CN111900213A - 一种CdMnTe成像探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种CdMnTe(简称CMT)成像探测器及其制备方法，其中所述的探测器由CMT晶体制备而成，并于晶体两端真空蒸镀Ti/Au复合电极构成平面探测器结构，并在此基础上设置了弗里希栅极结构，从而改变了权重势分布，使得收集性能得到提高的同时兼顾了漏电流的影响；其中所述的制备方法，在完成晶体制备的过程中建立了对诸如Cd空位等点缺陷补偿控制、对组分过冷造成的固液界面的不稳定的控制，并进一步通过设置的三步回溶步骤、形成对固液界面的形貌控制。本发明的一种CMT成像探测器及其制备方法，通过同时从晶体生长工艺与器件制备工艺两个方面作考量，形成对探测器性能的良好响应。

Description

一种CdMnTe成像探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体探测领域，具体涉及一种CdMnTe成像探测器及其制备方法。
背景技术
伴随科技的日新月异，天体物理、核医学、安检、环境监测等领域迫切需要同时具有高能量分辨率、高空间分辨率、直接成像的半导体探测器系统。而一个好的成像探测通常由晶体生长、电极制备、前端电子学、后端信号处理等部分共同设计构成。
现有技术中，大都将研究重点放在了前端电子学以及后端信号处理中；而对于信号源的产品则是或采取直接应用的方式；或将其视为开发饱和领域看待；或依赖国外的研发。
半导体探测器因具有快速的时间响应、宽的线性范围、高的空间分辨率和能量分辨率，而被这些领域广泛使用。当前常用的的半导体探测器主要由硅、锗元素材料制备的传统型半导体探测器以及由砷化镓(GaAs)、碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CdZnTe)、碘化汞(HgI2)、碘化铅(PbI2)等材料制备的新型化合物半导体探测器；其中化合物半导体探测器因具有较高的原子序数、较大的禁带宽度、较高的电阻率，因此具有光电吸收系数大、温度特性好、探测效率高、体积小等优点，而成为上述所需应用场合的很好适应对象。
申请号为：201810788478.3的发明申请，公开了“一种碲锌镉半导体探测器成像质量评估方法”，其利用碲锌镉探测器搭建狭缝成像装置以测量相应调制传递函数(MTF)，在此基础上，通过实验装置关键物理参数，如探测器厚度L；施加电场E；空穴迁移率μh；孔寿命τh；电子迁移率μe；电子寿命τe；与入射光子能量有关的线性衰减系数μa；像素大小b，进行预采样MTF测算，测算结果用以修正实际实验测试结果，以求达到更高成像性能评价结果。
申请号为：201811548420.8的发明申请，公开了“供一种中性原子成像单元、成像仪、成像方法及空间探测系统”，其中性原子成像单元包括至少一组探测单元，至少一组探测单元包括：至少一个半导体探测器线阵列；以及设置在至少一个所述半导体探测器线阵列的前方并且与至少一个所述半导体探测器线阵列一一对应设置的至少一个调制栅格，调制栅格对入射的中性原子进行傅里叶变换；半导体探测器线阵列的方向与所述调制栅格的狭缝方向一致。通过将栅格成像技术应用于中性原子探测及成像领域，大大提高了中性原子的成像效率，缩短了成像所需的时间，提高了中性原子成像探测的计数率。
申请号为：200810106279.6的发明申请，公开了“一种用于测量辐射的半导体探测器和成像装置”，其中半导体探测器包括：半导体介质，该半导体介质可以吸收待测量的至少一个能量段的辐射；阳极电极，该阳极电极设置在半导体介质的一个表面上；阴极电极，该阴极电极设置在与所述一个表面相对的半导体介质的另一个表面上；以及信号处理电路，该信号处理电路与所述阳极电极和阴极电极连接，并将检测到的信号处理为表示辐射的能量沉积量的数值，其中，所述半导体介质接收沿着平行于电极平面的方向入射的辐射，并且所述阳极电极和所述阴极电极沿着辐射的入射方向分成多个间隔开的子电极对，分别用于检测相应能量段的辐射的能量沉积量。
发明内容
为从晶体生长角度以及电极制备角度形成对成像探测器性能的更好响应与支撑，本发明提出了一种CdMnTe成像探测器及其制备方法，其技术方案具体如下：
一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
以Cd、Mn、Te为单质原料制成的晶体形成探测器灵敏区；
于制成的晶体两端面设置金属点电极形成平板探测器；
于制成的平板探测器的晶体两侧面设置栅极结构、形成CMT成像探测器。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
将于平板探测器的晶体两侧面设置栅极结构形成的CMT成像探测器、以4×4阵列形式设置，以此阵列设置构成CMT成像探测器的一个像素。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述栅极结构由于平板探测器的外周依次设置形成的绝缘层与屏蔽层构成。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述绝缘层由于平板探测器的钝化层上包裹薄绝缘性电介质材料构成。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述屏蔽层由于平板探测器的阴极延展出来、并包裹在绝缘层外的金属环或铜箔构成。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述薄绝缘性电介质材料为聚四氟乙烯。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述点电极由Ti-Au形成的复合电极构成。
一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：以THM法生长CdMnTe晶体，并切割制成单晶片；
S2：对单晶片进行表面处理与点电极制备，形成平板探测器；
S3：对形成的平板探测器进行栅极制备，形成弗里希栅极探测器；
S4：对形成的弗里希栅极探测器进行4×4阵列封装，形成CMT成像探测器。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S1中所述的以THM法生长CdMnTe晶体，具体包括如下步骤：
S11：按照工艺要求的晶体生长界面温度以及溶剂区宽度完成THM晶体生长炉的温度场分布设定；
S12：按设定的化学计量比完成高纯单质原料的称重与装入；
S13：建立形成第一速率升温→第二速率升温→第一次保温→第三速率升温→第二次保温→降温的合料控制步骤，按此合料控制步骤完成合料、形成晶体生长用多晶料锭；
S14：将真空封装好的多晶料锭送入THM晶体生长炉，并配合由晶体生长固液界面凹界面的形成时刻→按设定的时间静置→按设定的时间、距离及速率回溶构成的三步操作，形成有限次的循环操作，改善固液界面，完成晶体生长。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S11中，THM晶体生长炉的温度场分布设定具体为：按照中间温度高、上下两端温度低的原则形成3个温区构成的温场，完成THM晶体生长炉的温度场初步布设，并通过埋偶测温法完成THM晶体生长炉的温度场分布的最终设定。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
温度场分布的设定中，以产生组分过冷的条件为温度梯度设定的依据；用于避免Mn组分过冷的影响。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S12中，所述的按设定的化学计量比为引入了针对晶体生长过程中的化学计量比偏离现象的补偿配比，于多晶料中掺杂In元素，掺杂量为1017atoms/cm3，用以补偿晶体生长过程中的化学计量比偏离产生的Cd空位缺陷。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S13中的，
第一速率升温形成于合料准备阶段；
第二速率升温形成于Cd与Te融化产生化合反应阶段，所述第二速率为第一速率的1/6—1/5，以保证合料的稳定性；
第一次保温形成于Cd、Mn、Te溶质的熔点范围时段，用以适配固相的充分扩散。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S2中，所述的对单晶片进行表面处理，具体为：于氧化铝抛光液中按粒径递减方式依次进行多次机械抛光后，再经由化学机械抛光。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述的“于氧化铝抛光液中按粒径递减方式依次进行多次机械抛光”具体为：形成依次粒径3μm、1μm、05μm、0.05μm的递减式四次抛光。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述的化学机械抛光由硅溶胶与次氯酸钠混合形成化学机械抛光液，所述化学机械抛光液按照先制备设定PH值的次氯酸钠，再制备设定比例的硅溶胶与次氯酸钠混合溶液的步序制成。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S2中所述的点电极制备，具体为：真空蒸镀Ti-Au复合电极，形成阳极和阴极。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
真空蒸镀Ti-Au复合电极，具体包括如下步骤：
S21：于CMT晶体两端面沉积Ti层；
S22：于Ti层上沉积Au电极；
S23：按设定时间进行保温；
S24：于氩气气氛下、按工艺设定的时间与温度进行可控快速退火。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S3中所述的进行栅极制备，具体为：于平板探测器的外周依次包裹绝缘层与屏蔽层。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述绝缘层由对平板探测器进行表面钝化、形成钝化层，而后在钝化层上包裹薄绝缘性电介质材料构成。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述的“对平板探测器进行表面钝化”，具体包括如下步骤：
S31：将表面处理后的CMT晶体依次放入设定浓度的KOH、KCL溶液中，分别按设定的时间完成第一步钝化；
S32：将完成第一次钝化的CMT晶体洗净后，放入设定浓度的NH4F/H2O2混合溶液中，按设定时间完成第二步钝化。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述薄绝缘性电介质材料为聚四氟乙烯。
根据本发明的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述屏蔽层由于平板探测器的阴极延展出来、并包裹在绝缘层外的金属环或铜箔构成。
本发明的一种CdMnTe成像探测器及其制备方法，从晶体生长工艺与器件制备工艺两方面着手，形成对成像探测器的高探测效率、高能量分辨率、高空间分辨率的信号源端的响应。
其中，
晶体生长工艺，指向对制成晶体的选材与对晶体生长方法的选取及晶体生长过程中的控制；选取Cd、Mn、Te制成CMT晶体；然后采取THM法进行晶体生长、并在完成晶体制备的过程中建立了对诸如Cd空位等点缺陷补偿控制、对组分过冷造成的固液界面的不稳定的控制，并进一步通过设置的三步回溶步骤、形成对固液界面的形貌控制。
器件制备工艺，又分别指向晶体表面处理工艺和电极制备工艺两个方向；在晶体表面处理工艺中，形成先机械抛光再化学机械抛光的步序，并于机械抛光步序建立逐级递进式抛光，以逐渐平稳地过渡到目标控制；在电极制备工序中，在考量了良好的欧姆接触性能的同时还兼顾了界面的结合力对探测器性能的响应。在点电极制备完成后，又进一步建立了钝化处理，通过钝化处理改善了晶体表面化学组分比，并形成氧化层，从而减小了表面的漏电流。针对制备完成的点电极，考虑到化合物半导体普遍存在的空穴尾效应对能谱性能的影响，通过设置栅电极结构，改变了空间电荷区的权重势分布，形成只对单一载流子进行收集的单极性探测；为进一步改善这种栅电极结构引入的电子噪声与响应不均匀，同时为进一步平衡较佳压缩程度的权重势分布与信号测量区空间的缩小造成的表面漏电流增大间的冲突；又对这种栅电极结构进行了于钝化层外设置由厚度较薄的绝缘电介质材料制成的绝缘层的设置。最后，为形成较佳的探测效率与空间分辨率的综合考量，对该探测器进行阵列设置。
附图说明
图1为本发明中的成像探测器的产品结构示意图；
图2为本发明中的探测器制备步序示意图；
图3为本发明的探测器制备中的晶体生长步序示意图；
图4为本发明的探测器制备中的电极制备步序示意图；
图5为本发明的探测器制备中的钝化步序示意图；
图6为为本发明实施例中的不同阵列示意图；
图7为本发明实施例中的不同阵列所对应的能谱对比图。。
具体实施方式
下面，根据说明书附图和具体实施方式对本发明的一种CdMnTe成像探测器及其制备方法作进一步具体说明。
如图1所示的一种CdMnTe成像探测器，
以Cd、Mn、Te为单质原料制成的晶体形成探测器灵敏区；
于制成的晶体两端面设置金属点电极形成平板探测器；
于制成的平板探测器的晶体两侧面设置栅极结构、形成CMT成像探测器。
其中，
将于平板探测器的晶体两侧面设置栅极结构形成的CMT成像探测器、以4×4阵列形式设置，以此阵列设置构成CMT成像探测器的一个像素。
其中，
所述栅极结构由于平板探测器的外周依次设置形成的绝缘层与屏蔽层构成。
其中，
所述绝缘层由于平板探测器的钝化层上包裹薄绝缘性电介质材料构成。
其中，
所述屏蔽层由于平板探测器的阴极延展出来、并包裹在绝缘层外的金属环或铜箔构成。
其中，
所述薄绝缘性电介质材料为聚四氟乙烯。
其中，
所述点电极由Ti-Au形成的复合电极构成。
一种CMT成像探测器的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1：以THM法生长CdMnTe晶体，并切割制成单晶片；
S2：对单晶片进行表面处理与点电极制备，形成平板探测器；
S3：对形成的平板探测器进行栅极制备，形成弗里希栅极探测器；
S4：对形成的弗里希栅极探测器进行4×4阵列封装，形成CMT成像探测器。
其中，步骤S1中所述的以THM法生长CdMnTe晶体，具体包括如下步骤(如图3所示)：
S11：按照工艺要求的晶体生长界面温度以及溶剂区宽度完成THM晶体生长炉的温度场分布设定；
S12：按设定的化学计量比完成高纯单质原料的称重与装入；
S13：建立形成第一速率升温→第二速率升温→第一次保温→第三速率升温→第二次保温→降温的合料控制步骤，按此合料控制步骤完成合料、形成晶体生长用多晶料锭；
S14：将真空封装好的多晶料锭送入THM晶体生长炉，并配合由晶体生长固液界面凹界面的形成时刻→按设定的时间静置→按设定的时间、距离及速率回溶构成的三步操作，形成有限次的循环操作，改善固液界面，完成晶体生长。
其中，
步骤S11中，THM晶体生长炉的温度场分布设定具体为：按照中间温度高、上下两端温度低的原则形成3个温区构成的温场，完成THM晶体生长炉的温度场初步布设，并通过埋偶测温法完成THM晶体生长炉的温度场分布的最终设定。
其中，
温度场分布的设定中，以产生组分过冷的条件为温度梯度设定的依据；用于避免Mn组分过冷的影响。
其中，
步骤S12中，所述的按设定的化学计量比为引入了针对晶体生长过程中的化学计量比偏离现象的补偿配比，于多晶料中掺杂In元素，掺杂量为1017atoms/cm3，用以补偿晶体生长过程中的化学计量比偏离产生的Cd空位缺陷。
其中，
步骤S13中的，
第一速率升温形成于合料准备阶段；
第二速率升温形成于Cd与Te融化产生化合反应阶段，所述第二速率为第一速率的1/6—1/5，以保证合料的稳定性；
第一次保温形成于Cd、Mn、Te溶质的熔点范围时段，用以适配固相的充分扩散。
其中，
步骤S2中，所述的对单晶片进行表面处理，具体为：于氧化铝抛光液中按粒径递减方式依次进行多次机械抛光后，再经由化学机械抛光。
其中，
所述的“于氧化铝抛光液中按粒径递减方式依次进行多次机械抛光”具体为：形成依次粒径3μm、1μm、05μm、0.05μm的递减式四次抛光。
其中，
所述的化学机械抛光由硅溶胶与次氯酸钠混合形成化学机械抛光液，所述化学机械抛光液按照先制备设定PH值的次氯酸钠，再制备设定比例的硅溶胶与次氯酸钠混合溶液的步序制成。
其中，
步骤S2中所述的点电极制备，具体为：真空蒸镀Ti-Au复合电极，形成阳极和阴极。
其中，
真空蒸镀Ti-Au复合电极，如图4所示，具体包括如下步骤：
S21：于CMT晶体两端面沉积Ti层；
S22：于Ti层上沉积Au电极；
S23：按设定时间进行保温；
S24：于氩气气氛下、按工艺设定的时间与温度进行可控快速退火。
其中，
步骤S3中所述的进行栅极制备，具体为：于平板探测器的外周依次包裹绝缘层与屏蔽层。
其中，
所述绝缘层由对平板探测器进行表面钝化、形成钝化层，而后在钝化层上包裹薄绝缘性电介质材料构成。
其中，
所述的“对平板探测器进行表面钝化”，如图5所示，具体包括如下步骤：
S31：将表面处理后的CMT晶体依次放入设定浓度的KOH、KCL溶液中，分别按设定的时间完成第一步钝化；
S32：将完成第一次钝化的CMT晶体洗净后，放入设定浓度的NH4F/H2O2混合溶液中，按设定时间完成第二步钝化。
其中，
所述薄绝缘性电介质材料为聚四氟乙烯。
其中，
所述屏蔽层由于平板探测器的阴极延展出来、并包裹在绝缘层外的金属环或铜箔构成。
实施例与原理及过程阐述
半导体探测器以半导体材料为探测介质，可以用来测量高能射线的能谱以及粒子径迹。碲锌镉(CdZnTe)是其中一种性能优异的核辐射探测材料，其因具有电阻率高、原子序数大和禁带宽度大等特性，使得制备而成的探测器在常温下具有很高的空间分辨率和探测效率，从而成为辐射成像领域的很好选材。
但是因Zn的分凝系数大于1，为进一步从材料本身出发、制成成成分更均匀的晶体，本实施例选用Mn替代Zn，制成CdMnTe(以下简称CMT)晶体。原因在于CMT晶体是一种Ⅱ-Ⅵ族三元化合物半导体，与CZT晶体具有相似的电子能带结构以及相似的生长方法，同时由于Mn的分凝系数接近于1，从而更利于生长成分均匀的单晶体，形成探测器对缺陷少、成分均匀的大尺寸晶体要求的更好响应。但是由于在生长过程中易引入大量的缺陷，如Te夹杂/沉淀、位错、孪晶等，严重影响了载流子的输运特性；因此，如何生长出成分均匀、高质量与良好的载流子空间输运特性的CMT晶体，成为接下来要解决的问题。本实施例从化学计量比偏离控制、组分过冷控制、固液界面形貌控制三个角度着手，形成晶体生长过程中的相应控制。
具体为：选用移动加热器法(即：THM法)完成晶体的生长。
先根据工艺要求的晶体生长界面温度以及溶剂区宽度完成THM晶体生长的温度场分布设定；THM晶体生长炉由三个加热器构成，呈现为中间为高温区、上下两端为低温区的温度梯度分布；为了加强温度梯度的稳定性，采用中间高温区设置一个加热模块、两端低温区分别设置3个加热模块的布设。在完成由三个温区构成的温度场初步布设后，采用埋偶测温法完成生长炉的温度场分布的最终设定，具体为：将热电偶设于炉膛内，并按设定不断移动加热器，记录每一点的温度，通过测量反馈的温度形成对加热器温度的反馈调节，以形成符合工艺要求的温度场曲线；按此设置的温度梯度同时有利于晶体固液界面的理想形貌与稳定性；在这里，因考虑到Mn分凝可能会导致晶体在生长期间界面前沿成分变化，固液界面附近发生成分过冷而存在的界面失稳风险；因而在上述温度场布设中，针对温度梯度的建立，采取了以组分过冷的条件为温度梯度设定依据的措施，从而避免了组分过冷对固液界面造成不稳定的发生。
在完成温度场分布的设定后，按设定的化学计量比完成高纯单质原料的称重与装入，由于在晶体生长时CMT的化学计量比难以精确控制，导致成分分布不均，在晶体中易形成与化学计量比相关的点缺陷，诸如Cd空位、Te间隙等；同时随着温度降低，晶体生长结束后，过饱和点缺陷凝聚，形成沉淀相，从而严重影响晶体的结晶质量与载流子输运性能、电阻率等光电性能，所以在进行化学计量比时引入了针对晶体生长过程中的化学计量比偏离现象的补偿配比；具体为在由高纯Cd、Mn、Te构成的组分中掺入In元素，以此补偿Cd空位缺陷，提高晶体探测器性能。
在完成组分配比后，进入到合料阶段，以制成晶体生长用多晶料锭。具体为：建立形成第一速率升温→第二速率升温→第一次保温→第三速率升温→第二次保温→降温的合料控制步骤，按此合料控制步骤完成合料、形成晶体生长用多晶料锭；第一速率升温为常规操作，而当升温到Cd与Te融化产生化合反应时段时，会产生大量的热量，会引起坩埚温度不均甚至引发坩埚破裂，所以在此时段采用第二速率进行放缓速度的升温，以保证合料过程的稳定性；当到达Cd、Mn、Te三种溶质的熔点范围时，为了让固相扩散充分，在此时段设置了第一次保温；而后按照第三速率升温，在降温之前，设置了第二次保温环节，用以充分去除原料中可能存在的异质核心。
在经由合料工序制成多晶料锭之后，将封装好的多晶料锭送入THM晶体生长炉，并配合由晶体生长固液界面至凹界面的形成时刻→按设定的时间静置→按设定的时间、距离及速率回溶构成的三步操作，形成有限次的循环操作。此处的三步操作，具体为：在形成凹界面之后，将加热块整体相对于长晶管向下移动，使得固液界面的上方温度较高，从而融化原本凹界面的边缘，而中心由于受到的加热作用存在延迟，逐渐形成利于晶体生长的凸界面。一般认为，固液界面呈平直或微凸状有利于高质量晶体的生长，从宏观看，界面形状受轴向和径向热流共同控制，大的轴向温度梯度有助于界面变平，但是当温度梯度不够或者生长速度过快时，晶体生长的固液界面容易变成凹界面，而凹界面显著增加了侧壁形核的发生，并促使新晶核向内生长，从而形成多晶，大大降低了单晶率，且Te夹杂过多；建立此工序可以克服多晶现象，提高单晶率，改善固液界面形状，形成对温度场分布因素对固液界面影响的补强，共同实现更好的理想固液界面形状。
在完成了CMT晶体生长后，先采用内圆切割机对晶锭进行定向切割，然后采用线切割机获得4×4×8mm3的CdMnTe单晶片。之后进行晶体表面处理，具体为：采用Logitech PM6型抛光机与化学抛光相结合的方式对晶片进行处理。首先进行机械抛光，预先设置好晶片抛光压力，1cm2的晶片压力应为50～70g，分别采用粒径为3μm、1μm、0.5μm、0.05μm的Al2O3抛光液，形成粒径递减的四次机械抛光。其次，经过PM6的化学机械抛光过程，抛光液采用硅溶胶与次氯酸钠氧化剂结合的抛光液，抛光垫采用3M精抛阻尼布，重复机械抛光的相同步骤，将晶片进行化学机械抛光。其中，由于硅溶胶的粒径较小而被选用，但是当次氯酸钠与硅溶胶直接混合时、或者两者的比例值过高时，会很快发生反应而产生凝胶，致使抛光液失去抛光作用，为避免这一发生，先采用乙醇对次氯酸钠进行PH值调节，然后按照设定比完成硅溶胶与次氯酸钠的混合，制成硅溶胶-次氯酸钠化学机械抛光液。
在完成表面处理后，进入电极制备工序，为兼顾金半欧姆接触性能与界面结合力，本实施例选用Ti/Au复合电极进行真空蒸镀；电极直径均为3mm；具体为：先在抛光好的CMT晶片表面沉积Ti层，再在Ti层上沉积Au电极，然后保温30分钟促进合金化过程。然后将晶片放置于AG610型气氛可控快速退火炉中进行退火；快速退火在氩气气氛下进行，在423K温度下退火时间为6min。
同时考虑到化合物半导体普遍存在的空穴尾效应对探测器能谱响应的影响，本实施例在以上制成的电极结构基础上，进一步设置栅电极结构，如图1所示，用以改变空间电荷区的权重势分布，形成对载流子的单极性收集；基本原理为：在靠近阳极的晶体两侧面设置形成两个平行的栅极，栅极与阴极间的区域为射线入射与光子作用区域，而栅极与阳极间的区域构成信号测量区；当栅电极上进行偏压加载时，在外电场的作用下，内电场中的电子通过栅漂移至器件的测量区，从而形成只收集电子的单极性探测器，减小了感应电荷信号对反应深度的依赖性，提高了探测器探测效率与能量分辨率。但是在栅极接近阳极时会存在引入电子噪声与响应不均匀等问题，为进一步改善这一问题，本实施例又进一步在形成栅极的器件与晶体之间构筑了一层绝缘层，此绝缘层由经表面钝化处理后的钝化层与包裹在钝化层上的一层较薄的绝缘电解质材料构成。此部分的工序具体如下：
先对制备了点电极的晶体进行表面钝化处理，步骤如下：先将保护好阴阳极的探测器依次放置于15wt％浓度的KOH和KCl溶液，钝化时间各为20min；然后再迅速放置到浓度均为10wt％的NH4F/H2O2混合溶液中，钝化时间为5min。经KOH-KCl溶液钝化后，CMT表面的化学计量比得到了改善，再通过NH4F/H2O2的进一步地钝化，进一步消耗CMT表面的富Te层，并形成一层氧化层；通过钝化处理形成对表面漏电流数量级的降低效应。
然后进行栅电极、绝缘层与屏蔽层的制备，步骤如下：采用0.05mm的聚四氟乙烯制成的材料包裹已经制备电极的平面型CMT探测器的四个侧面，紧密缠绕两圈构成绝缘层。然后，将铜皮包裹在绝缘层外，同样紧密缠绕两圈构成屏蔽层，作为阴极扩展被接地。CMT探测器的尺寸为4×4×8mm3，聚四氟乙烯绝缘层厚度为0.05mm，铜薄皮的厚度为0.1mm，铜薄皮的高度为7mm。在此，聚四氟乙烯作为一种厚度较薄的绝缘电介质材料被引用为绝缘层材料，主要是为了将其与钝化层一起共同形成对栅极的电容性能的很好响应。通过设置栅极结构建立了新的权重势分布，使得阴极与栅极间的权重势分布恒为零，而从栅极至阳极的权重势分布线性增加；上述结构形成的测量区本质上就是在探测器体内权重场最大的区域，在测量区内由电子产生的信号脉冲可以被有效收集，因而为了得到压缩程度最大的权重势分布，就必须提高屏蔽层长度与探测器高度的比值，但是随着屏蔽层长度的增大，栅极与阳极之间的距离逐渐减少，会造成表面漏电流的增大，为了在平衡改善权重势分布与减小漏电流中寻找优化解，本实施例选用了于钝化层外包裹厚度较薄的绝缘电介质材料的设置，使得制成的绝缘层具有较好的绝缘性能与电容性能。最后，为形成更好的探测效率与空间分辨率响应，采用4×4阵列的形式形成最终封装，如图1所示；本实施例中在最终确定阵列数时，先后设置了单个探测器、2×2，3×3，4×4的阵列方式，如图6所示，测得各自相应的能谱，如图7所示。
本发明的一种CMT成像探测器及其制备方法，指向晶体生长工艺与器件制备工艺。
其中，晶体生长工艺，指向对制成晶体的选材与对晶体生长方法的选取及晶体生长过程中的控制；选取Cd、Mn、Te制成CMT晶体；然后采取THM法进行晶体生长、并在完成晶体制备的过程中建立了对诸如Cd空位等点缺陷补偿控制、对组分过冷造成的固液界面的不稳定的控制，并进一步通过设置的三步回溶步骤、形成对固液界面的形貌控制。
器件制备工艺，又分别指向晶体表面处理工艺和电极制备工艺两个方向；在晶体表面处理工艺中，形成先机械抛光再化学机械抛光的步序，并于机械抛光步序建立逐级递进式抛光，以逐渐平稳地过渡到目标控制；在电极制备工序中，在考量了良好的欧姆接触性能的同时还兼顾了界面的结合力对探测器性能的响应。在点电极制备完成后，又进一步建立了钝化处理，通过钝化处理改善了晶体表面化学组分比，溶解了晶体表面富余Te，并形成氧化层，从而减小了表面的漏电流。针对制备完成的点电极，考虑到化合物半导体普遍存在的空穴尾效应对能谱性能的影响，通过设置栅电极结构，改变了空间电荷区的权重势分布，形成只对单一载流子进行收集的单极性探测；为进一步改善这种栅电极结构引入的电子噪声与响应不均匀，同时为进一步平衡较佳压缩程度的权重势分布与信号测量区空间的缩小造成的表面漏电流增大间的冲突；又对这种栅电极结构进行了于钝化层外设置由厚度较薄的绝缘电介质材料制成的绝缘层的设置。最后，为形成较佳的探测效率与空间分辨率的综合考量，对该探测器进行阵列设置。
通过对晶体生长工艺与器件制备工艺两方面的综合考量，形成对成像探测器的高探测效率、高能量分辨率、高空间分辨率的信号源端的响应。制备形成的探测器可以很好地适配后续的电子系统。

Claims (23)

1.一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
以Cd、Mn、Te为单质原料制成的晶体形成探测器灵敏区；
于制成的晶体两端面设置金属点电极形成平板探测器；
于制成的平板探测器的晶体两侧面设置栅极结构、形成CMT成像探测器。
2.根据权利要求1所述的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
将于平板探测器的晶体两侧面设置栅极结构形成的CMT成像探测器、以4×4阵列形式设置，以此阵列设置构成CMT成像探测器的一个像素。
3.根据权利要求1所述的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述栅极结构由于平板探测器的外周依次设置形成的绝缘层与屏蔽层构成。
4.根据权利要求3所述的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述绝缘层由于平板探测器的钝化层上包裹薄绝缘性电介质材料构成。
5.根据权利要求3所述的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述屏蔽层由于平板探测器的阴极延展出来、并包裹在绝缘层外的金属环或铜箔构成。
6.根据权利要求4所述的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述薄绝缘性电介质材料为聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的一种CdMnTe成像探测器，其特征在于：
所述点电极由Ti-Au形成的复合电极构成。
8.一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：以THM法生长CdMnTe晶体，并切割制成单晶片；
S2：对单晶片进行表面处理与点电极制备，形成平板探测器；
S3：对形成的平板探测器进行栅极制备，形成弗里希栅极探测器；
S4：对形成的弗里希栅极探测器进行4×4阵列封装，形成CMT成像探测器。
9.根据权利要求8所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S1中所述的以THM法生长CdMnTe晶体，具体包括如下步骤：
S11：按照工艺要求的晶体生长界面温度以及溶剂区宽度完成THM晶体生长炉的温度场分布设定；
S12：按设定的化学计量比完成高纯单质原料的称重与装入；
S13：建立形成第一速率升温→第二速率升温→第一次保温→第三速率升温→第二次保温→降温的合料控制步骤，按此合料控制步骤完成合料、形成晶体生长用多晶料锭；
S14：将真空封装好的多晶料锭送入THM晶体生长炉，并配合由晶体生长固液界面凹界面的形成时刻→按设定的时间静置→按设定的时间、距离及速率回溶构成的三步操作，形成有限次的循环操作，改善固液界面，完成晶体生长。
10.根据权利要求9所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S11中，THM晶体生长炉的温度场分布设定具体为：按照中间温度高、上下两端温度低的原则形成3个温区构成的温场，完成THM晶体生长炉的温度场初步布设，并通过埋偶测温法完成THM晶体生长炉的温度场分布的最终设定。
11.根据权利要求9所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
温度场分布的设定中，以产生组分过冷的条件为温度梯度设定的依据。
12.根据权利要求9所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S12中，所述的按设定的化学计量比为引入了针对晶体生长过程中的化学计量比偏离现象的补偿配比，于多晶料中掺杂In元素，掺杂量为1017atoms/cm3，用以补偿晶体生长过程中的化学计量比偏离产生的Cd空位缺陷。
13.根据权利要求9所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S13中的，
第一速率升温形成于合料准备阶段；
第二速率升温形成于Cd与Te融化产生化合反应阶段，所述第二速率为第一速率的1/6—1/5，以保证合料的稳定性；
第一次保温形成于Cd、Mn、Te溶质的熔点范围时段，用以适配固相的充分扩散。
14.根据权利要求8所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S2中，所述的对单晶片进行表面处理，具体为：于氧化铝抛光液中按粒径递减方式依次进行多次机械抛光后，再经由化学机械抛光。
15.根据权利要求14所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述的“于氧化铝抛光液中按粒径递减方式依次进行多次机械抛光”具体为：形成依次粒径3μm、1μm、05μm、0.05μm的递减式四次抛光。
16.根据权利要求14所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述的化学机械抛光由硅溶胶与次氯酸钠混合形成化学机械抛光液，所述化学机械抛光液按照先制备设定PH值的次氯酸钠，再制备设定比例的硅溶胶与次氯酸钠混合溶液的步序制成。
17.根据权利要求8所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S2中所述的点电极制备，具体为：真空蒸镀Ti-Au复合电极，形成阳极和阴极。
18.根据权利要求17所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
真空蒸镀Ti-Au复合电极，具体包括如下步骤：
S21：于CMT晶体两端面沉积Ti层；
S22：于Ti层上沉积Au电极；
S23：按设定时间进行保温；
S24：于氩气气氛下、按工艺设定的时间与温度进行可控快速退火。
19.根据权利要求8所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
步骤S3中所述的进行栅极制备，具体为：于平板探测器的外周依次包裹绝缘层与屏蔽层。
20.根据权利要求19所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述绝缘层由对平板探测器进行表面钝化、形成钝化层，而后在钝化层上包裹薄绝缘性电介质材料构成。
21.根据权利要求20所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述的“对平板探测器进行表面钝化”，具体包括如下步骤：
S31：将表面处理后的CMT晶体依次放入设定浓度的KOH、KCL溶液中，分别按设定的时间完成第一步钝化；
S32：将完成第一次钝化的CMT晶体洗净后，放入设定浓度的NH4F/H2O2混合溶液中，按设定时间完成第二步钝化。
22.根据权利要求20所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述薄绝缘性电介质材料为聚四氟乙烯。
23.根据权利要求19所述的一种CdMnTe成像探测器的制备方法，其特征在于：
所述屏蔽层由于平板探测器的阴极延展出来、并包裹在绝缘层外的金属环或铜箔构成。
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