【摘要】：單片集成絕緣層上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)有源像素探測器是近幾年快速發(fā)展的一種新型硅基探測器。SOI像素探測器有許多優(yōu)勢,不需要凸點鍵合(Bump Bonding)工藝,高速高集成度,較小像素尺寸,低功耗,較小寄生電容(~10fF),使得低噪聲和高增益有可能實現(xiàn),較好的單粒子效應(yīng),消除了閂鎖效應(yīng),也能很好的擴展3D集成技術(shù)等等。SOI像素探測器的傳感層和電路直接集成在單個芯片上。傳感層可以實現(xiàn)全耗盡從而得到最好的探測效率,電路層采用CMOS標(biāo)準工藝從而得到最好的電路性能。因此,SOI像素探測器成為單片集成探測器的研究熱點。本論文主要研究了SOI像素探測器的三個熱點問題:一、有效屏蔽問題,該問題包括兩種:一是背柵效應(yīng)問題,二是傳感層與電路層之間串?dāng)_問題;二、電荷收集和轉(zhuǎn)換增益;三、總劑量效應(yīng)抑制。通過采用降低全耗盡電壓和背柵嵌位方式來抑制背柵效應(yīng),采用電場屏蔽原理來抑制傳感層與電路層之間的串?dāng)_。通過對影響電荷收集效率因素的研究分析,調(diào)節(jié)耗盡區(qū)電場,屏蔽電路對傳感層的影響等來提高電荷收集能力。通過減小電荷收集阱尺寸,降低電荷收集端電容,實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換增益。采用電荷補償原理,實現(xiàn)輻射加固設(shè)計。通過相關(guān)理論研究及仿真分析,對論文的主要工作歸納如下:1.SOI像素探測器傳感層與電路層之間的屏蔽性能研究從SOI像素探測器結(jié)構(gòu)模型出發(fā),給出了背柵效應(yīng)中閾值電壓與背柵偏壓關(guān)系的模型,以及傳感層和電路層之間串?dāng)_的分析模型。針對背柵效應(yīng),提出了一種采用交替PN結(jié)作為襯底傳感層的像素結(jié)構(gòu)(ASV-SOI)。通過采用降低像素全耗盡電壓的方式來抑制背柵效應(yīng)。ASV-SOI像素在較低襯底偏置電壓下實現(xiàn)襯底全耗盡,降低SOI像素埋氧層BOX下方的電勢和電場,也就是降低背柵電壓。并對其進行數(shù)學(xué)建模分析和仿真驗證。針對電路層與傳感層之間串?dāng)_,提出了一種多阱多PN結(jié)的像素結(jié)構(gòu)(PAPT-SOI)。通過背柵嵌位方式來抑制背柵效應(yīng),采用電場屏蔽原理來降低傳感層與電路層之間的串?dāng)_。PAPT-SOI像素將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電荷收集與屏蔽功能分離開,進行優(yōu)化設(shè)計,以實現(xiàn)良好的屏蔽性能。此外,通過采用深埋p阱結(jié)構(gòu),使像素擁有足夠的耐壓來實現(xiàn)襯底的全耗盡條件。2.SOI像素探測器電荷收集與轉(zhuǎn)換增益研究給出電荷收集和轉(zhuǎn)換增益模型。針對傳統(tǒng)SOI像素結(jié)構(gòu)電荷收集與轉(zhuǎn)換增益折中問題,提出了一種采用兩個P阱的像素結(jié)構(gòu)(SDW-SOI)。SDW-SOI所使用兩個P阱中大的一個P阱用于收集電荷,而較小的P阱用于探測電荷。通過這種方式來保持襯底傳感層中寬闊的電荷收集區(qū)域和電場的均勻分布,同時提高轉(zhuǎn)換增益,且提高幅度與兩阱的尺寸相關(guān)。此外,還對PAPT-SOI像素的電荷收集和轉(zhuǎn)換增益性能進行研究分析。PAPT-SOI像素通過減小電荷收集端尺寸,降低電荷收集端電容的方式來提高轉(zhuǎn)換增益。通過對多種因素的分析,以及對比其他結(jié)構(gòu)來研究PAPT-SOI像素電荷收集以及轉(zhuǎn)換增益的關(guān)鍵影響因素。3.SOI像素探測器總劑量(TID)輻射效應(yīng)及輻射加固研究給出了TID輻射效應(yīng)的原理以及分析模型。根據(jù)模型分析,提出了一種抗TID輻射效應(yīng)的像素結(jié)構(gòu)(NAPT-SOI)。該結(jié)構(gòu)通過電荷補償方式實現(xiàn)輻射加固設(shè)計。通過對NAPT-SOI像素中BNW偏置可控負電壓,來抑制電路層晶體管受TID輻射的影響,實現(xiàn)對SOI像素電路的輻射加固,并與DSOI像素結(jié)構(gòu)進行對比分析。NAPT-SOI不需要采用雙SOI晶圓,且抑制TID輻射效應(yīng)時,不影響電荷收集效率。此外,NAPT-SOI采用電場屏蔽原理,實現(xiàn)傳感層與電路層之間的有效屏蔽。在NAPT-SOI像素基礎(chǔ)上,提出了結(jié)構(gòu)更加簡單的IAPT-SOI像素結(jié)構(gòu),通過減少一層深阱摻雜,降低結(jié)構(gòu)實現(xiàn)難度。IAPT-SOI實現(xiàn)了BNW和BPW之間更高的耐壓。通過給BPW設(shè)置較高偏壓,來實現(xiàn)較高的耐壓,較大的橫向電場,以及較大的抑制TID輻射效應(yīng)所需的負壓范圍。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN302
【圖文】：

圖 1.1 給出了 SOI 像素探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。SOI 像素探測器的傳感部分和電路層部分直接集成在單個芯片上，整個厚的 SOI 高阻襯底作為像素傳感部分，而電路層部分在薄的低阻 SOI 頂層硅上，中間被埋氧層（BOX）隔離開[24, 25]。襯底層需要通過摻雜形成 PN 結(jié)、電荷收集電極和反向偏壓電極，襯底中的電荷收集電極需要穿透埋氧層連接到電路層的金屬上。SOI 頂層硅電路層中，晶體管之間由絕緣氧化層完全隔離。SOI像素探測器的主要特點歸納如下[22, 25]：(1) 不需要凸點鍵合(Bump Bonding)組裝工藝。消除了傳感部分和電路層部分之間的金屬障礙，從而改善了多次散射。有利于實現(xiàn)更小的像素尺寸。(2) 可實現(xiàn)非常小的敏感節(jié)點電容(10fF 左右)。有利于實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換增益和低噪聲。(3) 可采用標(biāo)準的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。有利于提高可靠性和降低成本。(4) 對于全耗盡型 SOI 像素探測器，電路層非常薄(40nm 左右)，對單粒子輻射導(dǎo)致的軟故障有很高的免疫。消除了閂鎖效應(yīng)。(5) 寬的溫度工作范圍�？蛇_ 4K-600K。(6) 適合擴展 3D 集成的技術(shù)[23, 26]，從而進一步提高集成度。

哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文一側(cè)失去空穴而留下不能移動的負離子，N 區(qū)一側(cè)失去電子而留下不能移動的正離域內(nèi)，多數(shù)載流子已擴散到對方并復(fù)合掉，也即形成了耗盡層。導(dǎo)帶和價帶是連續(xù)的，且在熱平衡條件下，整個 PN 結(jié)的費米能級是一致的。耗的自由電子的擴散運動和內(nèi)電場導(dǎo)致的漂移運動達到平衡時，PN 結(jié)處于熱平衡狀態(tài)盡區(qū)的寬度依賴于 PN 各自區(qū)域的濃度，且成反比，濃度越大，耗盡區(qū)寬度越窄。兩側(cè)濃度不相同，則耗盡區(qū)會向低摻雜的一側(cè)擴展。圖 2.2 給出了熱平衡狀態(tài)下， PN 結(jié)的空間電荷，電場以及電勢分布示意圖。

12（a）耗盡層電荷分布 （b）電場分布 （c）電勢分布圖 2.2 PN 突變結(jié)Fig. 2.2 Abrubt PN junction2.1.2 PN 結(jié)耗盡層厚度SOI 像素探測器為了獲得最大的靈敏區(qū)域，實現(xiàn)最高的探測效率，靈敏區(qū)通常需要工作在全耗盡條件下。探測器耗盡區(qū)的厚度可以依據(jù)泊松方程來計算。假設(shè) PN 結(jié)為突

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本文編號：2743707