CN101038942A - 带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器及其制备方法 - Google Patents
带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种新颖的带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器的设计和电容栅的制备方法，这种器件在共面栅阳极器件上，增加一个电容栅，形成共面栅阳极－电容栅复合结构碲锌镉核探测器件，即碲锌镉核探测器件的阳极采用改进的共面栅结构，阴极采用全平面电极并在器件阴、阳极端面之间的器件侧面增加一个与阴极电连接的电容栅，属半导体探测器件技术领域。本发明中的电容栅制备工艺能获得有效修正权重势分布并与阴极电连接的电容栅，从而该碲锌镉探测器件在共面栅阳极和侧面电容栅的双重作用下改善性能，其特征为，在阴极和共面栅阳极端面之间的晶片侧面包有环绕晶体的如聚四氟乙烯或涤纶等绝缘介质薄膜材料，形成环绕晶体侧面的绝缘介质薄膜环套，然后再在介质材料上沉积或包覆金属层形成环绕绝缘介质薄膜的金属环套，金属环套一边紧靠阴极端面，另一边与阳极端面保留有晶片侧面高度(即器件厚度)1/2～1/10的间距，介质环套和包覆其上的金属环套和一起构成器件侧面电容栅，该电容栅与阴极电连接，以达到与阴极同电位。
Description
技术领域
本发明涉及一种共面栅阳极碲锌镉探测器及其制备方法，特别是一种带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器及其制备方法。
背景技术
CdZnTe(简写为CZT)作为新一代化合物半导体，由于具有较大的禁带宽度和较高的平均原子序数，因而可工作在常温，并具有较大的阻止本领和较强的抗辐射能力。与传统的NaI闪烁体探测器相比，CZT探测器具有更高的能量分辨率。随着CZT材料的发展和新型器件的出现，它在高能量分辨率的能谱仪、高空间分辨率的成像装置和高能量的光子探测系统等领域的应用可望成为现实。因此，CZT探测器在医学、空间科学、机场、港口安检、核废料监测及其它核技术领域有着广阔的应用前景。
由于目前CZT材料的空穴迁移率要比电子低10倍左右，它们的输运性质有很大差异，在空穴漂移长度小于器件厚度的平面器件中，产生电荷显著依赖于反应深度，导致电荷的不完全收集。这引起了所谓低能“空穴尾”的上升，并伴随光峰效率的减小和能量分辨率的退化。因此，对于单元CZT探测器，为减小信号对反应深度的依赖性，在器件设计上如何探索新型的器件结构，提高CZT器件的探测效率和能量分辨率是国际上研究的前沿性课题。为解决CZT探测器的“空穴尾”现象，采用了各种特殊的电极结构，通过修正权重势分布，以提高能量分辨率。如开普切(CAPture)、共面栅(Coplanar grid)、弗里希电容栅(Frisch)器件等。共面栅探测器具有三端电极，阴极面加负高压，两个阳极分别采用不同的电压值，电势高的阳极为收集极，低的为非收集极。在这种结构中，入射粒子电离产生电子空穴对，当电子在非电荷感应区时，两个阳极的输出信号接近，净输出为零；当电子在电荷感应区时，由于两个阳极存在电压差，输出信号差别变大，收集极阳极上的感应信号急剧增大，非收集极阳极上的感应信号急剧减小，因此净输出信号大小只与通过电荷感应区的电子数目有关，而与空穴的收集无关，从而有效地克服了空穴输运性能差的缺点。采用共面栅电极时，能量分辨率得到明显改善。电容栅器件采用两个平面电极，侧面金属层与阴极相连，与晶体之间有薄绝缘层隔离。这种结构不改变晶体内工作电场，只影响权重势分布。采用这种电极的探测器也可以很好地改善“空穴尾”现象。但是上述两种结构的器件均对CZT晶体的质量以及器件制备工艺的要求非常高。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器。
本发明的目的之二在于提供该探测器的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器，由共面栅阳极碲锌镉探测器和电容栅组成，其特征在于该探测器的结构为：电容栅由绝缘介质薄膜层和沉积或包覆在其上的金属层构成；绝缘介质薄膜层环绕共面栅阳极碲锌镉探测器的晶体的侧面，形成一个环绕晶体侧面的绝缘介质薄膜环套，且绝缘介质薄膜层的宽度与晶体侧面高度相等；金属层的一边紧靠共面栅阳极碲锌镉探测器的阴极，另一边与共面栅阳极碲锌镉探测器的阳极保留有晶体侧面高度的1/2～1/10的间距；将该电容栅与共面栅阳极碲锌镉探测器的阴极用金丝相连，使电容栅与阴极共电势。
上述的共面栅阳极碲锌镉探测器的结构是：在一块碲锌镉半导体晶体的两个端面分别制备阳极和阴极，阳极采用带有保护环的交叉梳状的共面栅电极，阴极采用全平面电极。
上述的绝缘介质薄膜层采用聚四氟乙烯或涤纶，其厚度为5～180微米，室温下的相对介电常数分别为1.9～2.2和3～4；所述的金属层采用铜或铝。
上述的带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法，其特征在于该方法的步骤为：利用绝缘介质薄膜材料伸缩时的张力，使其平整均匀地紧紧包裹住整个共面栅阳极碲锌镉探测器晶体的侧面，形成一个环绕晶体侧面的绝缘介质薄膜层，绝缘介质薄膜层的宽度与晶体的侧面高度相等，然后将宽度为绝缘介质薄膜层宽度的50％～90％的金属层环绕在绝缘介质薄膜层上，并使金属层一边紧靠共面栅阳极碲锌镉探测器阴极，另一边与共面栅阳极碲锌镉探测器阳极留有绝缘介质薄膜层宽度的50％～10％的间距，该金属层与绝缘介质薄膜层一起构成器件侧面电容栅，将该电容栅与共面栅阳极碲锌镉探测器阴极用金丝相连，使电容栅与阴极等电势，即制得带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器。
同现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明制得的带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器，该器件由于共面栅阳极和电容栅对权重势的双重作用，进一步改善了权重势的分布，从而克服了碲锌镉材料空穴收集效率低的缺陷，最终提高了探测器的综合性能。
附图说明
图1为本发明的带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器的结构示意图。
图2为本发明的带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器的侧面剖视图。
图3为本发明的带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器的电容栅的结构示意图。
具体实施方式
本实施例中，碲锌镉晶体是经切割的尺寸为5×5×5mm3～10×10×15mm3的正方体晶片，且其晶面方向为(111)。共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法参见中国专利200510023578.X。具体如下：
a.碲锌镉晶体的表面处理：将切割好的尺寸的，晶面方向为(111)的立方体晶片用金刚砂进行粗抛，将CZT晶片表面明显的凹凸损伤磨平，使表面平整，无划痕和拉丝；随后清洗，并放入盛有去离子水的烧杯超声振荡5分钟，以去除粗抛时产生的表面沾污和吸附在晶片表面的杂质微粒，然后在研磨机上依次用粒径为1μm、0.5μm、0.2μm的刚玉微粉抛光液对CZT晶片进行细抛，直至晶片表面呈镜面；再次用超声振荡去除表面杂质，将晶片浸在无水甲醇中待腐蚀；抛光后的CZT晶片先采用BM腐蚀液(体积比：无水纯溴∶无水甲醇＝1∶19)进行表面化学腐蚀，时间为2分钟；将经过BM腐蚀液腐蚀后的晶片在甲醇中清洗后，再使用LB腐蚀液(体积比：无水纯溴∶乳酸∶乙二醇＝1∶10∶39)对CZT晶片进行腐蚀，时间为2分钟，以增加晶片表面光滑程度；完成腐蚀的晶片在甲醇中超声清洗三次，每次时间均为5分钟，以去除表面残余Br以及其他杂质。
b.电极的制备：将腐蚀好的n型CZT晶片取出，在N2保护气氛下吹干，准备制备阳极和阴极；阴极的制备采用真空蒸发沉积铝，厚度为0.8～1.5μm，阴极制成全平面电极；在与阴极相对的晶面上制作阳极，阳极的制备借助JKG-2A型光刻机，首先在晶片表面均匀地涂覆一层厚度为1～5μm的光刻胶原胶(正胶)；经过紫外线曝光后，采用体积百分比为10％的4-甲基-氢氧化氨水溶液进行显影得到所需的电极图样，然后用真空蒸发沉积厚度为20～60nm的Cr层，紧接着再沉积厚度为400～800nm的Au层，然后采用无水丙酮将留在CZT晶片表面的光刻胶连同沉积在这部分光刻胶上的Cr-Au复合层一起剥离，最终在晶片表面制成带有保护环的两组共平面的交叉梳状的微条形电极型式的共面栅阳极，参见图1；交叉梳状的微条形电极的条宽为240μm；每组微条形电极和保护环用金丝引出。
c.表面钝化：为了降低器件的表面漏电流，需要对没有沉积电极的CZT表面进行钝化，将制备好电极的CZT样品先采用KOH-KCl溶液进行表面处理，KOH和KCl溶液的浓度控制在15wt％，时间为40min；接着再用10wt％的NH4F/H2O2混合溶液进行钝化，钝化处理时间为10min；然后将CZT晶片放入大量去离子水中充分清洗以去除表面残留的各种离子。
经过上述步骤，即可制得共面栅阳极碲锌镉探测器。
实施例一：本实施例采用的共面栅阳极碲锌镉探测器1的晶体4尺寸为10×10×10mm3，将聚四氟乙烯薄膜(Teflon膜)作为电容栅的绝缘介质材料，其膜厚为30微米，室温下的相对介电常数为1.9～2.2；利用聚四氟乙烯薄膜伸缩时的张力，使其平整均匀地紧紧包裹住整个晶体4侧面，形成一个环绕晶体4侧面的聚四氟乙烯薄膜层6，聚四氟乙烯薄膜层6的宽度与晶体4侧面高度相等，然后将宽度为聚四氟乙烯薄膜层6宽度80％的铜箔包覆在聚四氟乙烯薄膜上，形成一个环绕在聚四氟乙烯薄膜上的铜箔层7，其一边紧靠阴极5端面，该铜箔层7与聚四氟乙烯薄膜层6一起构成电容栅2，再将该电容栅2与阴极5用金丝相连，使电容栅2与阴极5共电势，参见图1、图2和图3。
将上述制得带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器，采用微机多道谱仪测试其在测试结果表明：与单纯共面栅结构的CZT器件相比，对57Co(122keV)射线源的分辨率提高了10～50％，对137Cs(662keV)射线源的分辨率提高了20％～50％。
实施例二：本实施例采用的共面栅阳极碲锌镉探测器1的晶体4尺寸为5×5×5mm3，使用聚四氟乙烯薄膜作为电容栅的绝缘材料，其膜厚为180微米，室温下的相对介电常数为1.9～2.2；利用聚四氟乙烯薄膜伸缩时的张力，使其平整均匀地紧紧包裹住整个晶体侧面，在晶体4侧面形成一个环绕晶体4侧面的聚四氟乙烯薄膜层6，聚四氟乙烯薄膜层6的宽度与晶体4侧面高度相等，然后采用真空蒸发方法在聚四氟乙烯薄膜层6上沉积金属铝，形成环绕在聚四氟乙烯薄膜层6上的金属铝层7，铝层的宽度为聚四氟乙烯薄膜层6宽度的十分之九，其一边紧靠阴极5端面，另一边与阳极3端面留有间距，间距宽度为聚四氟乙烯薄膜层6宽度的十分之一，该铝层7与聚四氟乙烯薄膜层6一起构成电容栅2，再将该电容栅2与阴极5用金丝相连，使电容栅2与阴极5共电势，参见图1、图2及图3。
将上述制得带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器，采用微机多道谱仪测试其在测试结果表明：与单纯共面栅结构的CZT器件相比，对57Co(122keV)射线源的分辨率提高了10～50％，对137Cs(662keV)射线源的分辨率提高了20％～50％。
实施例三：本实施例采用的共面栅阳极碲锌镉探测器1的晶体4尺寸为8×8×10mm3，使用涤纶薄膜作为电容栅的绝缘介质材料，其膜厚为60微米，室温下的相对介电常数为3～4；利用涤纶薄膜伸缩时的张力，使其平整均匀地紧紧包裹住整个晶体4侧面，在晶体4侧面形成一个环绕晶体4侧面的涤纶薄膜层6，涤纶薄膜层6的宽度与晶体4侧面高度相等，然后将宽度为涤纶薄膜层宽度二分之一的铜箔包覆在涤纶薄膜上，形成环绕在涤纶薄膜上的金属铜箔层，铜箔层一边紧靠阴极5端面，另一边与阳极3端面留有二分之一晶体侧面高度的间距，该铜箔层7与涤纶薄膜层6一起构成电容栅2，再将该电容栅2与阴极5用金丝相连，使电容栅2与阴极5共电势，参见图1、图2及图3。
将上述制得的CZT共面栅阳极-电容栅复合结构探测器，采用微机多道谱仪测试，其测试结果表明：与单纯共面栅结构的CZT器件相比，对57Co(122keV)射线源的分辨率提高了10～50％，对137Cs(662keV)射线源的分辨率提高了20％～50％。
Claims (4)
1.一种带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器，由共面栅阳极碲锌镉探测器(1)和电容栅(2)组成，其特征在于该探测器的结构为：电容栅(2)由绝缘介质薄膜层(6)和沉积或包覆在其上的金属层(7)构成；绝缘介质薄膜层(6)环绕共面栅阳极碲锌镉探测器(1)的晶体(4)的侧面，形成一个环绕晶体(4)侧面的绝缘介质薄膜环套，且绝缘介质薄膜层(6)的宽度与晶体(4)侧面高度相等；金属层(7)的一边紧靠共面栅阳极碲锌镉探测器(1)的阴极(5)，另一边与共面栅阳极碲锌镉探测器(1)的阳极(3)保留有晶体(4)侧面高度的1/2～1/10的间距；将该电容栅(2)与共面栅阳极碲锌镉探测器(1)的阴极(5)用金丝相连，使电容栅(2)与阴极(5)共电势。
2.根据权利要求1所述的带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器，其特征在于共面栅阳极碲锌镉探测器(1)的结构是：在一块碲锌镉半导体晶体(4)的两个端面分别制备阳极(3)和阴极(5)，阳极(3)采用带有保护环的交叉梳状的共面栅电极，阴极(5)采用全平面电极。
3.根据权利要求1所述的带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器，其特征在于所述的绝缘介质薄膜层(6)采用聚四氟乙烯或涤纶，其厚度为5～180微米，室温下的相对介电常数分别为1.9～2.2和3～4；所述的金属层(7)采用铜或铝。
4.一种制备根据权利要求1所述的带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器的方法，其特征在于该方法的步骤为：利用绝缘介质薄膜材料伸缩时的张力，使其平整均匀地紧紧包裹住整个共面栅阳极碲锌镉探测器晶体(4)的侧面，形成一个环绕晶体(4)侧面的绝缘介质薄膜层(6)，绝缘介质薄膜层(6)的宽度与晶体(4)的侧面高度相等，然后将宽度为绝缘介质薄膜层(6)宽度的50％～90％的金属层(7)环绕在绝缘介质薄膜层(6)上，并使金属层(7)一边紧靠共面栅阳极碲锌镉探测器阴极(5)，另一边与共面栅阳极碲锌镉探测器阳极(3)留有绝缘介质薄膜层宽度的50％～10％的间距，该金属层(7)与绝缘介质薄膜层(6)一起构成器件侧面电容栅(2)，将该电容栅(2)与共面栅阳极碲锌镉探测器阴极(5)用金丝相连，使电容栅与阴极等电势，即制得带有电容栅的共面栅阳极碲锌镉探测器。
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