结构优化对氮化镓基低增益雪崩探测器 (LGADs) 增益影响的仿真研究

《Microelectronics Journal》：Simulation Study on the Influence of Structural Optimization on Gain of GaN-Based Low Gain Avalanche Detectors (LGADs)

　　

摘要

本研究展示了一项技术计算机辅助设计 (TCAD) 仿真，旨在研究结构优化对氮化镓 (GaN) 基低增益雪崩探测器 (LGAD) 增益的影响。在 500 V 反向偏压下，系统研究了倍增层厚度 (W_m)、电场控制层有效掺杂浓度 (N_c) 和倍增层位置对增益性能的影响，并在最小电离粒子 (MIP) 照射下进行了评估。分析了增益依赖性的潜在机制。优化后的器件表现出最大增益 50.67 和最短上升时间 0.09 ns。本研究为 GaN 基 LGAD 的优化提供了设计见解。

引言

粒子对撞机在推动现代科学发展中发挥了关键作用，特别是在高能物理和粒子物理领域。近年来，由于检测环境的光度和强度日益增加，粒子对撞机中的传统探测器面临着重大挑战。例如，在高亮度大型强子对撞机 (HL-LHC) 的 ATLAS 实验第二阶段，瞬时亮度预计将达到 7.5×10³⁴?cm^?2s^?1，积分亮度为 4000?fb^?1 [1]。严峻的检测环境导致探测器出现辐射损伤和事件堆积等问题。为了解决这些问题，提出了高颗粒度计时探测器 (HGTD) 的概念，利用高精度时间信息来解决空间上接近但时间上分离的碰撞 [2]。作为 HGTD 的核心原型器件，低增益雪崩探测器 (LGAD) 已发展出优异的抗辐射能力和精确的时间分辨率 3, 4。

LGAD 利用辐射诱导电荷倍增原理，该原理最早在硅 (Si) 探测器中被观察到 5, 6。工作在盖革模式下的传统雪崩光电二极管 (APD) 通常能实现超过 100 的增益。相比之下，LGAD 在线性模式下工作，具有 10 到 30 均匀且稳定的增益，这确保了有效的信号放大而不会引入过多的噪声 [7]。目前，大多数 LGAD 是使用 Si 制造的。然而，Si 固有的材料局限性导致 LGAD 的抗辐射能力和高温性能较差 8, 9, 10。因此，基于 Si 的 LGAD 通常在 -30 °C 左右的温度下工作，且寿命较短 [11]。这些苛刻的运行条件需要复杂的辅助系统，然而器件结构设计或制造过程的优化并不能完全解决这些局限性 12, 13。因此，下一代 LGAD 的开发需要探索替代半导体材料。

与 Si 相比，氮化镓 (GaN) 具有显著优势，包括高位移阈值能量、高密度、高临界击穿电场、高饱和漂移速度和高原子序数。GaN 的宽禁带使其在高温下具有更优异的热稳定性，从而降低了 LGAD 对冷却系统的依赖。GaN 的高位移阈值能量有助于抑制辐射诱导缺陷的产生 [14]，从而延长器件寿命。GaN 的高击穿场使其能够在更高电场下工作，并产生更强的雪崩倍增。更高的饱和漂移速度带来更快的上升时间。此外，GaN 的高密度和原子序数赋予了其更强的粒子阻止本领 [15]。因此，可以在不牺牲检测效率的情况下实现更薄的器件。更高的饱和漂移速度和更薄的器件意味着更高的时间分辨率。在我们之前的工作中，通过等电子铝掺杂本征层 (i 层) 实现了漂移层厚度为 10–20 μm 且掺杂浓度低为 10¹⁴ cm^-3 的 GaN PIN 探测器，尽管缺乏增益，但仍提供了良好的抗辐射能力和低漏电流 [58]。迄今为止，第一台 GaN 基 LGAD 已被报道，但器件上的增益和结构参数设计仍然稀缺 [16]。此外，该研究仅报告了光学增益，缺乏对粒子入射增益的研究。

本文展示了一项关于结构优化对 GaN 基 LGAD 增益影响的 TCAD 仿真研究。在这里，结构优化是指调节器件内倍增层厚度 (W_m)、电场控制层有效掺杂浓度 (N_c) 和倍增层位置（通过改变掺杂类型和入射方向）。通过这些仿真，在安全裕量内实现了可控的增益调节，并确定了结构参数的优化趋势。

章节摘要

主器件结构的确定

通常，LGAD 采用单载流子倍增结构。该结构通常被描述为 p⁺-i(p)-p-n⁺ 堆叠，导致倍增层内产生三角形电场，如图 1a 所示 17, 18, 19。虽然在 Si 中有效，但这种三角形场分布可能是不均匀的。这种不均匀性以及 GaN 中的高电场影响了 LGAD 的稳定性 [20]。此外，三角形场中的高峰值电场可能会触发

倍增层位置对增益的影响

器件内倍增层的位置是结构优化的另一个关键方面。通过两种途径研究了位置的影响：(a) 改变电场控制层的掺杂类型以形成 p⁺-i-p⁺-i-n⁺ (pipin) 结构，以及 (b) 反转 p⁺-i-n⁺-i-n⁺ (pinin) 结构上的粒子入射方向。这些配置示意图如图 7 所示。需要注意的是，30 μm p 型吸收层

结论

本文展示了一项关于具有梯形电场和 30 μm 吸收层的 GaN 基 LGAD 结构优化对增益影响的 TCAD 仿真研究。主要发现如下：

• ●
  通过独立调节 W_m 和 N_c，电场控制层能够实现耗尽电压 (V_dep) 和击穿电压 (V_bd) 的精确解耦。将 N_c 增加 1.0 × 10¹⁶ cm^-3 可增强增益，同时使 V_bd 降低约 60 V，而 W_m 主要决定 V_dep。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作部分资助来自 国家自然科学基金 (项目编号：12105033，12473098，12335011，W2432040)，国家重点研发计划 (项目编号：2024YFE0110400)，以及 中华人民共和国教育部 的 突破 计划 (项目编号：JYB2025XDXM107)。

郭大林 | 张克雄 | 庄丽媛 | 崔兴柱 | 夏晓川 | 张鹤秋 | 梁宏伟

大连理工大学集成电路学院，中国大连 116024