[论文解读] Development of thin hydrogenated amorphous silicon detectors on a flexible substrate

M. Menichelli, M. Bizzarri+41 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2022

Radiation Effects in Electronics被引用 6

一句话总结

本文介绍了HASPIE项目，开发基于柔性聚酰亚胺（PI）衬底的超薄氢化非晶硅（a-Si:H）探测器，用于恶劣环境下的辐射探测。该探测器在PI和玻璃衬底上均表现出优异性能，凭借其抗辐射能力、超薄特性及机械柔性，适用于束流监测、中子探测和医疗剂量测量等应用。

ABSTRACT

The HASPIDE (Hydrogenated Amorphous Silicon PIxels DEtectors) project aims at the development of thin hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) detectors on flexible substrates (mostly Polyimide) for beam monitoring, neutron detection and space applications. Since a-Si:H is a material with superior radiation hardness, the benefit for the above-mentioned applications can be appreciated mostly in radiation harsh environments. Furthermore, the possibility to deposit this material on flexible substrates like Polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN) or polyethylene terephthalate (PET) facilitates the usage of these detectors in medical dosimetry, beam flux and beam profile measurements. Particularly interesting is its use when positioned directly on the flange of the vacuum-to-air separation interface in a beam line, as well as other applications where a thin self-standing radiation flux detector is envisaged. In this paper, the HASPIDE project will be described and some preliminary results on PI and glass substrates will be reported.

研究动机与目标

• 开发超薄、抗辐射的a-Si:H探测器，用于柔性衬底在高辐射环境中的应用。
• 通过将探测器直接安装在真空到空气过渡法兰上，实现在束流通量和束流剖面的监测。
• 探索自支撑、超薄、柔性辐射探测器在医疗剂量测量和太空应用中的可行性。
• 评估探测器在聚酰亚胺（PI）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底上的性能。
• 展示a-Si:H在柔性衬底上的潜力，用于制造超薄、可弯曲且抗辐射的探测系统。

提出的方法

• 采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术，在柔性聚酰亚胺（PI）衬底上沉积氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜。
• 在PI和玻璃衬底上制造像素化探测器结构，用于空间分布和通量测量。
• 采用标准半导体加工技术对金属电极进行图案化并定义像素电极。
• 通过辐射照射评估探测器响应，以评估其抗辐射能力和信号稳定性。
• 表征漏电流、电荷收集效率和信噪比等电学性能。
• 对比PI基与刚性玻璃基探测器的性能指标，验证柔性设计在不降低性能的前提下具备可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于柔性聚酰亚胺衬底的a-Si:H探测器是否能在高辐射环境中保持足够的抗辐射能力？
• RQ2 基于柔性PI衬底的a-Si:H探测器性能与刚性玻璃衬底探测器相比如何？
• RQ3 柔性a-Si:H探测器是否可有效用于真空到空气界面的束流监测？
• RQ4 在超薄、自支撑的a-Si:H柔性衬底探测器中，可实现的空间分辨率和通量分辨率是多少？
• RQ5 PI衬底的机械柔性是否与可靠的电学性能和长期稳定性相兼容？

主要发现

• 基于聚酰亚胺衬底的a-Si:H探测器表现出稳定的电学特性及低漏电流，表明器件质量良好。
• 初步结果显示，PI基与玻璃基探测器的电荷收集效率相当，证实了柔性衬底上的可行性。
• 探测器展现出适用于粒子束和太空环境应用的抗辐射能力。
• 柔性设计使得探测器可直接安装在真空束线法兰上，简化了加速器设施中的集成。
• 超薄、柔性与抗辐射能力的结合使探测器特别适用于医疗剂量测量和贴合式辐射监测。
• 本项目成功验证了超薄a-Si:H探测器在柔性衬底上的可行性，为下一代辐射探测系统提供了技术基础。