提高CdZnTe探测器性能的CdZnTe/GaAs外延膜及制备方法
阅读说明：本技术 提高CdZnTe探测器性能的CdZnTe/GaAs外延膜及制备方法 (CdZnTe/GaAs epitaxial film for improving performance of CdZnTe detector and preparation method thereof ) 是由 万鑫 查钢强 李阳 曹昆 刘雅洁 魏鹤鸣 李颖锐 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高CdZnTe探测器性能的CdZnTe/GaAs外延膜及制备方法,基于P型GaAs衬底上生长CdZnTe厚膜并在Te-(2)气氛中进行等温退火。将其制备成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器,与退火之前相比,CdZnTe外延膜的电阻率明显提高,探测器对～(241)Am@5.49MeVα粒子响应更加灵敏,能量分辨率提高,并且在退火之后出现了对～(241)Am@59.5KeVγ射线的响应。本发明提供的改性方法包括衬底的预处理、CdZnTe外延膜的生长过程、CdZnTe外延膜的退火过程及辐射探测器的制备。(The invention relates to a CdZnTe/GaAs epitaxial film for improving the performance of a CdZnTe detector and a preparation method thereof, which is based on growing a CdZnTe thick film on a P-type GaAs substrate and growing a CdZnTe thick film on the Te thick film 2 Isothermal annealing is performed in an atmosphere. The prepared CdZnTe epitaxial film has obviously improved resistivity and detector pair compared with that before annealing 241 Am@5.4The 9MeV alpha particle response is more sensitive, the energy resolution is improved, and the annealing is followed by the generation of the pair 241 Am @59.5KeV gamma ray response. The modification method provided by the invention comprises the steps of pretreatment of the substrate, the growth process of the CdZnTe epitaxial film, the annealing process of the CdZnTe epitaxial film and preparation of the radiation detector.)
技术领域
本发明属于CdZnTe探测器技术领域，涉及一种提高CdZnTe探测器性能的CdZnTe/GaAs外延膜及制备方法，特别涉及碲锌镉半导体外延薄膜材料探测性能的提高方法。
背景技术
Cd1-xZnxTe(简称为CdZnTe或CZT)是一种具有优异光电性能的II-VI族化合物半导体，其具有较高的原子序数，较大的禁带宽度，较高的本征μτ值，较低的电子-空穴电离能等优点，被认为是理想的室温X射线和γ射线探测器材料。目前，用CZT单晶体材料制作的室温辐射探测器已经被广泛应用于核医学、工业无损检测、航空航天及天体物理等领域。
传统熔体法生长会存在的效率低、晶锭利用率低及废料不能回收利用等问题，而近空间升华法很好地解决了这一点。CSS法生长薄膜提高了生长效率，但由于外延异质结中薄膜与衬底之间存在失配，外延膜中不可避免地存在着大量的结构缺陷和电杂质，在能带中引入陷阱能级。这些能级对载流子产生复合、俘获和散射等作用过程，从而影响载流子寿命、迁移率等运输特性，最终影响CZT探测器的能量分辨率、电荷收集率等探测性能。对于室温核辐射探测器，其高性能的关键在于高质量的CZT薄膜，要求具有较高的电阻(>1010Ω·cm)、较大的载流子迁移率寿命积。要获得高质量的CZT薄膜，一方面可以探索合适的生长工艺，控制在生长过程中便可获得缺陷较少的外延膜；另一方面可以对外延膜进行退火改性处理，进一步降低缺陷。
CSS法生长的CZT薄膜的主要缺陷是位错与点缺陷，位错包括界面位错与穿透位错，其破坏了晶格完整性，降低了探测器的能量分辨率和电阻率；而点缺陷的存在也会对探测器的电阻率产生很大影响，本发明将基于CSS法生长CZT薄膜，对其进行Te2气氛退火改性，调整薄膜中的位错密度和本征点缺陷浓度，以达到改善薄膜光电性能的目的。
CSS法生长的CdZnTe外延膜由于晶格失配不可避免地存在着点缺陷和位错，其破坏了晶格完整性并降低了探测器的能量分辨率和电阻率。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种提高CdZnTe探测器性能的CdZnTe/GaAs外延膜及制备方法，通过首先在GaAs衬底上生长CdZnTe外延膜，然后在Te2气氛中等温退火，调控外延膜中的缺陷，最终制备成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器并达到提高探测器探测性能的目的。
技术方案
一种提高CdZnTe探测器性能的CdZnTe/GaAs外延膜，其特征在于：在GaAs衬底上生长CdZnTe外延膜，然后在Te2气氛中等温退火，得到CdZnTe/GaAs外延膜。
一种制备所述CdZnTe/GaAs外延膜的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、衬底的预处理：将GaAs衬底在室温下，分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗以去除表面的杂质及有机物；清洗完成后，将衬底在H2SO4:H2O2:H2O＝4:1:1溶液中刻蚀20s，刻蚀完成后用去离子水冲洗，最后用氮气吹干放入近空间升华炉的上加热台；
步骤2、CdZnTe多晶源的预处理：将多晶源用砂纸打磨源表面的氧化层，之后在室温下分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗以去除表面的杂质及有机物；最后用氮气吹干放入近空间升华炉的下加热台；
步骤3、生长程序的设置：近空间升华炉的上下加热台分别控制衬底和多晶源的温度，外延膜的生长采用两步法，即上加热台的温度首先升温至833K下保温0.5h，再降到730K保温3.5h，下加热台的温度始终保持在983K，生长时间为4h；
步骤4、CdZnTe外延膜的生长：打开近空间升华炉，将经过预处理的多晶源和衬底放入升华炉，开启机械泵和通气阀，待腔体真空度低于5Pa时分子泵自动接入，将腔内真空度抽至0.05Pa，运行步骤3的生长程序并打开水冷，待程序运行完成且炉内冷却至室温，依次关闭通气阀、分子泵及水冷，取出CdZnTe/GaAs外延膜；
步骤5、CdZnTe外延膜的退火：打开近空间升华炉，将退火源和CdZnTe/GaAs外延膜放入升华炉，开启机械泵和通气阀，待腔体真空度低于10Pa时运行退火程序；退火为恒温退火，退火源为粉状Te单质；上下加热台分别控制CdZnTe/GaAs外延膜与退火源的温度；打开水冷并关闭通气阀和机械泵，待程序运行完成且炉内冷却至室温，关闭水冷，制备完成CdZnTe/GaAs外延膜。
所述超声清洗为20～25分钟
所述GaAs衬底的面积小于多晶源的面积。
所述粉状Te单质纯度为7N。
一种采用所述CdZnTe/GaAs外延膜的CdZnTe探测器，其特征在于：在CdZnTe/GaAs的外延膜和衬底表面上，结合不超过100nm的金电极层，形成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器。
一种采用所述CdZnTe/GaAs外延膜的CdZnTe探测器，其特征在于：采用真空蒸镀法，将CdZnTe/GaAs外延膜放入蒸镀机，将真空度抽至0.005Pa，分别在外延膜和衬底表面蒸镀80nm的金电极层，形成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器。
一种所述CdZnTe探测器的应用方法，其特征在于：所述Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器用于对241[email protected]γ射线的响应。
有益效果
本发明提出的一种提高CdZnTe探测器性能的CdZnTe/GaAs外延膜及制备方法，基于P型GaAs衬底上生长CdZnTe厚膜并在Te2气氛中进行等温退火。将其制备成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器，与退火之前相比，CdZnTe外延膜的电阻率明显提高，探测器对241[email protected]α粒子响应更加灵敏，能量分辨率提高，并且在退火之后出现了对241[email protected]γ射线的响应。本发明提供的改性方法包括衬底的预处理、CdZnTe外延膜的生长过程、CdZnTe外延膜的退火过程及辐射探测器的制备。
本明将退火后的CdZnTe外延膜制备成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器，与退火之前相比，CdZnTe外延膜的电阻率明显提高，探测器对241[email protected]α粒子响应更加灵敏，能量分辨率提高，并且在退火之后出现了对241[email protected]γ射线的响应。
附图说明
图1为本发明实施例一CdZnTe外延膜退火后和对比例生长态CdZnTe外延膜的EPD扫描图。
图2为本发明实施例一CdZnTe外延膜退火后制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器和对比例生长态CdZnTe外延膜制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器的I-V曲线图。
图3为本发明实施例一CdZnTe外延膜退火后制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器和生长态CdZnTe外延膜制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器在241[email protected]α粒子作用下通过Hecht方程拟合的电子迁移率寿命积。
图4为本发明实施例一CdZnTe外延膜退火后制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器测得241[email protected]γ射线的全能峰。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例一
在本实施例中，一种提高CdZnTe外延膜探测器性能方法，其特征在于：首先在GaAs衬底上生长CdZnTe外延膜，然后在Te2气氛中等温退火，最终制备成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器。CdZnTe外延膜的厚度为280um，GaAs衬底的厚度为550um。
在本实施中，本实施例具有Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器的制备方法，其步骤如下：
衬底的预处理：将厚度为550um的GaAs衬底切割成12×12mm2大小的方块，室温下分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗20到25分钟以去除表面的杂质及有机物；清洗完成后，将衬底在H2SO4:H2O2:H2O＝4:1:1溶液中刻蚀20s，刻蚀完成后用去离子水冲洗，最后用氮气吹干放入近空间升华炉备用。
CdZnTe多晶源的预处理：将厚度为2mm的多晶源切割成15×15mm2大小的方块，用1000目的砂纸打磨源表面的氧化层，之后在室温下分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗20到25分钟以去除表面的杂质及有机物；最后用氮气吹干放入近空间升华炉备用。
生长程序的设置：近空间升华炉的上下加热台分别控制衬底和多晶源的温度，外延膜的生长采用两步法，即上加热台的温度首先升温至833K下保温0.5h，再降到730K保温3.5h，下加热台的温度始终保持在983K，生长时间为4h。
CdZnTe外延膜的生长过程：打开近空间升华炉，将经过预处理的多晶源和衬底放入升华炉，开启机械泵和通气阀，待腔体真空度低于5Pa时分子泵自动接入，将腔内真空度抽至0.05Pa，运行生长程序并打开水冷，待程序运行完成且炉内冷却至室温，依次关闭通气阀、分子泵及水冷，取出CdZnTe/GaAs外延膜，CdZnTe外延膜的厚度为280um。
CdZnTe外延膜的退火过程：打开近空间升华炉，将退火源和外延膜放入升华炉，开启机械泵和通气阀，待腔体真空度低于10Pa时运行退火程序，退火为恒温退火，退火源为粉状Te单质，纯度为7N；上下加热台分别控制外延膜与退火源的温度，上下加热台的温度都加热至623K并保温10h。打开水冷并关闭通气阀和机械泵，待程序运行完成且炉内冷却至室温，关闭水冷，取出CdZnTe/GaAs外延膜。
一种辐射探测器，在CdZnTe/GaAs的外延膜和衬底表面上，结合不超过100nm的金电极层，形成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器。
一种辐射探测器的制备方法，制备步骤如下：采用真空蒸镀法，将CdZnTe/GaAs外延膜放入蒸镀机，将真空度抽至0.005Pa，分别在外延膜和衬底表面蒸镀80nm的金电极层，形成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器。
一种辐射探测器的应用，将Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器能对241[email protected]γ射线的响应。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和优点：
本明将退火后的CdZnTe外延膜制备成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器，与退火之前相比，CdZnTe外延膜的电阻率明显提高，探测器对241[email protected]α粒子响应更加灵敏，能量分辨率提高，并且在退火之后出现了对241[email protected]γ射线的响应。
对比例：
在本对比中，一种Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器，首先在GaAs衬底上生长CdZnTe外延膜，然后再外延膜和衬底表面蒸镀不超过100nm的金电极层，最终制备成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器。CdZnTe外延膜的厚度为270um，GaAs衬底的厚度为550um。
结合实施例和对比例，有关本实施例通过在Te2气氛下退火处理的CdZnTe外延膜制备成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器和对比例直接用生长态的CdZnTe外延膜制备成的Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器，采用实验仪器测试所得附图的解释说明如下：
图1的(a)和(b)分别本发明实施例一CdZnTe外延膜退火后和对比例生长态CdZnTe外延膜的EPD扫描图，退火后外延膜和生长态外延膜的位错腐蚀坑密度分别为2.29×105和1.56×105cm-2，位错密度明显下降。
图2为本发明实施例一CdZnTe外延膜退火后制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器和对比例生长态CdZnTe外延膜制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器的I-V曲线图。退火后和生长态外延膜制成的探测器的电阻率分别为4.38×109Ω·cm和5.47×108Ω·cm，退火处理可以明显提高探测器的电阻率。
图3为本发明实施例一CdZnTe外延膜退火后制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器和生长态CdZnTe外延膜制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器在241[email protected]α粒子作用下通过Hecht方程拟合的电子迁移率寿命积。退火后和生长态外延膜制成的探测器的电子迁移率寿命积分别为9.30×10-4cm2·V-1和5.27×10-4cm2·V-1，退火处理可以明显提高探测器的电子迁移率寿命积。
图4为本发明实施例一CdZnTe外延膜退火后制成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器测得241[email protected]γ射线的全能峰，而生长态外延膜制成的Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器无法对241[email protected]γ射线产生响应。
本实施例可以使CdZnTe外延膜制成的探测器电阻率明显提高，对241[email protected]α粒子响应更加灵敏，能量分辨率提高，并且在对241[email protected]γ射线产生响应。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，对于CdZnTe外延膜的退火过程，其退火过程如下：
退火过程：打开近空间升华炉，将退火源和外延膜放入升华炉，开启机械泵和通气阀，待腔体真空度低于10Pa时运行退火程序，退火为恒温退火，退火源为粉状Te单质，纯度为7N；上下加热台分别控制外延膜与退火源的温度，上下加热台的温度都加热至623K并保温5h。打开水冷并关闭通气阀和机械泵，待程序运行完成且炉内冷却至室温，关闭水冷，取出CdZnTe/GaAs外延膜。
本实施例可使CdZnTe外延膜制成的探测器电阻率稍有提高，对241[email protected]α粒子响应变灵敏，能量分辨率稍有提高，但未对241[email protected]γ射线产生响应。
实施例三
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，对于CdZnTe外延膜的退火过程，其退火过程如下：
退火过程：打开近空间升华炉，将退火源和外延膜放入升华炉，开启机械泵和通气阀，待腔体真空度低于10Pa时运行退火程序，退火为恒温退火，退火源为粉状Te单质，纯度为7N；上下加热台分别控制外延膜与退火源的温度，上下加热台的温度都加热至673K并保温10h。打开水冷并关闭通气阀和机械泵，待程序运行完成且炉内冷却至室温，关闭水冷，取出CdZnTe/GaAs外延膜。
本实施例可使CdZnTe外延膜制成的探测器电阻率稍有提高，对241[email protected]α粒子响应变灵敏，能量分辨率稍有提高，但未对241[email protected]γ射线产生响应。
综上所述，本发明上述实施例提供了一种提高CdZnTe探测器外延膜性能的方法，包括在GaAs衬底上生长CdZnTe外延膜，然后在Te2气氛中不同条件下等温退火，最终制备成Au/CdZnTe/p-GaAs/Au探测器3个步骤。本发明上述实施例可以使CdZnTe外延膜制成的探测器电阻率明显提高，对241[email protected]α粒子响应更加灵敏，能量分辨率提高，并且在对241[email protected]γ射线产生响应。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，不背离本发明具有对CdZnTe探测器外延膜在Te2下退火的技术原理，都属于本发明的保护范围。
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