方形三维沟槽电极硅探测器相干性影响因素研究*

马 阔，廖 川，张 亚，李 正

(湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411105)

半导体探测器广泛应用于高能核物理实验中，其所承受的剧烈的辐射损伤会导致探测器性能的退化.这种退化包括漏电流的增加、基体电阻的增大以及空载流子陷阱增多等[1].为了提高探测器的抗辐射性能，1997年，三维柱状电极探测器的模型被夏威夷大学的Parker等人提出[2-3].相比于传统的二维平板探测器，这种探测器电荷收集速率以及耗尽电压有了很大的改善.它们由柱形的重掺杂电极构成，硅基体为P型或N型的轻掺杂.此类探测器电场分布不均匀，全耗尽电压依然较大.2009年，美国布鲁克海文国家实验室的科学家提出一种新型电极的探测器，即三维沟槽电极硅探测器[4-5].这种探测器是由多个探测器小单元排列组合而成，外围电极为沟槽形状，每个小单元中心电极为柱状.其内部的电场分布与传统的三维探测器相比更加均匀，耗尽电压更小，耗能较低，也大大减少了缺陷能级俘获.实验发现，这种探测器会在相邻基本单元产生电信号，但由于产生的电信号十分微弱，一般情况下常常被忽略.一直以来，人们对它的研究也很有限.

本文将对三维沟槽电极硅探测器在相邻基本单元产生电信号的影响因素进行研究.根据Ramo理论提出的电信号的产生原理，通过三维模拟仿真，分析高能粒子入射位置和探测器沟槽深度变化时的比重场变化.

1 Ramo定理

Ramo定理表明在两个无限大平行板电极之间运动的电荷将在两个电极之间产生感应电流，感应电流的大小等于运动电荷的带电量、运动电荷的漂移速度以及运动电荷所感受到的比重场大小三者的乘积[6].以运动的电荷仅为一个电子为例，平行板电极上产生的感应电流

i=evEw，

(1)

式中：e为电子带电量，v为电子的漂移速度，Ew为平行板电极施加1 V电压时在电子所在位置所产生的电场的大小.本文采用单个最小电离粒子(minimum ironing particle,MIP)从探测器上部垂直入射穿过探测器，如图1所示.

所谓最小电离粒子指的是从材料中穿过时使材料电离(产生电子空穴对)并损失最小的能量的高能粒子，在硅材料中最小电离粒子每微米的距离能产生80对电子空穴对[7].单位微米产生的电子空穴对数目相同.电子(或空穴)在弱电场中的漂移速度近似等于迁移率和电场的乘积.在比重场中，电子(或空穴)在比重场中的漂移速度大小近似等于其迁移率(室温时，电子迁移率为1 350 cm2/(V·s),空穴迁移率为480 cm2/(V·s))，相比于比重场的大小在数值上小1～2个数量级.电子(或空穴)所在位置比重场的大小是决定探测器相邻单元干扰信号大小的关键因素.分析不同条件下的比重场变化即可得到某探测器不同条件下在相邻单元产生的电信号的变化.

2 Silvaco TCAD仿真及结果分析

由式(1)可知，高能粒子产生的电子空穴对，在向电极漂移的过程中在正负电极上产生感应电流.由上述分析可知，感应电流的大小主要与运动载流子受到比重场的大小相关.通过Silvaco TCAD仿真软件，可以得到方形三维沟槽电极硅探测器内部的比重场分布情况，从而得出不同条件下干扰信号大小的变化.

本文研究的是P型硅基体、PN结在外围的方形三维沟槽电极硅探测器.仿真时，只需将探测器重掺杂电极部分用铝材料代替，两电极之间的部分用绝缘材料代替，仿真中选用SiO2，中心电极加1 V电压，外围槽状电极加0 V电压，由此得到的电场分布即为探测器的比重场分布[8]，如图2所示.

探测器电极间距为30 μm，选取x轴方向上5个不同的入射点位置，分别为(10 μm，0)、(15 μm，0)、(20 μm，0)、(25 μm，0)、(30 μm，0)，如图2(b)所示.其中5条细直线为模拟的入射粒子运动轨迹.探测器总体高度为300 μm，沟槽深度10～300 μm，以10 μm的梯度依次增大.

2.1 不同条件下比重场的变化分析

2.1.1沟槽深度一定时比重场分析由图3～图6可知，探测器沟槽深度一定时，对于各个入射位置，比重场都随着探测器高度的变化而在V=0的水平线之上附近波动变化，但会在某一高度范围出现一个单峰.单峰出现的位置随着沟槽深度的增加向探测器底部移动且对应的高度范围宽度逐渐变窄.由图3、图4可知，入射位置在x=30 μm处的峰值大于入射位置在x=25 μm处的峰值；由图5、图6可知，入射位置在x=30 μm处的峰值小于入射位置在x=25 μm处的峰值.因此，当沟槽深度较浅时单峰的峰值在同沟槽深度时随着入射位置向中心电极的移动先减小后增大，当沟槽深度较深时单峰的峰值在同沟槽深度时随着入射位置向中心电极的移动而减小.单峰峰值出现的位置对应的探测器高度随着入射位置从沟槽电极向中心电极的移动逐渐减小，且入射位置在x=30 μm处的峰值对应的探测器高度最大.

2.1.2横截面一定时比重场分析由图7～图10可知，同一水平截面下，对于各个入射位置，比重场都随着探测器沟槽深度的变化而在V=0的水平线之上附近波动变化，但会在某一沟槽深度范围出现一个单峰.单峰出现的位置随着水平截面的上移向沟槽深度浅的地方移动且对应的沟槽深度范围宽度逐渐变窄.单峰的峰值在同一水平截面下随着入射位置向中心电极的移动而减小，在同一入射位置时随着水平截面的上移而减小.由图7可以看出，单峰峰值出现的位置对应的沟槽深度随着入射位置向中心电极的移动而减小；由图8、图9可以看出，单峰峰值出现的位置对应的沟槽深度随着入射位置向中心电极的移动而基本保持不变.综合分析可知，当截面靠近底部时单峰的峰值对应的沟槽深度在同一水平截面时随着入射位置向中心电极的移动而减小；当截面靠近顶部时单峰的峰值对应的沟槽深度在同一水平截面时随着入射位置向中心电极的移动而减小.

2.2 探测器基体对干扰信号产生的影响分析

由图11可知，当探测器沟槽深度等于探测器总体高度，即底部没有基体时，探测器不同高度处各入射位置比重场在(0～1.00E-9)V范围内变化，其大小可忽略不计.此时探测器不会在相邻基本单元产生干扰的电信号，即不存在相干性.结合图3～图10分析可知，探测器基体的存在是相干性产生的必要条件.

3 总结

在同一沟槽深度下，对于各个入射位置，相干性仅在探测器一定的高度范围内发生且高度范围随沟槽深度的加深而变窄.当沟槽深度较浅时，随着粒子入射位置从沟槽电极向中心电极的移动，最强相干性先减弱后增强；当沟槽深度较深时，随着粒子入射位置从沟槽电极向中心电极靠近，最强相干性逐渐减弱；最强的相干性均发生在沟槽电极附近.随着沟槽深度的增大，探测器越低位置处发生相干性越强；入射位置在中心电极附近时发生最强相干性对应的高度最高.在同一水平截面下，对于各入射位置，相干性仅在一定沟槽深度范围发生且沟槽深度范围随水平截面的上移而变窄.随着粒子入射位置从沟槽电极向中心电极的移动，最强相干性逐渐减弱.当水平截面靠近底部时，随着粒子入射位置从沟槽电极向中心电极靠近，最强相干性对应沟槽深度逐渐变浅；当水平截面靠近顶部时，最强相干性对应沟槽深度基本相同.随着水平截面的上移，沟槽深度越浅位置发生相干性越强.因此，粒子入射位置变化、沟槽深度变化都会影响探测器不同高度处相干性的发生和强弱.探测器基体的存在是相干性发生的必要条件.