CN1648688A - 共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法 - Google Patents

共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法 Download PDF

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本发明涉及一种共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法，属半导体晶体核探测器制造工艺技术领域。该探测器是由碲锌镉晶体及其阳极和阴极组成，该探测器的制备方法具有以下步骤：先将切割好的、晶面方向为(111)定向的、具有一定尺寸的碲锌镉晶片进行粗抛，细抛，表面化学腐蚀，清洗各工序的表面处理，然后制成电极：电极的制备采用真空蒸发沉积电极，利用光刻技术得到两组共平面交叉指形的微条形阳极，阴极为完整的平面电极，两组阳极和一个阴极均有金丝引线引出；沉积的电极为铬金合金复合电极；最后将未沉积电极镀层的晶片表面进行钝化，最终制得共面栅阳极碲锌镉探测器。本发明方法制得的探测器具有较优的射线能量分辨率。

Description

共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法，属半导体晶体核探测器制造工艺技术领域。
背景技术
半导体探测器是20世纪60年代以来得到迅速发展的一种新型核辐射探测元件，它的特点是：能量分辨率高，线性响应好，脉冲上升时间短，结构简单，探测效率高，工作电压低，操作方便。自1949年美国贝尔电信电话实验室首次利用锗(Ge)半导体探测粒子以后，这种探测器立刻引起世界各国的瞩目。70年代起，随着硅(Si)材料的制备工艺和半导体平面工艺的不断改进，使Si探测器得到了很快的发展，特别是在粒子物理的探测技术中得到了广泛的应用。但是在强的辐射环境中，Si晶格易受到辐射损伤，使探测器的漏电流增加，性能下降。另外由热激发产生的本征导电性是随温度按指数增加的，因此由硅材料制造的器件在工作时需要辅助的冷却系统，增加了成本，限制了硅探测器在便携式器件方面的应用。
碲锌镉(CZT)赝二元化合物半导体探测材料由于具有较高的平均原子序数和较大的禁带宽度，所以由这些材料制成的探测器具有较大的吸收系数，较高的计数率，很高的探测效率。CZT这种新型射线探测器与Si探测器相比，它能在室温工作，免去了冷却系统，因此探测系统体积小，使用方便。它与传统的碘化钠闪烁体探头相比，具有更高的能量分辨率。而且，CZT探测器易于加工成像素阵列结构，配合桥接的硅集成信号读出电路，可做成紧凑、高效、高分辨率的x和γ射线成像装置，可广泛用于机场与港口安全检测、核废料监控、工业探伤、医学诊断、天体X射线望远镜等方面，因此已成为当前国际上研究的热点。
但由于目前所能得到的CZT材料的空穴的迁移率-寿命乘积(μτ)比电子的迁移率-寿命乘积(μτ)低一个数量级左右，使得空穴收集特性相对较差。传统的金属-半导体-金属(MSM)探测器的阴极和阳极均采用平面电极，器件工作时由射线作用产生的电子向电势较高的阳极运动，空穴向电势较低的阴极运动，最后得到的感应电荷来自于电子和空穴两部分的贡献。但由于空穴的收集效率较低，阳极附近受激产生的空穴很难被阴极收集到，产生所谓的空穴低能“尾迹”，这就造成器件的能谱分辨率下降，严重时使谱线不能分辨。此外，空穴的传输特性差会降低器件的效率，器件中只有靠近阴极百分之几的物理体积内产生的空穴才对谱峰计数有贡献。因此空穴的收集效率限制了金属-半导体-金属(MSM)结构的广泛应用，特别是在大体积器件方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有共面栅阳极结构的碲锌镉探测器及其制造方法。本发明的另一目的是克服CZT材料空穴收集效率低的缺陷，获得电极图形完整、接触附着力高的共面栅阳极，使电极与碲锌镉晶体形成欧姆接触，最终提高CZT探测器的综合性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法，该探测器是由碲锌镉晶体及其阳极和阴极组成，其特征在于该探测器的制备方法具有以下步骤：：
a.碲锌镉晶体的表面处理：首先将切割好的碲锌镉晶片用金刚砂进行粗抛，随后清洗，并放入盛有去离子水的烧杯中超声振荡5分钟，以去除粗抛时产生的表面沾污和吸附在晶片表面的杂质粒子，然后用刚玉微粉抛光液对碲锌镉晶片进行细抛，直至晶片表面呈镜面；随后再用超声振荡去除表面杂质，然后将抛光后的碲锌镉晶片浸在BM腐蚀液中进行表面化学腐蚀，时间为1-2分钟，BM腐蚀液为5％Br和无水甲醇的混合溶液；将经过BM腐蚀液腐蚀后的晶片在甲醇中润洗后再使用LB腐蚀液(2％Br+20％乳酸+乙二醇)对晶片进行腐蚀，以增加晶片表面光滑程度，LB腐蚀液为2％Br、20％乳酸和乙二醇的混合液；完成腐蚀的晶片在甲醇中超声清洗三次，每次时间均为5-10分钟，以去除表面残余Br以及其他杂质；
b.电极的制备：将腐蚀好的碲锌镉晶片取出，在N2保护气氛下吹干，准备制备阴极和阳极；阴极的制备采用真空蒸发、或者电子束蒸发方法沉积铬金合金复合电极，紧贴碲锌镉晶体底部表面的为铬电极，其上为金电极；阴极制成平面状电极，该电极上有金或铂引线引出；阳极的制备借助MJB6型光刻机，在碲锌镉晶片顶部表面均匀涂覆一层光刻胶原胶，经过紫外线曝光后，用4-甲基-氢氧化氨水溶液进行显影得到所需的两组交叉指形的电极图样，之后用真空蒸发、或者电子束蒸发方法沉积铬金合金复合电极，然后采用无水丙酮将残留在晶片表面的光刻胶连同沉积在这部分光刻胶上的铬金合金一起剥离，最终在晶片顶部表面支撑两组共平面的交叉指型的微条形电极型式的阳极，紧贴碲锌镉晶体表面的为铬电极，其上为金电极，每组微条形电极有金丝或铂线引线引出；
c.表面钝化：为了降低器件的表面漏电流，需要对没有沉积电极的晶体表面进行钝化；先将制备好电极的碲锌铬晶体用KOH-KCl溶液进行表面处理，接着再用10wt％的NH4F/H2O2混合溶液进行钝化，钝化处理时间为10-30分钟；将碲锌镉晶体样品放入大量去离子水中充分清洗以去处表面残留的各种离子；最终制得共面栅阳极碲锌镉探测器。
本发明方法中，碲锌镉晶体是经切割的尺寸为10×10×10mm3-10×10×15mm3的正方体晶片，且其晶面方向属(111)晶面类型。
同现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明制得的共面栅阳极结构的碲锌镉探测器，由于其阳极为两组共平面交叉指型的微条形电极所构成，并通过沉积方法由铬金合金复合而成，该电极图形完整、接触附着力高，使电极与碲锌镉晶片形成欧姆接触，从而克服了碲锌镉材料空穴收集效率低的缺陷，最终提高了探测器的综合性能。
附图说明
图1为本发明共面栅阳极碲锌镉探测器器件的基本结构示意图
图2为本发明共面栅阳极的俯视图
具体实施方式
实施例一：本实施例共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法如下：
a.碲锌镉晶体的表面处理：将切割好的尺寸为10×10×10mm3的，晶面方向为(111)类型的立方体晶片用金刚砂进行粗抛，将CZT晶片表面明显的凹凸损伤磨平，力求表面平整，无划痕和拉丝。随后清洗，并放入盛有去离子水的烧杯超声振荡5分钟，以去除粗抛时产生的表面沾污和吸附在晶片表面的杂质粒子，然后在研磨机上依次用粒径为1um、0.5um、0.2um的刚玉微粉抛光液对CZT晶片进行细抛，直至晶片表面呈镜面。再次用超声振荡去除表面杂质，将晶片浸在无水甲醇中待腐蚀。抛光后的CZT晶片先采用BM腐蚀液(5％Br与无水甲醇的混合液)进行表面化学腐蚀，时间均为2分钟；将经过BM腐蚀液腐蚀后的晶片在甲醇中润洗后再使用LB腐蚀液(2％Br、20％乳酸和乙二醇的混合液)对CZT晶片进行腐蚀，以增加晶片表面光滑程度。完成腐蚀的晶片在甲醇中超声清洗三次，每次时间均为5分钟，以去除表面残余Br以及其他杂质；
b.电极的制备：将腐蚀好的CZT晶片取出，在N2保护气氛下吹干，准备制备阳极和阴极；阴极的制备采用真空蒸发或电子束蒸发沉积铬金复合电极，紧贴碲锌镉晶片底部表面的为铬电极，厚度为50nm，其上面为金电极，厚度为500nm，阴极制成平面状电极，该电极有金引线引出。阳极的制备借助MJB6型光刻机，在晶片表面均匀地涂覆一层厚度为1-5μm的光刻胶原胶(正胶)。经过紫外线曝光后，采用体积百分比为10％的4-甲基-氢氧化氨水溶液进行显影得到所需的电极图样，之后用真空蒸发或电子束蒸发沉积铬金复合电极，然后采用无水丙酮将残留在CZT晶片表面的光刻胶连同沉积在这部分光刻胶上的铬金合金一起剥离，最终在晶片顶部表面制成两组共平面的交叉指型的微条形电极型式的阳极，参见图1和图2，紧贴碲锌镉晶片表面的为铬电极，厚度为50nm，其上面为金电极，厚度为500nm；交叉指型的微条形电极的条宽为240μm；每组微条形电极用金线引出。
d.表面钝化：为了降低器件的表面漏电流，需要对没有沉积电极的CZT表面进行钝化。将制备好电极的CZT样品先采用KOH-KCl溶液进行表面处理。
KOH和KCl溶液的浓度控制在15wt％，时间为40min；接着再用10wt％的NH4F/H2O2混合溶液进行钝化，钝化处理时间为10min；然后将CZT晶片放入大量去离子水中充分清洗以去除表面残留的各种离子；最终制得共面栅阳极碲锌镉探测器。
将上述制得CZT共面栅探测器，采用微机多道谱仪测试其在测试结果表明：与金属-半导体-金属(MSM)结构的CZT器件相比，共面栅结构的CZT器件对57Co(122keV)射线源的分辨率提高了50-80％，对137Cs(662keV)射线源的分辨率提高了70％-90％。
由于晶体质量的不同，不同晶体的共面栅器件与MSM结构相比，能量分辨率提高的幅度不同，故给出了上述能量分辨率提高幅度的范围。

Claims (1)

1.一种共面栅阳极碲锌镉探测器的制备方法，该探测器是由碲锌镉晶体及其阳极和阴极组成，其特征在于该探测器的制备方法具有以下步骤：
a.碲锌镉晶体的表面处理：首先将切割好的碲锌镉晶片用金刚砂进行粗抛，随后清洗，并放入盛有去离子水的烧杯中超声振荡5分钟，以去除粗抛时产生的表面沾污和吸附在晶片表面的杂质粒子，然后用刚玉微粉抛光液对碲锌镉晶片进行细抛，直至晶片表面呈镜面；随后再用超声振荡去除表面杂质，然后将抛光后的碲锌镉晶片浸在BM腐蚀液中进行表面化学腐蚀，时间为1-2分钟，BM腐蚀液为5％Br和无水甲醇的混合溶液；将经过BM腐蚀液腐蚀后的晶片在甲醇中润洗后再使用LB腐蚀液(2％Br+20％乳酸+乙二醇)对晶片进行腐蚀，以增加晶片表面光滑程度，LB腐蚀液为2％Br、20％乳酸和乙二醇的混合液；完成腐蚀的晶片在甲醇中超声清洗三次，每次时间均为5-10分钟，以去除表面残余Br以及其他杂质；
b.电极的制备：将腐蚀好的碲锌镉晶片取出，在N2保护气氛下吹干，准备制备阴极和阳极；阴极的制备采用真空蒸发、或者电子束蒸发方法沉积铬金合金复合电极，紧贴碲锌镉晶体底部表面的为铬电极，其上为金电极；阴极制成平面状电极，该电极上有金或铂引线引出；阳极的制备借助MJB6型光刻机，在碲锌镉晶片顶部表面均匀涂覆一层光刻胶原胶，经过紫外线曝光后，用4-甲基-氢氧化氨水溶液进行显影得到所需的两组交叉指形的电极图样，之后用真空蒸发、或者电子束蒸发方法沉积铬金合金复合电极，然后采用无水丙酮将残留在晶片表面的光刻胶连同沉积在这部分光刻胶上的铬金合金一起剥离，最终在晶片顶部表面支撑两组共平面的交叉指型的微条形电极型式的阳极，紧贴碲锌镉晶体表面的为铬电极，其上为金电极，每组微条形电极有金丝或铂线引线引出；
c.表面钝化：为了降低器件的表面漏电流，需要对没有沉积电极的晶体表面进行钝化；先将制备好电极的碲锌铬晶体用KOH-KCl溶液进行表面处理，接着再用10wt％的NH4F/H2O2混合溶液进行钝化，钝化处理时间为10-30分钟；将碲锌镉晶体样品放入大量去离子水中充分清洗以去处表面残留的各种离子；最终制得共面栅阳极碲锌镉探测器。
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