GB∕T 40291-2021 核仪器仪表 辐射探测器用高纯度锗晶体 基本特性的测量方法

ICS27.120

CCSF88

中华人民共和国国家标准

GB/T40291—2021/IEC61435:2013

核仪器仪表辐射探测器用高纯度错晶体

基本特性的测量方法

Nuclearinstrumentation—High-puritygermaniumcrystalsforradiationdetectors—

Measurementmethodsofbasiccharacteristics

(IEC61435:2013,IDT)

2021-05-21发布

2021-12-01实施

GB/T40291—2021/IEC61435:2013

目次

aw m

弓iw iv

i翻 i

2规范性引用文件 1

3术语、定义和符号 1

3.1术语和定义 1

3.2符号、缩略语、量和单位 2

3.3量和单位 4

4电活性杂质净浓度(Na—Nd)测量 4

4.1范德堡法的样品制备 4

4.2测量电活性杂质净浓度(Na-Nd) 6

5深能级瞬态谱技术测定杂质中心浓度 11

5.1碰 11

5.2深能级瞬态谱设备 11

5.3深能级瞬态谱的样品选择和准备 11

5.4杂质中心浓度的测定方法 12

5.5p型髙纯锗多数载流子深能级 15

5.6n型高纯锗多数载流子深能级 16

5.7般 16

6晶体学特性 16

6.1観 16

6.2晶向 17

6.3样品制备 17

6.4酷 18

附录A(资料性)p型和n型髙纯锗的霍尔因子 19

附录B(规范性)对应的值 20

21

I

GB/T40291—2021/IEC61435:2013

-AX. —

刖 R

本文件按照GB/T1.1—2O2O<标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

本文件使用翻译法等同采用IEC61435：2013«核仪器仪表辐射探测器用髙纯度锗晶体基本特性的测量方法》。

本文件做了下列编辑性修改：

——更正国际标准原文中“常用符号定义对照表”表述错误的内容，包括:符号与“F”的定义互换、符号“K”改为4”、符号“P”改为>”、符号“T”［时间，单位为秒(s)］改为“f”、删除了符号“()”及其定义，平均值采用上横线表示(例^7)。

本文件由全国核仪器仪表标准化技术委员会(SAC/TC30)提出并归口。

本文件起草单位:核工业航测遥感中心、深圳市计量质量检测研究院。

本文件主要起草人：张积运、杜晓立、唐晓川、李名兆、管少斌、周宗杰、张长兴、梁永顺、刘金尧、刘姗姗。

in

探测器制造商需要有关晶体的具体参数来评估同轴探测器的特性，由于物理特性是变化的，仅通过制造商的测量结果不能推算出完整的探测器性能指标。本文件定义了用于确定晶体基本参数(如电活性杂质净浓度、深能级杂质中心浓度和晶体的晶体学特性)的测量方法。

高纯锗(HPGe)探测器用于探测电离辐射时，需要确定锗晶体的尺寸和纯度。由于材料的高电阻率(温度在77K时，电阻率约为10kfl•cm)、杂质补偿的程度导致的锗晶体生产时产生的特殊问题，以及如何合理描述单个装置的大体积晶体杂质分布等方面的问题，现有的标准并没有涵盖。

高纯锗最重要的特征之一是电活性杂质净浓度(Na-Nd),它决定了探测器工作时的耗尽电压。通常采用指出n型或p型的范德堡法来确定(Na—Nd)，并对液氮浸泡的片状样品进行传递测量。采用此技术时,(na-nd)可以用电阻率或霍尔系数计算。通过对样品进行一系列的测量得到电阻率或霍尔系数。

GB/T40291—2021/IEC61435：2013

核仪器仪表辐射探测器用局纯度错晶体

基本特性的测量方法

1范围

本文件描述了测量高纯锗晶体基本特征的术语和试验方法。包括电活性杂质净浓度(Na-Nd).深能级杂质中心浓度和晶体学特性。

本文件适用于7射线和X射线辐射探测器用高纯锗晶体。此锗单晶的电活性杂质中心的净浓度小于1011cm-3，通常是IO10cm-3量级。

本文件中所列测试方法并非法定方法，但在工业中得到了广泛的应用，并为探测器制造商提供了可验证的信息，满足了制造商的需求。

在GB/T7167-2008和GB/T11685-2003中给出了完整的组装锗探测器的试验方法。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T2900.66—2004电工术语半导体器件和集成电路(IEC60050-521：2002,IDT)

GB/T2900.97-2016电工术语核仪器：物理现象、基本概念、仪器、系统、设备和探测器(IEC60050-395：2014,IDT)n3术语、定义和符号

3.1术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1.1

半导体semiconductor

两种载流子引起的总电导率通常在导体和绝缘体之间的一种材料。这种材料中的载流子浓度随外部条件改变而变化。

注：术语半导体一般适用于载流子是电子或空穴的材料。

[来源：GB/T2900.66—2004,521-02-01]

3.1.2

高纯半导体探测器highpuritysemiconductordetector

采用高纯度(如髙电阻率)半导体材料的半导体探测器。

[来源:GB/T2900.97—2016,395-03-48]

3.1.3

霍尔效应Halleffect

在导体和半导体中产生的与电流密度和磁感应强度矢量积成正比的电场强度。

1)国际标准原文的IEC60050-393:2003和IEC60050-394:2007已被IEC60050-395:2014代替。

[来源:GB/T2900.66—2004,521-09-01]

3.1.4

霍尔系数Hallcoefficient

霍尔效应定量关系中的比例系数尺H:

——比例系数，单位为立方厘米每库仑(cm3•CT1);

C——产生的横向电场强度，单位为伏特每米(V-m-1)；

7——电流密度，单位为安培每平方米(A-m-2);

B——磁感应强度，单位为特斯拉(T)。

注：通常多数载流子的电荷符号可以从霍尔系数的符号中推断出来。

[来源:GB/T2900.66—2014,521-09-02]

3.1.5

霍尔迁移率Hallmobility

霍尔系数与电导率的乘积。

[来源-GB/T2900.66—2014,521-09-04]

3.1.6

迁移率mobility

载流子的漂移迁移率driftmobilityofachargecarrier

在电场方向上载流子平均速度的值除以电场强度的值所得的商。

[来源:GB/T2900.66—2014,521-02-58]

3.1.7

杂质impurity

单元素半导体中的其他元素的原子;化合物半导体中的其他元素的原子或与化合物半导体晶体理想配比成分相比多出或缺少的原子。

[来源:GB/T2900.66—2014,521-02-04]

3.1.8

电阻率resistivity

传导性的倒数(仅限此倒数存在的情况)。

[来源:IEC60050-121:1998,121-12-04]

3.2符号、缩略语、量和单位

3.2.1符号

下列符号适用于本文件。

表1中定义了常用符号，不常用的符号在正文中定义。

表1常用符号定义对照表

符号

定义

单位

A

二极管区

平方厘米(cm2)

B

磁感应强度

特斯拉(T)

C

电容

法拉(F)

cd

二极管的耗尽区电容

法拉(F)

表1常用符号定义对照表(续)

符号

定义

单位

C,

初始电容

法拉(F)

cf

电压［时的电容

法拉(F)

cm

并联等效电路的电容

法拉(F)

D.

串联电路的耗散因数

D

样品厚度

厘米(cm)

e

电子电荷1.60X10—19

库仑(C)

er

局部电子能级的载流子发射率s-1

E

与带隙中的电子能级相关的能量

毫电子伏(meV)

f

频率

赫兹(Hz)

F

与#^相关的因子^BC,DA

k

玻尔兹曼常数,8.617X10-5eV•K一1

Na

受主杂质浓度(Acceptorimpurity)

每立方厘米(cm-3)

Nd

施主杂质浓度(Donorimpurity)

每立方厘米(cm-3)

(na-nd).

每立方厘米的电活性杂质净浓度

每立方厘米(cm"3)

Nt

每立方厘米的深能级杂质中心浓度

每立方厘米(cm-3)

Nb

各浅层能级的净浓度

每立方厘米(cm-3)

m

C-2(V)的斜率

每平方皮法伏特(pF_2•V-1)

Q

电荷

库仑(C)

rH

霍尔因子，量纲为1

R

电阻

欧姆(£1)

R»

霍尔系数

立方厘米每库仑(cm3•C-1)

耗尽区的并联电阻

欧姆(£1)

R.

样品的串联电阻，包括未耗尽区和接触点的电阻

欧姆(fl)

p

电阻率

欧姆厘米(£1•cm)

T

温度

开尔文(K)

t

时间

秒(s)

T

发射时间

秒(s)

Tmax

温度峰值的速率窗口

Tr

载流子的弛豫时间

秒(s)

弛豫时间平方的平均值

p

漂移迁移率

平方厘米每伏秒(cm2•V-1•s-1)

户H

霍尔迁移率

平方厘米每伏秒(cm2•V-1•s-1)

戶n

半导体晶体中的电子迁移率

平方厘米每伏秒(cm2•V-1•s-1)

戶P

半导体晶体中的空穴迁移率

平方厘米每伏秒(cm2•V-1•s-1)

表1常用符号定义对照表(续)

符号

定义

单位

V

电压

伏特(V)

Vbi

二极管的内建电势

伏特(V)

Vp

填充脉冲

伏特(V)

K

静止反向偏压

伏特(V)

填充脉冲持续时间

秒(S)

△cd

电容瞬时振幅

法拉(F)

最小电容上升至最终电容所需的反向偏压K的增量

伏特(V)

注：•量的符号指示载流子的类型(n型或p型)，如果仅表示量的大小，表达式为|Na-Nd|。

3.2.2缩略语

下列缩略语适用于本文件。

DC:直流电流(DirectCurrent)

DLTS:深能级瞬态谱(Deep-LevelTransientSpectroscopy)

HPGe：高纯锗(High-PurityGermanium)

LN:液氮(LiquidNitrogen)3.3量和单位

本文件使用SI单位(国际单位制)。辐射量的定义已在GB/T2900.66—2004和GB/T2900.97—2016中给出。

本文件使用的非SI单位如下：

—能量:单位为电子伏(eV);

——时间:单位为分钟(min)；

——体积:单位为升(L);

——厚度:单位为厘米(cm),毫米(mm)。

本文件中用到的还有SI单位的倍数单位和约数单位，依据国际单位制。

4电活性杂质净浓度(Na-Nd)测量

4.1范德堡法的样品制备

4.1.1概述

样品的制备对于准确测定电活性杂质净浓度(Na-Nd)至关重要，因此应特别谨慎。

测试的目的不同，所需样品的尺寸和形状也不同，但所有样品都具有某些共同的特性：

a)样品为片状，沿面最短直线长度至少大于厚度的三倍；

b)从测量理论的观点来看，样品可以是正方形、长方形或圆形，几何形状没有严格要求；

c)表面粗糙和应变(如研磨引起的)应通过抛光腐蚀去除；

d)通常在方形样品的四个角，或者圆形样品间隔90°方向，设置四个触点。

关于腐蚀，湿化学处理的细节及环境条件决定了表面类型(n或p)及其稳定性。表面类型和均匀

5

找标准就到麦田学社

GB/T40291—2021/IEC61435:2013性可能受到处理不当的影响。载流子在表面聚积可能有利于导电;如果将表面反向，则损耗会降低有效样品厚度。样本纯度越髙，此影响就越明显。对于髙纯度的材料（杂质净浓度约为IO10cm"3）,特别是对于n型材料，为了取得更好的效果，需要专门的腐蚀和热处理程序。

4.1.2设备

样品制备设备为：

a） 线切割机或金刚锯。

b） 半导体级试剂，实验室通风罩和水槽。

c） 应确保样品的所有表面都接触到酸;宜使用一个底部有格纹的烧杯。烧杯的尺寸很重要，因为在腐蚀过程中会发生自热。如果烧杯太大，反应会进行得太慢，且浪费大量的试剂；如果烧杯太小，反应会进行得过于猛烈。烧杯最佳尺寸为比样品略大，且足够深，使腐烛剂没过样品表面1cm~2cm。

4.1.3触点尺寸及规定

样品可以用线切割机或金刚锯切割成型。用于测定电活性杂质净浓度（Na-Nd）的样品的最小横向长度应大于样品厚度的三倍。

对于小样品，最佳形状为正方形（或长方形），边长1cm〜2cm。如果触点在转角（首选），转角处应切斜面，斜面最小面积应保证稳定的物理接触［约1mm斜面;见图la）］。对于圆形样品，4个触点应均匀分布在圆周上，且触点尽可能小。触点处的刻痕（凹痕）可以是薄片状［见图lb）］，不同类型样品的A点和C点之间的电压差［A（Vc-Va）］范围见表2。

样品在使用触点前应先腐烛。每个腐烛工序的最后，应列出触点材料清单。

B

B——磁场，单位为特斯拉（T）。

b）圆形样品

表2不同类型样品的A（Vc-Va）范围

类型

A(Vc-Va)

P

>0

n

<0

南

#

图1样品示意图

GB/T40291—2021/IEC61435:2013

4.1.4腐蚀

概述

下面列举了三种样品制备的化学方法，方法A为首选，但是方法B避免了酸与甲醇的混合，产生的环境问题较少。此三种方法可准确推算探测器的特性。腐烛时应使用半导体级试剂。

方法A

a） 用甲醇或去离子水清洗样品，清除残留的接触金属或其他杂质，干燥样品。

b） 化学抛光腐烛准备:三份HNO3（70%按质量）和一份HF（49%按质量）。

c） 如果样品表面已经抛光，轻轻搅拌，腐蚀45s。腐蚀剂应由透明变为浅绿色，可以观察到有浅色气泡形成。如果样品有锯切或研磨的表面，腐蚀3min,轻轻搅拌或直到剧烈的沸腾式反应开始。

d） 用半导体级甲醇快速淬火。在甲醇中快速彻底冲洗，不要将样品长时间暴露在空气中，以免干燥。最后一次冲洗后，应将剩余甲醇从烧杯中彻底倒出。

e） 采用洁净的镊子操作，用清洁干燥的氮气流干燥样品。

£）室温下，在四个接触面上涂上镓-铟（Ga-In）或汞-铟（Hg-In）共晶混合物。

样品制备完成，准备开始测量。

方法B

a） 用甲醇或去离子水清洗样品，清除残留的接触金属或其他杂质，干燥样品。

b） 化学抛光腐蚀准备:两份HNO3（70%按质量）和一份HF（49%按质量）。

c） 当混合物开始剧烈反应（剧烈的棕色大气泡和棕色的一氧化氮烟雾）后，腐烛30s。样品在反应过程中应搅拌，以确保腐烛均匀。

d） 用去离子水慢速（1L/min〜2.5L/min）淬火反应15s〜30s。样品不得暴露于空气中。

e） 用去离子水冲洗1min，彻底清洗样品。

f） 用镊子将样品取出，浸泡在甲醇中1min。

g） 采用洁净的镊子操作，用滤纸或清洁干燥氮气流干燥样品。

h） 室温下，在四个接触面上涂上镓-铟（Ga-In）或汞-铟（Hg-In）共晶混合物。

样品制备完成，准备开始测量。

方法C

a） 用甲醇或去离子水清洗样品，清除残留的接触金属或其他杂质，干燥样品。

b） 制备化学抛光腐蚀原液:七份HNO3（70%按质量），一份发烟HNO3,两份HFC49%按质量）。至少存放1do

c） 对于已经腐烛好的样品，缓慢前后倾斜1min，对于重叠的样品，倾斜2min。

d） 用大量新鲜半导体级甲醇淬火抛光液。

e） 用喷瓶中的甲醇冲洗。

f） 采用洁净的镊子操作，用清洁干燥的氮气流干燥样品。

g） 室温下，在四个接触面上涂上镓-铟（Ga-In）或汞-铟（Hg-In）共晶混合物。

样品制备完成，准备开始测量。

4.2测量电活性杂质净浓度（Na-Nd）

4.2.1概述

通过正方形样品的四个接触点A到D进行测量［见图la），触点是按逆时针顺序标记的］。连续测

19

量和记录电阻率k)和霍尔系数(Kh)。分别加反向电流，将电流增大10倍，其他条件不变，重复测量过程。其目的是发现测量仪器或样品制备过程中的失误(见)。

4.2.2设备

电活性杂质净浓度(Na-Nd)的测量设备应为：

——容器一个。大小适中，用于盛放液氮，在测量时，将样品浸人液氮中。

直流电源一个。

电压表一只(输人电阻宜大于10Mfl)。

—磁场源一个。经过校准，且可以反向，其磁感应强度(B)>0.01T，且样品区磁场的均匀性优于士5%。

电气开关设备。

4.2.3电阻率测量

测量顺序

a)

b)

将样品浸入液氮中，待温度平衡后再记录数据。

将电流(Jab)从A接触点接人，B接触点流出，测量并记录C与D之间的电压差(VCD)和极性。定义-RAB.CD见式(1):

[^ab,cd]=-^^ (1)

1AB

c)

将电流(Ibc)从B接触点接人，C接触点流出，测量并记录A与D之间的电压差(Vad)和极性。定义及BC.DA见式(2):

= (2)

BC

d)

分别将电流反向，将电流增大10倍，重复以上测量过程。

电阻率的计算

电阻率可以从式(3)计算得出：

nd/I^ab.cd+-Rbc.da\ 、

2 H (3)

式中：

d —样品厚度，单位为厘米(cm);

jRab.cd磁场关闭时的QJ?ab.cdOB=0—(见图1);

1AB

RbC.VA——磁场关闭时的[尺BC,DA]B=。(见图1)；

iBC

D

F 个与有关的因子，按照附录B的图B.1。

-^BC.DA

将电流反向、磁场反向或电流增大10倍(可能会由于使用的电压表输人电阻不够高，对结果造成影响)J^AB.CD，-Rbc.da和ARbd.ac的变化不得超过士5%。同时，5min内的量值变化不应超过士2%。如果不满足上述条件，样品应进行重新加工(重新腐烛，重新涂敷接触点)并重复测量。

4.2.4翟尔系数测量概述

Rh的测量方法与电阻率类似，但使用的接触点顺序不同。此外，在外加磁场和不加磁场的情况下分

别进行测量。外加磁场时，其方向应垂直于样品所在平面。测量时，应注意观察，偏差不应超过士2%。

测量顺序

a)关闭磁场，将电流从接触点B接人，接触点D流出，同时测量并记录A与C之间的电压差([•Rbd,ac]b=o);

b)开启磁场，将电流从接触点B接人，接触点D流出，同时测量并记录A与C之间的电压差(DRBD,AC]B=B)>

c)分别将电流反向，将电流增大10倍，重复以上测量过程。

霍尔系数计算

霍尔系数Kh以cm3•(T1为单位，由式(4)可得：

BD,AC]B=B一[UB=O} ••••••••••••••••••••••••••••••(4)

式中：

d ——样品厚度，单位为厘米(cm);

B ——磁感应强度，单位为特斯拉(T);

[尺BD,AC]B=B 开启磁场时的电阻Red,AC，单位为欧姆(fl);

[^bd,ac]b=0——关闭磁场时的电阻KBD,AC，单位为欧姆(O)。

所需磁场极性如图la)所示，对于p型材料只H为正值，n型材料只H为负值。

4.2.5根据电阻率计算电活性杂质净浓度(Na-Nd)

电活性杂质净浓度(Na-Nd)的值由式(5)得出：

(Na-Nd)=—-— (5)

p・€・fJL

式中：

p 电阻率[见式(3)];

e 电子电荷,1.60X1019C；

fi——漂移迁移率，与载流子类型(n或者p)相关。

Rh可正可负，本文件中，见式(6)和式(7):

fin=36000cm2•V-1•s—1 (6)

p.v—42000cm2•V-1•s-1 (7)

上述髙纯锗在77K时的漂移迁移率并没有得到一致认可。

如果反向磁场和反向电流所产生的及H符号不一致，或者反向导致的及BD.AC的值相差超过士25%，则本方法不适用于此型号的样品。如果cm2-V-1•S-1(计算方法见4.2.6),霍尔系数的符号不能用于表征样品类型。

4.2.6范德堡法测量漂移迁移率的计算

对于单个样品，计算漂移迁移率(/z)的数据可用范德堡方法获得[1]。霍尔迁移率由式(8)定义：

l-^H| Z。X

P

式中：

I^hI——霍尔系数的绝对值，单位为立方厘米每库仑(cm3•CT1);

p 电阻率［从式(3)获得］。

霍尔迁移率与漂移迁移率的关系由式(9)表示:

式中：

/ZH 霍尔迁移率由式(8)获得；

rH——霍尔因子(约等于1)(见附录A)。

范德堡法得出的M的值可能会低于真实值，其原因有：

a)接触点条件不好；

b)表面电荷的影响；

c)宏观不均匀性；

d)微观异质性。

在小于1V•cm-1的电场，由局部电位的浅层波动引起的微观异质性阻碍载流子的流动，导致漂移迁移率偏低。中性杂质散射也可能降低迁移率，但在高纯锗中并不常见。

探测器工作在髙场强下(〜1kV•cm-1),此时漂移迁移率低不能代表载流子速度低，但在确定电活性杂质净浓度(Na-Nd)时存在实际问题。本文件仅限于在77K时，/z大于25000cm2•V1•s"1的材料(见4.2.S.4),但是不能因此推断;z较低的材料不适合核探测器。对于这类材料的电活性杂质净浓度(Na-Nd)的测定方法，本文件中没有涉及。

注：通过反复腐蚀和接触，试样仍然存在的低迁移率情况，可作为样品的不均匀性指标。

4.2.7用及H计算电活性杂质净浓度(Na-Nd)

由式(10)可得电活性杂质净浓度(na-nd)：

Z*TJ

(Na-Nd)=― (10)

e•Kh

式中：

霍尔因子；

e 电子电荷»1.60XIO19C；

尺H——霍尔系数，单位为欧姆厘米(fl•cm)o

注：(Na_Nd)的符号与的符号一致。

对锗在77K时，只有在磁场强度B大于或等于10T，才能达到这一限值。

在低场强下［见式(11)］，

rH=?7/E2 (11)

式中：

对于理想半导体，r,是单个载流子的弛豫时间，单位为秒(s)J7是弛豫时间的平方的平均值。对于高纯锗晶体，r，取决于载流子带结构的细节和散射机制。n型和p型高纯锗的rH值也不同(见附录A)。

4.2.8电活性杂质净浓度(Na-Nd)的空间相关性

概述

如果高纯锗探测器的体积比范德堡样品的体积大得多(多数情况)，则需要确定(Na-Nd)的轴向和径向变化。非平面生长界面，径向微观生长速率不规则，以及从表面扩散或向表面扩散均可能引起

A(Na-Nd)。轴向变化是由残余杂质的不均匀分布系数引起的。有效分布系数决定微观的增长率，

其导致的不均匀性从10 到100Mm。这些不均匀性或条纹与晶体生长过程中锗锭的旋转速率有关，

或由生长过程中的热波动引起。在补偿样本中，不均匀性可能导致在p-n结附近的迁移率偏低。

电活性杂质净浓度(Na-Nd)径向变化

对于本文件的分析，假设电活性杂质净浓度(Na-Nd)是半径的线性函数。本文件中的(na_Nd)，是指感兴趣区的(Na-Nd)的平均值，是在晶体的中心和边缘进行测量的算术平均值。晶体切片的径向变化A(Na—ND)r由式(12)定义：

△(Na—Nd)r=(Na—Nd)e—(Na—ND)c (12)

式中：

△(NA-ND)r——晶体切片的径向变化，单位为每立方厘米(cm-3)；

(NA~ND)e——在晶体的边缘进行测量，其电活性杂质净浓度的算术平均值，单位为每立方厘米(cm-3)；

(Na-Nd)c——在晶体的中心进行测量，其电活性杂质净浓度的算术平均值，单位为每立方厘米(cm-3)□

下面是径向变化三种测量方法。

有效迁移率技术

晶体测量时，如果//［见式(9)］与理论值的误差小于±10%，采用有效迁移率技术。如果变化量A(Na-Nd)小于士15%，电活性杂质净浓度(Na~Nd)的测量值［由式(10)给出］可以视为真值。

四叶型技术

如果范德堡方法测量样品时大于25000cm2-V-1•s—1(见附录A)，可以使用四叶形样品。可以用机器在样品接触点之间切口，切口长度为半径的1/2以上［如图2a)所示］。样品应重新腐蚀，重新测量见4.2.5。在新的几何结构中，只有中心区域对测量结果有显著贡献。在这些实例中，式(13)和式(14)适用：

(Na-Nd)=(Na-Nd)s (13)

△(Na-Nd)r=2[(Na-Nd)s-(NA-ND)f] (14)

式中：

(Na-Nd),——对晶体切片进行测量，其电活性杂质净浓度的算术平均值，单位为每立方厘米(cm-3);

(Na-Nd){——对四叶形样品进行测量，其电活性杂质净浓度的算术平均值，单位为每立方厘米(cm-3)。

骰子技术

从薄片边缘和中心取小圆盘状或正方形进行分析［见图2b)、图2c)］。这些切片的最大横向尺寸应小于样品直径的1/4。边缘样品应距离晶体边缘1mm以内。在这种情况下，"大于25000cm2•V"1•s—1，适用式(15)：

(Na-Nd)=［(Na-Nd)e+(NA-ND)/2 (15)

式中：

△(NA—ND)r由式(12)给出。

注：受主浓度增加或施主浓度沿半径向外下降，径向变化为正值。

图2样品形状示例

4.2.9电活性杂质净浓度（Na-Nd）的轴向变化

通过测量薄片不同轴向位置的电活性杂质净浓度（Na-Nd）,得到轴向变化。

用于平面探测器的薄片（直径大于厚度），通过测量整个薄片得到（na-nd）。

用于同轴探测器的晶体（直径约等于厚度）,（Na-Nd）和△（na_jvd）的测量应在靠近晶体两端的薄片上进行。对于特别长的原生晶体，其大小可以制作几个同轴探测器，需要从晶体两端的薄片测量值中进行插值。

5深能级瞬态谱技术测定杂质中心浓度

5.1概述

高纯锗用于核辐射探测器时，在深能级可能产生电活性缺陷，阻碍被捕获的载流子在相对较短的时间（与线性放大器的成形时间相比）内重新释放。这种效应可能导致谱记录中出现峰展宽和拖尾。在本文件中，深能级是指在77K时发射率小于IO6s-1的能级。电容瞬态测量技术，特别是深能级瞬态谱技术（DLTS）或朗氏法［2］，可以定性和定量测量几个有危害的受主深能级。

5.2深能级瞬态谱设备

朗氏法所用的设备包括：

a） 电容计一只。精度为士2%，测量范围：1pF〜100pF。应采用三端电容以避免周围环境的杂散电容对样品测量的影响。该仪器应可以对样品施加至少10V的稳定直流偏压，且该仪器的上升响应时间应远小于待测材料的最小发射时间常数。此外，在外加填充脉冲电压期间，可能需要一个平均值以限制大的暂态值。不宜使用电容桥，因其响应时间慢，信噪比低。

b） 脉冲发生器一台。其所施加的偏置电压可调档，其开关时间远小于待测的最小发射时间常数。为了扩大反向偏压的范围，需要将额外的电压源串联到脉冲发生器上。

c） 双通道取样积分器一个（或同等物），门宽可调，两个独立可控的门延迟时间，采样时间可调。

d） 记录系统一套。能够数字化或连续测量两个门延迟时间之间电容随温度变化的差值。

e） 示波器一台。测量门延迟时间和观察电容瞬态变化。

f） 低温恒温器一台。样品温度可在15K〜220K可调。

g） 温度测量系统一套。仪器灵敏度髙于士0.5K。

本文件描述的测量过程采用朗氏取样积分器的方法，其他一些可行有效的测量方案没有提及。5.3深能级瞬态谱的样品选择和准备

样品的大小及其在生长晶体中的位置至关重要，因为深能级浓度可能具有很强的径向和轴向梯度［4］。用于制作同轴探测器的高纯锗晶体，取样方法如下：对于P型，从靠近籽晶末端处取样；对于

n型，从靠近晶体的尾端切片取样。样品应位于晶体生长的两个平面中间，其边缘与薄片的边界相距为士2mm0如样品为正方形，则每边约6mm;如果是圆盘状，其直径应在6mm左右。

为了确定电活性杂质净浓度（Na-Nd）,应在样品中结形成之前进行范德堡测量（见第4章）。

这种结可以通过扩散、注人或金属化形成。为了防止铜相关杂质中心扩散到样品中，加工温度应保持在550K以下，热处理时间应小于2h。测量开始之前，为防止表面污染，立即腐烛未接触的表面。

5.4杂质中心浓度的测定方法

5.4.1概述

在深能级瞬态谱中，二极管保持稳定的反向偏压K。在该电压下，二极管的电容为Cf。施加电压脉冲Vp减小了偏置电压，从而将多数载流子引人之前的耗尽区。脉冲结束时（当电压恢复到K时），填充的多数载流子给二极管施加电容Ci，二极管立即放电，电容以指数形式恢复到其原始值cf。

利用取样积分器对此变化进行分析，该积分器产生的信号与c（f2）-c（n）成比例，即时刻的电容与《2[2]时刻的电容之差。此变化即为深能级瞬态谱信号，如图3所示。

在深能级瞬态谱中,CM-CM被绘制为温度的函数曲线。CM-CCtO取决于载流子发射速率随温度的升髙而快速增加。发射时间r=满足式（16）时，在此温度下（见5.4.2）,从一个特定的能级可测得深能级瞬态谱信号的最大值。

式中：

——温度峰值丁_的速率窗口；

匕和表示如图3所示的时间。

髙纯锗的深能级瞬态谱存在一个问题：电活性杂质净浓度（Na-Nd）低值时，未耗尽锗的电阻很高，而且在感兴趣范围15K-220K内，随温度快速上升。

电容（c）

深能级瞬态谱门

图3深能级瞬态谱波形及门时间

电阻的阻值可能与电容的容抗值相当，尤其是在温度100K以上，这取决于电活性杂质净浓度（Na-Nd）的值、样品厚度、偏压、电容测量电路的频率以及温度。这些因素将影响能谱仪的灵敏度和

峰识别的可靠性。等效电路效应的修正见5.4.4。

髙纯锗的深能级瞬态谱偶尔也会出现扩展缺陷［3］［4］，但由于没有普遍接受的电子状态占位模型，数据的定量解释并不明确。因此，本文件不包括深能级瞬态谱扩展缺陷的描述。

对少数载流子深能级的研究需要注人少数载流子，难以获得和论证其饱和度，因此该方法主要用于定性测量。本文件不涉及此类测试。

5.4.2深能级瞬态谱信号作为温度的函数

记录深能级瞬态谱信号时，样品温度变化速率应小于0.1K•8-\将结果制成图表。为了得到表3中的能级参数:因子1和激活能AEn，需要在保持《2仏比值不变的情况下改变门间隔时间(«2-«i),进行几次深能级瞬态谱温度扫描。通常从0.5ms到10ms，而Z，/^约等于5。

5.4.3计算电活性杂质净浓度(Na-Nd)

温度应稳定在10K〜20K，低于深能级瞬态谱的最低温度峰值，保证所有深能级载流子冻结。应确保样品在W处未耗尽。对于边缘有平带面的突变结,c-2(v)的最小二乘拟合应近似为一条直线，其斜率为w。采用式(17)估算(Na-Nd)浓度：

式中：

(Na-Nd)——电活性杂质净浓度，单位为每立方厘米(cm-3)；

A ——二极管面积，单位为平方厘米(cm2);

m ——CT2(V)的斜率，单位为每二次方皮法拉每伏特(pF)"2•V-'。

常用的P型髙纯锗整流接触是由锂扩散形成的，近似于一个突变结。样品边缘的表面状态以及杂散电容、不均匀杂质分布和其他影响也会造成畸变。式(17)假定空间电荷区突然终止。如果多子能级不止一个或者超纯材料在较髙的温度下，这个假定是不合适的。因此，CT2对V的曲线只能用于二极管的定性测量;浅层能级浓度应通过范德堡方法测定(见4.2.5)。从式(17)计算得出的浓度［通过CT2(V)在V，时的斜率计算］应与范德堡法测量推算的浓度相差在士20%以内。测量时，在热平衡中电离，但在较低温度［测量C_2(V)时］冻结的能级浓度，应予以修正。

5.4.4等效电路效应的修正

用于测量髙纯锗样品深能级瞬态谱的简化的等效电路［5］［6］，由三个分量组成，分别属于样品的耗尽区和非耗尽区：

a)耗尽区电容Cd，是深能级瞬态谱测量中重要的组分，取决于外加电压、耗尽区的电活性杂质净浓度(Na—Nd)、耗尽区厚度和触点面积；

b)耗尽区的并联电阻只p，在低温下性能良好的材料中通常很髙，其影响可以忽略不计；

c)样品的串联电阻K，(包括未耗尽区域和触点的电阻)，如果存在串联电阻，会影响Cd的测定。如果只，主要是由触点引起的，对其进行重新加工，可能会使电阻降至足够低，因此不需要修正。如果K，主要是由于二极管未耗尽区域的电阻引起的，通常可以选择合适的温度范围测试样品，在此范围内，Ka极低因而不需要修正。下面将讨论无法避免的情况下的修正。

半导体工业中使用的电容计是三端器件，样品通过屏蔽电缆连接到仪表上。该屏蔽作为保护电极，防止所需的耗尽区电容受样品与周围环境接触产生电容的影响。电容可以直接从电压表面板读取，通过输出连接器，可以在示波器上观察电容信号V。。工作频率〜1MHz)是由仪表制造商选择，具有良好的信噪比。样品的串联时间常数远小于(2k/)-1且并联时间常数明显大于(2k/)-1。

并联时，电容表的输人端上的电容和电阻等效。由于真实电路的串联时间常数为R,Cd,因此建议，

找标准就到麦田学社

测量时，如果电容不随时间变化，可以用所测并联电容及式(18)计算耗尽区的电容(Cd):

Cd=Cm(l+Ds2) (18)

式中：

Cm——并联等效电路的电容，单位为法拉(F);

D,——在串联电阻为艮和角频率为w时，样品的耗散系数，D，=U?，Cd，式中M=2nf,f为频率，单位为赫兹(Hz)。

为了确定特定工作温度下D，的值，需要绘制样品的温度图C(T)O在温度范围20K-100K的某一点，会出现一个坪区，表明D，降至远小于l，Cm约等于Cd。如果深能级瞬态谱峰落在坪区，则不需要修正。但是如果峰值没有落在坪区，而是出现在髙温区，Cm将会变小。由式(18)可以推导出D，。本方法中，假设触点电阻低于二极管未耗尽区电阻，且清空深能级引起的电容变化较式(18)中的修正项小。

在涉及电容变化的深能级瞬态谱测量中，利用式(19)中给出的修正从测量到的并联电容的相对变化可以得到串联电容的相对变化。这种修正在小信号情况下是有效的，ACm小于0.2Cmo

△Ca■cT

cm

_1+D，门

△Cm

exp

(19)

式中：

耗尽区电容的修正分数变化量;

-7^—并联等效电容的实测分数变化量。

m

当D,等于1时，式(19)存在异常点。如果D，大于0.8,则不使用该公式。如果D，小于0.2,则不需要进行修正。

5.4.5高陷阱浓度和电压脉冲高度的修正

计算得出的深能级浓度Nt也应根据高陷阱浓度和电压脉冲髙度进行修正。在经典方法中，应用式(20)。

Nt=X

△Cd~cT

2-皆

(卜皆)2Vp

(20)

式中：

Nb——温度为77K时，范德堡法测定的和深能级瞬态谱分析得出的所有浅能级的净浓度，单位为每立方厘米(cm-3);

Vbi——二极管内建电势(可以假设为0.5V)，单位为伏特(V);

VP——填充的脉冲电压，单位为伏特(V)；

K——静止反向偏压，单位为伏特(V)。

5.4.6给出了一种快速的测量方法。

5.4.6■^技术测量JVT

AV

对深能级瞬态谱进行定性分析后，采用Y^技术测定高阻材料中相对较髙的深能级浓度。它的优点是不需要测量电容(但是设置中保留电容计)。此外，髙陷阱浓度、串联电阻效应或电压脉冲髙度不需要修正，且电容计的误差不影响结果。

程序如下：

a)将示波器连接到电容计的输出端，示波器屏幕上将显示完整电容暂态波形。波形的指数增长

部分应类似于图4中的上半部分。

b)记录填充脉冲Vp的髙度。

c)注意圆圈中点1的垂直位置，对应于初始电容CiQ

d)增加反向偏压V、的增量AV。，使圆圈中点2的最终电容(^对应的信号与点1在同一垂直位置，记录AV。。应注意确保，在电容为G或C'i时，偏压不会使二极管完全耗尽。如果出现完全耗尽，则应选择较小的初始偏置电压。

e)由式(21)计算每立方厘米的深能级杂质中心浓度Nt：

AV

Nt=^Nb (21)

Vp

式中：

△V。——将最小电容提升到最终值所需的反向偏置电压K的增量，单位为伏特(V);

Nb——各浅层能级的净浓度，单位为每立方厘米(cm-3)0

5.5p型高纯锗多数载流子深能级

表3列出了p型高纯锗有关的多数载流子深能级及鉴别方法以及Cu和Cu-Hx的第一电离能级，但在本文件中没有考虑捕获。如果不存在干扰，可使用这些电离能级确定中心的浓度。

由于缺陷的捕获截面不同，每个缺陷的浓度(或浓度的上限)均应在报告中列出。

未列于表3中的深能级可以由能级参数2<„和^^^计算得出，或者更简单地用特定温度下的发射率(^)来确定(见下面的匕公式)。

表3p型高纯锗的多数载流子深能级

杂质中心*

电离能级**

Kn

IO7•K-2•s_1

△EnmeV

参考文献

Cu8

0/-

6.0

37

[10]

Cu-H

0/-

8.6

62

[10]

v2-h

?

6.2

71

[8]

表3p型髙纯锗的多数载流子深能级（续）

杂质中心’

电离能级**

Kn

107•K-2•s_1

AEn

meV

参考文献

Cu-H-Li

?

21.8

160

[10]

Cu-H

-/2-

4.5

185

M

Cu8

-/2-

146

322

[8]

注1；er=KnT2exp（-AEn/jtT）

式中:为发射率，单位为和n能级的参数4为玻尔兹曼常数；T为温度，单位为开尔文

（K）。

注2:假设，在温度77K，达到热平衡时,Cu-Hx（0/-）能级和所有的浅层能级均已电离。

其中：

*Cu,参考铜代替品；

** 0/-参考（中性）（单次电离）空穴发射前/后；

-/2-参考（单次）（双重电离）空穴发射前/后。

R相同时，深能级瞬态谱信号为脉冲高度的函数，通过测量其大小，验证之前未揭示的缺陷能级确是体效应，而不是表面效应或与接触相关的现象。对于均匀分布的体缺陷，深能级瞬态谱信号的幅值与R呈线性关系。应验证该能级的发射呈指数形式。使用参考文献［3］或参考文献［4］中的方法。通过观察深能级瞬态谱信号的强度或ACGyp），验证该能级的捕获呈指数形式。其中Wp是填充脉冲的持续时间。

对独立缺陷能级，存在发射时间（r。），信号强度符合式（22）:

[△Cd](Wp=oo)—[△Cd](Wp)

[△Cd](Wp=oo)

=exp(—Wp/rc)

(22)

式中：

△Cd——电容瞬时振幅，单位为法拉（F）；

Wp——填充脉冲持续时间，单位为秒（s）。

5.6n型高纯锗多数载流子深能级

n型髙纯度锗多数载流子深能级在单个孤立缺陷能级［11］上，呈现峰值展宽；在某些情况下，捕获动力学与在塑性变形样品中观察到的相类似［12］。如前所述，本文件不涉及深能级瞬态谱扩展缺陷。孤立缺陷捕获能级的描述和报告方法应与P型材料相同。此外，还应证实这些能级的指数发射和指数捕获。5.7报告

如果采用朗氏法之外的其他方法，则在测量结果之前应说明所使用的方法。

无论采用何种方法，应说明电容桥或电容表的工作频率。如果使用朗氏法，还应说明的值。依照本文件可以量化的观测能级，应根据其浓度列表。表3所列的中心的浓度上限（未观察到）可以从适当温度下的最小可测电容瞬态推导出来。如果发现深能级瞬态谱峰值，但无法量化（例如，由于D，值过髙），则应说明原因。

6晶体学特性

6.1概述

关于晶体缺陷对探测器性能的影响，已有许多报道。值得注意的是，因为原生无位错锗晶体含有过

GB/T40291—2021/IEC61435:2013

髙浓度的电活性的点缺陷［13］，其与空穴有关，所以绝对完美结晶并不合适。然而，位错本身可能具有电活性的某一种机理（其中哪些是主要的，目前尚不清楚）。位错对电荷收集的影响已经引起了广泛关注，其中一项研究发现深能级瞬态谱峰值可能与位错类型有关。为了充分收集电荷，尤其是对于特殊形状的探测器，参考文献［14］和参考文献［17］引用了腐烛坑密度的上限。然而，由于位错的类型及其电活性严重依赖于生长条件［15’16］，因此不能认定这些极限值具有普适性。完整的晶体学信息无法获取，因此设备的性能无法从这些数据中推测出来。然而，从器件的角度来看，下面讨论的一些一般晶体学性质是合理的。例如，除了位错之外，某些类型的大型晶体缺陷（孪晶平面、晶界和某些系属结构）经常会产生过量漏电流。

6.2晶向

结晶锗具有金刚石结构，其结晶方向称为常规单位立方体。电子传输、机械和腐蚀特性通常是各向异性的。晶向可用光学或X射线衍射来确定。这些技术的指导方法见参考文献［18］，其包含了光学和X射线衍射方向检测晶向的方法。如果晶体中不存在孪晶或晶界，则可以根据先前测量的籽晶的轴向取向来假定晶体的轴向取向。

6.3样品制备

6.3.1概述

生长的锗锭应在强光下目测孪晶平面或晶界，存在任一特征的晶体部分即不能认定为单晶，除用户指定的其他位置外，用于蚀坑评价的切片均应在工件的尾部附近切割，并垂直于生长方向。

6.3.2择优腐蚀

通过择优腐烛技术，在位错与被腐烛表面的交点处产生凹坑，最直接地评定晶体学的完美性。程序包括：

a)

机械准备；

b)

抛光腐烛；

c)

择优腐烛；

d)

光学显微镜检査;

e)

结果列表。

在参考文献［19］中讨论了该技术的特点和局限性。

6.3.3腐蚀方法

使用4.1.4描述的腐蚀技术之一进行抛光腐蚀。将化学抛光的薄片浸人一个特殊的腐蚀槽中，时间要足够长，以形成位错腐烛坑，通常需要90s左右。位错腐烛坑的特征是底部尖。应使用以下特殊腐烛槽：

a） 位错腐烛（111）

将8gAgNO3溶于160mL水中，加人80mLHNO3（70%按质量）和160mLHF（49%按质量）。搅拌15min后再使用。4h后弃用。

b） 位错腐蚀（100）

将25gCu（NO3）2•3H2O溶于500mL水中，然后加人250mLHNO3溶液（70%按质量）和

500mLHF（49%按质量）。使用聚乙烯或聚丙烯瓶储存。

c） 位错腐烛（110）

将12gKOH和8gK3Fe（CN）6溶于100mL水中。4h后弃用。

注：前面的腐蚀剂会沉积金属离子;如果不清除，可能会对材料制成的器件产生不利影响。

6.3.4腐蚀坑密度

腐烛坑分布可能是不均匀的，因此，计算区域的选择没有规定程序。建议位错计算选择至少三个1mmXlmm区域，分别位于中心，边缘和切片径向上的中间位置。这样每片至少要数150个腐烛坑（如果有这么多）。

6.3.5系属结构

位错腐烛坑有时成直线状，表示晶体的小角度晶界。这些图案被称为“系属结构”，可以通过位错腐烛坑之间的间距和结构的总长度来表征（以切片半径衡量）。根据定义，系属结构的烛坑间距应小于

40ptm。

6.3.6马赛克

马赛克是一种卷曲的线条结构，线间距大于1mm。

6.4报告

表征髙纯锗晶体学的描述应包括，

a） 样品的轴向。除非另有规定，这也是用于评价位错的切片方向。

b） 样品是单晶（无孪晶面或晶界）还是多晶的说明。

c） 是否有系属结构，腐烛坑密度大于平均值4倍的区域，直径大于2mm的无错位区域和马赛克结构。

d） 平均腐蚀坑密度和参与计算的腐烛坑总数。

23

附录A

（资料性）

P型和n型高纯锗的霍尔因子

A.1n型髙纯锗的霍尔因子

对于n型高纯锗在77K时，无论磁场方向如何，在B接近0时，rH约等于0.83［8］。对于有限磁场B，rH取决于矢量B和感应霍尔电磁场的矢量方向，其中感应霍尔电磁场的矢量方向与晶体轴向相关。这是由于锗晶体导带中电磁场椭球等能面的显著的各向异性所致。B<0.1T时，rH取0.83。B〉O.1T时，rH应做修正，计算样品的晶体方向时应考虑磁场强度。图A.1中列举了两种方向的修正示例ra。

B/T

/

—

—

麵 J

-A:BH〈00

Z—B:Bn<ll

-11

i>,I:n<uo>i>,I:n<no>

11

11

1111

111

11

11

0.1

图A.1n型高纯锗的霍尔因子

A.2p型高纯锗的霍尔因子

因为价带中的等能面比导带中的各向异性小得多，所以r«对取向的依赖性很小，在P型锗晶体中忽略不计。在低能量时，快速和慢速空穴带的简并性影响显著。快速空穴的影响——rH在低场强时大幅提髙［9］（空穴浓度大约4.5%）。

将P型髙纯锗的因子rH与磁场强度绘制成图，见图A.2。

图A.2p型高纯锗的霍尔因子

附录B

（规范性）

对应

^AB,CD

^BC,DA

AB,CD

BC,DA

图B.1为不同^E时，修正因子的取值，用式（3）计算。图中可以看出，当的kbc,da ^bc.da7 Kbc,da

变化为几个数量级时，F变化缓慢。

穴AB.CD尺BC»DA

图B.1对应的值[21]^BC.DA VKbC.DA’

GB/T40291—2021/IEC61435：2013

参考文献

[1]L.J.VanderPauw,PhilipsRes.Rep.13,1(1958)

[2]D.V.Lang,J.45,3022(1974)

[3]W.R.Thurber,R.A.Forman,andW.E.Phillip