互嵌式殼型電極探測器的三維電學(xué)性能仿真*

張 亞, 廖 川, 李 正

(湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

硅探測器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、耐輻射等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于高能物理和天體物理學(xué)[1].Parker[2]提出的三維柱電極探測器比二維平面探測器具有更高的抗輻射能力.由于電極的對稱性，電極幾何中心處的電場始終很低.為了克服這一問題，BNL于2009年提出了一種三維溝槽電極硅探測器[3].由于三維溝槽電極硅探測器中的溝槽電極不能全部刻蝕(否則探測器單元會從晶片上掉下來)，在探測器底部(未刻蝕部分)將出現(xiàn)一個低場區(qū)域，約占整個體積的10%.這一低場區(qū)給探測器帶來了一些不足，其中最主要的是低場區(qū)電荷收集效率低造成收集信號中的長尾.載流子的緩慢漂移增加了漂移時間，從而增加了被陷阱俘獲的概率，構(gòu)成了低場區(qū)的死區(qū).因此，有必要減少低場區(qū)，提高電荷收集效率.為了減少低電場區(qū)，提高探測器的電荷收集效率，本文提出了一種基于閉合式殼型電極探測器(CSED)[4]的互嵌式殼型電極探測器(ISED).根據(jù)幾何計算，其死區(qū)僅為CSED的一半.本文的主要工作如下：① 闡述ISED的設(shè)計思想和三維結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；② 利用Silvaco TCAD工具對探測器的特性進(jìn)行仿真，包括電場和電勢的分布、探測器的全耗盡電壓、擊穿電壓、電容和漏電流.結(jié)果表明，與CSED相比，該器件具有優(yōu)良的電學(xué)特性，且死區(qū)小得多.

1 器件設(shè)計概念

新器件ISED的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，單元可看作中心柱電極被溝槽電極包圍的PIN結(jié).我們選用電阻率為1×1012/cm3的P型硅作為I部分的材料，因為P型硅不會在高輻射影響環(huán)境下進(jìn)行空間電荷反轉(zhuǎn)(N型Si將轉(zhuǎn)化為“有效”的P型硅)[5].由于探測器電極的不對稱性，PN結(jié)位置在溝槽電極時的最大電場遠(yuǎn)小于PN結(jié)位置在中心電極柱時的電場.因此，我們選擇了PN結(jié)位置在溝槽電極的情況，以保持電場平滑，電場變化小，從而增加探測器擊穿電壓[6].電極間距l(xiāng)為20～100 μm，有助于提高輻照影響下探測器的抗輻射強(qiáng)度[7](F≥1×1014N/cm2).因此，在電極間距為35 μm時，I類材料選用P型硅，并選擇了PN結(jié)位置在溝槽電極的形式進(jìn)行模擬.圖1(a)顯示了單元的三維結(jié)構(gòu).探測器厚度d=200 μm.N型正方形溝槽的厚度為LS=185μm.N型六邊形溝槽的厚度為LH=30 μm.N型溝槽的摻雜濃度為1019/cm3.P型中心柱的摻雜濃度為1019/cm3，P型體的摻雜濃度為1012/cm3.

從圖1(a)和(b)可以看到，ISED的溝槽電極是由一個頂部刻蝕的非刻蝕到底正方形溝槽從和一個從底部刻蝕的非刻蝕到底六角形溝槽嵌套而成.這兩個非刻蝕的溝槽在垂直方向嵌套在一起，除了兩個對角外，大部分重疊.所有溝槽的寬度為w=10 μm，中心柱的寬度為2R=10 μm.正方形溝槽和六角形溝槽之間最大間距t=10 μm.刻蝕到底的中央柱電極，連同交錯的溝槽電極，形成探測器單元的電極.除了兩個不重疊的對角，溝槽電極都是刻蝕到底，從而有效地減少了在CSED單元中存在的死區(qū).圖1(c)是ISED單元的俯視圖，細(xì)虛線表示方形溝槽，寬虛線表示六邊形溝槽，而實線條表示從頂部刻蝕的溝槽與從底部刻蝕的溝槽重疊的刻蝕區(qū)域.從圖1(c)中，我們可以很容易知道，當(dāng)四個單元排列在一個鏡像陣列中(形成一個“組合單元”)時，實線條是不閉合的，探測器的單元不會從晶片上掉下來，因此可以很容易地制作一個探測器陣列.從圖1(a)中，我們看到“A”區(qū)域是介于六邊形溝槽和正方形溝槽之間的區(qū)域，而“B”區(qū)域是正方形溝槽在Z方向正下方的區(qū)域，也是沿著r方向上的六邊形溝槽的外部區(qū)域(如圖1(a)所示).每個單元通過“A”區(qū)域和“B”區(qū)域連接到探測器芯片，形成機(jī)械完整性(而不會單個脫落).

在隨后的模擬中，我們將會知道MIP粒子在“A”區(qū)和“B”區(qū)產(chǎn)生的自由載流子不能被收集，因為這些區(qū)域的電場很低，而且六角形溝槽在載流子漂移過程中起著屏障的作用.這就是“A”區(qū)域和“B”區(qū)域被稱為“死區(qū)”的原因.從圖1(b)到圖1(c)，我們可以看到有兩個“A”區(qū)域和兩個“B”區(qū)域位于一個單元格中，而僅有四個“A”區(qū)域和四個“B”區(qū)域位于CSED的單個單元中.顯然，ISED死區(qū)的總體積僅為CSED的一半.

2 ISED的I-V特性曲線與C-V特性曲線

圖2是用Silvaco TCAD模擬的ISED 的I-V曲線，可以看出ISED在約1 V(Vfd=1)時完全耗盡，擊穿電壓(Vbr)為214 V.我們注意到Vbr的值比Vfd大兩個數(shù)量級.漏電流為1.5×10-8A，如圖2所示.圖3是用Silvaco TCAD模擬的ISED 的I-V曲線圖和C-V特性圖. 如圖3所示, ISED電容隨接近于某一值40 fF而降低，這是探測器幾何電容.

3 ISED的電場分布

探測器在工作條件下的電場分布影響探測器的性能.當(dāng)電場較高時，載流子漂移很快，很難被深能級缺陷所捕獲.直線的距離總是最短的，因此當(dāng)載流子漂移路徑為直線時，電荷收集效率較高[7].從圖4中，我們可以看到電場在ISED的垂直方向上是均勻的.在底部，電場(E)很高，使載流子以較快的速度漂移到收集極，這就是ISED在電荷收集效率上優(yōu)于三維溝槽電極探測器[3]的原因.從圖5可看出，在探測器大部分區(qū)域的Z分量E(EZ)為0，表明在大多數(shù)區(qū)域，載流子只在X-Y平面上漂移，且漂移路徑總是一條直線.在正方形底部和六邊形頂部，EZ不是0，這是因為在N型硅和P型硅之間形成了PN結(jié)的緣故.在正方形和六邊形交錯的“A”區(qū)，EZ為0，因此“A”區(qū)的載流子只在X-Y平面上漂移，空穴永遠(yuǎn)不會漂移到中心電極上，這表明六邊形的外側(cè)存在空穴屏蔽效應(yīng).即使這些載流子在EZ的影響下從“B”區(qū)漂移到“A”區(qū)，但由于空穴屏蔽效應(yīng)，它們也不會被中心電極所收集，這就是“A”區(qū)和“B”區(qū)被稱為死區(qū)的原因.值得注意的是，EZ成分存在于探測器上下表面附近，是由邊界的界面電荷引起的.

4 ISED的電勢分布

圖6是Z=100處水平截面電勢圖，由圖6可看出探測器溝槽電極(陽極)的電勢高，中央電極柱的電勢低，因此在探測器靈敏區(qū)形成電勢梯度.電子與空穴沿著梯度會被收集，形成感應(yīng)信號.由圖6可以看出，探測器水平截面電勢梯度比較平滑，因此不會出現(xiàn)探測器內(nèi)部電場局部過高或者局部過低的情況.

5 結(jié)論

為了提高電荷收集效率和減少死區(qū)，本文提出了一種新型探測器——ISED.詳細(xì)介紹了該器件的設(shè)計思想和具體參數(shù).由結(jié)構(gòu)引入的死區(qū)比例在三維溝槽電極硅探測器是15%，在CSED中占0.3%，而在ISED中僅占0.15%.通過對SILVACO TCAD仿真結(jié)果的分析，得出飽和電容在40 fF左右時很低.探測器的全耗盡電壓約為1 V，這使得在大約214 V的擊穿電壓下探測器工作成為可能.此外，由于探測器的擊穿電壓為214 V，遠(yuǎn)大于幾伏特的工作電壓，因此探測器工作時幾乎不可能被擊穿.