（材料物理与化学专业论文）碲锌镉核辐射探测器的电极研究.pdf

碲锌镉核辐射探测器的电极研究 材料物理与化学专业 研究生：张冬敏指导教师：朱世富教授 碲锌镉( c d z n t e ) 晶体是制作室温y 射线及x 射线探测器的优良材料，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；载流子的迁移率寿命积较大，电荷收集效率高：化学稳定性好，机械 加工性能好。在室温下，c d z n t e 探测器对核辐射具有较高的探测效率和较好的 能量分辨率。因而，近年来倍受人们的关注，已成为目前研究的前沿热点之一。 然而在c d z n t e 探测器的制备过程中，晶片的表面钝化以及表面电极的制备对 其性能影响很大。 为此，本论文针对c d z n t e 核辐射探测器制备过程中的关键工艺晶片 表面钝化和表面电极制备工艺进行了研究，主要内容如下： 研究发现，经过机械加工的c d z n t e 晶片表面存在不完整性，钝化处理可 以在表面形成具有绝缘性质的氧化层，能够降低晶片表面漏电流，是制作m i s 接触电极的一种非常好的方法。晶片钝化的时间决定着钝化的效果，优化的钝 化工艺能使晶片表面结构、组成及性能等得到有效的改进。 研究出提高c d z n t e 探测器晶片性能的最佳表面处理新工艺为：用b m 腐 蚀液( 5 b r + 甲醇) 和l b 腐蚀液( 2 b r + 2 0 乳酸+ 乙二醇) 对晶片腐蚀抛光各一 分钟，然后再采用n i - h f h 2 0 2 溶液对晶片进行钝化3 0 分钟，可以使晶片表面漏 电流最小，电学性能最佳；钝化过程中c d z n t e 晶片表面生成的高阻氧化物有 利于提高电阻率，降低表面漏电流，钝化后的c d z n t e 晶片可以用于室温核辐 射探测器的制备。 采用高纯c 、p t 和a u 材料，分别通过离子溅射制备了c 、p t 和a u 电极的 m s 和m i s 接触，并对探测器的i v 特性进行了测试比较。结果显示：p t 电极 一卜 材料在晶片表面上形成肖特基势垒接触，对于降低探测器工作的漏电流、提高 能量分辨率是有利的，p t 电极在m s 和m i s 结构中都具有相对较好的综合性能， 是制作c d z n t e 探测器的电极的较佳材料。 c d z n t e 探测器在制作成m s m 结构的电极时，暗电流较大，因而限制了这 种电极结构探测器的广泛应用，而经过腐蚀钝化处理过的m i s 结构电极接触的 c d z n t e 探测器漏电流，明显小于m s m 结构电极接触的漏电流。因此m i s 接触 比m s 接触具有好的漏电流特性，在相同的外加电压下其漏电流更小，比较适 合作为探测器的接触电极结构：在m i s 结构中，对于不对称电极，改变电极的 极性会对c d z n t e 探测器的表面漏电流产生一定的影响。 关键词：c d z n t e 晶体；探测器；钝化；电极：漏电流；m s ：m i s i 卜 e l e c t r o d es t u d i e so fc d z n t en u c l e a rr a d i a t i o n d e t e c t o r m a j o r m a t e r i a l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r y g r a d u a t es t u d e n t ：d o n g m i nz h a n gt u t o r ：p r o f s h i f uz h u c a d m i u mz i n ct e l l u r i d e ( c d l x z n x t eo rc z t ) s i n g l ec r y s t a li sar 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 nd e t e c t o rm a t e r i a lw i me x c e l l e n tp r o p e r t i e s i tc a l lb e u s e dt of a b r i c a t ex - r a ya n dy - r a yd e t e c t o r sb e c a u s eo fi t sh i g ha t o m i cn u m b e r , h i g h r e s i s t i v i t y , l o wd a r kc u r r e n t ，g o o dt h e r m a ls t a b i l i t y , w i d ee n e r g yb a n dg a p ，a n dh i g h e n e r g yr e s o l u t i o no ft h ed e t e c t i n gr a ye t e i nr e c e n ty e a r s ，i th a sg i v e nr i s et om u c h a t t e n t i o na n db e c o m eh o tp o to f r e s e a r c hi nt h ew o r l d h o w e v e r , i nt h ep r o c e s so f t h e p r e p a r a t i o no fc d z n t br 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 e c t o r , t h es u r f a c e p a s s i v a t i o n o ft h ew a f e r sa n dt h et e h n i eo fe l e c t r o d ea r e t h em o s ti m p o r t a n t p r o c e s s e s i nt h i sp a p e r , t h et w ok e yp r o c e s s e sw e r es t u d i e d i tw a gf o u n dt h a t ，t h e r ew e a eal o to ff a u l t yf a c t o r so nt h ew a f e r s s u r f a c ew h e n o n l yp o l i s h e dm e c h a n i c a l l ya n dc h e m i c a l l y , b u tt h r o u g ht h ep a s s i v a t i o nt r e a t m e n tt h e r ec a nb e f o r m e dt h eo x i d i z i n gl a y e ro nt h es u r f a c ew h i c hh a st h ei n s u l a t i o np r o p e r t y , a n di t c a nr e d u c et h es u r f a c el e a k a g ec u r r e n t s s oi ti sag o o dm e t h o dt of a b r i c a t em i s s t r u c t u r ee l e c t r o d e 1 1 地c o r r o d i n gt i m eh a v ed e c i s i v ef u n c t i o nt ot h ee l e c t r i c i t y p r o p e r t yo ft h ew a f e r s ，a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r e ，c o m p o n e n ta n dp e r f o r m a n c eo f s u r f a c eo f t h ew a f e r s ，a n dw eg o tt h ep r o c e s sw h i c hw i l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c d z n t ed e t e c t o r , f i r s t l y , t i l ec d z n l ew a f e r sw e r ep o l i s h e dm e c h a n i c a l l ya n dc h e m i c a l l yb y m e a n so fm e t a l l o g r a p h i ca b r a s i v ep a p e r sa n dc h e m i c a le f c l l a i l lt h e nt h ew a f e r sw e r ep a s s i v a t e d n h 4 f h 2 0 2s o l u t i o nf o r3 0m i n t h e r ef o r m e dah i 【g l lr e s i s t i v i t yl a y e ro fo x i d eo nt h es u r f a c e w h i c hw i l ll o w e rt h el e a k a g ec u r r e n t , a n dt h ep a s s i v a t e dc d z n t ew a f e r sw e r es u i t a b l ef o r d e w c t o rp r e p a r a t i o n a l s o ，w ew e r ep r e p a r em sa n dm i ss t r u c t u r ee l e c t r o d ew i t hc ，p ta n da l i t h e n c o m p a r e dt h ei - vp r o p e r t i e s ，a n di tw a sf o u n dt h a tp ta n dt h ew a f e rf o r m e ds c h o t t k y c o n t a c tw h i c hc a nr e d u c et h el e a k a g ec u r r e n ta n di n c r e a s ee n e r g yr e s o l u t i o n p ti st h e b e t t e re l e c t r o d em a t e d a lf o rc d z n t ed e t e c t o r t h el e a l ( a g ec u r r e n ti nm s ms l r u e m r ee l e c t r o d ei sm u c hh i g h 盯w h i c hl i m i t e dt h e a p p l i c a t i o no ft h ed e t e c t o r so fm s m s t r u c t u r ee l e c t r o d e h o w e v e r , t h el e a k a g ec u r r e n to f m i ss u u c t u r ee l e c t r o d ed e t e c t o fi sm u c hl o w e rt h a nt h a to f m s ms t r u c t u r e f o rt h em i ss t r u c t u r ee l e c t r o d ed e t e c t o r , t h ec h a n g eo ft h ee l e c t r o d ep o l a r i t yf o r u n s y m m e t r i c a le l e c t r o d ec o n t a c tw o u l di n f l u e n c et h el e a k i n gc u r r e n to ft h ec d z n t e d e t e c t o r k e y w o r d s ：c d z n t ec r y s t a l ；d e t e c t o r ；p a s s i v a t i o n ；e l e c t r o d e ；l e a k a g ec u r r e n t ；m s ； m i s - r 卜 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。与我一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。 作者签名：尔冬狄 2 0 0 7 年5 脾日 导师签名：条瞎 2 0 0 7 年5 月哆日 第一章概论 1 1 半导体核辐射探测器的发展及分类 1 1 1 核辐射探测器的发展 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作用。 在早期的核物理研究中，气体电离探测器与径迹探测器就已经被广泛采用。法 国物理学家贝可勒尔曾在1 8 9 6 年借助于径迹探测器乳胶，首先发现了天然 放射性现象；美籍中国物理学家吴剑雄借助于碘化钠、葸晶体，用实验验证了 著名的宇称不守恒定律i 。4 0 年代末期闪烁探测器问世，6 0 年代初半导体探测 器兴起，随后又出现切伦科夫探测器、辐射热释光探测器及自给能探测器等多 类核辐射探测器。 虽然核辐射探测器的品种较多，各有特点，但各种探测器都存在固有的缺 点：如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； 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【2 l 。 半导体探测器是六十年代以来得到迅速发展的一种新型核辐射探测器。它 的特点是能量分辨率高、线性响应好，脉冲上升时间短、结构简单紧凑、探测 效率高、使用过程中外加偏压低、操作方便、所以在核物理实验和研究方面得 到了广泛的应用，并在核科学技术的许多应用领域替代了气体探测器和闪烁记 数器【3 】。 1 1 2 半导体核辐射探测器的分类 核辐射照射单晶体时，晶体内产生电子空穴对，晶体两端的电极收集 电子或空穴，在输出端便可获得电信号，信号的幅度与核辐射在材料中消耗的 能量成正比。对于一个性能优良的探测器，要求由核辐射产生的电子空穴 对数量应比材料导带中已有的电子空穴对数量大得多。这就要求材料的稳 态电流应很小，以保证晶体内电流的变化确实是核辐射引起的脉冲。因此，制 作探测器所用的材料在工作温度下应是低导电率的。这个要求使得在制造探测 器时，淘汰了金属材料，使材料的选择范围转变为半导体材料和绝缘体材料。 对于核辐射探测器而言，能量分辨率是一个很重要的因素，而半导体探测器的 能量分辨率比用绝缘体制作的探测器的分辨率好得多。 根据不同的分类依据，半导体核辐射探测器可分为不同的种类。如表1 1 所示： 表1 1 半导体核辐射探测器分类嗍 分类方法种类 s i 、g e 、化合物半导体( g a a s 、c d t e 、h g l 2 、c d z n t e ) 金刚 按材料分类 石、高纯材料( 如h l ：9 3 e 、h p s i ) 、补偿型( l i 漂移) 、外 延生长、中子嬗变掺杂( n t d ) 和t 射线补偿 二极管型、表面势垒型、扩散结型、p - i - n 型、匀质体电导型、 按探测器结构分类 m i s 型、m o s 型、雪崩倍增型( 内放大) 按探测器电极制各方法表面势垒型、扩散结、离子注入 分类 按入射窗厚度分类薄窗型、无窗型 平面型、同轴型、单开型、井型、顶帽型( 倒t 型) 、环形、圆 按探测器形状分类 锥形、条栅形、网络形、保护环和u 型 按耗尽层厚度分类部分耗尽、全耗尽 按探测器使用温度分类冷却型( 7 7 k ) 、常温( 室温和比室温较高的温度) a 射线、p 射线、x 、t 光子，中子、重离子、裂变碎片、低能 按所探测射线类型分类 光子、宇宙射线等 a e 、d e d x 、望远镜、透射镜、p s d ( 位置灵敏) 、一维、二维、 特殊用途 夹心 对于元素半导体探测器来说，主要有锂漂移硅s i ( “) 、锂漂移锗g e ( l i ) 、 高纯锗( h p g ) 探测器。这些探测器具有体积小、能量分辨率好等优点。但由 于硅、锗原子序数较低，对射线的阻止本领较差，因而探测效率较低，且容易 受到温度的影响而发生电子漂移，所以必须在低温( 一般在液氮温区) 下工作 和保存 2 1 ，使用很不方便。经过长时间研究，人们逐渐开发了室温半导体核辐 射探测器材料。 室温半导体核辐射探测器，以大尺寸高质量化合物半导体晶体材料( c _ , a a s 、 c d t e 、h g l 2 、c d z n t e 、c d s e 和a l s b 等) 及其探测器件的结构( 如m s m 、 p i n 和m i i n 等) 和异质结( 如m s 、m i s 等) 的制备技术为关键，涉及材料与 器件设计组装、材料与器件制备关键技术、射线探测及其与介质相互作用机制、 2 一 信号处理与图像显示技术、辐照损伤、剂量标定等物理、化学、信息、生物、 医学学科的基础与应用领域，集室温高灵敏度、低噪声响应光谱宽、脉冲时间 短、探测效率高、抗辐照损伤能力强、大规模阵列集成、体积小、稳定性高、 可批量生产等优势于一身，具有十分广阔的应用市场前景，能在环境监测、核 医学、工业无损检测、安全检查、航空航天、天体物理和高能物理等领域广泛 应用，可推动传统探测器的更新换代。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，成为现代高科技领域的前沿研究热点之- - 5 1 。 1 1 3 常见的室温半导体核辐射探测器 常用的化合物半导体核辐射探测器主要有h g l 2 、g a a s 、c d t e 等探测器。 这些材料制各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。 o a a s 核辐射探测器 g a a s 探测器是最先研制成的有应用价值的室温半导体核辐射探测器。常见 的有三种1 6 1 ：是用半绝缘的s i l e c g 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l c m 3 以下，探测能量低于1 2 2 k e v 的谱线时， 其谱线的半高宽度( f w h m ) 值在3 1 5 k e v 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1 0 0 【。7 】二是外延 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 v 的谱线时，其f w h m 值在1 6 k e v 范围内；三是具有p i n 结构的核辐射探测器，其性能介于前二者之间。g a a s 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，探测器结构紧凑， 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。因此迄今为止，g a a s 核辐射探测器还没有批量生 产，这使其发展受到了较大限制。 一3 一 2 0 世纪6 0 年代初，c d t e 核辐射探测器作为计数器得到了广泛应用。其优 点在于有较大的平均原子序数，对射线有较高的阻止本领，探测效率较高，所 以在c d t e 探测器发明不久就得到了较为广泛的研究，材料制备技术也比较成 熟。但c d t e 的禁带宽度较窄，热激发产生的漏电流较大且有极化效应。c d t e 核辐射探测器有两类：一类是用密封锭区域提纯拉制的低阻n 型c d t e 单晶体， 以a u 和i n 依次制作成势垒和欧姆接触的探测器；另一类c d t e 核辐射探测器是 用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 m m 左 右。 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 6 】，因而具有较好的能量分辨率： 探测6 0 c o1 1 7 m e v 和1 3 3 m e v 谱线时得到的谱峰的f w h m 值达到2 5 k e v 【8 j ； 这种探测器对5 7 c o1 2 2 k e v 谱线的分辨率可达到4 5 5 k e v ，对1 37 c s6 6 2 k e v 谱 线的分辨率可达到1 0 1 2 k e v 。m r i - 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 1 - i - n 型探测器在2 5 温度和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 m 2 以下，因而具有较好的能量分辨率： 对5 7 c o1 2 2 k e v 谱线的能量分辨率可达到1 7 k e v ，对1 3 7 c s6 6 2 k e v 谱线的分辨 率可达到2 4 k e v ，对5 5 f e5 9 k e v 谱线的分辨率可达到o 4 2 k e v ，对a m 5 9 5 k e v 谱线的分辨率可达到o 6 2 k e v 。但m i i - 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 e 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 e 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 9 1 ，对2 4 1 a m5 9 5 k e v 谱线的分辨率可以达到1 5 k e v ， 但探测器的工作稳定性较差。 h g l 2 探测器 h g l 2 晶体是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u j ，早 在7 0 年代，美国就已经开始了对h g l 2 的研究，几年以后技术已经基本成熟， 而我国的研制则始于8 0 年代，h g l 2 晶体曾被认为是很有前途的半导体探测器材 料，直到9 0 年代中期，仍然有很多关于h g l 2 探测器的论文发表。 h g l 2 晶体具有几个突出优点：( 1 ) 晶体的禁带宽度大( 2 1 4 e v ) ，室温下热 1 激发产生的载流子数目少，可制备出漏电流极小的室温核辐射探测器：( 2 ) 用 h g l 2 制作的探测器是匀质体，具有均匀的电场分布，有利于载流子输运；( 3 ) h g l 2 的平均原子序数高，对射线有很高的阻止本领，探测效率比较高；( 4 ) h g l 2 的电离效率高，有利于制备出性能优良的探测器。但其缺点是易潮解且有较强 的极化效应i l ”，所以在加工和封装上要求较高。在国内从八十年代初开始，四 川大学晶体组和上海原子核研究所相继进行了h g l 2 单晶生长和探测器的研究工 作，四j | 大学晶体组在研究上取得了很好的成果。 c 嘏e 探铡器 c d s e 晶体是近年来发展起来的一种有前途的制作室温核辐射探测器的材 料，是响应可见光的一种很好的光电导材料，可用来制作光导摄像管靶、光电 池、光二极管、和x 射线、y 射线及可见光探测器等光电器件。硒化镉晶体有 两种结构：六方结构( 血c d s e ) 和立方结构( p - c d s e ) 。其中六方结构的c d s e 晶体 可用于室温半导体核辐射探测器，与其它半导体探测器材料相比，有以下几个 优点：( 1 ) 平均原子序数较高，密度大，与低能光子间有较强的光电作用，对 x 射线和y 射线有较高的阻止本领和探测效率；( 2 ) 禁带宽度较大，电阻率较 高，可在室温下工作，漏电流较小；( 3 ) 电子和空穴迁移率较大，电子和空穴 的寿命较高，载流子的迁移率寿命积较大，电荷收集效率高；( 4 ) 化学稳定性 好，不潮解，比c d t e 、h g l 2 的稳定性好，机械强度适中，加工性能好，且没有 极化现象，探测器工作时的稳定性较好。这些特点使得c d s e 成为一种很有前途 的制作室温核辐射探测器新材料【5 1 。 c d z n t e 探测器 c d z n t e 探铡器是近年来发展起来的新型室温核辐射探测器。c d z i r r e ( c z t ) 晶体最早的研究是从2 0 世纪6 0 年代作为红外探测器材料h 9 1 x c d x t e 的衬底材 料的c d t e 开始的。人们通过理论计算发现，在c d t e 中增加z n 能稳定c d - t e 键，从而可使得c d z n t e 固溶体以比较低的位错密度生长，后来的实践也证明 了理论预言【l “。2 0 世纪8 0 年代初，c d z n t e 材料才真正开始进行生长和特性研 究。与c d t e 相比，c d z n t e 晶体除了具有c d t e 晶体的优点外，还具有较低的 暗电流( 较低的噪声) 、高的电阻率、更好的热稳定性和更宽的带隙( 1 7 e v ) 争 f 1 3 】、高的能量分辨率等诸多优异的性能。因此c d z n t e 晶体是目前制作室温 核辐射探测器最有前途的新材料。 1 2 室温半导体核辐射探测器材料 1 2 1 常用的室温半导体探测器材料 为了得到比较好的探测器灵敏厚度，需要完整性好、电阻率高的材料；为 了得到大的灵敏面积，材料的均匀性也很重要。用来试制核辐射探测器的材料 比较多。但是目前仅有g a a s 、c d t e 、h g l 2 和c d z n t e 等几种材料制成的探测器 在室温下对y 射线取得了比较好的能量分辨率。下面列举几种半导体探测器材 料的物理特性。如表1 1 2 所示。 1 2 2 制备室温核辐射探测器对化合物半导体材科的要求 对元素半导体来说，现在已能制备出适合核辐射探测器要求的高精度( 高 纯、高完整性) 材料。另外，在元素半导体材料上制备p - n 结和欧姆接触的技 术也已经成熟和完善，s i 、g e 半导体核辐射探测器就得到了迅速发展，在带电 粒子、x 射线和y 射线的能谱测量中取得极好的能量分辨，在许多的领域得到 了广泛的应用。但作为x 、t 射线测量，s i 、( k 半导体的禁带宽度较窄，所以 必须在低温下工作和保存。 为克服半导体核辐射探测器对t 射线吸收系数小、探测效率低，g e 探测器 必须冷却的缺点，为实现能在常温下工作而且能量分辨又好的目的，通常在制 备核辐射探测器时对化合物半导体材料的物理特性有如下几点要求0 5 1 ： 高原子序数( 平均值) 。原予序数高的材料给出了较高的峰宽比并对y 射线 有较高的探测效率。 禁带宽度( e g ) 要大。较大的禁带宽度意味着这种材料做成的探测器能在 较高的温度下工作，有较小的漏电流，而且具有较高的抗辐照能力。 高纯度和高完整性。高纯度和高完整性减少了晶体材料内部的缺陷，减少 了复合中心和陷阱能级，从而使载流子被复合和被陷阱俘获的概率得到相应减 少，增大了电荷收集效率。 少数载流子的迁移率和寿命的乘积( u t ) 要大，这样就可以除去陷获效应， 使探测器具有比较好的能量分辨率。当九e ( p z e ) 大于探测器两电极间的距离 ( 探测器的厚度) d 时，电荷收集效率好，而且几乎没有极化现象。 表1 2 几种常用的室温半导体探测器材料的性甜“7 1 m a t e r i a lg a a sc d l e h e j 2 c d s ec d z n t e a t o m i cn u m b e r 3 1 ，3 34 8 ，5 2 8 0 5 34 8 3 4 4 8 ，3 0 ，5 2 d e n s i t y ( g c m 3 ) 5 3 66 0 6 6 4 05 7 45 9 - 5 9 5 e n e r g yg a p ( e v ) 1 4 31 4 72 1 3 1 7 31 5 7 1 6 4 l i n e a ra t t e n u a t i o n3 53 52 4 43 5 c o e f f i c i e n ta t 5 9 5 k e v ( c m 1 ) p m ( e v ) 4 5 i 4 24 4 34 25 8 c e ( c m w s ) 8 6 1 0 51 1 0 31 1 0 07 2 1 0 41 1 0 4 z h ( c m v s ) 4 x 1 0 5 x l o 。51 x 1 0 57 5 x 1 0 。55 1 0 。5 r e s i s t i v i t ymc m ) 1 1 0 71 1 0 91 x 1 0 i ，1 l o i o1 x 1 0 i o e l e c t r o nm o b i l i t y8 6 0 01 1 0 0l o o 7 2 01 0 0 0 ( c m 2 n s ) h o l em o b i l i t y 4 0 01 0 0 4 7 55 0 ( c m 2 n s ) 1 3 碲锌镉核辐射探测器 碲锌镉( c d l x z n x l e ，缩写c z t ) 晶体是从碲化镉( c d t e ) 晶体发展而来的 一种新型固溶化合物半导体，具有闪锌矿型的面心立方结构，如图1 1 所示。它 可以看作是由两种二元化合物c d t e 和z n t e 按照( 1 - x ) ：x 比例构成的无限互 溶固溶体，改变x ( 一般称作z n 的组分) 的值，可以获得不同的物理化学性质， 从而获得不同的应用。如随着x 的不同，其晶格常数在0 6 1 0 0 4 n m 0 6 4 8 2 3 n m 之间变化，禁带宽度在1 4 9 e v 2 2 6 e v 之间连续可调【l 叼。 c d z n t c 材料与c d t e 材料的区别： c d t e 和c d z n t e 材料的选择一般是出于应用设计的需要。一般而言大体积 的c d t e 晶体相对比c d z n t e 晶体容易制备，c d t e 晶体尺寸可以达到5 0 r a m 直 径，且没有晶界，均匀性较好，这使得c d t e 相对便宜。但是，对于c d z n t e 材 料而言，锌的加入产生的合金效应使得晶体中原子间共价键的强度增强，敌其 l - 机械强度好，不容易产生位错。 ot ec , d 目t , z n 图1 1 碲锌镉晶体晶格结构 另一方面，禁带宽度大而使c d z n t e 拥有较高的电阻率，在室温下可以进 一步降低探测器的漏电流。因此c d z n t e 探测器可以更有效地应用于单极型载 流子器件。虽然c d t e 中空穴的输运特性好于c d z n t e 中的空穴，但是在两种晶 体中空穴的输运特性都较差，使得空穴收集效率较低。 c d z n t e 早期的应用是作为最重要的红外探测器材料h 9 1 x c d x t e 的外延生长 衬底，随着研究的进行，人们发现碲锌镉本身所具有的优点十分适合制备核辐 射探测器。与其它主要探测器材料相比，碲锌镉晶体有如下一些适合制作室温 半导体核辐射探测器要求的优越特性： 碲锌镉原子系数较高( 4 8 ，3 0 ，5 2 ) ，密度高( 6 9 c m 3 ) ，这个特点表明 它与低能光子间存在着较强的光电效应。根据半导体光电吸收系数 p p e a ：e - 7 2 p z 5 ，e 是入射能量，p 和z 分别是材料的密度和原子序数，可知c d z n t e 晶体的原子系数高、密度大，对x 射线和y 射线具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以做得很小，可为成像系 统提供良好的空间分辨率。 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总是优先考虑c d z n t e 探测器。 8 一 c d z n t e 探测器电阻率比较高，与c d t e 相比，有较小的漏电流，使得它们 被用于低光子能量色散系统。 ( 曼) c d z n t e 对光子作用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 较低的漏电流有助予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，适合于在空间物理研究中使用的仪表、便携式谱仪和一些 医用探测器的制备。 此外，由于c d z n t c 禁带宽度较大，因而能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，热激发导致的电子噪声大， 只能在液氮下保存和使用。h g i ：也是一种性能优异的室温x ，y 射线探测器，但 是h g l 2 在空气中存在挥发性，限制了它的应用，因此，可以说c d z n t e 是h g l 2 的最有力的竞争者【1 9 l 。 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。由于其空穴迁移寿 命积( 岍) 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 量蜂不对称，峰谷比例减小，光蜂系数下降。这些缺点可以通过提高晶体制备 质量和电子学技术方面的改进来弥补。最近的研究发现：当c d z n t e 被分割成 小的阵列，其中每一个单元的大小比探测器的厚度小，并且使用正电压偏置时， 峰位效应会大大地改善。 1 4 本章小结 半导体材料已经成为电子工业和高技术领域中不可缺少的一类材料。按其 化学组成可分为元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。本章介绍了 几种常见的室温核辐射探测器材料，对半导体核辐射探测器的发展和分类进行 了简要叙述。 探测器主要分三类：气体电离探测器、闪烁探测器和半导体探测器。气体 电离探测器和闪烁探测器，由于其固有的不足而逐渐地被半导体探测器所取代。 元素半导体对射线的阻止本领较差，探测效率较低，且容易受到温度的影响而 发生电子漂移，必须在低温下工作和保存，使用很不方便。因此，人们研究开 发了多元化合物半导体核辐射探测器材料。 室温半导体核辐射探测器具有能量分辨率好、探测效率高、体积小、携带 方便等许多优点，但对室温半导体核辐射探测器进行的研究并没有取得令人满 意的结果，这主要有两方面的原因，一是室温核辐射探测器对半导体材料有较 高的要求，二是探测器的制作工艺没有成熟。 c d z n t e 是从室温核辐射探测器材料c d t e 发展而来的。人们通过理论计算 发现，在c d t e 中增加z i l 能稳定c d - t e 键，从而可使得c d z n t e 固溶体以比较 低的位错密度生长，后来的实践也证明了这个理论预言。与c d t e 相比，c d z n t e 除了具有c d t e 的优点外，还具有较低的暗电流、高的电阻率、更好的热稳定性 和更宽的带隙、高的分辨率等诸多优异的性能，因而近年来倍受人们关注，成 为目前研究的热点。 第二章核辐射与碲锌镉探测器的作用方式 2 1 射线的分类 在原子核物理学中，任何类型的高速粒子，例如0 l 、p 、t 、p 、r l 、介子、核 裂片等粒子，都称为射线或核辐射。原子核嬗变时放出的各种射线，大致可以 分为三类：( 1 ) 由带电粒子组成的射线，如由正电子或电子组成的d 射线，由氦 原子核组成的0 【射线等；( 2 ) 由电磁波组成的y 射线和x 射线；( 3 ) 由中性粒子 如中子组成的射线 2 0 1 。 丫射线和x 射线都是电磁辐射，它们的差别仅在于产生的方式不同。通常把 原子核从激发态跃到低能态时放出的电磁辐射叫做y 射线，它们具有粒子性，因 此通常也称之为光子。其自旋为1 ，静止质量为0 ，不带电荷，大多数y 射线是 母核进行或b 衰变后，子核处于较高激发态，退激到较低激发态或基态时发出 的。其能量为与跃迁有关的两个能级间的能量差，通常在几十k e y 与几m e v 之 间。把原子内层轨道电子的退激发过程或高能电子的轫致辐射所发出的电磁辐 射叫x 射线。此外，这两种电磁辐射在能量范围上也有差别。由于原子核放出 的y 光子，其能量是断续的，经常是在几千电子伏特到几兆电子伏特之间。x 射 线的能量则是连续的，也有断续的，经常是在小于o 1 兆电子伏特范围内。不过。 利用高能电子打击原子核时，由于轫致辐射而产生的y 光子的能量甚至可达到千 兆电子伏特的数量级1 2 l j 。 2 2y 射线和x 射线与碲锌镉探测器的相互作用 一般的说，任何一种 r 射线和x 射线核辐射探测器，都是基于 r 射线或x 射线与探测器灵敏体积内介质的相互作用，相互作用的方式最主要有3 种：光 电效应、康普顿散射和电子对效应。这些效应除了与射线的能量( e ) 有关外。 还与介质的原子序数( z ) 有关。在不同的能量下，光子与物质的三种作用具有 不同的作用几率 2 2 1 。 2 ，2 1 光电效应f 2 1 l 光电效应的过程是：能量为h v 的电磁量子使原子或分子中放出一个束缚电 子，并给予它能量( h v - w ) ，w 为电子的结合能。只有对原子中被束缚于内壳 层的电子才可能发生能量的全吸收，为了保持动量守恒，必须有第三者，即原 子核。由于自由电子不能吸收光子成为光电子，所以可以预料，相互作用的几 率将随电子结合能的增加而增加。不过，为了能发生光电相互作用，单个光子 的能量必须大于吸收体的电子结合能w 。 导致光电相互作用几率在能量等于k 、l 或m 层的电子结合能处发生突然 的不连续性。若能量上可能的话，则约有8 0 的光电作用发生于k 层，而其余 2 0 的大部分发生于l 层。这种光电相互作用的线性吸收系数从以一种复杂的 方式随e 及吸收体的z 值而变化。即： 段n z 9 e 一 ( 2 1 ) 式中n 为每立方厘米吸收物质中的原子数，指数p 在4 5 之间，指数q 在1 3 之间。在铝中光子能量为o 1 5 兆电子伏特、铜中为0 4 兆电子伏特、锡 中为1 2 兆电子伏特、以及铅中为4 7 兆电子伏特时，光电效应对光子全吸收的 贡献约占5 。 能量w 随后以特征x 射线和俄歇电子的形式出现，它们在填充空穴时产生。 俄歇电子在它的激起介质中的径迹比较短，并且通常易于被吸收。然而，如果 光子的初始相互作用发生在晶体表面的附近，则特征x 射线就很可能在晶体中 不发生作用而逃逸出来。光子的能量越低，相互作用越是在表面附近发生。由 于光电子在核场中减速所引起的轫致辐射的强度比较低，在低能区( 小于l 兆 电子伏特) 更是如此。在该能区，光电效应在总相互作用吸收系数中占重要部 分。 2 2 2 康普顿散射 康普顿效应是y 射线( 光子) 和原子中的一个电子发生弹性碰撞，这种情况 下的电子既可以是束缚电子，也可以是自由电子。在实际情况中，散射电子实 际上全是束缚的，虽然这并不是康普顿效应的必需条件。在上面所说过的光电 效应中，至为重要的是电子的束缚，这样原子就可以参与动量守恒。光电效应 几乎完全是与内层k 或l 层电子发生的，并且它是比较强的特征x 射线的重要 来源；而康普顿散射一般是涉及外层电子，并除轻元素外，不产生可观的k 或 l 的x 射线。因此，光子能量一般比原子中的电子的能量高得多，电子可以认 为是自由的。 在作用过程中光子并不是放弃它的全部能量，而只是将一部分能量转移给 电子，光子能量下降并偏离它原来的轨道，如图2 1 所示，它与初始方向成0 角， 而反冲电子与入射光子成m 角。入射光子、康普顿散射光子以及反冲电子的轨道 总是出现在一个平面上。 图2 1 康普顿散射示意 子 根据动量守恒定律和能量守恒定律可得散射光子能量h v 为： 细一： 丝 ( 2 2 ) 1 + 矛h v ( 1 - c o s o ) 其中m e 为电子的静止质量和u 为电子的速度。 反冲电子的动能e c 等于初始光子能量h v 和散射光子能量h v 7 之差，即 耻毫 q 3 ) 散射前后的光子波长之差v 九为 弧= 三一= c = 兰( 1 一c o s 口) ( 2 4 ) vv肌c 即散射后光予波长变长了。( 2 4 ) 式中的因子h m c c 称为康普顿波长，其 值等于2 4 2 6 x1 0 o c m 。它实际上就是一个能量等于r n c c 2 的光子的波长。由( 2 4 ) 式可见，波长的改变只决定于散射角0 ，而与入射光子的波长和吸收物质无关。 由( 2 2 ) 和( 2 3 ) 式可见，散射光子和反冲电子的能量都不是单一的，它 们随散射角e 的不同而不同，e 与m 角的关系是 c t g # 2 ( 善烤 眩5 ) 角度变化范围0 由0 。至1 8 0 。，相应的反冲角十由9 0 。变至0 0 。当巾角等于0 。、 0 角等于1 8 0 。时，反冲电子的动能得极大值e 一，该极大值即所谓康普顿边缘 j如 一2 五丁 ( 2 6 ) 1 。2 h v 这时，反冲电子的射出方向与原入射光子的方向一致。散射光子的方向与 原入射光子方向相反，称为反散射。当反冲电子动能到极大值时，反散射光子 的能量( 最小能量) 为 ( 如k = _ 芝矗 ( 2 7 ) i + 。 m , c 当m 角等于o 。时，反冲电子的能量等于零，散射光子的能量就等于加。这 说明在入射方向上，y 光予没有被散射。 反散射光予的能量随入射光子能量变化而变化，但在b y 1 兆电子伏特时差 别并不大。反散射光子的能量一般都在2 0 0 2 5 0 千电子伏特左右。为此，高能 量的y 射线能谱常常由于在周围材料中的康普顿散射而表现出一个约2