一种低增益雪崩探测器仿真方法及系统

本发明属于半导体器件仿真领域，具体涉及一种低增益雪崩探测器仿真方法及系统。

背景技术：

1、物质都是由基本粒子构成的，重力、电磁力、强力和弱力是用于描述粒子之间的四种相互作用。但标准模型仍不完整，无法解释例如反物质少于物质等谜题。对撞机可用于研究基本粒子与其相互作用力，大型粒子对撞机亮度升级带来的新信息可能完善标准模型甚至发现新物理。亮度是对撞机性能的重要指标之一，与给定时间内粒子碰撞的次数成正比，对撞机升级更高的亮度意味着将获得更多的数据和更小的统计误差。但与此同时，亮度升级将导致极高的事例堆叠和超高的辐照环境，这对粒子探测器来说将是重大的挑战。使用良好的时间分辨率探测器是解决事例堆积问题的一个方法，它可以精确得到粒子的时间信息。

2、低增益雪崩硅探测器(lgad)具有成为抗辐照高时间分辨率探测器的潜力。lgad可以对信号进行10～100倍左右的放大，同时对噪声的放大倍数较小，提高了探测器的信噪比，从而拥有良好的时间分辨率，在辐照之前时间分辨率可以达到30ps以下，2.5×1015neq/cm2辐照后的时间分辨率也可达到40ps。但在研制lgad的过程中，需要反复进行加工-测试-性能分析的过程，浪费较多的时间及资源。构建lgad开源仿真软件框架可以通过模拟半导体探测器内部载流子产生、复合等物理过程及外部电子学读出过程，直接获得探测器的电流-电压曲线(i-v曲线)等器件特性，节省加工及测试的步骤，得到符合要求的器件尺寸、掺杂等参数。

3、现阶段，国内关于半导体器件仿真软件工作的相关报导较少，国际上主流的半导体仿真软件框架有allpix2等，其通过导入电场、模拟电荷载流子的沉积、根据载流子的标准漂移-扩散模型仿真载流子传播、数字化信号的流程，实现半导体器件的模拟，主要用于仿真硅像素探测器等其他半导体探测器。

4、现有的软件框架中，并未针对lgad仿真进行开发；同时，现有软件只允许导入线性电场或者导入由其他tcad软件生成的电场分布图；其次，现有软件没有包含辐照条件的设置，无法仿真辐照前后对半导体器件的性能影响。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种低增益雪崩探测器仿真方法及系统。本发明可实现自主计算器件的电场分布，并且增加辐照接口，探索辐照对器件的性能影响。

2、本发明的技术方案为：

3、一种低增益雪崩探测器仿真方法，其步骤包括：

4、1)利用器件初始化模块设定低增益雪崩探测器的尺寸，以及设定所述低增益雪崩探测器上每个设定位置的掺杂浓度、电极的位置尺寸及电压、粒子属性、激光属性；

5、2)器件电场计算模块根据所述低增益雪崩探测器的尺寸、每个设定位置的掺杂浓度、电极的位置尺寸构建低增益雪崩探测器模型；采用有限元方法将所述低增益雪崩探测器模型分割为多个微元，并利用有限元求解器devsim求解每一微元内的电势，根据电势梯度求解电场；

6、3)电荷载流子沉积模块利用geant4获得在每个微元中的粒子的生成和传播，并将每个微元内产生的能量沉积转化为电荷载流子沉积，用于激发载流子；

7、4)载流子传播模块根据电场和各微元内所激发的载流子，在不同辐照条件下，确定所述载流子的运动轨迹并记录载流子平均俘获时间；然后根据肖克莱-拉莫定理和载流子平均俘获时间，估算在激光激励下所述低增益雪崩探测器模型内部产生的载流子引起的感应电流；

8、5)利用电子学读出模块模拟所述低增益雪崩探测器的电子学读出电路对所述感应电流进行处理后输出到示波器，得到不同辐照条件对应的仿真结果。

9、进一步的，构造掺杂分布函数来设置每个设定位置的掺杂浓度。

10、进一步的，每个微元内产生的能量等于一份禁带宽度的能量时激发一对载流子。

11、进一步的，所述载流子生成于所述低增益雪崩探测器模型的表面；所述载流子传播模块利用langevin方程的离散随机解，确定载流子的随机运动轨迹。

12、进一步的，采用spice网表搭建模拟电路模拟所述低增益雪崩探测器的电子学读出电路得到所述电子学读出模块。

13、一种用于低增益雪崩探测器仿真系统，其特征在于，包括器件初始化模块、器件电场计算模块、电荷载流子沉积模块、载流子传播模块、辐照模块、电子学读出模块；

14、所述器件初始化模块，用于设定低增益雪崩探测器的尺寸，以及设定所述低增益雪崩探测器上每个设定位置的掺杂浓度、电极的位置尺寸及电压、粒子属性、激光属性；

15、所述器件电场计算模块，用于根据所述低增益雪崩探测器的尺寸、每个设定位置的掺杂浓度、电极的位置尺寸构建低增益雪崩探测器模型；采用有限元方法将所述低增益雪崩探测器模型分割为多个微元，并利用有限元求解器devsim求解每一微元内的电势，根据电势梯度求解电场；

16、所述电荷载流子沉积模块，用于利用geant4获得在每个微元中的粒子的生成和传播，并将每个微元内产生的能量沉积转化为电荷载流子沉积，用于激发载流子；

17、所述辐照模块，用于为所述低增益雪崩探测器模型提供不同的辐照强度；

18、所述载流子传播模块，用于根据电场和各微元内的所激发的载流子，在不同辐照条件下，确定所述载流子的运动轨迹并记录载流子平均俘获时间；然后根据肖克莱-拉莫定理和载流子平均俘获时间，估算在激光激励下所述低增益雪崩探测器模型内部产生的载流子引起的感应电流；

19、所述电子学读出模块，用于模拟所述低增益雪崩探测器的电子学读出电路对所述感应电流进行处理后输出到示波器，得到不同辐照条件对应的仿真结果。

20、本发明的优点如下：

21、1、首次实现lgad仿真。

22、2、该软件框架可实现自主计算器件的电场分布。

23、3、增加辐照接口，可满足探索辐照对器件的性能影响的需求。

24、4、利用ngspice电子学仿真电子学读出，更为贴近实际测试过程。

技术特征：

1.一种低增益雪崩探测器仿真方法，其步骤包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构造掺杂分布函数来设置每个设定位置的掺杂浓度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个微元内产生的能量等于一份禁带宽度的能量时激发一对载流子。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载流子生成于所述低增益雪崩探测器模型的表面；所述载流子传播模块利用langevin方程的离散随机解，确定载流子的随机运动轨迹。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，搭建模拟电路模拟所述低增益雪崩探测器的电子学读出电路得到所述电子学读出模块。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，采用有限元方法将所述低增益雪崩探测器模型分割为多个微元，并利用有限元求解器求解每一微元内的电势，并根据电势梯度求解电场；步骤4)中，根据肖克莱-拉莫定理和载流子平均俘获时间，估算在激光激励下所述低增益雪崩探测器模型内部产生的载流子引起的感应电流。

7.一种用于低增益雪崩探测器仿真系统，其特征在于，包括器件初始化模块、器件电场计算模块、电荷载流子沉积模块、载流子传播模块、辐照模块、电子学读出模块；

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述载流子生成于所述低增益雪崩探测器模型的表面；所述载流子传播模块利用langevin方程的离散随机解，确定载流子的随机运动轨迹；所述器件电场计算模块采用有限元方法将所述低增益雪崩探测器模型分割为多个微元，并利用有限元求解器求解每一微元内的电势，并根据电势梯度求解电场；所述载流子传播模块根据肖克莱-拉莫定理和载流子平均俘获时间，估算在激光激励下所述低增益雪崩探测器模型内部产生的载流子引起的感应电流。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，每个微元内产生的能量等于一份禁带宽度的能量时激发一对载流子。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，搭建模拟电路模拟所述低增益雪崩探测器的电子学读出电路得到所述电子学读出模块。

技术总结
本发明公开了一种低增益雪崩探测器仿真方法及系统，本方法为：1)利用器件初始化模块设定低增益雪崩探测器的尺寸以及各设定位置的参数；2)构建低增益雪崩探测器模型并将其分割为多个微元，求解每一微元内的电势并根据电势梯度求电场；3)获得在每个微元中的粒子的生成和传播，并将每个微元内产生的能量沉积转化为电荷载流子沉积，用于激发载流子；4)根据电场和各微元内所激发的载流子，在不同辐照条件下，确定载流子的运动轨迹并记录载流子平均俘获时间；然后估算在激光激励下所述低增益雪崩探测器模型内部产生的载流子引起的感应电流；5)对感应电流进行处理后输出到示波器，得到不同辐照条件对应的仿真结果。本发明更为贴近实测试过程。

技术研发人员：史欣,肖素玉,王聪聪,张希媛,徐子骏,朱霖
受保护的技术使用者：中国科学院高能物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15