CdZnTe探测器性能的研究Word文件下载.docx
《CdZnTe探测器性能的研究Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CdZnTe探测器性能的研究Word文件下载.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
CZTnucleardetector;
Semiconductordetectors；
目录
CdZnTe核探测器性能测试研究1
第一章前言3
1.1引言3
1.2核辐射探测器的发展3
1.3CdZnTe晶体材料5
1.4CZT探测器结构6
1.4.1MSM探测器7
1.4.2共面栅探测器7
1.4.3像素阵列探测器7
1.5CdZnTe平面探测器的制备工艺8
1.5.1晶片表面处理8
1.5.2电极制备9
1.5.3钝化9
1.5.4快速退火9
1.6CZT探测器的优缺点9
1.6.1CZT探测器的优点9
1.6.2CZT探测器的缺点10
1.7CZT探测器的研究现状10
1.7.1概述10
1.7.2国内外研究现状11
1.7.3CdZnTe探测器的发展及应用趋势12
第二章实验原理14
2.1CdZnTe探测器的工作原理14
2.1.1γ射线与物质的相互作用14
2.2CdZnTe探测器中的噪声来源16
2.3本课题的研究意义与内容18
第三章CZT探测器的性能测试研究19
3.1引言19
3.2系统结构与工作流程19
3.3实验所用CZT探头20
3.4不同偏置电压下CZT探测器的能量分辨率21
3.5不同的脉冲成型时间对CZT探测器能谱响应的影响24
结论28
致谢29
参考文献30
第一章前言
1.1引言
碲锌镉（CdZnTe，简称CZT）以其高的原子序数、宽的禁带和高密度（有效原子序数50、密度5.81g/cm3，Eg1.6ev）的特点，成为了国际上备受关注的半导体探测器材料，CdZnTe探测器能够在室温条件工作且拥有较高的探测效率，能量探测范围为10keV～6MeV，没有极化现象。
具有体积小，重量轻，携带方便等优点，而且使用起来很方便。
CZT半导体探测器与传统的NaI闪烁体探测器相比,具有更好的能量分辨率。
用CdZnTe晶体制造的核辐射探测器省去了对设备制冷的繁琐步骤。
而且,CdZnTe核探测器可以比较容易的加工成像素阵列探测器,然后与脉冲信号放大电路，信号数据处理软件结合,可以做成紧凑型的具有效率高、分辨率高特性的射线成像装置。
可广泛用于X射线荧光分析、核废料监控、机场与港口安全检测、工业探伤、医学诊断、天体物理研究等方面,具有十分广阔的应用前景。
还可以应用物质成分分析、液体高度监测、镀层厚度测量等检测设备中。
目前，美国、以色列、俄罗斯、法国、中国等都投入了大量的科研人员开展对CdZnTe材料和CdZnTe探测器的研究工作。
但是就目前而言CdZnTe晶体的质量还有待提高，而且探测器的制备工艺还不是特别成熟等因素，使得目前的探测器性能不能再提升或者提升的范围不大。
还有一些其它因素诸如其它器件的制备工艺等等都使得CdZnTe探测器还没得到更加广泛的应用。
1.2核辐射探测器的发展
核辐射探测器主要分为气体探测器、闪烁体探测器、半导体探测器、辐射成像探测器、AlSb（锑化铝）和超导体核辐射探测器几种。
气体探测器是在19世纪末20世纪初最早被使用的一种探测器，最早使用的是空气电离室，在早期的核科学与技术、核物理研究中起到了十分重要的作用。
到20世纪60年代末期出现了许多的气体核辐射探测器，比如盖革计数管。
虽然目前气体探测器在很多领域内被半导体探测器所替代。
但是它具有结构简单、使用方便、可制作成各种较大型的电离室的特点，仍然在工业领域中得到了广泛的应用。
到了20世纪80年代，由于Xe气体纯化技术得到了较大的提高，促进了Xe闪烁正比计数管的发展，构成了新型的Χ射线Xe气体闪烁正比计数管。
与一般的正比计数管相比，GSPC（气体闪烁正比计数管）能量分辨率高，而且探测器的一致性较好。
但是其探测效率一般小于60%，一般被用于探测能量较低的地方。
闪烁体探测器出现于20世纪40年代，在50年代初实现商品化。
让γ射线能谱测量成为一般实验室内均能做到的常规实验。
后又随着核物理、粒子物理的研究发展，又出现了诸如无机闪烁体探测器（NaI）、有机闪烁体探测器（多属于苯环结构的芳香族碳氢化合物）等。
20世纪70年代中期,又开发出了可以用于高能γ射线探测的、适用于空间有限、而且对γ阻止本领大的BGO（鍺酸铋Bi4Ge3O12）无机闪烁体。
因为闪烁体探测器具有探测效率高、分辨时间短、使用方便、适用性广等特点，闪烁体探测器在很多领域都得到了广泛的应用。
半导体探测器的雏形是美国贝尔电话实验室的麦凯（Mckey）在1949年首先提出来的。
在1951年他用Ge晶体的P-N结型二极管记录了α粒子。
于是很快半导体探测器引起了全世界的重视。
1956年金刚石被第一个用于制作核辐射探测器，最开始是用作α粒子辐射探测器，但是由于它的原子序数低，能量分辨率低，且金刚石不容易获得。
所以在1958年戴维斯（Davis）等人利用反向偏压的Ge、Si扩散结和面垒型P-N结构成的半导体辐射探测器后，它就被淘汰了。
1960年，弗洛尔达（Foielda）等人用SiP-N结测量α粒子能谱，对比同时期的其它探测器，性能都要好很多。
于是美国与加拿大便生产了Si半导体探测器，并商品化。
在同一年，迈耶（Mayer）等人利用锂离子漂移技术成功地研制成了Si（Li）探测器。
1962年，半导体探测器就已经被用于测量电子、质子、α粒子，能量分辨率也得到了很大的提升。
1962年，韦克菲尔德（Wakefield）与弗雷克（Freek）应用佩尔（Pell）锂离子漂移原理成功地制成了第一个Ge（Li）（锗锂漂移）γ射线探测器。
Si（Li）和Ge（Li）探测器的研发和应用相较于50年代的闪烁体探测器有了本质上的提升，使谱线变得更加清晰。
从1966开始，世界上便开始了化合物半导体核辐射探测器的研究制作。
但是由于半导体材料的原因，半导体探测器的发展一直没有较大的提升。
直到20世纪90年代，随着科学技术的发展和国防对红外探测器的重视，CdZnTe化合物半导体核辐射探测器出现，CdZnTe探测器可在室温下工作，且探测效率高，能量分辨率好，具有广阔的应用领域。
辐射成像探测器主要医学、工业、航空航天、钢铁机械制造、电子工业等领域，随着各行业对成像要求，辐射成像探测器的研究一直都处于发展状态，但目前在很多领域内还是比较成熟的。
不过提升空间还是比较大。
AlSb（锑化铝）和超导体核辐射探测器，随着科学技术的发展，这两种材料很可能成为下一代的核辐射探测器。
目前仍处于发展研究阶段。
但自上世纪80年年代起，就有研究人员一直在对这两种材料进行研究，希望在不久的将来能够看到这两种探测器的出现。
1.3CdZnTe晶体材料
碲锌镉（CdZnTe）是Ⅱ-Ⅵ族的固溶化合物，是一种有闪锌矿结构的重要半导体材料。
空间群为F43M。
常温下为深灰色，熔点大于1100℃，电阻率为1010-11Ωcm，密度约为6g/cm3。
具有直接带隙结构，在Cd1-yZnyTe晶体中，一般Zn是以替代CdTe晶体中的Cd原子而存在的，所以不会改变CdTe晶体的原本结构。
X、γ射线光子可以被CdZnTe在室温环境下直接转换为电子。
CdZnTe还能处理2百万光子/秒/mm2，具有很高的计数率与优秀的光谱性能。
它具有如下的重要特性：
禁带宽度高（1.4ev-2.26ev）；
原子序数大（大约为50），光子与原子的相互作用很强；
CdZnTe晶体制成的探测器本征探测效率较高，体积小，能在室温下工作，且对X、γ射线的能量分辨率比较好，没有极化现象，能量探测范围也比较大（10K-6M）eV，很适合用于探测能量较高的场合。
原子序数较高所以对高能射线的探测效率比较高；
又因为其完整性和纯度很高，所以对电荷的收集也比较好；
而禁带宽度大，电阻率高，所以CdZnTe核辐射探测器的漏电流很小；
少数载流子的迁移率与寿命的乘积（μτ）比较大，可以去除陷获效应，使探测器的能量分辨率很好。
而且CdZnTe半导体探测器容易加工成体积小、高分辨率、高效的X、γ射线成像装置，已被广泛应用于核技术、核医学、工业制造、探伤、安检及其它科学研究等领域。
CdZnTe晶体通常采用高压布瑞吉曼生长技术（HighPressureBridgmanTechnique）制备CdTe晶体通常采用移动加热方法（TravelingHeaterMethods）制备。
由于CdTe晶体和CdZnTe晶体的生产工艺不同，而且具有较好的一致性和可重复性，价格也比较低，所以CdZnTe晶体更适合大量生产商品化。
而CdZnTe晶体中由于Zn离子的掺入，使得禁带宽度变宽,电阻率提高,室温下得暗电流变得很小,因此CdZnTe晶体的电子输运性能要比CdTe晶体更好。
CdTe晶体与CdZnTe晶体的性能和基本性质比较接近，一般可从实际情况综合考虑来进行选择。
比如实际需要的晶体数量、单晶的大小、一致性、制备成本等。
表1.1是CdZnTe和CdTe晶体的基本性能。
表1.1CdZnTe和CdTe晶体的基本性质
1.4CZT探测器结构
CZT探测器通常有平面型、共平面栅型、电容弗里希栅（Frishgird）型、俘获电极型、半球型及像素阵列型等结构类型。
常见的CZT探测器器件类型如图1.2所示。
图1.2常见的CZT器件类型
1.4.1MSM探测器
MSM探测器是最简单的CdZnTe平面探测器，现在一般都是采用铟、金、铂等金属来当做CdZnTe探测器的金属层。
且现在已经研制出了具有很好的稳定性的探测器，目前一般是与脉冲整形电路结合用作光探测器。
但是技术还不是很成熟。
1.4.2共面栅探测器
在不同结构的CdZnTe探测器中，共面栅探测器（Coplanar-Grid）是不同结构的CdZnTe探测器中单极性最好的，所以能够更加容易的且更好的分辨能谱。
但是由于载流子俘获和权重势分布的不均性等原因，共面栅探测器（Coplanar-Grid）的能量分辨率会变得较差。
而且目前共面栅探测器（Coplanar-Grid）仍然只处于能谱探测的应用，受到了极大的限制。
1.4.3像素阵列探测器
CdZnTe像素阵列探测器具有单极性电荷收集的特性，常用于成像系统，其基本结构如图1.2（c）所示。
合理的选择像素电极尺寸，可以使探测器具有感应电荷信号的单极性特性，当载流子被对应位置的像素电极收集时，则像素电极的感应信号达到最大，最后将这些信号全部整合到一起，便能够得到图像。
CZT探测器还有俘获电极型、电容弗里希栅（Frishgrid）型、半球形结构等。
1.5CdZnTe平面探测器的制备工艺
图1.3CZT平面探测器制备流程
1.5.1晶片表面处理
采用改进的垂直布里奇曼法生长的CdZnTe晶锭定向切割成相应规格的晶片，然后进行倒角、研磨、抛光、腐蚀等表面处理。
研磨采用W5的金刚石研磨膏在研磨盘上进行，其目的是除去切片时表面所造成的损伤，获得平整、光洁的表面，并达到所要求的厚度。
为了进一步提高表面质量，需要对晶片进行抛光。
首先采用氧化镁粉悬浊液作为抛光剂在金丝绒抛光布上进行机械抛光，然后用过滤后的氧化镁粉悬浊液的上层清液进行细磨，直至在100倍光学显微镜下观察不到划痕，表明晶片表面达到要求。
机械抛光后的表面仍残存有十几个微米的损伤层，需采用5vol％的溴甲醇溶液对晶片进行进一步的化学抛光。
该方法可以有效地去除由机械抛光引入的表面损伤层。
其具体的化学反应如下：
2Br2+CdZnTe=CdBr2+ZnBr2+Te
（1）
2Br2+Te=TeBr4
（2）
形成的CdBr2和TeBr4被甲醇溶液溶解带走，从而实现表面损伤层的去除。
化学抛光结束后，需在甲醇中淬灭以除去残留在晶片表面的溴，再用去离子水清洗干净，最后用氮气（N2）吹干。
由于TeBr4的形成能大于CdBr2，因而经Br．MeOH腐蚀的CdZnTe表面通常会形成无定形的富Te层。
表面富Te层是一层高导电区，会增大表面漏电流。
可以进一步采用化学机械抛光将表面富Te层减少或去除。
1.5.2电极制备
为防止表面被玷污，在晶片处理完毕后要立即在其上制备接触电极。
电极接触是影响半导体器件电学性能的关键因素。
根据电极的不同可以制成对称电极（MSM）的匀质体电导型探测器和电极不对称的共平栅结构（GPG）。
1.5.3钝化
裸露在空气中的晶片表面易于沾带电微尘与水汽，从而增大表面漏电流。
表面漏电流是引起CdZnTe探测器电子噪声的主要原因之一，因而有必要对晶片进行表面钝化处理。
采用氟化氨／双氧水溶液对晶片表面进行处理，在CdZnTe晶片的表面上形成高电阻的TeO2、CdTeO3氧化层，从而减小表面漏电流。
1.5.4快速退火
将制备的探测器放置于AG610型气氛可控快速退火炉中，在N2气氛中进行退火。
快速退火的目的是促进金属电极和CdZnTe材料间的扩散，特别是改善Au／CdZnTe之间的接触性能，同时去除金属电极和CdZnTe材料间的应力，使金属电极与CdZnTe的接触牢固。
1.6CZT探测器的优缺点
1.6.1CZT探测器的优点
（1）不需要冷却装置，可以直接在室温条件下使用，大大的简化了系统，降低了制造成本；
（2）探测器的体积能够做到比较小，使探测器拥有良好的空间分辨率；
（3）较高原子序数与高密度使CdZnTe探测器具有较高的探测效率；
（4）CZT探测器的能量分辨率相较于其他的探测器基本都要好一些，所以一般用于测量能量比较发散的场合（可以区别选择不同能量的光子）；
（5）CdZnTe探测器的高电阻率让它们可以在大体积应用和低光子能量发散系统得到应用；
（6）CZT探测器由于禁带宽度（1.6ev）较大和电阻率（1011Ω·
cm）较高，且具有较低的漏电流，让它可以集成到功率小、体积小的电路或集成电路型电子设备中。
1.6.2CZT探测器的缺点
（1）空穴的迁移率寿命积（μτ）比较小和电荷收集较差，使得体积大的和厚度较厚的探测器应用空间很小；
（2）CdZnTe晶体生长还在研究中，要得到十分理想的CdZnTe晶体还是比较困难的，所以高质量探测器的制备比较困难，而且成本也比较高；
（3）CdZnTe探测器的制备工艺还不是特别成熟，电极的制备和器件的钝化都还处于不断尝试研究的阶段，要得到高质量的，探测效率高，能量分辨率很好的CdZnTe探测器仍然比较困难；
（4）在某些领域中，对探测器的要求比较高，但由于CdZnTe探测器本身的性质不能达到要求，所以限制了探测器在该领域的更深层次的应用。
1.7CZT探测器的研究现状
1.7.1概述
半导体探测器的研究开始于20世纪50年代年，而CZT是在1989年后出现的。
Zn的原子序数为30，光子的吸收效率正比于原子序数Z，所以有10％的Zn掺入，使得CZT的γ射线探测效率略低于CdTe。
但是Zn的掺入使CZT有了较大的禁带宽度、较高的电阻率、较低的噪声，因而具有了更优越的特性，如更高的辐射强度、更优的温度特性，且不像CdTe那样易于极化。
由于CdTe晶体的电阻率较低，制成的探测器漏电流较大，能量分辨率较低，于是人们就在CdTe中掺入Zn，使其禁带宽度增加，所以CdZnTe发展成了的一种新材料。
通常认为CZT探测器是单极型器件。
Zn的掺入，不仅提高了电阻率，还减小了室温下的暗电流，由于μe》μh，可以忽略空穴的贡献。
Zn的掺入同时还能提高费密能级在禁带中的位置，使有效电子陷阱能级减少，因此具有比CdTe晶体更好的电子输运性能，提高了电子收集效率。
同时这两种晶体都存在载流子收集不完全而导致的空穴尾迹，成为探测器能谱性能受限制的主要原因。
但最近的研究发现，当CZT被分割成小的阵列，其中每一个单元的大小要比探测器的厚度小，并且使用正电压偏置时，峰位效应会大大地改善，即阵列探测器。
1.7.2国内外研究现状
CdZnTeγ射线探测器现已被广泛应用于工业测量与控制、医学成像与诊断、核材料非破坏分析等领域。
随着核技术的不断发展，研制常温条件下高分辨率和高效率的γ探测器具有重要意义。
美国研制的CdZnTe探测器已初步开始投入使用。
但由于很难获得大块完整高阻的单晶体，因此大多数CdZnTe探测器都在-30℃左右工作，还未达到室温水平。
四川大学用改进的布里奇曼法，生长出了Zn含量在10％～20％范围的大块高阻CdZnTe单晶体，并研制成室温CdZnTe核辐射探测器，在室温下获得了241Am，59．5kdv的能量吸收谱。
美国布鲁克海文国家实验室（BNL）最近在CdZnTe晶体探测技术方面取得了突破性进展，有可能大大改进远距离探测核辐射物质的技术。
该实验室的科学家最近使用国家同步加速光源测试发现，以往未被注意到的CdZnTe晶体内的“死区”，造成晶体结构内大量碲沉积，大大降低γ射线分辨率。
以CdZnTe为基质的探测器目前已推向市场，但仅限于小型便携式探测装置。
BNL的科学家发现，通过发现和去除“死区”能够提高分辨率，从而制作出更大型、更精确的CdZnTe基质核辐射物质探测器。
CdZnTe材料的研究最早开始于1991年，并且由于其高分辨率潜质以及可以在室温下操作（工业标准锗晶体需要冷却到极低温操作）的显著特性，曾引起过业界的轰动。
自那以后，CdZnTe基质探测器几乎没有什么突破性的进展。
只能做成小型，效率大大降低。
2000年，生长工艺的一项新进展使得更大型CdZnTe晶体的生产成为可能，但是由于其晶体内的杂质存在，其分辨率仍然不好。
现在，BNL的发现能进一步改善CdZnTe晶体，使得有可能制作更大型CdZnTe探测器。
虽然CdZnTe探测器的分辨率尚不能与锗探测器相比，但却大大高于碘化钠探测器。
BNL下一步计划修改CdZnTe晶体生长工艺，以降低最终产品中的碲沉积。
根据最近对高低两种碲沉积CdZnTe晶体样品的测量，BNL坚信一定能生产出高性能的探测器，并称“这个发现是一重大突破”。
1.7.3CdZnTe探测器的发展及应用趋势
目前，CdZnTe探测器的两个重要发展方向是：
多块大体积并行探测器和面元阵列探测器。
前者由多块体积大予1cm3的CdZnTe晶体阵列组成，例如2X2阵列，每块晶体采用独立电极（例如共面栅格电极）和前放电路，输出信号经成形放大器通过多路混合器进入多道分析器分析。
这类探测器解决了单个探测器体积小，总探测效率低的缺点，大大缩短了测量时间，尤其适用于便携式谱仪系统，可应用于环境、港口、铁路货物等的放射性监测。
后者是由CdZnTe晶体面元阵列组成，主要应用于核医学、天体物理等领域的能谱成像。
微电子光蚀刻技术实现了CdZnTe晶体的分段电极设计，在晶体上可以生成面元阵列，这些面元的电极再通过铟低阻焊接连接到读出芯片，晶体体积和面元像素的大小根据对空间和能量分辨率以及测量能谱范围等具体探测要求而定。
例如，核医学成像中更关心空间分辨率，每个面元像素的尺寸约55μm，而天体物理中要求较高的空间和能量分辨率时则要综合考虑。
例如，硬X射线天文望远镜lnFOCμS采用了4个体积为26．9mm×
26．9mm×
2mm的CdZnTe探测器，每个探测器晶体被分割成64×
64个330μm2的面元像素，探测器空间成像分辨率达到1’，能量分辨率达到2.3kev（对于22．1kev），采用这种小像素面元电极的大体积CdZnTe晶体阵列探测器，得到了非常好的能量分辨率。
值得注意的是，这类探测器中存在“近场效应”，感应电荷信号不仅跟载流子的输运距离有关，同时也受载流子与电极距离的影响。
当像素面元尺寸大小适合时，整个晶体的暗电流和电容被分配在多个电极上从而大幅度降低噪声，天文调焦望远镜CEA／Saclay就是基于这种“近场效应”制造的。
另外，采用较厚的CdZnTe晶体阵列（至少6mm）和小尺寸像素面元电极设计能同时得到好的能谱特性和高空间分辨率，这也是CdZnTe半导体探测器值得注意的发展方向。
在科学研究方面，CdZnTe探测器在高能物理学方面有很大的应用前景，例如它可用于高能粒子的加速系统。
化合物半导体探测器具有很大的竞争力，可以预料在粒子物理方面的应用会得到很大发展。
此外，CdZnTe探测器在天文物理研究方面也具有广阔的应用前景。
CdZnTe探测器的发展和使用，使获取高性能光子的高效探测器成为可能，随着高品质CdZnTe半导体晶体制备技术的不断提高，对载流子收集过程进一步深入理解和低噪声微电子学的迅速发展，CdZnTe探测器必将在更广泛的领域获得到应用。
第二章实验原理
2.1CdZnTe探测器的工作原理
CdZnTe探测器的表面是由金、铟、铂等金属制成的很薄的一层电极，这些电极会由于高偏压的作用而在探测器的内部产生电场。
而当X、γ射线等具有电离能力的射线与CdZnTe晶体相互作用时，会在晶体的内部产生电子空穴对（Electron-holepairs），并且其数量和入射的光子能量成正比。
带负电的电子和带正电的空穴在电场的作用下朝不同的电极运动，最终被收集起来，形成的电荷脉冲信号经过前置放大器变成电压脉冲。
然后通过前置放大器被转换为高斯脉冲。
最后这些脉冲信号通过多道能谱仪被转换为电子信号，然后通过数据线连接到主机显示打印谱线图。
如图2.1所示：
图2.1能谱仪系统示意图
当辐射光子进入CdZnTe晶体后，与原子相互作用发生光电效应、康普顿散射、电子对效应，产生电子-空穴对（Electron-holepairs），然后在电场中电子-空穴对
升级会员 