CdZnTe像素探測器的電輸運性能?

南瑞華 王朋飛 堅增運 李曉娟

1)(西安工業(yè)大學材料與化工學院,陜西省光電功能材料與器件重點實驗室,西安 710021)

2)(西北工業(yè)大學材料學院,凝固技術(shù)國家重點實驗室,西安 710072)

CdZnTe像素探測器的電輸運性能?

南瑞華1)2)王朋飛1)?堅增運1)李曉娟1)

1)(西安工業(yè)大學材料與化工學院,陜西省光電功能材料與器件重點實驗室,西安 710021)

2)(西北工業(yè)大學材料學院,凝固技術(shù)國家重點實驗室,西安 710072)

碲鋅鎘,像素探測器,γ射線能譜響應(yīng)

碲鋅鎘(CdZnTe)是一種性能優(yōu)異的室溫核輻射半導(dǎo)體探測器材料,廣泛應(yīng)用于核安全、核醫(yī)學以及空間科學等領(lǐng)域.然而,傳統(tǒng)的CdZnTe平面探測器受制于“空穴拖尾”效應(yīng)的影響,探測性能有待改善.采用改進的垂直布里奇曼法生長的In摻雜Cd0.9Zn0.1Te單晶制備出單載流子收集的4×4像素陣列探測器,通過電流-電壓(I-V)測試和γ射線能譜響應(yīng)測試,研究了像素探測器的電學性能和載流子電輸運性能,隨之與相應(yīng)的CdZnTe平面探測器進行了性能對比.結(jié)果表明,CdZnTe像素探測器的電阻率約為1.73×1010?·cm,且施加100 V偏壓后單像素點的最大漏電流小于2.2 nA;當施加偏壓升高至300 V時,單像素點對241Am@59.5 keV的γ射線的最佳能量分辨率可達5.78%,探測性能優(yōu)于相同條件下制備的CdZnTe平面探測器.

1 引 言

碲鋅鎘(CdZnTe)探測器因其在室溫下對X/γ射線具有較高的空間和能量分辨率,且響應(yīng)速度快、靈敏度高,被認為是一種性能優(yōu)異的室溫核輻射半導(dǎo)體探測器[1?6].傳統(tǒng)的CdZnTe平面探測器要得到較高的能量分辨率,需要對空穴和電子都進行有效收集,從而產(chǎn)生全幅度的輸出信號.然而CdZnTe晶體本身的空穴傳輸特性相對較差,使得空穴俘獲問題較嚴重,因此會使能量分辨率降低和光電峰效率減小,即“空穴拖尾”效應(yīng)[7?9].為了消除空穴俘獲產(chǎn)生的影響,科研人員們提出將電極結(jié)構(gòu)設(shè)計為像素結(jié)構(gòu),以此來實現(xiàn)只收集電子的單載流子讀出技術(shù)[10?13].CdZnTe像素陣列探測器是通過在CdZnTe晶體表面光刻出多個小像素單元(如像素尺寸0.4 mm×0.4 mm),這些像素單元通過倒裝片技術(shù)與ASIC的多通道前置放大、成形電路組元相連,最后由集成的讀出芯片對信號進行處理.所需晶體體積和像素形狀根據(jù)空間和能量分辨率以及要測量的能譜范圍等探測要求而定[14?19].

本文采用改進的垂直布里奇曼法(the modi fi ed vertical bridgman method,MVB)生長的CdZnTe晶體,通過光刻等技術(shù)在晶片表面制備4×4像素結(jié)構(gòu)電極,對每個像素點的電流-電壓(IV)特性和γ射線能譜響應(yīng)特性進行研究,并將此結(jié)果與CdZnTe平面探測器的性能進行對比分析.

2 實 驗

將MVB法生長的In摻雜Cd.9Zn.1Te晶體沿晶錠生長方向切割成10 mm×10 mm×2 mm的單晶片后,進行機械拋光以去除晶片表面的機械劃痕,接著采用MgO粉末和去離子水配成的懸濁液進行粗拋,采用Si溶膠和H2O2配成的溶液進行細拋,直至在顯微鏡下觀察不到明顯的劃痕為止.然后用去離子水反復(fù)清洗晶片后用氮氣吹干,使晶片表面呈鏡面狀,確保晶片表面沒有水痕.隨之將晶片浸泡在丙酮溶液中1—2 h以確保清洗干凈.然后采用溴甲醇溶液(體積分數(shù)為2%)進行化學腐蝕2 min以去除晶片表面的損傷層.最后采用光刻、剝離和真空蒸鍍技術(shù)制備出如圖1所示的CdZnTe像素探測器,陰極為平面電極(圖1(a)),陽極為4×4像素結(jié)構(gòu)電極(圖1(b)),每個像素電極的尺寸為2 mm×2 mm,像素陣列按照從左向右、從上向下的順序依次標記為1—4,5—8,9—12,13—16.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)4×4 CdZnTe像素探測器Fig.1.(color online)4×4 CdZnTe pixel detector.

CdZnTe探測器需要在較高的偏壓下工作,在一定的電壓范圍內(nèi),載流子的漂移速度隨著外加偏壓的增加而增大,進而減少了載流子被俘獲和復(fù)合的概率;而漏電流隨著外加偏壓的增加而增大,導(dǎo)致噪聲隨之增加.電阻率越高,探測器所能承受的外加偏壓就越大,漏電流也就越小.因此,對于探測器級別的CdZnTe晶體,要求具有較高的電阻率.此外,載流子的遷移率壽命乘積是衡量載流子電輸運特性的最重要參數(shù)之一,為使探測器具有良好的電輸運特性,要求CdZnTe晶體具有較高的載流子遷移率壽命乘積.

采用Agilent 4155 C半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測試室溫下CdZnTe像素探測器中每個像素點的I-V特性.測試電壓范圍?100—100 V.隨之,采用Multi Channel Analyzer 6560能譜測試系統(tǒng)進行探測器的γ射線能譜響應(yīng)測試,選用241Am@59.5 keV的γ射線作為輻射源,測試不同電壓下探測器的能譜響應(yīng)曲線.

3 結(jié)果與分析

3.1 I-V測試

圖2 (網(wǎng)刊彩色)不同像素點的I-V曲線圖Fig.2.(color online)I-V curves of different pixels.

16個像素點的I-V測試結(jié)果如圖2所示.Bolotnikov等[20]指出,低偏壓下的漏電流測試可以反映材料的體電阻率,CdZnTe的體電阻率結(jié)果為

式中,ρ是體電阻率,R是體電阻,V是測試所加電壓,I是測試電流,S是電極接觸面積,D是晶片厚度.

經(jīng)估算,CdZnTe像素探測器在室溫下的體電阻率約為1.73×1010?·cm,能夠滿足制備室溫核輻射探測器的電阻率性能要求.通常認為,CdZnTe高阻特性的獲得是由深能級缺陷或復(fù)合體將費米能級釘扎在禁帶中央附近所引起.其次,高偏壓下的I-V曲線可以反映漏電流所產(chǎn)生的噪聲,漏電流越小,產(chǎn)生的噪聲越小,對探測器的能量分辨率產(chǎn)生的影響也就越小.表1列出了在外加偏壓為100 V時16個像素點的漏電流值.結(jié)果表明,不同像素點的漏電流值有所不同,這可能與晶片內(nèi)部的缺陷分布不均勻等因素有關(guān).例如Te夾雜相的富集會使漏電流值增大,因為Te的禁帶寬度(約為0.33 eV)遠小于CdZnTe的禁帶寬度(約為1.57 eV),從而具有較大的漏電流.

表1 16個像素點在?100—100 V下的漏電流Table 1. Leakage currents of 16 pixels between?100–100 V.

3.2 能譜響應(yīng)測試

3.2.1 載流子遷移率壽命乘積的計算

探測器的收集效率通過實驗方法難以直接測定,通常是測試CdZnTe平面探測器在不同電壓下的能譜響應(yīng)結(jié)果后進而采用間接擬合的方法獲得.其測試原理是:隨著施加電壓的增大,能譜中全能峰的位置對應(yīng)的道數(shù)增大,即能夠收集到的載流子數(shù)目增加.如果電壓增大到一定值后能譜中全能峰位置對應(yīng)的道數(shù)變化趨于穩(wěn)定,即收集到的載流子數(shù)趨于飽和,可以近似認為此時探測器的收集效率為1.對不同偏壓下的道數(shù)進行歸一化處理,利用單載流子Hecht方程對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,進而即可估算出CZT晶體的遷移率壽命乘積μτ:

式中,CCCE是電荷收集效率,V是外加偏壓,d是晶片厚度,μτ是載流子的遷移率壽命乘積.

本實驗采用未經(jīng)準直的241Am@59.5 keV的γ射線放射源作為激發(fā)源,測試了室溫下不同偏壓下的γ射線能譜響應(yīng),測試結(jié)果如圖3(a)所示.根據(jù)上述測試原理,采用(2)式,擬合出電子的遷移率壽命積約為5.41×10?4cm2·V?1(圖3(b)).

影響載流子遷移率壽命乘積的主要因素是晶體中載流子的散射及俘獲中心,晶體中電離雜質(zhì)的散射會降低電子和空穴的遷移率,而晶體中主要的載流子俘獲中心為深能級缺陷,它對載流子壽命有著重要的影響.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)不同電壓下CdZnTe探測器的γ射線能譜響應(yīng)曲線(a)及載流子μτ值擬合結(jié)果(b)Fig.3. (color online)γ ray spectroscopy response curves of CdZnTe detector under different voltages(a)and the fi tting result of mobility-lifetime product for electron(b).

3.2.2 300 V電壓下的γ射線能譜響應(yīng)測試

300 V下,CdZnTe平面探測器的γ射線能譜響應(yīng)曲線如圖4所示,CdZnTe像素探測器的γ射線能譜響應(yīng)曲線如圖5所示,每個像素點下的全能峰均較清晰.表2分別給出了300 V下CdZnTe平面探測器和CdZnTe像素探測器中每個像素點的半峰寬和能量分辨率的具體測定值.能量分辨率反映的是探測器對不同能量射線的分辨能力,是探測器最重要的性能指標之一.通常將能譜響應(yīng)曲線中全能峰的半峰寬與全能峰位置的比值稱為能量分辨率.能量分辨率值越小,分辨能力越強.影響能量分辨率的主要因素是載流子的輸運特性.當電子-空穴對在晶體內(nèi)漂移時,會被缺陷俘獲或通過缺陷復(fù)合,從而降低電荷收集效率,影響探測器的能量分辨率.

理論上,CdZnTe像素探測器的分辨能力應(yīng)強于CdZnTe平面探測器,因為當電極結(jié)構(gòu)設(shè)計為像素結(jié)構(gòu)時可以有效避免空穴俘獲的影響,進而提高能量分辨能力.然而,通過實測值發(fā)現(xiàn)不同像素點的能量分辨率略有差異,這主要是由于晶片內(nèi)部各類缺陷分布不均勻而造成.其次,位于晶片邊緣部位的像素點1和4的能量分辨率值低于平面探測器的,即這2個像素點的分辨能力要弱于平面探測器,這一現(xiàn)象的發(fā)生與邊緣效應(yīng)的影響有關(guān),即位于CdZnTe像素探測器角落和邊緣處的像素往往會表現(xiàn)出嚴重的低能拖尾和光電峰計數(shù)的減少[21],從而可能出現(xiàn)CdZnTe像素探測器邊緣像素點的分辨能力弱于平面探測器的現(xiàn)象.除此之外,其他像素點的能量分辨率值均優(yōu)于平面探測器.總體來看,像素探測器的分辨能力強于平面探測器,這與理論分析結(jié)果相一致.

圖4 CdZnTe平面探測器的γ射線能譜響應(yīng)曲線Fig.4.γ ray spectroscopy response curve for CdZnTe planar detector.

圖5 CdZnTe像素探測器16個像素點的γ射線能譜響應(yīng)曲線Fig.5.γ ray spectroscopy response of 16 pixels for CdZnTe pixel detector.

圖5 CdZnTe像素探測器16個像素點的γ射線能譜響應(yīng)曲線(續(xù))Fig.5.γ ray spectroscopy response of 16 pixels for CdZnTe pixel detector(continued).

表2 CdZnTe平面探測器和像素探測器的能譜特征值Table 2. Energy spectroscopic characteristics of CdZnTe planar detector and pixel detector.

4 結(jié) 論

采用改進的垂直布里奇曼法生長的In摻雜Cd0.9Zn0.1Te單晶制備出4×4像素探測器,對其電學性能和載流子電輸運性能進行了研究,并對比分析了CdZnTe平面探測器和像素探測器對241Am@59.5 keV的γ射線的探測性能.結(jié)果表明,CdZnTe材料的體電阻率約為1.73×1010?·cm,滿足室溫核輻射探測器的電阻率性能要求;當施加偏壓100 V時,4×4 CdZnTe像素探測器的漏電流在1.05—2.18 nA之間.通過不同電壓下的γ射線能譜響應(yīng)測試,估算出CdZnTe探測器的電子遷移率壽命積約為5.41×10?4cm2·V?1;對比分析發(fā)現(xiàn),施加偏壓為300 V時,平面探測器對γ射線的能量分辨率為6.85%,4×4像素探測器的能量分辨率在5.78%—6.92%之間,因此像素探測器的分辨能力優(yōu)于相同條件下的平面探測器.

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Investigation on electrical transport properties of CdZnTe pixel detector?

Nan Rui-Hua1)2)Wang Peng-Fei1)Jian Zeng-Yun1)Li Xiao-Juan1)

1)(Shaanxi Key Laboratory of Photoelectric Functional Materials and Devices,School of Materials and Chemical Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)
2)(State Key Laboratory of Solidi fi cation Processing,School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

4 April 2017;revised manuscript

20 July 2017)

Semi-insulating cadmium zinc telluride(CdZnTe or CZT)is an excellent material candidate for fabricating roomtemperature nuclear radiation semiconductor detectors due to its high resistivity and good carrier transport behaviors.It is widely used in nuclear security,nuclear medicine,space science,etc.Nevertheless,the traditional CdZnTe planar detector is subjected to the e ff ect of“hole trailing” on its hole transport characteristic,where its energy resolution and the photoelectric peak efficiency both decrease,and thus deteriorating the detection performance.In order to eliminate the e ff ect of hole capture,the electrode with pixel structure for CdZnTe detector is designed for detecting single carriers that are only electrons.

In this paper,a 10 mm×10 mm×2 mm wafer cut from an In doped Cd0.9Zn0.1Te single crystal,grown by the modi fi ed vertical Bridgman method,is employed to fabricate a 4×4 CdZnTe pixel detector,which is composed of 16 small pixel units with an area of 2 mm×2 mm.Each of the pixel units is linked up with ASIC multichannel preampli fi er and shaping ampli fi er by fl ip chip technology.Finally,the signal is treated by an integrated sensing chip.In the fi rst case,the electrical properties and carrier transport properties of CdZnTe pixel detector are characterized by current-voltage(I-V)measurement via an Agilent 4155C semiconductor parameter analyzer and γ ray energy spectrum response via a standard Multi Channel Analyzer 6560 spectra measurement system,respectively.In the second case,the di ff erences between CdZnTe planar detector and 4×4 pixel detector in the detection performance are discussed in detail.The results indicate that the bulk resistivity of CdZnTe pixel detector is determined to be about 1.73×1010?·cm by a linear fi t ofI-Vcurve.The maximum leakage current of a single pixel is less than 2.2 nA for a bias voltage of 100 V.Furthermore,the carrier transport behaviors are evaluated with the mobility-lifetime product for electron in CdZnTe detector,which is 5.41×10?4cm2·V?1estimated by γ ray energy spectroscopy response under various bias voltages from 50 to 300 V at room temperature.The energy resolutions of the two CdZnTe detectors can re fl ect the ability of them to distinguish different energy gays during operation.The best energy resolution of a single pixel in CdZnTe pixel detector for241Am@59.5 keV γ ray increases up to 5.78%under a 300 V bias voltage,whereas that of CdZnTe planar detector is only 6.85%in the same conditions.As a consequence,the detection performance of 4×4 CdZnTe pixel detector is better than that of the planar detector.

cadmium zinc telluride,pixel detector,gamma-ray energy spectroscopy response

(2017年4月4日收到;2017年7月20日收到修改稿)

10.7498/aps.66.206101

?國家自然科學基金項目(批準號:51502234,51602242)和凝固技術(shù)國家重點實驗室(西北工業(yè)大學)開放課題(批準號:SKLSP201410)資助的課題.

?通信作者.E-mail:18710748870@163.com

?2017中國物理學會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:61.72.uj,61.82.FkDOI:10.7498/aps.66.206101

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.51502234,51602242)and the Fund of the State Key Laboratory of Solidi fi cation Processing in Northwestern Polytechnical University,China(Grant No.SKLSP201410).

?Corresponding author.E-mail:18710748870@163.com