陸舒逸,李冬梅,楊偉光,黃璐,金晶,王晨,陳陽,史偉民

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200072)

HgI2探測器的共面柵電極設(shè)計及有限元模擬優(yōu)化

陸舒逸,李冬梅,楊偉光,黃璐,金晶,王晨,陳陽,史偉民

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200072)

多晶碘化汞膜正逐漸成為制備室溫下X射線成像探測器的優(yōu)異半導(dǎo)體材料.設(shè)計8組不同柵寬和溝寬的共面柵探測器電極結(jié)構(gòu),進而使用有限元軟件ANSYS對其進行模擬分析,得到相應(yīng)的電勢分布.結(jié)果發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)E(柵寬為150μm,溝寬為500μm)的電極設(shè)計效果最佳.之后,進一步設(shè)計了2組電極結(jié)構(gòu),用以研究在不對稱電極形狀所導(dǎo)致的邊緣效應(yīng)影響下的電勢分布,結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過加寬邊緣第二個柵極(結(jié)構(gòu)N)可以實現(xiàn)優(yōu)化共面柵電極設(shè)計的目的,從而降低邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的影響.

多晶HgI2;有限元分析;共面柵探測器

碘化汞(HgI2)是目前用于室溫下γ射線和X射線探測器中性能最佳的半導(dǎo)體材料之一,主要是因其具有如下優(yōu)異的特性:Hg原子和I原子都具有較高的原子序數(shù),而HgI2具有較寬的禁帶寬度(2.13 eV),從而具有較高的光電效率[1-3].在室溫下,由碘化汞材料制備而成的高能輻射探測器對于γ射線和X射線具有較高的分辨能力[4-5].結(jié)合以往的應(yīng)用情況來看,單晶碘化汞探測器表現(xiàn)出了較高的探測效率和能量分辨率,而多晶碘化汞膜的性能也已接近單晶[6-7].根據(jù)碘化汞材料的實際表現(xiàn),以及大面積探測器的制造成本較低,本研究認為多晶α-HgI2膜是X射線數(shù)字成像技術(shù)中最有發(fā)展前景的直接轉(zhuǎn)換器之一[8-9].

本研究采用有限元軟件模擬分析了由厚度為4.5 mm碘化汞厚膜制備的共面柵探測器的電勢分布[10-11].

1 研究背景

本研究所討論的碘化汞共面柵探測器的結(jié)構(gòu)由1組陰極和2組梳狀陽極組成,載流子的輸運情況通過2組陽極進行探測.探測器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 共面柵探測器的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of a coplanar-grid detector

探測器陰極為負電位,2組梳狀陽極分別為不同大小的正電位.由于2組陽極的電位不同,所以只有其中一組收集電子.將這組收集電子的陽極稱為收集柵,而另一組稱為非收集柵.分別用前置放大器對2組信號加以處理后,探測器的凈輸出即為2組信號的差值.

對于理想的共面柵探測器而言,由于2組柵極具有不同的電勢,所以在靠近柵極的一小部分區(qū)域內(nèi),在柵極作用下的電勢分布是不同的,而在其他區(qū)域則基本相同.當電子從陰極出發(fā)向柵極運動,在進入靠近柵極的一小部分區(qū)域之前,2組柵極上會產(chǎn)生相等的感應(yīng)電荷,因此凈輸出為2組柵極產(chǎn)生信號的差值,也就是0,則稱這一區(qū)域為非電荷感應(yīng)區(qū).

當電子進入靠近柵極的一小部分區(qū)域之后,由于收集柵的電勢較高,電子會朝著收集柵運動,從而導(dǎo)致收集柵附近信號迅速增強.同時,由于非收集柵處沒有電子靠近,從而導(dǎo)致非收集柵附近信號迅速減小至0,因此凈輸出(2組柵極產(chǎn)生信號之差)在電子進入靠近柵極的一小部分區(qū)域后迅速增大,則稱這一區(qū)域為電荷感應(yīng)區(qū).

2 有限元模擬電極設(shè)計

本研究通過有限元模擬軟件ANSYS模擬分析得到關(guān)于HgI2共面柵探測器的等勢線分布,其中HgI2膜的尺寸為X=4.5 mm,Y=Z=2.5 cm,相對介電常數(shù)為8.3.

為了得到效果最佳的共面柵電極尺寸,本工作研究了8組柵寬和溝寬各不相同的電極結(jié)構(gòu)的電勢分布,然后對所得結(jié)果進行進一步分析.在模擬過程中,對陰極施加?10V的電壓,而對收集柵和非收集柵分別施加10和0 V的電壓.具體柵寬和溝寬的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 電極結(jié)構(gòu)的柵寬和溝寬Table 1 Widths of grid and gap of the electrode patterns

3 模擬結(jié)果分析

3.1 電極設(shè)計的柵寬和溝寬

用ANSYS軟件對表1所示的8組電極結(jié)構(gòu)中最具代表性的3組(最小柵寬-最小溝寬、最小柵寬-最大溝寬、最大柵寬-最小溝寬)進行有限元模擬.發(fā)現(xiàn)在不同的柵寬和溝寬條件下,等勢線分布的差別表現(xiàn)在開始發(fā)生彎曲的位置不同.結(jié)構(gòu)E,G,H的等勢線分布情況如圖2所示.

圖2 結(jié)構(gòu)E,G,H的等勢線分布Fig.2 Equipotential contour plot for patterns E,G,H

從圖2中可以發(fā)現(xiàn),等勢線在靠近柵極處(圖中橢圓標示部分)都發(fā)生了彎曲,這是由于對收集柵和非收集柵分別施加了10和0 V的不同電壓所導(dǎo)致的.3個結(jié)構(gòu)等勢線分布的差別在于開始發(fā)生彎曲的位置不同.結(jié)構(gòu)E的等勢線發(fā)生彎曲的位置距離柵極最近,說明其電荷感應(yīng)區(qū)較小;而結(jié)構(gòu)G和結(jié)構(gòu)H的等勢線發(fā)生彎曲的位置與柵極的距離更遠,說明其電荷感應(yīng)區(qū)較大.也就是說,結(jié)構(gòu)E的電荷感應(yīng)區(qū)是最小的,即非電荷感應(yīng)區(qū)是最大的.

由于電極不對稱會導(dǎo)致邊緣效應(yīng),從而對電勢分布產(chǎn)生影響.為了方便起見,暫不考慮這一影響,將器件的中軸線選作參考路徑,并命名為路徑1(見圖1).然后設(shè)定原點為柵極,橫坐標為柵極與路徑1上各點的距離,縱坐標為路徑1上相鄰節(jié)點的電壓差,所得結(jié)果如圖3所示.由圖可見,各結(jié)構(gòu)電勢分布的均勻性差異表現(xiàn)為每條曲線的電壓突變點位置有所區(qū)別.

圖3 探測器相鄰節(jié)點電壓差與距離的關(guān)系Fig.3 Relationship of voltage difference of adjacent anodes and distance for the detectors

首先,選擇任意溝寬值(此處為1 000μm)作為共同溝寬;然后,選取不同柵寬150,200, 250和300μm,分別標注為結(jié)構(gòu)A,B,C,D.由圖3(a)可以看出,在結(jié)構(gòu)A,B,C,D中,同樣溝寬下電壓突變點的位置隨著柵寬的增大,與原點距離越來越遠,也就是說距離柵極越來越遠,即非電荷感應(yīng)區(qū)越來越小.因此,柵寬越小,非電荷感應(yīng)區(qū)越大,即在結(jié)構(gòu)A,B,C,D中,柵寬取150μm為最佳.

因而本研究選擇150μm作為共同柵寬,選取不同溝寬500,750,1 000和1 250μm來分析比較溝寬大小對探測器電勢分布的影響,分別標注為結(jié)構(gòu)E,F,A,G.由圖3(b)可以看出,在結(jié)構(gòu)E,F,A,G中,同樣?xùn)艑捪码妷和蛔凕c的位置隨著溝寬的增大,也距離柵極越來越遠,即非電荷感應(yīng)區(qū)越來越小.因此,溝寬越小,非電荷感應(yīng)區(qū)越大.

由此可見,理論上柵寬和溝寬的尺寸對非電荷感應(yīng)區(qū)的大小有決定性的影響.也就是說,在工藝條件允許的情況下,柵寬和溝寬越小,非電荷感應(yīng)區(qū)越大,從而能收集更多的電子來產(chǎn)生感應(yīng)電荷.

3.2 邊緣效應(yīng)的影響與修正

前面的討論都是在忽略了邊緣效應(yīng)影響的情況下進行的.但對于實際探測器而言,探測器中間區(qū)域和邊緣部分的電勢分布會由于邊緣效應(yīng)的影響而存在差異.為了分析這一影響,本研究設(shè)計了2種不同的電極結(jié)構(gòu)如圖4所示(溝寬均為500μm).

圖4 共面柵探測器的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(邊緣效應(yīng))Fig.4 Electrode patterns designed for the coplanar-grid detector(edge effects)

本研究通過設(shè)計結(jié)構(gòu)M(見圖4)來觀察邊緣效應(yīng)的影響,圖5是在結(jié)構(gòu)M的收集柵和非收集柵上分別施加單位電壓得到的等勢線分布.從圖中觀察發(fā)現(xiàn),在收集柵上施加單位電壓時,結(jié)構(gòu)M的等勢線分布(見圖5(a))在Y方向上呈現(xiàn)從左到右向上傾斜的狀態(tài).而在非收集柵上施加單位電壓時,結(jié)構(gòu)M的等勢線分布(見圖5(b))在Y方向上呈現(xiàn)從左到右向下傾斜的狀態(tài),剛好與收集柵相反.據(jù)此,在結(jié)構(gòu)M的基礎(chǔ)上加以改進,把右邊最靠近邊緣的收集柵和左邊最靠近邊緣的非收集柵加寬,即得到結(jié)構(gòu)N(見圖4).

圖5 結(jié)構(gòu)M的等勢線分布Fig.5 Equipotential contour plot for pattern M

圖6是在結(jié)構(gòu)N的收集柵和非收集柵上分別施加單位電壓情況下的等勢線分布.可以看出,與結(jié)構(gòu)M(見圖5)相比,結(jié)構(gòu)N的電勢線傾斜程度得到明顯優(yōu)化(見圖6(a)和(b)),均沒有表現(xiàn)出明顯的傾斜,基本上處于水平方向.

圖6 結(jié)構(gòu)N的等勢線分布Fig.6 Equipotential contour plot for pattern N

4 結(jié)束語

本研究使用ANSYS軟件,對8組不同柵寬和溝寬的共面柵電極探測器結(jié)構(gòu)的等勢線分布進行模擬并討論.首先,選取任意溝寬(此處為1 000μm)作為共同溝寬,通過改變柵寬來分析柵寬大小對非電荷感應(yīng)區(qū)大小的影響,從而選出最佳柵寬;然后,以最佳柵寬為共同柵寬,通過改變溝寬來分析溝寬大小對非電荷感應(yīng)區(qū)大小的影響.最后得出如下結(jié)論:在工藝條件允許的情況下,柵寬和溝寬越小,探測器就具有越大的非電荷感應(yīng)區(qū),從而能夠收集更多電子來產(chǎn)生感應(yīng)電荷.在本研究所設(shè)計的8組結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)E為最佳電極設(shè)計結(jié)構(gòu),其柵寬和溝寬分別為150和500μm.

在此基礎(chǔ)上,通過把右邊最靠近邊緣的收集柵和左邊最靠近邊緣的非收集柵加寬而得到結(jié)構(gòu)N,在很大程度上優(yōu)化了由不對稱電極導(dǎo)致的邊緣效應(yīng)所引起的等勢線傾斜,使得非電荷感應(yīng)區(qū)內(nèi)的等勢線基本保持在水平方向.

[1]Van Den Berg L,Pauly S W.Recent advances in mercuric iodide detector fabrication and instrument development[C]//Proc SPIE.1999:206-210.

[2]Schieber M,Hermon H,Zuck A,et al.Thick films of X-ray polycrystalline mercuric iodide detectors[J].J Cryst Growth,2001,225(2):118-123.

[3]Shih C T,Huang T J,Luo Y Z,et al.Oriented polycrystalline α-HgI2thick films grown by physical vapor deposition[J].J Cryst Growth,2005,280(3):442-447.

[4]Ahmed G,Dashora A,Sharma M,et al.Compton profiles and electronic structure of HgBr2and HgI2[J].Appl Radiat Isot,2010,68(2):286-292.

[5]Alexive D,Dytlewski N,Reinhard M I,et al.Characterization of single-crystal mercuric iodide[J].Nucl Instrum Methods Phys Res A,2004,517(1):226-229.

[6]Iwanczyk J S.Advances in mercuric iodide X-ray detectors and low noise preamplification systems[J].Nucl Instrum Methods Phys Res A,1989,283(2):208-214.

[7]葛艷輝,郭余英,史偉民,等.In的摻雜對化學(xué)水浴沉積SnS薄膜電阻率的影響[J].上海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,11(4):407-410.

[8]Schieber M,Hermon H,Zuck A,et al.Theoretical and experimental sensitivity to X-rays of single and polycrystalline HgI2compared with different single-crystal detectors[J].Nucl Instrum Methods Phys Res A,2001,458(1):41-46.

[9]Iwanczyk J S,Patt B E,Tull C R,et al.Mercuric iodide polycrystalline films[C]//Proc SPIE.2001:28-40.

[10]Pan M J,Shi W M,Lei P S,et al.Growth and characterization of polycrystalline mercuric iodide thick films[J].J Synth Cryst,2004,33(1):109-113.

[11]王東,閔嘉華,梁小燕,等.溶液法制備CdZnTe晶體中Te夾雜相分析[J].上海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,19(1):67-70.

Coplanar-grid electrode design of HgI2detector with finite element simulation and optimization

LU Shu-yi,LI Dong-mei,YANG Wei-guang,HUANG Lu, JIN Jing,WANG Chen,CHEN Yang,SHI Wei-min
(School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

Polycrystalline mercuric iodide films are developed as new detectors in room temperature X-ray imaging.In this paper,8 different electrode patterns are designed by varying the widths of grid and gap.Finite element analysis is used to simulate the potential distribution of the coplanar-grid detectors.The electrode design of pattern E,with width of grid 150μm and width of gap 500μm,is the best.The influence of edge effects resulting from the unsymmetrical electrodes on the potential distribution is discussed.The geometry of electrodes for coplanar-grid detectors is optimized by widening the second grids near edges as shown in pattern N.

polycrystalline HgI2;finite element analysis(FEA);coplanar-grid detector

TL 814

A

1007-2861(2015)05-0657-06

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.007

2014-11-25

史偉民(1951—),男,研究員,博士生導(dǎo)師,研究方向為光電材料與器件.E-mail:wmshi@mail.shu.edu.cn