電流型碲鋅鎘探測器伽馬靈敏度性能優(yōu)化

陳 翔，張 侃，郝 帥，張 凱，韓和同,*，侯 龍,*

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

碲鋅鎘(CdZnTe，簡稱CZT)晶體具有平均原子序數(shù)較高、電阻率高以及載流子遷移較快等特性，在X/γ射線探測方面具有極大應(yīng)用前景。但由于CZT是一種三元化合物，在晶體生長中不可避免引入大量的缺陷和雜質(zhì)，產(chǎn)生陷阱能級。陷阱能級對載流子的俘獲效應(yīng)(尤其是受主陷阱對遷移較慢的空穴的俘獲作用)，形成正空間電荷積聚，易使探測器發(fā)生極化，從而降低探測器載流子收集效率[1-2]。

已有相關(guān)研究表明：亞禁帶光照能通過改變晶體內(nèi)缺陷的占據(jù)份額，抑制探測器極化的形成，改善探測器載流子收集效率[3-6]。由于亞禁帶光能量低于CZT晶體的禁帶寬度，不能通過直接電離在導(dǎo)帶和價(jià)帶中同時產(chǎn)生電子-空穴對，其在探測器中產(chǎn)生的體電流主要是由亞禁帶光照引起的電荷(電子或空穴)載流子去俘獲貢獻(xiàn)[4]。亞禁帶光照能通過調(diào)控晶體內(nèi)深缺陷能級的占據(jù)份額降低有效陷阱濃度(負(fù)空間電荷密度由9.03×109cm-3降至8.67×108cm-3)，優(yōu)化探測器性能(電子遷移率壽命積由8.59×10-4cm2/V升至1.17×10-3cm2/V)[5]。在亞禁帶光照條件下，電子由價(jià)帶躍遷至深受主能級(EV+0.75 eV)，晶體內(nèi)正空間電荷濃度降低，探測器極化效應(yīng)減弱甚至消失，利用Pockels效應(yīng)得到的晶體內(nèi)電場更平坦[6]。但該技術(shù)對強(qiáng)脈沖射線測量(電流型測量)中CZT探測器性能的影響還無相關(guān)報(bào)道。在電流型測量中，由于入射γ射線強(qiáng)度很高(單次脈沖內(nèi)出射射線強(qiáng)度一般高于1015s-1)，無法實(shí)現(xiàn)單個粒子的分辨。關(guān)注的重點(diǎn)是CZT探測器輸出信號能否準(zhǔn)確反映入射γ射線束的時間和強(qiáng)度特征，要求探測器具有時間響應(yīng)快、伽馬靈敏度合適、線性范圍寬等特性。本文主要研究亞禁帶光照對電流型CZT探測器伽馬靈敏度性能的影響。

1 理論分析

1.1 晶體缺陷

熱激電流譜方法(TSC)是寬禁帶半導(dǎo)體深能級缺陷常用的測試方法[7]。首先在低溫下利用光照盡量填滿晶體缺陷。停止光照后，控制晶體升溫速度(0.08 K/s)，記錄探測器輸出電流信號，如圖1a所示。該電流信號是升溫過程中淺能級到深能級各陷阱能級逐次向價(jià)帶(導(dǎo)帶)發(fā)射空穴(電子)所形成。由此，可得到CZT晶體(尺寸為5 mm×5 mm×1 mm)陷阱能級和濃度，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，給出陷阱的成因，如圖1b和表1所示[8-10]。

表1 CZT晶體中陷阱參數(shù)

a——實(shí)測熱激電流譜及擬合結(jié)果；b——CZT晶體陷阱能級分布

1.2 理論模擬

基于蒙特卡羅抽樣方法，利用MCNP建立了CZT探測器伽馬靈敏度模擬計(jì)算模型，如圖2a所示。直徑為30 mm的單能γ射線束(均勻分布)經(jīng)厚為200 mm的準(zhǔn)直屏蔽體后，進(jìn)入CZT探測器。CZT晶體尺寸為5 mm×5 mm×1 mm，由厚度為2 mm的Fe外殼包圍。CZT晶體前端面到外殼前端面的距離為20 mm。需說明，采用1 mm厚CZT晶體可使探測器具有較快時間響應(yīng)；由于CZT探測器具有平行板電極結(jié)構(gòu)且晶體厚為1 mm(工作電壓為200 V時晶體內(nèi)電場強(qiáng)度近似為2 000 V/cm)，電荷俘獲效應(yīng)不明顯，大部分射線產(chǎn)生的載流子能被收集，在理論模擬中假定入射γ射線在CZT晶體中產(chǎn)生的電子-空穴對被完全收集[11]。

a——計(jì)算模型；b——CZT探測器能量響應(yīng)模擬曲線

通過模擬計(jì)算得到的CZT探測器能量響應(yīng)曲線如圖2b所示。其中，伽馬靈敏度定義為在穩(wěn)態(tài)單能準(zhǔn)直γ射線輻照下，CZT晶體中通過γ射線沉積能量產(chǎn)生的電子電荷量(C)與探測器前端面處γ射線注量(cm-2)的比值。在低能條件下，由于2 mm的Fe前端面的阻擋，單能γ射線沉積到CZT晶體中的概率較低，因此探測器對低能γ射線的靈敏度較低。當(dāng)入射γ射線能量為1.25 MeV時，伽馬靈敏度為1.18×10-16C·cm2。然而，實(shí)驗(yàn)上受限于高強(qiáng)度輻照源的類型，只能給出探測器對個別能量的靈敏度。常用的方法是利用實(shí)測探測器靈敏度校驗(yàn)理論模擬給出的能量響應(yīng)曲線，并利用校驗(yàn)后的能量響應(yīng)曲線處理探測器對具有能譜分布的脈沖γ射線的響應(yīng)問題。本文重點(diǎn)是驗(yàn)證亞禁帶光照技術(shù)抑制甚至解決探測器對單能γ射線靈敏度標(biāo)定中存在的問題，優(yōu)化電流型CZT探測器伽馬靈敏度性能。

2 實(shí)驗(yàn)

在西北核技術(shù)研究所鈷源輻照裝置上開展了CZT探測器伽馬靈敏度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)研究，建立的標(biāo)定系統(tǒng)布局如圖3所示。CZT晶體尺寸為5 mm×5 mm×1 mm，陜西迪泰克新材料有限公司提供。電極材料為Au，蒸鍍在5 mm×5 mm表面。CZT探測器輸出電流信號由Keithley系列微弱電流儀記錄和存儲，探測器工作高壓由Stanford程控高壓源提供，LED驅(qū)動電流由Keysight電源提供。紅外LED型號為HIR204C，由Everlight Electronics公司提供。LED出射光峰值波長為850 nm，半寬為45 nm。鈷源輻照裝置在CZT探測器測點(diǎn)位置的空氣比釋動能率由輻射劑量儀UNIDOS測量。CZT探測器前端面空氣比釋動能率實(shí)測值為1.688×10-2Gy/min，換算成γ射線注量率為4.60×107cm2/s。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定中，電流型CZT探測器伽馬靈敏度定義為在穩(wěn)態(tài)單能準(zhǔn)直γ射線輻照下，CZT探測器輸出電流隨時間變化的曲線(標(biāo)定電流曲線)坪值(A)與對應(yīng)探測器前端面處γ射線注量率(cm2/s)的比值。

圖3 CZT探測器伽馬靈敏度標(biāo)定系統(tǒng)布局

為分析亞禁帶光照對CZT探測器伽馬靈敏度性能的影響，分別分析了CZT探測器在不同亞禁帶光照強(qiáng)度下的電流-電壓(I-V)特性曲線和伽馬靈敏度標(biāo)定電流曲線的變化規(guī)律。由于LED出射光強(qiáng)在不同角度上差異很大，且對LED驅(qū)動電流變化敏感，實(shí)驗(yàn)中采用光照電流IIR(nA)參數(shù)來定量化亞禁帶光照強(qiáng)度對CZT探測器性能的影響。光照電流是指在一定強(qiáng)度的亞禁帶光(本次實(shí)驗(yàn)中峰值波長為850 nm)照射下，工作電壓為100 V的CZT探測器的穩(wěn)態(tài)輸出電流。考慮到亞禁帶光是通過電子從價(jià)帶(深能級)躍遷至深能級(導(dǎo)帶)產(chǎn)生自由載流子，光照電流實(shí)際上反映的是亞禁帶光對CZT晶體中深能級陷阱被載流子占據(jù)份額的調(diào)控程度。當(dāng)光照電流分別為0(無亞禁帶光照)、0.6、14.5、24.6、33.0 nA時，得到CZT探測器的I-V特性曲線如圖4所示。曲線斜率反映的是CZT晶體電阻，對應(yīng)不同光照電流，電阻分別為6.96×1010、7.04×1010、2.10×1010、1.43×1010、1.12×1010Ω。

圖4 I-V測試結(jié)果

在CZT探測器標(biāo)定電流曲線研究中，得到的CZT探測器在不同光照電流條件下的標(biāo)定電流曲線如圖5所示。當(dāng)光照電流為0時，CZT探測器標(biāo)定電流曲線在上升前沿存在明顯的過沖峰，如圖5a所示。且當(dāng)工作電壓為200 V時，輸出電流異常，過沖峰值超過40 nA，坪值接近9 nA。該異?，F(xiàn)象可能與晶體缺陷有關(guān)，具體原因?qū)⒃诤罄m(xù)工作中進(jìn)一步研究。當(dāng)光照電流為14.5 nA時，標(biāo)定電流曲線上升前沿的過沖基本消失，如圖5b所示。隨著光照電流的增大，CZT探測器標(biāo)定電流曲線形狀基本保持不變，如圖5c、d所示。

3 討論

3.1 標(biāo)定電流曲線過沖

當(dāng)光照電流為0 nA時，CZT探測器伽馬靈敏度標(biāo)定電流曲線上升前沿發(fā)生過沖，衰減過程的衰減時間常量為s量級，如圖5a所示。式(1)和(2)分別給出了陷阱能級電子去俘獲壽命τed和空穴去俘獲壽命τhd[12]：

圖5 CZT探測器不同光照電流條件下標(biāo)定電流曲線結(jié)果

(1)

(2)

其中：NC和NV分別為導(dǎo)帶/價(jià)帶中的態(tài)密度；σet和σht分別為電子/空穴俘獲截面；vth為電子熱運(yùn)動速度；EC-Eet和Eht-EV分別為導(dǎo)帶底和陷阱能級之間、陷阱能級和價(jià)帶頂之間的能量間隔；k為玻爾茲曼常量；T為絕對溫度。代入典型參數(shù)，得到T5和T6陷阱對應(yīng)的載流子去俘獲壽命接近s數(shù)量級。陷阱能級越淺，載流子去俘獲壽命越短，去俘獲過程對CZT探測器標(biāo)定電流曲線的影響越弱，即CZT探測器標(biāo)定電流曲線前沿過沖主要由深能級陷阱的載流子去俘獲過程貢獻(xiàn)。

3.2 亞禁帶光照技術(shù)

在高注量率γ射線輻照下，由于深能級陷阱對載流子的俘獲，CZT晶體中形成大量正的空間電荷。空間電荷的積聚形成內(nèi)電場，使得探測器極化。探測器極化是CZT探測器靈敏度標(biāo)定電流曲線出現(xiàn)前沿過沖的內(nèi)在機(jī)理。

亞禁帶光照能在CZT晶體內(nèi)引入額外的體電流，如圖5所示。在相同工作電壓條件下，隨著光照電流的增加，CZT晶體的電阻降低。實(shí)驗(yàn)中采用LED出射光峰值波長為850 nm，對應(yīng)光子能量為1.46 eV，低于CZT禁帶寬度(～1.52 eV)。對1 mm厚CZT晶體，亞禁帶光穿透率可達(dá)60%以上，其在晶體內(nèi)引入的自由載流子是近似均勻分布的[13-14]。亞禁帶光在晶體內(nèi)產(chǎn)生自由載流子的途徑主要是：價(jià)帶電子躍遷至深能級陷阱產(chǎn)生自由空穴和深能級陷阱上的電子躍遷至導(dǎo)帶產(chǎn)生自由電子，如圖6所示。

圖6 亞禁帶光照產(chǎn)生自由載流子的示意圖

當(dāng)光照電流大于24.6 nA時，前沿過沖現(xiàn)象消失。此時，單位時間內(nèi)亞禁帶光照產(chǎn)生的自由載流子的濃度約6.25×1012cm-3，遠(yuǎn)高于CZT晶體中T5陷阱和T6陷阱的濃度，分別為8.03×1011cm-3和1.02×1011cm-3。該結(jié)果表明：亞禁帶光照能通過有效降低空間電荷的濃度，使探測器去極化，縮短探測器達(dá)到平衡狀態(tài)所需時間，實(shí)現(xiàn)CZT探測器靈敏度性能優(yōu)化。

基于上述實(shí)驗(yàn)規(guī)律分析該方法對基于厚CZT晶體的探測器的適應(yīng)性。隨晶體厚度增加，亞禁帶光在CZT晶體中的透過率降低(郎伯特定律)，其在晶體內(nèi)產(chǎn)生自由載流子的濃度在入射面附近最大，并隨入射深度的增加而降低[14]。對較厚的n型CZT晶體，正空間電荷的累積主要發(fā)生在陰極附近。當(dāng)采用陰極入射時，亞禁帶光有望抑制高射線注量率條件下厚CZT晶體中的空間電荷效應(yīng)，優(yōu)化電流型探測器伽馬靈敏度參數(shù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果差異分析

理論模擬給出的靈敏體積為5 mm×5 mm×1 mm的CZT探測器對能量約為1.25 MeV的γ射線的粒子靈敏度為1.18×10-16C·cm2。在CZT探測器伽馬靈敏度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)光照電流為0時，由于標(biāo)定電流曲線前沿存在過沖，無法給出粒子靈敏度。在不同光照電流條件下，CZT探測器伽馬靈敏度如圖7所示。隨著光照電流的增加，探測器標(biāo)定電流曲線上的過沖逐漸消失，CZT探測器伽馬靈敏度性能趨于穩(wěn)定。其原因是：隨工作電壓的增加，載流子遷移速率增加，載流子收集概率增加；隨光照強(qiáng)度增加，深能級陷阱對載流子的俘獲和復(fù)合作用減弱，載流子收集概率增加。當(dāng)光照電流為33.0 nA、工作電壓為200 V時，CZT探測器伽馬靈敏度為9.99×10-17C·cm2。實(shí)驗(yàn)值和理論值存在差異的主要原因是γ射線在CZT晶體中產(chǎn)生的載流子通過深能級陷阱復(fù)合產(chǎn)生的損失。在實(shí)際使用中，應(yīng)以實(shí)際標(biāo)定結(jié)果為準(zhǔn)。

圖7 不同光照電流、不同工作電壓條件下CZT探測器伽馬靈敏度

4 總結(jié)

本文針對CZT探測器伽馬靈敏度標(biāo)定電流曲線存在前沿過沖現(xiàn)象，開展了CZT探測器伽馬靈敏度性能優(yōu)化的技術(shù)研究。研究結(jié)果表明：標(biāo)定電流曲線的前沿過沖主要原因是晶體內(nèi)深能級陷阱對載流子的去俘獲效應(yīng)。利用亞禁帶光照能通過調(diào)控晶體內(nèi)深能級陷阱被載流子占據(jù)的份額，消除探測器標(biāo)定電流曲線前沿過沖，增加載流子收集效率，實(shí)現(xiàn)CZT探測器性能優(yōu)化。隨著光照電流和工作電壓的增加，CZT探測器伽馬靈敏度趨近于理論值。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了亞禁帶光照對CZT探測器伽馬靈敏度性能優(yōu)化的可行性，為CZT半導(dǎo)體在X/γ射線探測方面的進(jìn)一步應(yīng)用提供了重要的支撐。