CN108456847B

CN108456847B - 在多晶czt上沉积dlc膜的方法及czt半导体探测器

Info

Publication number: CN108456847B
Application number: CN201810040325.0A
Authority: CN
Inventors: 廖斌; 欧阳晓平; 王宇东; 吴先映; 张旭; 罗军
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2019-11-01
Anticipated expiration: 2035-09-14
Also published as: CN105220112B; CN105220112A; CN108456847A

Abstract

本发明公开了一种在多晶CZT上沉积DLC膜的方法及CZT半导体探测器，其中，该在多晶CZT上沉积DLC膜的方法包括：采用磁过滤阴极真空弧沉积方法，在多晶CZT的晶体表面沉积第一层DLC膜；在所述第一层DLC膜之上，采用磁过滤阴极真空弧沉积方法沉积用于释放内应力的薄膜过渡层；在所述薄膜过渡层之上，采用磁过滤阴极真空弧沉积方法沉积第二层DLC膜。通过实施本发明，在多晶CZT上沉积DLC膜能够保护多晶CZT，减小漏电流。

Description

在多晶CZT上沉积DLC膜的方法及CZT半导体探测器

技术领域

本发明涉及放射性材料探测的技术领域，特别涉及一种在多晶碲锌镉(CZT)上沉积类金刚石碳(DLC)膜的方法及CZT半导体探测器。

背景技术

关于特殊核材料、脏弹、核武器和某些放射源、放射性污染等的鉴别，可采取γ辐射能谱测量与分析方法实现。其中，反恐便携式γ谱仪具有截获、识别非法核材料，阻断其流通途径和现场检查放射性污染性质，为决策提供重要依据的作用，是交通关口的重要安检设备和反恐部队的重要装备。

迄今为止，国内外γ能谱测量仪器主要包括三类：其一，采用无机晶体闪烁体作为探头的闪烁体谱仪，如NaI(Tl)谱仪、CsI(Tl)谱仪等，特点是探测效率高，使用方便，但能量分辨率低，目前商用便携式谱仪基本都属于这一类型；其二，采用高纯度锗HPGe或者锗锂Ge(Li)半导体探测器的半导体谱仪，其特点是能量分辨率高，但因为需要使用低温条件，主要用于实验室分析，不适于便携式应用；其三，基于碲化镉(CdTe)或碲锌镉(CdZnTe,以下简称CZT)等化合物半导体探测器的半导体谱仪，起能量分辨率介于HPGe和NaI(Tl)之间，可在常温下使用，易于便携。

其中，CZT半导体探测器可在常温下使用，体积小，探测装置简单，兼有宽的禁带和低的电离能，这使它在常温下具有很好的能量分辨率，同时高的原子序数提高了光电峰的本征效率。此外，CZT半导体探测器还有对低能光子有高探测效率，探测信号直接转换，易与前端电子学结合，可构成空间分辨率高的像素阵列探测器和受环境因素影响小等优点。因此，从反恐便携式γ谱仪的发展方向来看，比较有前途的应该是CZT半导体探测谱仪。但是，单晶CZT探测器的最大缺点是体积小，探测效率低。目前CZT晶体最大单晶体积只可达15mm*15mm*7.5mm，因此，做成像素列探测器需要很高的工艺水平和生产成本。

经大量研究后，本申请的发明人发现：研发多晶CZT半导体探测器是发展CZT探测的趋势。现有的晶体生长工艺可以将多晶CZT半导体探测器制备成大体积，提高探测效率的同时，还可以降低生产成本，但是多晶CZT半导体探测器的存在漏电流大和硬度低易碎的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种在多晶碲锌镉(CZT)上沉积类金刚石碳(DLC)膜的方法及CZT半导体探测器，在多晶CZT上沉积DLC膜能够保护多晶CZT，减小漏电流。

进一步来讲，该在多晶CZT上沉积DLC膜的方法包括：采用磁过滤阴极真空弧沉积方法，在多晶CZT的晶体表面沉积第一层DLC膜；在所述第一层DLC膜之上，采用磁过滤阴极真空弧沉积方法沉积用于释放内应力的薄膜过渡层；在所述薄膜过渡层之上，采用磁过滤阴极真空弧沉积方法沉积第二层DLC膜。

所述金属钛层的注入条件包括：注入电压8Kv，注入束流5mA，注入剂量1000mC。

可选地，在一些实施例中，所述薄膜过渡层为聚合物有机膜或氧化铝膜层。

可选地，在一些实施例中，所述聚合有机物膜包括聚酰亚胺膜。

可选地，在一些实施例中，所述磁过滤阴极真空弧沉积方法利用双管180度磁过滤沉积方式。

可选地，在一些实施例中，在沉积所述第一层DLC膜时，采用的靶材为碳阴极，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，束流50mA，顺序采用负压-800V、-600V、-400V、及-300V进行沉积；在沉积所述第二层DLC膜时，采用的靶材为碳阴极，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，负压-300V，沉积时间15min，占空比为20％。

可选地，在一些实施例中，在沉积所述氧化铝膜层时，采用的靶材为Al阴极，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，氧气流量50sccm。

可选地，在一些实施例中，所述第一层DLC膜的厚度为80-120nm nm，所述氧化铝膜层层的厚度为20-30nm，所述第二层DLC膜的厚度为0-370nm。

可选地，在一些实施例中，上述在多晶CZT上沉积DLC膜的方法还包括：在所述第一层DLC膜和所述薄膜过渡层之间，采用金属离子源注入方法注入金属钛层。

此外，该碲锌镉(CZT)半导体探测器设置有采用前述任意一种在多晶CZT上沉积DLC膜的方法制备而成的多晶CZT。

相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优点：

采用本发明实施例的技术方案后，采用磁过滤阴极真空弧沉积技术在多晶CZT表面形成两层结合力好的DLC膜，由于DLC膜电阻率高，能起到减小漏电流的作用；并且由于DLC膜硬度高，还能起到保护多晶CZT的作用。其中，在两层DLC膜之间镀有薄膜过渡层，可通过释放内应力的方式增加两层DLC膜的结合力。因此，采用本发明的在多晶CZT上沉积DLC膜的方法，通过在多晶CZT上沉积双层DLC膜和二者之间的薄膜过渡层，能够保护多晶CZT，减小漏电流。

本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。

附图说明

构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的多晶CZT上形成的各膜层结构示意图；

图2为本发明实施例提供的在多晶CZT上沉积DLC膜的方法制备工艺流程示意图；

图3为本发明实施例提供的多晶CZT上形成的各膜层扫描电镜的测试结果示意图；

图4为本发明实施例提供的多晶CZT上C1s元素的XPS测试分峰结果示意图；

图5为本发明实施例提供的多晶CZT的硬度测试结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图，对本发明的各实施例作进一步说明：

相较于其他材料来讲，多晶CZT上镀DLC膜更困难，这主要是由于其他材料能够先离子注入形成钉扎层，然后沉积金属过渡层，再沉积DLC。多晶CZT表面镀膜现存在的最大问题在于：CZT作为探测器时其探测效率对表面状态非常敏感，因而表面不能进行离子注入，同时也不能沉积金属过渡层，否则晶界将会连通，漏电流更大。

针对上述问题，本实施例提出一种在多晶CZT上沉积DLC膜的方法，该方法包括以下步骤：

S100：采用磁过滤阴极真空弧沉积方法，在多晶CZT的晶体表面沉积第一层DLC膜；

S200：在第一层DLC膜之上，采用磁过滤阴极真空弧沉积方法沉积用于释放内应力的薄膜过渡层；

S300：在薄膜过渡层之上，采用磁过滤阴极真空弧沉积方法沉积第二层DLC膜。

因此，上述实施例采用磁过滤阴极真空弧沉积技术在多晶CZT探测器表面形成两层结合力好的DLC膜，该DLC膜在红外部分是完全透明的，有很强的抗腐蚀性。其中，沉积DLC膜有两个作用：一是电阻率高，起到减小漏电流的作用，当DLC膜中碳元素SP3杂化轨道占总键位的70％以上时，电阻率可以达到10¹⁰Ω·cm量级，调整DLC膜的厚度改变电阻，这样可解决漏电流的问题；二是DLC膜硬度高，能起到保护多晶碲锌铬作用。因此，采用上述在多晶CZT上沉积DLC膜的方法，通过在多晶CZT上沉积双层DLC膜和二者之间的薄膜过渡层，能够保护多晶CZT，减小漏电流。

作为一种可选的实施方式，在多晶CZT上沉积DLC膜的方法，上述薄膜过渡层为聚合物有机膜或氧化铝膜层。可选的是，聚合有机物膜可为聚酰亚胺膜。

作为一种可选的实施方式，上述在多晶CZT上沉积DLC膜的方法中，在S100之后还可包括以下步骤：

S102：在第一层DLC膜和薄膜过渡层之间，采用金属离子源注入方法注入金属钛层。

参照图1，其为多晶CZT上形成的各膜层结构示意图。上述实施例中，利用金属离子源注入技术(MEVVA)注入金属钛，以在第一层DLC膜和薄膜过渡层之间形成金属钛层，这样可提高碳层和Al₂O₃层的结合力，使结构更加稳定。

在一可选实施例中，上述磁过滤阴极真空弧沉积方法可利用双管180度磁过滤沉积方式。可选地，在沉积第一层DLC膜时，采用的靶材为C阴极，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，束流50mA，顺序采用负压-800V、-600V、-400V、及-300V进行沉积；在沉积所述第二层DLC膜时，采用的靶材为碳阴极，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，负压-300V，沉积时间15min，占空比为20％。

可选地，在沉积氧化铝膜层时，采用的靶材为Al阴极，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，氧气流量50sccm。可选地，金属钛层的注入条件包括：注入电压8Kv，注入束流5mA，注入剂量1000mC。

这里，以下面的制备工艺流程为例，对上面的在多晶CZT上沉积DLC膜的方法实施例做进一步说明：

参照图2所示，取多晶CZT样品，在该多晶CZT表面沉积C膜+Ti+Al2O3+C膜，具体工艺如下：

①C膜：C 阴极起弧电流90A，弯管磁场2.0A

负压 -800V 沉积20s 占空比100％

-600V 沉积40s 占空比100％

-400V 沉积60s 占空比100％

-300V 沉积10min 占空比20％束流50mA

②Ti+Al2O3层：

Ti 金属注入 8Kv 束流5mA，注入剂量1000mC

Al 阴极起弧电流90A，弯管磁场2.0A

负压 -300V 占空比100％

氧气流量：50sccm 真空气压2.0*10^-2Pa

沉积时间 3min 束流280mA

③C膜：C 阴极起弧电流90A，弯管磁场2.0A

-300V 沉积15min 占空比20％

在上述实施例中，第一阶段和第三阶段为磁过滤阴极真空弧沉积设备，第二阶段中的钛注入为金属离子源注入设备，后面Al作阴极通氧气为磁过滤阴极真空弧沉积设备。针对不同的膜层所采用的靶材料不同，为了实现较好的实验效果，可调整起弧电流和弯管磁场。上述实施例利用双管180度磁过滤阴极真空弧技术在多晶CZT基底上镀高绝缘DLC膜，并利用磁过滤阴极真空弧沉积技术和金属离子源注入技术制备缓冲层Al₂O3膜层，可有效减小多晶CZT作为探测器时的漏电流。

需要说明的是，上述各实施例可通过调整负压，弯管磁场大小、通气流量以及沉积时间来控制各膜层的厚度。参照图1和图3，其分别为多晶CZT上形成的各膜层结构示意图和各膜层扫描电镜的测试结果示意图。这里，各层膜的厚度取值范围如下：第一层DLC膜的厚度为80-120nm，氧化铝膜层层的厚度为20-30nm，第二层DLC膜的厚度为0-370nm。例如，第一层DLC膜的厚度为100nm，氧化铝膜层层的厚度为30nm，第二层DLC膜的厚度为370nm。其中，膜层厚度由沉积时间长短决定，时间越长厚度越大，但厚度大容易脱落。

在一可选实施例中，利用双管180度磁过滤阴极真空弧沉积方法，在多晶CZT晶体表面沉积100nm厚的DLC膜，再利用金属离子源注入技术(MEVVA)注入金属钛，接着沉积薄膜过渡层(30nm)，释放DLC膜层内应力(材料同样具有高电阻率)。最后，再次利用双管180度磁过滤方法在过渡层上沉积DLC膜370nm，形成膜层厚度为500nm左右的高绝缘层。注入金属钛的目的是为了提高碳层和层的结合力，使结构更加稳定。结构示意图可参见图1。

为对多晶CZT上形成的各膜层性能进行说明，这里可参照图4、5，其分别为本发明实施例提供的多晶CZT上C1s元素的XPS测试分峰结果示意图、多晶CZT的硬度测试结果示意图。如图4所示，镀膜后的多晶CZT表面硬度在压痕深度为40nm左右，维氏硬度高达60Gpa。此处，XPS分析是为了得到DLC层中SP3键所占的比例。这里的拟合方法采用高斯函数拟合，峰与横坐标的面积代表sp2或者sp3键成分含量。其中：

IG：表示sp3键含量，C1s结合能在285.2-286.1eV之间；

ID：表示sp2键含量，C1s结合能在284.4-285.1eV之间，测试结果仅代表本测试样品的sp2和sp3含量。

若IG/(IG+ID)>50％，DLC导电率>10¹⁰Ω·cm，则图5的结果为IG/(IG+ID)＝72％。

与现有技术相比，本发明的各实施例具有以下优点：

1)相比磁控溅射、电子束蒸发等PVD沉积方法，磁过滤电弧沉积设备原子离化率非常高，大约在90％以上。这样，由于原子离化率高，可使等离子体密度增加，成膜时大颗粒减少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜急结合力等。

2)相比磁控溅射、电子束蒸发等PVD沉积方法，由于磁过滤弯管的存在使得其制备的膜层质量更好，液滴等大颗粒几乎能被过滤损失掉。

3)利用磁过滤沉积能得到高绝缘系数的DLC膜，DLC膜层的sp3含量在70％以上，电阻率高于1010Ω·cm。其中，DLC膜的绝缘系数与SP3键含量有关。金刚石为SP3杂化，SP3键含量越高代表该物质内金刚石含量越高。理想金刚石的电阻率在10⁷⁰Ω·cm数量级，但由于杂质影响绝大多数金刚石晶体的电阻率在10¹⁴到10¹⁶Ω·cm之间。当SP3键含量在50％以上时，电阻率就已经能够可以高于10¹⁰Ω·cm了。

4)在多晶CZT上可制备厚DLC膜层，结合磁过滤沉积技术和离子注入技术，DLC膜的厚度可达到500nm，由于镀有用于释放内应力的薄膜过渡层，使DLC膜不至于对外界环境太敏感，但如果单层DLC膜的内应力太大，可能会导致基底的表面曲率以及外界温度的改变都会使膜崩裂或者脱落。

5)DLC膜层硬度高，有效克服了多晶CZT硬度低、易碎的问题，在多晶CZT上沉积DLC膜，使其增加硬度后更方便投入实际使用。

需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必需的。

此外，本发明实施例还提供了一种碲锌镉(CZT)半导体探测器，该CZT半导体探测器设有采用上述任一种在多晶CZT上沉积DLC膜的方法制备而成的多晶CZT。

由于上述任一种镀膜后的多晶CZT具有上述技术效果，因此，设有上述镀膜后的多晶CZT的CZT半导体探测器也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种在多晶碲锌镉(CZT)上沉积类金刚石碳(DLC)膜的方法，其特征在于，包括：

采用磁过滤阴极真空弧沉积方法，在多晶CZT的晶体表面沉积第一层DLC膜；

在所述第一层DLC膜之上，采用磁过滤阴极真空弧沉积方法沉积用于释放内应力的薄膜过渡层，在所述第一层DLC膜和所述薄膜过渡层之间，采用金属离子源注入方法注入金属钛层；该薄膜过渡层为聚酰亚胺膜或氧化铝膜层；

在所述薄膜过渡层之上，采用磁过滤阴极真空弧沉积方法沉积第二层DLC膜；

所述金属钛层的注入条件包括：注入电压8Kv，注入束流5mA，注入剂量1000mC；

所述磁过滤阴极真空弧沉积方法利用双管180度磁过滤沉积方式。

2.根据权利要求1所述的在多晶CZT上沉积DLC膜的方法，其特征在于，

在沉积所述第一层DLC膜时，采用的靶材为碳阴极，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，束流50mA，顺序采用负压-800V、-600V、-400V、及-300V进行沉积；和/或，

在沉积所述第二层DLC膜时，采用的靶材为碳阴极，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，起弧电流90 A，弯管磁场2.0 A，负压-300V，沉积时间15min，占空比为20％。

3.根据权利要求1所述的在多晶CZT上沉积DLC膜的方法，其特征在于，在沉积所述氧化铝膜层时，采用的靶材为Al阴极，起弧电流90A，弯管磁场2.0A，氧气流量50sccm。

4.根据权利要求1所述的在多晶CZT上沉积DLC膜的方法，其特征在于，所述第一层DLC膜的厚度为80-120nm，所述氧化铝膜层层的厚度为20-30nm，所述第二层DLC膜的厚度为0-370nm。

5.一种碲锌镉(CZT)半导体探测器，其特征在于，设置有采用权利要求1至4任一项所述的在多晶CZT上沉积DLC膜的方法制备而成的多晶CZT。