新型方形三維溝槽半導(dǎo)體探測(cè)器的漏電流特性研究*

王明洋，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)器作為一種可以將輻射能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，能夠用來(lái)檢測(cè)光子及其他輻射能量[1-2].隨著現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以硅為探測(cè)介質(zhì)的半導(dǎo)體探測(cè)器，擁有高靈敏度、良好的響應(yīng)速度、強(qiáng)抗輻照性能等特點(diǎn)，在生活、科研及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用.隨著社會(huì)、工業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展，科研實(shí)驗(yàn)對(duì)探測(cè)器的工作環(huán)境有了進(jìn)一步的要求.在高能物理實(shí)驗(yàn)中，輻照通量達(dá)到了1×1016neq/cm2[3].在強(qiáng)輻照條件下，傳統(tǒng)探測(cè)器性能將急劇下降，新型三維溝槽狀探測(cè)器擁有良好的性能，特殊的結(jié)構(gòu)使其能夠在較強(qiáng)輻照環(huán)境中工作.若能夠在工業(yè)化生產(chǎn)前，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)和技術(shù)仿真，將在成本節(jié)約，優(yōu)化性能方面有重要意義.

基于三維溝槽半導(dǎo)體探測(cè)器的理論基礎(chǔ)，本文通過(guò)TCAD模擬仿真，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到新型方形三維溝槽探測(cè)器漏電流特性，為進(jìn)一步改進(jìn)半導(dǎo)體探測(cè)器結(jié)構(gòu)和性能提供依據(jù).

1 三維溝槽半導(dǎo)體探測(cè)器的方形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維溝槽半導(dǎo)體探測(cè)器，其中心電極和環(huán)繞電極由重?fù)诫s硅經(jīng)刻蝕和離子注入的方式加在硅基體中，同時(shí)在I區(qū)選擇輕摻雜硅，為保證器件的機(jī)械穩(wěn)定性，保留了30 μm的未刻蝕厚度作為器件的襯底，電極表面由金屬鋁覆蓋，電極之間由SiO2阻隔，器件底部由1 μm的SiO2層作為保護(hù)層.全耗盡電壓的大小與電極之間的距離有關(guān)，距離越小，全耗盡電壓的數(shù)值就越小，為權(quán)衡探測(cè)器的高靈敏度與較小的全耗盡電壓，實(shí)驗(yàn)中將PN結(jié)之間的距離λc控制在100 μm之內(nèi)，就可以在較小電壓下完全耗盡，進(jìn)而使探測(cè)器獲得優(yōu)良的抗輻照性能.實(shí)驗(yàn)得出λc在30～50 μm之間時(shí)，硅中自由載流子在高輻照條件下捕獲距離相近[4]，由此能夠最大限度地減少載流子被捕獲，從而提高探測(cè)單元的電荷收集效率.在仿真中確定電極之間的距離為35 μm.I層選擇P型輕摻雜硅.三維溝槽探測(cè)器主要應(yīng)用于高輻照強(qiáng)度環(huán)境，其中N型硅將發(fā)生空間電荷類型轉(zhuǎn)變效應(yīng)[5-6],P型硅在抗輻照性能方面好于N型硅，同時(shí)受激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在探測(cè)器內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，電子的運(yùn)動(dòng)速度要明顯快于空穴，即P型探測(cè)器的收集電荷效率更好.以P型硅作為襯底的探測(cè)器電場(chǎng)分布較N型更為均勻.故I層選擇性能較好的P型硅.溝槽位置重?fù)诫s硅類型的選取為N型.中央電極為N型重?fù)诫s硅的探測(cè)器，PN結(jié)位置處于中心電極附近；中央電極為P型重?fù)诫s硅的探測(cè)器PN結(jié)位置處于溝槽電極附近.對(duì)圓柱形三維溝槽探測(cè)器進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)以P型硅為基底的探測(cè)器，PN結(jié)位于溝槽附近處探測(cè)器的性能，要明顯好于PN結(jié)位于中心電極附近的性能.故溝槽位置重?fù)诫s硅類型選取N型，中央電極選取為P型重?fù)诫s硅.綜上，設(shè)計(jì)出的仿真三維溝槽半導(dǎo)體探測(cè)器結(jié)構(gòu)整體尺寸為10 μm×10 μm×301 μm；電極表面由鋁制成，內(nèi)外電極寬度皆為10 μm，內(nèi)外電極之間距離為35 μm，電極之間由SiO2阻隔，表層厚度1 μm；外層電極為N型重?fù)诫s，內(nèi)層電極為P型重?fù)诫s，電極的刻蝕厚度為270 μm，硅基體為P型輕摻雜，厚度為300 μm，最底層起保護(hù)器件作用的SiO2厚度為1 μm.

2 三維溝槽半導(dǎo)體探測(cè)器的漏電流特性仿真

2.1 漏電流對(duì)探測(cè)器性能的影響

當(dāng)探測(cè)器受反偏電壓的影響，外部無(wú)輻射或其他粒子干擾時(shí)，將產(chǎn)生漏電流.根據(jù)產(chǎn)生方式的不同，漏電流具體可以分為產(chǎn)生電流、擴(kuò)散電流以及表面漏電流.探測(cè)器因所處環(huán)境的不同，三種漏電流所占的比例各不相同.由于半導(dǎo)體探測(cè)器所選材料與具體結(jié)構(gòu)的差異，將對(duì)產(chǎn)生電流和擴(kuò)散電流產(chǎn)生影響.另外，半導(dǎo)體探測(cè)器表面環(huán)境的不同，會(huì)對(duì)產(chǎn)生于探測(cè)器表面的表面漏電流產(chǎn)生影響.由于仿真過(guò)程不需考慮加工的表面條件，所以表面漏電流部分研究不予考慮.漏電流是表征半導(dǎo)體探測(cè)器性能指標(biāo)的重要參數(shù)，當(dāng)反偏電壓作用時(shí)，由探測(cè)器內(nèi)部產(chǎn)生的漏電流將產(chǎn)生噪聲，從而影響探測(cè)器的能量的分辨率和響應(yīng)速度.

式中：ENCpar表示有效平行噪聲，Ileak表示漏電流，tpeak為峰值時(shí)輸出信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間.由上式可得，ENCpar與Ileak成正比例關(guān)系，即若將探測(cè)器的漏電流控制在較小的范圍內(nèi)，探測(cè)器將降低功耗，加快探測(cè)器內(nèi)部粒子收集速度，從而在性能方面得到較大程度的提升.

2.2 漏電流仿真結(jié)果特性分析

探測(cè)器內(nèi)部有效摻雜濃度Neff同輻照強(qiáng)度Φn存在線性關(guān)系，即改變摻雜濃度的數(shù)值可以模擬相應(yīng)的輻照環(huán)境.

將仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得圖1，即輻射強(qiáng)度為1×1016neq/cm2時(shí)三維溝槽探測(cè)器的I-V曲線圖.隨電極的電壓增大，漏電流的數(shù)值逐漸增大；后期當(dāng)電壓達(dá)到75 V左右時(shí)，隨電壓的增大，漏電流數(shù)值不再增長(zhǎng)，達(dá)到飽和狀態(tài)，即出現(xiàn)平臺(tái).同時(shí)在圖中可以看出飽和漏電流的數(shù)值大小為2.1×10-8A，圖中Vfd表示全耗盡電壓數(shù)值為75 V.

隨耗盡區(qū)內(nèi)建場(chǎng)不斷增大，PN結(jié)進(jìn)行反偏，同時(shí)由于熱激發(fā)的影響，內(nèi)部載流子復(fù)合率小于產(chǎn)生率，漏電流隨之產(chǎn)生.隨外加偏壓不斷增大，漏電流數(shù)值不斷上升.直到I區(qū)全部耗盡，所加電壓和內(nèi)建場(chǎng)對(duì)內(nèi)部粒子作用相抵而達(dá)到平衡，漏電流數(shù)值不再上升，即呈現(xiàn)出飽和漏電流狀態(tài).

圖2為仿真中三維溝槽半導(dǎo)體探測(cè)器在輻照強(qiáng)度1×1016neq/cm2條件下的內(nèi)部電場(chǎng)分布.顏色的深淺代表內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的差異.從圖中可以看出，中央電極向外部溝槽電極方向的場(chǎng)強(qiáng)逐步遞增，到達(dá)溝槽壁處的場(chǎng)強(qiáng)最大.對(duì)比50 V、60 V、70 V、80 V的電場(chǎng)分布，可以看出中央?yún)^(qū)域電場(chǎng)為0，10 V時(shí)中央?yún)^(qū)域范圍最大，即此時(shí)并未達(dá)到探測(cè)器耗盡狀態(tài)，隨著電壓的增大，中央?yún)^(qū)域減小，當(dāng)達(dá)到70 V時(shí)，可以看出中央?yún)^(qū)域范圍已經(jīng)接近中央電極，當(dāng)電壓至80 V時(shí)，中央?yún)^(qū)域退至中央電極的內(nèi)部位置.可以推測(cè)出，探測(cè)器在70～80 V范圍內(nèi)完全耗盡，此時(shí)漏電流達(dá)到飽和，內(nèi)部電場(chǎng)分布最為均勻.

綜上分析可以得出，探測(cè)器的全耗盡電壓為75 V，當(dāng)探測(cè)器內(nèi)部全耗盡時(shí)，漏電流達(dá)到飽和,數(shù)值為2.1×10-8A，I-V曲線出現(xiàn)電流平臺(tái).對(duì)三維溝槽探測(cè)器漏電流的特性進(jìn)行仿真得到如下結(jié)論：(1) 隨電極電壓逐漸增大，漏電流的數(shù)值持續(xù)增大.(2) 電壓值達(dá)到全耗盡電壓,隨電壓的增大漏電流數(shù)值不再增長(zhǎng)，達(dá)到飽和，出現(xiàn)平臺(tái).(3) 當(dāng)內(nèi)部漏電流達(dá)到飽和時(shí)，電場(chǎng)分布最為均勻.