【摘要】：Cd(Zn)Te是目前公認最好的室溫核輻射探測材料。用CdZnTe晶體制備的探測器對γ射線具有良好的探測性能。而用CdZnTe和CdTe薄膜制備的探測器則具有優(yōu)異的X射線探測與成像性能,且具有大面積制備和成本低等優(yōu)勢。除材料本身的性質(zhì)會對探測器具有很大影響外,Cd(Zn)Te與金屬電極及半導體襯底的界面特性也是決定探測器性能的關鍵因素。目前對上述兩種界面的研究雖然很多,但對其微觀物理本質(zhì)、界面勢壘和探測器電學性能之間的聯(lián)系機理尚有許多有待澄清的問題。本文首先從工業(yè)化角度,利用磁控濺射法在CdZnTe晶體表面分別制備了功函數(shù)較高的Au和Ni電極和功函數(shù)較低的Cr和Al電極。研究了CdZnTe與以上兩類金屬的界面接觸特性對探測器光電性能的影響。進而利用同步輻射光電子能譜深入分析了Au、Al和Cr金屬與CdZnTe的界面反應和接觸勢壘等機理。此外,研究了CdZnTe薄膜與多晶FTO襯底的界面特性及對探測器電學性能的影響。最后,研究了CdTe薄膜與GaAs襯底的界面,分析了界面擴散和界面層對接觸勢壘的影響機理。利用射頻磁控濺射法在p型CdZnTe晶體表面制備金屬電極,分別優(yōu)化了射頻功率、工作氣壓和沉積溫度等濺射參數(shù)。發(fā)現(xiàn)當射頻功率為60 W和80 W時探測器在50 V以上的電壓即出現(xiàn)漏電流的顯著增加。研究認為是較大的功率造成了CdZnTe的表面缺陷,從而引入隧穿電流所致。工作氣壓為0.2 Pa和0.3 Pa時探測器在高壓下的漏電流急劇增加。沉積溫度為723 K時,CdZnTe的體電阻減小,原因是在該溫度下Cd揮發(fā)導致化學計量比偏離所致。比較了帶有Au、Ni、Cr和Al四種電極的CdZnTe探測器在0.01-1000 V下的電學特性。四種探測器的I-V曲線均可分為四個階段:線性區(qū)、亞線性區(qū)、二次線性區(qū)和超線性區(qū)。線性區(qū)對應的機理是界面處的肖特基勢壘產(chǎn)生的接觸電阻小于體電阻。亞線性區(qū)對應的是勢壘區(qū)的寬度小于晶體厚度,電流輸運的阻力來自體電阻和載流子在勢壘區(qū)的擴散。界面層由于具有分壓效應,而使得有效勢壘降低。二次線性區(qū)對應的是勢壘區(qū)的寬度大于晶體厚度。其機理是電流輸運的阻力主要來自載流子在勢壘區(qū)的擴散及在界面處的發(fā)射,此時界面層除了具有分壓效應,還對載流子在界面處的發(fā)射產(chǎn)生阻力。超線性階段是指隨著電壓的增大,界面層的分壓導致的勢壘降低成為了影響電流輸運的主要因素。通過擬合I-V曲線計算了Au/CdZnTe和Ni/CdZnTe界面的肖特基勢壘、界面透過系數(shù)和界面層勢壘降低系數(shù)。結(jié)果表明,Au/CdZnTe界面的肖特基勢壘更高。Ni/CdZnTe界面的對電流的阻礙效應更強,因此在二次線性區(qū)Ni/CdZnTe/Ni探測器的漏電流更小。在該區(qū)間內(nèi)對Ni/CdZnTe/Ni探測器~(241)Am放射源的能譜特性更優(yōu)。在超線性區(qū)Ni/CdZnTe界面對勢壘的降低效應更大,Ni/CdZnTe/Ni探測器在該電壓區(qū)間的漏電流更大。通過XPS進行深度成分分析,Au/CdZnTe和Ni/CdZnTe界面層分別為TeO_2和NiTe/TeO_2,厚度分別為8 nm和28 nm。同樣的方式計算了Cr/CdZnTe和Al/CdZnTe界面的肖特基勢壘高度、界面透過系數(shù)和勢壘降低系數(shù)。四種電極與CdZnTe界面的肖特基勢壘高度排序為:AlAuNiCr。高壓下對勢壘降低效應的強弱排序為:NiCrAuAl。Al/CdZnTe/Al探測器的漏電流最小,對~(137)Cs放射源的能量分辨率為1.45%。通過XPS界面分析得出Cr/CdZnTe和Al/CdZnTe的界面層分別為CrO/Te和TeO_2,厚度分別為16 nm和9 nm。對于電阻率和載流子遷移率壽命積均較高的CdZnTe晶體,可選用Ni和Cr電極。對于電阻率和載流子遷移率壽命積均較低的CdZnTe晶體,可選用Au和Al電極。在超高真空下,利用分子束外延法在原子級潔凈的p型CdZnTe晶體表面分別生長了Au、Al和Cr薄膜。采用同步輻射光電子能譜對它們與CdZnTe的界面特性進行了研究。Au和Al與CdZnTe均不發(fā)生化學反應,界面處產(chǎn)生能帶彎曲。而在Cr沉積初期,Cr與Te發(fā)生了化學反應。隨著Cr沉積厚度的增加,Cr-Te化學鍵斷裂,Cr與Te以游離態(tài)存在于界面處。Te原子發(fā)生外擴散并最終擴散至表面,形成了Te(δ~+)指向CdZnTe/Cr(δ~-)的偶極層,其厚度約為23?。CdZnTe/Cr界面的肖特基勢壘高度因此由0.82 eV下降至0.48 eV。而表面功函數(shù)由5.8 eV下降至5.58 eV。研究了磁控濺射生長的CdZnTe薄膜與FTO襯底的界面對薄膜和探測器相關特性的影響。CdZnTe界面形貌隨著氬氣壓降低逐漸由柱狀向片狀和細小顆粒狀演變。薄膜呈現(xiàn)具有(111)織構(gòu)的閃鋅礦立方結(jié)構(gòu),FTO襯底的表面粗糙度會減弱薄膜的織構(gòu)。薄膜中Cd原子的含量始終大于靶材的。薄膜的方塊電阻為5.8×10~8 Ohm/sq。制備的薄膜探測器載流子濃度為6.25×10~7/cm~2,遷移率為910 cm~2/(V·s)。探測器的電學均勻性很好,體現(xiàn)出CdZnTe與FTO襯底接觸的一致性良好。利用同步輻射光電子能譜研究了CdTe薄膜與GaAs襯底的界面特性。結(jié)果表明,在CdTe沉積的過程中,界面處先后發(fā)生了As-Te和Ga-Te化學反應。而As-Te反應在界面處產(chǎn)生了偶極矩,造成了Ga的外擴散,并與Te反應形成了厚度為30?的Ga-Te界面偶極層,致使CdTe與GaAs的界面勢壘由0.46 eV降低至0.08 eV。Ga-Te界面層的厚度越大,化學鍵的密度越大,界面接觸勢壘越低。
【圖文】：

e 材料的基本物理性質(zhì)dZnTe晶體為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，如圖個三次軸和六個對稱面彼此位移四分之一長度而構(gòu)成的。溶而成，其中Zn入會使Cd-Te的鍵長縮短，從而更加穩(wěn)定。此外，生改變，，這對材料性能和器件性能至關重要因。室溫下CdCd ZnEg x Eg xEg nx x學彎曲系數(shù)，其值約為CdTe和ZnTe的室溫禁帶寬度，其值分別為西北工業(yè)大學博士學位論文1-1。空間群為_F43m。對稱個三次軸和六個對稱面。它是由Cd(Zn)和Te原子各自組成的CdZnTe晶體可以認為是由原子在晶格中隨機占據(jù)了Cd原子的位置。相對Zn的加入也這對材料性能和器件性能至關重要，也是CdZnTe1-xZnxTe的禁帶寬度與Zn成分占比x的關系滿足 - - x xTe CdTe ZnTe 11 1，其值約為0.23 eV，與晶粒內(nèi)部的殘余應力有關1.45 eV和2.24 eV與晶粒內(nèi)部的殘余應力有關

形成最終的能譜。圖Fig. 1-2 Schematic diagram of the working principle of對于核輻射探測器來說靈敏度由探測效率決定，即探測器對射線劑量響應的能力，而能量分辨率是指探測器可以區(qū)分相近能量光子的能力。除此以外，根據(jù)應用領域的不同，還有計數(shù)率、時間分辨率、空間分辨率等指標。對于核輻射探測器來說，探測效率取決于光電吸收效率和載流子收集效率，而能量分辨率則取決于載流子的統(tǒng)計漲落、探測器的噪聲等。所以成為優(yōu)異的探測器材料，是因為其（1）原子序數(shù)不同的材料原子序數(shù)對入射射線的阻擋Z的材料，當材料與入射射線式中，A為常數(shù)
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TL81;TB383.2

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本文編號：2617695