（凝聚态物理专业论文）cdse探测器晶片表面处理和钝化研究.pdf

四川大学硕士论文 c d s e 探测器晶片表面处理和钝化研究 研究生：钟雨航 凝聚态物理专业 指导教师：朱世富 c d s e 属于i i 族化合物半导体材料，具有较高的平均原子序数，晶体密 度较大( 5 7 4 9 c m 3 ) ，对x 射线和 r 射线有较高的阻止能力，禁带宽度较大( 1 7 3 e v ) ， 可在室温下工作；载流子迁移寿命积( 啪较大( 7 2 x 1 0 - 4c m 2 v - 1 ) 。所以用c d s e 晶 体制作的探测器在室温下有较高的探测效率和能量分辨率。同h g l 2 、c d t e 相比， c d s e 有较好的化学稳定性和机械加工性能。这些特点使得c d s e 成为制作室温 探测器和光二极管、光导摄像管靶、光电池的良好光电材料。然而在器件制各 过程中，晶片表面易产生损伤层、划痕及结构缺陷等，会严重影响器件的性能。 所以晶片制备过程中，晶片的表面处理对最终器件的性能有着重要的影响。然 而，关于c d s e 晶片表面处理工艺尚未见文章报道，因此本文就c d s e 的表面处 理工艺进行了较为深入的研究，主要内容如下： 采用传统气相法法生长的c d s e 单晶体质量比较差，晶体的完整性低、存 在组分偏离化学配比和电阻率低等问题，不能满足制作c d s c 室温核辐射探测器 的要求。我们采用垂直无籽晶气相提拉法( v u v g ) 生长出成分均匀、完整性好、 电阻率达到1 0 7 0 c m 的c d s e 单晶体，为c d s e 室温核辐射探测器的制备提供了 保障。 采用x r d 与晶体解理面相结合的方法，针对c d s e 晶体比较脆，容易在外 力作用下产生裂纹，甚至破裂的特性，探索出了用外圆切割机对c d s e 晶体进行 切割加工核辐射探测器晶片的较佳工艺为：沿晶体解理面选取晶片厚度约为 2 m m ，刀片的转速约为1 0 0 0 转份钟，切割速度约为l m m m i n ，水：i 7 冷却进 行外圆切割。 四川大学硕士论文 首次将化学机械抛光( c m p ) i 艺引入c d s e 探测器晶片的抛光工艺中，采用 弱酸性或弱碱性溶液( n a o h ，p h = 8 ) 和刚玉粉( w 0 5 ，浓度i o ) 混合，对c d s e 晶片进行化学机械抛光，提高了晶片的抛光速率，减少了晶片表面的划痕和结 构缺陷，获得了符合器件制作要求的晶片厚度和表面态。 采用表面钝化工艺提高了c d s e 晶片的电阻率，为c d s e 探测器的制作奠定 了可靠基础。研究表明：采用双氧水对c d s e 晶片钝化4 0 分钟，晶片表面最平 整，电阻率最高达7 3 x 1 0 8 q c m ，适合c d s e 室温核辐射探测器制作。 关键词：硒化镉；探测器；晶片；机械化学抛光；钝化 h 四川大学硕士论文 c d s ed e t e c t o rw a f e rs u r f a c et r e a t m e n ta n d p a s s i v a t i o ns t u d y s p e c i a l t y ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：y u h a n gz h o n g t u t o r ：p r o f e s s o rs h i f uz h u c d s ei sak i n do fi i v ic o m p o u n ds e m i c o n d u c t i v em a t e d a lw i t l lh i g h e ra v e r a g e a t o m i cn u m b e r , h i g h e rd e n s i t y ( 5 7 4 9 c m 3 ) ，l o n g e rc a r r i e rm i g r a t i o nl i f e ( 7 2 1 0 4 c m z v - 1 ) ，a n dw i d e rf o r b i d d e nb a n dg a p ( 1 7 3 e v ) i th a ss t r o n ga b i l i t yt os t o pxa n d r r a y sa n dc a nb eu s e du n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e w i t ht h e s ep r o p e r t i e s ，c d s e n u c l e a rd e r e c t o r sh a v er e l a t i v e l yh i g h e re n e r g yr e s o l u t i o na n de f f i c i e n c yu n d e r n o r m a lt e m p e r a t u r e c o m p a r e dw i t hh g l 2 ，c d t e ，c d s eh a sb e t t e rc h e m i c a ls t a b i l i t y a n dm e c h a n i c a lp r o c e s s i n gp r o p e r t y a l lt h e s ef e a t u r e sa b o v ee n a b l ec d s et ob ea s u i t a b l ep h o t o e l e c t d c i t ym a t e r i a lf o rn o r m a lt e m p e r a t u r ed e t e c t o r s ，l e d ，s e n s i e o n t a r g e ta n dp h o t o e l e c t r i cc e l l s w l l i l et h ea f f e c t e dl a y e r s k e r f sa n ds t r u c t u r ef a u l t so n t h es u r f a c e so f c d s ew a f e r sw i d e l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e t e c t o r s s ow a f e r s u r f a c et r e a t m e n tt e c h n o l o g yb e c o m e sa ni m p o r t a n tf a c t o rt oa f f e c tt h eu l t i m a t e p e r f o r m a n c eo fd e t e c t o r s b u tt h e r ei sn or e p o r ta b o u tt h ec d s ew a f e rs u r f a c e t r e a t m e n tp r o c e s s s o ，w ec a r r i e do u tr e s e a r c ho nt h ec d s ew a f e rs u r f a c ep r o c e s s c d s es i n g l ec r y s t a l sg r o w nb yp r e v i o u sm e t h o d sh a v ev e r yl o w e rq u a l i t ys p e c i f i e s i nc r y s t a li n t e g r i t y , c h e m i c a ld e v i a t i o na n dl o we l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t h u st h e s e c r y s t a l sc a nn o tr e a c ht h er e q u i r e m e n to f n o r m a lt e m p e r a t u r en u c l e a rd e t e c t o r i nt h i s p a p e r , b a s e do no u rr e s e a r c hw o r k , w eu s ev u v gm e t h o dt og r o wc d s ec r y s t a l s w h i c hh a v eh i 曲c r y s t a li n t e g r i t y , h i g hc o m p o n e n tu n i f o r m i t ya n du pt o1 07 q - c m e l e c t r i c a lr e s i s t a n c e c d s ec r y s t a l sg r o w nb vv u v gm e t h o dc a np r o v i d ei n s u r a n c e f o r t h eq u a l i t vo f n o r m a lt e m p e r a t u r en u c l e a rd e t e c t o r s c d s ec r y s t a l sa r eb r i t t l ea n df o r m sc r a c k se a s i l yu n d e re x t e r n a lf o r c e c o m b i n e d w i t hx r da n dc r y s t a lc l e a v a g ep l a n e w ef i n do u ta no p t i m a lp r o c e s st ou s ee x c i r c l e s l i c i n ge q u i p m e n tt og e tc d s ew a f e r s n l ed e t a i lo ft h i sp r o c e s si sa st h ef o l l o w i n g ： b l a d er o t a t i n gr a t ea r o u n d1 0 0 0r p m ；b l a d ed r o p p i n gs p e e da r o u n dl m m m i n ；c u tt h e c r y s t a l sa l o n gc l e a v a g ep l a n ei n t o2 m m t h i e kw a f e r s f o rt h ef i r s tt i m e w ei n t r o d u c ec 巴( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) t e c h n o l o g y m 四川大学硕士论文 i n t oc d s ew a f e rs u r f a c et r e a t m e n tp r o c e s s w bu s ec m ps o l u t i o nw h o s em a i n i n g r e d i e n ti sm i x e ds a p p h i r ep o w d e r ( w 0 5 1 0 c o n c e n t r a t i o n ) a n dw e a ka c i do r w i c kb a s e 烈a o h ，p h = 8 ) c m pt e c h n o l o g yh e a v i l yi m p r o v e sp o l i s h i n gs p e e d ， r e d u c e sk e r f so nt h es u r f a c e sa n df l a w si ns t r u c t u r e t h e nw ec a nt h u sg e tt h ep r o p e r w a f e rt h i c k n e s sa n ds u r f a c es t a t e sf o rm a k i n gd e t e c t o r s s u r f a c ep a s s i v a t i o nt e c h n o l o g yi sa d o p t e dt oi m p r o v ec d s ew a f e re l e c t r i c a l r e s i s t a n c ew h i c hp r o v i d e sa l lo p t i m a lf o u n d a t i o nf o rm a k i n gd e t e c t o r s 1 1 ”r e s e a r c h r e s u l t ss h o wu s ：c d s ew a f e r st r e a t e db yh 2 0 2f o r4 0m i n u t e sh a v es m o o t h e s t ：r l r f a c e sa n dh i g h e s te l e c t r i c a lr e s i s t a n c eu pt o7 3 1 0 5 q c ma n da r es u i t a b l et om a k e n o r m a lt e m p e r a t u r en u c l e a rd e t e c t o r s k e yw o r d s ：c d s e ；d e t e c t o r ；w a f e r ；c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h ；p a s s i v a t i n g i v 四川i 大学硕士论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的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谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 研究生( 签名) ：勘孝向辐孟 2 0 0 7 年5 月儿日 字妒耘 n 口 釉屿， 签月 师年 教仃得批 四川大学硕士论文 第一章概论 引言 随着国民经济和科学技术的发展，核技术和放射性同位素的日益广泛应用， 化合物半导体探测器作为一种可在室温下工作的核辐射探测器，对x 、y 射线有 着较高的探测效率和较好的能量分辨率，已成为当前在核安全、环境监测、核 医学、空间飞行、采矿工业等领域内一种更新换代的探测元件。化合物半导体 探测器能准确、迅速地给出所测的结果，因而它的应用日趋广泛，其发展将更 加迅速和深入。因此，近年来对具有室温核辐射探测功能的大尺寸、高质量化 合物半导体晶体材料及其探测器的研究，在国际上受到高度重视，成为现今高 科技领域的前沿研究热点之一。 1 1 半导体核辐射器简介 核辐射探测器是通过核辐射与物质相互作用提供相关信息并对其进行分析 处理的实验仪器。它由探测器本身和测量仪器设备两部分组成。核辐射探测 器就是利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化 学变化进行辐射探测的器件。 核辐射探测器根据工作状态分类，可以分为：平均电流型探测器和脉冲型 探测器。平均电流型探测器输出的信号代表大量射线离子同介质相互作用的平 均结果，并不能区分出每一个射线离子的作用效果。脉冲型探测器响应单个核 辐射离子与介质的相互作用。它所输出的所有脉冲信号都代表一个射线离子与 介质作用一次的结果。 另外，按照功能分类，还可以将核辐射探测器分为简单的计数器和能谱仪。 简单计数器探测器只能提供入射核辐射粒子的数目。这种探测器的弱点在于， 它只能探测到有无核辐射，以及其强弱。它并不能确定核辐射种类，也不能确 定射线粒子的能量以及能量分布。而能量仪型核辐射探测器则可以根据能量确 定入射核辐射粒子的分类，并且给出不同能量的核辐射粒子数目。 核辐射探测器按其探测介质类型及作用机制主要分为气体探测器、闪烁探 四川大学硕士论文 测器和半导体探测器三种。 ( 1 ) 气体探测器以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引 起输出信号的探测器。 ( 2 ) 闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探 测器。 ( 3 ) 半导体探测器基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生 电子一空穴对，电子一空穴对在外电场的作用下迁移而输出信号。它给辐射探 测器的发展，尤其对带电粒子能谱学和y 射线谱学带来重大飞跃。 对大多数测量任务来说，这三类探测器可以把本征电流信号改造成为慢变 化的电流信号，也可以改造成为脉冲信号，然后再被送到电信号处理仪器中去。 输入慢变化的电流信号的状况通常称为探测器的电流型工作状态，而输出脉冲 信号的状况称为探测器的脉冲型工作状况。大多数探测器可以工作在这两种状 态中的任何一种。运行在同一种工作状态下的探测器尽管种类不同，但却表现 出些共同点。接下来，将介绍这三种探测器的原理。 1 1 1 气体探测器 气体探钡器是比较早期的核辐射探测器，但是由于它具有其他类型探测器 所不能取代的特点：结构简单、性能稳定、价格低廉、适应较宽的温度范围等 等。正是因为以上的特点，使它在今天仍然有着较广泛的应用。但是，气体电 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。 由于电离室、正比计数器和g _ m 计数器把核辐射转变成电信号的物理过程 都是在探测器内充入的特定体积的特定气体中进行的，所以他们统称为气体探 测器。 气体探测器的结构示意图如图l l 所示。 2 四川大学硕士论文 国i - i 气体探测器结构示意图( 圆柱型) 在气体探测器中带电粒子通过气体时与气体分子发生电离碰撞，使气体分 子电离或激发，并在粒子通过的途径上生成大量的离子对：或者这些入射的带 电粒子与气体分子中的核外电子之间产生的库仑力将气体分子的核外电子拉出 来，这些电子离开原来的分子而独立运动，从而使原来的中性气体分子形成离 子对( 一个带负电的电子和一个带正电的正离子) 。以上统称为气体的电离现象。 因为辐射粒子射入气体后将前进一段路程，在它经过的途径上由于电离效应将 产生大量的电子一正离子对。直到辐射粒子能量逐渐消耗到低于气体分子的电 离电位时，电离作用才告结束。收集这些电离电荷，就可以了解辐射的情况。 因此，气体探测器也就是离子的收集器。它通常是由高压电极和收集电极组成， 常见的是两个同轴的圆柱形电极，两个电极由绝缘体隔开并密封于容器内。电 极问充入一定气体并加一定电压，使气体中有一定电场存在。辐射使两电极间 的气体电离时，生成的电子和正离子在电场作用下漂移，最后收集到电极上。 电子和正离子生成后，由于静电感应，电极上将产生电荷，并且随离子的漂移 而变化，从而在输出回路中形成电离电流。电离电流的强度取决于单位时间被 收集的离子对数，与辐射强度一般是成正比关系。 总得说来，气体探测器，不论是电离室、正比计数器或者g - m 计数器，它 们的基本结构和组成部分都是相似的，只是由于工作区域不同而在性能方面有 3 四川大学硕士论文 所差别，因而适用于不同的场合。 1 1 2 闪烁探测器 闪烁探测器具有分辨时间短，探测效率高等优点。因此，它在很多领域已 取代了气体探测器，是目前应用最多的核辐射探测器。不过，闪烁晶体探测器 也有其弱点。虽然，闪烁探测器具有很高的探测效率，但却对射线的能量分辨 率较差。 闪烁探测器主要由闪烁体和光电倍增管组成。其工作原理过程可分为五个 相互联系的环节； 射线进入闪烁体，使闪烁体的原子、分子电离并且激发； 被电离和激发的原子或者分子退激时产生光子； 利用反射物质和光导将光子尽可能收集到光电倍增管的光阴极上，由于 光电效应，光子在光阴极上打出光电子； 光电子在光电倍增管中各倍增极上逐级倍增，电子数目增加几个数量 级，经过倍增的电子束在阳极负载上产生电信号； 此信号由电路记录。 闪烁计数器的主要特点有： 探测效率高。由于高灵敏度的光电倍增管的使用和电子仪器的迅速发 展，使快速记录微弱闪烁现象成为可能； 分辨时间短。辐射强时，单位时间内产生的脉冲数便多些，由于闪烁探 测器的分辨时间短，因此漏记的脉冲比较少，可用它来探测强辐射； 可探测射线的能量。射线射入闪射体将损耗能量，所消耗的能量将转换 成光子放出。放出的光子数目的多少由其入射射线的能量决定。放出的 光子数目多，在光阴极轰击出的光子数目也多。而输出脉冲的幅度取决 于阳极搜集到的电子数目，故测量输出的脉冲的幅度，即可了解入射射 线的能量。 i i 3 半导体探测器 半导体探测器是六十年代以来迅速发展起来的一种探测器，其探测介质是 半导体材料。它主要的具有以下优点： 4 四川大学硕士论文 能量分辨率高。例如金硅面垒型探测器对a m 的5 4 8 6 m e v c t 射线峰 的半高宽( f w h m ) 可达1 0 8 k e v 。锗锂漂移型探测器对6 0 c o 的1 3 3 2 m e v l r 射 线全能峰的半高宽可达1 3 k e v 。硅锂漂移型探测器对f e 5 5 的5 9 k e vx 射线峰 的半高宽为1 5 0 e v ； 线性范围宽。在很大的能量范围内，探测器输出脉冲幅度与被探测射线 的能量均精确地成正比。如锗锂漂移型探测器在3 0 0 k e v 1 3 m e v 范围内线性 偏离小于0 2 k e v ： 对金硅面垒型或者p n 结型探测器还有两个特点。第一，输出脉冲的上 升时间快，可达纳秒级；第二，体积小，可以做成小型探测器： 与气体探测器相比电离密度大，锗的y 的吸收好； 电荷收集时间短。晶体中产生的不是电子一离子对，而是电子一空穴对。 虽然电子的迁移率是空穴的二倍，但在高的电场强度下( 2 k v e m ) ，两种载流 子的漂移速度都达到了饱和值，约为1 0 1 e m s 。 由于以上优点，半导体探测器得到广泛的应用。半导体探测器的主要缺点 是受强辐照后性能会变差，并且输出脉冲幅度小，性能受温度影响较大等。 为了理解半导体探测器的工作原理，让我们研究一个两端有电极的均匀晶 体棒( 图1 2 ) 。当核辐射照射到晶体棒时，在晶体棒内会产生电子空穴对。如 果晶体棒两端的电极收集了这些电子空穴对，那么在电阻上就得到一个电信 号。这个电信号的幅度与核辐射在半导体材料中消耗的能量成正比。由核辐射 产生的电子数量应该比半导体材料导带已有的电子数量大得多。换句话说，半 导体材料的稳态电流应该是很小的。这样将保证晶体棒内电流的变化确实是核 辐射引起的脉冲。因此，供制造半导体探测器使用的优良材料在工作温度下应 该是低电导率的，最好是完全的绝缘体。这个要求我们在制造这类探测器时， 淘汰了金属材料。只许我们使用半导体材料和完全绝缘的材料。 四川大学硕士论文 l f f ) 图l - 2 半导体探测器原理示意图 在选择探测器材料时，能量分辨率通常是一个重要因素。能量分辨率取决 于核辐射在半导体材料中产生的电子空穴对的数量。在半导体中产生一个电子 - 空穴对需要的能量比在绝缘体少。因此，半导体探测器的能量分辨率要比用绝 缘体做的探铡器的分辨率要好很多。所以这个要求和上面讨论过的低电导率的 要求是矛盾的。 半导体探测器中产生的电子一空穴对应在探测器中自由运动，电子和空穴能 分别到达探测器的电极。如果探测器含有由杂质和缺陷产生的俘获中心，那么 电子和空穴在到达探测器之前就可能被复合或俘获。 1 2 室温半导体探测器材料研究进展 尽管半导体探测器具有许多优异的性能，但是目前对于这种探测器的研究 没有取得令人十分满意的效果。近年来，人们在化合物半导体材料上做了大量 工作，先后制得了g a a s 、c d t e 、a i s b 、h g l , ，z n t e 、b i 2 s 3 、g a s e 、p b l 2 ，c d s e ， c z t 等单晶体【l l 。人们利用这些材料制作了各种核辐射探测器，但是由于材料 本身等缺陷、晶体生长工艺、晶体加工工艺、电极制作技术等原因，目前只有 很少几种探测器在室温下具有稳定工作性能和较高的能量分辨率。然而，化合 物半导体由于具有平均原子序数大，禁带宽度大等特点，制作出来的探测器具 有较高的探测效率，并可以在室温储存、工作。这是这些特点吸弓l 着越来越多 的人们对他们进行探索和研究。 6 四川大学硕士论文 在化合物半导体中，用于核辐射探测器的化合物半导体材料是共价性化合 物。形成这种化合物半导体的条件是材料中存在s p 3 或p 3 键。判断半导体的性 质时，可以采用穆塞一皮尔逊定则 2 1 。来解释不存在自由电子的条件。满足下列 式1 - 1 的化合物就是半导体( 或绝缘体) ： n d n a + b = 8 ( 1 - 1 ) 式中n c 为价电子数：1 1 。为a 到a 之间的元素的原予数；b 为同价元素 的原子相互之间键合的原子数。能够满足式1 - 1 关系的化合物其价电子填满满 带，所以满带中不存在自由电子。 通常来说，我们在选择用于制作室温核辐射探测器的半导体材料时，对化 合物半导体材料的物理特性有如下几点要求嘲： ( 1 )要有较高的平均原子序数，以确保对t 射线具有较高的阻止本领， 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，以保证探测器在室温下工作的时候，具有较高的 电阻率和较小的漏电流； ( 3 ) 具有良好的工艺加工性能。具有良好的机械加工性能和化学稳定性，有 利于机械加工，容易制成势垒接触或者欧姆接触； ( 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，正向流也 小：同时材料中载流子的迁移率寿命积要大，确保探测器具有良好的能量分 辨率； ( 5 ) 高的纯度和高的完整性，有好的电荷收集特性； ( 6 ) 少数载流子的迁移率和寿命的乘积( 即a t ) 要大，这样可以降低陷获效 应，使探测器有好的能量分辨率。 对探测器的制备技术有如下几点要求： 第一，要有高精度的晶体生长技术，一方面要确保有正确的化学剂量比， 另一方面要防止杂质、缺陷的引入； 第二，要有合适的势垒接触和欧姆接触的制备技术，以得到能耐较高反向 偏压、漏电流小而正向电阻也小的化合物半导体核辐射探测器。 鉴于以上考虑，许多人曾对室温核辐射探测器材料进行了详细的理论分析。 1 9 6 7 年，p r i n c e 和p o l i s h u k 第一次列出了适于制作室温核辐射半导体探测器的 材料，并列出了这些材料的一些性质。同时还指出，c d t e 、g a p 和c d s e 是比 7 四j i i 大学硕士论文 较合适的室温核辐射探测器材料，因为它们的禁带宽度大( 分别为1 5 e v 、2 2 e v 和1 7 e v ) ，载流子迁移率高( 1 - - 3 0 0 k 时，c d t e ：= 1 0 5 0 c m 2 v s ，1 “= 8 0c m 2 v s ； g a p ：1 & = 3 0 0c m 2 v s ，i “= 1 5 0c m 2 n s 和c d s e ：= 6 5 0c m 2 v s 1 “= 6 5c m 2 v s ) 【4 】。下列出了几种常用室温核辐射半导体探测器材料的性能参数。 m a t e r i a lg a a sc d t bc z t h g l 2 c d s e a t o m i cn u m b e r 3 1 3 34 8 ，5 2 4 8 ，3 0 ，5 2 8 0 ，5 3 4 8 ，3 4 d e n s i t y ( g c m 3 ) 5 3 6 6 0 65 9 5 9 56 4 05 7 4 e n e r g yg a p ( e v ) 1 4 31 4 71 5 7 1 6 42 1 31 7 3 l i n e a ra t t e n u a t i o n。3 5 t 4 1q 5- 3 52 4 4 e o e f f i t i e n ta t 5 9 5 k e v ( c m 1 ) ，( e v )4 5 1 ，4 2 4 4 34 25 8 b e c e ( e m 2 v s ) 8 6 1 0 。5l x l 0 3l x l o 3 1 x l o - 47 2 x 1 0 4 i t h f h ( c m 2 v s ) 4 x 1 0 5 x 1 0 55 x 1 0 51 x l o - s7 5 x 1 0 5 r e s i s t i v i t y ( q c m ) l x l 0 71 x 1 0 9l x l o l o1 x l o l 3i x l 0 i o e l e c t r o nm o b i l i t y8 6 0 01 1 0 01 0 0 0 1 0 07 2 0 ( c m z v s ) h o l em o b i l i t y4 0 01 0 05 047 5 ( c m 2 v s ) 表1 1 几种常用的室温半导体探测器材科的性能闭 表中e d 栅是产生一对电子- 空穴所需的能量。从表中的数字可以看出c d s e 具有较好的综合性能，是一种比较理想的室温半导体核辐射探测器材料。因此， 对c d s e 晶体材料以及c d s e 探测器的研究工作很有意义。 1 3 室温半导体核辐射探测器的现状 室温半导体核辐射探测器的研制包括了很多方面的内容。首先要选择适合 的材料，并且能够生长出来高纯度、高完整性的单晶体。其次还要有成熟的半 导体材料的加工工艺。从2 0 世纪6 0 年代半导体核辐射探测器出现以来，人们 3 四川大学硕士论文 已对晶体材料制各工艺和器件制备工艺相对成熟的几种室温半导体材料进行了 大量研究，取得了较好的成果。目前常见的几种室温半导体核辐射探测器有 o a a s 、c d t e 、h g l 2 ，c d z n t e 和c d s e 探测器。 1 3 1g a a s 核辐射探测器 o a a s 核辐射探测器是工作在室温下并取得较好能量分辨率的第种化合 物半导体探测器【6 】，常见的有三种 7 1 。第一种是采用半绝缘的s i l e cc i a a s 晶片 来制作的半绝缘高g a a s 面垒型核辐射探测器。这种探测器的灵敏体积小于 i c m 。在探测能量低于1 2 2 k e v 的谱线时。其f w h m 值介于3 1 5 k e v 之间，虽 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却很高，大 于1 0 0 7 j ；第二种是外延g a a s 表面势垒型核辐射探测器。在低阻o a a s 衬底 上采用液相外延法生长纯o a a s 单晶薄膜来制得。当探测能量低于1 2 2 k e v 的时 候，其f w h m 值介于l 6 k e v 之间；第三种是具有p i - n 结构的核辐射探测器， 它的性能介于前述二者之间。到了8 0 年代初，g a a s 核辐射探测器还不能批量 生产，而且体积小，平均原子序数低( 与g e 的相同) ，所以没有得到广泛的应 用。这导致了o a a s 核辐射探测器的发展收到了限制。 1 3 2c d t e 核辐射探测器 c d t e 核辐射探测器具有比较长的历史，从2 0 世纪6 0 年代就被作为计数器 广泛应用在各个领域。c d t e 核辐射探测器有两类 3 1 。第一类是采用密封锭区域 提纯拉制成的c d t e 的n 型单晶体( 电阻率为5 0 5 0 0 q c m ) 。然后经过切割、 抛光等工艺后，再在样品的正面和背面分别真空蒸发a u 和h i 构成势垒和欧姆 接触。这样制得的探测器厚度比较薄，只有1 0 0 岫左右。其性能是对川a m 5 9 5 k e v 和5 5 f e5 9 k e v 对x 和t 射线在室温有比较好对能量分辩率，分别是： 1 t k e v 和1 1 k e v 。第二类c d t e 核辐射探测器是采用移动熔区法拉制对高阻( 电 阻率为1 0 8 1 0 9 f 2 e m ) c d t e 单晶体制备的。将c d t e 单晶体经过切割、抛光后 在其表面蒸发镀上i n 或者砧电极。采种这种工艺制作镀直径和厚度皆为5 m m 的高阻c d t e 核辐射探测器在室温下探测”7 c s6 2 2 k e v 和c o1 3 3 m e v 的 r 射 线时，得到的f w h m 分别为8 5 k e v 和1 4 k e v 。 c d t c 探测器的优点是具有比较大的平均原子序数，因此对射线有较高的阻 9 四川大学硕士论文 止本领，探测效率较高。但是，c d t e 核辐射探测器也有其不足的地方。其中影 响其应用的两个主要问题是：极化效应和漏电流较大。虽然这两个问题与晶片 的制备和表面处理有着密切的关系，但是同时跟材料本身也是相关的。因为， 这种材料对禁带宽度比较窄，热激发产生较大的漏电流，因此限制了这种材料 对发展和应用。值得一提对是，在2 0 世纪7 0 年代以来，通过对材料制备技术 和电极技术的改进，c d t e 探测器的极化效应问题得到了比较好的解决。 1 3 3t t 酉2 核辐射探测器 h g l 2 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1 9 1 。h g l 2 的 禁带宽度大( e g 2 1 e v ) ，电阻率大于1 0 ”【k m 。在室温下，由于热激发而产生 的载流子数目很少，适宜制作室温核辐射探测器。 埯1 2 的原子序数高( z = 8 0 、 5 3 ) ，可以有效地阻止射线，因此探测效率高。采用h 醇2 单晶体制作的探测器 是均质体探测器，具有均匀的电场分布，因此有利于载流子的传输。另外，h g l 2 的高电离效率性能也有利于制备出具有优良性能的核辐射探测器。虽然，h g l 2 探测器有比较高的能量分辨率，也已经成功地制成了器件。但是，由于h g h 单 晶体的化学稳定性比较差，室温下容易挥发，分解，所以用这种晶体制作的探 测器需要严格的密封。另外，由于h g h 活泼的化学性能会腐蚀电极，所以目前 只有极少的电极材料可以得到成功应用。由于h g h 晶体质地较软，加工比较困 难。这些缺点导致了h g l 2 探测器的应用受到很大的限制。 1 3 4c d l x z n x t e ( c z t ) 探测器 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，探钡4 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 中掺入勐， 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。 1 3 5 其它化合物半导体核辐射探测器 用于制作核辐射探测器的其它化合物半导体材料有c d s e 、z n t e 、b i 2 s 3 、 1 0 四川大学硕士论文 p b l 2 、g a 2 s c 3 、a 1 s b 等，人们对用这些材料制作的探测器还没有进行充分的研 究。在这些化合物半导体材料中，a i s b 被认为是制作室温丫射线探测器的最好 的材料，理论计算表明，它的禁带宽度比s i 、g c 的大( 约1 6 6 k e v ) ，原子序 数( z ；1 3 ，5 1 ) 比s i 的高，与g e 的相当；它具有较高的电子迁移率和空穴迁 移率【| i 产1 2 0 0 c m 2 ( s v ) ，m = 7 0 0c m 2 ( s v ) ，少数载流子寿命为i p s ，所以它作为 高能射线探测器是一种很有潜力的材料 s l 。但现存的主要问题是没有制备出纯 度高、净杂质浓度低( 1 0 1 21 0 1 4 原子c m 3 ) 、完整性好的a i s b 单晶i l o l ，因此还 没有达到应用的阶段。 1 4c d s e 晶体与探测器 c d s e 探测器于1 9 8 2 年召开的第五次h g l 2 国际会议上首次报道出来1 ，是 一种年轻而很有希望的探测器。下面就重点介绍这种新型的化合物半导体核辐射 探测器材料。 1 4 1c d s e 的基本特性 c d s e 属于i i 族化合物半导体材料。所谓i i 族化合物半导体，是指元 素周期表中的i i b 族元素锌( z n ) 、镉( c d ) 、汞( 培) 和a 族元素硫( s ) 、 硒( s e ) 、碲( t e ) 组成的九种二元化合物半导体。这些化合物都具有纤锌矿的 晶体结构，化学键中离子键的成分较大，禁带较宽，且都为直接跃迁型。i i - 族化合物半导体材料的禁带宽度，除了h g s ，其他化合物都遵循平均原子序数 越大而禁带宽度变窄的规律，如表1 2 所示。 四川大学硕士论文 表1 2 具有纤维锌矿结构的i i 一化合物的某些性质 t a b i e1 2s o m ep r o p e r t i e so fi i 一c o m p o u n d sw i t hw u r t z i t es t r u c t u r e c o m pa v e r a g e e l e c t r o n e g a t i vp r o p o r t i o no fe n e r g ym e l t i n g t r a n s i t i o u n d s a t o m i c i t yd i f f e r e n c e e l e e t r o v a l e n t g a pp o i n t o n n u m b e r a x = x , d - n i lb o n d ( )( e v )( o c ) m a n n e r z n s2 3 1 02 23 61 8 3 0d i r e e t z n s e 3 20 91 9 2 7 1 5 1 5 d i r e e t c d s 3 21 o 2 22 。41 4 7 5d i r e c t z 【l t e4 1o 6 82 21 2 9 0d i r e c t c d s e4 10 9 1 91 71 2 6 4d i r e e t h g s 4 50 71 22 o1 4 5 0 d i r e e t c d t c 5 0o 68 1 51 0 9 0d i r e c t h g s e 5 7o 6 8o 68 0 0d i r e e t h g t e 6 6o 3 3o 3 06 7 0d i r e e t 硒化镉是一种很好的响应可见光的光电导材料。可以用于很多电子器件， 例如：光导摄像管靶、光电池、光二极管，以及x 涉嫌x 射线、t - 射线及可见 光探测器等光电器件。硒化镉具有较高的平均原子序数，晶体密度较大 ( 5 7 4 9 c m 3 ) ，对x 射线和y 射线有较高的阻止能力，禁带宽度较大( 1 7 3 e v ) ， 工作时漏电流较小，可在室温下工作；载流子迁移寿命积( ) 较大( 7 2 x l 旷 锄2 v 1 ) ，且没有极化现象。所以用c d s e 晶体制作的探测器在室温下有较高的 探测效率和能量分辨率。与h g l 2 、c d t e 相比，c d s c 有较好的化学稳定性和机 械加工性能。这些特性使硒化镉达到了室温核辐射探测器所具备的条件，因而 被认为是制备室温核辐射探测器的最有前途的新材料之一。 硒化镉晶体有两种结构，一种是六方结构( a - c d s e ) ，属于6 m m 点群，晶 体结构如图1 3 所示，常温下呈深灰色，具有直接能带结构。 1 2 四川大学硕士论文 一c d0 一& 图1 - 3a - c d s e 单晶体结构 直接跃迁的带隙结构，如图1 - 4 所示： 图1 - 4c d s e 能带结构图l i 2 i 六方结构的c d s e 的基本性质，如下表1 3 。 四川大学硕士论文 六方结构c d s e 的性质数据 密度( g c m 3 ) 5 7 4 熔点( ) 1 2 4 0 平均原子序数4 1 5 9 6 k e v 的线性衰减系数( e r a 1 )2 4 4 3 0 0 k 时的禁带宽度( e v )1 7 最大的体电阻率( q c m )1 0 1 2 电子的迁移率i t ( e m ： v s ) 7 2 0 电子的寿命值镬s ) l x l 0 - 6 电子的迁移率寿命积i x x ( e m 2 v ) 7 2 x 1 0 - 4 空穴的迁移率肛( c m 2 v s ) 7 5 空穴的寿命值s ) 1 0 x 1 0 6 空穴的迁移率寿命积弘x ( e m 2 v ) 7 5 x 1 0 - 5 表1 - 3 六方结构的c d s e 基本特性【1 3 】【1 4 l 从表1 3 列出的数据可以看出，相比于其它化合物半导体材料，c d s e 晶体具 有以下突出有点： 晶体的平均原子序数比较大( s e 是4 8 ，镉是3 4 ，平均为4 1 ) ，密度较大( p - 5 7 4 9 e m 3 ) 。对x 射线和y 射线有较高的阻止本领，用c d s e 晶体制作的探测 器具有较高的探测效率。 晶体禁带宽度较大( e g = 1 7 0 e v ) ，电阻率较高，漏电流较小，常在3 0 0 p a 以下，制备的探测器可在室温下工作。 晶体中电子和空穴迁移率较大( i t , - - - - 7 2 0 c m 2 v s ，i “- - - -