（材料物理与化学专业论文）czt探测器电极制备工艺的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 碲锌镉( c d z n t e ) 是一种性能优异的新型室温半导体核辐射探测器材料。 c d z n t e ( c z t ) 探测器具有能量分辨率高、本征探测效率高的特点，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。目前，c z t 探测器成为当今研究的热点之一。c z t 探测器的制备工 艺特别是电极的制各工艺对于c z t 探测器的探测性能影响很大。本论文主要研 究了不同电极沉积工艺以及热处理工艺对于c z t 器件金半接触特性的影响，在 此基础上，还对c z t 肖特基型探测器的制备与特性作了初步研究。主要研究内容 与结果如下： l 、采用i - v 特性测试、超声波扫描( s a m ) 和电极粘附力测试了不同电极 沉积工艺对于a u 与p - c z t 之间接触的影响。研究结果表明，溅射沉积的a u 电极 附着力大，但会对c z t 表面造成一定的损伤，溅射a u 电极与c z t 不能很好地形 成欧姆接触。化学沉积的a u 电极可以与c z t 形成比较好的欧姆接触，其与c z t 表面附着力大，但是沉积工艺不易控制，电极不是很均匀。真空蒸发沉积的a u 电 极可以与c z t 形成比较好的欧姆接触，且工艺容易控制，电极层比较均匀，只 是其与c z t 之间的附着力比较低。但可以考虑通过增加沉积电极后的退火工艺 来改善这一缺点。 2 、研究了热处理条件对于真空蒸发工艺制备的金属电极与c z t 接触特性的 影响。通过在不同温度、不同时间和不同气氛下对c z t 接触电极的热处理研究， 找到了理想的热处理工艺条件。结果表明，a u 与p 型c d z n t e 在1 0 0 的空气 气氛中退火中2 个小时，欧姆接触系数提高到o 9 2 ，电极与c z t 之间的附着力 提高了2 7 。a 1 与1 1 型c d z n t e 在1 0 0 。c 的空气气氛中退火中2 个小时也可以 提高附着力。但是电极内部均匀性在退火后会有所下降。 3 、初步制备了两种c z t 肖特基探测器( a i n - c z t a u 和i n n - c z t a u ) 和 一种光电导型探测器( a 1 n c z t a 1 ) 。采用i v 特性测试的数据计算得出：a u 在两个肖特基器件中和n - c z t 的接触势垒分别为o 9 0 4 e v 和0 9 5 6 e v 。通过能 v 上海大学硕士学位论文 谱测试研究了光电导型和肖特基型两种c z t 探测器，发现a w n - c z t a 1 肖特基 器件的信噪比为2 高于光电导型的a i n - c z t a 1 的信噪比1 7 5 ，其能谱响应也 比a i n - c z t a i 结构探测器更好。 关键词：c d z n t e ，探测器，电极制备，电极接触，热处理 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a z n t e ( c z t ) ，w h i c hi san e wd e v e l o p i n gc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r , h a sb e e n r e g a r d e da sl e a d i n gm a t e r i a l sf o rr o o mt e m p e r a t u r en u c l e a rr a d i a t i o nd e t c c t o r s c z t n u c l e a rd e t e c t o rh a sac a p a c i t yo fh i g he n e r g yr e s o l u t i o n , 1 l i g hd e t e c t i o ne f f i c i e n c y , l i t t l eb u l la n dc a r lb ew o r k c da tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h e r e f o r ei ti sw i d e l yu s e dt o n u c l e a rs a f e t y , e n v i r o n m e n tm o m t o r i n ga s t r o p h y s i c s ，a n dm e d i c m ei m a g i n gs y s t e m n o w a d a y s t h ec z td e t e c t o rb e c o m e sah o tt o p i co fs t u d yi nt h ew o r l d t h e f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e so fc z td e t e c t o r sh a v eag r e a ti m p a c to nt h ep r o p e r t i e so f c z t d e t e c t o r s ，e s p e c i a l l yt h ee l e c t r o d ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , v a r i o u s d e p o s i t i o np r o c e s s e sf o re l e c t r o d ef a b r i c a t i o nw e r ed e v e l o p e da n dt h e i ri n f l u e n c e so n t h ed e v i c ep e r f o r m a n c ew e r es t u d i e d t h ee f f e c to f t h ea n n e a l i n go nm e n t a la n dc z t h a sb e e ni n v e s t i g a t e da n dt h ef a b r i c a t i o na n dp r o p e r t i e so fc z ts c b o t t k yd e t e c t o r h a v e b e e nd e v e l o p e d t h em a i nr e s u l t so b t a i n e da r ca sf o l l o w s ： 1 、t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ts u r f a c et r e a t m e n t sa n dd i f f e r e n te l e c t r o d ed e p o s i t i o n m e t h o d so nt h ec o n t a c to fa ua n dp c z th a v eb e e ns m d i a db ys c a n n i n ga c o u s t i c m i c r o s c o p y ( s a m ) ，s h e a r - o f ft e s t a n dc u r r e n t - v o l t a g e ( i v ) t e s t s p u t t e r i n g d e p o s i t i o nc a nf o r ma ue l e c 仃o d ew i t hg o o da d h e s i o n , b u tt h e r ew i l lb es o m e d a m a g eo nt h es u r f a c eb e c a u s eo f h i g l ls p u t t e r i n ge n e r g y t h ea u e l e c t r o d ed e p o s i t e d b yt h ee l e e t r o l c s sd e p o s i t i o nm e t h o da c h i e v e sg o o do h m i c - c h a r a c t e r i s t i cw i t hc z t , a n dh a sb e t t e ra d h e s i o nt h a nt h e r m a lv a c u u md e p o s i t i o n t h em e t h o do fe l e e t r o l e s s d e p o s i t i o nc a l ln o tb ec o n t r o l l e dw e l l ，s oi tc a nn o tm a k eau n i f o r mc o n t a c t t h ea u e l e c t r o d ef o r m e db yt h et h e r m a lv a e n u md e p o s i t i o nh a sl i t t l ed a m a g et ot h ei n t e r f a c e b e t w e e na ua n dc z t a n dt h et h e r m a lv a e n u md e p o s i t i o na ue l e c t r o d ec a nf o r ma u n i f o r mc o n t a c tw i t hg o o do h m i c - c h a r a c t e r i s t i c b u tt h ea d h e s i o ns t r e n g t hb e t w e e n a ua n dc z ti sp o o r w ec 姐i m p r o v ei t b ya n n e a l i n ga f t e rt h e r m a lv a e b b l n d e p o s i t i o na ue l e c t r o d e 2t h ei n f l u e n c e so fa n n e a l i n go nt h ec o n t a c tb e t w e e ne l e c t r o d ea n dc z th a v eb e e n v i i 上海大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t e d w ef i n dg o o da n n e a l i n gc o n d i t i o na f t e ra n n e a l i n gi nd i f f e r e n tt i m ea t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h ea d h e s i o nb e t w e c ne l e c t r o d ea n dc z ti m p r o v e sal o ta f t e r a n n e a l i n g , w h i c hc a nm a k eu po f t h es h o r t c o m i n go f t h ev a c u u mt h e r m a ld e p o s i t i o n a f t e ra n n e a l i n g2 h o u r sa t3 3 3 ki na i r , t h ea d h e s i o nb e w v e e na ue l e c t r o d ef o r m e db y t h ev a c a l u l nt h e r m a ld e p o s i t i o nm e t h o da n dp - c z ti n c r e a s e s2 7 ，a n dt h eo h m i c i t y c o e m c i e n to fa u p - c z ti se n h a n c e dt o0 9 2 t h ea d h e s i o nb e t w e e na ia n d n - c d z n t ew i l li n c r e a s e , t o o b u tt h eu i l i f o m l i t yo fm e t a lc o n t a c td e t e r i o r a t e sa f t e r a n n e a l i n g 3 t w ok i n d so fc z ts c h o t t k yd e t e c t o r s ( a i n - c z t a ua n di n n - c z t a u ) a n do n e k i n dc z t p h o t o c o n d u e t i o nd e t e c t o r ( a i n - c z t a i ) a l ef o r m e da n di n v e s t i g a t e d t h e b a r r i e rh e i g h t so ft w os c h o t t k yd e t e c t o r sb e t w e e na ua n dn - c z ta l e0 9 0 4 e va n d 0 9 5 6 e vi n d i v i d u a l l yt h r o u g hi - vt e s t sa n dc a l c u l a t i o n s t h er a d i a t i o ns p e c t r aw e r e c o l l e c t e dw i t l lc z ts c h o t t l 锣d e t e c t o ra n dt h ep h o t o c o n d u c t i o nd e t e c t o r t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es i g n a lt on o i s er a t i oo fc z ts c h o t t k yd e t e c t o ri sb e t t e rt h a nt h a to f p h o t o c o n d u e t i o nd e t e c t o r , t h ev a l u e so f w h i c ha l e2a n d1 7 5 a n dt h ec z ts c h o t t k y d e t e c t o rh a sb e t t e rr a d i a t i o ns p e c u 乱 k e y w o r d s ：c d z n t e ，d e t e c t o r , e l e c t r o d ef a b r i c a t i o n , e l e c t r o d ec o i l t a c t ，t h e r m a ll a a t m e n t 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：黼， 本论文使用授权说明 日期： 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 锄签名趔嗍斗 i i 上海大学硕士学位论文 第一章前言 射线探测技术无论是在核安全检测的国防领域，还是在医学成像和工业在 线监测的民用领域都发挥着极为重要的作用【“。要准确灵敏地检测高能射线， 就需要具有高分辨率的x 射线及y 射线探测器。c d z n t e 半导体探测器是一种 新型核辐射探测器，与传统的探测器相比，它具有很高的探测效率，更高的能 量分辨率，可在室温下工作，免除了添加液氮冷却装置的烦琐。而且，这种半 导体探测器易于加工成紧凑、高效、高分辨率的x 、y 射线成像装置，可广泛 用于安检、工业探伤、医学诊断、天体x 射线望远镜等方面，因此已成为当前 国际上研究的热点。 1 1 研究背景 半导体探测器是六十年代以来得到迅速发展的一种核辐射探测元件。它的 特点是：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 高，偏压低，操作方便，所以在核物理实验方面得到了广泛的应用，并在核科 学技术的许多应用中逐步替代了气体探测器和闪烁计数器。这也是核辐射探测 技术的一个重要发展。 自六十年代以来s i ，g e 半导体核辐射探测器得到了迅猛的发展。但是s i ， g e 半导体的禁带宽度较窄( g e 的e g 为0 6 6 e v ；s i 的e g 为1 0 6 e v ) ，所以必 须在低温下工作。而且由于s i 的原子序数小，所以探测效率较低。而g e 由于 它的能带宽度很小，用它做成的探测器只能在低温下运行。s i 。g e 探测器对应 用于核检测、医学成像以及天文学等领域所要求的高探测效率和方便的探测方 法都不能同时满足【2 翔。 掺杂碘化钠闪烁体虽然可以在室温下工作，但是能量分辨率较差，而且必 须与光电倍增管( p m t ) 一起使用。为了克服这些制约因素。实现能量分辨率高、 能在室温下高效率工作的能谱测量仪，人们开始把目光投向了化合物半导体探 测器。对于化合物半导体探测器，g a a s 核辐射探测器是工作在室温下并能取 得较好能量分辨率的一种化合物半导体探测器。但是由于材料的制备一般是采 上海大学硕士学位论文 用液相或气相外延技术得到的，所以只能得到较薄的高纯、高完整性的g a a s 材料，要想进一步增加厚度很困难。而且由于g a a s 的平均原子序数低，也使 它的发展受到了限制。目前g a a s 探测器只能对低能下射线才具有较好的能量 分辨率。h g l 2 具有大的禁带宽度( 2 1 e v ) 、高原子序数、大的体电阻率等优点， 所以决定了这种探测器可以在室温下工作，并且具有较高的效率和分辨率。但 是h g l 2 的传输特性相对较差，对于空穴更加严重，此外h g l 2 物理和化学性质不 稳定。c d t e 具有较大的禁带宽度和较高的原子序数，这种探测器可以在室温下 工作而且具有较高的能量分辨率，非常适合探测1 0 - - 5 0 0 k e v 的光子。但是c d t e 探测器中有较大的电荷损失，使它的能量分辨率降低，这主要是由于空穴的迁 移率降低、寿命短所造成的。尽管c d t e 具有约1 0 9 q c m 的电阻率，但在施加 高偏压试图改善电荷收集效率时，会引起漏电流和暗噪声。此外c d t e 探测器 还存在难以解决的极化效应问题，所以c d t e 探测器在实际应用中受到了很大 的限制【2 - 6 。 因此，在九十年代初期，人们把目光集中在了宽禁带、高平均原子序数的 化合物半导体材料c d z n t e 上，试图从材料的改善和电子技术上制造出高分辨 率、高能量探测效率而且无需液氮制冷的高能射线探测器线【7 棚。 1 2c d z n t e 材料 碲锌镉晶体属于立方晶系，面心立方点阵。对称元素有三个四次反演轴， 四个三次轴和六个对称面m 。它具有闪锌矿结构，与金刚石类似，区别在于它 由两类不同的原子组成。闪锌矿结构的晶胞，它是由两类原子各自组成的面心 立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度而构成的。每个原 子被四个异族原子所包围，z n 原子和c d 原子与其最紧邻的四个t e 原子形成共 价键结合。若z n 原子和c d 原子位于正四面体的中心，t e 原子就位于正四面体 的顶角，其键合方向和键夹角与金刚石结构相同【邺。 在碲锌镉晶体中，共价键是以s p 3 杂化轨道为基础的。但是其结合性质具有 一定程度的离子性。相邻的碲化镉或碲化锌所共有的价电子实际上并不是对等 地分布在碲原子和锌原子的附近。由于碲有较强的负电性，成键的电子更集中 地分布在碲原子附近，因而在碲锌镉晶体中，电负性较强的碲原子平均来说带 2 上海大学硕士学位论文 负电，电负性弱的镉原子平均来说带有正电，正负电荷之间的库仑作用对结合 能有一定的贡献。 碲锌镉晶体是一种极性晶体。可以看到它是由一系列的z n ，c d 在垂直于 1 1 1 方向看碲锌镉晶体的结构时，原子层和t e 原子层构成的双原子层堆积起 来的。可见每个原子层都是一个( 1 1 1 ) 面，由于异族原子的结合带有离子性，因 而这种双原子层是一种电偶极层。通常规定从一个i i 族原子到一个v i 族原子 的方向为 1 1 1 ，一个v i 族原子到i i 族原子的方向为 1 1 1 方向。并规定i i 族 原子层为( 1 1 1 ) 面，v i 族原子层为( i i i ) 面。碲锌镉晶体的( 1 1 1 ) 面和( 丽) 面的 物理化学性质有所不同。 碲锌镉晶体具有直接跃迁能带结构 。碲锌镉晶体的能带宽度随锌的百分 比不同而不同。它们之间存在一定的函数关系，有一些研究者通过实验得出这 个函数的经验公式。不同的研究者得到的经验公式有较大的差异：f p d o r y “1 的结果是： e g ( x ) = 1 5 9 6 4 + 0 4 5 5 x + 0 3 3 x 2 w s t a n d l e r 1 2 】等的结果是： e g ( x ) = 1 6 0 6 + 0 3 2 2 x + 0 4 6 2 x 2 锌的百分比在o - 1 0 0 的范围内，碲锌镉晶体的室温禁带宽度从1 4 5 e v ( 近 红外) 到2 2 6 e v ( 绿光) 连续可调。由于碲锌镉晶体具有较宽的禁带，价带中的 电子不会吸收红外光而得到能量向导带跃迁，因而不对红外光产生本征吸收。 由于其介电常数较小，红外透过时消光系数小，所以红外透过率较高。同时它 的晶格常数可以随锌含量的不同而加以调制，因而它是一种理想的用于生长 h g c d t e 外延膜的衬底材料。h g c d t e 是目前性能最佳的红外探测器材料。目前用 于焦平面阵列的h g c d t e 薄膜基本都是用外延的方法生长的。由于探测器材料对 晶格的完整性的要求极高，h g c d t e 外延膜对衬底材料的晶格匹配度的要求很高， 要求衬底材料的晶格结构与之相同，晶格常数尽量相同，衬底材料对红外光的 吸收小。由于晶格常数难以完全匹配，目前常用的衬底材料c d t e 和g a a s 都难 以满足不同成分的h g c d t e 外延膜的生长要求。碲锌镉晶体已经逐渐取代它们， 成为生长高品质h g c d t e 外延膜的首选衬底材料。由于同样的原因。它也是一种 上海大学硕士学位论文 性能优异的红外激光窗口材料。 碲锌镉晶体的另外一个重要的用途是制作x 射线与a 射线探测器。与其他 半导体材料相比，见表1 1 ，碲锌镉晶体有如下的一些适合半导体探测器要求 的优越特性。 表1 1 与c z t 有关的材料属性f 1 3 】 材料c z tc d t es i g eg a a s h g 2 原子序数( z )- , 5 0 4 8 ( 5 2 1 1 4 3 2 3 i ( 3 3 ) 8 0 ( 5 3 ) 密度( g c m 3 ) 66 0 623 35 3 25 3 6 6 4 0 禁带宽度e ( e v ) 1 5 01 4 71 0 60 7 41 4 32 1 3 工作温度( k )3 0 03 0 07 77 7 1 3 0 ( 3 0 0 ) 3 0 0 漂移迁移率 电子2 1 x 1 0 43 6 x 1 0 4 8 6 0 01 0 01 1 0 0一1 1 0 0 【m 2 ，( s v ) 1 空穴 11 1 0 4 4 2 x 1 0 44 0 041 0 05 0 电子0 4 2 0 7 8- 8 6 x1 0 41 0 41 0 - 38 x l o 。 町积( w ) 空定0 2 2 0 8 44 x l 驴1 0 55 x 1 0 ，3 1 旷 电阻率( o c m ) l o “ 1 0 91 0 3 。1 0 4i 0 2i o p1 0 1 3 1 3c d z n t e 探测器 碲锌镉( c d z n t e ) 半导体探测器是国际上近几年研究出来的一种新型射线探 测器。c d t e 和z n l b 的合金即c a z n t e ( c z t ) ，最高可达到1 0 1 1 d j c m 的电阻率。 c d l j x z n 。t c 材料( x 为0 1 o 2 ) 不仅具备c d t e 所有的优点，它还具有以下两个 特点：( 1 ) 更宽的禁带宽度及更高的电阻率( 最高可达1 0 “q c m ) ，因此可进一 步降低探测器的漏电流，提高能量分辨率；( 2 ) 由于z n 的加入，使c d z n t e 机 械强度提高。 c z t 可以用作h g c d t e 和h g z n t e 红外探测器的衬底材料f 珥】也可用作室 温x 射线和丫射线探测器【3 卅。c z t 之所以得到广泛应用是由于其禁带宽度和 晶格常数可以通过晶体生长中z n 和c d 配比的变化加以改变。c z t 的晶格常数 可以由z n t e 晶体的6 1 0 2 a 变化到c d t e 晶体的6 4 8 1 a 。因此可以通过改变c z t 的组分从而使得c z t 晶格与红外探测器相匹配【1 4 】。c z t 材料的禁带宽度大于 4 上海大学硕士学位论文 1 5 e v ，确保其作为室温高能核辐射探测器有足够小的漏电流。其高本征的载流 子迁移率和寿命乘积可以达到有效的电荷收集。 c d z n t e 探测器与其它半导体探测器相比，有以下的优点： 1 ) 原子系数自( 4 8 ，3 0 ，5 2 ) ，密度高( 6 9 e r a ) ，对x 射线和t 射线有很高的探测 效率。 2 ) 能量分辨率远优于闪烁晶体探测器，因此在能量色散系统中，如要选择 特定能量的光子或要消除衰减时被优先考虑。 3 ) 单个探测器以及组合成的阵列探测器可做得体积很小，能为成像系统提 供良好的空间分辨率。 4 ) c d z n t e 对光子作用产生的能量直接转换所产生的感应电流远大于闪烁 晶体，这有利于它在脉冲和电流两种模式下工作。 5 ) 有较高的电阻率和与c d t e 相比较小的漏电流。这有助于它在低能混合电 路和集成电路中应用。这种紧凑的低能电子系统对于空间物理研究用仪表、便 携式谱仪和一些医用探测器来说是必不可少的 c d z n t e 的主要缺点是它的空穴载流子收集性能较差。由于其空穴的迁移率 寿命( u - ) 乘积较低，光子能量增加时，会持续出现能谱的软化现象。它表 现为能量峰不对成，峰谷比例减小。而且c d z n t e 体生长仍处于研究阶段，要 得到单晶颗粒大、组分和结构均匀性好且电阻率高的材料仍比较困难，因此制 各高质量探测器的成本相对较高。c d z n t e 探测器的制备工艺也仍处于研究阶段， 特别是其电极的制备工艺以及器件的钝化工艺都还在研究之中，要得到器件表 面漏电流小，电极稳定，能谱响应性能较好的c d z n t e 探测器仍比较困难【1 5 】。 1 3 1c d z n t e 探测器的工作原理 x 射线和y 射线与物质的相互作用有许多可能的机制，但只有三种主要机 制在辐射测量中起主要作用：光电吸收、康普顿散射和电子对效应。这些过程 都是使y 射线光子的部分能量或全部能量转化为电子能量 1 6 1 7 】。 一、光电吸收 在光电吸收过程中，入射的y 射线光子在与吸收体原子相互作用中完全消 上海大学硕士学位论文 失。代之以一个相当能量的光电子从一个束缚壳层发射出来。在这个过程中， 光子与原子的整体相互作用，而不可能与自由电子发生相互作用。对于有足够 能量的y 射线，光电子最有可能来自原子中结合得最紧的k 壳层。光电过程是 较低能量的y 射线的主要作用方式。吸收材料的原子系数大时，这种过程也将增 强。 二、康普顿散射 康普顿散射相互作用过程发生在入射y 射线光子和吸收材料的自由电子之 间。入射光子把部分能量和动量转移给晶体中的自由电子，并由此产生电子 空穴对的过程称为康普顿散射。对于放射性同位素的发射的y 射线能量，尤其是 较高能量的y 射线来说，康普顿散射是主要的射线作用机制。任何一次相互作用 的能量传递都遵循能量守恒定律和动量守恒定律。每个吸收体原子的康普顿散 射几率取决于可作为散射靶的电子的数目。 三、电子对效应 当y 射线的能量超过一定量值时，与强电磁场( 如原子核库仑场) 发生相互 作用，y 光子转化成正电子和电子对，这一过程称为电子对效应。此电子对会 迅速相互湮灭，产生两个光子，并被晶体以光电吸收或康普顿散射的形式而吸 收。电子对的产生主要局限于高能y 射线，电子对的产生的重要性随能量的增高 而显著增加。 当y 光子进入c z t 晶体后，与c z t 的原子发生光电效应、康普顿散射或 电子对效应反应，产生电子一空穴对，在外加电场的作用下，电子一空穴对将 被电场分开，分别被收集电极收集，从而形成电脉冲信号输出，收集到电脉冲 信号的大小( 脉冲幅度) 对应于产生电子一空穴的多少，而产生电子一空穴的 多少是由入射y 光子的能量所决定。故探测器输出的信号也就对应于入射y 光 子的能量。器件的基本工作原理如图1 1 所示。 6 上海大学硕士学位论文 y - r a y x = 0 x = d 图1 1c z t 探测器基本工作原理示意图 1 3 2c z t 探测器的类型 目前国际上比较常见的c d z n t e 器件类型有：m s m 探测器、共面栅探测器 和像素阵列探测器，基本结构图如1 2 所示： (a)(b)( c ) 图1 - 2 三种基本的c z t 探测器几何形状示意图 ( a ) m s m 平板探测器( b ) 共面栅探测器( c ) 像素阵列探测器 ( 1 ) m s m 探测器 m s m 探测器是最简单的平板c z t 探测器。目前一般采用a u1 1 1 和p t 等金 属作为探测器的金属层。现在己获得稳定性很好的探测器，结合脉冲整形电路 可用作光谱仪。由于未能很好地解决低能量尾迹，目前还无法用于1 r 射线光谱 探测。 ( 2 ) 共面栅探测器 为了解决空穴收集特性相对较差带来的能量分辨率和电荷收集率差的问 题，研究人员设计出了共面栅结构探测器。共面栅探测器具有三端电极，阴极 7 秒涉 上海大学硕士学位论文 面加负高压，两个阳极分别采用不同的电压值，电势高的阳极为收集极，低的 为非收集极。两组阳极相互等间隔平行排列，产生的阳极信号分别输入两个前 置放大器，再经过减法电路得到探测器的净输出。在这种结构中，入射粒子电 离产生电子空穴对，电子在接近阳极前，两个阳极的输出信号接近，狰输出为 零。当电子靠近阳极时，由于两个阳极存在电压差，两个阳极的输出信号差别 变大，收集极阳极的感应信号急剧增大，同时非收集极阳极上的感应信号急剧 减小，因此净输出信号大小只与通过电荷感应区的电子数目有关，而与空穴的 收集无关，从而有效地克服了空穴输运性能差这一缺点。 ( 3 ) 像素阵列探测器 c z t 像素阵列探测器常用于成像系统，其基本结构是阳极由一系列尺寸极 小的方形金属电极所构成，每个像素电极上收集的信号都包含了与位置有关的 信息，将所有像素的信号整合便可得到探测对象的图像。 1 4c d z n t e 探测器电极的研究 1 4 1 金属与半导体的欧姆接触 欧姆接触是指这样的接触：一是它不产生明显的附加阻抗；二是不会使半导 体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。在实际中欧姆接触有很重要的应用。 下面将首先介绍影响金属与半导体形成欧姆接触的主要因素，而后在此基础上 讨论c d z n t c 半导体欧姆接触电极材料的选择及电极的结构。 一、金属和半导体的功函数对形成欧姆接触的影响 1 8 】 在绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级e f 以下的所有能级，而高于 e f 能级则全部是空着的。在一定温度下，只有e f 附近的少数电子受到热激发， 由低于e f 的能级跃迁到高于e f 的能级上去，但是绝大部分电子仍不能脱离金 属而逸出体外。这说明金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所 处的能级都低于体外能级。要使电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的 能量。所以，金属内部的电子是在一个势阱中运动。用e 0 表示真空中静止电子 的能量，金属功函数的定义是e o 与e f 能量之差，用w 。表示，即： 上海大学硕士学位论文 、m = e o - - ( e o 。( 1 1 ) 它表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的 最小能量。功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，w 。越大，电子越不 容易离开金属。 金属的功函数约为几个电子伏特；功函数的值与表面状况有关。随着原子序 数的递增，功函数也呈现周期性变化。 在半导体中，导带底e c 和价带顶e v 、一般都比e 0 低几个电子伏特。要使 电子从半导体中逸出，也必须给它以相应的能量。和金属类似，也把e o 与费米 能级之差称为半导体的功函数，用w s 表示，于是： w s = e o - - ( e f ) s( 1 2 ) 半导体的费米能级随杂质浓度变化，因而w s 也与杂质浓度有关。令x = e o e c ，x 称为电子亲合能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。 利用亲合能，半导体的功函数又可表示为： w s = x + e c 一( e f ) s = x + e n( 1 - 3 ) 式中e n = e c - - ( e f ) s 。 蹙世l k 卜忡毛 _ 国cd口l 图l 一3 半导体接触能带图( w r n w s ) ( a ) 接触前；( b ) 间隙很大；( c ) 紧密接触；( d ) 忽略间隙 设想有一块金属和一块n 型半导体，它们有共同的真空静止电子能级，并 假定金属的功函数大于半导体的功函数，即w m w s 。它们接触前，尚未达到平 衡时的能级如图1 - 3 ( a ) 所示。显然半导体的费米能级( e f ) s ，高于金属的费米能 级( e f ) m ，且( e 小- - ( e f ) 。= w = - - w s 。如果用导线把金属和半导体连接起来， 9 上海大学硕士学位论文 它们就成为一个统一的电子系统。由于原来( e o s 高于( e f ) m ，半导体中的电子将 向金属流动，使金属表面带负电，半导体表面带正电。它们所带电荷在数值上 是相等的，整个系统仍保持电中性，结果降低了金属的电势，提高了半导体的 电势。当它们的电势发生变化时，其内部的所有电子能级及表面处的电子能级 都同时发生相应的变化。最后达到平衡状态，金属和半导体的费米能级在同一 水平上，这时不再有电子的净的流动；它们之间的电势差完全补偿了原来费米 能级的不同，即相对于金属的费米能级，半导体的费米能级下降了( w 。一w s ) ， 如图1 3 ( b ) 所示。由图中明显地看出： q ( v s v m ) ：、v m w s( 1 - 4 ) 其中v 。和v s ，分别为金属和半导体的电势。上式可写成： v m s = v s v 。= ( w m w s ) q ( 1 - 5 ) 这个由于接触而产生的电势差称为接触电势差。这里所讨论的是金属和半导体 距离d 远大于原子间距时的情形。 随着d 的减小，靠近半导体一侧的金属表面负电荷密度增加，同时靠近金 属一侧的半导体表面的正电荷密度也随之增加。由于半导体中自由电荷密度的 限制，这些正电荷分布在半导体表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。 这时在空间电荷区内便存在一定的电场，造成能带弯曲，使半导体表面和内部 之间存在电势差v s ，即表面势。这时接触电势一部分降落在空间电荷区，另一 部分降落在金属和半导体表面之间。于是有： ( w m w s ) q = v + v s( 1 6 ) 若d 小到可以与原于间距相比较，电子就可以自由地穿过间隙，这时v k 很小， 接触电势差大部分降落在空间电荷区。这种紧密接触的情形如图1 3 ( c ) 所示。 图1 - 4 ( d ) 表示忽略间隙中的电势差时的极限情形，( w 。一w s ) q = v s 。半 导体一边的势垒高度为： q v d = - - qv s = w 。- - w s( 1 - 7 ) 这里v s w s ，则 在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中电场方向由体内指向表面，v s w s 时，能带向上弯曲，形成p 型反阻挡层；当w m w s 时，能带向下弯曲；造成 空穴的势垒，形成p 型阻挡层。 因此，对于给定的半导体，从上述功函数对金属一半导体之间接触的影响 来看，要形成欧姆接触，对于n 型半导体，应该选择功函数小的金属，即满足 w m w s ，使金属与半导体之间形 成p 型反阻挡层。 二、 表面态对形成欧姆接触的影响 上面讨论的是“理想表面”的情形，表面层中原子排列的对称性与体内原 子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。这种理想表 面实际是不存在的。在实际晶体表面上往往存在着微氧化膜或附着其它分子或 原子，这使得表面情况变得很复杂。理论研究发现，在晶体表面不附着其它任 何分子或氧化膜的情形下，半导体晶体界面处两边波函数都是按指数关系衰减， 这表明电子的分布几率主要集中在表面处，即电子被局限在表面附近。这种电 子状态就是表面态，对应能级称为表面能级。除了这种表面态以外，在表面处 还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态，其数值与表面经过的处 理方法有关。实际研究发现，表面态对半导体各种物理过程有重要影响，特别 上海大学硕士学位论文 是对许多半导体器件的性能影响更大。 当半导体的表而态密度很高时，由于它可屏蔽金属接触的影响，使半导体 内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上由半导体的表面性质所决定， 接触电势差全部降落在两个表面之间。当然，这是极端的情形。实际上由于表 面态密度的不同，紧密接触时，接触电势差有一部分要降落在半导体表面以内， 金属功函数对表面势垒将产生不同程度的影响，但影响不大，这种解释符合实 际测量的结果。根据这一概念，不难理解，当w 。 w s 时，也可能形成n 型阻 挡层。 1 4 2c d z n t e 电极制备研究的重要性 高阻c z t 材料的接触一直是人们研究的热点，电极接触的好坏很大程 度上决定了t 射线探测器的性能。即使所用的材料性能优良，但是如果没有一 个合适的接触，将导致探测器的性能明显下降。要制备出高分辨率的c z t 核辐 射探测器，必须在c z t 表面制备出良好的欧姆接触。这是因为对于高阻p 型 c z t 而言，欧姆接触不会产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡 载流予浓度发生显著的改变，可以防止半导体内部空间电荷区的积累，从而改 善因此可能导致的近表面电场的扭曲，以得到分布均匀的电场。因此，高阻c z t 材料欧姆接触的形成机理和工艺探索是获得高性能1 r 射线探测器的关键。 金属与半导体要形成欧姆接触如上节所述，对于n 型半导体，金属功函数 要小于半导体的功函数，因此满足此条件的金属材料有n h ，舢等。对于p 型半导体，金属功函数要大于半导体的功函数，因此满足此条件的金属材料有 a u ，p t 。但是功函数的差别不是决定接触电学性质的唯一因素，许多时候表面 态对于金半接触也会起很大的因素。 1 4 3 国内外研究c d z n t e 探测器电极进展 c d z n t e 射线探测器的主要工作原理是当高能射线照射到c d z n t e 材料上会 产生与射线能量成比例的电子一空穴对。当施加偏压电场时电子一空穴对向两 1 2 上海大学硕士学位论文 个相反方向移动，从而使电子一空穴对与体材料的电子和空穴复合，造成收集 信号减弱。也可能引起很大的噪音或者降低探测器的能量分辨率。目前国际上 报道的解决这个问题的主要方法是通过电路设计得以补偿，另一种方法是通过 改善其中一个电极设计来达到目的，还有通过表面处理来降低暗电流，这几种 方法对c d z n t e 探测器信号的收集都有改善。 国外多个国家对于c d z n t e 探测器的接触研究也做过相关的报告。美国的 s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s 与f i s ku n i v e r s i t y 合作用h i i l l 、h l a u 和a u a u 作为c d z n t e 探测器的接触电极 1 9 1 ，分别采用蒸发的方法制备a u 电极，采 用溅射的方法制备了p t 能谱，然后讨论了各种电极对于探测器漏电流和信号收 集的影响。美国的加州理工学院是用p t 做电极做了研究f 矧。发现在高的偏压下， 肖特基势垒的高度会降低，穿过势垒的热电子控制探测器的漏电流。在许多情 况下，暗电流并不是由体材料的电阻率来决定的，而是由接触的性能来决定的。 美国光电材料和器件中心对于平面对称的m s m 结构c z t 器件进行研究f 2 ”，确 定了在接触前表面处理各步骤对于之后电极接触的影响，也研究了金属和电极 沉积工艺以及表面氧化技术。英国的u n i v e r s i t yo fs u r r e 2 2 1 是在弱n 型的c z t 晶体上制作了a u -