CdZnTe共面柵核探測(cè)器模擬設(shè)計(jì)和制備工藝研究.pdf

1、CdZnTe(CZT)核輻射探測(cè)器具有較高的探測(cè)效率和較好的能量分辨率，廣泛應(yīng)用于X、γ射線探測(cè)和成像裝置，在國(guó)家安全防務(wù)、核探測(cè)、核控制、天體物理以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。CZT中空穴的輸運(yùn)性能較差，會(huì)降低傳統(tǒng)平板器件的探測(cè)效率和能量分辨率，采用共面柵結(jié)構(gòu)的CZT探測(cè)器可以克服空穴收集的問題，提高器件的性能。本文模擬分析不同電極參數(shù)下的權(quán)重勢(shì)分布及電荷收集特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)CZT共面柵探測(cè)器的微條電極結(jié)構(gòu)，研究CZT核輻射探測(cè)器制

2、備中表面鈍化、電極制各等關(guān)鍵工藝，研制CZT共面柵探測(cè)器件信號(hào)讀出電路，從而初步研制出CZT共面柵探測(cè)器件。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下： 1．采用ANSYS軟件從基于權(quán)重勢(shì)理論計(jì)算不同電極參數(shù)設(shè)計(jì)下的感應(yīng)電荷,討論電子俘獲修正以及邊緣效應(yīng)對(duì)器件電荷感特性的影響出發(fā)，通過變化柵極條寬和柵間距及柵極位置等因素，對(duì)簡(jiǎn)單的共面柵陽(yáng)極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部的調(diào)整，設(shè)計(jì)了不同的柵極尺寸，討論了不同柵極設(shè)計(jì)的權(quán)重勢(shì)分布和電荷收集特性，以此優(yōu)化共面柵探測(cè)器

3、電極的幾何構(gòu)型，從理論上設(shè)計(jì)出合理的陽(yáng)極形狀以及尺寸。模擬計(jì)算結(jié)果表明：在工藝許可范圍內(nèi)，采用較小的柵極條寬和柵間距的電極設(shè)計(jì)較為理想，這樣可以保證探測(cè)器的感應(yīng)信號(hào)在盡可能大的區(qū)域(非電荷感應(yīng)區(qū))與載流子的運(yùn)動(dòng)情況無關(guān)，同時(shí)也可以在較大的范圍內(nèi)收集更多可以貢獻(xiàn)完整感應(yīng)電荷的電子，使之與受激發(fā)位置無關(guān)，有利于提高器件的有效探測(cè)體積；采用調(diào)整兩組柵極輸出信號(hào)的相對(duì)增益G的方法，可以有效地修正由于電子俘獲造成的器件響應(yīng)在深度上的不均勻，實(shí)現(xiàn)電

4、子俘獲的修正，從而有效改善響應(yīng)深度上的均勻性；通過將次外條收集柵和次外條非收集柵分別加寬一倍可以使兩組柵電極的權(quán)重勢(shì)分布在器件寬度上具有良好的均勻性，在此基礎(chǔ)上采用調(diào)整增益G值來修正電子俘獲，就能在理論上使得CZT共面柵器件在深度和寬度方向上均能得到均勻的響應(yīng)特性；在次外條收集柵和非收集柵分別加寬一倍的基礎(chǔ)上增加了用于降低表面漏電流的保護(hù)環(huán)，加了保護(hù)環(huán)之后，收集柵與非收集柵分別作用下的權(quán)重勢(shì)分布在非電荷感應(yīng)區(qū)依舊重合，器件側(cè)向(x方向)

5、的權(quán)重勢(shì)分布的均勻性并未受到明顯的影響；在此基礎(chǔ)上完成了實(shí)際CZT共面柵器件陽(yáng)極的設(shè)計(jì)。 2．首次提出并采用KOH-KCl+NH<,4>F/H<,2>O<,2>混合溶液對(duì)CZT表面進(jìn)行二步法化學(xué)鈍化新工藝，即先采用KOt-KCl溶液對(duì)表面處理過的CZT表面進(jìn)行處理，然后再用NH<,4>F/H<,2>O<,2>溶液對(duì)其進(jìn)行表面氧化。測(cè)試分析表明：新工藝不但有效地去除了由于溴甲醇(50％Br+Methan01)腐蝕所產(chǎn)生的富Te層

6、，改善了器件表面的化學(xué)計(jì)量比，又在表面形成了一層附著力強(qiáng)、難以剝離，起到保護(hù)作用的氧化層。器件漏電流與鈍化前相比下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，與傳統(tǒng)采用的KOH-KCl溶液或NH<,4>F/H<,2>O<,2>溶液鈍化工藝相比也都有不同程度的降低。更重要的是解決了CZT共面柵探測(cè)器的微條形電極之間的電隔離，微條間電阻達(dá)到34GΩ/mm<'2>。同時(shí)還對(duì)二步法鈍化工藝制備的鈍化膜的厚度用紅外橢圓偏振儀測(cè)量，發(fā)現(xiàn)膜厚隨鈍化時(shí)間的增加而增加，鈍化時(shí)間10

7、min得到的鈍化膜，厚約為17nm，比用AES剝離測(cè)試中，按SiO<,2>剝離速度估算的膜厚20 nm略小。使用紅外橢圓偏振儀測(cè)試CZT鈍化膜厚的有關(guān)文獻(xiàn)目前尚未見報(bào)道。 3．通過分析比較采用不同工藝制備的Au電極層與CZT接觸的I-V特性和測(cè)量電極和CZT晶體間的附著強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)化學(xué)方法沉積Au電極可以在CZT表面獲得最佳歐姆接觸，但不適用于光刻工藝。濺射Au電極具有最大的電極附著強(qiáng)度，但電學(xué)性能不理想。真空蒸發(fā)Au可以獲得性能

8、良好的歐姆接觸電極，用Cr作為Au與CZT晶片間的過渡層(即Au/Cr復(fù)合電極層)可以在保持歐姆接觸特性的情況下增加電極層的附著強(qiáng)度。Au/Cr復(fù)合電極層配合“浮脫”法光刻工藝，可獲得電極圖形完整、接觸附著力高的具有歐姆特性的共面柵電極。其中真空蒸發(fā)Au/Cr復(fù)合電極以厚度約50nm的Cr層作為．Au(厚度約500nm)與CZT晶片間的過渡層，克服了真空蒸發(fā)沉積Au電極的附著力較差，難以獲得圖形完整的微條共面柵電極的難題，從而基本解決了

9、微條形CZT探測(cè)器的電極制備的關(guān)鍵工藝技術(shù)。 4．根據(jù)CZT核探測(cè)器件用前置放大器的特點(diǎn)，提出前置放大器的參數(shù)指標(biāo)，研制了CZT共面柵器件的信號(hào)讀出電路。電路放大倍數(shù)2×10<'12>V/C，信噪比5:1。 5．采用本實(shí)驗(yàn)室自制晶體研制了CZT共面柵結(jié)構(gòu)探測(cè)器件。測(cè)試了該器件對(duì)放射源<'241>Am的響應(yīng)能譜，并將能譜與器件在MSM結(jié)構(gòu)工作方式下獲得的能譜進(jìn)行了比較。初步測(cè)試結(jié)果表明，共面柵工作方式下，器件在59.4k