TCAD modelling of a-Si:H devices for particle detection applications

Authors

Daniele Passeri, Università degli Studi di Perugia
Arianna Morozzi, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Michele Fabi, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Firenze
Catia Grimani, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Firenze
Stefania Pallotta, Università degli Studi di Firenze
Federico Sabbatini, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Firenze
Cinzia Talamonti, Università degli Studi di Firenze
Mattia Villani, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Firenze
Lucio Calcagnile, Università del Salento
Anna Paola Caricato, Università del Salento
Maurizio Martino, Università del Salento
Giuseppe Maruccio, Università del Salento
Anna Grazia Monteduro, Università del Salento
Gianluca Quarta, Università del Salento
Silvia Rizzato, Università del Salento
Roberto Catalano, INFN - Laboratori Nazionali del Sud
Giuseppe Antonio Pablo Cirrone, INFN - Laboratori Nazionali del Sud
Giacomo Cuttone, INFN - Laboratori Nazionali del Sud
Giada Petringa, INFN - Laboratori Nazionali del Sud
Luca Frontini, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano
Valentino Liberali, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano
Alberto Stabile, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano
Tommaso Croci, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Maria Ionica, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Keida Kanxheri, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Mauro Menichelli, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Francesco Moscatelli, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Maddalena Pedio, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Francesca Peverini, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia

Publication Name

Materials Science in Semiconductor Processing

Abstract

Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) has been proposed as a suitable material for particle detection applications thanks to its property to be deposited over a large area and above a variety of different substrates, including flexible materials. Moreover, the low cost and intrinsic radiation tolerance made this material appealing in applications where high fluences are expected, e.g. in high energy physics experiments. In order to optimize the device geometry and to evaluate its electrical behaviour in different operating conditions, a suitable Technology CAD (TCAD) design methodology can be applied. In this work, carried out in the framework of the HASPIDE INFN project, we propose an innovative approach to the study of charge transport within the material, using the state-of-the-art Synopsys Advanced TCAD Suite. Different custom mobility models have been devised and implemented within the code as external PMI (Physical Model Interfaces), starting from the Poole–Frenkel model and accounting for different dependencies on temperature and internal potential distribution, thus resulting in a new mobility model embedded within the code. Simple test structures, featuring p-i-n diodes have been simulated and compared to experimental data as a benchmark. The overall aim was to account for the effect of different biasing conditions (namely, different electrical potential and electric field distribution within the device) and operating conditions (e.g. temperature). This work fosters the use of commercially available TCAD suite such as Synopsys Sentaurus, largely diffused in the radiation detection scientific community, for the design and optimization of innovative a-Si:H devices for particle detection applications.

Open Access Status

This publication may be available as open access

Volume

169

Article Number

107870

Funding Sponsor

Instituto Nazionale di Fisica Nucleare

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COinS
 

Link to publisher version (DOI)

http://dx.doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107870