CdZnTe探测器性能的研究

CZT 核探测器性能测试研究1 / 29CdZnTe核探测器性能测试研究作者姓名：孙浩 学号：201306020207 指导教师：周建斌摘要本文主要研究基于平面 CZT 晶体开发的 DT-01B 系列探测器的能谱响应性能。通过改变多道能谱仪的参数偏置电压，脉冲成型时间等。以及对不同放射源的不同能谱响应情况做对比，来分析对 CZT 探测器性能造成影响的因素。本文还讲述了 CZT 晶体的基本性质以及发展历史；介绍了 CZT 平面探测器的制备流程；CZT 探测器的优缺点；以及 CZT 核辐射探测器的种类，国内外的研究现状，工作原理等。关键词：核辐射探测器；CdZnTe 晶体；CZT 核探测器；半导体探测器；Abstract：This paper mainly studies the energy spectrum response of DT-01B series detectors based on planar CZT crystal development. By changing the parameters of the multi-channel spectrometer bias voltage, pulse molding time. As well as the different radioactive sources of different energy spectrum response to do the comparison, to analyze the CZT detector performance impact factors. This paper also introduces the basic properties and development history of CZT crystal. The preparation process of CZT planar detector, the advantages and disadvantages of CZT detector, the types of CZT nuclear radiation detectors, the research status at home and abroad, and the working principle are introduced.Key words: nuclear radiation detector; CdZnTe crystal; CZT nuclear detector; Semiconductor detectors；CZT 核探测器性能测试研究2 / 29目录CdZnTe核探测器性能测试研究 .1第一章 前言 .31.1引言 .31.2核辐射探测器的发展 .31.3 CdZnTe晶体材料 .51.4 CZT探测器结构 .61.4.1 MSM探测器 .71.4.2共面栅探测器 .71.4.3像素阵列探测器 .71.5 CdZnTe平面探测器的制备工艺 .81.5.1晶片表面处理 .81.5.2电极制备 .91.5.3钝化 .91.5.4快速退火 .91.6 CZT探测器的优缺点 .91.6.1 CZT探测器的优点 .91.6.2 CZT探测器的缺点 .101.7 CZT探测器的研究现状 .101.7.1 概述 .101.7.2 国内外研究现状 .111.7.3 CdZnTe探测器的发展及应用趋势 .12第二章 实验原理 .142.1 CdZnTe探测器的工作原理 .142.1.1 射线与物质的相互作用 .142.2 CdZnTe 探测器中的噪声来源 .162.3本课题的研究意义与内容 .18第三章 CZT探测器的性能测试研究 .193.1引言 .193.2系统结构与工作流程 .193.3 实验所用 CZT探头 .203.4不同偏置电压下 CZT探测器的能量分辨率 .213.5不同的脉冲成型时间对 CZT探测器能谱响应的影响 .24结论 .28致谢 .29参考文献 .30CZT 核探测器性能测试研究3 / 29第一章 前言1.1引言碲锌镉(CdZnTe，简称 CZT)以其高的原子序数、宽的禁带和高密度(有效原子序数 50、密度 5.81 g/cm 3 ，Eg 1.6 ev)的特点，成为了国际上备受关注的半导体探测器材料，CdZnTe 探测器能够在室温条件工作且拥有较高的探测效率，能量探测范围为 10 keV6 MeV，没有极化现象。具有体积小，重量轻，携带方便等优点，而且使用起来很方便。CZT 半导体探测器与传统的 NaI 闪烁体探测器相比,具有更好的能量分辨率。用 CdZnTe 晶体制造的核辐射探测器省去了对设备制冷的繁琐步骤。而且, CdZnTe 核探测器可以比较容易的加工成像素阵列探测器,然后与脉冲信号放大电路，信号数据处理软件结合,可以做成紧凑型的具有效率高、分辨率高特性的射线成像装置。可广泛用于 X 射线荧光分析、核废料监控、机场与港口安全检测、工业探伤、医学诊断、天体物理研究等方面,具有十分广阔的应用前景。还可以应用物质成分分析、液体高度监测、镀层厚度测量等检测设备中。目前，美国、以色列、俄罗斯、法国、中国等都投入了大量的科研人员开展对 CdZnTe 材料和 CdZnTe 探测器的研究工作。但是就目前而言 CdZnTe 晶体的质量还有待提高，而且探测器的制备工艺还不是特别成熟等因素，使得目前的探测器性能不能再提升或者提升的范围不大。还有一些其它因素诸如其它器件的制备工艺等等都使得 CdZnTe 探测器还没得到更加广泛的应用。1.2核辐射探测器的发展核辐射探测器主要分为气体探测器、闪烁体探测器、半导体探测器、辐射成像探测器、AlSb（锑化铝）和超导体核辐射探测器几种。气体探测器是在 19 世纪末 20 世纪初最早被使用的一种探测器，最早使用的是空气电离室，在早期的核科学与技术、核物理研究中起到了十分重要的作用。到 20 世纪 60 年代末期出现了许多的气体核辐射探测器，比如盖革计数管。CZT 核探测器性能测试研究4 / 29虽然目前气体探测器在很多领域内被半导体探测器所替代。但是它具有结构简单、使用方便、可制作成各种较大型的电离室的特点，仍然在工业领域中得到了广泛的应用。到了 20 世纪 80 年代，由于 Xe 气体纯化技术得到了较大的提高，促进了 Xe 闪烁正比计数管的发展，构成了新型的 射线 Xe 气体闪烁正比计数管。与一般的正比计数管相比，GSPC（气体闪烁正比计数管）能量分辨率高，而且探测器的一致性较好。但是其探测效率一般小于 60%，一般被用于探测能量较低的地方。闪烁体探测器出现于 20 世纪 40 年代，在 50 年代初实现商品化。让 射线能谱测量成为一般实验室内均能做到的常规实验。后又随着核物理、粒子物理的研究发展，又出现了诸如无机闪烁体探测器（NaI） 、有机闪烁体探测器（多属于苯环结构的芳香族碳氢化合物）等。20 世纪 70 年代中期,又开发出了可以用于高能 射线探测的、适用于空间有限、而且对 阻止本领大的BGO（鍺酸铋 Bi4Ge3O12）无机闪烁体。因为闪烁体探测器具有探测效率高、分辨时间短、使用方便、适用性广等特点，闪烁体探测器在很多领域都得到了广泛的应用。半导体探测器的雏形是美国贝尔电话实验室的麦凯（Mckey）在 1949 年首先提出来的。在 1951 年他用 Ge 晶体的 P-N 结型二极管记录了 粒子。于是很快半导体探测器引起了全世界的重视。1956 年金刚石被第一个用于制作核辐射探测器，最开始是用作 粒子辐射探测器，但是由于它的原子序数低，能量分辨率低，且金刚石不容易获得。所以在 1958 年戴维斯（Davis）等人利用反向偏压的 Ge、Si 扩散结和面垒型 P-N 结构成的半导体辐射探测器后，它就被淘汰了。1960 年，弗洛尔达(Foielda)等人用 Si P-N 结测量 粒子能谱，对比同时期的其它探测器，性能都要好很多。于是美国与加拿大便生产了 Si 半导体探测器，并商品化。在同一年，迈耶（Mayer）等人利用锂离子漂移技术成功地研制成了 Si(Li)探测器。1962 年，半导体探测器就已经被用于测量电子、质子、 粒子，能量分辨率也得到了很大的提升。1962 年，韦克菲尔德（Wakefield）与弗雷克（Freek）应用佩尔（Pell）锂离子漂移原理成功地制成了第一个 Ge(Li)（锗锂漂移） 射线探测器。Si(Li)和 Ge(Li)探测器的研发和应用相较于 50 年代的闪烁体探测器有了本质上的提升，使谱线变得更加清CZT 核探测器性能测试研究5 / 29晰。从 1966 开始，世界上便开始了化合物半导体核辐射探测器的研究制作。但是由于半导体材料的原因，半导体探测器的发展一直没有较大的提升。直到 20世纪 90 年代，随着科学技术的发展和国防对红外探测器的重视，CdZnTe 化合物半导体核辐射探测器出现，CdZnTe 探测器可在室温下工作，且探测效率高，能量分辨率好，具有广阔的应用领域。辐射成像探测器主要医学、工业、航空航天、钢铁机械制造、电子工业等领域，随着各行业对成像要求，辐射成像探测器的研究一直都处于发展状态，但目前在很多领域内还是比较成熟的。不过提升空间还是比较大。AlSb（锑化铝）和超导体核辐射探测器，随着科学技术的发展，这两种材料很可能成为下一代的核辐射探测器。目前仍处于发展研究阶段。但自上世纪80 年年代起，就有研究人员一直在对这两种材料进行研究，希望在不久的将来能够看到这两种探测器的出现。1.3 CdZnTe晶体材料碲锌镉（CdZnTe）是-族的固溶化合物，是一种有闪锌矿结构的重要半导体材料。空间群为 F43M。常温下为深灰色，熔点大于 1100，电阻率为1010-11cm，密度约为 6g/cm3。具有直接带隙结构，在 Cd1-yZnyTe 晶体中，一般 Zn 是以替代 CdTe 晶体中的 Cd 原子而存在的，所以不会改变 CdTe 晶体的原本结构。X、 射线光子可以被 CdZnTe 在室温环境下直接转换为电子。CdZnTe 还能处理 2 百万光子/秒/mm2，具有很高的计数率与优秀的光谱性能。它具有如下的重要特性：禁带宽度高（1.4ev-2.26ev） ；原子序数大（大约为 50） ，光子与原子的相互作用很强；CdZnTe 晶体制成的探测器本征探测效率较高，体积小，能在室温下工作，且对 X、 射线的能量分辨率比较好，没有极化现象，能量探测范围也比较大（10K-6M）eV，很适合用于探测能量较高的场合。 原子序数较高所以对高能射线的探测效率比较高；又因为其完整性和纯度很高，所以对电荷的收集也比较好；而禁带宽度大，电阻率高，所以 CdZnTe 核CZT 核探测器性能测试研究6 / 29辐射探测器的漏电流很小；少数载流子的迁移率与寿命的乘积（）比较大，可以去除陷获效应，使探测器的能量分辨率很好。而且 CdZnTe 半导体探测器容易加工成体积小、高分辨率、高效的 X、 射线成像装置，已被广泛应用于核技术、核医学、工业制造、探伤、安检及其它科学研究等领域。CdZnTe 晶体通常采用高压布瑞吉曼生长技术 (High Pressure Bridgman Technique) 制备 CdTe 晶体通常采用移动加热方法 (Traveling Heater Methods) 制备。由于 CdTe 晶体和 CdZnTe 晶体的生产工艺不同，而且具有较好的一致性和可重复性，价格也比较低，所以 CdZnTe 晶体更适合大量生产商品化。而 CdZnTe 晶体中由于 Zn 离子的掺入，使得禁带宽度变宽,电阻率提高,室温下得暗电流变得很小,因此 CdZnTe 晶体的电子输运性能要比 CdTe 晶体更好。CdTe 晶体与 CdZnTe 晶体的性能和基本性质比较接近，一般可从实际情况综合考虑来进行选择。比如实际需要的晶体数量、单晶的大小、一致性、制备成本等。表 1.1 是 CdZnTe 和 CdTe 晶体的基本性能。表 1.1 CdZnTe 和 CdTe 晶体的基本性质1.4 CZT探测器结构CZT 探测器通常有平面型、共平面栅型、电容弗里希栅(Frish gird)型、俘获电极型、半球型及像素阵列型等结构类型。常见的 CZT 探测器器件类型如图 1.2 所示。CZT 核探测器性能测试研究7 / 29图 1.2 常见的 CZT器件类型1.4.1 MSM探测器MSM 探测器是最简单的 CdZnTe 平面探测器，现在一般都是采用铟、金、铂等金属来当做 CdZnTe 探测器的金属层。且现在已经研制出了具有很好的稳定性的探测器，目前一般是与脉冲整形电路结合用作光探测器。但是技术还不是很成熟。1.4.2共面栅探测器在不同结构的 CdZnTe 探测器中，共面栅探测器（Coplanar-Grid）是不同结构的 CdZnTe 探测器中单极性最好的，所以能够更加容易的且更好的分辨能谱。但是由于载流子俘获和权重势分布的不均性等原因，共面栅探测器（Coplanar-Grid）的能量分辨率会变得较差。而且目前共面栅探测器（Coplanar-Grid）仍然只处于能谱探测的应用，受到了极大的限制。1.4.3像素阵列探测器CdZnTe 像素阵列探测器具有单极性电荷收集的特性，常用于成像系统，其基本结构如图 1.2(c)所示。合理的选择像素电极尺寸，可以使探测器具有感应电荷信号的单极性特性，当载流子被对应位置的像素电极收集时，则像素电极的感应信号达到最大，最后将这些信号全部整合到一起，便能够得到图像。CZT 探测器还有俘获电极型、电容弗里希栅(Frish grid)型、半球形结构等。CZT 核探测器性能测试研究8 / 291.5 CdZnTe平面探测器的制备工艺图 1.3 CZT平面探测器制备流程1.5.1晶片表面处理采用改进的垂直布里奇曼法生长的 CdZnTe 晶锭定向切割成相应规格的晶片，然后进行倒角、研磨、抛光、腐蚀等表面处理。研磨采用 W5 的金刚石研磨膏在研磨盘上进行，其目的是除去切片时表面所造成的损伤，获得平整、光洁的表面，并达到所要求的厚度。为了进一步提高表面质量，需要对晶片进行抛光。首先采用氧化镁粉悬浊液作为抛光剂在金丝绒抛光布上进行机械抛光，然后用过滤后的氧化镁粉悬浊液的上层清液进行细磨，直至在 100 倍光学显微镜下观察不到划痕，表明晶片表面达到要求。机械抛光后的表面仍残存有十几个微米的损伤层，需采用 5 vol的溴甲醇溶液对晶片进行进一步的化学抛光。该方法可以有效地去除由机械抛光引入的表面损伤层。其具体的化学反应如下：2Br2+CdZnTe=CdBr2+ZnBr2+Te (1)2Br2+Te=TeBr4 (2)形成的 CdBr2 和 TeBr4 被甲醇溶液溶解带走，从而实现表面损伤层的去除。化学抛光结束后，需在甲醇中淬灭以除去残留在晶片表面的溴，再用去离子水清洗干净，最后用氮气（N2）吹干。由于 TeBr4 的形成能大于 CdBr2，因而经 BrMeOH 腐蚀的 CdZnTe 表面通常会形成无定形的富 Te 层。表面富 Te 层是一层高导电区，会增大表面漏电流。可以进一步采用化学机械抛光将表面富 Te 层减少或去除。CZT 核探测器性能测试研究9 / 291.5.2电极制备为防止表面被玷污，在晶片处理完毕后要立即在其上制备接触电极。电极接触是影响半导体器件电学性能的关键因素。根据电极的不同可以制成对称电极(MSM)的匀质体电导型探测器和电极不对称的共平栅结构(GPG)。1.5.3钝化裸露在空气中的晶片表面易于沾带电微尘与水汽，从而增大表面漏电流。表面漏电流是引起 CdZnTe 探测器电子噪声的主要原因之一，因而有必要对晶片进行表面钝化处理。采用氟化氨双氧水溶液对晶片表面进行处理，在 CdZnTe晶片的表面上形成高电阻的 TeO2、CdTeO3 氧化层，从而减小表面漏电流。1.5.4快速退火将制备的探测器放置于 AG610 型气氛可控快速退火炉中，在 N2 气氛中进行退火。快速退火的目的是促进金属电极和 CdZnTe 材料间的扩散，特别是改善AuCdZnTe 之间的接触性能，同时去除金属电极和 CdZnTe 材料间的应力，使金属电极与 CdZnTe 的接触牢固。1.6 CZT探测器的优缺点1.6.1 CZT探测器的优点（1）不需要冷却装置，可以直接在室温条件下使用，大大的简化了系统，降低了制造成本；（2）探测器的体积能够做到比较小，使探测器拥有良好的空间分辨率；（3）较高原子序数与高密度使 CdZnTe 探测器具有较高的探测效率；（4）CZT 探测器的能量分辨率相较于其他的探测器基本都要好一些，所以一般用于测量能量比较发散的场合（可以区别选择不同能量的光子） ；（5）CdZnTe探测器的高电阻率让它们可以在大体积应用和低光子能量发散系统得到应用；（6）CZT 探测器由于禁带宽度（1.6ev）较大和电阻率（10 11cm）较高，且CZT 核探测器性能测试研究10 / 29具有较低的漏电流，让它可以集成到功率小、体积小的电路或集成