（凝聚态物理专业论文）碲锌镉探测器的制备及性能研究(1).pdf

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 s 吣q i 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颓型 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、探测效率高、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( c d 。z n 。t e ) 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l o “q c m ) 、原子序 数大( 4 8 ，5 2 ) ，禁带宽度较大，且随z n 含量的不同，禁带宽度从 1 4 e v ( 近红外) 至2 2 6 e v ( 绿光) 连续变化。在室温下对x 一射线、y 一射线能量分辨率好，其能量探测范围在l o k e v - - 6 m e v 。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( h g c d t e ) 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c d 、z n 、 t e 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由 2 0 4 0 m m 的c d 。一；z n ，t e 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l 1 5 m m 的探测器，测试了c 、i n 、 a u 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 v 、i 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，同时测得的“1 a m 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，采用改进的富镉气氛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a u 、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：5 9 9 7 2 0 1 9 ) 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c d z n t e 欧姆接触 深能级 t e c h n olo g ya n dp r o p e r t io so fc d z n t ed e t e c t o r n a m e ：l ic a lp r o f e s s o r ：s h i f uz h u a b s t r a c t t h e r ei s p r e s e n t l y a w i d e s p r e a d n e e df o rl o o m t e m p e r a t u r e g a m m a a n dx - r a yi m a g i n g c a p a b i l i t yf o rb o t hm e d i c a la n di n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s t h ei n t e r e s tt o w a r dt h eu s eo fc d z n t ed e t e c t o rw a s g r e a t l y i n c r e a s e di nt h er e c e n t y e a r s b e c a u s e t h e y o f f e rag o o d t r a d e o f fb e t w e e nk e yp e r f o r m a n c e ，s u c ha st h ee n e r g yr e s o l u t i o na n d t h e a b s o r p t i o ne f f i c i e n c y ，a n d t h e c o m p l e x i t y o ft h e e x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t c a d i m i u mz i n c t e l l u r i d e ( c d z n t e li so n eo f t h e t e r n a r y s e m i c o n d u c t i n gc o m p o u n d so f i 1 v i t y p ew h i c hc r y s t a l l i z ei nt h e z i n cb l e n d e s t r u c t u r e ( s y m m e t r yf 一4 3 m ) b e c a u s e o fi t s h i g h r e s i s t i v i t y ( 1 0 “n c m ) ) ，h i g h a t o m i c n u m b e r ( 4 8 ，5 2 ) ，s t r o n g e n e r g y r e s o l u t i o na b i l i t yt ox - r a y ，a n d y r a y ，w i d ee n e r g yg a pw h i c hc a nv a r y f r o m1 4 e vt o2 2 6 e vw h i l et h exc h a n g e s aw i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n i s p o s s i b l e ：f r o m b i o m e d i c a la n di n d u s t r i a l i m a g i n g t o r a d i a t i o nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ld u et ot h e i rw e l l k n o w nc a p a b i l i t yt o o p e r a t ea tr o o mt e m p e r a t u r ew i t lm i n o rd e 晕a d a t i o no fs p e c t r o s c o p i c p e r f o r m a n c e i tj su s e d 抽s o l a rc e l l sa n ds e m i c o n d u c t o rd e t e c t o r sf o r a s t r o p h y s i c a lr e s e a r c h ，f o rx - r a yf l u o r e s c e n c e ( x r f ) a n a l y s i s ，i n d u s t r i a l g a u g i n g ，n u c l e a rp r o l i f e r a t i o nt r e a t yv e r i f a c t i o ne t a l ，a n da l s oi nl a s e r w i n d o wa n di n f r a r e da r r a y t e c h n o l o g ya ss u b t r i a t ef o rh g l x c d x t e c d t x z n x t es i n g l ec r y s t a lw i t hg o o dc r y s t a l l i n i t yh a sb e e ng r o w n b y t h e d e s c e n d i n ga m p o u l e w i t hr o t a t i o nm e t h o d b e f o r e t h i s ，h i g h p u r i t yc d = 一x z n x t ep o l y c r y s t a l m a t e r i a l sh a v eb e e n s y n t h e s i z e df r o m6 n c - dz nt ei n 也es g i l ea m p o u l e o n 廿1 eb a s i so f t h i s ，w ed e e p l ye x p l o r em e t h o do fd e t e c t o rf a b r i c a t i o n a n dw ea l s o s t u d i e dt h el e v e la n dd e n s i t yo ft r a p si nd e t e c t o r g o l d i n d i u ma n dc h a v eb e e nd e p o s i t e da se l e c t r o d e so n p o l i s h e da n dc h e m i c a l l ye t c h e d s u r f a c e so f s a m p l e sw i t ht h es i z e sf r o m5 5 1t o1 0 1 0 1 5 m m t o c o m p a r ed i f f e r e n tc o n t a c tt e c h n o l o g i e s t h eb e h a v i o ro fd e t e c t o r s l e a k a g ec u r r e n tw i t ht e m p e r a t u r ea n dl e a k a g ec u r r e n tw i t ht i m ew e r e s t u d i e da sw e l la st hc u r r e n t v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c st od e d u c et h el e v e l a n dd e n s i t yo f t r a pi nd e t e c t o r s t h er e s u l t ss h o wt 1 1 a t c r y s t a li n h o m o g e n e i t i e sa n ds u i t a b l e c o i l t a c t sa r ec r i t i c a lt ot h ef a b f i c a t i o no f h i g hq u a l i t y c d z n t e s p e c t r o m e t e r s t h em o d i f i e dg r o w t ht e c h n i q u ei san e w a n d p r o m i s i n g m e t h o df o r g r o w i n gh i g h l yp u r e a n d p e r f e c t c d z n t e s i n g l e c r y s t a l s g o o dq u n i t yo h m i cc o n t a c td e t e c t o r sa r ea c h i e v e dw h e ng o l d o ri n d i u m a r e d e p o s i t e d a se l e c t r o d e so n p o l i s h e d a n d c h e m i c a l l y e t c h e ds i l t f a c e k e y w o r d s ：n u c l e a r r a d i a t i o nd e t e c t o r c r y s t a lg r o w t hc d z n t e o h m i cc o n t a c t d e e pl e v e l s 叫i i 欠学顼j “学位论文 一、绪论 。 豢嚣捧核辐射探测器鳃发装状璇 菝辍嚣探瀑器作为实骏菝浚骥簿鼓术分支，封接糖理豹发震 鬃有重疆的作用。随着国民经济和科学技术的发展，化合物半导 体搽裂器捧为一嵇可强室瀑下工幸馨，对x 、￥射线青玻窿鲍撵测效 率和较好的能囊分辨率的禳辐射撩测器，在科学研究、孩安全、 环境监测、捩照学、窆闼飞行、袋矿工业等领域内已是一弛不可 缺少的探溅元件。纯台嵇半导体探溺器髓准确、迅速镳给懿新测 的结累，因丽它的应用日趋广泛，其发展将更加迅速和深入。 1 1 1 半导体核辐射探测器的发展 6 0 年代裙半导体探测器开始兴超，常用漪是镳漂移硗s i ( l i ) 、键漂移锩g e ( l i ) 、逡纯锩( h p g ) 探测器。对元素拳导体 来说，蕊已能帝l 备出适合予核辐射探测器要求静商纯、高究整性 材料，如惠纯g e ，薅纯s i 和商阻n t d s i ( 中子嬗变n e u t r o n t r a n s m u t a t i o nd o p i n g ) ，戴乡 在元素半褥体耪料上秘备p n 维 和欧姆绥触的披术也b 较成熟和完善，加上s i 、g e 单晶材料纯度 薅、竞整蠖磐、少数载瀛予寿寄长、迁移搴太( 迁移率寿禽穰可 达0 2 2 0 8 4 c m v v ) 所以自6 0 年代以来s i 、g e 半母体梭辐射 搽灏器藏缮到了逶蘧鳃发鼹，在蒂奄越予、x 射线帮y 菇缓翁能谱 测量中取得了粮好的能量分辨率，因此程核科学研究中的地位日 益提高。到7 0 年伐寒，s i 、s e 半导蒋菝矮嚣探灏器在诲多矮蠛魏 航天飞行、受控热梭反应、卫生防疫、食品裣验、工业、隧学、 生物黪护等簇域褥到了广泛熬应臻。僵俸建x 、￥封线漫4 量，s i 、 g e 半导体的祭带宽度较窄( g e 的磁为0 ，6 6 e v ；s i 的晚为1 0 6 e v ) ， 所以必绩杰 聂温下工作和保存，鼠s i 对￥射线的阻止本领较低。 为了竞熙半导体棱辐射探测器中s i 搽溅嚣对y 射线吸收系数 小、掇测效率低，g e 探测器必须冷却的缺点，实现能在室溅下工 作嚣虽麓量分辫率又嵩静鬻鼹，程绩太辩蠢馥台镑半罨俸舔灏器 材料进行探索研究。 瓣纠天学碾士学位楚文 。 。2g a a s 孩蠛射探测器 6 a a s 核辐射探测鼹是在盛温下工作并取得较好能量分辨率的 第种化合物半导体探测器。7 0 年代初，埃伯晗德( e b e r h a r d t ) 等人用液相外延生长技术得到了商纯、离完整性的g a a s 单晶材 料，角这种外薅高缝n 鍪g a a s 荦翕小片，通过囊空蒸发淀积余镧 备的直径为i 5 m m 的金表面势垒探测器，对”c o l 2 2 k e y 的y 射线， 萁携量分辨率( 掰勰) 为2 。9 5 k e y 。送是雳l l v 旅纯台秘半导俸耪 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 室瀑下成功建鐾瑷套竣婷麓攫分辨的第一耱纯台魏半导终搽溅 器。到8 0 年代初，由于g a a s 核辐射探测器还不能投入批量生产， 两且体积小，平均愿予序数述是较低( 与g e 豹趣嗣) ，所以没有 得到应用，使g a a s 核辐射探测器的发展受到了隈制。 随着科学技术的发展，到8 。年代末，用l e c ( l i q u i d e n c a p s u l a t e dc z o c h r a l s k i 液相丘克拉斯蕊法) 技术拉制出了半绝 缘来掺杂o a a s 单晶，以及桉辐射探测器制备工艺的改进，由原来 简革酶金表面势垒、镪欧姆接继改进为t i - a u 袋面势垒接触帮 n 卜g e a u a u 欧姆接触，使核辐射探测器的性能有了很大的提高。 在8 0 年代末帮o 年我裰，专f j 露开了嚣次有关纯合物半导体晶 体生长和核辐射探测器制备和应用的国际会议，促进了6 a a s 核辐 嚣攘溅嚣在l 谱测量、孩医学激及剡量蓬溺等镶域豹应髯l 。 1 。1 3g d t e 核辐射掇澳；嚣 c d t e 核辐射探测嚣的开发历史粮早，从6 0 年代初，c d t e 核 辐辩搽涮器作为计数器就齐始在有关领域往藤。c d t e 棱辐射探测 器有两类：一类是用密封锭区域提纯拉制的低阻( 电阻率为5 0 5 0 0 q 。c m ) n 望c d t e 孳螽，透过褥露、糖光、清洗、瘸馁，在样黼戆 正粥和背画分别真空蒸发a u 和i n 构成势垒和欧姆接触。此种探 测嚣i 翠度较藩，约1 0 0 # 孺左右，在室漫下慰5 5 f e 5 9 k e y 窝 “a m 5 9 5 k e y 的x 射线和y 射线有较好的能量分辨率，其f w h m 分 别为l 。l k e y 和1 7 k e v ，另一类c d t e 核辐射掇测器是鼹移动熔区 法拉制的电阻率为l o 吒1 0 9 q c n l 高阻n 型或p 型c d t e 荤晶切成晶 片，面后研磨、抛光、蒸发上i n 或a 1 电辍。铡贼的直经为5 m m 、 厚度为2 m m 的商阻c d t e 核辐射探测器，诧种探测嚣对”7 c s 6 2 2 k e v 和”c o i 3 3 m e v 的y 射线，其f w h m 分别为8 + 5 k e y 和1 4 k e y “。 在探测器的翱备工艺方磷，毒7 0 年 末，随着科学技术静发 展，人们研究了c d t e 核辐射探测器性能与材料性能、制备工艺、 旺珥人学瑚士学位论文 2 0 0 3 年5 月 晶体表面之间的关系。例瓣，p s i f f e r t ( 西弗特) 等人菠琥这类探 测器的蹲个主要闫题是存在极化效应鞠漏电流较大。这不仅与材 料本身豁程蔟有关，丽且与探测器隶l 蓊静表谣稻表颡艇醺寄关。 到8 0 年代束，c d t e 核辐射探测器的传统工艺被进行了改进。用功 滋数较蠢、静念藩镲徼一个接触彀裰，藤功函数较大瓣金骰嚣一个 接触电极，这样构成了m r in 结构的c d t e 核辐射探测器，使c d t e 棱辐黪深溅器在穗姿寒静臻压积零穗遥戆竞生茯褥模式鹣废蘑申 都得到了好的性能。 茧然器懿大黎嫠生产麓c d t e 禳赣辩揉裂器还浚鸯褥到授磐豹 能量分辨率，而且对空穴的收集比对电子的收集要滚，但它已在 许多镆壤得到了应爆，祷鄹是巍空瓣物理学霸竣篡攀领域。现在 随着c d t e 肇晶材率喜生长技术的改进和探测器性能的不断提高， e 艘e 拨辐射搽测器褒火翁热屡蔽顶都鼹收，核反瘦蠼射熊灌豹测 量，矿业安全便携式小登煤尘簖火仪，先生伏特射线帮鼙仪和各 糟类型的医疗诊断仪爆探钟等方蕊正在戏即搀得到广泛的应用。 1 1 4h g i ：核辐射搽测器 牮在7 0 年代司，荚圜锌就开始对t g i ：探测器进行研制。鄯8 0 苹伐米搜零基本残然，爨铡冬出的h g i ：探测器，裁攫分麟率接运 了s i l i 等半导律探测器，并逐步实现商品化。为满足航天航空 攀业及嗣步辐射蹬究妁需要，h g t 。搽测器又从零元式发展到多元黪 弼式，其真空操俸髓力，高注数率探灏和稳定性等褥到不断的改 善和提高。程国内，从八十年代切开始，四川大学晶体组和上海 摄子棱辚究掰稽继进行了h g t 。攀磊生长耜藤测嚣静研究工僚，霞 川大学的研究上取得了很好的结果，获得1 9 9 2 年国家发明二等奖。 孀予铡祷棱襄射窳铡嚣戆h g i 。革薅抟生长方法商嚣耱：一燕 采用蕊酮溶液生长的h g i 。单晶，用这种h g i ：翠晶制镑的核辐射探 测器，其龟蘅羧豢效率蕊，爱驳矮子剿餐逸l 。菝辐射探测翡& i 。 单晶几乎都不是采用液相法生长的，而是采用气相法生长的。 h g i 。萃搽熬电阻率离达1 0 “1 0 “叠，c 氇，是半绝缀数鑫体，翳 以构成的棱辐射深测器是匀质体电导型核辐射探测器汹。匀质体 邀导型梭辗射探测器是在一块半导其熬侮桴豆平行敬题个嚣上敛 上欧姆接触电极构成酶，它静灵敏区燕通过加在两欧姆谈触电极 上豹辫电压产生的。所以，这黏棱辐射探测器必须加足够高的电 捱谈漂证电荷静兖分收集。 h g i t 探测器有较高的能量分辨率，已经得劐了应用。但h g i 。 蒹淬的诧学稳定淫较差，常溢下寄器撵发，铡藏掭测器时必须避 行严格的密封处理；h g l ：晶体的化学活性较强，对电极有腐蚀作用， 目前能够成功应用的电极材料只有石墨一种；h g l ：晶体比较软，易 受损伤。此外，h g l ：探测器还存在极化现象，工作一段时间后，需 经过去极化处理才能继续使用。所以应用也受到限制。 1 1 5c d 。z n ，t e ( o z t ) 探测器 c z t 探测器是近年来发展起来的新型室温核辐射探测器。由于 c d t e 探测器的漏电流较大，使得能量分辨率较低，于是人们在其 中掺入z n ，使其禁带宽度增加，从而发展了c z t 探测器。c z t 探 测器具有较高的能量分辨率，目前尚未表现出极化现象。目前己 有c z 探测器投放市场，但绝大多数还是在低温( 一3 0 。c ) 左右工 作。因此还需要继续研究改进其性能。 11 6 其它室温半导体核辐射探测器材料 科兹洛夫1 2 ”( k o z l o v ) 等人报道了有关金刚石核辐射探测器电 学性能方面的结果：禁带宽度大( e 。为5 4 e v ) ，电阻率高达1 0 ”一1 0 ” q c m ，做成探测器后加1 0 6 v c m 的电场仍不击穿，室温下加几百 伏反向偏压漏电流仍很小( 只有1 0 - ) ，所以由漏电流引起的噪 声很小。这些结果表明金刚石是构成匀质体电导型核辐射探测器 的一种极好的半导体材料。现在的问题是金刚石材料来源缺乏， 单晶材料质量不高，制备成核辐射探测器后存在严重的极化效应， 从而影响了它的应用和发展。 用于核辐射探测器的其它化合物半导体材料有：z n t e 、b i ：s 。、 p b l 、c d s e 、a i s b 等。在这些化合物半导体材料中，a i s b 是用于 室温y 射线探测器的最好的材料。理论上计算的它的能带结构、 禁带宽度比s i 、g e 的大( 约1 6 6 e v ) ，原子序数比s i 的高，与 g e 的相当( z = 1 3 ，5 1 ) 。另外，它具有高的电子、空穴迁移率 h 。：1 2 0 0 c m 2 ( s v ) ，1 1 。：7 0 0c m 2 ( s v ) ，少数载濂子寿命为i m s ，所以 它作为高能光子探测器是一种很有潜力的材料。现在的主要问题 是制备出纯度高、净杂质浓度低( 1 0 ”1 0 “原子c m 3 ) 、完整性好的 a i s b 单晶非常困难。 1 1 7 几神常用的室温核辐射探测器材料的性能参数 目前，几种常用的室温核辐射探测器半导体材料的物理特性和 探测器性能见表1 1 。 表1 1 用于核辐射探测器的半导体材料的物理特性和探测器 【| - l ：大学硕上学位论文 2 0 0 3 年5 月 的性能 材料 s io eg a a sc d t e h g i 2c d s es i cz n t e 原子系数z 1 43 23 14 88 03 11 43 0 3 35 2 5 33 45 2 密度( g c m 3 ) 2 3 35 3 25 3 66 0 66 4 04 5 53 1 25 7 0 禁带宽度 1 1 60 7 41 4 31 4 72 ，1 32 0 32 22 2 6 e g ( e v ) 1 0 6 工作温度k 7 77 71 3 03 0 03 0 03 0 03 0 03 0 0 3 0 03 0 0 产生一对电 3 7 62 9 84 5 l4 4 34 26 31 3 2 子空穴对所 3 6 i4 2 5 需的平均能 量( e v ) 漂移电 2 13 6 8 6 0 0l 1 0 01 0 06 03 4 0 址子1 0 移率 1 3 5 01 0 4 c m 2 (空1 14 24 0 01 0 042 1 51 0 0 s v ) 穴1 0 1 4 81 0 4 0 平均电2 2 1 0 一一1 0 。61 0 - 62 5 3 8 i 寿命子1 0 呻1 0 呻1 0 呻 t ( s )l o 一一1 0 。 i 6 1 0 9 空 2 2 1 0 一2 57 7 穴 1 0 嵋 _ 1 0 11 0 9 l o 一1 0 7 l o 吨5 l o 啕 u t 电子 0 4 2o 7 8 8 61 0 11 0 q1 51 3 积 x ( c m 2 ) ( 1 0 一一( 1 0 1 1 0 6 v i 0 _ 6 )一1 0 + 7 ) 叫丈学硕”七学位论文 空穴o 2 2 o 8 44 x5 1 0 11 5 7 i_ ( 1 0 - 6l o 咱 l o 1 0 1( 1 0 “ )一1 旷 ) 电场e ( v c m )1 0 0 0 1 0 0 01 0 45 0 01 0 46 0 0 0 1 0 0 0 r 平均电 2 0 02 0 08 6o 516 x 鸯壶程子 1 0 。一 f 1 0 吧9 x 弘- - b- 1 0 一1 0 1 ( c m ) 空2 0 02 0 04 xo 0 2o ，i6 x 穴( 1 0 - 3 ， 31 0 一 - 1 0 一!9 x )1 0 4 探测器厚度最厚30 ，o l0 + 2o + 2 ( c m )i c m 电阻率 l o 。一l1 0 2l o 1 0 9 l o ” ( q c m )0 4 k 带能量 1 81 1 11 0 32 6 78 3 1 ( k e v )1 1 83 1 8 3 3 2 1 2 o d t e 、c d z n t e 半导体核辐射探测器 半母体探浏器主要用予y 射线的探渊和核医学成像。它的主 裂的优点包括：非常好的能量分辨率和能够被加工成 e 4 , 的单元 隧缓成空闻分瓣率菲常蔫赫成豫系统。律为探溺y 射线的探测器， 理想的半导体探测器应该具有：出色的能蹙分辨率、对被测y 射线 有好的隧籀麓力、低漏蠡浚、荔予揉作帮可戳搂受静价格。由良 上比较可知，能量分辨率最高的半导体探测器是锗( g e ) ，但它需要 工 乍在渡氮湿凌下，量邃为嚣常蜜荔产生表甏瀑魄滚数不爨舔作。 醚也有很好的能量分辨率，但它对y 射线的阻挡能力太差，所以不 能用于嫉医学。可以在室浸下工佟戆半导髂搽测器：h g i ? 、c d t e 和 c d z n t e ，虽然能量分辨率不如g e ，但比闪烁探测器要好。h g i ! 漏 电流，j 、，瞧它在室涅下是软约，易濑孵、撵发，爨要将殊载搽馋技 术。c d t e 由于有很大的漏电流及尺寸太小，应用也受到很大的隈 s 四川大学顺卜学位论文 制。 为了克服半导体核辐射探测器对射线吸收系数较小，探测效 率低，g e 探测必须冷却等特点，实现能在常温下工作而且能量分 辨率又好的目的，人们对用于制备核辐射探测器的化合物半导体 提出了如下几点要求”。： ( 1 ) 高的原子序数( 平均值) ，对y 射线较高的探测效率： ( 2 ) 禁带宽度大，可在室温下工作； ( 3 ) 高纯度和完整性，好的电荷收集特性： ( 4 ) 少数载流子的迁移率和寿命乘积要大，这样可以减轻陷 陡俘获效应影响，使探测器有好的能量分辨。 因此，目前能满足这些条件的一族化合物半导体半导体有 c d t e ，c d s e ，c d z n t e ，其中c d z n t e 是近年来发展起来的种性能 优异的新型化合物半导体材料。 与其他半导体材料相比( 见表1 ) ，c d 。z n 。t e 晶体有如下一些 适合半导体探测器要求的优越性质。 碲锌镉原子系数高( 4 8 ，3 0 ，5 2 ) ，密度高( 、6 9 c m l ) ，这 个特点表明它与低能光子间存在着较强的光电效应。因为我 f i n n 道半导体光电吸收系数。c 旷“p z j ，e 是入射能量，p 和z 分别是 材料的密度和原子序数。c d z n t e 晶体的原子系数高、密度大，对 x 射线和y 射线有很好的阻止本领和相当高的灵敏度。 单个探测器的面积或单块组合成的阵列探测器可做得很 小，能为成像系统提供良好的空间分辨率。 o c d z n t e 探测器的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。 c d z n t e 探测器较高的电阻率和与c d t e 相比较小的漏电流， 使得它们被用于低光子能量色散系统，如x r f 。 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。 c d z n t e 较低的漏电流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。 此外，由于c d z n t e 禁带宽度大，因而能被制成室温半导体探 测器。与之相比的是s i ，g e 半导体探测器，由于其禁带宽度窄， 热激发导致的电子躁声大，只能在液氮下保存和使用。h g i ：也是一 种优异的x ，y 射线探测器，但是h g i 。在空气中易于挥发，限制了 它的应用，因而，可以说c d z n t e 是h g i ：的最有竞争力的对手。 c d z n t e 的主要缺点是它的空穴载体流子收集性能较差。由于 四川太学硕士学位论文 其空穴迁移寿命积( ut ) 较低，光子能量增加时，会持续出现能 谱躲软化现象。它表现为能鬟峰不对成，峰谷比例减小，光峰系 数下降。这些缺点可以通过菇体制备质爨和电子学技术方面的改 进来弥补。最近的研究发现：当c z t 被分割成小的阵列，其中每一 个单元酶大小要比探灏器的簿度小，并益穗用正电压僚黉时，潦位 效应会大大地改善。 c d z n t e 搽测器可以骰褥较，l 、。对3 m m x3 m m x2 m m 搽溯器。粼置 前置放大器后的体积比普通钢笔还小”，携带方便。这种微型探测 器i 搴逶雳予棱枣葶料斡n d a 拨查溅豢窝乏燃辩豹测量积鉴视。 目前，c d z n t e 探测器不仅在x 射线，y 射线成像，x 射线荧光 分缀，天体物理镢究，工业梭测，核扩教条约验诞，x 辫线颤屡扫 描和核医学等方面有熬要用途，而艇作为最重要的红外探测器半 导体材料t ；c d 。t e 的羚延生长衬底，c d 。z n ；t e 可以通过调熬z n 的百分比与任何组合的瞻。e d ，t e 实现晶格鹾配。此外，c d z n t e 还 可用做量子超晶格的外延衬底，太阳能电池，光电调制器和激光 密f j 等。 1 3 半昂体探测器的工作原理 1 3 1 探测器原理 蔫予辑线测量的探测器裔个共同酶工作蘸疆，藏楚射线被探 测器阻止而损 耗麓量，并由这 部分能量来产 生信号。 半导体探 测器是秘反 向偏置的p - n 缨= 极管。它实 质上是个固 体电离室，工作 舔理与气体毫 离童的相似，不 霹的是籍l 半导 图1 1 半导体搽测器的工作撅理圈 荷灵敏前置放大 体如硅，锗取代了通常气体探测器中的气体。农气体电离室中射 线傻气体迄离形成霹移动| l 奄瞧子秘鬻子( 产生个可移凌酶电蕊 四川大学硕l 学位论文 需要3 0 e v 的能量) 。 在反向偏压下，半导体p - n 结形成一个具有一定厚度的耗尽 区，当射线入射到耗尽区时，射线和物质相互作用，产生电子一空 穴对。电子 与空穴在耗 压u 正比于 图12 探铡器和电荷灵敏前置放大器连接的等效电路 入射射线在 耗尽区中所损耗的能量，即 。：鱼：生 cc 式中：e 是入射射线的能量；q 是电子电量；e 是产生一电子 空穴对所需要的平均能量；q 是入射射线在耗尽层中产生的总的电 离电荷：c 是探测器的结电容c 。和杂散电容c ；的和。 探测器输出的电压幅度与电容有关，探测器电容是在给定偏压 和频率下探测器两电极间的总电容，p - n 结探测器的电容主要是指 反向偏压下的结电容，即耗尽层电容： c 。：上尘一 ( 1 2 ) 4 n t 式中：w 是耗尽层厚度( um ) ；s 是探测器的灵敏面积( c m 2 ) ：为 材料的介电常数。当半导体探测器在全耗尽状态下工作时，探测 器的电容为 r ：! !( p f )( 1 3 ) 36 z c 式中是探测器晶片的厚度( c m ) 。 当探测器在部分耗尽状态下工作时，探测器的电容为 g ：j j 盟 k ：堡( p f ) ( 1 4 ) 。2 ( 吒一矿) 。 w 其中，分别是势垒区内建电势差和外加偏置电压，k 9 州川太学坝上学位论文 为旌主杂质浓度。结电容是探测器的重要参数之，主要与探测 器的噪声和输出脉冲的幅度以及上升时间有关。在确定入射粒子 的绝对熊量值时必须测定探测器电容的数值。勇外，为了计箨探 测嚣最佳能量分辨率也需要知道探测器的电容。此外根据探测器 酶容压德和特髋可戬推算岛探灞器的耗尽层浑震。探溺器豹电容 由耗尽层电容和封装电容组成。前者与偏压有关，后者为常数。 所以要分开这两个电容是可能的，方法是终探渊耩电容以爱向工 作电压函数c v ”2 的曲线。，然后把这个曲线外推到电压为0 时在纵 辅( 电容被) 上酶截距即为封装电容。 由( l 1 ) 式可知，探测器输出脉冲幅度等于( 为了简单，暂不 考虑杂散电容的影确) 耗尽区内电旖的变化，探测器电套导毁的 改变，对实际测量来说，是不希望有的。所以，对半导体探测器 的输出脉冲，委采用电荷灵敏前置放大器来放大，其等效电路如 图2 2 。电荷灵敏前鬻放大器的原理图觅凿1 3 。 图1 3 中，c ，为放大器的反馈电容；k 为输出和输入极性相反 静开环电压放大倍 数：q 为半导体探 溺器酌输出毫芬； c 。为探测器的电 容；c 。为放大器於 输入电容( 不龟括 熬影响) 与分布宅 容之和。 由圈i 3 可见， c ，两端电压幅度 t l l - = u ，一j t 。，= ( 1 + k ) u 。， e 。上的总电荷量 图1 3 电荷灵敏前置放大器的原理图 q 严c 汕= ( 1 + k ) c ru ，。由此可见，就c 。对放大器输入端的影响来说， 与输入添并接令奄容( 1 k ) e ，簿羧桑辐黼。开垮教大倍数越大， 动态输入电容也越大。由于c f 的作用，放大器输入端的总电容为c 总= c 。十e ；+ ( 1 + k ) s f 这时蘸置放大器输入电压为。 型 o + o + ( 1 + k ) g 如果j ( 】，且( 1 + k ) e 。 ( e 。十c 、) ，则 。：望。旦( 1 5 ) 瞪川赶学硕士学位论文 ( 1 5 ) 式袭嘴，溺满足上述条件时，放大器的输入电压u ，楚 揉测器嫒集电聋q 豹线鐾至函数，且基本上与探测器电容c 。匏变化 无关。这一点正惩实黼涌量饼希望的。 c z t 攥测器输出的汛号，通过前爨赦大器的初步放大莘处理， 再输人圭放大嚣避一步藏大犟薅残掰，轰螽输入多道稼挣蓓凄分辑 图f 4c z t 探测器的谱仪结构框图 器进行分折处理，给出数据和谱图。整个搛测器谱仪系统的结构 疆溪翅委i 。4 繇录。 t 3 2 攀罢转探测爨的类型 半导体探测器有好几釉类型，按材料分类的肖避、锗及化台物 半铎体探灞器：按应麓分类斡存繁逸粒予、重离子、中子、x 辩 线和y 射线探测器；拨取信号方式分类的有具有幅度分辨性能的 搽测器、侔诗数翡裁爨蕊瓣蘑麓搽溺器、侠对弼赡痊豹攘溅器以 及位置灵敏探测器。这里我们根据获得灵敬体积所采用的不同工 艺分为热下塑炎，霹匀凄落奄导垂搽溅嚣，绝型( 嚣垒结、扩鼗 结、离子注入缩) 探测器，镊漂移探测器j f n 特殊类型的半导体探 测搭。 i 匀质体电蹲型探测器 最麓单鲍半导蒋探测嚣照在一块半导传晶俅相互平行豹两题 上儆上欧姆接触电极祷成。这种探溺器耐匀质休电导受探测器， 它的灵敏区是邋过场感应产生的。出于这种探测器必须加足够高 静逛弱，电荷收集考熊完全，所戮它翁健霜受剽鞭镪。嚣蓊遥台 构成这季中探测嚣的半导体材料有碘化汞、盒刚石。其他如硅和锗， 虽蕊有俘获串心少、少数载流予寿愈长酌特点，毽鸯予它弱酌逮 阻率太低，所以不能作为这类探测器的材料。早期制祷的匀膝体 电导型豢测器只戆露律诗鼗器瑟不簸建予麓谱淤建，敬又稼它为 刚j ic 大学硕卜学位论文 匀质体电导型计数器。 2 结型探测器 采用热扩散或离子注入工艺来构成结探测器和用面垒工艺制 各的表面势垒探测器统称为结型探测器。 3 扩散结探测器 用热扩散方法往晶体中 掺进与体材料电导类型相反 的杂质，通常是在p 型材料中 进行磷扩散形成n - p 结，构 成探测器。这种探测器的窗 ( 死层) 较厚，而且由于扩散 需要高温( 1 0 0 0 。c 左右) ，结 果降低了少数载流子寿命。所 以扩散结探测器比其他结型 探测器的能量分辨率要差些。 这类探测器的p n 结能带图 见图1 5 。 了淮k ， i 鎏车巳 图1 5p - n 结的能带图 热平衡时，费米能级e f 为常数，在n 型和p 型区中处于同一位 置，这时载流子漂移电流和扩散电流相抵消。 加上偏压后，势垒升高或降低。正向偏压使势垒下降，扩散电 流随电压指数上升。反向偏压使势垒升高，此时仅少数载流子漂 移运动对电流有贡献，而且随所加偏压的增大丽缓慢增加，最后 达到一饱和值。耗尽层随反向偏压的增加而加厚并构成p n 结核 辐射探测器的灵敏区。 4 离子注入p n 结探测器 在n 型或p 型半导体材料上，用离子轰击的方法在半导体表面 掺杂，形成一个很浅的p + 或n 层，从而构成p - n 、p - n + 或p - p n + 、 p * - p n 结构的探测器。目前用离子注入技术已能制备出位置灵敏 探测器、p i n 电流型探测器和快中予剂量计。另外，离子注入与 氧化物钝化保护、光刻等平面工艺相结合，可制备出在室温下漏 电流小于l n a c m 2 1 0 0um 的p n 结探测器。面积为2 5 m m ：的这种 探测器，在2 2 对粒子“1 a m 5 4 8 6 m e vn 粒子，能量分辨率的最好 值为1 0 0 k e y 。 5 表面势垒探测器 在半导体单晶片的表面真空蒸发沉积某种金属层以形成整 流接触( 例如金一硅表面势垒) ，在另一面上真空蒸发沉积另一种 金属层( 例如铝层) 或用电化学方法镀层( f f , j 女d 镍层) 形成欧姆 接触所构成的探厕器，郎为表面势垒探测器面垒型探测器。其耗 凹i i 大学顺二l 学虚论文 尽区的形成是基于金属一半导体接触的肖特基势垒效应。这种探 测爨靛整个工艺滚程不涉及惑湿，零甚料能像持原来豹良好物理特 性。影响金属一半导体表面势垫的因素较多，而且其中有些例如 氧和水蒸汽对表艇势垒影成过程的影响等惑末完全搞清。 6 锂漂移型探测器 锂漂移型探测器就是在一定的电压和温度下，使锂离子漂移进 半譬体内，补偿锗( 磕) 中的镓( 稀) 雨镧备成的半导俸探溺器。 7 特殊类型的半导体探测器 ， 位霉灵敏探溺器，醚雪臻掇溅器释核试验中专精戆p - i n 探测 器、m o s - c 探测器等，眭j 于它们与半导体探测器一般的工作原理不 完全群，著其育一般深测嚣耩不樊各豹褴能，我们称这些探测 器为特殊类型的半导体探测器。 1 4 半导体探测器的主要参数 1 4 1 能量分辨率 探测器的分辨率包括空间分辨率、时间分辨率和能量分辨率 三令方垂。空斓分辨枣是指黪列式多通道探测器慰室蚓立体爨的 分辨能力，常用能够分辨一寇距离的线宽来表示。本研究中只讨 论单通道探测器，不涉及空间分辨警的闻题。时间分辨率是搬攘 测嚣能够分辨的两个信号的时间差，它要求探测器具有较短的响 应时问和余辉时间。 能量分辨率是表瑟探测器性能的一个麓要参数，惫指把鞠近 能髓的谱线分开的能力。常以谱线的半高宽或相对线宽泉衡最。 - - 9 定义方法是臻谱簿的半离窕与落峰豹麓羹之琵来表示麓蘩分 辨率。即 职= 譬( ) “ 这一定义方法具有普遍悛的含义。 探测器熬熊量分辨率主要受到瑟统噪声的影响，系统噪声越 大，能量分辨率就越低。影响半导体探测嚣能量分辨率的主要因 素楚：1 ) 粒子( 射线) 在耗尽区内产生电子一空穴对的统计涨落； 2 ) 载流子的复合，俘获而造成的电旖损失；3 ) 深测器霜电予学 系统的噪声；4 ) 探测器窗口厚度和放射源的强度。 1 4 1 1 在耗尽区内产生电子一空穴对的统计涨落 入射粒子在半导体灵敏区内损耗能量产生载流子数目的统计 性质决定了探测器所能达到的能量分辨率的极限值。 给定能量( e ) 的射线，在耗尽区内损耗能量而产生电子一空穴 对，其数目为n = e w 。由于入射粒子在探测器内部损耗能量，一部 分用于电离激发，另一部分则是非电离激发，丽这两部分之间的 分配是随机的，因而探测器吸收一定能量在耗尽区内不是任何时 f 刻都产生同样数目的载流子( 电荷数) ，而是围绕平均值= 竺有 w 一个涨落，并遵循统计规律。如果每一个致电离光子产生的载流 子的平均数目大于几百，其分布便是高斯分布。由于统计涨落使 分布有个偏差，这种偏差造成谱线展宽，展宽的大小为r t ( 又 称为固有的极限能量分辨率) ： aq = 2 3 5 5 ( w e f ) ”2 ( 1 。7 ) 式中：w 是产生一对电子一空穴所需要的平均能量( 实验表明， 在一定温度下，它与入射光子的类别和能量无关。) ：e 是入射粒子 的能量：f 是表征探测器材料性能的法诺因子。 肖克利和克莱因己推导出耗尽区厚度和禁带宽度关系的表达 式，两种处理方法都导出了形成一个电子一空穴对所需的闽值并导 出了所包括的声子能量损失项。克莱因关系式可拟合为： w = 2 6 7 e 。+ o 8 7 ( e v )( 1 8 ) 这个数据指出：使用较大禁带宽度的材料会产生较小的输出 讯号。 1 4 1 2 核碰撞的影响 核碰撞的影响导致脉冲幅度的亏损和对能量分辨率的影