CN110471100A - 叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器及其制备方法，用于解决现有双平面型电极结构的碲锌镉脉冲探测器响应速度慢的技术问题。技术方案是碲锌镉脉冲探测器以碲锌镉晶片作为基底，金电极是单表面叉指结构，两者形成欧姆接触。碲锌镉脉冲探测器的制备方法，首先对碲锌镉晶片表面进行预处理，通过光刻刻蚀手段制备出符合要求的电极结构掩膜版，然后蒸镀金电极，最后通过氧离子刻蚀完成探测器的钝化，减小漏电流。本发明采用叉指电极结构代替传统的平面型电极结构，叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器内部载流子输运路径为横向输运，内部电场强度更大，载流子运动产生的电信号强度更强，同时载流子的输运距离便于调控，探测器的响应速度更快。

Description

叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器，还涉及这种叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器的制备方法。
背景技术
碲锌镉是一种新型室温化合物半导体探测器，具有较宽的禁带宽度、较高的电阻率以及较高的平均原子序数等有优点。以碲锌镉为核心构筑的电流型探测器可以实现在室温下操作，且高电压下暗电流较低以及机械强度较好，在脉冲辐射场测量方面具有广阔的应用前景。
文献“陈翔,韩和同,梁美波,et al.CdZnTe探测器脉冲X射线辐射响应线性研究[J].现代应用物理,2016,7(1):1-6.”公开了一种双平面型碲锌镉脉冲探测器的时间响应曲线。该电极结构探测器在脉冲X射线作用下的响应曲线半高宽为50ns，响应速度较慢。整体曲线呈现指数衰减，下降时间约为100ns，出现了较为严重的拖尾现象。
已公开的传统的碲锌镉脉冲探测器采用双平面型电极结构，由于碲锌镉晶体内部的缺陷以及空穴迁移率比电子小一个数量级的性质，双平面型电极结构的探测器的响应速度较慢且脉冲电流信号曲线的拖尾现象较为严重，有待进一步改善。
发明内容
为了克服现有双平面型电极结构的碲锌镉脉冲探测器响应速度慢的不足，本发明提供一种叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器及其制备方法。碲锌镉脉冲探测器以碲锌镉晶片作为基底，金电极是单表面叉指结构，两者形成欧姆接触。碲锌镉脉冲探测器的制备方法，首先对碲锌镉晶片表面进行预处理，通过光刻刻蚀手段制备出符合要求的电极结构掩膜版，进一步蒸镀金电极，最后通过氧离子刻蚀完成探测器的钝化，减小漏电流。本发明采用叉指电极结构代替传统的平面型电极结构，叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器内部载流子输运路径为横向输运，内部电场强度更大，载流子运动产生的电信号强度更强，同时载流子的输运距离便于调控，探测器的响应速度更快。经测试，响应时间半高宽由背景技术的50ns提高到8ns，同时改善了脉冲电流信号的拖尾现象，其下降时间从传统的100ns减小到了17ns，信号波形更接近于高斯峰形。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器，其特点是：以碲锌镉晶片作为基底，金电极是单表面叉指结构，两者形成欧姆接触。
一种上述叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器的制备方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、采用布里奇曼法生长碲锌镉晶体，使用金刚石线切割机切出尺寸为8×8×2mm3～10×10×2mm3的晶片，利用红外显微成像系统和IV测试系统筛选出电阻率大于10-9Ω·cm的碲锌镉晶片。
步骤二、按照体积比为氧化镁:去离子水＝2:1配制悬浊液作为粗抛液，按照体积比为硅溶胶:过氧化氢＝1:1配制体积分数40～60％的细抛液，化学腐蚀液为体积分数为1～3％的溴甲醇溶液。将筛选出碲锌镉晶片先在粗抛液粗抛5～10分钟，无肉眼可见划痕；再在细抛液中细抛300～600次，显微镜下无划痕；最后在化学腐蚀法腐蚀25～35s除去机械损伤层。
步骤三、采用旋涂法在经过处理的碲锌镉晶片表面依次覆盖一层剥离胶和光刻胶，在紫外光机下曝光50～70s后，显影10～15s，得到叉指电极结构掩膜版。
旋涂剥离胶时设定转速为600～1000rmp，旋涂时间5～10s，旋涂完剥离胶后放置于85～95℃的加热台加热80～100s，；旋涂光刻胶时设定转速3500～4500rmp，旋涂时间40～60s，旋涂完光刻胶后放置于85～95℃的加热台加热20～40s。
步骤四、利用真空蒸镀法制备金电极，电极厚度60～80nm，蒸镀时间80～120s，蒸镀电流60～80A，得到碲锌镉脉冲探测器。
步骤五、最后使用干法钝化在，得到碲锌镉脉冲探测器表面裸露部分形成氧化物，减小漏电流。
干法钝化所用的反应离子刻蚀的功率为5～10W，时间为20～30分钟，气体为氧气，氧气气压0.20～0.30MPa，进气流量为70～90cm3/min，工作气压至4.0～6.0Pa。
所述叉指电极结构掩膜版尺寸为8×8～10×10mm2，间隙宽度均为0.5～1.5mm，电极宽度均为0.5～1.5mm，上下横条电极的宽度为1～2mm。
本发明的有益效果是：碲锌镉脉冲探测器以碲锌镉晶片作为基底，金电极是单表面叉指结构，两者形成欧姆接触。碲锌镉脉冲探测器的制备方法，首先对碲锌镉晶片表面进行预处理，通过光刻刻蚀手段制备出符合要求的电极结构掩膜版，进一步蒸镀金电极，最后通过氧离子刻蚀完成探测器的钝化，减小漏电流。本发明采用叉指电极结构代替传统的平面型电极结构，叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器内部载流子输运路径为横向输运，内部电场强度更大，载流子运动产生的电信号强度更强，同时载流子的输运距离便于调控，探测器的响应速度更快。经测试，响应时间半高宽由背景技术的50ns提高到8ns，同时改善了脉冲电流信号的拖尾现象，其下降时间从传统的100ns减小到了17ns，信号波形更接近于高斯峰形。
以下结合附图和实施例详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器的结构示意图。
图2是本发明方法实施例1制备的碲锌镉晶片的红外显微成像中的Te夹杂分布。
图3是本发明叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器掩膜的示意图。
图4是本发明方法实施例1制备的碲锌镉脉冲探测器的IV曲线。
图5是本发明方法实施例1制备的碲锌镉脉冲探测器在脉冲激光作用下的时间响应曲线。
具体实施方式
以下实施例参照图1－5。
器件实施例：
碲锌镉脉冲探测器以碲锌镉晶片作为基底，金电极是单表面叉指结构，两者形成欧姆接触。
方法实施例1：
步骤一、采用布里奇曼法生长碲锌镉晶体，使用金刚石线切割机切出尺寸为8×8×2mm3的晶片，利用红外显微成像系统和IV测试系统筛选出电阻率大于10-9Ω·cm的碲锌镉晶片。
步骤二、按照体积比为氧化镁:去离子水＝2:1配制悬浊液作为粗抛液，按照体积比为硅溶胶:过氧化氢＝1:1配制体积分数40％的细抛液，化学腐蚀液为体积分数为1％的溴甲醇溶液。将筛选出碲锌镉晶片先在粗抛液粗抛5分钟，无肉眼可见划痕；再在细抛液中细抛300次，显微镜下无划痕；最后在化学腐蚀法腐蚀25s除去机械损伤层。
步骤三、采用旋涂法在经过处理的碲锌镉晶片表面依次覆盖一层剥离胶和光刻胶，在紫外光机下曝光50s后，显影10s，得到叉指电极结构掩膜版。叉指电极结构掩膜版尺寸为8×8mm2，间隙宽度均为0.5mm，电极宽度均为0.5mm，上下横条电极的宽度为1mm。
旋涂剥离胶时设定转速为600rmp，旋涂时间5s，旋涂完剥离胶后放置于85℃的加热台加热80s；旋涂光刻胶时设定转速3500rmp，旋涂时间40s，旋涂完光刻胶后放置于85℃的加热台加热20s。
步骤四、利用真空蒸镀法制备金电极，电极厚度60nm，蒸镀时间80s，蒸镀电流60A，得到碲锌镉脉冲探测器。
步骤五、最后使用干法钝化在，得到碲锌镉脉冲探测器表面裸露部分形成氧化物，减小漏电流。
干法钝化所用的反应离子刻蚀的功率为5W，时间为20分钟，气体为氧气，氧气气压0.20MPa，进气流量为70cm3/min，工作气压至4.0Pa。
从图2可以看出，本实施例筛选出的碲锌镉晶片中Te夹杂较少且分布均匀。
从图4可以看出，本实施例制备的探测器与金电极之间有良好的欧姆接触，在300V高压下漏电流小于15nA，具有较低的漏电流，满足使用条件。
从图5可以看出，本实施例制备的碲锌镉脉冲探测器具有较快的响应时间，半高宽达到了8ns，信号幅度达到了2.2V，曲线的下降时间只有17ns，整体脉冲信号接近于高斯峰。
方法实施例2：
步骤一、采用布里奇曼法生长碲锌镉晶体，使用金刚石线切割机切出尺寸为10×10×2mm3的晶片，利用红外显微成像系统和IV测试系统筛选出电阻率大于10-9Ω·cm的碲锌镉晶片。
步骤二、按照体积比为氧化镁:去离子水＝2:1配制悬浊液作为粗抛液，按照体积比为硅溶胶:过氧化氢＝1:1配制体积分数50％的细抛液，化学腐蚀液为体积分数为2％的溴甲醇溶液。将筛选出碲锌镉晶片先在粗抛液粗抛8分钟，无肉眼可见划痕；再在细抛液中细抛450次，显微镜下无划痕；最后在化学腐蚀法腐蚀30s除去机械损伤层。
步骤三、采用旋涂法在经过处理的碲锌镉晶片表面依次覆盖一层剥离胶和光刻胶，在紫外光机下曝光60s后，显影12s，得到叉指电极结构掩膜版。叉指电极结构掩膜版尺寸为8×8mm2，间隙宽度均为1.0mm，电极宽度均为1.0mm，上下横条电极的宽度为1mm。
旋涂剥离胶时设定转速为800rmp，旋涂时间8s，旋涂完剥离胶后放置于90℃的加热台加热90s，；旋涂光刻胶时设定转速4000rmp，旋涂时间50s，旋涂完光刻胶后放置于90℃的加热台加热30s。
步骤四、利用真空蒸镀法制备金电极，电极厚度70nm，蒸镀时间100s，蒸镀电流70A，得到碲锌镉脉冲探测器。
步骤五、最后使用干法钝化在，得到碲锌镉脉冲探测器表面裸露部分形成氧化物，减小漏电流。
干法钝化所用的反应离子刻蚀的功率为10W，时间为25分钟，气体为氧气，氧气气压0.25MPa，进气流量为80cm3/min，工作气压至5.0Pa。
方法实施例3：
步骤一、采用布里奇曼法生长碲锌镉晶体，使用金刚石线切割机切出尺寸为10×10×2mm3的晶片，利用红外显微成像系统和IV测试系统筛选出电阻率大于10-9Ω·cm的碲锌镉晶片。
步骤二、按照体积比为氧化镁:去离子水＝2:1配制悬浊液作为粗抛液，按照体积比为硅溶胶:过氧化氢＝1:1配制体积分数60％的细抛液，化学腐蚀液为体积分数为3％的溴甲醇溶液。将筛选出碲锌镉晶片先在粗抛液粗抛10分钟，无肉眼可见划痕；再在细抛液中细抛600次，显微镜下无划痕；最后在化学腐蚀法腐蚀35s除去机械损伤层。
步骤三、采用旋涂法在经过处理的碲锌镉晶片表面依次覆盖一层剥离胶和光刻胶，在紫外光机下曝光70s后，显影15s，得到叉指电极结构掩膜版。叉指电极结构掩膜版尺寸为10×10mm2，间隙宽度均为1.5mm，电极宽度均为1.5mm，上下横条电极的宽度为2mm。
旋涂剥离胶时设定转速为1000rmp，旋涂时间10s，旋涂完剥离胶后放置于95℃的加热台加热100s，；旋涂光刻胶时设定转速4500rmp，旋涂时间60s，旋涂完光刻胶后放置于95℃的加热台加热40s。
步骤四、利用真空蒸镀法制备金电极，电极厚度80nm，蒸镀时间120s，蒸镀电流80A，得到碲锌镉脉冲探测器。
步骤五、最后使用干法钝化在，得到碲锌镉脉冲探测器表面裸露部分形成氧化物，减小漏电流。
干法钝化所用的反应离子刻蚀的功率为10W，时间为30分钟，气体为氧气，氧气气压0.30MPa，进气流量为90cm3/min，工作气压至6.0Pa。

Claims (3)

1.一种叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器，其特征在于：以碲锌镉晶片作为基底，金电极是单表面叉指结构，两者形成欧姆接触。
2.一种权利要求1所述叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、采用布里奇曼法生长碲锌镉晶体，使用金刚石线切割机切出尺寸为8×8×2mm3～10×10×2mm3的晶片，利用红外显微成像系统和IV测试系统筛选出电阻率大于10-9Ω·cm的碲锌镉晶片；
步骤二、按照体积比为氧化镁:去离子水＝2:1配制悬浊液作为粗抛液，按照体积比为硅溶胶:过氧化氢＝1:1配制体积分数40～60％的细抛液，化学腐蚀液为体积分数为1～3％的溴甲醇溶液；将筛选出碲锌镉晶片先在粗抛液粗抛5～10分钟，无肉眼可见划痕；再在细抛液中细抛300～600次，显微镜下无划痕；最后在化学腐蚀法腐蚀25～35s除去机械损伤层；
步骤三、采用旋涂法在经过处理的碲锌镉晶片表面依次覆盖一层剥离胶和光刻胶，在紫外光机下曝光50～70s后，显影10～15s，得到叉指电极结构掩膜版；
旋涂剥离胶时设定转速为600～1000rmp，旋涂时间5～10s，旋涂完剥离胶后放置于85～95℃的加热台加热80～100s，；旋涂光刻胶时设定转速3500～4500rmp，旋涂时间40～60s，旋涂完光刻胶后放置于85～95℃的加热台加热20～40s；
步骤四、利用真空蒸镀法制备金电极，电极厚度60～80nm，蒸镀时间80～120s，蒸镀电流60～80A，得到碲锌镉脉冲探测器；
步骤五、最后使用干法钝化在，得到碲锌镉脉冲探测器表面裸露部分形成氧化物，减小漏电流；
干法钝化所用的反应离子刻蚀的功率为5～10W，时间为20～30分钟，气体为氧气，氧气气压0.20～0.30MPa，进气流量为70～90cm3/min，工作气压至4.0～6.0Pa。
3.根据权利要求2所述的叉指电极结构的碲锌镉脉冲探测器的制备方法，其特征在于：所述叉指电极结构掩膜版尺寸为8×8～10×10mm2，间隙宽度均为0.5～1.5mm，电极宽度均为0.5～1.5mm，上下横条电极的宽度为1～2mm。
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