CN113140642A - 一种CdZnTe辐射探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种CdZnTe辐射探测器，涉及辐射探测技术领域，以解决由于CdZnTe晶体周边端面残留缺陷的影响而导致的电荷收集效率低的问题。所述CdZnTe辐射探测器包括柱状的CdZnTe晶体，一个底面上设置有阳极，另一个底面上设置有阴极，每一侧面对应的位置处均设置有N型重掺杂区，或者每一侧面均被绝缘层所覆盖，绝缘层上设置有金属电极，金属电极加负偏压，从而能够在周边端面上形成空间电荷区，阻止电子载流子向周边端面扩散，提高电荷收集效率。本发明提供的一种CdZnTe辐射探测器用于辐射探测。

Description

一种CdZnTe辐射探测器
技术领域
本发明涉及辐射探测技术领域，尤其涉及一种应用于辐射探测中的CdZnTe辐射探测器。
背景技术
碲锌镉(CdZnTe)新一代化合物半导体是制造X射线和低能γ射线探测器的理想材料。CdZnTe探测器能将X射线或γ射线直接转化为电信号，由于是直接转化，其优点是没有传统闪烁体探测器间接转化过程中的光散射，所以空间分辨率高，且结构简单。
但由于碲锌镉是三元化合物材料，所以在其制备过程中存在组分的偏离及杂质等引起的缺陷，同时由于制备过程中晶格不完整，也会造成缺陷，因此，碲锌镉材料的电学性能一直得不到有效的提升，对其广泛应用造成很大的影响。CdZnTe探测器的性能不仅与其材料特性相关，还和其后期的器件制作过程相关。良好的器件技术可以弥补材料的不足，尤其在材料特性很难改善的情况下，器件技术显得尤为重要。
CdZnTe晶体在切割、打磨和抛光的时候，会在周边端面残留较多的缺陷。当射线入射时，产生的大量电子空穴载流子会在电场作用下分别向收集电极所漂移。但当周边端面存在较多缺陷时，部分载流子就会漂移至周围端面，从而影响电极对电荷的收集，影响电荷的收集效率，降低计数统计或能谱分辨的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CdZnTe辐射探测器，用于克服CdZnTe辐射探测器周边端面残留缺陷对电荷收集的影响，有效改善CdZnTe辐射探测器的电荷收集效率。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种CdZnTe辐射探测器，包括CdZnTe晶体；
所述CdZnTe晶体为柱状，所述CdZnTe晶体为本征态或P型半导体；所述CdZnTe晶体的一个底面上设置有阳极，另一个底面上设置有阴极，每一侧面对应的位置处均设置有N型重掺杂区；所述N型重掺杂区为通过所述侧面向所述CdZnTe晶体内掺入杂质离子而形成的。
与现有技术相比，本发明提供的一种CdZnTe辐射探测器，在CdZnTe晶体的一个底面上设置有阳极，另一个底面上设置有阴极，每一侧面对应的位置处均设置有N型重掺杂区，以利用通过N型重掺杂区所形成的空间电荷区阻止电子载流子向周边端面的扩散，令电子载流子仅向位于晶体底面上的收集电极偏移，解决了由于CdZnTe辐射探测器周边端面残留缺陷对电荷收集的影响而导致的电荷收集效率低的问题，提高了电荷收集效率，增强了CdZnTe辐射探测器计数统计或能谱分辨的性能。
本发明还提供一种CdZnTe辐射探测器，包括CdZnTe晶体；
所述CdZnTe晶体为柱状；所述CdZnTe晶体的一个底面上设置有阳极，另一个底面上设置有阴极，每一侧面均被绝缘层所覆盖，所述绝缘层上设置有金属电极，所述金属电极加负偏压。
与现有技术相比，本发明提供的一种CdZnTe辐射探测器，在CdZnTe晶体的一个底面上设置有阳极，另一个底面上设置有阴极，每一侧面均被绝缘层所覆盖，进而通过在绝缘层上设置金属电极，且向金属电极加负偏压的方式，能够在CdZnTe晶体的周边端面形成负电势，阻止电子载流子向周边端面的扩散，令电子载流子仅向位于晶体底面上的收集电极偏移，解决了由于CdZnTe辐射探测器周边端面残留缺陷对电荷收集的影响而导致的电荷收集效率低的问题，提高了电荷收集效率，增强了CdZnTe辐射探测器计数统计或能谱分辨的性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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为传统CdZnTe面阵探测器的顶视图。
图2为传统CdZnTe面阵探测器的截面图。
图3为传统带有保护环的CdZnTe面阵探测器的顶视图。
图4为传统带有保护环的CdZnTe面阵探测器的截面图。
图5为本发明实施例1中一种实施方式下的CdZnTe辐射探测器的截面图。
图6为本发明实施例1中另一种实施方式下的CdZnTe辐射探测器的截面图。
图7为本发明实施例2中一种实施方式下的CdZnTe辐射探测器的截面图。
图8为本发明实施例2中另一种实施方式下的CdZnTe辐射探测器的截面图。
附图标记：
101-金属阳极；102-晶体；103-金属阴极；104-保护环。
1-阳极；2-CdZnTe晶体；3-阴极；4-N型重掺杂区；5-空间电荷区；6-绝缘层；7-金属电极。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
传统CdZnTe面阵探测器的顶视图如图1所示，其包括金属阳极101、晶体102和金属阴极103。其在A-A`位置的截面图如图2所示，当射线从探测器的边缘入射，产生的大量电子空穴载流子会在探测器内部电场作用下分别向收集电极所漂移。但当周边端面存在较多缺陷时，就会吸附部分载流子，如图2中部分载流子会漂移至周围端面，从而影响电极对电荷的收集，降低计数统计或能谱分辨的性能。如图3所示，为了克服周边端面处缺陷的影响，现有技术中存在一种带有保护环的CdZnTe探测器，其在电极周边生长一圈保护环104，保护环104接零电位，用来将探测器周边残留缺陷所产生的暗电流引走。其在B-B’位置的截面图如图4所示。但是当CdZnTe晶体较厚时，即金属阳极101和金属阴极103之间的间距较大时，保护环104无法完全覆盖周边端面，面阵探测器的边缘像素还是会受周边缺陷影响，从而影响电荷的收集效率。
实施例1：
请参阅图5，本发明实施例用于提供一种CdZnTe辐射探测器，包括CdZnTe晶体2。所述CdZnTe晶体2为柱状，CdZnTe晶体2为本征态或P型半导体。本征态是指CdZnTe晶体2未经任何物质掺杂，P型半导体是指CdZnTe晶体2是以带正电的空穴导电为主的半导体，在纯硅中掺入三价元素硼、铝或掺入含有三价元素的杂质而形成的。
CdZnTe晶体2的一个底面上设置有阳极1，另一个底面上设置有阴极3，每一侧面对应的位置处均设置有N型重掺杂区4，N型重掺杂区4为通过侧面向CdZnTe晶体2内掺入杂质离子而形成的。具体的，N型重掺杂区4为通过侧面向CdZnTe晶体2内上掺入离子浓度大于第一预设浓度的施主杂质而形成的，施主杂质可为五价元素砷、磷、锑等，第一预设浓度一般为1E18/cm3。
具体实施时，当入射粒子入射到CdZnTe晶体2后，会在CdZnTe晶体2内激发出大量的电子载流子和空穴载流子，阳极1加零电位，阴极3加负高压，在外加电场的作用下，空穴载流子会向阴极3漂移，电子载流子会向阳极1漂移。本实施例通过在CdZnTe晶体2的每一侧面上均设置N型重掺杂区4，以在周边端面处形成空间电荷区5，利用空间电荷区5来阻止电子载流子向周边端面的扩散，令电子载流子仅在外加电场作用下向位于底面上的阳极1偏移，解决了由于CdZnTe辐射探测器周边端面残留缺陷对电荷收集的影响而导致的电荷收集效率低的问题，提高电荷收集效率。
需要说明的是，由于在实际对CdZnTe晶体2进行载流子的收集时，更多的是对电子载流子进行收集，所以本实施例主要考虑的是阻止电子载流子向周边端面的扩散。若想要阻止空穴载流子向周边端面的扩散，则可以令CdZnTe晶体2为本征态或N型半导体，在每一侧面上均设置P型重掺杂区。若想同时阻止空穴载流子和电子载流子向周边端面的扩散，则可以令CdZnTe晶体2为本征态，在一半侧面上均设置P型重掺杂区，在另一半侧面上均设置N型重掺杂区4。
作为一种可选的实施方式，每一侧面对应的位置处均设置有一个N型重掺杂区4，N型重掺杂区4覆盖侧面，进而能够在整个侧面均形成空间电荷区5，避免电子载流子向整个侧面任意位置的扩散，进一步提高电荷收集效率。
具体实施时，以CdZnTe晶体2为长方体为例。参见图5，其给出了CdZnTe辐射探测器的截面图，包括CdZnTe晶体2，在CdZnTe晶体2的上底面生长阳极1，CdZnTe晶体2的下底面生长阴极3，阳极1和阴极3均采用金属材质。在CdZnTe晶体2的周边端面(即侧面)均进行N型杂质注入，形成N型重掺杂区4，进而在CdZnTe晶体2的周边端面形成空间电荷区5。当入射粒子入射到CdZnTe晶体2内，并在CdZnTe晶体2内激发出电子载流子和空穴载流子后，由于阳极1加零电位，阴极3加负高压，进而在外加电场的作用下，空穴载流子会向阴极3漂移，电子载流子会向阳极1漂移。由于空间电荷区5会阻止电子载流子向周边端面扩散，令电子载流子仅在外加电场作用下向阳极1偏移，从而提高了CdZnTe辐射探测器边缘像素的电荷收集效率。
作为另一种可选的实施方式，每一侧面对应的位置处均设置有多个间隔的N型重掺杂区4，N型重掺杂区4可沿任意方向排列，每一N型重掺杂区4均会产生相应的空间电荷区5，且其产生的空间电荷区5会发生交叠，保证多个N型重掺杂区4所组成的空间电荷区的范围覆盖整个侧面，进而能够避免电子载流子向整个侧面任意位置的扩散，进一步提高电荷收集效率。
具体实施时，以CdZnTe晶体2为长方体，N型重掺杂区4沿图6所示的高度方向排列为例。参见图6，其给出了CdZnTe辐射探测器的截面图，CdZnTe辐射探测器包括CdZnTe晶体2，在CdZnTe晶体2的上底面生长阳极1，CdZnTe晶体2的下底面生长阴极3，在CdZnTe晶体2的周边端面进行多个区域的N型杂质注入，从而在周边端面形成多个间隔的N型重掺杂区4，每个N型重掺杂区4均在CdZnTe晶体2的周边端面形成空间电荷区5。当CdZnTe晶体2的阴极3加负高压时，CdZnTe晶体2周边端面形成的多个空间电荷区5会扩展并发生交叠，此时保证多个N型重掺杂区4所组成的空间电荷区的范围覆盖整个侧面。当入射粒子入射到CdZnTe晶体2内，并在CdZnTe晶体2内激发出电子载流子和空穴载流子后，由于阳极1加零电位，阴极3加负高压，进而在外加电场的作用下，空穴载流子会向阴极3漂移，电子载流子会向阳极1漂移。空间电荷区5会阻止电子载流子向周边端面扩散，令电子载流子仅在电场方向作用下向阳极1偏移，从而提高了CdZnTe辐射探测器边缘像素的电荷收集效率。
需要说明的是，记设置有阳极1的底面为阳极面，阳极面上设置有多个间隔排列的阳极1，多个阳极1可沿阳极面的边长方向或其他任意方向进行排列，当然，阳极面上也可以有一个阳极1，阳极1可为任意形状。本实施例中可以阳极面作为射线入射面，射线可从阳极1之间的间隙射入CdZnTe晶体2内。但也可以以其他面作为射线入射面。
实施例2：
本实施例用于提供一种CdZnTe辐射探测器，如图7所示，包括CdZnTe晶体2，CdZnTe晶体2为柱状。
CdZnTe晶体2的一个底面上设置有阳极1，另一个底面上设置有阴极3，每一侧面均被绝缘层6所覆盖，绝缘层6上设置有金属电极7，金属电极7加负偏压。绝缘层6可为氧化硅、氮化硅、氧化铝等能与CdZnTe晶体2良好接触的材料。
具体实施时，当入射粒子入射到CdZnTe晶体2后，会在CdZnTe晶体2内激发出大量的电子载流子和空穴载流子，将阳极1加零电位，阴极3加负高压，在外加电场的作用下，空穴载流子会向阴极3漂移，电子载流子会向阳极1漂移。本实施例在CdZnTe晶体2的每一侧面上均设置绝缘层6，且绝缘层6上设置有金属电极7，金属电极7加负偏压，以在周边端面处形成负电势，进而形成空间电荷区5，利用空间电荷区5阻止电子载流子向周边端面的扩散，令电子载流子仅在外加电场作用下向位于底面上的阳极1偏移，解决了由于CdZnTe辐射探测器周边端面残留缺陷对电荷收集的影响而导致的电荷收集效率低的问题，提高电荷收集效率。
作为一种可选的实施方式，绝缘层6上设置有一个金属电极7，金属电极7覆盖绝缘层6，进而能够在整个侧面上均形成空间电荷区5，避免电子载流子向整个侧面任意位置的扩散，进一步提高电荷收集效率。
具体实施时，以CdZnTe晶体2为长方体为例。参见图7，其给出了CdZnTe辐射探测器的截面图，包括CdZnTe晶体2，在CdZnTe晶体2的上底面生长阳极1，CdZnTe晶体2的下底面生长阴极3，CdZnTe晶体2的周边端面被绝缘层6所包围，绝缘层6的外侧面上设置有金属电极7，从而构成金属-氧化物-半导体结构。当入射粒子入射到CdZnTe晶体2内，并在CdZnTe晶体2内激发出电子载流子和空穴载流子后，由于阳极1加零电位，阴极3加负高压，进而在外加电场的作用下，空穴载流子会向阴极3漂移，电子载流子会向阳极1漂移。向金属电极7加负偏压，从而在CdZnTe晶体2的周边端面形成负电势，构成空间电荷区5，空间电荷区5会阻止电子载流子向周边端面扩散，令电子载流子仅在电场作用下向阳极1偏移，从而提高了CdZnTe辐射探测器边缘像素的电荷收集效率。
作为另一种可选的实施方式，绝缘层6上设置有多个间隔的金属电极7，多个金属电极7所组成的空间电荷区的范围覆盖绝缘层6，进而能够在整个侧面均形成空间电荷区5，避免电子载流子向整个侧面任意位置的扩散，进一步提高电荷收集效率。
具体实施时，以CdZnTe晶体2为长方体，多个金属电极7沿图8所示的高度方向进行排列为例。参见图8，其给出了CdZnTe辐射探测器的截面图，包括CdZnTe晶体2，在CdZnTe晶体2的上底面生长阳极1，CdZnTe晶体2的下底面生长阴极3，CdZnTe晶体2的周边端面被绝缘层6所包围，在该绝缘层6外围，是多个独立的金属电极7，从而构成多个金属-氧化物-半导体结构。当入射粒子入射到CdZnTe晶体2内，并在CdZnTe晶体2内激发出电子载流子和空穴载流子后，由于阳极1加零电位，阴极3加负高压，进而在外加电场的作用下，空穴载流子会向阴极3漂移，电子载流子会向阳极1漂移。金属电极7加相同或者不同的负偏压，从而在CdZnTe晶体2的周边端面形成负电势，构成多个空间电荷区5，多个空间电荷区5扩展交叠，其组成的范围覆盖整个侧面。多个空间电荷区5可以阻止电子载流子向周边端面扩散，令电子载流子仅在电场作用下向阳极1偏移，从而提高了CdZnTe辐射探测器边缘像素的电荷收集效率。
此外，通过设置和优化不同的负偏压，可以进一步优化CdZnTe晶体2内部的权重分布，提高辐射探测器的电荷收集效率。具体的，按照从阳极1到阴极3这一方向上金属电极7的排列顺序，多个金属电极7所加的负偏压依次增加，进而能够使电子载流子均向阳极面上的中心位置移动，从而能够在阳极面上的中心处对所有电子载流子进行收集，能够进一步提高辐射探测器的电荷收集效率。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，包括CdZnTe晶体；
所述CdZnTe晶体为柱状，所述CdZnTe晶体为本征态或P型半导体；所述CdZnTe晶体的一个底面上设置有阳极，另一个底面上设置有阴极，每一侧面对应的位置处均设置有N型重掺杂区；所述N型重掺杂区为通过所述侧面向所述CdZnTe晶体内掺入杂质离子而形成的。
2.根据权利要求1所述的一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，每一侧面对应的位置处均设置有一个N型重掺杂区，所述N型重掺杂区覆盖所述侧面。
3.根据权利要求1所述的一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，每一侧面对应的位置处均设置有多个间隔的N型重掺杂区，多个所述N型重掺杂区所组成的空间电荷区的范围覆盖所述侧面。
4.一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，包括CdZnTe晶体；
所述CdZnTe晶体为柱状；所述CdZnTe晶体的一个底面上设置有阳极，另一个底面上设置有阴极，每一侧面均被绝缘层所覆盖，所述绝缘层上设置有金属电极，所述金属电极加负偏压。
5.根据权利要求4所述的一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，所述绝缘层上设置有一个金属电极，所述金属电极覆盖所述绝缘层。
6.根据权利要求4所述的一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，所述绝缘层上设置有多个间隔的金属电极，多个所述金属电极所组成的空间电荷区的范围覆盖所述绝缘层。
7.根据权利要求6所述的一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，多个所述金属电极加相同或不同的负偏压。
8.根据权利要求7所述的一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，按照从阳极到阴极这一方向上所述金属电极的排列顺序，多个所述金属电极所加的负偏压依次增加。
9.根据权利要求1或4所述的一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，记设置有所述阳极的底面为阳极面，所述阳极面上设置有多个间隔排列的阳极。
10.根据权利要求9所述的一种CdZnTe辐射探测器，其特征在于，多个所述阳极沿所述阳极面的边长方向进行排列。
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