碲锌镉探测器的制备及性能研究论文

四 川 大学硕 士 学 位 论 文碲 锌 镉 探 测 器 的 制 备 及 性 能 研 究韦 永 林 完 成 日 期 2005年 5月 18日培 养 单 位 四 川 大 学指 导 教 师 朱 世 富 教 授专、 丨1， 凝 聚 态 物 理研 究 方 向 - 光 电 材 料 与 器 件授予学位日期 年 月 曰四川大学硕士学位论文 r77570碲 锌 镉 探 测 器 的 制 备 及 性 能 研究凝 聚 态 物 理 专 业研究生：韦永林 指导教师：朱世富教授碲锌镉（CdZnTe)核辐射探测器具有能量分辨率高、本征探测效率高、可 在常温下使用、体积小等优点，因此可广泛应用于核安全、环境监测、天体物理 和医学成像等领域。R前，CdZnTe(CZT)探测器成为世界各国研究的热点之一。本文研究了光电导型和面垒型CdZnTe核辐射探测器的制备工艺及其性能 表征。研究发现：对CdZiiTe晶片采用不同的处理方法，将会影响其电学性能。 机械粗抛的晶片电阻率很低，溴甲醇腐蚀或H 202钝化处理对粗抛的晶片能显著 的提高其电阻率，但对精抛的晶片处理后其电阻率变小；对经过溴甲醇腐蚀后的 晶片再进行H 202钝化会降低腐蚀后晶片的电阻率；XPS测试发现溴甲醇腐蚀后 的晶片表面会形成富Tc层。对所制得的光电导型CdZnTe探测器件进行I-V 特性测试，发现功函数小于 P型高阻CdZnTe的金属Au、In能与经过溴甲醇腐蚀过的CdZnTe半导体形成欧 姆接触，且金属沉积在半导体上后进行退火处理有利T欧姆接触的形成。I-T特 性测试发现，在探测器所用的CdZnTe半导体材料内部离价带顶0.539eV处有一 深受主能级，即电子俘获能级。上述结果对CdZnTe探测器的制备有较重要的新 借 鉴 作 用 。 对 所 制 得 的 光 电 导 型 CdZnTe探 测 器 进 行 能 谱 测 试 ， 得到 241Am59.5KeV能峰的谱图，但分辨率还不够理想，估计是由于所用探测器材料 内存在俘获能级，严重影响探测器对光牛载流子的有效收集而造成。由于CdZnTe生长温度高、热导率低、离子性强、堆垛层错能低等不利于 晶体生长的因素，造成生长的单晶体内不可避免的存在缺陷，形成俘获能级，四川大学硕七学位论文成为光电导型探测器的主要问题。为了克服上述问题就需要有一个强的电场， 同时要使探测器的漏电流无明显增加。当器件加反向偏压时，金属半导体接触 的面垒型探测器就存在着这样的电场。因此，本文首次研究了面垒型CdZnTe探测器的制备新工艺及其性能表征。 对所制得的面垒型CdZnTe探测器进行I-V 测试, 结果发现在经过溴甲醇腐蚀过 的晶片表面上溅射Au不能形成肖特基势垒；然而，在经过机械精抛的晶片表面 上溅射Au能形成肖特基势垒，表现出良好的二极管特性；这说明表面态对制备 面垒型CdZnTe探测器有着重要的影响。采用Agilent Technology型号4284A C-V测试仪在500KHZ对制得的面垒型CdZnTe 探测器进行C-V测试，在深耗 尽区电容值很小，这表明制得的探测器有较高的响应速度。对制得的面垒型 CdZnTe探测器进行能谱测试，对 24iAtn源有明显响应，但没有得到峰图。从理 论上讲，面垒型结构探测器有利于光生载流子的收集，提高其分辨率。然而， 我们制得的面垒型CdZnTe探测器没有得到峰图，这表明还需对制备工艺进一 步深入的研究。通过本论文课题的研究，可知CdZnTe探测器的性能不仅取决f 单晶体的 质量，如电阻率、均匀性、载流子迁移率寿命积（HT)等，而且探测器的结构 和制备工艺对其性能的影响也至关重要；面垒型探测器制备X.艺是获得高性能 CdZnTe探测器的有效新方法，值得继续研究。关键词：CdZnTe探测器光电导面垒制备工艺四川大学硕士学位沦文CdZnTe Detector Preparation and Performance StudyMajor； Condensed State PhysicsPostgraduate: Wei Yong-lin Tutor: Professor Zhu Shi-faCdZnTe(CZT) nuclear detector has a capacity of high energy resolution, high detection efficiency, little bulk, and can worked at room temperature, therefore it is widely used to nuclear safety；, environment monitoring, astrophysics，and medicine imaging system. At the present time，the CZT detector is a hot topic of study in the world.Firstly, this paper has studied the preparation technology and performance testing of photoconduction and face rampart CZT detector. We find that the wafers, which are dealed with by vary ways, will alter in the side of electricity performance. Machine coarse polishing to wafer debases the resistivity. Bromine-Methanol (BM) solution is used to erode and H2O2 passivate wafeis coarsely polished, which evidently increases the resistivity, but to wafers finely polished, which debases the resistivity. Passivated to wafers eroded，which debases the resistivity. XPS testing indicates that BM solution erosion produce Te- riched on surface of the wafers.I-V testing to photoconduction CZT detector indicates Au and In can be ohmic contacted with p-type CZT, though work function of Au and In are less than CZT. Anneal induces to form ohxnic contact after metal is deposited on semiconductor, I“T testing to photoconduction CZT detector indicates that CZT detector material has a deep acceptor energy level at 0.539eV from valence band, namely electron seize energy level* Above result be use for reference to preparation of CZT detector. 241Am spectra testing to photoconduction CZT detector, obtains 59.5KeV energy crest,ill四川大学硕士学位论文but its resolution is not good. We think, because of existing seize energy level in CZT? it badly influence to gather hole and electron which is produced with radiation.Because of high temperature growth, low heat conduction rate, strong ion characteristic, and low stow defect energy to CZT crystal, so CZT crystal inevitably existing seize energy level, which is main problem to photoconduction detector. In order to solve this problem, add strong electric field to detector, at the same time leak current dont increase markedly. Face rampart exists the electric field when detector working at reverse voltage.Therefore, this paper first studies the preparation new technology and performance of the face rampart CZT detector (shotlky diode), 1-V testing to face rampart CZT detector indicates that we cant fabricate shottky contact when Au is spattered to wafers which are eroded with BM solution, However, can do it when Au is spattered to wafers which are machine finely polished, and this detector are possess of good diode characteristic. We draw a conclusion that surface condition is important to the preparation of face rampart. C-V testing to CZT detector indicates that capacitance value is small when the detector is deeply exhausted, which is favor to response of detector. 24!Am spectra testing to CZT detector, find that detector be respond to 24lAm5 but we cant obtain energy crest. In theory, structure of face rampart detector is in favor of gathering electron and hole which are produced with radiation, improve resolution. However, face rampart CZT detector that we fabricated do not gain energy crest, so we should more study the preparation technology of the face rampart detector,After studying the task, we know that crystal quality, such as resistivity, uniformity and etc., axe important to performance of CZT detector, moreover, the structure and preparation technology of detector are very important to performance of detector. The preparation technology of face rampart detector be worth to go on studying, because it is a new ways to gain good performance CZT detector.Key words: CdZnTe, Detector, Photoconduction, Face rampart,Preparation technology四川大学硕士学位论文第 一 章 概 论1.1引言闪烁计数是最原始的辐射探测方法之一，它己经历了几个发展阶段。克鲁 克斯首次用肉眼观察到髙能(X粒子在硫化锌晶体f 屏中被吸收时所发生的闪烁 现象。1903年埃尔斯特和盖脱尔也独立地注意到这种现象。1%8年克鲁克斯和 雷格纳尔研制了一种早期的仪器，即闪烁镜及其有关的计数技术。闪烁镜的组 成为：一个有空径目镜的放大约30倍的显微镜，硫化锌（铜激活）屏，a較子 源以及一个不漏气的箱子。该箱子可以抽真空并可以把散射体和吸收体装在其 中。在此发展以后的二十五年中，闪烁镜对核研究领域作出了巨大的贡献。正 是由于应用闪烁镜才有可能详细研究由薄屏引起的a粒子散射，因而第一次指出 了原子核的存在，然后又指出其大小和电荷。同样，1919年卢瑟福也是用该仪 器获得了稳定同位素的人工蜕变的第-证据。用肉眼观察的闪烁计数器在二十世纪三十年代便成为过时的东西了。在这 以后的二十年，电子计数技术得到迅速发展和推广。气体探测器用来作为基木 的探测器，在其中入射带电粒于产生离子对。气体探测器分为电离室、正比计 数管和盖革一弥勒计数管三种。随着灵敏的光电倍增管的发展，闪烁计数器又重新获得了它原先在核物理 研究中的突出地位。克伦和贝克在1944年首次用带有硫化梓屏的光电倍增管所 产生的电流来测量a辑射源的强度。布劳和德赖弗斯在1945年作了类似的应用。 科尔特曼和马歇尔以及卡尔曼在1947年首先计数了单个的光脉冲。卡尔曼还指 出萘对它自身的光辐射是透明的，并且厚晶体可用来完全吸收和计数p粒子。这 项工作标志着闪烁探测器迅速发展成为现代闪烁仪的开端。在同一时期，晶体导电计数器也有了令人感兴趣的发展，它是闪烁计数器 的第二种形式。晶体导电计数器起始于范希尔登的工作。这种计数器根据入射 的射线与晶体的相互作用而在晶体边界处读出电脉冲，因此就可以免除在闪烁 计数器中必须进行的能量转移一电子动能转换为光，在光阴极处收集光并把它 反转为电子。尽管如此，在使用中却从未达到过晶体导电计数器所固有的较好四川大学硕士学位论文的能量分辨率。难以克服的实验上的困难妨碍了这种计数器的普遍使用。在七十年代，锗和砝半导体探测器己在实验中达到了预期的优良分辨率。 最初，只有相互作用粒子能量沉积在靠近扩散结或面垄的很小区域中时才可能 有高的分辨率，这就使这些器件的用途只限于重粒子.硅器件对a能谱的分辨率 已远远超过弗里希栅格气体谱仪可能具有的分辨率。半导体探测器中每单位(X 粒子能量所产生的晶格空穴一电子对的数目约为氩气正比计数器中所产生的离 子对数目的十倍，这相当于在固体探测器中产生每对空穴一电子对约需3电子 伏特能量，而在气体中约需30电子伏特为了扩大探测器的有效探测体积， 发展了锂漂移硅探测器 6但对于y射线能谱测量来说，因为硅的原子序数小，它 探测效率低。为了获得较高的7射线探测效率，又发展了锂漂移锗探测器，得到 了较理想的探测器效率。虽然核辐射探测器的品种较多，但各种探测器都存在固有的缺点，气休电 离探测器体积较大，对射线的阻止本领低，因而探测效率极低：闪烁晶体探测 器有很高的探测效率，但对射线的能量分辨率较差；常用的半导体探测器主要 是 锂 漂 移 硅 锂 漂 移 锗 Ge (LI),高纯锗（HPG)探测器，这些探测器具 有体积小、能量分辨率好等优点，但探测效率较低，且需要在低温下工作和保 存。因此研究者们正致力于探测效率高、能量分辨率好、体积小、重量轻、携 带方便等优点的半导体室温核辐射探测器的研制 121。1.2半 导 体 室 温 核 辐 射 探 测 器 的 发 展 状 况对于Y射线的探测，相对地说Si探测器探测效率低，Ge探测器探测效率虽 高但必须冷却到77K, NaI(Tl)探测器需要光电倍增管，整个系统较笨重、能量 分辨差。为实现能量分辨率好、而且效率又高、又能在室温下进行y射线能谱测 量，人们对多种半导体材料进行或IH在进行制备核辐射探测器的研制工作，取 得了较好的结果，现叙述如下。1.2.1 GaAs核辐射探测器GaAs探测器是最先研制成功有应用价值的室温半导体核辐射探测器，具有 较好的能量分辨率。常见的有三种 31,其一是用半绝缘的SI-LEC GaASl?B片制2四川大学硕士学位论文作的半绝缘高阻GaAs面垒型核辐射探测器，它的灵敏体积在lcm 3以下，探测 能量低于122keV的谱线时，其FWHM 值在3 15keV范围内，显然，这样的能 量分辨率是不能令人满意的，但它的载流子收集效率很高，能大于100%其 二是外延GaAs表面势垒型核辐射探测器，它是用液相外延生长在低阻GaAs 衬 底上的高纯GaAs单晶薄膜制成的，探测能量低于122 keV的谱线时，其FWHM 值在l6 keV范围内；其三是具有P-1-N结构的核辐射探测器，其性能介于前述 二者之间。GaAs探测器的优点是材料制备技术和器件制作技术都比较成熟，探 测器结果紧奏，便于与现有电子线路集成化：其不足之处在于平均原子序数较 低，对髙能射线的阻止本领低，探测效率低，因此迄今为止，GaAs核辐射探测 器还没有批量生产，这使GaAs核辐射探测器的发展受到了限制。1.2.2 CdTe核辐射探测器20世纪60年代初，CdTe核辐射探测器作为计数器得到了广泛应用 CdTe 核辐射探测器有两类 5i: 类是用密封锭区域提纯拉制的低阻 N型CdTe单晶体 制作的，以Au和k依次构成势垒接触和欧姆接触的探测器。这种探测器晶片 厚度较薄，约lOOum 左右,在室温下探测 55Fe 5.9ICeV的X射线和 241Am 59.5KeV 的Y射线，已得到了较好的分辨率，其 FWHM分别为l. lKeV和1.7KeV。另一 类CdTe核辐射探测器是用由移动熔区法拉制的高阻N 型或P 型CdTe单晶体制 备的、晶片厚度为5_左右的髙阻CdTe探测器，在室温下用这种探测器探测 l37Cs 622KeV和 wCo 1.33MeV的丫射线时，得到的 FWHM分别为8.5KeV和 14KeV.CdTe探测器主要有MSM 、P-I- N和M-tl- N三种结构形式，通常MSM型 探测器的漏电流较大 |51，具有不均匀的电场分布，电荷收集效率较低，能量分 辨率差;具有 P-I-N结构的探测器的漏电流较小因而具有较好的能量分辨率： 探测 wCo 1.17MeV和1.33MeV 谱线时得到的谱峰的FWHM 值达到25 KeV61;近期研究表明，这种探测器对 57Co 122KeV谱线的分辨率可达到4.55 KeV,对 n7Cs 662KeV谱线的分辨率可达到10.12 KeV1 M-fl-N型探测器的漏电流相对 较小，具有均勻的电场分希和比较稳定的工作性能，近期的研究表明，M-11-N 型探测器在25 C和250V电压下，0.5mm厚的晶片中的漏电流在60pA/mm 2以 下，因而具有较好的能量分辨率：对 57Co 122KeV谱线的能量分辨率可达到3四川大学硕士学位论文UKeV，对 l37Cs 662KeV谱线的分辨率可达到2.4 KeV,对 55Fe 5.91CeV谱线的 分辨率可达到0.42KeV，对 24lAm 59,5K_eV谱线的分辨率可达到0_62lieV但 M-n-N结构的的制作工艺比较复杂。近年来，人们对CdTe 探测器进行了更多 的研究，发展了 Schottky结型探测器，同时还开发了 CdTe阵列探测器。Schottky 结型探测器具有较低的漏电流，因而具有较好的能量分辨率 |8)，对 24lAm 59.5KeV谱线的分辨率可以达到 l，5KeV ，但探测器的工作稳定性较差。CdTe探测器的优点在于有较大的平均原子序数，对射线有较高的阻止本 领，探测效率较髙,且早在20世纪 60年代就得到了广泛的研究，材料制备技 术比较成熟。但这种材料的禁带宽度较窄，热激发产生的漏电流较大，限制了 这种材料的发展与应用。此外，CdTe探测器还有极化效应，20世纪70 年代以 来，通过改进材料制备技术和电极技术，这一问题得到了较好的解决，但至今 仍未得到彻底解决。U_2核辐射探测器HgI2S 20世纪70年代发展起来的一种新型核辐射探测器材料具有儿 个突出的优点：首先晶体的禁带宽度大（2.4eV ),室温下热激发产生的载流子 数目少，可制备出漏电流极小的室温探测器；其次用Hgl 2制作的探测器是匀质 体探测器，具有均匀的电场分布，有利于载流子输运；再次Hg 2的平均原子序 数高，对射线有很高的阻止本领，探测效率高；最后Hgfc 的电离效率高，有利 于制备出性能优良的探测器。用于制备核辐射探测器的11 2单晶体有两种生长方法其一是在丙溶液 中生长，其二是用气相输运法生长。用丙酮溶液中生长的Hgl 2.晶制作的核辐 射探测器，其电荷收集效率低，所以用于制作探测器的Hgl 2单晶体几乎都是通 过气相输运法生长的。到了 20世纪80年代，Hgl 2晶体的制备技术和探测器制 作技术己基本成熟 m。Hgl2单晶的电阻率高达10 13acm,是半绝缘材料，所以制成的核福射探测 器是匀质体光电导型探测器。常在Hgl 2晶体的两个平行表面上涂上石墨导电胶 以