CdZnTe核辐射探测器性能不均匀性研究

发布时间：2023-03-19 05:07

　　Cd_1-xZn_xTe(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10 keV¹ MeV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(20×20×15 mm³)、高电子迁移率寿命积(>10^-22 cm²/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...

【文章页数】：159 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
论文的主要创新与贡献
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 化合物半导体探测器基本工作原理以及对材料的要求
    1.3 CdZnTe化合物半导体核辐射探测器
        1.3.1 CdZnTe晶体基本物理属性
        1.3.2 CdZnTe作为室温核辐射探测器的优势
    1.4 CdZnTe半导体在核辐射探测领域的发展及应用
        1.4.1 空间探测
        1.4.2 核医学成像
        1.4.3 核安全
        1.4.4 其他
    1.5 影响CdZnTe探测器性能均匀性的常见因素
        1.5.1 成分偏析
        1.5.2 点缺陷不均匀分布
        1.5.3 结构缺陷
            1.5.3.1 Te夹杂相
            1.5.3.2 Te沉淀相
            1.5.3.3 亚晶界
            1.5.3.4 其他缺陷
        1.5.4 制备工艺
        1.5.5 其他因素
    1.6 CdZnTe晶体中带电粒子诱导辐照损伤研究
        1.6.1 带电粒子与物质的相互作用
        1.6.2 带电粒子辐照损伤产生机制
        1.6.3 带电粒子辐照损伤对CZT探测器性能的影响
    1.7 本文研究思路及内容
第2章 实验方法
    2.1 引言
    2.2 离子束诱导电荷技术
    2.3 微区电流-电压测试及试样处理
    2.4 γ能谱测试
    2.5 红外透射显微成像
    2.6 开尔文探针力显微镜
    2.7 光致发光谱
    2.8 热激电流谱
第3章 Te夹杂对CdZnTe探测器载流子输运特性的影响
    3.1 引言
    3.2 Hecht方程
    3.3 基于扩展缺陷影响的修正Hecht方程
    3.4 Te夹杂对电子收集效率的影响
        3.4.1 CdZnTe探测器电荷收集与Te夹杂对应关系
        3.4.2 探测器偏压对Te夹杂诱导电荷损失的影响
        3.4.3 不同偏压下Te夹杂俘获电荷量的定量描述
    3.5 Te夹杂对像素探测器I-V特性的影响
        3.5.1 Te夹杂对不同尺寸像素漏电流的影响
        3.5.2 Te夹杂影响像素探测器I-V特性的机理分析
    3.6 本章小结
第4章 Te夹杂对CdZnTe晶体电势分布的影响及机理
    4.1 引言
    4.2 不同表面处理对于Te夹杂电势分布测量结果的影响
    4.3 Te/CdZnTe界面电学特性分析
        4.3.1 Te/CdZnTe界面附近电场及空间电荷分布
        4.3.2 Te/CdZnTe界面处能带分布及对载流子输运特性的影响
        4.3.3 不同偏压下Te/CdZnTe界面附近电势分布
    4.4 Te夹杂形状与Te/CdZnTe电势差之间关系
        4.4.1 Te/CdZnTe电势差与Te夹杂形状依赖关系
        4.4.2 不同晶向Te/CdZnTe界面电势分布
        4.4.3 不同晶向Te/CdZnTe界面势垒产生差异的机理探讨
        4.4.4 Te/CdZnTe电势差与不同晶向接触晶面电势差之间关系模型
        4.4.5 不同形状完整Te夹杂对于载流子输运特性的影响
    4.5 本章小结
第5章 2MeV质子诱导辐照损伤对CdZnTe探测器性能均匀性的影响及机理
    5.1 引言
    5.2 2MeV质子与CdZnTe晶体相互作用计算结果
    5.3 2MeV质子辐照损伤对CdZnTe探测器性能的影响
        5.3.1 实验过程
        5.3.2 辐照损伤区域脉冲高度谱随辐照剂量的变化
        5.3.3 微区辐照损伤对宏观脉冲高度谱以及电荷收集效率分布均匀性的影响
        5.3.4 质子诱导辐照损伤恶化探测器性能均匀性的机理分析
    5.4 2MeV质子诱导辐照损伤对CdZnTe晶体缺陷分布的影响
        5.4.1 实验过程
        5.4.2 基于PL谱分析辐照损伤引入的缺陷分布变化
        5.4.3 辐照损伤前后TSC谱的影响
        5.4.4 用于TSC解谱的同步多峰拟合方法
        5.4.5 辐照损伤引入的深能级缺陷浓度变化
    5.5 本章小结
第6章 2.08GeV Kr⁺粒子诱导辐照损伤对CdZnTe探测器光电性能的影响
    6.1 引言
    6.2 2.08 GeV Kr⁺粒子与CdZnTe晶体相互作用计算结果
    6.3 2.08 GeV Kr⁺粒子诱导辐照损伤对CdZnTe探测器光电性能的影响
        6.3.1 Kr⁺粒子脉冲高度谱随入射剂量的变化
        6.3.2 Kr⁺粒子辐照损伤对CZT探测器漏电流的影响
        6.3.3 Kr⁺粒子辐照损伤对CZT探测器能谱特性的影响及机理
    6.4 2.08 GeV Kr⁺粒子诱导辐照损伤对CdZnTe晶体发光特性的影响
        6.4.1 辐照损伤对PL谱积分强度的影响
        6.4.2 不同温度下各发光峰变化规律及其与辐照损伤之间的关系
    6.5 2.08 GeV Kr⁺粒子诱导辐照损伤对CdZnTe晶体缺陷分布的影响
        6.5.1 辐照损伤对TSC谱积分强度的影响
        6.5.2 辐照损伤对CZT晶体中缺陷浓度的影响
    6.6 本章小结
主要结论
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况



本文编号：3764619