溴化鉈探測器的制備研究和測試

郝曉勇 何麗霞 何高魁

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.061

摘 要：溴化鉈（TlBr）晶體是制備室溫γ射線及x射線探測器的優(yōu)良材料，晶體平均原子序數(shù)高，對射線的阻止本領(lǐng)強(qiáng)；禁帶寬度大，電阻率高，漏電流較小。因而，近年來倍受人們的關(guān)注，已成為目前研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。為此，該文對TlBr核輻射探測器制備和測試進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：漏電流 能量分辨率 溴化鉈

中圖分類號：TL816 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0061-02

TlBr探測器是一種新型的室溫半導(dǎo)體核輻射探測器，具有阻止本領(lǐng)高、禁帶寬、高電阻率、高密度等特點(diǎn)，是目前理想的中高能χ，γ射線探測器用的一種半導(dǎo)體材料。經(jīng)過近幾年的研究，得到了較高的發(fā)展，探測器的性能達(dá)到了較好的水平。TlBr室溫輻射探測器被認(rèn)為是下一代廣泛應(yīng)用于天文物理學(xué)、高能物理學(xué)、核醫(yī)學(xué)、安檢、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的理想探測器。

1 Tlbr探測器制備

（1）切割。

探測器制備工藝的第一步是將晶體切割成所需要的形狀和尺寸。TlBr晶體比較軟，努氏硬度約12 kg/mm2，在切割的時候會對晶體表面造成損傷，需要特別小心，切割方法金剛主要采用線切割方法。

（2）物理拋光。

物理拋光主要是要去除在切割過程中對晶體表面造成的損傷，拋光方法，用M7的剛玉研磨表面，減小表面厚度約半毫米左右。

（3）化學(xué)腐蝕拋光。

在探測器制造工藝中化學(xué)腐蝕是重要的一環(huán)，其質(zhì)量的好壞影響到探測器，在工藝中所使用的工具、容器都必須十分清潔。在晶體表面上的缺陷、損傷會導(dǎo)致大的表面復(fù)合速率，以及探測器內(nèi)部電場的不均勻，所以僅用機(jī)械拋光的樣品，制備探測器后的性能一般都比經(jīng)機(jī)械拋光后，再用化學(xué)腐蝕拋光做的探測器的性能要差。化學(xué)腐蝕拋光，一方面可以進(jìn)一步去除經(jīng)機(jī)械研磨、拋光等工序后在TlBr樣品表面上留下的損傷和缺陷，另一面，采用不同試劑組合的腐蝕拋光液，化學(xué)腐蝕拋光（111）以外的晶面，在電極下面表面復(fù)合速率也不同，甚至差別很大，從而影響對電子、空穴的收集，探測器要得到好的性能，所以必須注意制備電極的面，以及核輻射的入射面?；瘜W(xué)腐蝕，可以較好地除去表面層上的損傷層和缺陷，改善拋光表面的平整度，降低電子、空穴的表面復(fù)合速率。

（4）電極制備。

電極是影響半導(dǎo)體伽馬射線探測器性能的一個很重要的因素。探測器一般可以制備歐姆接觸或者是肖特基勢壘接觸。金屬-半導(dǎo)體接觸的性質(zhì)取決于金屬的功函數(shù)、半導(dǎo)體禁帶寬度和主要載流子的濃度和類型。電極沉積方法主要取決于電極材料的性質(zhì)。主要有化學(xué)、真空鍍膜等幾種方法。化學(xué)方法的有點(diǎn)是可以和腐蝕拋光工藝結(jié)合在一起，使探測器有干凈的表面，并且電極薄、死層小，缺點(diǎn)是引線空難。真空鍍膜是更普遍的電極制備方法，真空沉積方法的電極厚度大約在0.5 mm左右，濺射和電子束蒸發(fā)都可以在可控的方式下產(chǎn)生更薄的電極。經(jīng)化學(xué)腐蝕拋光后的樣品經(jīng)過淬滅和清洗，取出樣品，用N2吹干后應(yīng)立即放入真空設(shè)備中進(jìn)行蒸發(fā)Au電極，目的是盡可能減少樣品表面的自發(fā)氧化。常用的電極制備方法有真空鍍膜，真空濺射，在壓力為10-3Pa下，蒸發(fā)Au，使它沉積到?jīng)]有掩膜覆蓋的探測器表面。由于TlBr探測器材料電阻率高，所以只需要在兩面制備歐姆接觸成勻質(zhì)體電導(dǎo)型探測器。

（5）封裝。

用導(dǎo)電膠將探測器電極引出。

2 測試

（1）電壓-電流特性（伏安特性）測量。

伏安特性測量即探測器的反向電流測量，是沒有射線照射時通過探測器的穩(wěn)定電流，它與反向偏壓有關(guān)，由擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流和表面漏電流3部分組成。其中，前兩個電流分量是在探測器體內(nèi)產(chǎn)生的，由半導(dǎo)體材料參數(shù)決定，而表面漏電流是在探測器表面層產(chǎn)生的，與表面條件有關(guān)，可以認(rèn)為漏電流對反向電流起主要貢獻(xiàn)，是探測器噪聲的主要來源，也是衡量探測器性能好壞的一個重要指標(biāo)，漏電流的大小直接影響到探測器的能量分辨率的好壞和靈敏度的高低。另外，它是鑒定制備工藝，判別成品好壞的簡便方法，是探測器的重要參數(shù)之一。不同工藝條件下制備出的探測器，漏電流相差很大。室溫下，對5 mm3×5 mm3×2 mm3的TlBr探測器進(jìn)行了漏電流測量。

探測器伏安特性測量的過程中，探測器避光，在恒定的室溫條件下逐次測出不同偏壓下的電流，得出以偏壓Ud為函數(shù)的反向電流曲線，即U-I函數(shù)曲線。漏電流測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

將表1中電壓-電流值繪制成伏安特性曲線如圖2所示。

（2）能量分辨率測試。

探測器能量分辨率是探測器的一個重要指標(biāo)，能量分辨率測試圖見圖3。測試使用的能譜測量實(shí)驗裝置，包括高壓電源，電荷靈敏前置放大器（自制），ORTEC673主放大器，多道分析器（ORTEC）及計算機(jī)。

放射源：241Am。

3 結(jié)語

溴化鉈探測器晶體平均原子序數(shù)高，對射線的阻止本領(lǐng)強(qiáng)：禁帶寬度大，電阻率高，漏電流較小。在室溫下，TlBr探測器對核輻射具有較高的探測效率和較好的能量分辨率，因此可廣泛應(yīng)用于天文物理學(xué)、高能物理學(xué)、核醫(yī)學(xué)、安檢、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，被認(rèn)為是下一代核輻射探測器用的理想材料之一。目前國內(nèi)對此的研究處于起步階段，取得了一定的成績，需要進(jìn)一步研究提高探測器的能量分辨率。

參考文獻(xiàn)

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