互嵌式壳型电极探测器的三维电学性能仿真*

张 亚, 廖 川, 李 正

(湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411105)

硅探测器具有响应速度快、灵敏度高、耐辐射等优点，被应用于高能物理和天体物理学[1].Parker[2]提出的三维柱电极探测器比二维平面探测器具有更高的抗辐射能力.由于电极的对称性，电极几何中心处的电场始终很低.为了克服这一问题，BNL于2009年提出了一种三维沟槽电极硅探测器[3].由于三维沟槽电极硅探测器中的沟槽电极不能全部刻蚀(否则探测器单元会从晶片上掉下来)，在探测器底部(未刻蚀部分)将出现一个低场区域，约占整个体积的10%.这一低场区给探测器带来了一些不足，其中最主要的是低场区电荷收集效率低造成收集信号中的长尾.载流子的缓慢漂移增加了漂移时间，从而增加了被陷阱俘获的概率，构成了低场区的死区.因此，有必要减少低场区，提高电荷收集效率.为了减少低电场区，提高探测器的电荷收集效率，本文提出了一种基于闭合式壳型电极探测器(CSED)[4]的互嵌式壳型电极探测器(ISED).根据几何计算，其死区仅为CSED的一半.本文的主要工作如下：① 阐述ISED的设计思想和三维结构细节；② 利用Silvaco TCAD工具对探测器的特性进行仿真，包括电场和电势的分布、探测器的全耗尽电压、击穿电压、电容和漏电流.结果表明，与CSED相比，该器件具有优良的电学特性，且死区小得多.

1 器件设计概念

新器件ISED的结构如图1(a)所示，单元可看作中心柱电极被沟槽电极包围的PIN结.我们选用电阻率为1×1012/cm3的P型硅作为I部分的材料，因为P型硅不会在高辐射影响环境下进行空间电荷反转(N型Si将转化为“有效”的P型硅)[5].由于探测器电极的不对称性，PN结位置在沟槽电极时的最大电场远小于PN结位置在中心电极柱时的电场.因此，我们选择了PN结位置在沟槽电极的情况，以保持电场平滑，电场变化小，从而增加探测器击穿电压[6].电极间距l为20～100 μm，有助于提高辐照影响下探测器的抗辐射强度[7](F≥1×1014N/cm2).因此，在电极间距为35 μm时，I类材料选用P型硅，并选择了PN结位置在沟槽电极的形式进行模拟.图1(a)显示了单元的三维结构.探测器厚度d=200 μm.N型正方形沟槽的厚度为LS=185μm.N型六边形沟槽的厚度为LH=30 μm.N型沟槽的掺杂浓度为1019/cm3.P型中心柱的掺杂浓度为1019/cm3，P型体的掺杂浓度为1012/cm3.

从图1(a)和(b)可以看到，ISED的沟槽电极是由一个顶部刻蚀的非刻蚀到底正方形沟槽从和一个从底部刻蚀的非刻蚀到底六角形沟槽嵌套而成.这两个非刻蚀的沟槽在垂直方向嵌套在一起，除了两个对角外，大部分重叠.所有沟槽的宽度为w=10 μm，中心柱的宽度为2R=10 μm.正方形沟槽和六角形沟槽之间最大间距t=10 μm.刻蚀到底的中央柱电极，连同交错的沟槽电极，形成探测器单元的电极.除了两个不重叠的对角，沟槽电极都是刻蚀到底，从而有效地减少了在CSED单元中存在的死区.图1(c)是ISED单元的俯视图，细虚线表示方形沟槽，宽虚线表示六边形沟槽，而实线条表示从顶部刻蚀的沟槽与从底部刻蚀的沟槽重叠的刻蚀区域.从图1(c)中，我们可以很容易知道，当四个单元排列在一个镜像阵列中(形成一个“组合单元”)时，实线条是不闭合的，探测器的单元不会从晶片上掉下来，因此可以很容易地制作一个探测器阵列.从图1(a)中，我们看到“A”区域是介于六边形沟槽和正方形沟槽之间的区域，而“B”区域是正方形沟槽在Z方向正下方的区域，也是沿着r方向上的六边形沟槽的外部区域(如图1(a)所示).每个单元通过“A”区域和“B”区域连接到探测器芯片，形成机械完整性(而不会单个脱落).

在随后的模拟中，我们将会知道MIP粒子在“A”区和“B”区产生的自由载流子不能被收集，因为这些区域的电场很低，而且六角形沟槽在载流子漂移过程中起着屏障的作用.这就是“A”区域和“B”区域被称为“死区”的原因.从图1(b)到图1(c)，我们可以看到有两个“A”区域和两个“B”区域位于一个单元格中，而仅有四个“A”区域和四个“B”区域位于CSED的单个单元中.显然，ISED死区的总体积仅为CSED的一半.

2 ISED的I-V特性曲线与C-V特性曲线

图2是用Silvaco TCAD模拟的ISED 的I-V曲线，可以看出ISED在约1 V(Vfd=1)时完全耗尽，击穿电压(Vbr)为214 V.我们注意到Vbr的值比Vfd大两个数量级.漏电流为1.5×10-8A，如图2所示.图3是用Silvaco TCAD模拟的ISED 的I-V曲线图和C-V特性图. 如图3所示, ISED电容随接近于某一值40 fF而降低，这是探测器几何电容.

3 ISED的电场分布

探测器在工作条件下的电场分布影响探测器的性能.当电场较高时，载流子漂移很快，很难被深能级缺陷所捕获.直线的距离总是最短的，因此当载流子漂移路径为直线时，电荷收集效率较高[7].从图4中，我们可以看到电场在ISED的垂直方向上是均匀的.在底部，电场(E)很高，使载流子以较快的速度漂移到收集极，这就是ISED在电荷收集效率上优于三维沟槽电极探测器[3]的原因.从图5可看出，在探测器大部分区域的Z分量E(EZ)为0，表明在大多数区域，载流子只在X-Y平面上漂移，且漂移路径总是一条直线.在正方形底部和六边形顶部，EZ不是0，这是因为在N型硅和P型硅之间形成了PN结的缘故.在正方形和六边形交错的“A”区，EZ为0，因此“A”区的载流子只在X-Y平面上漂移，空穴永远不会漂移到中心电极上，这表明六边形的外侧存在空穴屏蔽效应.即使这些载流子在EZ的影响下从“B”区漂移到“A”区，但由于空穴屏蔽效应，它们也不会被中心电极所收集，这就是“A”区和“B”区被称为死区的原因.值得注意的是，EZ成分存在于探测器上下表面附近，是由边界的界面电荷引起的.

4 ISED的电势分布

图6是Z=100处水平截面电势图，由图6可看出探测器沟槽电极(阳极)的电势高，中央电极柱的电势低，因此在探测器灵敏区形成电势梯度.电子与空穴沿着梯度会被收集，形成感应信号.由图6可以看出，探测器水平截面电势梯度比较平滑，因此不会出现探测器内部电场局部过高或者局部过低的情况.

5 结论

为了提高电荷收集效率和减少死区，本文提出了一种新型探测器——ISED.详细介绍了该器件的设计思想和具体参数.由结构引入的死区比例在三维沟槽电极硅探测器是15%，在CSED中占0.3%，而在ISED中仅占0.15%.通过对SILVACO TCAD仿真结果的分析，得出饱和电容在40 fF左右时很低.探测器的全耗尽电压约为1 V，这使得在大约214 V的击穿电压下探测器工作成为可能.此外，由于探测器的击穿电压为214 V，远大于几伏特的工作电压，因此探测器工作时几乎不可能被击穿.