像素CdZnTe探测器的研制

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CdZnTe核辐射探测器的制备

研究和核探测领域中的需要，我们对ＣＴ和ｄｅＣＺＴ材料进行了有机、机试剂清洗和化ｄｎｅ无学抛光腐蚀试验，采用国产的碲锌镉材料制备出了ＣＺＴ核辐射探测器。ｄｎｅ
收稿日期：０７０ —９２０－６２
作者简介：王柱生（９５）男，肃天水人，国１５年，甘中科学院近代物理研究所高级工程师从事半导体辐射探测器的研制工作。
拉制出了高质量的ＣＴｄｅ和ＣＺＴ单晶材ｄｎｅ料。ＣＴｄｅ材料具有禁带宽度大（ｇ一１Ｅ．４ｅ）原子序数Ｚ为Ｃ一５、ｅ８有效原４Ｖ，ｄ２Ｔ＝４，
子序数Ｚ为５，度５８ｇｃ。而碲锌镉Ｏ密．５／ｍ２
试结果。对ａ带电粒子Ｔｈ－／６０Ｍｅ８７Ｍｅ）ＷＨＭ＝２０、１ｍ（．８ＭｅＦｅ（．４Ｖ、．８ＶＦｃ．２Ａ４５４６Ｖ）ＷＨＭ＝２．
３，ｓ ” Ｃ低能７６２ｅＦ（６ｋＶ）ＷＨＭ＝９７和。ｉ１４．ｋＶ、７．ｋＶ）．Ｂ（Ｏ８１ｅ９５６ｅ内转换电子所测定的能谱。关键词：Ａｎ￣核辐射探测器；ＣＺＴｅ能量分辨率中图分类号：Ｔ８４Ｌ１文献标识码：Ａ文章编号：０５ —９４２０）４０６—３２８０８（０８０ —７４０
（ｄｎ）ｇ．ｅ原子序数ＺＣ一５、ｎＣＺＴｅＥ＝１６Ｖ，（ｄ２Ｚ
一３、＝４、密度５８ｇｃ，比而言禁带０Ｔｅ８）．１／ｍａ相宽度更宽，子序数Ｚ大，一种性能优异的原是三元化合物半导体室温核辐射探测器材料，具

CdZnTe单元探测器信号模拟及仿真

ＬＩＹａｗｅ — ｎ，ＳＵｉｙｉＨａ — ｎｇ
（ｎｎｓｔｔｏＰｉ，ｕｍｉｇＹｔｕｅｆｓｓＫｎｎｕｎｎ６０２，ｈｎＩｉｃａ
Ａｂｔａｃ：ＴｈＺｎｉｇｅｅｅｎｔｌｎｒｄｔｃｏ ’ ｒｉｇｔｅｒｎｒｎｇｍｏｅｓｉｔｏｃｄ．ｓｒｔｅＣｄＴｅｓｎｌ — ｌｍｅａａｅｅｔｒＳｗｏｋｎｈｏｙａｄｗｏｋｐｉｄｌｗａｎｒｄｕｅｈｈｃｅｉｔｓｏｆｔｔｕｉａｓａｌｚｄａｄｃＴｅｃａａｔｒｓｃｈｅｏｕｐｔｓｇｎｌｗａｎａｙｅｎｏｍｐｕｅｈｅｒｓｌｎｉａｅｈｔｕｕｒｎｒｉｔｄ．ＴｅｕｔｉｄｃｔｓｔｅｏｕｐｔｃｒｅｔｐｌｅｉｌＡ／Ｖｎｓｔｍｅｉｅｔｎｎｏｅｏｎｓｈｅｃｍｐｅｍｅｈｄｏｆｔｅｃｒｅｏｒｅａｄｕｓｓｋｅａｄｒｅｉｓａｆｗｅａｓｃｄ．ＴｏｕｔｔｏｈｕｎｔｓｕｃｎｉｎｎｖｌａｏｒｅｐａｅｅｓｉｉｌｔｙＰＳｃｓｄｓｕｓｄ．ｏｔｇｅｓｕｃａｍｔｒｎｓｍｕａｅｂｐｉｅｉｉｃｓｅｒ
（明物理研究所，云南昆明６０２）昆５２３
摘要：介绍了ＣＺＴ单元平面型射线探测器工作原理和模型，并对其输出的电流脉冲信号进行了ｄｎｅ理
论计算和分析，结果表明输出电流信号约为１ＡｋＶ、脉冲上升时间为几十纳秒。讨论了在ＣＺＴ／ｅｎｄｎｅ探测器前放电路设计过程中，采用ＰｐｅＳｉ软件进行模拟和仿真时，ｃ信号源选择采用电流源和电压源的参数计算方法。关键词：ＣＺＴ；射线探测器；电荷灵敏放大器；仿真ｄｎｅ

γ谱仪中CdZnTe探测器的峰形拟合

其中，
采集：Ｖ公司ＳＥＲ系列（ｍ ×５ｍ× ｅＰＡ５ｍｍ５ｍ）ａｒ和前放集成一体的ＣＴ探测器，ｒ（ｎｅＯ—
ｔｃ７Ａ主放、Ｈ１３Ａ高压和ＯＭｏｄ１２ｅ５２Ｆ０４ｒ８９
ｈｅｐ（ — ｉ））ｘ０］＊
维普资讯
第２卷７
２００７年
第４期
７月
核电子学与探测技术
ＮｕｌｒｌｃｒｎｃｃｅｅｔｏｉａＥｓ＆ＤｔｃｉｎＴｅｈｏｏｙｅｅｔｃｎｌｇｏ
Ｖｏ．７Ｎｏ４１２．
Ｊｌ２０ｕｙ０７
全能峰中的尾成分，同的算法则给出了不同不的函数模型。几种典型的算法所给出的全能峰
模型如下：１ＳＭＰ）ＡＯ算法
算法中峰形尾部用指数函数拟合，剩下的部分用高斯函数拟合，这两个函数的连接点就是二者的斜率及高度相一致的点。。［Ｌ
Ｈｇｘ一ｅｐ（）ｆｒ一ｏ。＋
谱仪中ＣＺＴｅ探测器的峰形拟合ｄｎ
曾利萍，魏义祥
（清华大学工程物理系，北京１０８）００４
摘要：峰形拟合在核能谱解析中具有重要而广泛的应用。针对新型ＣＺＴｅｄｎ探测器全能峰具有显
著低能尾巴的峰形特点。在讨论ＣＺＴ探测器不同拟合算法基础上，用高斯函数和指数函数的Ａｎｅ采
分模拟（如果必要也可以加上长尾成分）Ｄ２：，Ｊ
收稿日期：０－５８０６０－０

核物理实验中的探测器技术进展

核物理实验中的探测器技术进展在探索微观世界的奥秘、深入研究核物理现象的征程中，探测器技术的不断发展和创新始终扮演着至关重要的角色。

核物理实验旨在揭示原子核的结构、性质以及各种核反应过程，而探测器则是获取这些宝贵信息的关键工具。

近年来，随着科学技术的飞速进步，核物理实验中的探测器技术也取得了显著的进展，为核物理研究带来了前所未有的机遇和挑战。

传统的核物理探测器主要包括气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器等。

气体探测器，如正比计数器和盖革计数器，通过测量入射粒子在气体中产生的电离效应来探测粒子。

闪烁探测器则利用闪烁体材料在受到粒子激发时发出的闪光来实现探测。

半导体探测器，如硅探测器，凭借其高分辨率和良好的能量线性响应，在核物理实验中得到了广泛应用。

然而，随着核物理研究的深入和实验要求的不断提高，传统探测器在某些方面逐渐显露出局限性。

例如，在对高能粒子的探测中，传统探测器的能量分辨率和位置分辨率可能无法满足要求；在大规模实验中，探测器的计数率和抗辐射能力也面临着严峻的考验。

为了克服这些问题，科研人员不断探索和创新，推动了新型探测器技术的发展。

一种重要的新型探测器技术是时间投影室（Time Projection Chamber，TPC）。

TPC 可以同时提供粒子的三维径迹和能量信息，具有出色的空间分辨率和能量分辨率。

它通过在充满气体的腔体中施加电场，使入射粒子电离产生的电子在电场作用下漂移，并在探测器的端面上被收集和测量。

通过分析电子的漂移时间和位置，可以重建粒子的径迹和能量。

TPC 在重离子碰撞实验、中微子实验等领域发挥了重要作用。

另一个引人注目的进展是微结构气体探测器（Micro Pattern Gas Detector，MPGD）的出现。

MPGD 结合了气体探测器和半导体探测器的优点，具有高计数率、高位置分辨率和良好的时间分辨率。

其中，气体电子倍增器（Gas Electron Multiplier，GEM）和微网格气体探测器（Micromegas）是 MPGD 的典型代表。

CdZnTe 像素探测器的制备与表征

CdZnTe 像素探测器的制备与表征王闯;查钢强;齐阳;郭榕榕;王光祺;介万奇【摘要】本文采用CdZnTe单晶制成像素探测器，并对其能谱响应特性及均匀性进行了系统表征。

通过I‐V和能谱响应测试，测定了晶体的电阻率和载流子迁移率与寿命的积，并用红外透过显微成像观察了晶体内Te夹杂的分布特性。

采用光刻、剥离和真空蒸镀技术，在CdZnTe晶片上制备了8×8的像素电极，用丝网印刷和贴片技术通过导电银胶实现像素电极与读出电路的准确连接，制备出CdZnTe像素探测器。

对像素探测器的测试表明，－300 V下单像素最大漏电流小于0.7 nA ，对241 Am 59.5 keV的能量分辨率可达5.6％，优于平面探测器。

进一步分析了晶体内Te夹杂等缺陷对探测器漏电流和能谱响应特性的影响规律，结果表明，Te 夹杂的聚集会显著增加漏电流，并降低探测器的能量分辨率。

%The CdZnTe single crystal was fabricated into a pixel detector and its energy spectroscopic response and uniformity were systematically characterized .The resistivity and product of carrier mobility and lifetime were calculated by I‐V and energy spectro‐scopic response test .The distribution of Te inclusions was observed with IR transmis‐sion imaging .A 8 × 8 pixel electrode was fabricated employing photolithography ,lift‐off and electrode deposition techniques .Then ,the detector was bonded tothe readout PCB board with conductive silver adhesives using stencil printing and patching techniques .The tes‐ting results show that the maximum leakage current of single pixel is less than 0.7 nA .The energy resolution for 241 Am 59.5 keV is up to 5.6% ,which is better than that of planar detec‐tor .The analysis of the influence of Te inclusions on leakagecurrent and energy spectroscopic response predicts that the aggregation of Te inclusions will increase the leakage current and in consequence reduce the energy resolution of the detector .【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】5页(P1320-1324)【关键词】CdZnTe;像素探测器;能量分辨率【作者】王闯;查钢强;齐阳;郭榕榕;王光祺;介万奇【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072;陕西迪泰克新材料有限公司，陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TL814CdZnTe(CZT)是一性能优异的室温核辐射探测材料[1]，具有原子序数高、禁带宽度较大，并可在室温下工作的特点。

四元并行电容性Frisch栅肖特基CdZnTe探测器

行电容性Ｆｉｈ栅肖特基ＣＺＴｒｃｓｄｎｅ探测器
施朱王斌，林军，闵华，秦凯丰，梁小张军，嘉燕，继黄健，可，义本唐夏
（上海大学材料科学与工程学院，上海２０７）００２摘要：由于ＣＺＴ（Ｚ）ｄｎｅＣＴ探测器尺寸和能量分辨率受到工艺限制，采用电容性Ｆｉｈ栅探测器结构，多个薄的单ｒｃｓ将元探测器并行叠加使其等效为大体积的探测器，用于克服单元小探测器探测效率低的缺点，同时单极电荷的几何结果有效克服了载流子的复合．探测器的电极接触为肖特基接触（ｎｐＣＴＡＣ，一步压缩了权重势，Ｉ—／Ｚ — ｕ１）进降低了噪声，降低了漏电流，从而得到大体积多元并行探测器的能量分辨率不受单元能量分辨率最差探测器的限制，并且
ｒｃｍｂｎｔｎｂｈｅｍｅｒｃｏｎｐｌｒｃａｇ．ＴｅｅｅｔｄｏｔｃｆｔｅｄｔｃｏｓｍａｅｏｃｏｔｙｃｎａｔｅｏｉａｉｙｔｅｇｏｔｆｕｉｏａｈｒｅｏｉｈｌｃｒｅｃｎａｔｏｈｅｅｔｒｗａｄｆＳｈｔｏｔｃｏｋｗｈｃａｒｈｒｃｍｐｅｓｔｅｗｅｇｔｆｏｅｔｎｅｕｅｔｅｌａａｅｃｒｎｏｓ．Ａｒｅｖｌｍｅｍｕｉｌｍｅｔａ — ｉｈｃｎｆｔｅｏｒｓｈｉｈｔｎｉａｄｒｄｃｅｋｇｕｒｔｉｅｕｏｐｌａｈｅｎｌｇｏｕｈ — ｅｎｒａｅｐ

CZT探测器工作原理与性能分析

CZT探测器工作原理与性能分析1 CZT晶体性能分析...................................................................... .. (1)2 CZT工作原理...................................................................... . (2)3 CdZnTe探测器的类型 ..................................................................... (3)4 CZT国内外研究现状及发展应用趋势 ..................................................................... . (4)4.1 国内外研究现状 ..................................................................... . (4)4.2 CZT发展应用趋势...................................................................... (4)碲锌镉(CZT)探测器是目前倍受关注的半导体核辐射探测器之一，与其他常用探测器相比，它有较多优点，下面进行对CZT晶体和探测器工作原理作相应的介绍。

1 CZT晶体性能分析CdZnTe晶体是近年发展起来的一种性能优异的室温半导体核辐射探测器新材料，闪锌矿结构，空间群为F43m。

CdZnTe晶体是由于CdTe晶体的电阻率较低。

所制成的探测器漏电流较大，能量分辨率较低，在CdTe中掺入Zn后，其禁带宽度增加。

发展成为一种新材料。

CdZnTe(20,ZnTe，80,CdTe)晶体电阻率高(约1110,cm)、原子序数大(48,52)，禁带宽度较大。

医疗CT中碲锌镉(CZT)探测器的工作原理

图6 CdZnTe探头电路设计图
CZT探头采用8路脉冲实现数据采集，其中每一路均有一片4 ㎜ ×4 ㎜ × 2㎜的晶片组成。
3、CZT探测器在医用CT中应用的优势
CT图像质量的参数
空间分辨率密度分辨率（能量分辨率）探测效率
图7：CdTe探测器与其它常用探测器性能比较
高能量分辨率高空间分辨率
CT值＝k
μm－μw μw
在多数CT中，k取1000；CT的单位为H
水
空气
骨头
μ
1
0.0013
2
CT值
0
-1000
+1000
一个CT装置的密度分辨率为△H=5，即能鉴别相当于0.5％ μw的密度差异，而胶片则望尘莫及。
第一代
1.2 医用CT的发展过程[1]
第二代
第三代
第四代
第五代
结构：
一个X射线管﹢一个探测器
高探测效率
例如：平板探测器的量子探测效率(DQE )
CdTe：40~60%, 闪烁体(如CsI) ：30~40%
图8、不同探测器探测效率比较
CZT探测器制作工艺的优势
晶体体积和面元像素的大小根据对空间和能量分辨率以及测量能谱范围等具体探测要求而定。
CZT探测器优点
• 高能量分辨率 • CZT探测到的光子直接转换产生电荷，无需光电倍增管和光电转换过程，这使它具有更高的电荷
号，也就是进行扫面和采集数据。
晶体闪烁体探测器
X X
射
射T阵列
闪烁体光信号耦合 TFT阵列
工作原理：X射线打到闪烁体上，产生次级光，然后通过光电二极管阵列，如图8-1所示；或是CCD阵列，如图8-2所示转化成电信号

CdZnTe像素阵列探测器成像评价模型及实验

主要原因。・
关键词：碲锌镉；半导体探测器；辐射成像探测；评价函数
中图分类号：ＴＬ１８６文献标志码：Ａｄｉ１．７８ＨＰＰ２１２１．４５ｏ：ｏ３８／ＬＢ０１３２３０
系统预采样调制传递函数。实验结果表明：型理论值与实验数据相符合，际ＣＺＴｅ晶体中存在的固有深模实ｄｎ能级缺陷、验所采用的非单色性Ｘ射线源及较大的实际像素间隙是造成理论值与实验结果存在一定偏差的实
摘
要：考虑载流子陷获效应建立了碲锌镉（ｄｎｅ像素阵列探测器感应电荷分布模型，从非平衡ＣＺＴ）并
载流子连续方程出发，导了晶体内部陷获载流子数密度分布，到了ＣＺＴｅ测器成像调制传递函数评价推得ｄｎ探模型。数值计算结果表明：随入射光子能量的增加，测器成像质量明显下降；电子载流子与空穴载流子迁探当移寿命积范围分别为０５Ｏ～５０ｌｃｖ，． ×１～７５０ｃ／时，子载流子感应信号． ×ｌ． × Ｏｍ／２００． ×１ｍＶ电
探测器成像评价模型，析讨论了人射光子能量、流子迁寿命积等关键物理参数对探测器成像质量的影分载

基于高能γ源的CdZnTe成像探测器极化效应研究

量率条件下，ＣＺＴｅ晶体内部载流子电荷密度较低时，部电势分布主要受外加偏压影响，体内即ｄｎ内晶
部电势与偏压为线性关系，场呈均匀分布。在高辐射注量率条件下，晶体内部载流子电荷密度较高电即
摘要：用第一类边界条件泊松方程，导了碲锌镉（ｄｎｅ探测器晶体内部电势分布，究了应推ＣＺＴ）研
ＣＺＴ探测器在 ” ｃ高能丫源成像探测过程中的极化效应。数值计算与实验结果表明：低辐射注ｄｎｅｓ在
第４卷第８５期
２１年８０１月
原
子
能
科
学
技
术
Ｖｏ．１４５，Ｏ８Ｎ．Ａｕｇ２１．０１
ＡｔｍｉｅｇｙＳｃｅｅａｃｏｃＥｎｒｉｎｃｎｄＴｅｈｎｏｏｇｌｙ
基于高能源的ＣＺＴ成像探测器ｄｎｅ极化效应研究
时，内部电势分布出现极化区域，电场分布发生扭曲，子载流子向辐照区域外侧迁移，成辐照中心无电形
信号而辐照边缘区域仍有响应信号的极化探测图像。极化效应造成ｃｚＴｄｎｅ探测器探测性能严重退化，照边缘区域像素事件计数下降约７。辐Ｏ关键词：射成像探测；导体探测器；ｄｎｅ极化效应；素阵列辐半ＣＺＴ；像

CZT探测器研究背景意义及现状

CZT探测器研究背景意义及现状1研究的背景和意义 (1)2国内外研究现状 (2)1研究的背景和意义X射线和伽玛射线能谱探测和成像探测技术是空间科学、原子核科学、材料科学和生物医学科学的关键技术手段，它在核能利用、辐射防护、生物医学、安全检测、环境监测、材料分析、微纳加工和天文探测等方面都有重要应用。

特别是在当前国际合作和交流中，便携式核安全检测是国防安全的一个重要方面，迫切需要高性能的辐射探测器，而碲锌镉（CdZnTe）面元像素阵列探测器正是近年兴起的核探测技术之一。

早期的核辐射探测器采用气体雪崩电离室、超临界液体气泡室、光电子倍增管和固体闪烁体等探测方法，这些探测方法要么体积大、集成度低，要么探测效率和时间响应仍不能满足应用需求，比如光电倍增管存在能耗高、噪声大等问题，而固体闪烁探测器则存在光散射和能量分辨率低等缺点。

因此，提高探测器性能的关键是提高能量转换效率、信号处理速度和系统集成度。

由于集成电路技术的发展，半导体探测器在这方面显示出有较大优势和潜力。

常见的几种半导体辐射探测器，与闪烁晶体相异，半导体辐射探测材料要求载流子迁移率大以实现快速响应，同时又要求半导体禁带宽度大以减小热电流，实现室温探测。

为此，要求半导体材料同时具有较宽的能带和能隙，一般来说，只有在高原子序数的半导体材料中才能实现。

同时，由于伽玛射线与原子的作用通常随原子序数的增加而增强，高原子序数的半导体材料也会具有更高的探测效率。

硅材料具有的原子序数较低，因而适合低能射线的探测，用作高能射线探测则探测器材料的厚度必须大于厘米量级才能保证探测效率；高纯锗和砷化镓具有中等大小的原子序数，因而可以用于高能射线的探测，但探测材料的厚度也要达到厘米量级；碲化镉（CdTe）和碲锌镉（CdZnTe）具有较高的原子序数，因而探测材料的厚度可以达到毫米量级；至于碘化钠、碘化汞和碘化铅，则由于原子序数相差较大，载流子的迁移率非常低，因而是闪烁晶体的候选材料，不太适合做半导体光电子探测器。

医疗CT中碲锌镉(CZT)探测器的工作原理

气体电离探测器
常用气体：氙气；工作原理：
第一步第二步第三步
在氙气探测器上施加高压电厂和气压，使之处于电离饱和状态。
所有自由电荷都垂直于 X射线方向收集。
从而形成信号电流，直接反映探测器接受 X射线的情况。
半导体探测器（CdTe/CdZnTe）
在医学成像器件上， CZT探测器常被制成由许多单元探测器组成的阵列，单片一维阵列，单片二维阵列，像素探测器。图5 CdZnTe探测器示意图
结构：多个探测器
特点：扫描速度慢，易单帧影像扫描时产生运动伪像。间缩短到20秒左右,但对腹部来说仍嫌太长。
以X射线的磁偏结构：转代替了原来X 在第三CT机的 X射线管和探头基础上增加探测射线管的偏转, 作为一个整体, 大大缩短了扫描器的数目(约使用宽角度扇形 420~1500个), 时间,使单帧扫 X射线束,包围患布满整个360° 描时间缩短0.1 者断层而成一个环形圈. 秒,从而提高了扫描时探测器静对快速活动的器特点：进一步提高了扫止不动,仅X射线官的诊断能力。管旋转,使单帧描速度,将单帧扫描时间减到了扫描时间进一步缩短到2秒以下。 2~3秒。
图6 CdZnTe探头电路设计图 CZT探头采用8路脉冲实现数据采集，其中每一路均有一片 4 ㎜ ×4 ㎜ × 2㎜的晶片组成。
3、CZT探测器在医用CT中应用的优势
空间分辨率 CT图像质量的参数密度分辨率（能量分辨率）探测效率
图7：CdTe探测器与其它常用探测器性能比较
高能量分辨率
使用环境
第三代CT的工作原理
图4
第三代工业CT 的工作原理
扫描方式：被扫描物体要适合于探测器视图范围，每成一层像X射线—探测器系统要旋转一次，然后以层宽为基础对被测物进行重新定位。优点：时间短缺点：生成图像中的固有光圈

一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺[发明专利]

专利名称：一种电容弗里希栅CdZnTe探测器的制备工艺专利类型：发明专利
发明人：孟欣,郝晓勇,张凯,刘洋,何高魁,陈国柱
申请号：CN201110344109.3
申请日：20111104
公开号：CN103094405A
公开日：
20130508
专利内容由知识产权出版社提供
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。

申请人：中国原子能科学研究院
地址：102413 北京市275信箱65分箱
国籍：CN
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CdZnTe像素阵列探测器成像评价模型及实验

CdZnTe像素阵列探测器成像评价模型及实验黎淼;肖沙里;王玺;曹玉琳;陈宇晓;聂玲;张流强【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2011(23)12【摘要】A flexible induced charge model of CdZnTe pixellated detector is presented. This model takes into account the charge trapping effect in the detection process. The distribution of the trapped carriers in CdZnTe crystal is derived based on the continuity equations. In consequence, an evaluation model based on the presampling modulation transfer function (presampling MTF) is obtained. As shown through the numerical simulation, the detector imaging quality decreases obviously with the increase in incident photon energy. When the electron- and hole-mobility lifetime products are 0. 5×10-3 to 5. 0× 10-3 cm2/V and 2. 0× 10-5 to 7. 5×10-5 cm2/V, respectively, the model signal is almost due to the electron transport, and the hole transport contrib-utes relatively little to the model signals. The carrier collection characteristics of the model correspond with the practical single po-larity characteristics of the pixellated CdZnTe detector. Moreover, a 40 mm× 40 mm CdZnTe imaging system has been estab-lished. The experimental data based on the obtained presampling MTF show that the simulation results are consistent with the ex-perimental data well. The discrepancies between the simulated results and the experimental data are mainly attributed to the in-trinsic deep leveltrapping centers, the poly-energetic X ray source that has been applied in the experiment and the practical pixelgap.%考虑载流子陷获效应建立了碲锌镉(CdZnTe)像素阵列探测器感应电荷分布模型,并从非平衡载流子连续方程出发,推导了晶体内部陷获载流子数密度分布,得到了CdZnTe探测器成像调制传递函数评价模型.数值计算结果表明:随入射光子能量的增加,探测器成像质量明显下降；当电子载流子与空穴载流子迁移寿命积范围分别为0.5×10-3～5.0×10-3cm2/V,2.0×10-5～7.5×10-5cm2/V时,电子载流子感应信号是探测器响应信号的主要来源,而空穴迁移寿命积变化对探测器成像性能的影响有限,所建立模型的载流子收集特性与实际探测器载流子收集特性相符.搭建了40mm×40mm的CdZnTe成像探测系统,探测并获得了系统预采样调制传递函数.实验结果表明:模型理论值与实验数据相符合,实际CdZnTe晶体中存在的固有深能级缺陷、实验所采用的非单色性X射线源及较大的实际像素间隙是造成理论值与实验结果存在一定偏差的主要原因.【总页数】7页(P3405-3411)【作者】黎淼;肖沙里;王玺;曹玉琳;陈宇晓;聂玲;张流强【作者单位】重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TL816【相关文献】1.基于CdZnTe像素阵列探测技术的伽玛源成像 [J], 黎淼;肖沙里;张流强;曹玉琳;陈宇晓;沈敏;王玺2.基于柱面镜的太赫兹阵列探测器扫描成像实验研究 [J], 蔡健; 李亚茹; 吴炎际3.单像素复振幅成像及实验分析 [J], 张跃华;隋国荣4.面元像素CdZnTe辐射探测器成像系统的设计 [J], 沈敏5.室温核辐射CdZnTe像素阵列探测器的研制 [J], 李霞;褚君浩;李陇遐;戴宁;张福甲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

CdZnTe像素探测器的电输运性能

CdZnTe像素探测器的电输运性能南瑞华;王朋飞;坚增运;李晓娟【摘要】碲锌镉(CdZnTe)是一种性能优异的室温核辐射半导体探测器材料,广泛应用于核安全、核医学以及空间科学等领域.然而,传统的CdZnTe平面探测器受制于"空穴拖尾"效应的影响,探测性能有待改善.采用改进的垂直布里奇曼法生长的In掺杂Cd0.9Zn0.1Te单晶制备出单载流子收集的4×4像素阵列探测器,通过电流-电压(I-V)测试和γ 射线能谱响应测试,研究了像素探测器的电学性能和载流子电输运性能,随之与相应的CdZnTe平面探测器进行了性能对比.结果表明,CdZnTe像素探测器的电阻率约为1.73×1010?·cm,且施加100 V偏压后单像素点的最大漏电流小于2.2 nA;当施加偏压升高至300 V时,单像素点对*************的γ射线的最佳能量分辨率可达5.78%,探测性能优于相同条件下制备的CdZnTe平面探测器.%Semi-insulating cadmium zinc telluride (CdZnTe or CZT) is an excellent material candidate for fabricating room-temperature nuclear radiation semiconductor detectors due to its high resistivity and good carrier transport behaviors. It is widely used in nuclear security, nuclear medicine, space science, etc. Nevertheless, the traditional CdZnTe planar detector is subjected to the effect of "hole trailing" on its hole transport characteristic, where its energy resolution and the photoelectric peak efficiency both decrease, and thus deteriorating the detection performance. In order to eliminate the effect of hole capture, the electrode with pixel structure for CdZnTe detector is designed for detecting single carriers that are only electrons. In this paper, a 10 mm × 10 mm × 2 mm wafer cut from an In doped Cd0.9Zn0.1Te single crystal, grown by the modified verticalBridgman method, is employed to fabricate a 4 × 4 CdZnTe pixel detector, which is composed of 16 small pixel units with an area of 2 mm × 2 mm. Each of the pixel units is linked up with ASIC multichannel preamplifier and shaping amplifier by flip chip technology. Finally, the signal is treated by an integrated sensing chip. In the first case, the electrical properties and carrier transport properties of CdZnTe pixel detector are characterized by current-voltage (I-V ) measurement via an Agilent 4155C semiconductor parameter analyzer and γ ray energy spectrum response via a standard Multi Channel Analyzer 6560 spectra measurement system, respectively. In the second case, the differences between CdZnTe plan ar detector and 4 × 4 pixel detector in the detection performance are discussed in detail. The results indicate that the bulk resistivity of CdZnTe pixel detector is determined to be about 1.73 × 1010 ?·cm by a linear fit of I-V curve. The maximum leakage current of a single pixel is less than 2.2 nA for a bias voltage of 100 V. Furthermore, the carrier transport behaviors are evaluated with the mobility-lifetime product for electron in CdZnTe detector, which is 5.41×10-4 cm2·V-1 estimated byγray energy spectroscopy response under various bias voltages from 50 to 300 V at room temperature. The energy resolutions of the two CdZnTe detectors can reflect the ability of them to distinguish different energy gays during operation. The best energy resolution of a single pixel in CdZnTe pixel************************γrayincreasesupto5.78%undera300V bias voltage, whereas that of CdZnTe planar detector is only 6.85% in thesame conditions. As a consequence, the detection performance of 4 × 4 CdZnTe pixel detector is better than that of the planar detector.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)020【总页数】8页(P232-239)【关键词】碲锌镉;像素探测器;γ射线能谱响应【作者】南瑞华;王朋飞;坚增运;李晓娟【作者单位】西安工业大学材料与化工学院, 陕西省光电功能材料与器件重点实验室, 西安 710021;西北工业大学材料学院, 凝固技术国家重点实验室, 西安 710072;西安工业大学材料与化工学院, 陕西省光电功能材料与器件重点实验室, 西安710021;西安工业大学材料与化工学院, 陕西省光电功能材料与器件重点实验室, 西安 710021;西安工业大学材料与化工学院, 陕西省光电功能材料与器件重点实验室, 西安 710021【正文语种】中文碲锌镉(CdZnTe)是一种性能优异的室温核辐射半导体探测器材料,广泛应用于核安全、核医学以及空间科学等领域.然而,传统的CdZnTe平面探测器受制于“空穴拖尾”效应的影响,探测性能有待改善.采用改进的垂直布里奇曼法生长的In掺杂Cd0.9Zn0.1Te单晶制备出单载流子收集的4×4像素阵列探测器,通过电流-电压(I-V)测试和γ射线能谱响应测试,研究了像素探测器的电学性能和载流子电输运性能,随之与相应的CdZnTe平面探测器进行了性能对比.结果表明,CdZnTe像素探测器的电阻率约为1.73×1010Ω·cm,且施加100 V偏压后单像素点的最大漏电流小于2.2 nA;当施加偏压升高至300 V时,单像素点对*************的γ射线的最佳能量分辨率可达5.78%,探测性能优于相同条件下制备的CdZnTe平面探测器. 碲锌镉(CdZnTe)探测器因其在室温下对X/γ射线具有较高的空间和能量分辨率,且响应速度快、灵敏度高,被认为是一种性能优异的室温核辐射半导体探测器[1−6].传统的CdZnTe平面探测器要得到较高的能量分辨率,需要对空穴和电子都进行有效收集,从而产生全幅度的输出信号.然而CdZnTe晶体本身的空穴传输特性相对较差,使得空穴俘获问题较严重,因此会使能量分辨率降低和光电峰效率减小,即“空穴拖尾”效应[7−9].为了消除空穴俘获产生的影响,科研人员们提出将电极结构设计为像素结构,以此来实现只收集电子的单载流子读出技术[10−13].CdZnTe像素阵列探测器是通过在CdZnTe晶体表面光刻出多个小像素单元(如像素尺寸0.4mm×0.4 mm),这些像素单元通过倒装片技术与ASIC的多通道前置放大、成形电路组元相连,最后由集成的读出芯片对信号进行处理.所需晶体体积和像素形状根据空间和能量分辨率以及要测量的能谱范围等探测要求而定[14−19].本文采用改进的垂直布里奇曼法(the modi fi ed vertical bridgman method,MVB)生长的CdZnTe晶体,通过光刻等技术在晶片表面制备4×4像素结构电极,对每个像素点的电流-电压(IV)特性和γ射线能谱响应特性进行研究,并将此结果与CdZnTe平面探测器的性能进行对比分析.将MVB法生长的In掺杂Cd.9Zn.1Te晶体沿晶锭生长方向切割成10 mm×10 mm×2 mm的单晶片后,进行机械抛光以去除晶片表面的机械划痕,接着采用MgO 粉末和去离子水配成的悬浊液进行粗抛,采用Si溶胶和H2O2配成的溶液进行细抛,直至在显微镜下观察不到明显的划痕为止.然后用去离子水反复清洗晶片后用氮气吹干,使晶片表面呈镜面状,确保晶片表面没有水痕.随之将晶片浸泡在丙酮溶液中1—2 h以确保清洗干净.然后采用溴甲醇溶液(体积分数为2%)进行化学腐蚀2 min以去除晶片表面的损伤层.最后采用光刻、剥离和真空蒸镀技术制备出如图1所示的CdZnTe像素探测器,阴极为平面电极(图1(a)),阳极为4×4像素结构电极(图1(b)),每个像素电极的尺寸为2 mm×2 mm,像素阵列按照从左向右、从上向下的顺序依次标记为1—4,5—8,9—12,13—16.CdZnTe探测器需要在较高的偏压下工作,在一定的电压范围内,载流子的漂移速度随着外加偏压的增加而增大,进而减少了载流子被俘获和复合的概率;而漏电流随着外加偏压的增加而增大,导致噪声随之增加.电阻率越高,探测器所能承受的外加偏压就越大,漏电流也就越小.因此,对于探测器级别的CdZnTe晶体,要求具有较高的电阻率.此外,载流子的迁移率寿命乘积是衡量载流子电输运特性的最重要参数之一,为使探测器具有良好的电输运特性,要求CdZnTe晶体具有较高的载流子迁移率寿命乘积.采用Agilent 4155 C半导体参数分析仪测试室温下CdZnTe像素探测器中每个像素点的I-V特性.测试电压范围−100—100 V.随之,采用Multi Channel Analyzer 6560能谱测试系统进行探测器的γ射线能谱响应测试,选用*************的γ射线作为辐射源,测试不同电压下探测器的能谱响应曲线.16个像素点的I-V测试结果如图2所示.Bolotnikov等[20]指出,低偏压下的漏电流测试可以反映材料的体电阻率,CdZnTe的体电阻率结果为式中,ρ是体电阻率,R是体电阻,V是测试所加电压,I是测试电流,S是电极接触面积,D是晶片厚度.经估算,CdZnTe像素探测器在室温下的体电阻率约为1.73×1010Ω·cm,能够满足制备室温核辐射探测器的电阻率性能要求.通常认为,CdZnTe高阻特性的获得是由深能级缺陷或复合体将费米能级钉扎在禁带中央附近所引起.其次,高偏压下的I-V 曲线可以反映漏电流所产生的噪声,漏电流越小,产生的噪声越小,对探测器的能量分辨率产生的影响也就越小.表1列出了在外加偏压为100 V时16个像素点的漏电流值.结果表明,不同像素点的漏电流值有所不同,这可能与晶片内部的缺陷分布不均匀等因素有关.例如Te夹杂相的富集会使漏电流值增大,因为Te的禁带宽度(约为0.33 eV)远小于CdZnTe的禁带宽度(约为1.57 eV),从而具有较大的漏电流.探测器的收集效率通过实验方法难以直接测定,通常是测试CdZnTe平面探测器在不同电压下的能谱响应结果后进而采用间接拟合的方法获得.其测试原理是:随着施加电压的增大,能谱中全能峰的位置对应的道数增大,即能够收集到的载流子数目增加.如果电压增大到一定值后能谱中全能峰位置对应的道数变化趋于稳定,即收集到的载流子数趋于饱和,可以近似认为此时探测器的收集效率为1.对不同偏压下的道数进行归一化处理,利用单载流子Hecht方程对实验数据进行拟合,进而即可估算出CZT晶体的迁移率寿命乘积µτ:式中,CCCE是电荷收集效率,V是外加偏压,d是晶片厚度,µτ是载流子的迁移率寿命乘积.本实验采用未经准直的*************的γ射线放射源作为激发源,测试了室温下不同偏压下的γ射线能谱响应,测试结果如图3(a)所示.根据上述测试原理,采用(2)式,拟合出电子的迁移率寿命积约为5.41× 10−4cm2·V−1(图3(b)).影响载流子迁移率寿命乘积的主要因素是晶体中载流子的散射及俘获中心,晶体中电离杂质的散射会降低电子和空穴的迁移率,而晶体中主要的载流子俘获中心为深能级缺陷,它对载流子寿命有着重要的影响.300 V下,CdZnTe平面探测器的γ射线能谱响应曲线如图4所示,CdZnTe像素探测器的γ射线能谱响应曲线如图5所示,每个像素点下的全能峰均较清晰.表2分别给出了300 V下CdZnTe平面探测器和CdZnTe像素探测器中每个像素点的半峰宽和能量分辨率的具体测定值.能量分辨率反映的是探测器对不同能量射线的分辨能力,是探测器最重要的性能指标之一.通常将能谱响应曲线中全能峰的半峰宽与全能峰位置的比值称为能量分辨率.能量分辨率值越小,分辨能力越强.影响能量分辨率的主要因素是载流子的输运特性.当电子-空穴对在晶体内漂移时,会被缺陷俘获或通过缺陷复合,从而降低电荷收集效率,影响探测器的能量分辨率.理论上,CdZnTe像素探测器的分辨能力应强于CdZnTe平面探测器,因为当电极结构设计为像素结构时可以有效避免空穴俘获的影响,进而提高能量分辨能力.然而,通过实测值发现不同像素点的能量分辨率略有差异,这主要是由于晶片内部各类缺陷分布不均匀而造成.其次,位于晶片边缘部位的像素点1和4的能量分辨率值低于平面探测器的,即这2个像素点的分辨能力要弱于平面探测器,这一现象的发生与边缘效应的影响有关,即位于CdZnTe像素探测器角落和边缘处的像素往往会表现出严重的低能拖尾和光电峰计数的减少[21],从而可能出现CdZnTe像素探测器边缘像素点的分辨能力弱于平面探测器的现象.除此之外,其他像素点的能量分辨率值均优于平面探测器.总体来看,像素探测器的分辨能力强于平面探测器,这与理论分析结果相一致.采用改进的垂直布里奇曼法生长的In掺杂Cd0.9Zn0.1Te单晶制备出4×4像素探测器,对其电学性能和载流子电输运性能进行了研究,并对比分析了CdZnTe平面探测器和像素探测器对*************的γ射线的探测性能.结果表明,CdZnTe 材料的体电阻率约为1.73×1010Ω·cm,满足室温核辐射探测器的电阻率性能要求;当施加偏压100 V时,4×4 CdZnTe像素探测器的漏电流在1.05—2.18 nA之间.通过不同电压下的γ射线能谱响应测试,估算出CdZnTe探测器的电子迁移率寿命积约为5.41× 10−4cm2·V−1;对比分析发现,施加偏压为300 V时,平面探测器对γ射线的能量分辨率为6.85%,4×4像素探测器的能量分辨率在5.78%—6.92%之间,因此像素探测器的分辨能力优于相同条件下的平面探测器.In this paper,a 10 mm×10 mm×2 mm wafer cut from an In dopedCd0.9Zn0.1Te single crystal,grown by the modi fi ed vertical Bridgman method,is employed to fabricate a 4×4 CdZnTe pixel detector,which iscomposed of 16 small pixel units with an area of 2 mm×2 mm.Each of the pixel units is linked up with ASIC multichannel preampli fi er and shaping ampli fi er by fl ip chip technology.Finally,the signal is treated by an integrated sensing chip.In the fi rst case,the electrical properties and carrier transport properties of CdZnTe pixel detector are characterized by current-voltage(I-V)measurement via an Agilent 4155C semiconductor parameter analyzer and γ ray energy spectrum response via a standard Multi Channel Analyzer 6560 spectra measurement system,respectively.In the second case,the di ff erences between CdZnTe planar detector and 4×4 pixel detector in the detection performance are discussed in detail.The results indicate that the bulk resistivity of CdZnTe pixel detector is determined to be about 1.73× 1010Ω·cm by a linear fi t of I-V curve.The maximum leakage current of a single pixel is less than 2.2 nA for a bias voltage of 100 V.Furthermore,the carrier transport behaviors are evaluated with the mobility-lifetime product for electron in CdZnTe detector,which is 5.41×10−4cm2·V−1estimated by γ ray energy spectroscopy response under various bias voltages from 50 to 300 V at room temperature.The energy resolutions of the two CdZnTe detectors can re fl ect the ability of them to distinguish different energy gays during operation.The best energy resolution of a single pixel in CdZnTe pixel detector****************γrayincreasesupto5.78%undera300Vbias voltage,whereas that of CdZnTe planar detector is only 6.85%in the same conditions.As a consequence,the detection perfor mance of 4×4 CdZnTe pixel detector is better than that of the planar detector.PACS:61.72.uj,61.82.Fk DOI:10.7498/aps.66.206101*Project supported by the National Natural Science Foundation ofChina(Grant Nos.51502234,51602242)and the Fund of the State Key Laboratory of Solidi fi cation Processing in Northwestern Polytechnical University,China(Grant No.SKLSP201410).†Corresponding author.E-mail:187****************【相关文献】[1]Lisiansky M,Berner A,Korchnoy V 2017 J.Cryst.Growth 467 54[2]Bolotnikov A E,Camarda G S,Cui Y 2013 J.Cryst.Growth 379 46[3]Liu Z L,Mao Y Z,Zou S Y 2009 Nucl.Electron.Detec.Tech.29 1(in Chinese)[刘志亮,毛用泽,邹士亚 2009核电子学与探测技术29 1][4]Zha G Q,Wang T,Xu Y D 2013 Physics 42 862(in Chinese)[查钢强,王涛,徐亚东 2013物理42 862][5]Nan R H,Jie W Q,Zha G Q,Wang B,Yu H 2012 J.Cryst.Growth 361 25[6]Cavallini A,Tagantsev A K,Oberg S,Briddon P R,Setter N 2010 Phys.Rev.B 81 075215[7]Zeng H M,Wei T C,Wang J 2017 Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.A 847 93[8]Emanuelsson P,Omling P,Meyer B,Wienecke M,Schenk M 1993 Phys.Rev.B 47 15578[9]Du M,Takenaka H,Singh D J 2008 Phys.Rev.B 77 094122[10]Kabiraj D,Ghosh S 2004 Appl.Phys.Lett.84 1713[11]Li Z,Gu G,James R B 2011 J.Electron.Mater.40 274[12]Zhang Q S,Zhang C Z,Lu Y Y 2013 Sensors 13 2447[13]Theinert R 2017 Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.A 845 181[14]Kim H,Cirignano L,Shah K 2004 IEEE Trans.Nucl.Sci.51 1229[15]Wang T,Jie W Q,Zhang J J 2007 J.Cryst.Growth 304 313[16]Li X,Chu J H,Li L X 2008 ser 19 751(in Chinese)[李霞,褚君浩,李陇遐2008光电子 19 751][17]Gul R,Bolotnikov A,Kim H K,Rodriguez R,Keeter K,Li Z,Gu G,James R B 2011J.Electron.Mater.40 274[18]Wilson M D,Cernik R,Chen H 2011 Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.A 652 158[19]Wang C,Zha G Q,Qi Y,Guo R R,Wang G Q,Jie W Q 2015 Atomic Energy Sci.Tech.49 1321(in Chinese)[王闯,査钢强,齐阳,郭榕榕,王光祺,介万奇 2015原子能科学技术49 1321][20]Bolotnikov A E,Boggs S E,Hubertchen C M 2002 Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.A 482 395[21]Mardor I,Shor A,Eisen Y 2001 IEEE Trans.Nucl.Sci.48 1033。

基于CdZnTe探测器的核素探针探头的研制

基于CdZnTe探测器的核素探针探头的研制杨莉;李三刚;丁叶;胡传皓;盛磊;卿松;邵洋【期刊名称】《核电子学与探测技术》【年(卷),期】2017(037)010【摘要】为了解决在核医学手术中使用放射性核素进行病灶定位的难题,设计了一种基于碲锌镉(CdZnTe)探测器的核素探针探头.该核素探针探头主要包含CdZnTe 探测器、低噪声电荷灵敏前置放大器和快驱动电路.考虑到环境本底和外界电磁干扰,对探针探头的结构作了特殊设计,该特殊设计能够提高核素探针探头的探测能力.探头中的放大器和快驱动电路能明显的放大核脉冲信号的幅度和提高核脉冲信号的信噪比,便于后端信号处理分析系统对信号的进一步处理.【总页数】5页(P1012-1016)【作者】杨莉;李三刚;丁叶;胡传皓;盛磊;卿松;邵洋【作者单位】成都理工大学,成都610059;成都理工大学,成都610059;成都理工大学,成都610059;成都理工大学,成都610059;成都理工大学,成都610059;成都理工大学,成都610059;成都理工大学,成都610059【正文语种】中文【中图分类】TN79+2【相关文献】1.基于 Monte-Carlo 模拟和峰形拟合的CdZnTe 探测器 G（E）函数简便计算方法研究 [J], 黄金峰;王莹;熊文俊;骆志平;陈凌2.基于高能γ源的CdZnTe成像探测器极化效应研究 [J], 黎淼;肖沙里;王玺;曹玉琳;陈宇晓;沈敏;张流强3.基于CdZnTe探测器的γ射线过程成像探测系统 [J], 郝魁红;曹咏娜;赵林;王化祥4.像素CdZnTe探测器的研制 [J], 张岚;李元景;毛绍基;邓智;朱维彬;李树伟5.室温核辐射CdZnTe像素阵列探测器的研制 [J], 李霞;褚君浩;李陇遐;戴宁;张福甲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。