（材料物理与化学专业论文）cdse单晶体生长工艺与探测器性能研究.pdf

冈川大学博七学位论文 2 0 0 6 年4 月 c d s e 单晶体生长工艺与探测器性能研究 材料物理与化学专业 研究生：任锐指导教师：赵北君 硒化镉( c d s e ) 晶体平均原子序数高，对射线的阻止本领强；禁带宽度大， 电阻率高，漏电流较小；载流子的迁移率一寿命积较大，电荷收集效率高；化 学稳定性好，不潮解，机械加工性能好由于其具有上述优点，使c d s e 成为 一种新型的性能优异室温半导体探测器材料。但由于获得高质量的c d s e 单晶 比较困难，器件加工及制作工艺也还不成熟，制约了人们对c d s e 核辐射探测 器的深入研究及其核辐射探测器的应用。 目前，生长c d s e 单晶的技术中，熔体生长技术需高压装置，且生长晶体 电阻率较低：i 癖剂生长技术在晶体内部会残留微量熔钠，影响晶体性能；气相 生长技术，因能制备出性能较好的单晶，电阻率达1 0 6 q c m 而优于其余两种技 术。但也还存在着一些尚未解决的问题，如完整性不够好、电阻率还不够高， 使得生长晶体的质量还不够理想。为了改善探测器的性能，人们在器件加工制 作工艺的研究上敛了一定的工作，探测器的性能得到了一定的改进。但是能量 分辨率仍然不够理想，工作稳定性也尚需进一步的提高。所以还需要对c d s e 晶体生长和探测器制备工艺及其性能进行深入研究。 本文对c d s e 单晶气相生长过程中的热力学参数进行了研究，计算了封闭 体系中不同系统总压下平衡气相组成的变化，发现随系统总压力增大，平衡气 相组成中分解组分所占的比例减小，晶体完整性增加；获得完整性较好单晶体 的热力学条件是，采用较高的平衡蒸气压和较小的温度梯度；同时通过对c d s e 四川丈学博士学位论文2 0 0 6 年4 月 多晶原料热失重曲线的研究，计算出部分晶体气相生长动力学参数，并对晶体 稳态生长时。提拉速度应满足的条件进行了讨论。 根据c d s e 晶体生长的热力学及动力学研究结果，进行工艺优化，在改进 的两温区单晶生长炉中采用气相提拉法生长出等径部分达1 4 x 4 0 m m 的c d s e 单晶体，电阻率可达到1 0 9 q c m 量级。性能表征表明晶体完整性较好，内部缺 陷较少，品质较高。适合于制作核辐射探测器。 研究了c d s e 晶体在不同气氛及真空中退火后的正电子湮没寿命，红外透 过和吸收以及i v 特性的变化，分析了晶体在不同热处理工艺中的组成、结构 及性能之间的联系。研究结果表明，在s e 气氛中退火，很难使探测器的性能改 善；而晶体在真空中5 0 0 退火4 8 小时后，探测器的电学性能得到明显的改善， 漏电流大幅度降低，有利于提高探测器的性能。 测试了不同表面处理工艺下晶体的s e m 、x p s 及i v 特性的变化，分析 了不同表面处理工艺对c d s e 晶片电学性能的影响。研究结果表明，在溴甲醇 腐蚀晶片过程中会致使一定量的溴残留在晶片表面上，对降低晶片的漏电流起 负面作用，因此溴甲醇腐蚀工艺对降低晶片漏电流的作用有限。双氧水钝化对 1 晶片表面的溶解作用使表面残留的溴含量减少，漏电流得到较大程度的降低。 通过控制钝化时间可使c d s e 晶片表面结构平整致密，从而获得较佳的电学性 能。同时双氧水钝化处理会增加表面上氧的含量，降低漏电流。因此提高探测 器性能的最佳表面处理工艺是：c d s e 晶片经溴甲醇腐蚀3 0 秒后再钝化4 0 分钟。 使用不同材料在c d s e 晶片上制备电极，并测试了i v 特性，分析了不同 材料制备电极的接触特性。研究结果表明，在c d s e 晶片上制作c c 电极，接 触特性基本上是欧姆接触，有利于提高探测器的工作稳定性；a u - i n 电极接触 在c d s e 晶片上形成了肖特基势垒接触，有利于降低器件工作的漏电流，提高 分辨率；同时具有对称的m s m 结构，正、反方向施压，晶片中的电场分布和 载流子浓度均基本不变。对于提高探测器的工作稳定性有利。增大探测器的正 极面积对于提高电荷的收集较为敏感，增大负极面积会导致电子注入增加或改 懿 四川大学博 学位论文 2 0 0 6 年4 月 变器件中载流子浓度及电场分布，从而导致器件的性能下降，稳定性降低。 研究制备出c d s e 核辐射揉测器，在室温下进行对2 4 1 a m 辐射的能谱测试。 结果表明：退火处理及表面钝化可改善c d s e 核辐射探测器性能。采用c c 电 极接触制各的c d s e 探铡器对州a m5 9 5 k e y 的能量分辨率达1 2 4 7 ，连续工 作最长达4 个多小时，谱峰没有明显恶化，表明探测器稳定性较好；使用a u ( - ) i n ( + ) 的电极接触制备的c d s e 探测器对2 4 1 a m5 9 ，5 k e y 的能量分辨率达 1 0 ，器件在3 0 m i n 的测试过程中计数率稳定。 关键词：c d s e 晶体生长核辐射探测器能量分辨率电阻率表面钝化 i i i 四大学博士学位论文2 0 0 6 年4 月 s t u d i e so ng r o w t ht e c h n i c so fc d s es i n g l ec r y s t a l sa n d p e r f o r m a n c eo fr o o m t e m p e r a t u r en u c l e a rr a d i a t i o n d e t e c t o r s s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp h y s i c sa n dc h e m i s t r y p h d c a n d i d a t e ：r e n r u it u t o r ：z h a ob e i j u n c a d m i u m $ e l e n i d e ( c a s e ) s i n g l ec r y s t a li sr e g a r d e da so n eo f t h em o s tp r o m i s i n g m a t e r i a l s f o rl o o mt e f f l p e r 越u r en u c l e a rr a d i a t i o nd 嗽h u tt h ef h r t h c rs t u d i e sa n da p p l i c a t i o no ft h i s n u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o ra r e s t r i c t 甜b e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t i e so np r o d u c i n gh i g hq u a l i t y c d s es i n g l ec r y s t a l sa n dn os u i t a b l et e c h n o l o g yf o rp r o c e s s i n gt h i sd e v i c e s i nt h i sp a p e r , t h et h e r m o d y n a m i c sa n dd y n a m i c so fc d s ec r y s t a lv a p o rp h a s e g r o w t ha r ea n a l y z e d ，a n dp a r t s o fd y n a m i cp a r a m e t e r si n c r y s t a lg r o w t ha r e c a l c u l a t e d b a s e do nt h er e s e a r c h e so ft h et h e r m o d y n a m i c sa n dd y n a m i c so fc d s e c r y s t a lv a p o rp h a s eg r o w t h , w ei n t r o d u c e dm o d i f i e dt w o - z o n et l , m a c ev a p o rp h a s e p u l l i n gm e t h o dt og r o wh i 班q u a l i t ys i n g l ec r y s t a l s w i t hg o o di n t e g r i t y , h i g h e r e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ya n das i z eo fm 1 4 4 0 m mf o ri s o m e t r i cd i a m e t e rs e c t i o n c o n c e r n i n g0 1 1a l l a b o u th e a tt r e a t m e n to fw a f e r s ，s b r f a c ep r o c e s sa n dc o n t a c t e l e c t r o d e s ，w ed i dr e s e a r c h e s t o i m p r o v er o o mt e m p e r a t u r e n u c l e a rr a d i a t i o n d e t e c t o r s p e r f o r m a n c e s d e t e c t o r sw i t hh i e , he n e r g yr e s o l u t i o na c h i e v i n g1 0 ( f o r 2 4 1 a m5 9 5 k e v ) a n dg o o dw o r k i n gs t a b i l i t yw e r em a d ea n dw eh a v eo b t a i n e d s o m es a t i s f y i n gr e s e a r c hr e s u l t s t 0d or e s e a r c h e s0 1 1t h e r m o d y n a m i c so fc d s ev a p o rp h a s ec r y s t a lg r o w t hi n i s o l a t e ds y s t e m s ，d i f f e r e n c e so fc o m p o s i t i o n si nv a p o rp h a s eu n d e rd i f f e r e n ts y s t e m p r e s s u r e sw e r ec a l c u l a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tw i t hh i g h e rs y s t e mp r e s s u r e ，t h e p r o p o r t i o no fd e c o m p o u n d e dc o m p o s i t i o n si nv a p o rp h a s ew a ss m a l l e ra n dt h e n 四川大学博士学位论文2 0 0 6 年4 月 c r y s t a li n t e g r i t ye a r lb ei m p r o v e d s ot h et h e r m o d y n a m i c sc o n d i t i o nf o rb e t t e rc r y s t a l i n t e g r i t ys h o u l db eh i g h e ra v e r a g et e m p e r a t u r ei nf u n l a c e $ t oo b t a i n 址g hs y s t e m p r c s s u r e m e a n w h i l e ，w ed i dr e s e a r c h e so nt h et h e r m a lw e i g h t - l o s ec r r v c sa n dp a r t s o f v a p o rp h a s ec r y s t a lg r o w t hd y n a m i cp a r a m e t e r sw e l ec a l c u l a t e d a l s o ，t h ep u l l i n g s p e e d t om e e ts t a b l ec r y s t a lg r o w t hw a sd i s c u s s e d f o l l o w i n gt h eo p t i m i z e dt e c h n o l o g yt h a tt h et h e r m o d y n a m i c sa n dd y n a n f i c s r e q m r e d , c d s es i n g l ec r y s t a l sw e l eg r o w ni nt w o - z o n ef x l 1 1 a c eb yv a p o rp h a s e p u l l i n gm e t h o d t h ea s - g r o w nc r y s t a lh a v el a r g e rs i z e ( 0 1 4 x4 0 m mf o ri s o m e 仃i c d i a m e t e rs e c t i o n ) a n dh i g h e re l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ya c h i e v i n g1 0 9q g i n p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i z a t i o ni n d i c a t e dt h ec r y s t a l sh a v es a t i s f y i n gi n t e g r i t ya n df e wi n n e rd e p o t s w h i c hw e r es u i t a b l et om a k en u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r s t h r o u g ht h er e s e a r c h e so nc h a n g e so fi n f r a r e ds p e c t r a , i - vc h a r a c t e r s ，a n dt h e c r y s t a lp o s i t r o na n n i h i l a t i o nl i f e t i m ew h e nc d s ec r y s t a l sw e r ea n n e a l e di nd i f f e r e n t a t m o s p h e r e s o rv a c u u m , w e a n a l y z e d t h er e l a t i o nb e t w e e ns t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e s t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t e di t sh a r dt of i n dt h eb c s tt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o nf o ra n n e a l i n gc d s ei ns e l e n i u mo rc a d m i u ma t m o s p h e r e st oi r n p m v et h e d e t e c t o r s p e r f o r m a n c e s w h i l e ，c r y s t a l st h a tw e r ea n n e a l e di nv a c u u mh a v eb e t t e r e l e c t r o n i cp r o p e r t i e s m u c hl o w e rl e a k a g ec u r r e n t , a n da nt h e s ei m p r o v e m e n t sa r e f a v o r a b l ef o rd e t e c t o r s p e r f o r m a n c e c o n s i d e r i n gb o t hc r y s t a ll a t t i c ei n t e g r i t ya n d e l e c t r o n i cp e r f o r m a n c e s ，t h eo p t i m a la n n e a lc o n d i t i o nt oe n h a n c ec d s ed e t e c t o r s p e r f o r m a n c e si st oa n n e a lc r y s t a l si nv a c u n r nf o r4 8h o u r sa t5 0 0 c i ns t u d y i n gs u r f a c et r e a t m e n to fc d s ew a f e s , w et e s t e dw a f e r sw h i c hw 锄 t r e a t e db yd i f f e r e n ts u r f a c et r e a tt e c h n o l o g i e su s i n gs e m , x p sa n ds t u d i e dt h e c h a n g e so fi - vc h a r a c t e r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb r o m i n e - m e t h a n o le t c h i n g p r o c e s sh a v el i m i t e de f f e c to nr e d u c i n gl e a k a g ec u r r e n t , b e c a u s eb r o m i n em a y r e m a i no nt h es u r f a c eo fw a f e r sd u r i n ge t c h i n g d u et ot h ed i s s o l v i n ge f f e c tw h e n w a f e r sw e r ep a s s i v a t e db yo x y d o l ，t h ec o n t e n to fb r o m i n ei nc d s ew a sr e d u c e d , s o t h el e a k a g ec u r r e n tw a ss i g n i f i c a n t l yl o w e r e d b yc o n t r o l l i n gp a s s i v a t i o nt i m e 眦 c a l lg e ts m o o t h e ra n dt i g h t e rw a f e rs u r f a c et oe n h a n c ee l e c t r o n i cp e r f o r m a n c e s i m u l t a n e o u s l y , p a s s i v a t i o ni n c r e a s e d t h ec o n t e n to fo x y g e no ns u r f a c eo fc d s e 四川大学博士学位论文 2 0 0 6 年4 月 w a f e r sw h i c hw a sb e n e f i c i a lt or e d u c el e a k a g e c u r r e n t n 把o p t i m a l s u r f a c e t r e a t m e n tt e c h n o l o g yt oi m p r o v ed e t e c t o r s p e r f o r m a n c ew a s ，e t c h i n gw a f e r sw i t h b r o m i n e - m e t h a n o ls o l u t i o nf o r3 0s e c o n d sa n dp a s s i v a t i n gt h e mf o r4 0m i n u t e s w eh a v eu s e ds e , f e v a lk i n d so fm a t e r i a l st om a k ec o n t a c te l e c t r o d e so nc d s e w a f e r s s u r f a c e si nt h i ss t u d y , a n dt e s t e dt h ew a f e r s i - vc h a r a c t e r s 1 1 皓e f f e c to f d i f f e r e n te l e c t r o d ec o n t a c to nc d s ed e v i c e sw o r k i n gp e r f o r m a n c e so rs t a b i l i t yw a s s t u d i e d r e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t e dt h ec cc o n t a c to nt h ew a f e r s s u r f a c e sw a s b a s i c a l l yo h mc o n t a c tw h i c hd on o tc h a n g et h ec o n c e n t r a t i o no ft h ec h a r g ec a r r i e r s a n dd on o ts i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ee l e c t r i cf i e l di n s i d ed e t e c t o r s s ot h ed e t e c t o r s w o r k i n gs t a b i l i t yw a si m p r o v e d t h ea u - i nc o n t a c te l e c t r o d e sc a u s es c h o t t k y b a r r i e r sw h i c hd e c r e a s ew o r k i n gl e a k a g ec u r r e n to f c d s ed e v i c ea n di m p r o v ee n e r g y r e s o l u t i o no fc d s en u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r b e c a u s eo fs y m m e t r i c a lm s m s t r u e b l r ef o rc d s ed e t e c t o rw i t ha u - i nc o n t a c te l e c t r o d e s t h e r ei sn od i f f e r e n c ei n c o n c e n t r a t i o no fc h a r g ec a r r i e r sa 丘e ra p p l y i n gv o l t a g ei nt h ep o s i t i v eo rn e g a t i v e d i r e c t i o n t h ea u - i nc o n t a c te l e c t r o d e ss h o u l dn o tc h a n g et h ed i s t r i b u t i o no f e l e c t r i c a lf i e l di nc d s ed e v i c e sa n dw a sb e n e f i c i a lt o 斟t h a u e et h ew o r k i n gs t a b i f i t y o f d e t e c t o r e n l a r g i n gt h ed e t e c t o r s a n o d ea r e ac a ni m p r o v et h ec a p a c i t yo f d e v i c et o c o l l e c tc h a r g e s w h e r e a s ，e r d a r 西n gc a t h o d ea r e aw i l lr e s u l ti nt h ei n c r e a s eo f e l e c t r o n 蝎e c t i o n ；a l s oc h a n g et h ec o n c e n t r a t i o no fc h a r g ec a r r i e r sa n d e l e e w i cf i e l d d i s t r i b u t i o n t h i sw i l ll e a dt ow o r s ep e r f o r m a n c ea n dl o w e rs t a b i l i t yf o rc d s e d e t e c t o r i nt h ee n d , w ef a b r i c a t e dn u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r sw i t i lc d s ec r y s t a lg r o w n b yt w o - z o n ev a p o rp h a s ep u l l i n gm e t h o da n dt e s t e dt h ep e r 董o r m 越o ft h e s e d e t e c t o r sw o r k i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e 1 1 地r e s u l t ss h o w e dt h a tc d s en u c l e a r d e t e c t o r s p e r f o r m a n c e s a r e s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db ya n n e a l i n g a n d 鲫r f a c e p a s s i v a t i o n d e t e c t o r sw i t i lc - cc o n t a c te l e c t r o d e sh a v ea l le n e r g yr e s o l u t i o n 印t o 1 2 7 4 f o r2 4 1 a m m e a n w h i l e ，i tc a nw o r ka sl o n ga sm o r et h a n4h o u r sw i t h o u ta n y c h a n g e si np e a ks h a p ew h i c hm e a n st h ed e t e c t o r sa r cg o o di nw o r k i n gs t a b i l i t y a d o p t i n ga ua n o d ea n di nc a t h o d ec o n t a c t ，t h ed e t e c t o r s e n e r g yr e s o l u t i o nf o r 川a mc a na c h i e v e1 0 d u r i n gt h e3 0 m i n u t e s t e s t i n gp e r i o do fd e t e c t o rw i t ha u 四川大学博士学位论文2 0 0 6 年4 月 a n o d ea n di nc a t h o d e ，c o u n t i n gr a t ew a ss t a b l ea n dt h ed e t e c t o rw o r k e ds t a b l yt o o k e y w o r d s ：c d s e ；c r y s t a lg r o w t h ；n u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r , e n e r g yr e s o l u t i o n ； e z e c t r i c a r e s i s t i v i t y ；文t 如p a s s i v a t i o n 四川大学博士学位论文 2 0 0 6 年4 月 第一章概论 1 1半导体核辐射探测器研究进展 核辐射探测器作为实验核物理的技术分支，对核物理的发展具有重要的作 用。法国物理学家贝可勒尔在1 8 9 6 年借助于径迹探测器乳胶，首先发现了 天然放射现象；美籍中国物理学家吴剑雄借助于碘化钠、蒽晶体，用实验证明 了著名的宇称不守恒定律。随着核技术与放射性同位素应用的日益广泛，核辐 射探测器在人类社会的各个方面发挥着越来越重要的作用，被广泛应用于空间 天文学、核辐射防护、军事、环境监测，核医学、无损检测、野外勘探及高能 物理等领域“】。 核辐射探测器的主要发展历程概括起来，是由气体电离探测器和闪烁探测 器发展到元素半导体探测器，再由元素半导体探测器发展到化合物半导体探测 器的过程。 在早期对核辐射的探测中，广泛采用的是气体电离探测器与闪烁探测器。 但气体电离探铡器体积较大，对射线的阻止本领低，因而探测效率极低：闪烁 晶体探测器虽然有很高的探测效率，但对射线的能量分辨率较差；由于这两种 探测器存在这些缺点，因此人们希望有综合性能更好的核辐射探测器来代替它 们。 1 9 4 9 年，美国贝尔电信电话实验室的麦凯( m c k a y ) 发现用磷铜丝在锗半导 体块上制成的耐反向高压的点接触型二极管可以构成射线探测器，他首先提出 利用半导体来探测射线。1 9 5 1 年他又用锗晶体的p - - n 结型二极管记录了a 粒 子。于是，这种探测器很快就引起了世界各国的重视。 六十年代以来半导体探测器褥到迅速发展。由于它具有能量分辨率高，线 性响应好，脉冲上升时间短，结构简单，探测效率高，操作方便等优点，所以 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口1 常用的半导体探测器有锂漂移硅s i ( l i ) 、锂漂移锗g e ( l i ) 、高纯锗( h p 6 ) 探测器。1 9 6 0 年迈耶( m a y e r ) 等人利用铿离子漂移技术成功地制成了硅锂漂移 探测器。并随着对其研究的深入，能量分辨率也进一步得到了提高，对”a m 5 4 8 6 m e v 的q 粒子，其半高宽达2 2 k e v 嘲。 1 9 6 2 年佩尔( e 。m p e l l ) 用锂漂移法制造厚本征区的方法被采用到探测器 四川大学博士学位论文 2 0 0 6 年4 月 上，现在己能制造几毫米厚本征区的锂漂移硅探测器。把l i 漂移法用在g e 上 就出现了l i 漂移g e 探测器，用它已制成了高分辨率的y 谱仪。 到六十年代末期，锗( 锂) 探测器的制作水平已渐趋成熟：小平面锗( 锂) 探 测器对”c 口1 3 3 m e vy 射线的能量分辨率达到2 k e y ；大体积同轴型探测器的能 量分辨率优于3 k e g ：对低能x 射线，其分辨率也已优于2 0 0 e y 。但是锂漂移硅 s i ( l i ) 及锂漂移锗g e ( l i ) 这两类探测器不仅要求在低温下工作，而且还需 要在低温下保存，否则就会丧失其探测器性能。 作为解决g e ( l i ) 探测器不能在常温中存放这一问题，人们又制备了用高纯 g e 单晶制造p - n 型探测器，其对1 1 7 3 k e y 的y 射线得到的能量分辨率( 半宽度) 为2 7 k e y 。这种探测器可在常温下存放，在使用时进行冷却就会恢复其优良性 能h 】。目前己经制备出了体积7 0 c m 3 以上的大平面型高纯g e 探测器】。 上述的锂漂移硅s i ( l i ) 、锂漂移锗g e ( l i ) 、高纯锗( h p g ) 探测器均需 要在低温下工作，使用极不方便。为此人们开始致力于研制开发能量分辨率高， 同时又能在室温环境下工作而且又具有较高的探测效率的探测器。而化合物半 导体核辐射探测器在室温下具有低温半导体探测器的能量分辨率，同时又具有 闪烁晶体探测器的探测效率，因此化合物半导体核辐射探测器的研究在近几年 发展迅速。 表1 - 1 列出了几种常用的室温半导体探测器材料的性能参数，其中e 。是 产生一对电子一空穴对所需的能量。 常用的化合物半导体核辐射探测器主要是h g i ：、g a a s 、c d t e 等探测器。这 些材料制备的探测器有一定的优点，但由于其自身特性存在一些不可避免的缺 点，使得这些探测器的发展空间受到限制，下面将分别介绍这些探测器的优缺 点。 常见的g a a s 探测器有三种“1 ，第一种是用半绝缘的s i - l e cg a a s 晶片制作 的半绝缘高阻g a a s 面垒型核辐射探测器，它的灵敏体积在1 c m 3 以下，探测能 量低于1 2 2 k e y 的谱线时，其阿嘲值在3 - 1 5 k e v 范围内。虽然能量分辨率不高， 但它的载流子收集效率很高，能大于1 0 0 嘲；第二种是外延g a a s 表面势垒型核 辐射探测器，它是用液相外延生长在低阻g a a s 衬底上的高纯g a a s 单晶薄膜制 成的，探测能量低于1 2 2 k e y 的谱线时，其f w h m 值在卜6 k e y 范围内；第三种是 具有p - i n 结构的核辐射探测器，其性能介于前述二者之间g a a s 探测器的优 2 四川大学博士学位论文 2 0 0 6 年4 月 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，对高能射线的阻止本领 低，探测效率低，这使g a a s 核辐射探测器的发展受到了限制。 表1 1 几种常用的室温半导体探测器材料的性能j 4 j c d t e 核辐射探测器有两类嘲：一类是用密封区域提纯拉制的低阻n 型c d t e 单晶体制作的，以a u 和i n 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1 0 0 u m 左右，在室温下探测鞯f e5 9 k e y 的x 射线和”a m 5 9 5 k e v 的y 射线，已得到了较好的分辨率，其f w 删分别为1 1 k e y 和1 7 k e v 。 另一类c d t e 核辐射探铡器是用由移动熔区法拉制的高阻n 型或p 型c d t e 单晶 体制备的、晶片厚度为5 r r r 左右的高阻c d t e 探测器，在室温下用这种探测器探 测1 s6 2 2 k e v 和 c 0 1 3 3 m e v 的y 射线时，得到的f 删分别为8 5 k e y 和1 4 k e v 。 c d t e 探测器主要有m s m 、p - i - n 和m - n n 三种结构形式，通常m s m 型探测 器的漏电流较大”，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例，因而具有较好的能量分辨率： 探测舯c o1 1 7 m e v 和1 3 3 m e v 谱线时得到的谱峰的f 删值达到2 5 k e y m l ；这种 探测器对 c o1 2 2 k e y 谱线的分辨率可达到4 5 5 k e y ，对1 t s6 6 2 k e y 谱线的分 3 四川大学博士学位论文2 0 0 6 年4 月 辨率可达到1 0 1 2 k e y “4 。肿n n 型探测器的漏电流相对较小，具有均匀的电场 分布和比较稳定的工作性能，m _ n _ n 型探测器在2 5 和2 5 0 v 电压下，0 5 m m 厚的晶片中的漏电流在6 0 p a m 口d 以下，因而具有较好的能量分辨率：对 c o 1 2 2 k e y 谱线的能量分辨率可达到1 7 k e y “，对”c s6 6 2 k e y 谱线的分辨率可达 到2 4 k e y ，对”f e5 9 k e y 谱线的分辨率可达到0 4 2 k e y ，对“a m5 9 5 k e y 谱 线的分辨率可达到0 。6 2 k e y “帕。但m - - n 结构的的制作工艺比较复杂。近年来， 人们对c d t e 探测器进行了更多的研究，发展了s c h o t t k y 结型探测器，同时还 开发了c d t e 阵列探测器。s c h o t t k y 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o ”。对“a n l5 9 5 k e y 谱线的分辨率可以达到1 5 k e y ，但探 测器的工作稳定性较差“”。 c d t e 探测器的优点在于有较大的平均原子序数，对射线有很高的阻止本 领，探测效率较高，且早在2 0 世纪6 0 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，c d t e 探测器还有极化效应，因而其发展空间有 限。 h g i ：是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型核辐射探测器材料“”，具有几 个突出的优点：首先晶体的禁带宽度大( 2 1 4 e v ) ，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h g i ：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h g i ：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h g i ：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h g i ：单晶体有两种生长方法：其一是在丙酮溶液 中生长，其二是用气相输运法生长。用丙酮溶液中生长的h g i 。单晶制作的核辐 射探测器，其电荷收集效率低，所以用于制作探测器的h g i 。单晶体几乎都是通 过气相输运法生长的。到了2 0 世纪8 0 年代，h g i ：晶体的制备技术和探测器制 作技术已基本成熟“”日。 h g i ：单晶的电阻率高达1 0 ”q c m ，是半绝缘材料，所以制成的核辐射探测 器是匀质体光电导型探测器。常在h g i ：晶体的两个平行表面上涂上石墨导电胶 以制成探测器，它具有m s m 结构。电极和晶体之间有一定的势垒，当偏置电压 较高时，势垒对电输运的影响较小，可视为欧姆接触“”。探测器的灵敏区是通 4 四川大学博士学位论文 2 0 0 6 年4 月 过加在两个接触电极上的高电压感应产生的，所以这种核辐射探测器工作时必 须加有足够高的偏置电压，才能得到足够高的电荷收集效率 h g i ：探测器有较好的能量分辨率，已经得到了应用。但h g i ：晶体的化学稳 定性较差，室温下容易挥发，制成探测器时必须进行严格的密封处理；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非常有 限；h g l ：晶体比较软，晶体加工困难。可见h g l ：探测器并没有达到令人满意的 程度。 近年来，人们对c d z n t e 探测器的研究也逐渐深入。由于c d t e 的禁带宽度 窄，探测器的漏电流较大，使得能量分辨率较低，于是人们在c d t e 中掺入z n ， 使其禁带宽度增加，从而发展成了c z t 探测器。c z t 探测器具有较好的能量分 辨率，使用温度范围宽，无极化现象。但在c z t 单晶体生长过程中，随着含 z n 量的增加，单晶体生长的难度加大，晶体变脆。 从上述情况可以看出，目前尚无非常理想的室温核辐射探测器材料。因此 还需要迸一步探索性能优越，工作稳定性好的室温核辐射探测器材料。 1 2 室温核辐射探测器材料要求 由于要求化合物半导体探测器在室温下工作，具有较高的能量分辨率和探 测效率，所以对制作探测器的材料提出了很高的要求。一般说来，用于制作室 温核辐射探测器的化合物半导体材料应具备以下基本性能“”； 1 ) 具有较高的原子序数( 平均值) ，确保对y 射线有较高的阻止本领，从 而保证探测器具有较高的探测效率； 2 ) 具有较大的禁带宽度，保证探测器在室温下工作时，具有较高的电阻 率和较低的漏电流； 3 ) 具有良好的工艺性能，容易制得纯度高、完整性好的单晶体；同时具 有优良的机械性能和化学稳定性，便于进行机械加工，容易制成势垒接触或欧 姆接触； 4 ) 具有优异的物理性能，能耐较高的反向偏压，反向漏电流小，正向电 流也小；同时材料中载流子的迁移率一寿命积要大，确保探测器具有良好的能量 分辨率； 由表i - i 可以看出c d s e 晶体具有较好的综合性能，是一种很有前途的制作 四川大学博士学位论文2 0 0 6 年4 月 室温核辐射探测器的材料。因此对c d s e 晶体生长工艺及c d s e 探测器性能进行 系统的研究，以探索性能优越，工作稳定的室温核辐射探测器具有重要意义。 1 3 硒化镉( c d s e ) 的基本特性 硒化镉是一种宽禁带的i i 一族化合物半导体材料，常温下