CdZnTe核辐射探测器性能不均匀性研究

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1、+国内图书分类号：TN304.25西北工业大学工学博士学位论文CdZnTe核辐射探测器性能不均匀性研究博士研究生：谷亚旭导师：介万奇教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017年3月授予学位单位：西北工业大学+Classifiedindex：TN304.25DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyPerformancenon-uniformityofCdZ

2、nTenuclearradiationdetectorsPh.DCandidate：GUYaxuAdvisor：ProfessorJIEWanqiDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：March,2017UniversityConferringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniver

3、sity摘要摘要Cd1-xZnxTe（CdZnTe，简称CZT）半导体探测器由于其在室温下优良的光电性能，在10keV~1MeV的硬X射线及γ射线探测领域，如核医学成像、场站安检、辐射检测等方面受到了高度重视。随着晶体生长及后处理工艺的进步，大体积（20×20×15mm3）、高电子迁移率寿命积（＞10-2cm2/V）的CdZnTe晶体已经逐渐实现了商业化应用。探测器响应的不均匀性成为限制CdZnTe探测器性能特别是成像一致性的主要问题之一。本文主要围绕Te夹杂和带电粒子辐照损伤这两个导致CZT探测器响应不均匀性的重要因素开展

4、研究，重点分析了不同工作条件下其对探测器光电性能的定量影响规律，揭示了其恶化探测器载流子输运特性的内在机理，并基于此提出了改善探测器响应均匀性的思路及方法。采用α粒子诱导电荷技术分析了Te夹杂对载流子输运过程的影响特性，并基于此提出了考虑扩展缺陷空间分布、俘获电荷量影响的修正Hecht方程。与复旦大学现代物理研究所合作实现了离子束诱导电荷技术，通过该技术揭示了Te夹杂与CZT探测器电荷收集不均匀性之间的对应关系，并发现当探测器偏压大于200V时，Te夹杂所在区域电荷收集效率随偏压增大而减小的反常规律，阐明了产生该现象的机理。

5、从减小Te夹杂导致的电荷收集不均匀性角度考虑，认为探测器最优工作偏压在200V左右。除此之外，对尺寸为400μm及200μm的CZT像素探测器100V下I-V测试结果表明，当Te夹杂位于像素电极界面时，会导致像素漏电流增大1.5倍。通过模拟电场分布及分析能带结构，认为主要是Te夹杂位于电极界面会增大界面附近电场强度，减小了空穴对应的势垒，使得空穴的注入增大导致。使用开尔文探针力显微镜对机械抛光、化学机械抛光以及解理的CZT表面测试后表明，Te夹杂在CZT晶体中作为低电势中心存在，其电势比周围基体低0.1~0.39V。同时由于

6、解理的CZT表面较少受到粗糙度、化学计量比偏离以及表面吸附物的影响，结果最接近实际条件下Te/CZT接触电势差。使用泊松方程对Te/CZT一维电势分布解析后表明，Te/CZT界面附近电场强度达到约2000V/cm，Te夹杂周围的CZT晶体中存在6×1012q30/cm的正空间电荷，比正常值高2~3个量级，表明该区域存在高浓度缺陷。通过能带结构分析揭示了Te夹杂恶化载流子输运特性的机理。对不同偏压下Te夹杂周围电势分布的计算结果表明，当电场强度在500V·cm-1至700V·cm-1时，由于势垒高度qV'CZT小于室温下载流子

7、的热激活能并逐渐减小，Te夹杂造成的电荷损失会随着探测器偏压的增大显著增大，这与离子束诱导电荷技术实验结果吻合。开尔文探针力显微镜测试结果表明，Te/CZT接触电势差与Te夹杂形状之间存在显著依赖关系。同时，实验及CASTEP第一性原理计算结果显示，{100}ACZT{0001}Te以及{111}ACZT{01-11}Te接触界面电势差大于{111}BCZT{01-11}Te。建立了Te/CZTI西北工业大学博士论文接触电势差与所组成的各个晶向Te/CZT端面接触电势差、面积之间关系的模型，认为Te/CZT接触电势差由

8、其各个晶向的界面共同决定，随着Te夹杂形状的变化，不同晶向Te/CZT界面之间相对面积发生变化，进而导致Te/CZT接触电势差发生变化。提出相同条件下偏离平衡形貌的十四面体Te夹杂对电子具有更低的俘获概率，从而有助于改善探测器响应不均匀性。对于2MeV质子，CZT探测器的辐照损伤阈值约为3