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%。

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%。

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.

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%。

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。

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。

具有浮动结调制的SiC中子探测器研究

碳化硅(SiC)具有禁带宽度大、临界位移阈能高、临界击穿电场强以及热导率高等特性,被认为是高能中子探测的优选材料。目前SiC中子探测器主要采用内含本征(intrinsic)层结构的PN结二极管(PiN)或肖特基二极管形式,其灵敏区结构简单,需要施加高的反偏压才能获得高的探测效率,而高反偏压常会带来可靠性问题。本文基于美国新思公司的Sentaurus计算机辅助设计技术(TCAD)工具进行数值仿真,从灵敏区结构优化入手,研究了一种在灵敏区中内嵌浮动结(FJ)的PiN结构SiC中子探测器。仿真结果表明,浮动结的引入一方面能够优化灵敏区的纵向结构电场,使整体电场分布更加均匀,同时降低了近表面处的最大峰值电场强度,从而提高了探测器的工作可靠性。另一方面,浮动结能够加速灵敏区的耗尽,并在自身达到全耗尽的情况下,使探测器在较低偏压下实现电荷收集效率(CCE)的显著提升。

用于质子和伽马射线探测的金刚石薄膜探测器的辐照性能

研制出CVD金刚石薄膜探测器,在国家串列加速器和60Co稳态辐射源上分别完成了该探测器对9 MeV质子束流和1.25 MeVγ射线的辐照性能研究。结果表明:该探测器在9 MeV质子照射累积强度达到1013cm-2时,探测器信号电荷收集效率减小量低于3.5%,辐照前后探测器暗电流没有明显变化。计算得到9 MeV质子对该探测器的损伤系数为1.3×10-16μm-1.cm2。由于γ射线与金刚石作用产生的电子起到了填补缺陷的作用,探测器信号电荷收集效率随γ射线照射剂量的增加略有增加,在γ射线累积照射量达到10.32 C/kg时,其增幅小于0.7%。说明金刚石薄膜探测器具有较高耐辐照强度,适用于高强度辐射测量领域。

CVD金刚石膜X射线探测器的研制及性能研究

金刚石以其独特的性能成为辐射探测器的理想材料。采用HFCVD方法制备了高质量、(100)取向的CVD金刚石膜,在此基础上研制出X射线探测器。使用55Fe 5.9keV X射线研究了CVD金刚石膜探测器的光电流和电荷收集效率。结果表明,探测器在偏压加到100V还具有好的欧姆接触;电场为50kV.cm-1时的暗电流与光电流分别为16.3和16.8nA;电荷收集效率η为45.1%,对应的电荷收集距离δ(CCD)为9.0μm。

电流型GaN辐射探测器研制

采用大面积半绝缘型GaN(semi-insulting GaN,SI-GaN)晶体制备了电流型GaN辐射探测器,研究了探测器伏安(I-V)特性、γ射线响应特性、灵敏度、电荷收集效率、脉冲响应等物理性能。结果表明,晶体表面与金属形成了良好的欧姆接触,探测器在600V偏压下暗电流低于400pA,电荷收集效率高于40%,探测器脉冲响应时间在ns量级。

[100]金刚石薄膜的辐照响应特性研究

采用热丝辅助化学气相沉积(HFCVD)方法生长得到25μm厚的[100]取向金刚石膜,用以制备辐射探测器。在100 V偏压下,测得暗电流为16.1 nA,55Fe X射线(5.9 keV)和241Amα粒子(5.5 M eV)辐照下的净光电流分别为15.9nA和7.0nA。光电流随时间的变化先快速增加随后由于“pump ing”效应逐渐达到稳定。X射线和α粒子辐照下的平均电荷收集效率分别为45%和19%,并由Hecht理论计算得到对应的电荷收集距离为11.25μm和4.75μm。

基于像素型CZT探测器的深度灵敏与能量校正技术研究

碲锌镉(TeZnCd)探测器是近年来兴起的一种新型半导体探测器,其具有能量分辨率高、空间分辨率高、便携性好、且能在室温下正常工作等优点,在现代放射性物探的γ能谱测量中具有很好的应用潜力。但由于碲锌镉材料自身的空穴捕获效应,对高能伽玛射线的电荷收集不完全,制约了其在铀矿放射性勘探的应用。这里通过有限元仿真,研究CZT晶体内部的权重势分布,搭建实验平台,利用准直源射入CZT晶体内不同深度,并通过自主设计的电路读出探测器阴、阳极信号,采用C/A比值法获取探测器晶体内作用深度与电荷收集效率的关系,并基于该研究结果对137Cs能谱进行校正,校正后FWHM@662keV从4.20%提升到2.65%,极大地提升了能量分辨能力,且“低能拖尾”现象也得到了明显地改善,验证了深度灵敏技术及其应用于能谱校正的可行性,从而提高了碲锌镉探测器对高能伽玛射线的能量分辨率,使其可能应用于新型放射性物探仪器,提高对铀矿等放射性物质勘查的精度。

EBCMOS微光成像器件的研究

依据低能电子与固体间相互作用模型结合Monte-Carlo模拟方法,研究了EBCMOS不同表面氧化层厚度对入射光电子能量损失的影响。模拟研究了入射光电子在倍增层处的电子运动轨迹,并依此分析了倍增区内倍增电子的分布情况。模拟研究了电荷收集效率随倍增层指数掺杂结构变化时情况,理论优化的器件结构电荷收集效率可达92%,这对相同驱动高压下获得高增益的微光成像器件具有理论指导意义。EBCMOS电子倍增层制备实验研究表明,通过机械研磨和等离子刻蚀技术可实现超薄电子倍增层的制备。设计了真空系统中电子倍增层的电子增益测试系统,并通过雪崩二极管反偏电流随高压电的变化测试证实该倍增电子在半导体层一侧的存在。

使用 Geant4 模拟 CAPture 电极 CdZnTe 探测器对 γ 射线的响应

采用CAPture电极CdZnTe探测器获取X射线注量谱,为建立ISO 4037-1:1996标准以外的参考辐射和计算辐射场特殊剂量物理量的约定真值提供基础。CdZnTe探测器的主要缺点是由于空穴迁移率寿命积过小,导致电荷收集不完全,全能峰左侧出现低能尾。CAPture电极CdZnTe探测器采用扩展阴极降低阴极附近区域的电场强度,弱化空穴输运对电荷收集效率的影响,实现对低能尾的抑制。但由于探测器内的电场不再均匀,电荷收集效率无法用Hecht方程计算。本文根据Shockley-Ramo原理建立了CAPture电极CdZnTe探测器电荷收集效率计算公式,用有限元分析软件模拟了探测器内的电场分布。进而用Geant4软件开展了蒙特卡罗仿真计算,确定了载流子迁移率寿命积,并取得了与实测结果基本一致的脉冲幅度谱,为建立探测器的响应矩阵奠定了基础。

Simulation of monolithic active pixel sensor with high resistivity epitaxial layer

The time and efficiency of charge collection are the key factors of monolithic active pixel sensor devices for minimum ionizing particles tracking detection.In this paper,3D models of pixels with different resistivity epitaxial layers(epi-layers) are built and simulated using Synopsys-Sentaurus.The basic characteristics of detectors are evaluated,including electric potential,electric field,and depleted region.Results indicate that the high resistivity (HR) epi-layer is a better choice.Further,simulation results show that the key collection performance is significantly improved owing to a wider and stronger electric field in the N type HR epi-layer.

我国GaN核电池研究获得新进展

据媒体近日报道，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究人员使用以蓝宝石为衬底的GaN晶片，成功研制出GaN核电池原型器件。该电池采用30微居的Ni-63同位素作为能量源，开路电压为0．1V，转换效率为0．32％，电荷收集效率为29％。

电离效应对EBCMOS中电子倍增层增益的影响研究

采用蒙特卡罗模拟方法研究了电子轰击互补金属氧化物半导体(EBCMOS)成像器件中高能电子轰击半导体时产生的电离效应对电荷收集效率和电子倍增层增益的影响。分析了入射电子能量、p型衬底层掺杂浓度、电子倍增层和钝化层厚度对电荷收集效率和增益的影响。结果表明,增加入射电子能量(小于4keV)、减小电子倍增层和钝化层厚度、降低掺杂浓度等是提高电荷收集效率和电子倍增层增益的有利途径,可为获得高增益的EBCMOS器件提供理论支撑。

平面型CdZnTe探测器的能谱特性模拟

CdZnTe(CZT)探测器是一种高原子序数的化合物半导体探测器,具有体积小、探测效率高、可在常温环境使用等特点,广泛应用于X、γ射线探测领域。为了更好地研究CZT探测器能谱特性的影响因素,通过Geant4软件建立探测器几何模型,模拟计算CZT晶体的本征探测效率和吸收率;根据Hecht公式计算电荷收集效率,通过收集晶体中的沉积能量和位置信息得到γ射线能谱;通过分析晶体的物理特性,探索其对探测器性能的影响。模拟计算结果表明:电荷收集不完整是影响探测器能谱性能的重要因素,当能量低于50 keV时,γ射线谱基本不受空穴尾迹的影响,而能量在50~100 keV的γ射线能谱受空穴尾迹的影响较为明显,高于100 keV的γ射线能谱受空穴尾迹的影响逐渐加重。通过增加偏压的方式可以降低空穴尾迹对能谱的影响,同时偏压的增加会使峰位产生偏移,偏移程度受最大电荷收集效率的影响。