摘 要：低增益雪崩探測器（ LGAD） 是新型快速定時探測器，用于克服在重強子輻射下傳統(tǒng)硅探測器響應(yīng)速度慢和抗輻照能力差的問題。使用計算機輔助設(shè)計工具（ TCAD） ，構(gòu)建LGAD 的物理模型，對不同溫度、電壓下LGAD的漏電流、瞬態(tài)信號和增益等的變化進行研究。引入一種新的“ 三陷阱體損傷模型” 研究LGAD 的抗輻照性能，計算不同中子輻照通量對LGAD 相關(guān)電學(xué)參數(shù)的影響。結(jié)果表明：LGAD 在低溫下工作具有更好的性能;輻照后漏電流增大，暗計數(shù)率增加，瞬態(tài)收集信號變差，增益降低。分析認為是輻照所產(chǎn)生的缺陷影響了LGAD 的空間有效電荷和內(nèi)部電場，通過增大電壓和降低溫度可以降低這一影響。模擬研究工作得到了不同溫度和輻照對探測器性能的影響，對探測器后續(xù)的研究和輻照加固設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：低增益雪崩探測器;TCAD 仿真;中子輻照;輻照模型

中圖分類號：TL81 文獻標(biāo)識碼：A

低增益雪崩探測器（ low gain avalanchedetector，LGAD）是在RD-50 合作中首先提出的，用于應(yīng)對大型強子對撞機（ large hadron collider，LHC） 升級為高亮度大型強子對撞機（ highlightlargehadron collider， HL-LHC）后粒子發(fā)生相互作用的數(shù)量大幅增加的情況[1] 。與傳統(tǒng)探測器相比，LGAD 具有體積小、快速定時（約為30 ps）和抗輻照性能好等優(yōu)點，可以通過測量時間間隔來區(qū)分不同的粒子事件，適用于高能物理實驗中的粒子跟蹤和定時測量[2-3] 。目前，LGAD 已經(jīng)被歐洲粒子物理中心（CERN）選擇并將應(yīng)用于高粒度時間探測器（high granularity timing detector，HGTD）項目，多個機構(gòu)正在參與設(shè)計和優(yōu)化。由于快速定時和抗輻照性能好的需求，LGAD 受到輻照損傷后其性能的變化情況是很重要的[4-8] 。LGAD 受到輻照后，預(yù)計漏電流會增大，暗噪聲會增多，瞬態(tài)收集信號和增益降低[9-12] 。目前，我國中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科技大學(xué)和北京師范大學(xué)等單位已經(jīng)設(shè)計并流片制作了LGAD 的原型，中子輻照后漏電流、時間分辨率等均滿足HGTD 項目要求[13-14] 。

開發(fā)新的探測器技術(shù)時，使用計算機輔助設(shè)計（technology computer aided design，TCAD） 軟件來測試和優(yōu)化可減少開發(fā)時間、降低成本，這在很多的研究中也被證實是可靠的[1，15-16] 。本文通過TCAD 軟件設(shè)計了LGAD 的結(jié)構(gòu)，獲得了不同溫度下LGAD 的相關(guān)參數(shù)，并采用體損傷模型來模擬中子輻照損傷，對受輻照后LGAD 的性能變化進行研究。通過內(nèi)部電場和空間電荷密度的變化分析了輻照后漏電流和增益變化的可能原因，為LGAD 的優(yōu)化和設(shè)計提供參考和依據(jù)。

1 探測器的結(jié)構(gòu)和輻照模型

本研究工作主要采用Silvaco 公司開發(fā)的Silvaco TCAD 軟件進行， 選用的版本為2021windows 版本。Silvaco TCAD 用于仿真半導(dǎo)體工藝和器件特性，其計算基于相關(guān)的物理模型及其方程。使用TCAD 軟件進行仿真可以降低開發(fā)周期與成本、了解仿真器件內(nèi)部參數(shù)變化情況，方便進行虛擬實驗。

1. 1 LGAD 探測器結(jié)構(gòu)

圖1 是仿真時采用的LGAD 二維結(jié)構(gòu)[5] ，寬度為80 μm，厚度為300 μm。上端是陰極，粒子從上端入射，因此上端也稱為正面，對應(yīng)的下端（背面）是陽極。與陰極相連的是N 型重摻雜，峰值摻雜密度為1×1018 cm-3 ;N+區(qū)的下方是中度摻雜的P 阱區(qū)域，峰值摻雜濃度為9. 75×1016 cm-3 ，與N+區(qū)形成了P -N 結(jié)。襯底采用的是均勻摻雜的P型硅襯底，摻雜濃度為1×1012 cm-3 。相比于N 型襯底，P 型襯底具有更好的抗輻照性能，可以有效地避免N 型襯底在受到≥1×1013 neq cm-2 中子通量的輻照后發(fā)生類型反轉(zhuǎn)。背面與陽極相連的部分采用P 型重摻雜，峰值濃度為1×1018 cm-3 。為了防止邊緣擊穿，在周圍還設(shè)置了摻雜濃度為5×1017 cm-3 的保護環(huán)。由于其摻雜深度較深，也叫結(jié)端延伸（junction termination extension，JTE）。