蒙特卡罗思想结合有限元方法对CdZnTe共面栅核探测器的模拟及工艺研究

摘要

CdZnTe(CZT)赝二元化合物半导体材料由于有着较高的平均原子序数和较大的禁带宽度，由此基于CZT材料的核辐射探测器具有较高的探测效率和较好的能量分辨率，广泛应用于χ、γ射线探测和成像装置，在国家安全防务、核探测、核控制、天体物理以及医学等领域具有巨大的应用前景。CZT中空穴的输运性能较差，会降低传统平板器件的探测效率和能量分辨率，采用共面栅结构的CZT探测器可以克服空穴收集的问题，提高器件的性能。本论文着重研究了采用蒙特卡罗方法结合有限元模拟对CZT核辐射探测器进行模拟的方法以及实际器件的制备工艺，对CZT共面栅探测器的阳极进行了优化设计，研究了表面钝化、电极制备等一系列器件工艺条件，并对CZT器件的进行了初步的能谱测试。主要研究内容与结果如下： 1.提出了将能用于分析电场分布的有限元(FE)方法和能用于模拟电荷输运和能谱响应特性的蒙特卡罗MonteCarlo方法结合的思路与具体方法，并编制了衔接软件，在Matlab平台上实现了有限元计算的非均匀电场数据与蒙特卡罗代码的对接。据了解，目前国内外均只有单独采用有限元等(FE)宏观模拟或蒙特卡罗、分子动力学等微观模拟，尚未见有应用相类似的方法模拟CZT探测器响应能谱的报道。 2.分别采用ANSYS软件计算了CZT共面栅器件内部的二维和三维的电势、电场分布。结果表明：在工艺许可范围内，采用较小的栅宽和沟宽的电极设计有利于提高器件的有效探测体积；通过将次外条收集栅和非收集栅分别加宽一倍可以使两组栅电极的权重势分布在器件宽度上具有良好的均匀性，在理论上有助于CZT共面栅器件在深度和宽度方向上产生的均匀响应特性；增加了用于降低表面漏电流的保护环之后，收集栅与非收集栅分别作用下的权重势分布在非电荷感应区依旧重合，器件侧向(x方向)的权重势分布的均匀性并未收到明显的影响；在偏压一定的条件下，随着器件厚度的增加，电势的边缘效应越明显，电场分布不均匀；在偏压不同的下，电场最大值与外加偏压基本成线性关系。 3.在模拟的基础上完成了实际CZT共面栅器件阳极的设计，并结合蒙特卡罗模拟的得出了的10-7秒级的能谱。模拟能谱其大致图形与参考能谱基本相似，论证了模拟方法的有效性。但由于模拟“有源时间”时间太短，造成了模拟能谱离散，不连续的，同理想目标相比有一定的差距，此不足之处将在今后不断完善。 4.对CZT探测器的电极接触工艺进行了研究。比较分析了化学方法沉积Au电极、真空蒸发沉积Au电极、真空蒸发沉积Au/Cr复合电极以及溅射镀Au电极四种接触电极的Ⅰ-Ⅴ特性，测量了各种接触电极和CZT晶体间的附着强度。结果表明，研究表明化学镀Au可以在P型CZT表面获得最佳欧姆接触，溅射镀Au具有最大的电极附着强度。采用真空蒸发沉积的Au/Cr复合电极具有较高的附着力以及合适的欧姆特性，而且该工艺适用于光刻工艺，可作为共面栅器件的电极制备工艺。由此证明，本工作提出的采用Au/Cr复合电极作为CZT共面栅器件电极是有效的。 5.在研究KOH-KCl水溶液和NH4F/H2O2水溶液化学钝化工艺的基础上，利用两种钝化工艺的优点，首次提出了采用KOH-KCl+NH4F/H2O2溶液对CZT表面进行二步法钝化的新方法。Ⅰ-Ⅴ特性曲线显示，经过新工艺钝化后CZT器件的漏电流下降了两个数量级，与KOH-KCl和NH4F/H2O2钝化相比都有一定程度的下降。说明该方法在CZT器件制备中极具应用前景。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

引言

§1.1核辐射探测器综述

1.1.1半导体探测器简介

1.1.2 CZT核探测器概述

§1.2模拟方法概述

1.2.1蒙特卡罗方法综述

1.2.2有限元方法以及ANSYS有限元分析软件简介

§1.3课题研究的目的和意义

第二章理论基础

§2.1探测器的性能指标[26]

2.1.1探测效率

2.1.2输出脉冲幅度大小

2.1.3分辨率

2.1.4线性响应

2.1.5稳定性

§2.2共面栅探测器的基本工作原理

2.2.1共面栅的权重势理论

2.2.2 CZT晶体中的主要反应机理

第三章CZT共面栅核探测器模拟程序设计

§3.1模拟主程序设计

§3.2模拟步骤介绍

3.2.1有源时间模拟方法

3.2.2无源时间模拟方法

§3.3本章小结

第四章CZT共面栅核探测器阳极模拟及优化设计

§4.1 CZT共面栅的有限元电场模拟结果

4.1.1栅宽与沟宽的优化选择

4.1.2边缘效应的优化

4.1.3厚度对电场和电势分布的影响

4.1.4有无保护环对电场分布的影响

4.1.5外加偏压对电场的影响

§4.2共面栅器件光刻掩膜版的设计

§4.3蒙特卡罗模拟结果

§4.4本章小结

第五章CZT共面栅器件的制备工艺研究

§5.1电极制备工艺研究

5.1.1不同电极接触的电学特性

5.1.2不同电极接触的附着力测试

5.1.3 CZT共面栅电极的制备

§5.2 CZT材料的表面钝化工艺研究

5.2.1实验过程

5.2.2表面AES微观表征

5.2.3钝化工艺对器件Ⅰ-Ⅴ特性的影响

5.2.4钝化前后的CZT表面形貌

§5.3 CZT共面栅器件的实际制备

§5.4本章小结

第六章结论与展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

致 谢

附录1三维CZT共面栅核探测器Ansys电场电势模拟的程序

附录2衔接程序的操作方法

附录3蒙特卡罗模拟主程序Part Ⅰ光子文件产生

附录4蒙特卡罗模拟主程序PartⅡ电子文件产生

附录5蒙特卡罗模拟主程序PartⅢ粒子追踪

附录6蒙特卡罗模拟主程序Part Ⅳ能谱产生