3D-Simulation von DEPMOS-Röntgendetektoren

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3D-Simulation von DEPMOS-Röntgendetektoren

Bearbeiter: H. Gajewski (FG 1), H.-Chr. Kaiser (FG 1), H. Langmach (FG 3), R. Nürnberg (FG 1)

Kooperation: KETEK GmbH Halbleiter- und Reinraumtechnik, R. Richter (MPI-Halbleiterlabor, München), L. Strüder (Max-Planck-Institut für Physik, München)

Förderung: BMBF: ,,3D-Simulation von Halbleiterdetektoren`` (03-GA7FV1-2)

Beschreibung der Forschungsarbeit:

Bei der Beobachtung von Röntgenstrahlung in der Astrophysik und in anderen Anwendungen spielen Halbleiterdetektoren eine rapide wachsende Rolle. Für die Entwicklung und Optimierung derartiger Halbleiterdetektoren sind mathematische Modellierung und numerische Simulation unabdingbar. Am MPI-Halbleiterlabor wird das Simulationsprogramm WIAS-TeSCA (Two and three dimensional Semi-Conductor Analysis package) zum Design von Detektoren und zur Voraussage ihres qualitativen und quantitativen Verhaltens eingesetzt.

In [2] haben wir das mathematische Modell für Halbleiterdetektoren dargelegt und die Hauptideen beschrieben, die unserem Code zur zuverlässigen und effizienten numerischen Lösung der Modellgleichungen unterliegen. Zur Beurteilung eines Detektordesigns dienen vor allem der räumliche Verlauf des elektrostatischen Potentials und der Elektronen- und Löcherdichte in bestimmten Betriebszuständen des Detektors. In [1] wurden erste Simulationen einer pn-CCD (Charge Coupled Devices)-Schieberegisterstruktur vorgestellt. Diese werden als Röntgen-Detektoren in den ESA-Satelliten ABRIXAS und XMM (Xray Multi Mirror) eingesetzt.

Devices wie der DEPFET (DEPleted Field Effect Transistor), insbesondere der MOS-Typ-DEPFET (DEPMOS), vgl. Abb. 1, wie sie am MPI-Halbleiterlabor und den Max-Planck-Instituten für Physik und Extraterrestrische Physik entwickelt werden, bieten im Vergleich zu konventionellen Detektoren den wichtigen Vorteil, Detektor- und Verstärkereigenschaften auf einem Chip zu vereinen. Hohe Verstärkung und geringes Rauschen sind realisierbar und die generierte Ladung kann am Entstehungsort ausgelesen werden, so dass mit dem Ladungstransport zusammenhängende Probleme vermieden werden. Der jetzt erreichte Entwicklungsstand des 3D-Zweiges von WIAS-TeSCA erlaubt Simulationen solcher Bauelemente. Diese bestätigen für ein Prototyp-Design eines DEPFET schnelles und gutes Funktionieren des Bauelements.

**Abb. 1:** Links: MOS-DEPleted Field Effect Transistor des MPI-Halbleiterlabors; rechts: Schema des 3D-Simulationsgebietes.
$\ProjektEPSbildNocap {0.95\textwidth}{pix_pr-depmos3.eps}$

Wir präsentieren im Folgenden einige 3D-Simulationsresultate zu aktuell interessierenden Detektorstrukturen dieses Typs, deren Struktur und prinzipielle Arbeitsweise in Abb. 1 beschrieben werden. Die Pixelzelle hat die Abmessungen 18 $\mu$ m $\times$ 15 $\mu$ m $\times$ 280 $\mu$ m, wobei das Bauelement in den 3D-Abbildungen nur bis zu einer Tiefe von 12 $\mu$ m dargestellt wird.

Das schwach n-dotierte Substrat bildet das Sensorgebiet des Detektors. Über dem Substrat befindet sich ein Feldeffekttransistor mit den Kontakten: Source (S), Drain (D) und Gate (G). Unter dem Gate befindet sich der Kanal.

Beim Einfall von Röntgenstrahlung werden im Substrat Paare von Elektronen und Löchern gebildet. Dabei wandern die Löcher vollständig zum unteren Rückkontakt, an den eine große negative Spannung angelegt wird. Die Elektronen werden dagegen unterhalb des Kanals des Feldeffekttransistors gesammelt. Durch eine geeignete Dotierung wird dort ein Potentialminimum für Elektronen geschaffen, in das die Elektronen wandern können, vgl. Abb. 1 und 2. Der Feldeffekttransistor ermöglicht eine Verstärkung des empfangenen Signals. Die gesammelte Ladung bildet ein so genanntes internes Gate und steuert den Strom im Feldeffekttransistor. Der Strom wird mit der gesammelten Ladung größer, bis durch Anlegen einer großen positiven Spannung (vgl. Abb. 4) am Clear-Kontakt (Cl) die Ladung aus dem internen Gate entfernt wird. Die Entfernung der Ladung aus dem internen Gate muss möglichst vollständig erfolgen, um auch geringste Strahlungsmengen bis hin zu einzelnen Photonen detektieren zu können.

Während der Phase des Sammelns von Elektronen ist der Clear-Kontakt gegenüber dem Sensorbereich durch eine Potentialbarriere abgeschirmt, um ein vorzeitiges Abfließen von Ladungen zu verhindern, vgl. Abb. 2 und 3. Insbesondere zeigt Abb. 2 die Herausbildung dieser Potentialbarriere in der p-dotierten Schicht unterhalb des n-dotierten Clear-Kontakts. Diese Schicht wird beim Löschvorgang vollständig von Löchern entleert, vgl. Abb. 5.

**Abb. 2:** Elektrostatisches Potential beim Einfangmodus; oben: Niveaufläche in einer Tiefe von 500 nm; unten: 3D-Darstellung.
$\ProjektEPSbildNocap {0.75\textwidth}{depmos-coll-pot.eps}$

**Abb. 3:** Elektronendichte beim Einfangmodus; oben: Niveaufläche in einer Tiefe von 500 nm; unten: 3D-Darstellung.
$\ProjektEPSbildNocap {0.75\textwidth}{depmos-coll-xel.eps}$

**Abb. 4:** Elektrostatisches Potential im Löschmodus; oben: Niveaufläche in einer Tiefe von 200 nm; unten: 3D-Darstellung.
$\ProjektEPSbildNocap {0.75\textwidth}{depmos-clear-pot.eps}$

**Abb. 5:** Löcherdichte im Löschmodus; oben: Niveaufläche in einer Tiefe von 200 nm; unten: 3D-Darstellung.
$\ProjektEPSbildNocap {0.75\textwidth}{depmos-clear-xlo.eps}$

Projektliteratur:

Jahresforschungsbericht 1999, WIAS, Berlin, 2000, pp. 133-135.
H. GAJEWSKI, H.-CHR. KAISER, H. LANGMACH, R. NÜRNBERG, R. H. RICHTER, Mathematical modeling and numerical simulation of semiconductor detectors , erscheint in: BMBF-Förderprogramm ,,Mathematische Verfahren zur Lösung von Problemstellungen in Industrie und Wirtschaft``, Springer.
G. LUTZ, R. H. RICHTER, L. STRÜDER, DEPMOS Arrays for x-ray imaging , in: X-Ray Optics, Instruments, and Missions III (J. E. Truemper, B. Aschenbach, Hrsg.), Proceedings of SPIE, 4012, SPIE, 2000, pp. 249-256.