碲锌镉探测器的制备及性能研究

四 川 大 学 硕 士 学 位 论题目 碲锌镉探测器的制备及性能研究作者 蔡力 完成日期 2003年 5月 8日培 养 单 位 四 川 大 学指 导 教 师 朱世富教授专 业 凝聚态物理研 究 方 向 光电子材料与器件年 月曰授予学位日期碲 锌 镉 探 测 器 的 制 备 及 性 能 研究凝聚态物理专业研究生蔡力 指导教师朱世富教授摘 要半导体探测器是上世纪六十年代以来得到迅速发展的一种新型 核幅射探测器，其能量分辨率高、线性响应好、脉冲上升时间短、 结构简单、探测效率髙、操作方便，在核物理实验和研究方面得到 广泛的应用。碲锌镉(Cd hZn Je)晶体是一种新型的性能优异的室温三元化 合物半导体核辐射探测器材料。其电阻率高(约10“Q/cm)、原子序 数大(48, 52),禁带宽度较大，且随Zn含量的不同，禁带宽度从 1.4eV(近红外 )至2.26eV( 绿光)连续变化。在室温下对x- 射线、Y -射线能量分辨率好，其能量探测范围在lOKeV6 MeV。可应用于天 文、医学、工业、军事等领域的各种探测器和谱仪。同时它还可作 为红外探测器材料碲镉汞(HgCdTe)和外延衬底，以及激光窗口和太 阳电池等。我们利用熔体温度振荡法在石英安瓿中将6 N的单质Cd、Zn、 Te合成多晶原料，用坩锅旋转下降法在同一安瓿中生长出尺寸为4 20X40mm的CdhZnJe晶体。在此基础上对碲锌镉探测器的工艺进 行了较深入的研究，制作了厚卜1.5mm的探测器，测试了 C、In、 Au等不同金属的电极接触性能，并在国内首次通过测试器件的I一 V、I一T曲线、弛豫特性和电容特性对电阻率、陷阱能级、陷阱浓 度进行了分析，同时測得的 M1Am源的能谱。同时对影响器件性能 的缺陷分布等因素进行了一些有意义的讨论。为进一步的研究工作 打下了一个良好的基础。结果表明：材料内部的缺陷和欧姆接触是影响器件性能的两个 关键因素，采用改进的富镉气筑下坩锅旋转下降法生长的晶体具有 较低的缺陷浓度，适合制作探测器，采用Au、C可得到欧姆接触，本文研究为国家自然科学基金“碲锌镉单晶体的生长与应用基 础研究”（批准号： 59972019)课题的部分内容，研究结果对于课题 的完成具有一定的参考价值。关键词：室温核辐射探测器晶体生长CdZnTe欧姆接触 深能级Technology and Properties of CdZnTe DetectorName: Li Cai Professor: shi-fu Zhu AbstractThere is presently a widespread need for room temperature gamma and X-ray imaging capability for both medical and industrial applications . The interest toward the use of CdZnTe detector was greatly increased in the recent years because they offer a good trade-off between key performance,such as the energy resolution and the absorption efficiency,and the complexity of the experimental equipment.Cadimiuxn Zinc Telluride(CdZnTe) is one of the ternary semiconducting compounds of II-VI type which crystallize in the zinc blende structure (symmetry F 43m).Because of its high resistivity(10n /cm)5high atomic number(48,52),strong energy resolution ability to x-ray,and Y -ray,wide energy gap which can vary from 1,4eV to 2,26eV while the x changes, A wide range of application is possiblerfrom biomedical and industrial imaging to radiation monitoring and control due to their well-known capability to operate at room temperature with minor degradation of spectroscopic performance. It is used in solar cells and semiconductor detectors for astrophysical research,for x-ray fluorescence(XRF) analysis,industrial gauging,nuclear proliferation treaty verifaction et.al,and also in laser window and infrared array technology as subtriate for Hg卜 xCdxTe.Cdi-xZnxTe Single crystal with good crystallinity has been grown by the descending ampoule with rotation method.Before this,high-purity Cdj - xZnxTe polycrystal materials have been synthesized from 6N Gd Zn Te in the same ampouIe.On the Basis of this,we deeply explore method of detector fabrication.And we also studied the level and density of traps in detector.Gold,indium and C have been deposited as electrodes on polished and chemically etched surfaces of samples with the sizes from 5X 5 X1 to 10 X10X 1.5mm to compare different contact technologies.The behavior of detectorsleakage current with temperature and leakage current with time were studied as well as th current-volte characteristics to deduce the level and density of trap in detectors.The results show that crystal inhomogeneities and suitable contacts are critical to the fabrication of high quality CdZnTe spectrometers.The modified growth technique is a new and promising method for growing highly pure and perfect CdZnTe single crystals. Good quality ohmic contact detectors are achieved when gold or indiumare deposited as electrodes on polished and chemically etched surface.Keywords: nuclear radiation detector crystal growth CdZnTe ohmic contact Deep levels摘 要 . Abstract目 录1.1半 导 体 核 辐 射 探 测 器 的 发 展 状 况 .11.1.1半导体核辐射探测器的发展 . 11. 1.2 GaAs核辐射探测器 . 21.1.3 CdTe核辐射探测器 . 21.1.4 HgU核辐射探测器 . 31. 1.5 Cd,_,ZnxTe (CZT)探测器 . 41.1.6其它室温半导体核辑射探测器材料 . 41.1.7几种常用的室温核辐射探测器材料的性能参数. 41.2 CdTe、 CdZnTe半 导 体 核 辖 射 探 测 器 .61.3半 导 体 探 测 器 的 工 作 原 理 .81. 3. 1探测器原理 . 81. 3. 2半导体探测器的类型 . 111.4 半 导 体 探 测 器 的 主 要 参 数 .131. 4. 1能置分辨率 . 131.4. 2探测器中的电荷输运 . 171.4. 3陷阱效应 . 201.5选 题 思 路 和 研 究 内 容 .22二 、 晶 体 生 长 .242. 1 CZT材 料 介 绍 .242.2晶 体 生 长 实 验 . .25三 、 CdZnTe探 测 器 的 制 备 .273.1材料选取 . 273. 2晶片加工 .273. 2.1物理切割法 . 273. 2. 2研磨 . 283. 2. 3机槭抛光 . 283. 2. 4腐蚀 . 283.3电极制作 .303. 4钝化 .343.5密封保护 .353.6固定安装 .35四 、 CZT探 测 器 的 性 能 研 究 结 果 与 讨 论 .374.1 IV 特性 .374.1.1 接触特性 .394.1.2 I-T曲线与激活能 .394. 1.3 注入与SCLC电流 . 404.1.4 IT关系与脱陷作用 . 434.1.5 稳恒光电导 . 434. 2 电容特性 .444.2.1 .电容测拭 .V-.、 _二444. 2.2 CV 特性 . 454.3吸收谱测量及分析 .48五 、 总 缉 .492L5.1结 论 .495.2存 在 问 题 .495.3展 望 .49Si的E, 为1. 06eV)， 所以必须在低温下工作和保存，且Si对Y射线的阻止本领较低。为了克服半导体核辐射探测器中Si探测器对Y射线吸收系数 小、探测效率低，Ge探测器必须冷却的缺点，实现能在室温下工 作而且能量分辨率又高的目的，促使人们对化合物半导体探测器 材料进行探索研究。四 川 大 学 硕 士 学 位 论 文 2003年 5月1.1.2 GaAs核辐射探测器GaAs核辐射探测器是在室温下工作并取得较好能量分辨率的 第一种化合物半导体探测器。70年代初，埃伯哈德（Eberhardt) 等人 29用液相外延生长技术得到了高纯、高完整性的GaAs单晶材 料，用这种外延高纯N型GaAs单晶小片，通过真空蒸发淀积金制 备的直径为1. 5mm的金表面势垒探测器，对 S7Col22KeV的Y射线， 其能量分辨率(卩 _)为2.95KeV。这是用EhV族化合物半导体材 料最先成功地制备出的有较好能量分辨的Y射线探测器，也是在 室温下成功地呈现有较好能量分辨的第一种化合物半导体探测 器。到80年代初，由于GaAs核辐射探测器还不能投入批量生产， 而且体积小，平均原子序数还是较低（与Ge的相同），所以没有 得到应用，使GaAs核辐射探测器的发展受到了限制。随 着 科学 技 术的 发 展， 到 80年 代 末， 用 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski液相丘克拉斯基法)技术拉制出了半绝 缘未掺杂GaAs单晶，以及核辐射探测器制备工艺的改进，由原来 简单的金表面势垒、铝欧姆接触改进为Ti-Au表面势垒接触和 Ni-Ge-Au-Au欧姆接触，使核辐射探测器的性能有了很大的提髙。 在80年代末和90年代初，专门召开了两次有关化合物半导体晶 体生长和核辐射探测器制备和应用的国际会议，促进了 GaAs核辐 射探测器在能谱测量、核医学以及剂量监测等领域的应用。1. 1.3 CdTe核辖射探测器CdTe核辐射探测器的开发历史很早，从60年代初，CdTe核 辐射探测器作为计数器就开始在有关领域使用。CdTe核辐射探测 器有两类：一类是用密封锭区域提纯拉制的低阻（电阻率为50-500 Q.cm) N型CdTe单晶，通过研磨、抛光、清洗、腐蚀，在样品的 正面和背面分别真空蒸发Au和In构成势垒和欧姆接触。此种探 测器厚度较薄，约100 um左右，在室温下对 KFe5.9KeV和 2，1 Am59. 5KeV的X射线和Y射线有较好的能量分辨率，其FWHM分 别为1. IKeV和1. 7K9.V,另一 类 CdTe核辐射探测器是用移动熔区 法拉制的电阻率为108-109Q. cm高阻N型或P型CdTe单晶切成晶 片，而后研磨、抛光、蒸发上In或A1电极。制成的直径为5mm、 厚度为2mm的高阻CdTe核辐射探测器，此种探测器对 mCs622KeV 和 MCol.33MeV 的 Y 射线，其 FWHM 分别为8. 5KeV 和 14KeVl7】。在探测器的制备工艺方面，自70年代末，随着科学技术的发 展，人们研究了 CdTe核辐射探测器性能与材料性能、制备工艺、四 川 大 学 硕 士 学 位 论 文 2003年 5月晶体表面之间的关系。例如,P. Siffert (西弗特 )等人发现这类探 测器的两个主要问题是存在极化效应和漏电流较大。这不仅与材 料本身的性质有关，而且与探测器制备的表面和表面处理有关。 到80年代末，CdTe核辐射探测器的传统工艺被进行了改进。用功 函数较小的金属铟做一个接触电极，用功函数较大的金做另一个 接触电极，这样构成了 MnN结构的CdTe核辐射探测器，使CdTe 核辐射探测器在相当高的偏压和零偏压的光生伏特模式的应用中 都得到了好的性能。虽然目前大批量生产的CdTe核辐射探测器还没有得到极好的 能量分辨率，而且对空穴的收集比对电子的收集要差，但它己在 许多领域得到了应用，特别是在空间物理学和核医学领域。现在 随着CdTe单晶材料生长技术的改进和探测器性能的不断提髙， CdTe核辐射探测器在火箭热屏蔽顶部回收，核反应堆射能