探測(cè)器用CdZnTe晶體載流子輸運(yùn)過(guò)程的研究.pdf

1、化合物半導(dǎo)體碲鋅鎘（CdZnTe)晶體被認(rèn)為是最具潛力的室溫半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器材料。然而由于生長(zhǎng)過(guò)程以及后續(xù)器件制備過(guò)程的復(fù)雜性，在晶體內(nèi)部形成各種缺陷，對(duì)載流子輸運(yùn)過(guò)程以及器件性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，制約著高品質(zhì)CdZnTe成像探測(cè)器的發(fā)展。本文重點(diǎn)研究CdZnTe晶體中缺陷對(duì)載流子輸運(yùn)過(guò)程以及器件性能的影響，揭示晶體中點(diǎn)缺陷、擴(kuò)展缺陷以及輻照損傷誘生缺陷對(duì)載流子輸運(yùn)過(guò)程影響的微觀機(jī)制，提出優(yōu)化探測(cè)器性能，尤其是時(shí)間響應(yīng)特性以及抗大劑量照射

2、的方法。
　　研制了一套激光誘導(dǎo)瞬態(tài)光電流（LBIC)測(cè)試系統(tǒng)，用于分析測(cè)試高電阻半導(dǎo)體的載流子迀移率等載流子輸運(yùn)參數(shù)。構(gòu)建了 CdZnTe晶體載流子輸運(yùn)特性的基本物理模型，確立了不同條件下激光誘導(dǎo)瞬態(tài)光電流譜的解譜分析方法。采用該方法可直接得出表面復(fù)合速率、俘獲時(shí)間、去俘獲時(shí)間、載流子迀移率、空間電荷密度等系列載流子輸運(yùn)特性參數(shù)。采用均勻電場(chǎng)下的解譜法對(duì)不同電壓下的LBIC圖譜進(jìn)行分析得出，CdZnTe晶體典型電子迀移率約為95

3、0 cm2/V·s，對(duì)應(yīng)的電子迀移率壽命積為1.32×10-3 cm2/V，載流子發(fā)射率與電場(chǎng)的平方根呈線性關(guān)系。由此得出，電場(chǎng)對(duì)缺陷能級(jí)的去俘獲效應(yīng)影響的主導(dǎo)機(jī)制為Poole-Frenkel效應(yīng)，即電場(chǎng)可以有效增強(qiáng)載流子去俘獲效應(yīng)，從而達(dá)到高的載流子收集效率。
　　采用光致發(fā)光譜（PL)和熱激電流譜（TSC)對(duì)晶體內(nèi)部缺陷分布進(jìn)行了精確測(cè)試與分析，結(jié)合無(wú)接觸式微波光電導(dǎo)（MWPCD)、LBIC技術(shù)以及能譜響應(yīng)特性研究了不同缺陷分

4、布對(duì)載流子輸運(yùn)過(guò)程和器件性能的影響。采用 Hornbeck-Haynes模型對(duì)MWPCD分析結(jié)果表明，MWPCD曲線快降部分主要由體復(fù)合作用主導(dǎo)，慢降部分主要由載流子去俘獲效應(yīng)主導(dǎo)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，A中心以及位錯(cuò)相關(guān)的缺陷能級(jí)可顯著的降低CdZnTe晶體的體復(fù)合壽命。Te反位和Te間隙可能是導(dǎo)致去俘獲時(shí)間增長(zhǎng)以及電荷收集不完全的主要缺陷。缺陷能級(jí)的去俘獲時(shí)間小于收集時(shí)間的特性有利于提高探測(cè)器性能。
　　為了保證成像器件應(yīng)用時(shí)具有足夠高的

5、計(jì)數(shù)率，同時(shí)避免引入過(guò)高的漏電流，采用亞禁帶光照辦法進(jìn)行了 CdZnTe晶體缺陷能級(jí)占據(jù)概率及空間電荷分布的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。研究結(jié)果表明，亞禁帶光照后CdZnTe晶體的電阻率由約1.23×1010Ω·cm下降到約4.22×109Ω·cm，同時(shí)I-t曲線的弛豫時(shí)間從8.21 s減小到0.93 s。結(jié)合改進(jìn)的SRH模型分析發(fā)現(xiàn)，亞禁帶光可有效調(diào)節(jié)缺陷能級(jí)的占據(jù)概率，使得活性陷阱能級(jí)的濃度減低。通過(guò)對(duì)比亞禁帶光照前后LBIC圖譜可知，亞禁

6、帶光照后晶體內(nèi)部空間電荷濃度從9.03×109 cm-3下降到8.67×108 cm-3,從而有效的抑制了載流子俘獲效應(yīng)，使內(nèi)建場(chǎng)畸變減小。由241Am@59.5keV能譜效應(yīng)特性測(cè)試可知，亞禁帶光照有效提高了低電壓下探測(cè)器的能量分辨率，使得探測(cè)器的收集效率提高。根據(jù)Hecht公式擬合可知，亞禁帶光照后電子迀移率壽命積從8.59×10-4 cm2/V提高到1.17×10-3cm2/V。
　　由于載流子在擴(kuò)展缺陷周圍的輸運(yùn)與點(diǎn)缺陷有

7、很大不同，本文首先建立了擴(kuò)展缺陷周圍的勢(shì)皇調(diào)控俘獲模型，并結(jié)合a源誘導(dǎo)電流技術(shù)，分析擴(kuò)展缺陷對(duì)電子輸運(yùn)過(guò)程和能譜響應(yīng)特性的影響。研究結(jié)果表明，擴(kuò)展缺陷俘獲電子后在其周圍會(huì)產(chǎn)生明顯的肖特基型耗盡區(qū)，使得內(nèi)部電場(chǎng)畸變。結(jié)合LBIC測(cè)試得出包含晶界樣品的有效電子迀移率為803 cm2/V s，明顯小于單晶樣品910 cm2/V s的電子迀移率。通過(guò)α源誘導(dǎo)電流信號(hào)上升時(shí)間統(tǒng)計(jì)分布得出，晶界會(huì)對(duì)電子漂移時(shí)間產(chǎn)生固有的擾動(dòng)影響，且無(wú)法通過(guò)提高電壓

8、來(lái)抑制。結(jié)合α源誘導(dǎo)電流信號(hào)幅值統(tǒng)計(jì)分布發(fā)現(xiàn)，晶界作為載流子的復(fù)合區(qū)域，在低能端形成第二個(gè)峰，最終造成電荷收集不完全，影響探測(cè)器響應(yīng)的均勻性。
　　采用超快脈沖X射線研究了不同劑量、不同電壓下CdZnTe探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性。結(jié)果表明，CdZnTe探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間約為2.2 ns。通過(guò)雙能級(jí)模型對(duì)非平衡載流子弛豫過(guò)程進(jìn)行分析得出，自由載流子濃度隨時(shí)間變化率不只與缺陷能級(jí)的俘獲（復(fù)合）截面有關(guān)，還與缺陷能級(jí)的占據(jù)概率有關(guān)。對(duì)不同入射

9、劑量下CdZnTe探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)特性分析可知，CdZnTe晶體的極化閾值劑量約為2.78×109 photons mm-2s-1。由于能級(jí)占據(jù)概率的不同，大入射劑量時(shí)非平衡載流子主要通過(guò)復(fù)合作用快速弛豫到平衡態(tài)。而小劑量入射時(shí)，由于去俘獲效應(yīng)的影響，其時(shí)間響應(yīng)弛豫過(guò)程明顯延長(zhǎng)。提高電壓可有效的避免載流子被俘獲以及增強(qiáng)載流子去俘獲效應(yīng)，有利于提高探測(cè)器時(shí)間響應(yīng)特性。
　　采用高劑量60Coγ射線為輻照源，研究了 CdZnTe晶體中

10、的能量沉積機(jī)理以及最終形成的穩(wěn)定缺陷形式，分析了輻照損傷對(duì)載流子輸運(yùn)特性以及器件性能的影響。根據(jù)Kinchin-Pease理論，經(jīng)過(guò)一次康普頓散射后，Cd、Zn和 Te原子獲得的最大能量分別為45.42 eV、78.11 eV和40.01 eV。根據(jù) Mott-McKinley-Feshbach經(jīng)典方程，CdZnTe晶體中康普頓反沖電子與不同晶格原子作用，其移位的截面比為=1:3.9:1.12。結(jié)合不同劑量照射下的PL結(jié)果可知，隨著輻照

11、劑量的增大，A中心峰、A0X峰的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，DAP峰強(qiáng)度不斷減弱。該結(jié)果表明60Coγ射線在晶體內(nèi)部產(chǎn)生大量的VCd。VCd與In+Cd結(jié)合形成穩(wěn)定的A中心。
　　由LBIC測(cè)試結(jié)果可知，輻照損傷產(chǎn)生的缺陷主要通過(guò)增強(qiáng)電離雜質(zhì)散射的作用降低電子的遷移率。結(jié)合不同劑量下電子迀移率的變化關(guān)系，歸結(jié)出60Coγ射線對(duì)CdZnTe晶體電子遷移率損傷經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?/μ=1/μ0+5.489×10-4Φ-0.02676。輻照損傷引入的缺陷能級(jí)