方形三維溝槽電極硅探測(cè)器相干性影響因素研究*

馬 闊，廖 川，張 亞，李 正

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

半導(dǎo)體探測(cè)器廣泛應(yīng)用于高能核物理實(shí)驗(yàn)中，其所承受的劇烈的輻射損傷會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器性能的退化.這種退化包括漏電流的增加、基體電阻的增大以及空載流子陷阱增多等[1].為了提高探測(cè)器的抗輻射性能，1997年，三維柱狀電極探測(cè)器的模型被夏威夷大學(xué)的Parker等人提出[2-3].相比于傳統(tǒng)的二維平板探測(cè)器，這種探測(cè)器電荷收集速率以及耗盡電壓有了很大的改善.它們由柱形的重?fù)诫s電極構(gòu)成，硅基體為P型或N型的輕摻雜.此類探測(cè)器電場(chǎng)分布不均勻，全耗盡電壓依然較大.2009年，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家提出一種新型電極的探測(cè)器，即三維溝槽電極硅探測(cè)器[4-5].這種探測(cè)器是由多個(gè)探測(cè)器小單元排列組合而成，外圍電極為溝槽形狀，每個(gè)小單元中心電極為柱狀.其內(nèi)部的電場(chǎng)分布與傳統(tǒng)的三維探測(cè)器相比更加均勻，耗盡電壓更小，耗能較低，也大大減少了缺陷能級(jí)俘獲.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種探測(cè)器會(huì)在相鄰基本單元產(chǎn)生電信號(hào)，但由于產(chǎn)生的電信號(hào)十分微弱，一般情況下常常被忽略.一直以來，人們對(duì)它的研究也很有限.

本文將對(duì)三維溝槽電極硅探測(cè)器在相鄰基本單元產(chǎn)生電信號(hào)的影響因素進(jìn)行研究.根據(jù)Ramo理論提出的電信號(hào)的產(chǎn)生原理，通過三維模擬仿真，分析高能粒子入射位置和探測(cè)器溝槽深度變化時(shí)的比重場(chǎng)變化.

1 Ramo定理

Ramo定理表明在兩個(gè)無限大平行板電極之間運(yùn)動(dòng)的電荷將在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的大小等于運(yùn)動(dòng)電荷的帶電量、運(yùn)動(dòng)電荷的漂移速度以及運(yùn)動(dòng)電荷所感受到的比重場(chǎng)大小三者的乘積[6].以運(yùn)動(dòng)的電荷僅為一個(gè)電子為例，平行板電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電流

i=evEw，

(1)

式中：e為電子帶電量，v為電子的漂移速度，Ew為平行板電極施加1 V電壓時(shí)在電子所在位置所產(chǎn)生的電場(chǎng)的大小.本文采用單個(gè)最小電離粒子(minimum ironing particle,MIP)從探測(cè)器上部垂直入射穿過探測(cè)器，如圖1所示.

所謂最小電離粒子指的是從材料中穿過時(shí)使材料電離(產(chǎn)生電子空穴對(duì))并損失最小的能量的高能粒子，在硅材料中最小電離粒子每微米的距離能產(chǎn)生80對(duì)電子空穴對(duì)[7].單位微米產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目相同.電子(或空穴)在弱電場(chǎng)中的漂移速度近似等于遷移率和電場(chǎng)的乘積.在比重場(chǎng)中，電子(或空穴)在比重場(chǎng)中的漂移速度大小近似等于其遷移率(室溫時(shí)，電子遷移率為1 350 cm2/(V·s),空穴遷移率為480 cm2/(V·s))，相比于比重場(chǎng)的大小在數(shù)值上小1～2個(gè)數(shù)量級(jí).電子(或空穴)所在位置比重場(chǎng)的大小是決定探測(cè)器相鄰單元干擾信號(hào)大小的關(guān)鍵因素.分析不同條件下的比重場(chǎng)變化即可得到某探測(cè)器不同條件下在相鄰單元產(chǎn)生的電信號(hào)的變化.

2 Silvaco TCAD仿真及結(jié)果分析

由式(1)可知，高能粒子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在向電極漂移的過程中在正負(fù)電極上產(chǎn)生感應(yīng)電流.由上述分析可知，感應(yīng)電流的大小主要與運(yùn)動(dòng)載流子受到比重場(chǎng)的大小相關(guān).通過Silvaco TCAD仿真軟件，可以得到方形三維溝槽電極硅探測(cè)器內(nèi)部的比重場(chǎng)分布情況，從而得出不同條件下干擾信號(hào)大小的變化.

本文研究的是P型硅基體、PN結(jié)在外圍的方形三維溝槽電極硅探測(cè)器.仿真時(shí)，只需將探測(cè)器重?fù)诫s電極部分用鋁材料代替，兩電極之間的部分用絕緣材料代替，仿真中選用SiO2，中心電極加1 V電壓，外圍槽狀電極加0 V電壓，由此得到的電場(chǎng)分布即為探測(cè)器的比重場(chǎng)分布[8]，如圖2所示.

探測(cè)器電極間距為30 μm，選取x軸方向上5個(gè)不同的入射點(diǎn)位置，分別為(10 μm，0)、(15 μm，0)、(20 μm，0)、(25 μm，0)、(30 μm，0)，如圖2(b)所示.其中5條細(xì)直線為模擬的入射粒子運(yùn)動(dòng)軌跡.探測(cè)器總體高度為300 μm，溝槽深度10～300 μm，以10 μm的梯度依次增大.

2.1 不同條件下比重場(chǎng)的變化分析

2.1.1溝槽深度一定時(shí)比重場(chǎng)分析由圖3～圖6可知，探測(cè)器溝槽深度一定時(shí)，對(duì)于各個(gè)入射位置，比重場(chǎng)都隨著探測(cè)器高度的變化而在V=0的水平線之上附近波動(dòng)變化，但會(huì)在某一高度范圍出現(xiàn)一個(gè)單峰.單峰出現(xiàn)的位置隨著溝槽深度的增加向探測(cè)器底部移動(dòng)且對(duì)應(yīng)的高度范圍寬度逐漸變窄.由圖3、圖4可知，入射位置在x=30 μm處的峰值大于入射位置在x=25 μm處的峰值；由圖5、圖6可知，入射位置在x=30 μm處的峰值小于入射位置在x=25 μm處的峰值.因此，當(dāng)溝槽深度較淺時(shí)單峰的峰值在同溝槽深度時(shí)隨著入射位置向中心電極的移動(dòng)先減小后增大，當(dāng)溝槽深度較深時(shí)單峰的峰值在同溝槽深度時(shí)隨著入射位置向中心電極的移動(dòng)而減小.單峰峰值出現(xiàn)的位置對(duì)應(yīng)的探測(cè)器高度隨著入射位置從溝槽電極向中心電極的移動(dòng)逐漸減小，且入射位置在x=30 μm處的峰值對(duì)應(yīng)的探測(cè)器高度最大.

2.1.2橫截面一定時(shí)比重場(chǎng)分析由圖7～圖10可知，同一水平截面下，對(duì)于各個(gè)入射位置，比重場(chǎng)都隨著探測(cè)器溝槽深度的變化而在V=0的水平線之上附近波動(dòng)變化，但會(huì)在某一溝槽深度范圍出現(xiàn)一個(gè)單峰.單峰出現(xiàn)的位置隨著水平截面的上移向溝槽深度淺的地方移動(dòng)且對(duì)應(yīng)的溝槽深度范圍寬度逐漸變窄.單峰的峰值在同一水平截面下隨著入射位置向中心電極的移動(dòng)而減小，在同一入射位置時(shí)隨著水平截面的上移而減小.由圖7可以看出，單峰峰值出現(xiàn)的位置對(duì)應(yīng)的溝槽深度隨著入射位置向中心電極的移動(dòng)而減?。挥蓤D8、圖9可以看出，單峰峰值出現(xiàn)的位置對(duì)應(yīng)的溝槽深度隨著入射位置向中心電極的移動(dòng)而基本保持不變.綜合分析可知，當(dāng)截面靠近底部時(shí)單峰的峰值對(duì)應(yīng)的溝槽深度在同一水平截面時(shí)隨著入射位置向中心電極的移動(dòng)而減??；當(dāng)截面靠近頂部時(shí)單峰的峰值對(duì)應(yīng)的溝槽深度在同一水平截面時(shí)隨著入射位置向中心電極的移動(dòng)而減小.

2.2 探測(cè)器基體對(duì)干擾信號(hào)產(chǎn)生的影響分析

由圖11可知，當(dāng)探測(cè)器溝槽深度等于探測(cè)器總體高度，即底部沒有基體時(shí)，探測(cè)器不同高度處各入射位置比重場(chǎng)在(0～1.00E-9)V范圍內(nèi)變化，其大小可忽略不計(jì).此時(shí)探測(cè)器不會(huì)在相鄰基本單元產(chǎn)生干擾的電信號(hào)，即不存在相干性.結(jié)合圖3～圖10分析可知，探測(cè)器基體的存在是相干性產(chǎn)生的必要條件.

3 總結(jié)

在同一溝槽深度下，對(duì)于各個(gè)入射位置，相干性僅在探測(cè)器一定的高度范圍內(nèi)發(fā)生且高度范圍隨溝槽深度的加深而變窄.當(dāng)溝槽深度較淺時(shí)，隨著粒子入射位置從溝槽電極向中心電極的移動(dòng)，最強(qiáng)相干性先減弱后增強(qiáng)；當(dāng)溝槽深度較深時(shí)，隨著粒子入射位置從溝槽電極向中心電極靠近，最強(qiáng)相干性逐漸減弱；最強(qiáng)的相干性均發(fā)生在溝槽電極附近.隨著溝槽深度的增大，探測(cè)器越低位置處發(fā)生相干性越強(qiáng)；入射位置在中心電極附近時(shí)發(fā)生最強(qiáng)相干性對(duì)應(yīng)的高度最高.在同一水平截面下，對(duì)于各入射位置，相干性僅在一定溝槽深度范圍發(fā)生且溝槽深度范圍隨水平截面的上移而變窄.隨著粒子入射位置從溝槽電極向中心電極的移動(dòng)，最強(qiáng)相干性逐漸減弱.當(dāng)水平截面靠近底部時(shí)，隨著粒子入射位置從溝槽電極向中心電極靠近，最強(qiáng)相干性對(duì)應(yīng)溝槽深度逐漸變淺；當(dāng)水平截面靠近頂部時(shí)，最強(qiáng)相干性對(duì)應(yīng)溝槽深度基本相同.隨著水平截面的上移，溝槽深度越淺位置發(fā)生相干性越強(qiáng).因此，粒子入射位置變化、溝槽深度變化都會(huì)影響探測(cè)器不同高度處相干性的發(fā)生和強(qiáng)弱.探測(cè)器基體的存在是相干性發(fā)生的必要條件.