新型方形三维沟槽半导体探测器的漏电流特性研究*

王明洋，李 正

(湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411105)

半导体探测器作为一种可以将辐射能量转化为电信号的装置，能够用来检测光子及其他辐射能量[1-2].随着现代探测技术的不断发展，以硅为探测介质的半导体探测器，拥有高灵敏度、良好的响应速度、强抗辐照性能等特点，在生活、科研及工业生产等领域有相当广泛的应用.随着社会、工业的进步和发展，科研实验对探测器的工作环境有了进一步的要求.在高能物理实验中，辐照通量达到了1×1016neq/cm2[3].在强辐照条件下，传统探测器性能将急剧下降，新型三维沟槽状探测器拥有良好的性能，特殊的结构使其能够在较强辐照环境中工作.若能够在工业化生产前，对其结构进行理论设计和技术仿真，将在成本节约，优化性能方面有重要意义.

基于三维沟槽半导体探测器的理论基础，本文通过TCAD模拟仿真，对数据进行分析,得到新型方形三维沟槽探测器漏电流特性，为进一步改进半导体探测器结构和性能提供依据.

1 三维沟槽半导体探测器的方形结构设计

三维沟槽半导体探测器，其中心电极和环绕电极由重掺杂硅经刻蚀和离子注入的方式加在硅基体中，同时在I区选择轻掺杂硅，为保证器件的机械稳定性，保留了30 μm的未刻蚀厚度作为器件的衬底，电极表面由金属铝覆盖，电极之间由SiO2阻隔，器件底部由1 μm的SiO2层作为保护层.全耗尽电压的大小与电极之间的距离有关，距离越小，全耗尽电压的数值就越小，为权衡探测器的高灵敏度与较小的全耗尽电压，实验中将PN结之间的距离λc控制在100 μm之内，就可以在较小电压下完全耗尽，进而使探测器获得优良的抗辐照性能.实验得出λc在30～50 μm之间时，硅中自由载流子在高辐照条件下捕获距离相近[4]，由此能够最大限度地减少载流子被捕获，从而提高探测单元的电荷收集效率.在仿真中确定电极之间的距离为35 μm.I层选择P型轻掺杂硅.三维沟槽探测器主要应用于高辐照强度环境，其中N型硅将发生空间电荷类型转变效应[5-6],P型硅在抗辐照性能方面好于N型硅，同时受激发产生的电子空穴对在探测器内部电场的作用下，电子的运动速度要明显快于空穴，即P型探测器的收集电荷效率更好.以P型硅作为衬底的探测器电场分布较N型更为均匀.故I层选择性能较好的P型硅.沟槽位置重掺杂硅类型的选取为N型.中央电极为N型重掺杂硅的探测器，PN结位置处于中心电极附近；中央电极为P型重掺杂硅的探测器PN结位置处于沟槽电极附近.对圆柱形三维沟槽探测器进行理论分析，发现以P型硅为基底的探测器，PN结位于沟槽附近处探测器的性能，要明显好于PN结位于中心电极附近的性能.故沟槽位置重掺杂硅类型选取N型，中央电极选取为P型重掺杂硅.综上，设计出的仿真三维沟槽半导体探测器结构整体尺寸为10 μm×10 μm×301 μm；电极表面由铝制成，内外电极宽度皆为10 μm，内外电极之间距离为35 μm，电极之间由SiO2阻隔，表层厚度1 μm；外层电极为N型重掺杂，内层电极为P型重掺杂，电极的刻蚀厚度为270 μm，硅基体为P型轻掺杂，厚度为300 μm，最底层起保护器件作用的SiO2厚度为1 μm.

2 三维沟槽半导体探测器的漏电流特性仿真

2.1 漏电流对探测器性能的影响

当探测器受反偏电压的影响，外部无辐射或其他粒子干扰时，将产生漏电流.根据产生方式的不同，漏电流具体可以分为产生电流、扩散电流以及表面漏电流.探测器因所处环境的不同，三种漏电流所占的比例各不相同.由于半导体探测器所选材料与具体结构的差异，将对产生电流和扩散电流产生影响.另外，半导体探测器表面环境的不同，会对产生于探测器表面的表面漏电流产生影响.由于仿真过程不需考虑加工的表面条件，所以表面漏电流部分研究不予考虑.漏电流是表征半导体探测器性能指标的重要参数，当反偏电压作用时，由探测器内部产生的漏电流将产生噪声，从而影响探测器的能量的分辨率和响应速度.

式中：ENCpar表示有效平行噪声，Ileak表示漏电流，tpeak为峰值时输出信号的响应时间.由上式可得，ENCpar与Ileak成正比例关系，即若将探测器的漏电流控制在较小的范围内，探测器将降低功耗，加快探测器内部粒子收集速度，从而在性能方面得到较大程度的提升.

2.2 漏电流仿真结果特性分析

探测器内部有效掺杂浓度Neff同辐照强度Φn存在线性关系，即改变掺杂浓度的数值可以模拟相应的辐照环境.

将仿真得到的数据进行处理可得图1，即辐射强度为1×1016neq/cm2时三维沟槽探测器的I-V曲线图.随电极的电压增大，漏电流的数值逐渐增大；后期当电压达到75 V左右时，随电压的增大，漏电流数值不再增长，达到饱和状态，即出现平台.同时在图中可以看出饱和漏电流的数值大小为2.1×10-8A，图中Vfd表示全耗尽电压数值为75 V.

随耗尽区内建场不断增大，PN结进行反偏，同时由于热激发的影响，内部载流子复合率小于产生率，漏电流随之产生.随外加偏压不断增大，漏电流数值不断上升.直到I区全部耗尽，所加电压和内建场对内部粒子作用相抵而达到平衡，漏电流数值不再上升，即呈现出饱和漏电流状态.

图2为仿真中三维沟槽半导体探测器在辐照强度1×1016neq/cm2条件下的内部电场分布.颜色的深浅代表内部电场强度的差异.从图中可以看出，中央电极向外部沟槽电极方向的场强逐步递增，到达沟槽壁处的场强最大.对比50 V、60 V、70 V、80 V的电场分布，可以看出中央区域电场为0，10 V时中央区域范围最大，即此时并未达到探测器耗尽状态，随着电压的增大，中央区域减小，当达到70 V时，可以看出中央区域范围已经接近中央电极，当电压至80 V时，中央区域退至中央电极的内部位置.可以推测出，探测器在70～80 V范围内完全耗尽，此时漏电流达到饱和，内部电场分布最为均匀.

综上分析可以得出，探测器的全耗尽电压为75 V，当探测器内部全耗尽时，漏电流达到饱和,数值为2.1×10-8A，I-V曲线出现电流平台.对三维沟槽探测器漏电流的特性进行仿真得到如下结论：(1) 随电极电压逐渐增大，漏电流的数值持续增大.(2) 电压值达到全耗尽电压,随电压的增大漏电流数值不再增长，达到饱和，出现平台.(3) 当内部漏电流达到饱和时，电场分布最为均匀.