CN102483462A - 基于半导体晶体的辐射检测器及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
辐射检测器包括：半导体晶体，其具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面；第一电极，其与该半导体晶体的该第一表面电耦合来允许电流在该第一电极与该晶体之间流动；以及在该第一表面上并且在该半导体晶体和该第一电极之间以便在该第一电极和该晶体之间形成部分透射的电阻挡的绝缘层。该绝缘层具有范围在大约50纳米至大约500纳米之间的厚度。
Description
技术领域
本发明的实施例大体上涉及辐射检测器领域，并且更具体地涉及基于半导体晶体的辐射检测器和生产该检测器的方法。
背景技术
基于半导体晶体的辐射检测器用于检测电离辐射(由于它们在室温操作的能力、它们的小尺寸和耐久性以及半导体晶体中固有的其他特征)。这样的检测器在广泛的应用中使用，其包括医学诊断成像、核废物监测、工业过程监测以及空间天文学。电离辐射包括例如α或β粒子等粒子辐射以及例如γ或X射线等电磁辐射两者。
基于半导体晶体的辐射检测器一般采用具有宽的带隙的半导体材料，例如Cd-Zn-Te(CZT)。常规的CZT辐射检测器典型地包括位于第一和第二电极之间的CZT晶体。通过例如将来自外部电压源的外部电压施加到第一和第二电极中的至少一个来形成跨这些电极的偏压。该偏压导致辐射检测器中的电场分布。这些电极中的一个是读出电极并且一般称作阳极电极，并且另一个电极是阴极电极。
由在半导体晶体内吸收的电离辐射在半导体晶体内产生的电子和空穴对分别由处于外部偏压的阳极和阴极电极而分开、朝该阳极和阴极电极漂移并且由该阳极和阴极电极收集。这些移动的电子和空穴在外部信号处理电路中形成脉冲信号。
如果由电离辐射产生的所有电子和空穴分别由阴极和阳极电极收集，输出电荷信号将精确地等于沉积在晶体内的电离辐射的能量变化。因为沉积电荷与电离辐射的能量成正比，半导体辐射检测器提供电离辐射的能量的测量。
然而，辐射检测器的性能典型地受到泄漏电流的限制，这些泄漏电流降低辐射检测器分辨电离辐射的能力。因此，具有带有减少的泄漏电流的改进的辐射检测器以及生产该辐射检测器的方法，这是可取的。
发明内容
根据本文公开的实施例，辐射检测器包括：半导体晶体，其具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面；第一电极，其与该半导体晶体的该第一表面电耦合来允许电流在该第一电极与该晶体之间流动；以及在该第一表面上并且在该半导体晶体和该第一电极之间以便在该第一电极和该晶体之间形成部分透射的电阻挡的绝缘层。该绝缘层具有在大约50纳米至大约500纳米之间的厚度。
根据本文公开的另一个实施例，提供生产辐射检测器的方法。该方法包括：蚀刻半导体晶体块的一个表面以在该半导体晶体块上形成富碲梯度层，该半导体晶体块包括镉和碲；氧化该富碲梯度层来形成碲氧化层；以及在该碲氧化层上形成电极。该蚀刻步骤包括使该半导体晶体块的一部分与包括溴、甲醇、乳酸和乙二醇的溶液接触。
附图说明
当下列详细说明参照附图(其中类似的符号在整个附图中代表类似的部件)阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的基于半导体晶体的辐射检测器的横截面图。
图2是包括读出像素和偏压控制部分的阵列的示范性阳极电极的顶视图。
图3是根据本发明的另一个实施例的基于半导体晶体的辐射检测器的横截面图。
图4是图示分别在不同的偏压下的三个辐射检测器示例的泄漏电流的图。
图5是图4的放大图。
图6是生产基于半导体晶体的辐射检测器的示范性过程。
图7是图示在蚀刻过程后使用俄歇电子能谱(AES)法的从半导体晶体块的外表面到该半导体晶体块的内部部分的镉、锌和碲的浓度的图。
图8是图示在蚀刻过程后使用不同的氧化过程的从半导体晶体块的外表面到该半导体晶体块的中心部分的氧浓度的图。
具体实施方式
本文公开的实施例涉及基于半导体晶体的辐射检测器。该辐射检测器包括半导体晶体和电极之间的绝缘层，用于降低该辐射检测器的泄漏电流。本文公开的实施例涉及生产辐射检测器的方法。该方法包括蚀刻过程以在半导体晶体块上形成富碲梯度层。本发明的实施例在下文参照附图论述。为了简洁说明的目的，跨不同实施例的公共元件共享相同的标号。
参照图1，示范性辐射检测器10包括半导体晶体12，其具有第一表面14和与该第一表面14相对的第二表面16。第一电极18与该半导体晶体12的该第一和第二表面14、16中的一个电耦合来允许电流在该第一电极18和该半导体晶体12之间流动。绝缘层20在该第一或第二表面14、16上以及在该半导体晶体12与该第一电极18之间形成以便在该第一电极18和该半导体晶体12之间形成部分透射的电阻挡。第二电极22与该半导体晶体12的该第一和第二表面14、16中的另一个电耦合。
在图示的实施例中，半导体晶体12配置成平面块，其具有互相相对的第一和第二表面14、16以及在第一和第二表面14、16之间的侧壁表面24、26。晶体的侧壁表面包括四个表面，但第一和第二表面除外。半导体晶体12包括镉和碲，并且半导体晶体12的实施例可包括CdTe、Cd-Zn-Te或Cd-Mn-Te。在一个特定实施例中，半导体晶体12包括CdxZn1-xTe，其中“x”在0.6至1之间。在另一个特定实施例中，x＝0.9。
第一和第二电极18、22中的一个(例如，在图示的实施例中，第二电极22)是读出电极并且称作“阳极电极”，并且第一和第二电极18、22中的另一个(例如，在图示的实施例中，第一电极18)称作“阴极电极”。在图示的实施例中，偏压(V)施加到阴极和阳极电极18、22。例如通过将阳极电极22接地、以及将阴极电极18连接到外部电压源(未示出)来形成偏压。该偏压(V)导致电场(E)分布在辐射检测器10内，该电场(E)是该偏压与辐射检测器10的厚度的比率。在本发明的某些实施例中，电场(E)范围在100至20000伏/厘米(V/cm)、300至3000V/cm或1000至3000V/cm之间。在某些实施例中，阴极电极18包括具有范围在10至1000纳米之间的厚度的导电材料，例如铂(Pt)、金(Au)、铟(In)、镍(Ni)、铝(Al)或氧化铟锡(ITO)。
在某些实施例中，阳极电极22包括多个在物理上互相断开的读出像素30。这些读出像素30可设置成形成一个或多个行、列或网格。在其他实施例中，阳极电极22可只包括一个读出像素。在图示的实施例中，阳极电极22包括配置成检测光子的有效面积，其基于阳极电极上的入射通量率而能动态调整。“通量率”在本文指每单位面积的每秒计数。也就是说，阳极电极22的有效面积可在检测器10的操作期间调整。在某些实施例中，有效面积可减小以获得高通量率，而可以增加以获得低通量率。
图2是示范性阳极电极22的顶视图。如在图2的图示实施例中示出的，阳极电极22包括邻近读出像素30的至少一个偏压控制部分32。在图示的实施例中，每行的偏压控制部分32经由公共总线28互相电耦合。在辐射检测器10的操作期间，偏压控制部分32和读出像素30可耦合于偏压控制电路33。该偏压控制电路33接收通量率控制信号35并且通过使偏压控制部分32上的电压相对于中央读出像素30的电压而变化来调整阳极电极22的有效面积。在低通量率，偏压控制部分32的偏压变得比读出像素30更负以便将电子推向读出像素30。随着通量率增加，偏压控制部分32上的偏压变得比读出像素30更接近地电势或变得更正以便收集一部分电子并且使阳极电极22的有效面积收缩。偏压控制部分32和读出像素30的不同配置可以具有在共同受让的美国专利公开No.2007/0290142中描述和说明的类型，其的公开通过引用结合于此。
在本发明的某些实施例中，读出像素30和偏压控制电极32包括相同的材料，而在其他实施例中，读出像素30和偏压控制部分32可包括不同的材料。在一个实施例中，半导体晶体12是P型半导体晶体并且包括CdTe。在一个实施例中，读出像素30可包括铟或铝，并且偏压控制部分32可包括贵金属材料，例如金或铂。在另一个实施例中，半导体晶体12是N型半导体晶体并且包括Cd-Zn-Te，读出像素30包括贵金属材料，例如金或铂，并且偏压控制部分32包括例如铟或铝。
重新参照图1，在图示的实施例中，绝缘层20位于半导体晶体12和第一电极(阴极电极)18之间。在一个实施例中，绝缘层20包括碲、氧和镉。在一个实施例中，绝缘层20中碲的浓度和氧的浓度在从晶体12朝第一电极18的方向上增加，并且镉的浓度在从晶体12朝阴极电极18的方向上减小。在另一个实施例中，绝缘层20包括沉积的绝缘体，其包括氧化铝或氮化硅。在某些实施例中，绝缘层20的厚度范围在大约50纳米至大约500纳米之间。在一个实施例中，绝缘层20的厚度范围在大约100纳米至大约200纳米之间。在一个特定实施例中，绝缘层20的厚度范围在140纳米至170纳米之间。因此，通过该阻挡层防止电子注射进入检测器并且空穴通过隧道效应被允许传送并且由电极收集。在一个实施例中，辐射检测器10包括沉积在半导体晶体12的侧壁表面24、26上的绝缘层39。该绝缘层39可具有与绝缘层20相同的材料。
图3图示根据另一个实施例的辐射检测器。参照图3，辐射检测器40包括阴极电极18和半导体晶体12之间的绝缘层20，以及阳极电极22和半导体电极12之间的绝缘层42。
根据本发明的实施例，已经示出包括描述的绝缘层的辐射检测器10、40具有与常规的辐射检测器相比减少的泄漏电流。三个示例检测器配置的泄漏电流特性的对比在表1中示出。在表1中，示例1代表常规的辐射检测器，而示例2和3代表包括如参照图1描述的阴极和半导体晶体之间的绝缘层的辐射检测器。示例2和3进一步代表包括不同的阴极和阳极电极材料的检测器。
表1
如由表1中图示的结果证明的，常规的辐射检测器(示例1)具有-10nA/mm2的平均泄漏电流。示例2包括与示例1的相同的半导体材料、相同的偏压和相同的阴极以及阳极电极材料，但具有与示例1相比大大降低的-0.03nA/mm2的平均泄漏电流。此外，如由示例2和3的对比示出的，泄漏电流降低很大程度上受到绝缘层20的影响，但由于不同的电极材料的使用而没有很大变化。
如在表1中进一步证明的，示例2和3具有与示例相比提高很多的能量分辨率。“能量分辨率”在本文指辐射检测器辨别具有相似能级的能量射线的能力，并且由半高全宽(FWHM)法评估。更小的FWHM值代表辐射检测器具有更高的检测分辨率。表1中的FWHM值通过由NOVA R&D公司提供的RENA-3读出系统和122keV Co-57源测量。数据基于原始能谱而没有任何校准或校正，并且系统的电子噪声是大约3.6KeV。
图4是常规的辐射检测器(示例1)与辐射检测器10、32的示例(示例4，示例5)在不同的偏压下测量的泄漏电流对比，而曲线34代表是常规辐射检测器的示例1的泄漏电流特性，曲线36代表包括阴极电极18和半导体晶体之间的绝缘层的辐射检测器10(如在图1中图示的)的一个示例(示例4)的泄漏电流特性，并且曲线38代表包括阴极电极和半导体晶体之间以及阳极电极和半导体晶体之间的绝缘层的辐射检测器40(如在图3中图示的)的另一个示例(示例5)的泄漏电流特性。如图示的，与示例1相比较，示例4在负偏压(例如当阳极电极接地并且阴极电极用低于零的电势赋能时)具有低得多的泄漏电流。而示例5在负和正偏压都具有低得多的泄漏电流。为了更好地说明示例4和5的泄漏电流，图5是与图4相比相同但具有放大的垂直轴的对比。
图6图示用于生产辐射检测器的示范性方法。参照图6，该方法包括在步骤100蚀刻半导体晶体块的一个表面来形成富碲梯度层、在步骤102氧化该富碲梯度层来形成碲氧化层以及在步骤104在该碲氧化层上形成电极。在一个实施例中，该半导体晶体块包括镉和碲。在一个特定实施例中，该半导体晶体块包括镉、锌和碲。在另一个特定实施例中，该半导体晶体块包括镉、锰和碲。
在某些实施例中，在步骤100，半导体晶体块的一部分与包括溴、甲醇、乳酸和乙二醇的溶液接触，并且该半导体晶体块的该部分蚀刻成富碲层。在一个实施例中，半导体晶体块的仅一个表面与溶液接触以在半导体晶体块上形成一个富碲层。在另一个实施例中，第一表面和与该第一表面相对的第二表面与溶液接触来形成互相相对的第一和第二富碲层。在再另一个实施例中，整个半导体晶体块与溶液接触并且从而半导体晶体块的全部外表面变成富碲层。在一个实施例中，半导体晶体块在范围在18摄氏度至30摄氏度之间的温度下浸在溶液中一段时间(范围在0.5至10分钟之间)。在一个实施例中，溶液中溴的百分比按体积计范围在1％至5％之间。
在一个示例中，Cd0.9Zn0.1Te晶体的一个表面在20摄氏度的温度下浸入包括溴、甲醇、乳酸和乙二醇的溶液中持续五分钟。溴、甲醇、乳酸和乙二醇的比率是大约2∶38∶20∶40。镉、锌和碲的浓度从半导体晶体块的外表面到半导体晶体块的内部部分使用俄歇电子能谱(AES)法来测量并且在图7中分别图示为曲线44、46、48。溅射时间可以参照厚度校准，并且与厚度大致上成线性关系。如图示的，在示例中在大约220秒形成富碲层，这在校准后是大约160纳米。富碲层中镉、锌和碲的浓度大致上线性地变化并且从而蚀刻过程易于控制。
在步骤102，氧化富碲层。在一个实施例中，富碲层在范围在40摄氏度至150摄氏度之间的温度与H2O2水溶液接触一段时间(范围在3至30分钟之间)。三个示例的氧浓度由AES法测量并且在图8中图示。这三个示例通过使用不同的氧化处理获得，并且在图8中分别用标号50、52、54指定。通过使半导体晶体的富碲层在大约20摄氏度的温度下与30％H2O2水溶液的溶液接触大约30分钟来获得第一示例。通过使半导体晶体的富碲层在大约20摄氏度的温度下与具有0.05g K2Cr2O7的40ml 30％H2O2的溶液接触大约30分钟来获得第二示例。使用氧等离子体轰击法来获得第三示例。半导体晶体块放置在具有～3Pa真空压力的真空室中。氧以20cm3/分钟(sccm)的流速填充进入真空室。电极用-1000伏电势赋能，并且与半导体块的富碲层相隔100mm。氧分子分解成氧离子用于氧化由高压驱动的富碲层。
在步骤104，第一电极和第二电极通过例如沉积过程在半导体晶体的第一和第二表面上形成。
尽管在本文已经描述有被认为是本发明的优选和示范性实施例，本发明的其他修改从本文的教导对于本领域内技术人员将是明显的，并且因此期望能够确保的是，所有这样的修改如落入本发明的真正精神和范围内那样处于附上的权利要求中。
Claims (21)
1.一种辐射检测器，包括：
半导体晶体，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
第一电极，其与所述半导体晶体的所述第一表面电耦合来允许电流在所述第一电极与所述晶体之间流动；以及
绝缘层，其在所述第一表面上并且在所述半导体晶体和所述第一电极之间以便在所述第一电极和所述晶体之间形成部分透射的电阻挡，所述绝缘层具有范围在大约50纳米至大约500纳米之间的厚度。
2.如权利要求1所述的检测器，其中所述半导体晶体包括镉和碲。
3.如权利要求2所述的检测器，其中所述半导体晶体包括镉锌碲或镉锰碲。
4.如权利要求3所述的检测器，其中绝缘层包括碲、氧和镉，并且其中氧化层中碲的浓度和氧的浓度在从所述晶体朝所述第一电极的方向上增加，并且镉的浓度在从所述晶体朝所述第一电极的方向上减小。
5.如权利要求1所述的检测器，其中所述绝缘层包括沉积的绝缘体，其包括氧化铝或氮化硅。
6.如权利要求1所述的检测器，其中所述绝缘层的厚度范围在大约100纳米至大约200纳米之间。
7.如权利要求6所述的检测器，其中所述绝缘层的厚度范围在140纳米至170纳米之间。
8.如权利要求6所述的检测器，其进一步包括偏压控制电路，用于控制在物理上断开的读出像素与偏压控制部分之间的电压。
9.如权利要求1所述的检测器，其进一步包括在所述半导体晶体的所述第二表面上的第二电极，并且其中所述第一电极和所述第二电极中的一个包括多个在物理上互相断开的读出像素。
10.如权利要求9所述的检测器，其进一步包括所述第二电极和所述半导体晶体之间的绝缘层。
11.如权利要求9所述的检测器，其进一步包括邻近所述多个读出像素的多个偏压控制部分。
12.如权利要求11所述的检测器，其中所述读出像素和所述偏压控制部分包括不同的材料。
13.如权利要求12所述的检测器，其中所述半导体晶体包括P型半导体材料，并且其中所述读出像素包括铟或铝，并且所述偏压控制部分包括贵金属。
14.如权利要求12所述的检测器，其中所述半导体晶体包括N型半导体材料，并且其中所述读出像素包括贵金属，并且所述偏压控制部分包括铟或铝。
15.一种生产辐射检测器的方法，包括：
蚀刻半导体晶体块的一个表面以在所述半导体晶体块上形成富碲梯度层，所述半导体晶体块包括镉和碲；
氧化所述富碲梯度层来形成碲氧化层；以及
在所述碲氧化层上形成电极，
其中蚀刻包括使所述半导体晶体块的一部分与包括溴、甲醇、乳酸和乙二醇的溶液接触。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述溶液中溴的百分比按体积计范围在1％至5％之间。
17.如权利要求16所述的方法，其中溴、甲醇、乳酸和乙二醇的比率是大约2∶38∶20∶40。
18.如权利要求11所述的方法，其中在范围在18摄氏度至30摄氏度之间的温度下并且以范围在0.5至10分钟之间的时间段进行所述蚀刻。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述半导体晶体包括镉锌碲。
20.如权利要求15所述的方法，其中所述半导体晶体是镉锰碲晶体。
21.如权利要求15所述的方法，其中氧化所述富碲梯度层包括使所述富碲梯度层在范围在40摄氏度至150摄氏度之间的温度与H2O2水溶液接触。
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