面向先进光源的硅像素传感器保护环结构仿真研究

　　摘要：硅像素传感器上的保护环结构有利于提高传感器的耐高电压性能，为评估保护环结构对硅像素传感器的保护效果，仿真分析了三种保护环结构。通过计算机辅助设计技术对三种保护环结构进行二维建模，利用TACD内置的电学模型对三种保护环结构的I-V特性进行了仿真。研究结果表明，电流收集环会提高像素的耐高电压性能，同时不等间距保护环、保护环的内外等距离Al悬挂以及多个保护环结构有利于进一步提高传感器的击穿电压。

　　关键词：PIN二极管;硅像素传感器;保护环;耐高电压;计算机辅助设计

　　0引言

　　X射线是波长在0.01~10nm之间的电磁波，可用于在原子或分子尺度上揭示物质结构和生命现象。目 前，X射线成像探测应用大都采用半导体探测器。混合型硅像素探测器是一种试验站上常用的半导体探测器[1-3]。该探测器包含传感器和读出电子学两个部分，分别制造在独立的硅片上，通过倒装焊连接在一起。其中，硅像素传感器用于将X射线转换成电信号，读出电子学用于电信号的前端处理[4]。

　　随着X射线光源逐渐从X光管发展到包括同步辐射衍射极限环与自由电子激光在内的先进光源，X射线的亮度也不断提升[5-6]。为避免因高亮度射线在硅像素传感器体内产生的电荷屏蔽效应，传感器通常需要工作在高偏压下[7-9]。例如为欧洲自由电子激光探测任务研制的一款硅像素探测器，其硅像素传感器的设计工作电压高达1000V[10]。硅像素传感器由像素阵列、电流收集环和保护环组成[11]。

　　其中，保护环主要承担增大传感器击穿电压的作用。为克服由于高偏压引起像素阵列结构表面强度过大导致的雪崩击穿现象[12-13]，合理地设计保护环结构显得尤为重要。为此，研究人员针对保护环结构对传感器击穿的影响开展了多方面研究[14-17]，在早期主要围绕单个保护环结构与电流收集环之间的间距对器件击穿电压的影响展开研究;后来又针对多个保护环结构的结深对电流收集环击穿电压的影响进行了研究[18-21]。但已有研究对于多个保护环的排布和环数变化以及铝(Al)悬挂的延伸方式，对传感器电流收集环击穿的影响尚有不足。本文结合计算机辅助设计(TechnologyComputerAidedDesign，TCAD)，使用sentaurus软件对面向先进光源的硅像素传感器保护环结构，从保护环环间距排布、Al悬挂结构以及保护环个数三个方面研究保护环对传感器击穿电压的影响。

　　1器件结构与工艺

　　硅像素传感器由像素阵列、电流收集环、保护环三部分组成。其中，像素阵列为传感器的敏感区域，其内的每个像素均为PIN型二极管，且像素n型半导体一侧，共用背面电极。传感器工作时，背面电极接正向偏压;每个像素p型半导体一侧的读出电极分别接地，且与读出电子学连接;PIN二极管形成反向偏置的全耗尽状态。

　　X射线从传感器的背面入射，在体硅中激发出电子和空穴，在电场的作用下，空穴向像素阵列的读出电极运动，被读出电子学读出，由此完成光电信号的转换。像素阵列外侧的电流收集环和保护环构成传感器的非敏感区域。传感器工作时，电流收集环接地，保护环浮空。接地的电流收集环用于降低像素阵列的漏电，浮空的保护环可以使传感器边缘处的电势缓慢降落到电流收集环，用于提高器件的击穿电压。该传感器可基于CMOS工艺制造。

　　具体流程包括：(a)湿氧氧化，形成场氧化层;(b)场氧光刻，刻蚀出有源区;(c)生长一层致密的薄栅氧，正面注入硼，形成p+区域;背面注入磷，形成n+区域，高温退火，注入激活;(d)栅氧光刻，刻蚀形成用于正面电极接触的接触孔;(e)正面溅射金属Al、光刻，刻蚀形成用于正面电学接触的金属Al电极;(f)背面金属Al溅射、高温退火，形成背面电极接触;(g)淀积氮化硅、光刻，露出用于正面电学接触的Al电极。

　　2器件仿真模型

　　为研究保护环对击穿电压的影响，使用TCADsentaurus软件进行仿真。因传感器的整体结构具有对称性和重复性，所以选取传感器的边缘部分进行仿真模型的构建和研究。给出了传感器边缘部分的基本仿真参数。为使用这些参数按照传感器制造的实际工艺流程，利用工艺仿真模块sprocess在软件中构造的二维仿真模型。

　　在此模型基础上，将像素和电流收集环电极的电势定义为0V，在器件的背部加正向偏置，使用到载流子的迁移率模型、载流子的产生复合模型、雪崩击穿模型、氧化层固定电荷密度模型，定义Si/SiO2界面处的固定正电荷的密度为1.8×1011cm-2。运用sdevice模块对传感器开展了电学I-V仿真。

　　3仿真结果分析

　　3.1保护环环间距排布的影响

　　保护环结构的排布形式可分为等间距和不等间距两种情况。在距离电流收集环注入区边缘的600μm范围内，固定保护环个数为10环，并定义靠近电流收集环的为保护环第一环。对于等间距情况，相邻两个保护环之间的间距为35μm。对于不等间距保护环结构的环间距是采用逐环递增的排布方式，具体的环间距遵循式(1)。Sn=21.5+(n-1)×3n=1，2，…，10(1)式中，Sn代表第n个保护环与它前面保护环的间距。图4是在两种不同保护环结构下的像素和电流收集环的暗电流情况。

　　此外，采用等间距和非等间距保护环结构的电流收集环的击穿电压分别为1350V和2000V，这说明虽然两种结构都具有很好的抗击穿能力，但是不等间距保护环结构的抗击穿能力更强。这是由于保护环结构为器件边缘的电势顺利地降落到像素表面区域提供了一条缓慢降落的通路，不同的保护环间距排布造成了边缘位置处的电势降落到电流收集环位置处的方式不同，进而造成了在电流收集环靠近传感器边缘一侧结区附近的电场分布不同，为两种结构的表面电场强度分布，对比两种结构在电流收集环靠近保护环一侧表面位置处的电场强度，等间距保护环结构和非等间距保护环结构在该位置处的表面电场强度分别为39000V·cm-1和37800V·cm-1。结区附近更强的电场强度使得等间距保护环结构比非等间距保护环结构的击穿电压低。

　　3.2保护环Al悬挂结构的影响

　　在传感器的保护环设计中，通常会配备Al悬挂结构。Al悬挂结构与氧化层还有衬底表面的硅构成了MOS结构，这会改变保护环的表面电势。对于悬挂在保护环两侧的Al结构，通常称朝向像素阵列一侧的为向内延伸的Al悬挂结构，朝向边缘一侧的为向外延伸的Al悬挂结构。对于n型衬底p+注入的保护环结构，金属悬挂结构和p+注入区保持相同的电位，传感器的表面电势是从边缘区降落到像素区，在氧化层电荷密度比较小的情况下，向延伸的Al悬挂结构会在底层硅表面形成聚集层，影响表面位置处的电势分布。在不等间距保护环的基础上，考察了两种不同Al悬挂结构。结构1是每个保护环上面的Al悬挂结构向内和向外延伸相同的距离都为5μm。

　　3.3保护环数目的影响

　　为在每环Al悬挂内外延伸一致的条件下，随着非等间距保护环数目变化，器件的I-V仿真结果。在没有保护环的情况下电流收集环在600V左右就出现了击穿，随着保护环数目的增加电流收集环的击穿电压也在随之增加。没有保护环结构的电流收集环结区附近的电场明显比有保护环结构的大，这使得没有保护环结构器件的电流收集环过早地发生雪崩击穿。保护环结构可以使边缘位置处的电势缓慢降落到电流收集环位置处，这有效降低了器件表面附近的电场强度。

　　随着保护环数目的增加电流收集环的击穿电压也在增加，但是当保护环的数目增加到4环时，击穿电压增长的趋势变缓。第一个保护环位置处的电势对电流收集环结区附近的电场强度有很大影响。是在1000V偏压的条件下，第一个保护环位置处的电势向电流收集环方向降落的情况。随着保护环数目的增加，第一个保护环位置处的电势在降低，且降低的幅度也在减小，当保护环数目由8环增长到10环时，第一环上电势降落幅度很小，这说明当保护环增加到一定数目时对器件击穿电压的提升效果也变得缓慢。

　　4结论

　　本文基于TCAD技术，针对PIN二极管型硅像素传感器阵列的保护环结构进行仿真研究。研究发现：非等间距保护环结构可以使边缘位置处的表面电势更平缓地降落到电流收集环位置处，因此非等间距保护环结构比等间距保护环结构拥有更好的耐高电压性能。相较于向内延伸逐环增加的Al悬挂结构，保护环上内外延伸一致的Al悬挂结构可以降低第一个保护环位置处的表面电势;所以对于非等间距保护环结构，内外延伸一致的Al悬挂结构比向内延伸逐环增加的Al悬挂结构拥有更好的防击穿保护作用。保护环的数目会改变第一个保护环位置处的表面电势，随着保护环数目的增加，第一个保护环位置处的表面电势也在减小;因此随着保护环数目的增加，器件的击穿电压也在提高。

　　综上，在Al悬挂结构内外延伸一致的条件下，选用10个非等间距排布的保护环结构能使传感器的耐高电压性能达到最优，击穿电压可超过2000V。对于自由电子激光硬X射线这样具有高亮度、短脉冲特性的光源，需要对传感器施加大的偏置电压来避免因高亮度射线在硅像素传感器体内产生的电荷屏蔽效应。经过优化后的保护环结构，为可满足自由电子激光硬X射线探测任务而研发的传感器提供了可行性的设计参考方案。

　　参考文献

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　　[7]SEIBTW，SUNDSTRÖMKE，TOVEPA.Chargecollectioninsilicondetectorsforstronglyionizingparticles[J].NuclearInstrumentsandMethods，1973，113(3)：317-324.

　　作者：孙朋1，2，傅剑宇1，2，许高博1，2，丁明正1，翟琼华1，殷华湘1，2，陈大鹏1，2