碲鋅鎘探測器的制備及性能研究

四 川 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論題目 碲鋅鎘探測器的制備及性能研究作者 蔡力 完成日期 2003年 5月 8日培 養(yǎng) 單 位 四 川 大 學(xué)指 導(dǎo) 教 師 朱世富教授專 業(yè) 凝聚態(tài)物理研 究 方 向 光電子材料與器件年 月曰授予學(xué)位日期碲 鋅 鎘 探 測 器 的 制 備 及 性 能 研究凝聚態(tài)物理專業(yè)研究生蔡力 指導(dǎo)教師朱世富教授摘 要半導(dǎo)體探測器是上世紀(jì)六十年代以來得到迅速發(fā)展的一種新型 核幅射探測器，其能量分辨率高、線性響應(yīng)好、脈沖上升時(shí)間短、 結(jié)構(gòu)簡單、探測效率髙、操作方便，在核物理實(shí)驗(yàn)和研究方面得到 廣泛的應(yīng)用。碲鋅鎘(Cd hZn Je)晶體是一種新型的性能優(yōu)異的室溫三元化 合物半導(dǎo)體核輻射探測器材料。其電阻率高(約10“Q/cm)、原子序 數(shù)大(48, 52),禁帶寬度較大，且隨Zn含量的不同，禁帶寬度從 1.4eV(近紅外 )至2.26eV( 綠光)連續(xù)變化。在室溫下對x- 射線、Y -射線能量分辨率好，其能量探測范圍在lOKeV6 MeV?？蓱?yīng)用于天 文、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域的各種探測器和譜儀。同時(shí)它還可作 為紅外探測器材料碲鎘汞(HgCdTe)和外延襯底，以及激光窗口和太 陽電池等。我們利用熔體溫度振蕩法在石英安瓿中將6 N的單質(zhì)Cd、Zn、 Te合成多晶原料，用坩鍋旋轉(zhuǎn)下降法在同一安瓿中生長出尺寸為4 20X40mm的CdhZnJe晶體。在此基礎(chǔ)上對碲鋅鎘探測器的工藝進(jìn) 行了較深入的研究，制作了厚卜1.5mm的探測器，測試了 C、In、 Au等不同金屬的電極接觸性能，并在國內(nèi)首次通過測試器件的I一 V、I一T曲線、弛豫特性和電容特性對電阻率、陷阱能級、陷阱濃 度進(jìn)行了分析，同時(shí)測得的 M1Am源的能譜。同時(shí)對影響器件性能 的缺陷分布等因素進(jìn)行了一些有意義的討論。為進(jìn)一步的研究工作 打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。結(jié)果表明：材料內(nèi)部的缺陷和歐姆接觸是影響器件性能的兩個(gè) 關(guān)鍵因素，采用改進(jìn)的富鎘氣筑下坩鍋旋轉(zhuǎn)下降法生長的晶體具有 較低的缺陷濃度，適合制作探測器，采用Au、C可得到歐姆接觸，本文研究為國家自然科學(xué)基金“碲鋅鎘單晶體的生長與應(yīng)用基 礎(chǔ)研究”（批準(zhǔn)號： 59972019)課題的部分內(nèi)容，研究結(jié)果對于課題 的完成具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：室溫核輻射探測器晶體生長CdZnTe歐姆接觸 深能級Technology and Properties of CdZnTe DetectorName: Li Cai Professor: shi-fu Zhu AbstractThere is presently a widespread need for room temperature gamma and X-ray imaging capability for both medical and industrial applications . The interest toward the use of CdZnTe detector was greatly increased in the recent years because they offer a good trade-off between key performance,such as the energy resolution and the absorption efficiency,and the complexity of the experimental equipment.Cadimiuxn Zinc Telluride(CdZnTe) is one of the ternary semiconducting compounds of II-VI type which crystallize in the zinc blende structure (symmetry F 43m).Because of its high resistivity(10n /cm)5high atomic number(48,52),strong energy resolution ability to x-ray,and Y -ray,wide energy gap which can vary from 1,4eV to 2,26eV while the x changes, A wide range of application is possiblerfrom biomedical and industrial imaging to radiation monitoring and control due to their well-known capability to operate at room temperature with minor degradation of spectroscopic performance. It is used in solar cells and semiconductor detectors for astrophysical research,for x-ray fluorescence(XRF) analysis,industrial gauging,nuclear proliferation treaty verifaction et.al,and also in laser window and infrared array technology as subtriate for Hg卜 xCdxTe.Cdi-xZnxTe Single crystal with good crystallinity has been grown by the descending ampoule with rotation method.Before this,high-purity Cdj - xZnxTe polycrystal materials have been synthesized from 6N Gd Zn Te in the same ampouIe.On the Basis of this,we deeply explore method of detector fabrication.And we also studied the level and density of traps in detector.Gold,indium and C have been deposited as electrodes on polished and chemically etched surfaces of samples with the sizes from 5X 5 X1 to 10 X10X 1.5mm to compare different contact technologies.The behavior of detectorsleakage current with temperature and leakage current with time were studied as well as th current-volte characteristics to deduce the level and density of trap in detectors.The results show that crystal inhomogeneities and suitable contacts are critical to the fabrication of high quality CdZnTe spectrometers.The modified growth technique is a new and promising method for growing highly pure and perfect CdZnTe single crystals. Good quality ohmic contact detectors are achieved when gold or indiumare deposited as electrodes on polished and chemically etched surface.Keywords: nuclear radiation detector crystal growth CdZnTe ohmic contact Deep levels摘 要 . Abstract目 錄1.1半 導(dǎo) 體 核 輻 射 探 測 器 的 發(fā) 展 狀 況 .11.1.1半導(dǎo)體核輻射探測器的發(fā)展 . 11. 1.2 GaAs核輻射探測器 . 21.1.3 CdTe核輻射探測器 . 21.1.4 HgU核輻射探測器 . 31. 1.5 Cd,_,ZnxTe (CZT)探測器 . 41.1.6其它室溫半導(dǎo)體核輯射探測器材料 . 41.1.7幾種常用的室溫核輻射探測器材料的性能參數(shù). 41.2 CdTe、 CdZnTe半 導(dǎo) 體 核 轄 射 探 測 器 .61.3半 導(dǎo) 體 探 測 器 的 工 作 原 理 .81. 3. 1探測器原理 . 81. 3. 2半導(dǎo)體探測器的類型 . 111.4 半 導(dǎo) 體 探 測 器 的 主 要 參 數(shù) .131. 4. 1能置分辨率 . 131.4. 2探測器中的電荷輸運(yùn) . 171.4. 3陷阱效應(yīng) . 201.5選 題 思 路 和 研 究 內(nèi) 容 .22二 、 晶 體 生 長 .242. 1 CZT材 料 介 紹 .242.2晶 體 生 長 實(shí) 驗(yàn) . .25三 、 CdZnTe探 測 器 的 制 備 .273.1材料選取 . 273. 2晶片加工 .273. 2.1物理切割法 . 273. 2. 2研磨 . 283. 2. 3機(jī)槭拋光 . 283. 2. 4腐蝕 . 283.3電極制作 .303. 4鈍化 .343.5密封保護(hù) .353.6固定安裝 .35四 、 CZT探 測 器 的 性 能 研 究 結(jié) 果 與 討 論 .374.1 IV 特性 .374.1.1 接觸特性 .394.1.2 I-T曲線與激活能 .394. 1.3 注入與SCLC電流 . 404.1.4 IT關(guān)系與脫陷作用 . 434.1.5 穩(wěn)恒光電導(dǎo) . 434. 2 電容特性 .444.2.1 .電容測拭 .V-.、 _二444. 2.2 CV 特性 . 454.3吸收譜測量及分析 .48五 、 總 緝 .492L5.1結(jié) 論 .495.2存 在 問 題 .495.3展 望 .49Si的E, 為1. 06eV)， 所以必須在低溫下工作和保存，且Si對Y射線的阻止本領(lǐng)較低。為了克服半導(dǎo)體核輻射探測器中Si探測器對Y射線吸收系數(shù) 小、探測效率低，Ge探測器必須冷卻的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能在室溫下工 作而且能量分辨率又高的目的，促使人們對化合物半導(dǎo)體探測器 材料進(jìn)行探索研究。四 川 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 2003年 5月1.1.2 GaAs核輻射探測器GaAs核輻射探測器是在室溫下工作并取得較好能量分辨率的 第一種化合物半導(dǎo)體探測器。70年代初，埃伯哈德（Eberhardt) 等人 29用液相外延生長技術(shù)得到了高純、高完整性的GaAs單晶材 料，用這種外延高純N型GaAs單晶小片，通過真空蒸發(fā)淀積金制 備的直徑為1. 5mm的金表面勢壘探測器，對 S7Col22KeV的Y射線， 其能量分辨率(卩 _)為2.95KeV。這是用EhV族化合物半導(dǎo)體材 料最先成功地制備出的有較好能量分辨的Y射線探測器，也是在 室溫下成功地呈現(xiàn)有較好能量分辨的第一種化合物半導(dǎo)體探測 器。到80年代初，由于GaAs核輻射探測器還不能投入批量生產(chǎn)， 而且體積小，平均原子序數(shù)還是較低（與Ge的相同），所以沒有 得到應(yīng)用，使GaAs核輻射探測器的發(fā)展受到了限制。隨 著 科學(xué) 技 術(shù)的 發(fā) 展， 到 80年 代 末， 用 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski液相丘克拉斯基法)技術(shù)拉制出了半絕 緣未摻雜GaAs單晶，以及核輻射探測器制備工藝的改進(jìn)，由原來 簡單的金表面勢壘、鋁歐姆接觸改進(jìn)為Ti-Au表面勢壘接觸和 Ni-Ge-Au-Au歐姆接觸，使核輻射探測器的性能有了很大的提髙。 在80年代末和90年代初，專門召開了兩次有關(guān)化合物半導(dǎo)體晶 體生長和核輻射探測器制備和應(yīng)用的國際會(huì)議，促進(jìn)了 GaAs核輻 射探測器在能譜測量、核醫(yī)學(xué)以及劑量監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用。1. 1.3 CdTe核轄射探測器CdTe核輻射探測器的開發(fā)歷史很早，從60年代初，CdTe核 輻射探測器作為計(jì)數(shù)器就開始在有關(guān)領(lǐng)域使用。CdTe核輻射探測 器有兩類：一類是用密封錠區(qū)域提純拉制的低阻（電阻率為50-500 Q.cm) N型CdTe單晶，通過研磨、拋光、清洗、腐蝕，在樣品的 正面和背面分別真空蒸發(fā)Au和In構(gòu)成勢壘和歐姆接觸。此種探 測器厚度較薄，約100 um左右，在室溫下對 KFe5.9KeV和 2，1 Am59. 5KeV的X射線和Y射線有較好的能量分辨率，其FWHM分 別為1. IKeV和1. 7K9.V,另一 類 CdTe核輻射探測器是用移動(dòng)熔區(qū) 法拉制的電阻率為108-109Q. cm高阻N型或P型CdTe單晶切成晶 片，而后研磨、拋光、蒸發(fā)上In或A1電極。制成的直徑為5mm、 厚度為2mm的高阻CdTe核輻射探測器，此種探測器對 mCs622KeV 和 MCol.33MeV 的 Y 射線，其 FWHM 分別為8. 5KeV 和 14KeVl7】。在探測器的制備工藝方面，自70年代末，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā) 展，人們研究了 CdTe核輻射探測器性能與材料性能、制備工藝、四 川 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 2003年 5月晶體表面之間的關(guān)系。例如,P. Siffert (西弗特 )等人發(fā)現(xiàn)這類探 測器的兩個(gè)主要問題是存在極化效應(yīng)和漏電流較大。這不僅與材 料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與探測器制備的表面和表面處理有關(guān)。 到80年代末，CdTe核輻射探測器的傳統(tǒng)工藝被進(jìn)行了改進(jìn)。用功 函數(shù)較小的金屬銦做一個(gè)接觸電極，用功函數(shù)較大的金做另一個(gè) 接觸電極，這樣構(gòu)成了 MnN結(jié)構(gòu)的CdTe核輻射探測器，使CdTe 核輻射探測器在相當(dāng)高的偏壓和零偏壓的光生伏特模式的應(yīng)用中 都得到了好的性能。雖然目前大批量生產(chǎn)的CdTe核輻射探測器還沒有得到極好的 能量分辨率，而且對空穴的收集比對電子的收集要差，但它己在 許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，特別是在空間物理學(xué)和核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?，F(xiàn)在 隨著CdTe單晶材料生長技術(shù)的改進(jìn)和探測器性能的不斷提髙， CdTe核輻射探測器在火箭熱屏蔽頂部回收，核反應(yīng)堆射能