 Optoelectronics 光电子, 2011, 1, 27-32 doi:10.4236/oe.2011.12006 Published Online December 2011 (http://www.hanspub.org/journal/oe) Copyright © 2011 Hanspub OE The Factor Effect on the Characteristic of Cdznte Detector* Xia Li1,2,3, Longxia Li3, Junhao Chu3, Ning Dai3, Shengdong Zhang1, Fujia Zhang2* 1Shenzhen Graduated School, Peking University, Shenzhen 2College of Physical Science and Technology of Lanzhou University, Lanzhou 3State Key laboratory of Infred Physics of Shanghai Institute of Technical Physics, CAS, Shanghai Email: prof_zhangfj@sina.com Received Oct. 7th, 2011; revised Oct. 28th, 2011; accepted Nov. 13th, 2011. Abstract: In this paper, we analyze the factor effect on the characteristic of CdZnTe detector, and how to improve the Characterization of CdZnTe detector. Totally we should point on improve quality of CZT crystal and manufacture technology, choose metal to form ohmic contact electrode, assign especial electorode struc- ture and assign test circuit to improve the finite limited resolution. Keywords: CZT; Detector; Room Temperature; Characteristic 影响室温核辐射 CdZnTe 探测器特性的因素* 李 霞1,2,3, 李陇遐 3, 禇君浩 3, 戴 宁3, 张盛东１, 张福甲 2* 1北京大学深圳研究生院，深圳 2兰州大学物理科学与技术学院,，兰州 3中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海 Email: prof_zhangfj@sina.com 收稿日期：2011年10 月7日；修回日期：2011 年10月27 日；录用日期：2011年11 月13 日 摘 要：本文研究了影响室温核辐射 CZT 像素阵列探测器性能的主要因素，以及提高探测器性能的方 法。并报道了一种基于 N型Cd0.9Zn0.1Te 晶体材料的室温核辐射像素阵列探测器的研制。研究表明，主 要应该改进晶体制备工艺，从而提高 CZT晶体的质量和改进器件制备工艺，选择合适的金属材料制备 欧姆接触的电极，设计特殊的电极结构，设计后端测试电路提高探测器的极限分辨率等方面来改进以 达到提高探测器性能的目的。 关键词：CZT；核辐射探测器；室温；特性 1. 引言 碲锌镉(CdZnTe，简称CZT)以其高的原子序数、 宽的禁带和高密度(有效原子序数 50、密 度5.81 g/cm3， Eg = 1.6 eV)成为目前国际上最受关注的探测器材料， 做成的探测器具有高探测效率和室温工作的特点，能量 探测范围在 10 keV～6 MeV，无极化现象。具有体积小， 重量轻，携带方便等优点，使用方便，是仪器小型化的 突破口。CZT 半导体探测器是国际上最新研究出来的 一种新型射线探测器。它具有很高的探测效率，与传统 的碘化钠闪烁体探测器相比,具有更高的能量分辨率。 用碲锌镉晶体制造的 X射线和γ射线探测器可 以在室温下工作,免除了添加液氮的繁琐。而且,碲锌镉 探测器易于加工成像素阵列探测器,配合桥接的硅集 成信号读出电路,可做成紧凑、高效、高分辨率的射线 成像装置,可广泛用于X射线荧光分析、核废料监控、 机场与港口安全检测、工业探伤、医学诊断、天体物 理研究等方面,具有十分广阔的应用前景。在反恐、核 安全、气象和空间科学、环境监测、核医学、空间飞 行、采矿工业、科学研究等领域具有广泛的用途。还 可用于同步辐射的束流控制、元素成分分析、镀层测 厚等检测设备中。装备防化部队。 [1-5]CZT晶体还被广 泛用作红外探测器 HgCdTe 的外延衬底和室温核辐射 探测器等。[6]目前，美国、以色列、俄罗斯、法国、 *基金项目：国家自然科学基金(No.60676033)。  李霞等影响室温核辐射 探测器特性的因素 CdZnTe 28 中国都投入大量科研人员开展 CZT 材料和器件的研 究工作。 但是当前 CZT 晶体的质量和器件制备工艺限制 了探测器性能的提高。后端测试电路的噪声限制了探 测器的极限分辨率。材料的不均匀性，电荷陷阱，以 及极化问题限制了器件的广泛应用[7]。 本文研究了影响 CZT 探测器性能的主要因素，以 及提高探测器性能的方法。并报道了一种基于 N型 Cd0. 9Zn0.1Te 晶体材料的室温核辐射像素阵列探测器。 2. CZT探测器的结构 CZT 探测器常见结构有以下几种[8]： MSM 探测器 MSM 探测器是最简单的平板 CZT探测器。如图 1(a)所示。目前一般采用 Au、In 和Pt等金属作为探测 器的金属层。现在已获得稳定性很好的探测器，结合 脉冲整形电路可用作光谱仪。由于未能很好地解决低 能量尾迹，目前还无法用于γ射线光谱探测。 共面栅器件 为了解决空穴收集特性相对较差带来的能量分辨 率和电荷收集率差的问题,研究人员通常采用电学方 法和设计各种探测器结构来提高能量分辨率和电荷收 集率。电学方法通常包括脉冲整形辨别和电荷补偿。 通过改变探测器电极形状来提高能量分辨率的各种方 法有一个共同的特点,那就是收集到的电荷主要依赖 于阳极附近的电子运动,从而使收集到的感应电荷与 空穴运动以及电子–空穴对产生的深度无关,这些器 件被称为单极型器件。由 Luke P N于1994 年秋提出 的共同栅技术获得了良好的能量分辨率以及接近全体 积的光峰效率,具有良好的发展前景。如图 1(b)所示： 像素阵列探测器 CZT 像素阵列探测器常用于成像系统，其基本结 构如图 1(c)所示。阳极由一系列尺寸极小的方形金属 电极所构成, 每个像素电极上收集的信号都包含了与 位置有关的信息，将所有像素的信号整合便可得到探 测对象的图像。 CZT 探测器还有俘获电极型、电容弗里希栅(Frish grid)型、半球形结构等。 3. 探测器的工作原理 CZT 探测器的表面是很薄的金属电极。这些电极 在偏压作用下在探测器内部产生电场。当射线和 CZT 晶体作用时，晶体内部产生电子–空穴对，并且数量 和入射光子的能量成正比。带负电的电子和带正电的 空穴在偏压作用下朝不同的电极运动，最终被收集起 来。形成的电荷脉冲经过前置放大器变成电压脉冲， 其高度和入射光子的能量成正比。出来的信号通过成 形放大器转换为高斯脉冲，被再次放大。这些信号可 以通过多道分析器形成入射光子的能谱。 4. 室温CdZnTe核辐射像素阵列探测器的制备 本文制备了 MSM(金属–半导体–金属)结构 3 × 3像素阵列探测器。阳极为直径 1 mm 的圆形Pt/Au 双 层电极，像素阵列探测器结构示意图 2如下： 我们的材料为美国 Yinnel 公司提供的通过高压布 里奇曼方法(High brigman methode)方法制备的高阻 N 型Cd0.9Zn0.1Te 晶体。 制备工艺流程如下： 1) 对材料进行表面处理。 高阻 CZT 晶体的电阻率约为~1011 Ω•cm。首先用 水洗金刚砂粉、白刚玉粉水浆和水洗氧化铝粉(0.08 μ m) 对基片 各个表面依次初磨至表面平整、 无划痕与拉 丝，再用抛光液抛光。然后去蜡去油，乙醇超声清洗后, (a) MSM探测器 (b) 共面栅探测器 (c)像素阵列探测器 Figure 1. Types of CZT detectors 图1. 常见的CdZnTe器件类型 Copyright © 2011 Hanspub OE  李霞等影响室温核辐射 探测器特性的因素29 CdZnTe Figure 2. Sketch map of structure of 3 × 3 pixel arr ay CZT detector 图2. 3 × 3像素阵列探测器结构示意图 在N2气氛下风干。之后,采用 BM腐蚀液(2%溴+甲醇) 化学腐蚀抛光成镜面状，再依次用三氯乙烯、丙酮、 最后分别用甲醇和去离子水清洗。 根据器件制造的要求,抛光后基片表面光亮,无缺 陷损伤,干涉显微镜下观察,表面干涉条纹细而直。故首 先要去除 CdZnTe晶体表面的自然氧化层。通过这些 步骤，提高表面平整度、洁净度，减少表面缺陷，减 少表面悬挂键。 2) 放滤纸上吸掉水分，在烘箱中烘干。 3) 电极的制备。 采用直流溅射法制备电极。在光亮平整的表面制 备3 × 3像素阵列电极。先溅射一层 Pt，再在其上溅 射一层 Au形成双层电极。制备的圆形金属接触面的 直径 1 mm，像素之间的间隔为 1 mm.。在整个背面区 域溅射金属制备阴极。同样先溅射一层 Pt，再在其上 溅射一层 Au，制备成背面电极。 采用这种复合电极是考虑到Pt 与N型CZT能形 成肖特基接触，表面 Au可以保护 Pt 电极在钝化处理 表面时不会被腐蚀掉。同时Au 电极也有利于实现与 外电路的互联。 4) 钝化处理表面。 采用氟化氨/双氧水溶液对器件表面进行钝化。 钝化表面的目的是通过钝化液在表面形成氧化 层，钝化器件表面以提高像素间表面电阻，因而减小 漏电流。 5) 退火。 将制备的探测器在空气中 150摄氏度退火两小时。 退火的目的是减少电极和CZT 金–半接触的界 面悬挂键缺陷。 实验中采取了一系列的工艺优化措施，如采用复 合电极结构。优化钝化液的配比，优化退火条件等。 调整制备工艺条件。 通过上述工艺步骤，制备出了基于 N型Cd0.9 Zn0.1Te 的3 × 3 阵列像素(pixel)探测器。 5. 性能测试结果与分析 室温下，在探测器阴极边加负高压，从阴极边用 辐射源照射。出来的信号通过成形放大器转换为高斯 脉冲，被再次放大。这些信号通过标准的计数器来识 别或者用多道分析器形成入射光子的能谱。 材料为 7 × 7 × 5 mm3晶体，将–700 V/cm负高压 加在阴极边，阳极接地。成形时间 1 us，计数时间 3.6 × 104秒。分辨率 7.45%(9.08 keV FWHM)，在室温下 700 V/cm条件下测得探测器对122 keV 57Co 和662 keV 137Cs 辐射源的能谱图如图 3 和 图4所示： Figure 3. Specturm of 57Co 122 keV 图3. 57Co 122 keV 光谱 Figure 4. Spectunn of 137Cs 662 keV 图4. 137Cs 662 keV光谱 Copyright © 2011 Hanspub OE  李霞等影响室温核辐射 探测器特性的因素 CdZnTe 30 7. 影响 CZT 探测器特性的因素分析 在不同偏压下多次测量，选择适当的测量电压。 得到 CZT 探测器的光谱。通过对光谱图进行高斯拟 合，得到 CZT 探测器的能量分辨率对于 122 keV 57Co 辐射源为 23.7%(28.9 keV FWHM)，对于 662 keV 137Cs 为17.9%(117.8 keV FWHM)。 从谱图看出光谱分布呈高斯型。低能带尾非常陡 峭，表明空穴的影响很小，可以忽略。这是由于辐射 源从阴极面辐照，在 CZT 探测器内部产生电子–空穴 对，在高偏压作用下，带负电的电子和带正电的空穴 分别朝阴极和阳极运动并被收集，空穴靠近阴极表面 很快被收集，从而对形成光谱没有贡献，而电子经过 一定的时间穿过 CZT 晶体到达阳极并被收集，经前置 放大器和成形放大器形成光谱。光谱主要来自电子的 贡献，CZT 探测器是单极型器件。 6. CdZnTe材料和器件特性 作为一种新型射线探测器材料,CZT 晶体的研制 倍受瞩目。CZT 晶体具有以下特性:禁带宽度大,易于 控制热生电流；平均原子序数大,对射线的阻止本领 强；机械强度好,方便器件的制作；电阻率高,制成的探 测器在外加高偏压下仍能保持低的漏电电流,因此降 低了探测器的噪声[9]。 CdTe 和CZT 具有以下这些特性使得他们能应用 于工业和实际研究中[1,8,9,10]： 1) 高原子序数和高密度，保证了高量子效率。平 均原子序数大,对射线的阻止本领强。 2) 探测器面积或高度能够被缩小在满足好的空 间分辨率的条件下。 3) CdTe和CZT 探测器的能量分辨率优于闪烁体 探测器，并因此在能量分散系统中被优选。 4) CZT 探测器的较高分辨率使他们能够用作低 光子能量分散系统或将他们用在一个相对大的体积。 5) 能量直接转化使得光子相互作用结果产生相 比于闪烁体探测器更大的感应电流。这是很有利的在 工作于电流(电荷收集)系统。 6) 低漏电流，特别是 CZT，使他们能够用于低能 小型化交叉领域和集成电路型电子学。这些简洁的低 能电子学是作天文仪器便携式仪器和几种医学探测器 的基本要求。 对探测器材料和器件制备技术中影响器件特性的 因素的研究成为提高探测器性能的关键之一。 探测器有几个缺点仍然限制了他们的广泛应用， 特别是在大体积结构或在大像素阵列。这些缺点是： 1) 差的电荷收集和相对小的空穴迁移率–寿命 积限制了大体积探测器或大厚度探测器的使用即使在 更可取的方向的辐射。 2) 晶体生长仍然在一个学习阶段。对获得大各向 同性，化学计量比高阻块体仍有难度。因此高质量探 测器的成本仍然相对高。 3) 探测器在脉冲或电流模式(电荷收集模式)工作 计数率高于 106个/秒。并且采样时间需要在毫秒级。 这种方式被极化限制。极化效应是由于块体中在一个 深度陷阱位置的空间电荷。并且靠近探测器的电极。 4) CZT 探测器的空穴寿命是大大小于 Cl掺杂 CdTe 探测器。如此大差别的原因尚不清楚，可以归功 于非化学计量比晶体缺陷和杂质。 5) 由于探测器晶体内空穴电荷收集不完全，导致 所测的 γ谱会产生低能尾巴[11]由于晶体内存在大量不 均匀分布的缺陷，使得移动缓慢的空穴被大量陷落。 空穴收集效率大幅度降低。虽然快速移动的电子受影 响较小。但是简单的平面电极结构的探测器，其输出 信号幅度会随反应发生的位置而变化。信号幅度的大 范围降落严重降低了 CZT γ谱的能量分辨率[5]。 6) 探测器特殊电极结构设计以提高探测器的电 荷收集率。 7) 材料表面漏电流导致探测器的漏电流增大。 8) 制备探测器过程中引入的结构缺陷，产生漏电流。 9) 制备工艺局限材料的性能和器件的性能。 10) 后端测试电路限制了探测器的极限分辨率。 8. 探测器性能的几个主要方面及其重要性 探测器性能的几个主要方面及其重要性如下： 1) 探测器单位体积灵敏度和效率。高灵敏度使得 探测器能够进行较低辐射场的探测。 2) 能量分辨率。高能量分辨率导致更精确地探测。 3) 空间分辨率。较高的空间分辨率导致较好的定位。 4) 大的禁带宽度。大的禁带宽度使得探测器能工 作在室温下。 Copyright © 2011 Hanspub OE  李霞等影响室温核辐射 探测器特性的因素31 CdZnTe 5) 重量。较小的重量使得能够用于便携式系统。 6) 尺寸。较小的尺寸便于便携式系统。 7) 支持。较少的支持使得能用于更广阔的应用。 8) 能耗。低能耗有利于便携式系统。 9) 成本。低成本使得能用于更广阔的应用。 10) 可靠性。较高的可靠性导致更广阔的应用。 11) 信噪比。大的信噪比导致更好的和更精确地 探测。 12) 工作环境。一个更宽广的工作范围导致更广 阔的应用领域。 13) 稳定性。更稳定导致更大的应用范围。 14) 小的几何尺寸使他们在探测弱辐射信号时近 似无效，在探测能量超出 200 KeV的X或者 Gamma 射线时无效。 15) 低探测器级晶体的产量，低产量导致相对高 的探测器成本，这防碍了该技术在多种范围的应用。 16) 晶体中电子的传输性能很差导致能量分辨率 比需要的差很多。 9. 需要提高的方面和解决的办法 针对以上探测器性能的主要方面，考虑到影响探 测器特性的因素，有必要寻找来提高探测器的性能的 方法。 结合我们的制备工艺和性能测试结果。目前主要 有以下几个关键的方面需要提高： 1) 制备大体积探测器以减小测量时间。困难在于 如何生长出晶格完整的高质量大体积高阻的探测器级 CZT 单晶。通过采用更纯的原料，更先进的晶体生长 技术，更先进的晶体处理技术制备晶体。 2) 制备更好的能量分辨率的探测器以取代液氮 制冷探测器。 3) 提高可靠性和长期稳定性以确保探测器应用 于附加和非附加系统。 4) 降低探测器的成本以扩大需求量并且扩大探 测器在更广阔的领域内的应用的市场化。 5) 改进材料制备技术，提高 CZT 达到尽可能的 高电阻率从而保证了低漏电流。 6) 改进探测器的制备工艺。优化工艺参数，提高 器件性能。 7) 器件表面处理是关键制造工艺。 在制备器件之前对材料表面进行处理。钝化器件 表面以提高像素间表面电阻，因而减小漏电流。 8) 设计新的器件结构，改善器件性能。如特殊的 电极结构设计(如单极性敏感)，采用共面栅结构，采 用限场环结构，减少表面漏电流。国外已有报道像素 阵列探测器加保护环结构可以减小表面漏电流。 9) 选择合适电极材料，制备欧姆接触的电极。 已有报道pt 与N型CZT 材料能够形成欧姆接触。 上海技术物理研究所已制备出Cu/Ag 合金与 CZT 能 够形成欧姆接触。另有报道 Au 与P型CZT 能够形成 欧姆接触。 10) 采用退火工艺减少制备工艺过程中引入的缺陷。 11) 补偿极差的载流子传输和能量分辨率的损耗。 对信号进行校正的低噪前端电路设计和数字信号处理。 每一个环节都提供了提高最终探测系统性能的可 能。因此，应该从多方面综合考虑，提高 CZT 晶体的 制备工艺和技术，改善晶体质量、从而制备出高质量均 匀的高阻 CZT 晶体和改进器件制备工艺，选择合适的 金属材料制备欧姆接触的电极，设计特殊的电极结构。 提高电荷收集效率，设计后端测试电路提高探测器的极 限分辨率等方面来改进以达到提高探测器性能的目的。 10. 结论 本文报道了一种基于 N型Cd0.9Zn0.1Te 晶体材料 的室温核辐射探测器。为充分发挥CdZnTe 材料的优 点，实验中采用了一系列工艺优化措施：如对材料表 面进行处理，采用Pt/Au 双层电极结构并优化器件表 面钝化方法，改善退火条件等，从而制备出性能优良 的(3 × 3)阵列像素探测器。 在室温下–700 V/cm条件下测得 122 keV 57Co 和662 keV 137Cs 辐射源辐照下的 CZT探测器能谱图。 在不同偏压下多次测量，选择适当的测量电压。通过 对光谱图的高斯拟合得到探测器的能量分辨率对于 122 keV 57Co 辐射源为 23.7%(28.9 keV FWHM)，对 于 662 keV 137Cs 为17.9%(117.8 keV FWHM)。 从谱图看出光谱曲线理想，呈典型的高斯型分布。 低能带尾非常陡峭，表明空穴的影响很小，可以忽略。 CZT 探测器是单极型器件。光谱测试结果说明，探测 器在室温下工作得很好。说明我们的制备工艺条件是 合理可行的。 Copyright © 2011 Hanspub OE  李霞 等 影响室温核辐射 CdZnTe 探测器特性的因素 Copyright © 2011 Hanspub OE 32 本文分析了影响 CZT 探测器性能的主要因素，以 及提高探测器性能的方法。认为影响 CZT 探测器特性 的因素主要有以下几个方面： 1) 差的电荷收集和相对小的空穴迁移率–寿命 积限制了大体积探测器或大厚度探测器的使用。 2) 晶体生长仍然在一个学习阶段。对获得大各向 同性，化学计量比高阻块体仍有难度。因此高质量探 测器的成本仍然相对高。 3) 探测器在脉冲或电流模式(电荷收集模式)工作 计数率高于 106个/秒。并且采样时间需要在毫秒级。 这种方式被极化限制。极化效应是由于块体中在一个 深度陷阱位置的空间电荷。并且靠近探测器的电极。 4) CZT 探测器的空穴寿命是大大小于 Cl掺杂 CdTe 探测器。如此大差别的原因尚不清楚，可以归功 于非化学计量比晶体缺陷和杂质。 5) 由于探测器晶体内空穴电荷收集不完全，导致 所测的 γ谱会产生低能尾巴。由于晶体内存在大量不 均匀分布的缺陷，使得移动缓慢的空穴被大量陷落。 空穴收集效率大幅度降低。虽然快速移动的电子受影 响较小。但是简单的平面电极结构的探测器，其输出 信号幅度会随反应发生的位置而变化。信号幅度的大 范围降落严重降低了 CZT γ谱的能量分辨率。 6) 探测器特殊电极结构设计能够提高探测器的 电荷收集率。 7) 材料表面漏电流导致探测器的漏电流增大。 8) 材料和器件制备工艺的提高以减少制备探测 器过程中引入的结构缺陷，减小漏电流。 主要应该从提高 CZT晶体的制备工艺和技术制 备出高质量均匀的高阻 CZT 晶体和改进器件制备工 艺，选择合适的金属材料制备欧姆接触的电极，设计 特殊的电极结构。提高电荷收集效率，设计后端测试 电路提高探测器的极限分辨率等方面来改进以达到提 高探测器性能的目的。 参考文献 (References) [1] 朱世富等. 室温半导体核辐射探测器新材料及其器件研究[J]. 人工晶体学报, 2004, 33(1): 6-12. 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