化设计电子倍增层表层结构,并利用离子注入模拟软件TRIM模拟分析了不同掩蔽层种类、厚度、离子注入剂量、注入角度和注入能量次数对掺杂分布的影响。再依据载流子传输理论并结合蒙特卡洛模拟方法,模拟分析了相应结构下EBCMOS中电子倍增层的电荷收集效率。模拟研究结果表明:通过选择SiO2作为掩蔽层、减小掩蔽层厚度、增加注入能量次数等方法可以提高电荷收集效率。在注入剂量选择方面,对电子倍增层表层进行重掺杂,使掺杂浓度下降幅度足够大、下降速度足够缓慢,也可以有效提高电荷收集效率。仿真优化后表层结构所对应器件的电荷收集效率最高可以达到93.61%。

同轴高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟与电荷收集时间的计算

高纯锗探测器具有很好的能量分辨率,被认为是核素分析的黄金标准,在很多检测领域成为规定的标准检测设备。在高纯锗探测器的制备过程中,可以采用蒙特卡罗方法对探测器进行模拟,用于确定探测器制备过程中的参数。采用MCNP4软件对同轴高纯锗探测器探测效率进行模拟,研究了不同材质入射窗、不同能量γ射线对高纯锗探测器探测效率的影响,并根据模拟结果选择合适的入射窗材料并确定死层厚度,进而为高纯锗探测器研制提供指导。还对高纯锗探测器晶体的内部电场进行模拟,计算得到能量沉积点的电荷收集时间,通过改变能量沉积点位置,更直观地反映晶体内部不同位置的电荷收集时间。

对称零面积梯形成形法削减电荷收集时间效应

讨论了电荷收集时间对梯形成形效果的影响,统计方法及削减电荷收集时间效应的方法。应用实际测得的梯形脉宽来反推电荷收集时间,所得结果与实际情况符合较好。对60Co放射源进行能谱测试,60Co的两个特征峰的能量分辨率分别为1.9 keV和2.0 keV,验证了幅度提取校正对提高系统能量分辨率的效果。

基底均匀和梯度掺杂下EBCMOS电荷收集效率的优化模拟

为获得高增益的电子轰击型CMOS(EBCMOS)成像器件,根据载流子输运理论,采用蒙特卡罗方法,研究了EBCMOS基底在不同掺杂方式和结构参数下的电荷收集效率。结果表明:当基底均匀掺杂时,减小掺杂浓度、降低基底厚度及缩小近贴距离可以有效提高电荷收集效率;当基底梯度掺杂时,减小重掺杂浓度区域的范围,可以有效提高电荷收集效率。仿真优化后器件的电荷收集效率最高可达到86.28%,为国产EBCMOS器件的研制提供了理论支撑。

钝化层及P型基底结构优化对电子轰击型有源传感器电荷收集效率影响的研究

为获得高增益的电子轰击型有源传感器(EBAPS),对EBAPS成像器件中电子倍增层的电荷收集效率的影响因素进行了研究。基于载流子输运理论,采用蒙特卡罗方法研究了钝化层种类、厚度、入射电子能量、P型基底厚度和掺杂浓度对二次电子分布及收集的影响。结果表明:为提高入射电子的入射深度进而提高电荷收集效率,宜采用密度小的SiO_(2)作为钝化层;为了减少钝化层对倍增电子的复合进而提高电荷收集效率,宜降低钝化层厚度和提高入射电子能量;为了降低倍增电子扩散过程中载流子的复合进而提高电荷收集效率,宜降低P型基底的厚度和掺杂浓度。

重离子导致的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应电荷收集三维数值模拟

针对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGeHBTs),采用半导体器件模拟工具,建立SiGeHBT单粒子效应三维损伤模型,研究影响SiGeHBT单粒子效应电荷收集的关键因素.分析比较重离子在不同位置入射器件时,各电极的电流变化和感生电荷收集情况,确定SiGeHBT电荷收集的敏感区域.结果表明,集电极/衬底结内及附近区域为集电极和衬底收集电荷的敏感区域,浅槽隔离内的区域为基极收集电荷的敏感区域,发射极收集的电荷可以忽略.此项工作的开展为下一步采用设计加固的方法提高器件的抗辐射性能打下了良好的基础.