2000硅微带探测器的物理模拟：电极几何形状对临界电场的影响。

2000硅微带探测器的物理模拟：电极几何形状对临界电场的影响

摘要

本文介绍了交流耦合硅微带探测器的计算机分析。这项研究的目的是调查的主要几何参数负责潜在的关键影响，如早期微放电和击穿现象。CAD工具的采用允许评估设备内的实际场分布，并且使得能够识别关键区域。采用悬垂的金属条被证明有一个积极的影响，电场分布，减少角效应，从而最大限度地减少击穿风险。

1.引言

硅微带探测器被广泛用于高能物理（HEP）实验中使用的顶点探测器：它们在未来的开发，高光度对撞机，但是，需要仔细考虑一些问题的辐射硬度。实际上，探测器运行过程中所遭受的辐射损伤会在许多方面影响探测器的性能：最值得注意的是，会引入体缺陷，作为深能级载流子陷阱，从而最终导致类型反转现象。这又降低了检测器的电荷收集效率[ 11.氧化物捕获的电荷也随着辐射的增加而增加，从而导致寄生带间电容的增加。为了补偿辐射引起的性能下降，需要逐渐增加探测器偏置电压（以便最终达到完全耗尽）。这确实是在探测器的整个有效寿命期间保持探测器性能的有效方法[2]：然而，当增加反向偏置电压时，漏电流也会增加;除了意味着更大的功率和散热之外，这可能会显著恶化S/N比。特别地，应当注意的是，漏电流的这种增加在体块内不是均匀分布的，而是在结构的一些几何奇点处更早地出现。这导致条带噪声的突然增加，这可能发生在远低于结击穿电压的偏置电压处。

因此，为了优化检测器设计，最重要的是识别泄漏可能优先发展的区域，并将这种现象的阈值与几何和物理器件特性相关联。这可以通过计算机模拟技术以相对快速和廉价的方式完成。在本文中，我们讨论了应用CAD器件分析工具来研究铝层形状的影响。在交流耦合微带探测器的噪声来自局部微放电。采用一个“悬垂”的金属接触，突出自己超出了条植入物的边界，已被提出作为一个帮助保持在控制下的严重辐照探测器的临界偏压[3]。我们的研究提供了一个物理解释，这一观察，并允许评估灵敏度的大多数设计参数。在下面的第I1节中，总结了模拟环境的基本特征，而在第111节中讨论了模拟结果。最后在第四节中得出结论。

2.仿真技术

固态半导体探测器通过使用通用设备模拟器在物理分布式级别上建模[4]。该程序解决了半导体输运方程（漂移扩散近似）在一个离散的二维域，它已被定制的辐射探测器的分析。具体而言，与此目标相关的功能包括：i）专用于电荷收集分析的瞬态模拟模式[5]，以及ii）基于多个深能级陷阱的体辐射损伤的物理精确模型[6]。此外，由于采用了离散化方案，该工具在模拟域的几何描述方面具有高度灵活性：这使得可以快速分析来自不同器件设计的响应，并将实际器件形状与其电气特性相关联。在这种情况下，由于对击穿或微放电电流的开始感兴趣，该工具已被用于估计电场分布，寻找临界区域（即，局部的强场区域）以及对它们有一些影响的几何细节。

模拟器件的基本特征如图1所示：它表示单面微带阵列的两条子集的横截面。p+带注入通过欧姆接触（图中未示出）接地，并且AC耦合到沉积在氧化物-氮化物夹层上的铝栅极。耗尽是通过正偏置背欧姆接触来实现的。一个较厚的氧化物填充的interstrip间隙：调查的实际场分布，不同的扩展的金属层上的厚氧化物（“悬垂”的金属接触），以及不同的带宽度和间距已被考虑。在这种情况下，由于边缘效应预计将发挥重要作用，因此考虑了器件表面处的非理想场边界条件：氧化物上方的自由空气层已被包括在模拟域中，从而允许更真实的描述边缘场线。

图1 仿真结构图

3.仿真结果

第一模拟结果示于图2和图3分别比较了没有突出端和12 μ m宽突出端的器件在子区域（a）（见图1）中的电子分布。在其他地方[6]已经表明，氧化物和界面捕获的电荷是造成条带间区域中浅的多数载流子积累层的原因，在图1和图2的左前侧清晰可见。2和3这样的层仍然存在，即使在完全耗尽电压，通常占主导地位的带间电容。然而，当存在悬垂接触时，它在那里充当p沟道MOS栅极，在给定的偏置条件下，其抑制积累层并且倾向于耗尽下面的区域。这表明在pf植入物的边缘处的电场分布的深度变化，取决于悬伸延伸。

图2 ：子区域（a）内的电子浓度，无金属悬垂。

图3 子区域（a）内的电子浓度，金属突出12 μ m。

乍一看，增加金属接触的延伸的效果显著增强了氧化硅内的电场幅度，如图4所示。然而，由于击穿临界场高得多，氧化物内的放电现象并不实际关注，至少在硅探测器的通常工作电压范围内。

图4 电场分布.注入宽度=72 μ m，间距=240 μ m，vbi，= 250 v。

另一方面，通过仿真计算，预测了硅衬底内的电场幅度的明显减小：因此，更详细地观察那里的场分布可能是有用的。在图5中，比较了一组模拟结果：每个子图示出了与图1中的子区域（b）相对应的靠近带状植入物的区域内的电场模量的等值线图。电场对三个几何参数的依赖性已被考虑在内：即，“最大”字段上的接触悬垂的延伸，对植入物的宽度（W）和上的带间距（P）的灵敏度进行了研究。

为了讨论这些结果，让我们首先参考无悬垂结构的更简单的情况（每个子图中的上一行）：所有曲线都显示出相同的定性行为，其特征在于位于p+边缘的场峰值，是由于反向偏置结和金属栅极的边缘作用而引起的场线收敛。通过比较曲线图，看起来在宽度和节距两者上水平地按比例放大结构导致峰值场的增加，而增加W/P比反而减小了这样的峰值。这种行为可以通过观察条带和背板触点之间的边缘电容，可以很容易地解释这一点：我们可以假设这样的边缘电容是由条带“拐角”和位于条带垂直“覆盖区”之外的背板触点部分的耦合引起的（图6）。侧壁电容器的第一“板”的几何形状（它是“角”）几乎不依赖于实际的带宽度和间距，而通过考虑结构对称性，背板可以粗略地估计为（P-W）/2宽。离开这样的板的场线倾向于集中在上角：这样的效应是上面讨论的场峰值的原因，因此，在一阶，取决于（P-W）/2。例如，通过保持P恒定并增加W/P比（即，沿图5的标绘阵列中的水平行沿着移动），并考虑：

结果是边缘电容器延伸以及峰值电场减小。另一方面，通过增加相同量的W和P，差值（P-W）成比例地增加，从而导致峰值场增强，这可以通过沿图5的曲线阵列中的列向上沿着移动来理解。

图5 电场幅度等值线图，取决于带宽度W、间距P和悬伸延伸。Ifbias = 500 V。

当考虑到一些突出端时，保留了定性类似的行为，如其余图所示。然而，增加悬垂范围的结果，在电场重新分布，其主要特征可以很容易地解释。上面讨论的边缘效应是由于场线的会聚引起的，场线来自背板接触并指向带“角”。实际上，这样的拐角由某种更铰接的结构组成：植入物和金属电极边缘都有助于侧壁几何形状。通过将金属条边缘突出到植入物边界之外，这些拐角未对准，并且场线在更宽的空间延伸内被“稀释”。

通过观察图7中的电势等值线图，也许可以更容易地理解金属接触悬突的影响：悬突的作用将电势梯度“推”离注入角，可以在图7中直接理解。

对于不同的悬伸延伸部（植入物宽度=72 μ m，间距=240 μ m，vbi，，= 250v），电势等高线图。

最终，在较大的悬突处，两个几乎独立的角效应变得可见，每个角效应负责场峰值：然而，总体场分布肯定是温和的，因此，对于击穿问题不那么重要。当然，这样的有益效果对于上面讨论的临界几何配置更有效，即，具有更宽的带间间距的那些。这可以通过以下方式直接评估：参见图8，其中峰值电场幅度与悬伸延伸和条带几何构型相关。

图8 不同几何配置的电场降低（Vbias = 500 V）。

从这些图中，可以推断出这种峰值幅度的显著降低（在所考虑的范围内高达40%）。模拟还预测了这种效应的一些饱和，即，预计突出端的进一步延伸将有效地作用于LCSS。

图9 注入宽度=72 μ m，间距=240 μ m，V0;~，= 500 V

我们的分析已经扩展到辐照探测器：击穿现象，事实上，更有可能发生在老化的探测器，这是由于需要用增加的反向偏置电压来补偿辐射损伤。然而，在这种情况下，人们可以预期，一旦衬底类型反转已经达到，迄今为止讨论的角落效应应该变得不那么重要，因为“有效”结已经迁移到背板欧姆接触，其特征是没有几何奇点。

然而，模拟与这种观点相矛盾：在图9中，示出了接近带状注入的场分布，如对辐照结构的预测。实际上，即使在远远超过类型反转剂量的注量下，仍然可以预测那里的电场峰值。如果给出载流子捕获机制的详细说明，则可以理解这一点：在我们的CAD环境中，如[1]中更仔细地讨论的，通过考虑两个深能级来对体损伤进行建模，主要的“受体”能级与双空位VV（-/0）络合物相关，并且主要的“供体”能级与C101络合物相关。这允许精确呈现内部载流子分布：如[8，9，lo]中所讨论的，这样的研究表明，由于捕获的和移动的电荷的非均匀分布，在注入区附近实际上存在陡峭的电位降。因此，仍然可以适当地将悬伸部设想为减少故障风险的有益手段。

图10 不同辐射注量下的电场降低（vbias= 50ov）。

从图10中可以再次获得这种作用的定量估计，其中报告了对于给定的几何构型和不同的辐射注量，峰值场对突出延伸的灵敏度。从该图中可以看出，实际上峰值幅度甚至会随着以下因素而增加：这种增加可以通过增加氧化物捕获电荷的数量来解释，这是导致电子更密集的表面积累的原因。这种电荷层通过压缩带状注入物和层本身之间的窄间隙中的等势线来作用于场分布。如上所示，悬突在这种情况下也有帮助，通过局部抑制这样的层。

这种行为确实得到了实际测量的证实：特别是，如[11]中所报告的，使用悬垂电极获得了击穿电压的显著增加，特别是对于重度辐照结构;由于这些原因，最近已将金属悬垂的使用假定为安装在CERN CMS实验[ 121]的内部跟踪器处的探测器的基线设计要求。

最后，可以提到的是，正在进行进一步的研究（将在其他地方讨论），旨在表征噪声参数（主要是带间电容）对悬垂延伸的灵敏度。初步结果表明，采用相对较宽的悬伸没有明显的缺点。

4.结论

在本文中，一个数值研究进行了讨论，描述的行为的“悬垂金属”结构实现的硅微带探测器。

已经提出了这种几何形状，以减轻辐照结构内的早期微放电和击穿现象的影响。通过模拟，这样的姿态已经得到验证和表征：特别是，CAD工具使得有可能查看内部场和载流子分布，允许对几种相互作用的现象进行物理解释，并说明悬垂效率和主要几何参数之间的相关性。辐照探测器也进行了分析，表明在这种情况下，悬垂也显着降低了击穿风险。