专利名称：一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及核辐射探测器技术领域，特别涉及一种CdZnTe探测器的制备工艺。
背景技术：
与硅(Si)、锗(Ge)相比，碲锌镉(CdZnTe)探测器具有高原子序数、高密度、高电阻率和宽的禁带宽度的优点，因此可在室温下工作、探测效率高、漏电流小，噪声低。对于宇宙中的高能辐射(0.5-10MeV), CdZnTe探测器具有更强的抗辐射性能和更好的适应性，因此化合物半导体CdZnTe探测器更适合由卫星搭载的空间飞行，为空间物理和天体物理研究中“空间X、Y射线探测”这一领域提供能谱性能好、空间分辨率和角分辨率高的星载探测器和谱仪。CdZnTe探测器也具有以下缺点=CdZnTe单晶的杂质和缺陷形成电子和空穴的陷获中心，另外由于CdZnTe的物理特性一空穴的迁移率和寿命比电子的小一个数量级，造成电荷收集和传输过程中空穴的陷获比电子更严重，这两点导致CdZnTe探测器对电子和空穴收集不完全，存在有较严重的空穴陷获所造成的拖尾效应，同时也造成在收集极(阳极)上的感生电荷的多少与探测器的厚度、电子漂移长度、空穴漂移长度有关，即与X，Y射线在CdZnTe探测器内被吸收衰减的位置有关，影响对X，Y射线能量分析的能量分辨，使能谱峰值幅度降低，低能侧抬高并展宽。平面电极结构的CdZnTe探测器已经满足不了对高能量分辨的要求，因此为解决这些问题，在CdZnTe平面电极结构的基础上衍生出多种电极结构，如共平栅电极结构、CapturePlus电极结构、半球型电极结构和电容弗里希栅电极结构。发明人根据单电荷载流子收集原理以及电极的几何形状决定了电极之间感应电荷的重新分布的原理，通过改变电极结构从而改变权重势场，构成只收集电子的单电荷载流子探测器而忽略空穴产生的信号，这样测量的电荷便与位置无关。这些单极性电极结构中电容弗里希栅探测器的制备工艺能较大提高探测器的能量分辨，且最为简单，也更易实现。目前，关于电容弗里希栅结构的探测器制备方法有许多种，例如，2008年的《半导体技术》第33卷第11期中“室温CdZnTe核辐射探测器研究进展” 一文中简要公开了 CZT探测器的制备方法，该方法(I)未给出钝化液的配比浓度，(2)溅射法制备电极会在晶体表面产生损伤。2008年的《核电子学与探测技术》第28卷第4期中“CdZnTe核辐射探测器的制备“一文中只公开了常规的工艺流程，详细的工艺步骤未报道。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种工艺简单、实用，制备出的CdZnTe探测器的分辨率高的电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下方案实现的:一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，包括(I)CdZnTe晶体的表面处理、
(2)化学腐蚀、(3)电极制备、⑷表面钝化、(5)清洗、(6)封装等工艺步骤，其中:(I)表面处理:采用不同型号的金刚砂多次研磨抛光CdZnTe晶体，将研磨好的CdZnTe晶体用丙酮去油超声清洗、去离子水超声清洗、烘干待用；(2)化学腐蚀:将阳极面的阳极区域覆盖一层保护膜，将覆盖有保护膜的CdZnTe晶体置于溴甲醇溶液中化学腐蚀，腐蚀后的样品用甲醇淬灭，然后清洗掉保护膜、清洗CdZnTe 晶体；(3)电极制备:在CdZnTe晶体阳极覆盖保护膜的区域和阴极用真空镀膜法镀Au，使阳极面积小于阴极面积；(4)表面钝化:将经过步骤(3)后的CdZnTe晶体置于氟化铵(NH4F)、去离子水和双氧水的混合溶液中浸泡，其中混合溶液中的氟化铵(NH4F)、去离子水和双氧水的比例为
2.68g: 17ml: 8ml ；(5)清洗:钝化后用去离子水超声清洗、甲醇脱水、烘干；(6)封装:采用绝缘膜和铜膜围绕在晶体侧面构成电容栅，引出探测器电极。本发明还可以:在所述的步骤(5)后置于烘箱中恒温老化。所述的步骤(4)表面钝化5 30分钟。所述的步骤(2)在溴甲醇溶液中化学腐蚀I 10分钟。所述的步骤(2)中的溴甲醇溶液中溴含量为2% 5%。在步骤(I)之前用热、冷的去离子水清洗所有用具。在所述步骤(2)的化学腐蚀过程中采用恒温、匀速的转动CdZnTe晶体。所述的保护膜为黑蜡。所述步骤(4)中的去离子水的电阻值彡2ΜΩ。与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明将CdZnTe 晶体表面处理、化学腐蚀、电极制备、表面钝化、清洗、封装的步骤有机的结合，使制备出的探测器能量分辨率更好，对662kev能量分辨好于3%。在清洗后将CdZnTe晶体置于烘箱中恒温老化，使探测的性能更加稳定，使用寿命更长。本发明可提高探测器外加偏压值同时降低探测器漏电流，另一方面增强了 CdZnTe探测器的内部场强、减小探测器电容。封装将弗里希栅的长度增加，这样能够加强阳极附件的权重势场，使电子对探测器输出信号起主要贡献，有效地减少空穴陷获对能谱影响。
图1工艺流程2探测器截面示意图
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述:工艺制备前的准备清洗所有用具。分别用热、冷的去离子水冲洗干净，防止附着在用具上的微尘或离子沾污CdZnTe材料。1.CdZnTe晶体表面处理用不同规格型号的金刚砂多次研磨抛光CdZnTe晶体，去掉表面氧化层以及晶体表面的划道、损伤。将研磨好的CdZnTe晶体用丙酮去油超声清洗，去离子水超声清洗，直到去离子水的电阻值> 1.5ΜΩ后烘干待用。本实施例，分别采用W10、W7、W5、W3.5依次进行研磨。
2.化学腐蚀抛光本是实施例采用的化学腐蚀抛光液——溴甲醇溶液:2% 5%的溴，腐蚀I 10分钟。本发明制备的阳极面积小于阴极面积，阳极面的阳极区域覆盖一层保护膜以保护这部分不被化学腐蚀，腐蚀后的样品用甲醇淬灭，由于从腐蚀溶液中取出的CdZnTe样品表面活性高易被氧化，若直接暴露于空气中，会生成不均匀的氧化层，因此应立即放入甲醇中，再换用去离子水(电阻值> 2ΜΩ)反复超声冲洗，直到去离子水的电阻值> 3ΜΩ，然后去除掉保护膜。本实施例中的保护膜采用黑蜡，然后用三氯乙烯溶解掉黑蜡，用丙酮溶液溶解样面表面附着的三氯乙烯，最后用去离子水超声清洗，这样被保护的部分与周围形成台面结构。腐蚀的过程中溴甲醇溶液保持恒温、并匀速转动样品，这样能够防止表面出现腐蚀坑或腐蚀层，影响探测器的能谱特性。化学腐蚀工艺对所使用的腐蚀夹具、聚四氟乙烯容器、烧杯等用具的洁净度要求
非常高。洗干净的样品，在超净工作台上取出，用干燥的氩气吹干，立即放入事先准备好的真空蒸发钟罩内，进行抽真空。目的是尽可能减少样品的自发氧化，影响探测器后续表面电极的制备性能。化学腐蚀抛光，一方面可以去除经机械研磨、抛光等工序后在CdZnTe样品表面留下的损伤和缺陷，改善抛光表面的平整度；另一方面，采用不同试剂组合的腐蚀抛光液。化学腐蚀抛光以外的晶面，在电极下面表面复合速率也不同，甚至差别很大，从而影响对电子、空穴的收集，探测器要得到好的性能，就必须注意制备电极的面，以及核辐射的入射面。实验中必须把研磨后的晶片表面均匀腐蚀掉一薄层，这是探测器制备过程中非常关键的一步，因为腐蚀后的晶片表面特性直接影响到探测器的表面漏电流及电荷的收集特性。3.电极制备本实施例采用真空镀膜的方法，在化学腐蚀抛光后的CdZnTe晶体表面覆盖掩膜，之后沉积Au形成欧姆接触电极，获得阳极面积小于阴极面积的小阳极结构和台面结构。电子枪溅射方法虽然比较先进，得到的薄膜电极表面附着力较强，但同时也会改变CdZnTe晶体表面的晶格结构，一定程度影响探测器性能。化学腐蚀后的CdZnTe样品充分清洗干净以后，在超净工作台上取出样品，用干燥的氩气吹干表面。待样品晾干后，立即放入准备好的真空系统中，盖上准备好的掩膜版，采用真空蒸发工艺在表面上淀积一层Au (蒸发Au时采用螺旋状的钨丝坩锅)，真空度约(5-10) X 10_5Torr。为保证镀膜的质量，先在有挡板的情况下预热两三分钟，当金属开始熔化缩成小球状时再打开挡板，加大电流，将金蒸发完。蒸发时要慢慢加热，防止熔化的金滴落在样品上，损坏样品表面，作为接触用的金层厚度约为300A。探测器一面镀好后，停机打开镀膜机钟罩，将CdZnTe样品翻过来，盖第二套掩膜板，再蒸镀探测器的背面。电极结构截面图如图2所示。4.表面钝化CdZnTe晶体经工艺加工处理后，晶体表面对核辐射探测器性能的好坏起着重要的作用，不同的工艺处理和气氛在表面上产生不同的表面态，即表面电导。样品的表面电导控制了探测器的最大工作电压和表面漏电流，以及探测器的内部电场，从而影响到电荷的传输收集和信号的形成，对单电荷载流子电极结构的探测器，如像素阵列探测器、共平栅或弗里希栅探测器，晶体表面对电场的影响显得尤为重要。表面钝化就是隔离表面与活性气氛之间的作用，在CdZnTe探测器表面生成一层氧化层，使表面产生两个交接面，即CdZnTe和氧化层交界面、氧化层和周围的气氛交界面。因此好的表面钝化工艺可以提高表面稳定性，降低表面电导，减少表面复合，将表面对电荷传输特性和收集的影响降低到最小，达到提高探测器性能的目的。本发明采用的表面钝化方法是直接在表面上生长一层厚约十几纳米的均匀致密的氧化层，考虑到钝化溶液对金电极没有损伤，因此制备电极后用氟化氨(NH4F)、去离子水和双氧水的混合液浸泡样品，比例为2.68g: 17ml: 8ml，5 30分钟，本实施例优选去离子水的电阻值3 2ΜΩ的去离子水。这样电极以外的样品表面呈现漆黑光亮的钝化表面。5.钝化后用去离子水清洗干净、甲醇脱水、烘干。6.本实施例在封装之前，对CdZnTe探测器进行老化处理，放在50°C 125°C的烘箱中恒温2 3小时。7.封装样品钝化后，用绝缘膜和铜膜围绕在晶体侧面构成电容栅，栅的长度增加到与探测器厚度一致，同时起到封装外壳保护探测器的作用，引出探测器电极。本实施例优选采用新型弗里希栅结构，将弗里希栅的高度延伸到CdZnTe晶体的整个高度，并用一薄的绝缘介质与CdZnTe晶体之间隔开，工作电场不被修正，在探测器上建立一新的权重势场。不仅对探测器的漏电流没有本质影响，且增强了阳极附近的权重势场，提高电荷收集效率，提高能量分辨。
权利要求
1.一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，包括⑴CdZnTe晶体的表面处理、(2)化学腐蚀、⑶电极制备、⑷表面钝化、(5)清洗、(6)封装等工艺步骤，其特征在于， (1)表面处理:采用不同型号的金刚砂多次研磨抛光CdZnTe晶体，将研磨好的CdZnTe晶体用丙酮去油超声清洗、去离子水超声清洗、烘干待用； (2)化学腐蚀:将阳极面的阳极区域覆盖一层保护膜，将覆盖有保护膜的CdZnTe晶体置于溴甲醇溶液中化学腐蚀，腐蚀后的样品用甲醇淬灭，然后清洗掉保护膜、清洗CdZnTe晶体； (3)电极制备:在CdZn Te晶体阳极覆盖保护膜的区域和阴极用真空镀膜法镀Au，使阳极面积小于阴极面积； (4)表面钝化:将经过步骤(3)后的CdZnTe晶体置于氟化铵(NH4F)、去离子水和双氧水的混合溶液中，其中混合溶液中的氟化铵(NH4F)、去离子水和双氧水的比例为2.68g: 17ml: 8ml ； (5)清洗:钝化后用去离子水超声清洗、甲醇脱水、烘干； (6)封装:采用绝缘膜和铜膜围绕在晶体侧面构成电容栅，引出探测器电极。
2.根据权利要求1所述的一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，其特征在于，在所述的步骤(5)后置于烘箱中恒温老化。
3.根据权利要求1所述的一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，其特征在于，所述的步骤⑷表面钝化5 30分钟。
4.根据权利要求1所述的一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，其特征在于，所述的步骤(2)在溴甲醇溶液中化学腐蚀I 10分钟。
5.根据权利要求1所述的一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，其特征在于，所述的步骤(2)中的溴甲醇溶液中溴含量为2% 5%。
6.根据权利要求1所述的一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，其特征在于，在步骤(I)之前用热、冷的去离子水清洗所有用具。
7.根据权利要求1所述的一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，其特征在于，在所述步骤(2)的化学腐蚀过程中采用恒温、匀速的转动CdZnTe晶体。
8.根据权利要求1所述的一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，其特征在于，所述的保护膜为黑蜡。
9.根据权利要求1所述的一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，其特征在于，所述步骤(4)中的去离子水的电阻值彡2ΜΩ。
全文摘要
本发明公开了一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺，包括(1)CdZnTe晶体的表面处理、(2)化学腐蚀、(3)电极制备、(4)表面钝化、(5)清洗、(6)封装等工艺步骤。该发明提供了一种工艺简单、实用，制备出分辨率高的电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺。
文档编号H01L31/18GK103094405SQ201110344109
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者孟欣, 郝晓勇, 张凯, 刘洋, 何高魁, 陈国柱 申请人:中国原子能科学研究院