对三维沟槽电极硅探测器漏电流的仿真与模拟*

辛晓东, 李 正

(1.湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭411105；2.湘潭大学 半导体粒子与光子成像探测器研制中心，湖南 湘潭411105；3.湘潭大学 省特种薄膜材料实验室，湖南 湘潭411105)

1 漏电流产生机理

探测器的漏电流指的是在没有射线照射时通过探测器的稳定电流，主要由反偏电压影响，由扩散电流、产生电流和表面漏电流三个部分构成.扩散电流和产生电流与半导体材料有关，表面漏电流是在探测器表面产生的，与表面条件有关[1].在少子寿命很小，忽略表面效应的时候，漏电流主要由产生电流构成.漏电流是探测器的重要参数之一，是噪声的主要来源，会影响到测量时的能量分辨率与灵敏度.

探测器漏电流主要由三部分电流构成：扩散电流、产生电流和表面漏电流.在不同外界条件下，三部分电流对漏电流的贡献是不相同的.

扩散电流是由空间电荷区外部的少数载流子扩散到空间电荷区产生的.在PN结处加反向偏压时，会在空间电荷区产生电场，此电场与内建场方向一致，导致空间电荷区电场的增强[2]，进而会破坏载流子的扩散运动与漂移运动的平衡，使漂移电流大于扩散电流.这样N区边界处的空穴就会被空间电荷区的强电场驱向P区，P区边界处的电子就会被空间电荷区的强电场驱向N区.当少数载流子被电场驱走后，内部的少子就会来补充，从而形成反偏电压下的电子扩散电流和空穴扩散电流，它们一起构成了PN结中总的扩散电流.

产生电流是由空间电荷区内载流子的产生作用与复合作用共同形成的.在PN结处于热平衡状态时，空间电荷区内载流子的产生率等于复合率[3].当PN结反偏时，空间电荷区内建场增大，在热激发的作用下，通过复合中心产生的电子-空穴对来不及复合就被强电场驱走，即由空间电荷区复合中心形成的载流子的产生率大于复合率，其形成的漏电流叫作产生电流.产生电流与扩散过程无关，而与耗尽区(空间电荷区)体积有关，并随反偏电压的增大而增大.

表面漏电流是在表面层产生的，与表面条件有关.在少数载流子寿命很大的情况下，扩散电流与产生电流会很小，表面漏电流起主导作用[4].在经过化学腐蚀的硅表面，会存在厚度为几纳米的表面薄膜，它的厚度取决于化学腐蚀反应结束时所用的化学淬灭剂.化学处理后的样品老化后，在表面会自发生成一层氧化层.此氧化层的存在会使表面产生两个交界面，即硅与硅氧化层交界面，硅氧化层与外界交界面[5].前者为快界面态，后者为慢界面态.表面态的存在会使表面处能带发生弯曲，从而在表面上形成堆积层、耗尽层或反型层.此外，在工艺处理中，由于某些原因，在半导体的表面会沾染吸附杂质离子，也会在表面处形成表面层[6].本文主要考虑的是仿真漏电流，所以表面漏电流对三维沟槽电极硅探测器的影响可以忽略.

2 漏电流对探测器性能的影响

探测器的伏安特性是探测器性能的一个重要表征.加反向偏压时的漏电流，是探测器噪声的主要来源，它直接影响探测器测量外界粒子时的能量分辨率与灵敏度.有效平行噪声ENCpar可以表示为：

(1)

式中：Ileak是探测器的漏电流，Ct是探测器的总输入电容，tpeak是输出信号的峰值响应时间.从式(1)中可以看出，有效平行噪声与漏电流成正比.因此，较小的漏电流是一个性能好的探测器的重要标志.

另外，漏电流的增大，可能会诱发探测器PN结处的结击穿.当反向电压很大时，空间电荷区的电场很强，空间电荷区的电子和空穴在强电场作用下做漂移运动，具有很大的动能，它们与空间电荷区的晶格原子发生碰撞，会使价键上的电子碰撞分离，形成导电电子，同时产生一个空穴[7].新形成的电子与空穴在强电场作用下继续重复上述过程，形成新的电子与空穴，如此下去，载流子大量增加，这种载流子增殖方式称为载流子的倍增效应.在倍增效应作用下，空间电荷区产生大量载流子，迅速增大反向电流，从而引起PN结击穿.

同时，探测器的漏电流大的话，还会增加探测器在工作时的功耗，增加带电粒子的收集时间，减小线性电流，降低分辨率等.

3 三维沟槽电极硅探测器漏电流的仿真

漏电流是影响探测器性能的一个重要因素，在探测器的制造过程中，或者受到辐照以后，会在探测器中形成一系列缺陷.特别是在探测器受到辐照以后，由于深能级缺陷引起的漏电流会显著增加，这是因为产生的缺陷能级在探测器中作为产生中心与复合中心，促进了载流子的跃迁.探测器在工作电压的影响下，PN结反偏，在缺陷能级上产生的电子-空穴对来不及复合就被强电场驱走，即由空间电荷区复合中心形成的载流子的产生率大于复合率，形成漏电流.由于缺陷能级的增加，漏电流也会增加.文献[5]中指出由辐照引起的单位体积内增长的漏电流与辐照强度成正比，对于1 MeV等价中子辐照强度Φn，电流的变化可以写为：

(2)

式中：α指的是损伤系数，在仿真过程中，α选取的值是4×10-17A/cm；Vdep是耗尽区的体积.如果忽略表面效应的影响，漏电流主要由耗尽区的产生电流构成.假设复合中心在能带的中央，在耗尽区的漏电流就可以表示为：

(3)

式中:e是基本电荷量；ni是硅材料中的本征载流子浓度；τ是少子寿命.在三维沟槽电极硅探测器仿真中，由于I层采用的是轻掺杂的P层，τ也就是电子的寿命.

通过对比式(2)与式(3)，就能得到τ的表达式：

(4)

τ的值将带入SRH复合模型中用作在仿真中计算三维沟槽电极硅探测器的漏电流.

4 三维沟槽电极硅探测器漏电流随辐照强度的变化

本文研究的三维沟槽电极硅探测器主要用于高能物理上面，其承受的辐照强度高达1×1016neq/cm2，所以仿真大部分所加的辐照强度都为1×1016neq/cm2.由于Silvaco TCAD并不能直接仿真辐照影响，需要用其他方式来代替辐照影响.公式提到过，硅材料由辐照引起的有效掺杂浓度Neff与辐照强度Φn存在一个简单的线性关系，所以可以通过改变有效掺杂浓度来模拟辐照影响.

通过仿真，可以得到图1.从图中可以看出，随着在负极(沟槽壁)上加的电压逐渐增大，漏电流会显著增大，直到漏电流达到饱和.在这个过程中， PN结反偏，空间电荷区内建场逐渐增大，在热激发的作用下，通过复合中心形成的载流子的产生率大于复合率，有漏电流产生，并且随着偏压的增大，漏电流增大.当电压使探测器I区全耗尽时，内建场与外部电压的作用达到平衡，不会有新的净产生率，漏电流不再增加.

三维沟槽电极硅探测器的耗尽区域可近似等于轻掺杂硅衬底的体积，也就是2×10-6cm3，由式(2)可以求出在辐照强度为1×1016neq/cm2时的饱和漏电流Jgen=8×10-7A，而仿真的结果是7.13×10-7A，两结果比较符合.

图2是9种辐照强度下的饱和漏电流与理论计算值之间对比图.可以更清晰地看出仿真得到的漏电流与理论计算值相符合，并且饱和漏电流随辐照强度的增大线性增加，这也进一步验证了式(2).

5 结论

探测器漏电流主要由三部分电流构成：扩散电流、产生电流和表面漏电流.由三部分电流构成的探测器漏电流在不同情况下所受各种电流影响不同.在本文仿真中主要考虑的是产生电流的影响，其大小主要由耗尽区域的体积决定.三维沟槽电极硅探测器的耗尽区域可近似等于轻掺杂硅衬底的体积，也就是2×10-6cm3，由式(2)可以求出在辐照强度为1×1016neq/cm2时的饱和漏电流Jgen=8×10-7A，仿真的结果是7.13×10-7A，两结果比较符合.