vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2022-58-3-337-343vestifm-671Research ArticleФИЗИКАPHYSICSМоделирование накопления заряда в кремниевых фотоэлектронных умножителях под воздействием мягкого рентгеновского излученияSimulation of charge accumulation in silicon photomultipliers under the influence of soft X-raysОгородниковД. А.AharodnikauD. A.

Огородников Дмитрий Александрович – младший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Dzmitryi A. Aharodnikau – Junior Researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

ogorodnikov@ifttp.bas-net.byНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific-Practical Materials Research Centre of the National Academy of Sciences of Belarus202213102022583337343Copyright © Огородников Д.А., 20222022Огородников Д.А.Aharodnikau D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/671

В программном комплексе Silvaco создана модель структуры ячеек кремниевых фотоэлектронных умножителей (SiФЭУ). Ячейки представляли собой оптически изолированные друг от друга n+–p–p+-структуры. Оптическая изоляция ячеек осуществлялась канавками, которые после пассивации боковых стенок слоем SiО2 заполнялись металлом. Моделирование проводилось для двух вариантов конструкции структур SiФЭУ: вывод металла канавки электрически соединялся 1) с n+-областью ячейки, 2) с p+-областью. Ячейки облучались рентгеновскими квантами с энергией 10 кэВ дозой 105 рад при значениях обратного электрического смещения Ub = –30 В (активный электрический режим) и Ub = 0 В (пассивный электрический режим). Получено распределение объемной плотности накопленного заряда Q в слое окисла разделительной канавки. Установлено, что максимальное значение Q > 0 зависит от режима облучения. В пассивном режиме величина Q минимальна и совпадает для обоих вариантов структур, в активном режиме она возрастает по сравнению с пассивным в 2,5 раза для SiФЭУ со структурой второго варианта и в 5,9 раза со структурой первого. Полученный результат объясняется усилением выхода заряда Q дырок под действием электрических полей в слоях окислов разделительных канавок ячеек SiФЭУ.

A model of the cell structure of silicon photomultipliers (SiPM) is herein created in the software complex “Silvaco”. The cells are n+–p–p+-structures optically isolated from each other. The optical isolation of the cells is realized by trenches filled with metal after passivation of the walls with a SiO2 layer. Simulations are carried out for two variants of SiPM structures when the trench metal is electrically connected to the n+- (the first design) or p+ (the second design) region of the cell. The cells are irradiated by X-ray quanta with 10 keV energy up to a dose of 105 rads at the reverse bias values of Ub = –30 V (active electrical mode) and Ub = 0 V (passive electric mode). We obtain the distribution of the volume density of the accumulated charge Q in the oxide layer of the separation trench. It is established that the maximal Q value depends upon the irradiation mode. In the passive mode, the Q value is minimal and similar for both variants of the structures. In the active mode, Q increases in comparison to the passive mode by 2.5 times for SiPM with the structure of the second variant and by 5.9 times for the structure of the first variant. The obtained result can be explained by an increase of the hole charge yield under the influence of the appropriately distributed electric fields in the oxide layers of the separating trenches of the investigated SiPM’s cells.

кремниевый фотоэлектронный умножительграница раздела Si/SiO2внешнее электрическое поленакопленный зарядрентгеновское излучениеsilicon photomultiplierSi/SiO2 interfaceexternal electric fieldaccumulated chargeX-ray quantaReferencesГулаков, И. Р. Фотоприемники квантовых систем / И. Р. Гулаков, А. О. Зеневич. – Минск: УО ВГКС, 2012. – 48 с.Gulakov I. R., Zenevich A. O. Photodetectors of Quantum Systems. Minsk, UO VGKS Publ., 2012. 48 p. (in Russian).The cross-talk problem in SiPMs and their use as light sensors for imaging atmospheric Cherenkov telescopes / Е. Popova [et al.] // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2009. – Vol. 610, № 1. – P. 131–134. http://dx.doi. org/10.1016%2Fj.nima.2009.05.150Popova Е., Buzhan P., Dolgoshein B., Ilyin A., Карlin V., Klemin S., Mirzoyan R., Teshima M. The cross-talk problem in SiPMs and their use as light sensors for imaging atmospheric Cherenkov telescopes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2009, vol. 610, no. 1, pp. 131–134. http://dx.doi.org/10.1016%2Fj.nima.2009.05.150Garutti, E. Radiation Damage of SiPMs / E. Garutti, Yu. Musienko // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2019. – Vol. 926. – P. 69–84. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.10.191Garutti E., Musienko Yu. Radiation damage of SiPMs. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipmen, 2019, vol. 926, pp. 69–84. https://doi.org/10.1016/j. nima.2018.10.191Таперо, К. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения / К. И. Таперо, В. Н. Улимов, А. М. Членов // Влияние ионизирующих излучений на кремний, биполярные приборные структуры / К. И. Таперо, В. Н. Улимов, А. М. Членов. – Минск, 2012. – С. 261–287.Tapero K. I., Ulimov V. N., Chlenov A. M. Radiation effects in silicon integrated circuits for space applications. The Influence of Ionizing Radiation on Silicon, Bipolar Devices. Minsk, 2012, pp. 261–287 (in Russian).ATLAS User’s Manual. Device Simulation Software [Electronic resource] / SILVACO International. – 2010. – Mode of access: http://ridl.cfd.rit.edu/products/manuals/Silvaco/atlas_users.pdf. – Date of access: 13.05.2021.SILVACO International. ATLAS User’s Manual. Device Simulation Software. 2010. Available at: http://ridl.cfd.rit.edu/ products/manuals/Silvaco/atlas_users.pdf (accessed 13 May 2021).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.