【摘要】：Cd(Zn)Te是目前公認(rèn)最好的室溫核輻射探測(cè)材料。用CdZnTe晶體制備的探測(cè)器對(duì)γ射線具有良好的探測(cè)性能。而用CdZnTe和CdTe薄膜制備的探測(cè)器則具有優(yōu)異的X射線探測(cè)與成像性能,且具有大面積制備和成本低等優(yōu)勢(shì)。除材料本身的性質(zhì)會(huì)對(duì)探測(cè)器具有很大影響外,Cd(Zn)Te與金屬電極及半導(dǎo)體襯底的界面特性也是決定探測(cè)器性能的關(guān)鍵因素。目前對(duì)上述兩種界面的研究雖然很多,但對(duì)其微觀物理本質(zhì)、界面勢(shì)壘和探測(cè)器電學(xué)性能之間的聯(lián)系機(jī)理尚有許多有待澄清的問(wèn)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(lèi)金屬的界面接觸特性對(duì)探測(cè)器光電性能的影響。進(jìn)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(yīng)和接觸勢(shì)壘等機(jī)理。此外,研究了CdZnTe薄膜與多晶FTO襯底的界面特性及對(duì)探測(cè)器電學(xué)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(kuò)散和界面層對(duì)接觸勢(shì)壘的影響機(jī)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(dāng)射頻功率為60 W和80 W時(shí)探測(cè)器在50 V以上的電壓即出現(xiàn)漏電流的顯著增加。研究認(rèn)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(shí)探測(cè)器在高壓下的漏電流急劇增加。沉積溫度為723 K時(shí),CdZnTe的體電阻減小,原因是在該溫度下Cd揮發(fā)導(dǎo)致化學(xué)計(jì)量比偏離所致。比較了帶有Au、Ni、Cr和Al四種電極的CdZnTe探測(cè)器在0.01-1000 V下的電學(xué)特性。四種探測(cè)器的I-V曲線均可分為四個(gè)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(duì)應(yīng)的機(jī)理是界面處的肖特基勢(shì)壘產(chǎn)生的接觸電阻小于體電阻。亞線性區(qū)對(duì)應(yīng)的是勢(shì)壘區(qū)的寬度小于晶體厚度,電流輸運(yùn)的阻力來(lái)自體電阻和載流子在勢(shì)壘區(qū)的擴(kuò)散。界面層由于具有分壓效應(yīng),而使得有效勢(shì)壘降低。二次線性區(qū)對(duì)應(yīng)的是勢(shì)壘區(qū)的寬度大于晶體厚度。其機(jī)理是電流輸運(yùn)的阻力主要來(lái)自載流子在勢(shì)壘區(qū)的擴(kuò)散及在界面處的發(fā)射,此時(shí)界面層除了具有分壓效應(yīng),還對(duì)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(dǎo)致的勢(shì)壘降低成為了影響電流輸運(yùn)的主要因素。通過(guò)擬合I-V曲線計(jì)算了Au/CdZnTe和Ni/CdZnTe界面的肖特基勢(shì)壘、界面透過(guò)系數(shù)和界面層勢(shì)壘降低系數(shù)。結(jié)果表明,Au/CdZnTe界面的肖特基勢(shì)壘更高。Ni/CdZnTe界面的對(duì)電流的阻礙效應(yīng)更強(qiáng),因此在二次線性區(qū)Ni/CdZnTe/Ni探測(cè)器的漏電流更小。在該區(qū)間內(nèi)對(duì)Ni/CdZnTe/Ni探測(cè)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(duì)勢(shì)壘的降低效應(yīng)更大,Ni/CdZnTe/Ni探測(cè)器在該電壓區(qū)間的漏電流更大。通過(guò)XPS進(jìn)行深度成分分析,Au/CdZnTe和Ni/CdZnTe界面層分別為T(mén)eO_2和NiTe/TeO_2,厚度分別為8 nm和28 nm。同樣的方式計(jì)算了Cr/CdZnTe和Al/CdZnTe界面的肖特基勢(shì)壘高度、界面透過(guò)系數(shù)和勢(shì)壘降低系數(shù)。四種電極與CdZnTe界面的肖特基勢(shì)壘高度排序?yàn)?AlAuNiCr。高壓下對(duì)勢(shì)壘降低效應(yīng)的強(qiáng)弱排序?yàn)?NiCrAuAl。Al/CdZnTe/Al探測(cè)器的漏電流最小,對(duì)~(137)Cs放射源的能量分辨率為1.45%。通過(guò)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(duì)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(duì)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(jí)潔凈的p型CdZnTe晶體表面分別生長(zhǎng)了Au、Al和Cr薄膜。采用同步輻射光電子能譜對(duì)它們與CdZnTe的界面特性進(jìn)行了研究。Au和Al與CdZnTe均不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),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(xué)反應(yīng)。隨著Cr沉積厚度的增加,Cr-Te化學(xué)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(kuò)散并最終擴(kuò)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(shì)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(zhǎng)的CdZnTe薄膜與FTO襯底的界面對(duì)薄膜和探測(cè)器相關(guān)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(xì)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(huì)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(cè)器載流子濃度為6.25×10~7/cm~2,遷移率為910 cm~2/(V·s)。探測(cè)器的電學(xué)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(guò)程中,界面處先后發(fā)生了As-Te和Ga-Te化學(xué)反應(yīng)。而As-Te反應(yīng)在界面處產(chǎn)生了偶極矩,造成了Ga的外擴(kuò)散,并與Te反應(yīng)形成了厚度為30?的Ga-Te界面偶極層,致使CdTe與GaAs的界面勢(shì)壘由0.46 eV降低至0.08 eV。Ga-Te界面層的厚度越大,化學(xué)鍵的密度越大,界面接觸勢(shì)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(gè)三次軸和六個(gè)對(duì)稱(chēng)面彼此位移四分之一長(zhǎng)度而構(gòu)成的。溶而成，其中Zn入會(huì)使Cd-Te的鍵長(zhǎng)縮短，從而更加穩(wěn)定。此外，生改變，，這對(duì)材料性能和器件性能至關(guān)重要因。室溫下CdCd ZnEg x Eg xEg nx x學(xué)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(xué)博士學(xué)位論文1-1。空間群為_(kāi)F43m。對(duì)稱(chēng)個(gè)三次軸和六個(gè)對(duì)稱(chēng)面。它是由Cd(Zn)和Te原子各自組成的CdZnTe晶體可以認(rèn)為是由原子在晶格中隨機(jī)占據(jù)了Cd原子的位置。相對(duì)Zn的加入也這對(duì)材料性能和器件性能至關(guān)重要，也是CdZnTe1-xZnxTe的禁帶寬度與Zn成分占比x的關(guān)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(yīng)力有關(guān)1.45 eV和2.24 eV與晶粒內(nèi)部的殘余應(yīng)力有關(guān)

形成最終的能譜。圖Fig. 1-2 Schematic diagram of the working principle of對(duì)于核輻射探測(cè)器來(lái)說(shuō)靈敏度由探測(cè)效率決定，即探測(cè)器對(duì)射線劑量響應(yīng)的能力，而能量分辨率是指探測(cè)器可以區(qū)分相近能量光子的能力。除此以外，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，還有計(jì)數(shù)率、時(shí)間分辨率、空間分辨率等指標(biāo)。對(duì)于核輻射探測(cè)器來(lái)說(shuō)，探測(cè)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(jì)漲落、探測(cè)器的噪聲等。所以成為優(yōu)異的探測(cè)器材料，是因?yàn)槠洌?）原子序數(shù)不同的材料原子序數(shù)對(duì)入射射線的阻擋Z的材料，當(dāng)材料與入射射線式中，A為常數(shù)
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TL81;TB383.2

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本文編號(hào)：2617695