CN107153214B - 快时间响应半导体辐射探测器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辐射探测装置，具体涉及一种基于短波光注入的快时间响应半导体辐射探测器及其制作方法，包括探测器本体，所述探测器本体包括探测器前盖及半导体晶体，还包括短波光源，所述短波光源设置于探测器前盖内侧壁上，短波光源指向半导体晶体中心，短波光源的发射角度覆盖整个半导体晶体空间区域，短波光源的中心波长低于半导体晶体禁带宽度对应的波长。解决了晶体质量对探测器时间响应特性的影响，为脉冲辐射场测量提供具有快时间响应特性的新型CZT探测器。

Description

快时间响应半导体辐射探测器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种辐射探测装置，具体涉及一种基于短波光注入的快时间响应半导体辐射探测器。

背景技术

碲锌镉(CdZnTe，简称CZT)是一种新型室温化合物半导体材料，具有较高的平均原子序数、较高的密度、较高的电阻率以及较宽的禁带宽度等综合优势。

高的平均原子序数，使CZT探测器对中高能X/γ射线具有较高的探测效率；高密度，使CZT探测器体积小，在群探测中具有较强的兼容性，在空间探测中具有极大的优势；高电阻率和宽禁带宽度，使CZT探测器在室温下具有较低的暗电流，解决了常用的Si、Ge半导体辐射探测器的低温应用限制，有效降低了探测系统的复杂程度。

基于CZT的辐射探测技术研究，已为空间探测、医疗诊断以及工业探伤等领域提供了新的探测技术途径。目前，得益于CZT材料的综合优势，CZT探测器在能谱测量方面已获得了广泛应用，在脉冲辐射探测方面，有望提供一种具有快时间响应(ns量级)、高信噪比的室温半导体辐射探测器，具有极大的研究价值和应用前景。

现有的CZT探测器如图1、图2及图3所示，包括外壳及CZT半导体组件，CZT半导体组件包括基板5、设置在基板5上的CZT单晶7、分别设置在CZT单晶7前后两个端面的高压电极层8和收集电极层9；CZT单晶7与高压电极层8和收集电极层9之间均为欧姆接触；基板5与探测器端面由铜柱4连接；信号输出电路12附在基板5上，高压电源13与CZT晶体7的高压电极层8之间串接有10kΩ的电阻15，电阻与CZT晶体的高压电极层之间通过100nF电容16接地。

然而，受到现有晶体生长技术限制，CZT晶体内不可避免的存在缺陷，该缺陷在大多数类型的半导体辐射探测器晶体生长过程中都会被引入，这类缺陷对信号载流子的俘获和去俘获效应严重影响探测器辐射探测性能，尤其影响CZT探测器时间响应特性。信号载流子被陷阱俘获后，需以某种方式(加热、加电压等)向其提供足够的能量才能被陷阱释放。信号载流子发生俘获和去俘获过程的时间间隔，就是信号载流子对探测器输出信号的贡献被延迟的时间。在高强度脉冲射线入射条件下，晶体内产生了大量信号载流子，其在输运过程中受CZT晶体内大量的载流子陷阱的俘获和去俘获作用，被陷阱俘获的信号载流子输运时间被延长，在CZT探测器时间响应曲线上表现为下降沿的拖尾现象，造成难以从探测器时间响应曲线中获取脉冲射线源的时间信息。

由于晶体内缺陷对信号载流子俘获和去俘获效应，晶体质量的不确定性使不同单晶CZT探测器时间响应性能存在较大差异性，一方面使CZT探测器时间响应曲线存在不同程度后沿拖尾问题，另一方面也增大构建CZT探测器理论模型的困难，所构建的模型与实际CZT探测器时间响应特性存在差异。因此，亟需探索可行技术途径，削弱甚至克服晶体质量对CZT探测器时间响应特性的影响，深化对CZT探测器辐射探测机理的认识，并进一步扩展探测器的适用范围。

发明内容

为了克服晶体质量对探测器时间响应特性的影响，本发明提供了一种基于短波光注入的快时间响应半导体辐射探测器，其利用持续照射的短波光(光波长低于晶体禁带宽度对应的波长)注入方法在半导体晶体内实现光载流子注入，使晶体内陷阱一直处于充满的状态，削弱缺陷对信号载流子的俘获和去俘获作用，实现改善探测器时间响应曲线后沿拖尾问题。

本发明的技术方案是提供一种快时间响应半导体辐射探测器，包括探测器本体，上述探测器本体包括探测器前盖1及半导体晶体，其特殊之处在于：还包括短波光源，上述短波光源设置于探测器前盖1内侧壁上，短波光源指向半导体晶体中心，发射角度覆盖整个半导体晶体空间区域，短波光源的中心波长低于半导体晶体禁带宽度对应的波长。

优选地，上述快时间响应半导体辐射探测器还包括设置在探测器基板5与高压电极层8之间的绝缘层。

优选地，上述半导体晶体为CZT单晶7。

优选地，为了输出功率稳定，上述短波光源为半导体二极管21，该短波光源的单色性好，体积小，成本低。

优选地，上述半导体二极管参数为：半导体二极管21所产生的光源的带宽为10～20nm，焦斑直径大于CZT单晶7的灵敏面积。

更进一步，上述半导体二极管21的带宽为20nm；上述绝缘层的材料为绝缘塑料10。

优选地，上述短波光源通过胶粘固定在探测器前盖1内侧壁上。

优选地，探测器壳体的材料为Fe。

优选地，该探测器的高压电极层8和收集电极层9为平面型结构，其材料为金，厚度为100nm±20nm。

本发明还提供一种制作上述的半导体辐射探测器的方法，包括以下步骤：

1)根据设计参数制备探测器外壳，将封装后的半导体晶体固定在基板5上，利用四个铜柱4实现基板5与探测器的定位；

2)根据设计参数选择短波光源，将选择好的短波光源固定在探测器前盖1内壁中心，光源指向半导体晶体中心；

3)高压电源与半导体晶体之间串10kΩ的电阻15，电阻与半导体晶体之间有一个100nF电容16接地。

优选地，在步骤1)之前，还可以根据电流-电压(I-V)特性曲线测试，选取质量较好的半导体单晶，具体通过测试现有的探测器在不同工作电压下的输出电流，分析I-V特性曲线及其所遵循的规律，选择金属与半导体之间为欧姆接触方式的晶体。

优选地，上述半导体晶体为CZT晶体。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在探测器前盖上设置短波光源，采用光载流子注入方法，也即利用能量高于晶体禁带宽度的光照射CZT晶体，在晶体内产生大量的电子空穴对，电子空穴对在外加电场作用下向两电极移动，在晶体内形成稳态电流。光载流子注入产生的高浓度电子空穴使晶体内陷阱一直处于充满的状态，等效于削弱陷阱对信号载流子俘获和去俘获效应，使CZT探测器具有本征快时间响应特性，改善甚至解决CZT探测器时间响应曲线后沿拖尾问题，从而为脉冲辐射场测量提供具有快时间响应特性的新型CZT探测器。

2、本发明可改善CZT探测器脉冲辐射探测性能对晶体质量的依赖(尤其是时间响应特性)，降低晶体质量差异性对CZT探测器理论模型的实用性的限制，从而为构建可靠的探测器理论模型提供可行的技术途径。

3、本发明同样适用于其它半导体辐射探测器，差异性在于选取不同参数(中心波长和带宽)的短波长光源(中心波长低于禁带宽度对应的波长)，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是现有的CZT探测器结构示意图。

图2现有的CZT探测器电极设计图。

图3是现有和本发明实施例中的CZT探测器内部电路示意图。

图4为本发明实施例CZT探测器结构示意图。

图5是本发明实施例中半导体二极管固定示意图。

图6是现有和本发明实施例中的CZT探测器电极设计图。

图7是本发明实施例CZT探测器I-V曲线测试结果。

附图标记如下：1-前盖，2-中筒，3-后盖，4-铜柱，5-基板，6-封胶，7-CZT单晶，8-高压电极层，9-收集电极层，10-绝缘塑料，11-导线，12-信号输出电路，13-高压输入端，14-信号输出端，15-10kΩ电阻，16-100nF电容；

21-半导体二极管，22-固定胶。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

本实施例以CZT探测器为例，同样适用于其他类型晶体的探测器。

如图4所示，本实施例快时间响应的碲锌镉(CdZnTe，简称CZT)探测器，包括由前盖1、中筒2和后盖3依次固连而成的密封外壳与设置在外壳内的信号输出电路12、半导体组件及半导体二极管21，外壳的材料为Fe，其内抽真空或充惰性气体。

半导体组件包括基板5、利用封胶6通过封胶工艺胶粘在基板5上的CZT单晶7、分别设置在CZT单晶7的前后两个端面的收集电极层9和高压电极层8；高压电极层8和收集电极层9为平面型结构，其材料为金，金电极面积与CZT单晶灵敏面积一致，厚度为100nm±20nm。CZT单晶7与高压电极层8和收集电极层9之间均为欧姆接触，基板5与探测器端面通过铜柱4连接。

信号输出电路12附在基板5上，如图6所示，高压电极层8和收集电极层9均通过导线11与信号输出电路12连接；高压电极层8与基板5之间设置有绝缘塑料10，如图3所示，高压电源(图3中高压输入端13)与CZT单晶的高压电极层之间串接有10kΩ的电阻15，电阻与CZT晶体的高压电极层之间通过100nF电容16接地，收集电极层接信号输出端14。

由于CZT单晶7电阻率很大，即使是很高强度的探测器探测的射线在晶体内产生的信号也很微弱，因此选用绝缘材料隔离CZT和探测器金属部件等，降低探测器其他部件对CZT探测器输出弱电流信号的影响，通过在CZT和基板之间增加绝缘塑料，可间接通过绝缘塑料将CZT固定在基板上，也便于从基板上取下CZT晶体。尤其是当探测器性能变化时，可及时取下晶体，测试并分析其参数变化的原因。本实施例中选用绝缘塑料10，通过将晶体固定在塑料上，实现晶体在探测器内部空间固定及CZT和探测器金属部件的隔离。

如图5所示，半导体二极管21通过固定胶22胶粘固定在探测器前端面内壁中心位置，光源指向CZT单晶中心位置，发射角度覆盖整个CZT晶体空间区域，其中心波长低于晶体禁带宽度对应的波长，带宽为20nm；焦斑直径略大于CZT单晶灵敏面积。

本实施例所提出的快时间响应CZT探测器制作方法，具体描述如下：

1)电流-电压(I-V)特性曲线测试，选取质量较好的CZT单晶

测试现有的CZT探测器在不同工作电压下的输出电流，分析I-V特性曲线及其所遵循的规律，选择金属与半导体之间为欧姆接触方式的单晶(图7)。

2)设计CZT探测器屏蔽和支撑结构

CZT探测器外壳材料为Fe，外观尺寸为Φ88mm×50mm，探测器前、后端面厚均为2mm，筒壁厚为4mm。将步骤1)选出的CZT单晶封装后固定在基板上，利用四个铜柱实现基板的定位。

3)半导体二极管固定及参数要求

固定要求：半导体二极管固定在探测器前端面中心，指向CZT晶体中心。参数要求：中心波长低于CZT晶体禁带宽度对应的波长，带宽为20nm，有一定的方向性，能够覆盖整个CZT晶体体积。

4)输出信号电路组建

高压电源与CZT单晶之间串10kΩ的电阻，电阻与CZT之间有一个100nF电容接地，实现保护高压源(图3)。

Claims (7)

1.一种快时间响应半导体辐射探测器，包括探测器本体，所述探测器本体包括探测器前盖(1)及半导体晶体，其特征在于：还包括短波光源，所述短波光源设置于探测器前盖(1)内侧壁上，短波光源指向半导体晶体中心，短波光源的发射角度覆盖整个半导体晶体空间区域，短波光源的中心波长低于半导体晶体禁带宽度对应的波长；

所述短波光源为半导体二极管(21)；

所述半导体二极管(21)输出光源的带宽为10～20nm，焦斑直径大于CZT单晶(7)的灵敏面积。

2.根据权利要求1所述的快时间响应半导体辐射探测器，其特征在于：还包括探测器基板(5)与高压电极层(8)及设置在探测器基板(5)与高压电极层(8)之间的绝缘层。

3.根据权利要求1或2所述的快时间响应半导体辐射探测器，其特征在于：所述半导体晶体为CZT单晶(7)。

4.根据权利要求2所述的快时间响应半导体辐射探测器，其特征在于：所述半导体二极管(21)所产生光源的带宽为20nm；所述绝缘层的材料为绝缘塑料(10)。

5.根据权利要求4所述的快时间响应半导体辐射探测器，其特征在于：所述短波光源通过胶粘固定在探测器前盖(1)内侧壁上。

6.根据权利要求5所述的快时间响应半导体辐射探测器，其特征在于：探测器壳体的材料为Fe；探测器的高压电极层(8)和收集电极层(9)为平面型结构，其材料为金，厚度为100nm±20nm。

7.一种制作权利要求1至6任一所述的快时间响应半导体辐射探测器的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据设计参数制备探测器外壳，将封装后的半导体晶体固定在基板(5)上，利用四个铜柱(4)实现基板(5)与探测器的定位；

2)根据设计参数选择短波光源，将选择好的短波光源固定在探测器前盖(1)内壁中心，光源指向半导体晶体中心；

3)高压电源与半导体晶体之间串10kΩ的电阻(15)，电阻与半导体晶体之间有一个100nF电容(16)接地；步骤1)之前还包括筛选半导体晶体的步骤：

测试现有的半导体辐射探测器在不同工作电压下的输出电流，分析I-V特性曲线及其所遵循的规律，选择金属与半导体之间为欧姆接触方式的单晶；

所述半导体晶体为CZT晶体。