高纯度CdMnTe辐射探测器.docx

高纯度CdMnTe辐射探测器：一种高分辨率光谱评估作者：R. Rafiei, M. I. Reinhard, K. Kim, D. A. Prokopovich, D. Boardman, A. Sarbutt, G. C. Watt, A. E. Bolotnikov, L. J. Bignell, and R. B. James摘要一高纯度CdMnTe （CMT）晶体的电荷传输特性已在室温下降低到微米级的分辨率测 定掺铟的CdMnTe晶体，由布里奇曼法生长为了减少残留在Mn源材料中的的杂质， 生长过程包括了有熔融碲溶剂的区域精制法的五次净化过程由此产生的2.6毫米厚的 晶体体现出的电子迁移率，产品的生命周期M.. r.. — cm- L电子漂移速度由前置放大器在每个测量偏差的输出脉冲的上升时间分布计算而来电子迁移率从漂 移速度的电场依赖性中抽取并且在室温下它的值为 % =（倾土高解析 度的电荷收集效率地图已经用5.5 MeV的聚焦的光束直径小于1um和显示大面积空间均匀 性的离子的微束扫描来测量探测器电荷收集均匀性的演变已经通过在外加偏压为50 V和 1100 V的范围的可获得的测量突出显示。

电荷传输的不均匀性与体缺陷的存在有关已 经证明，减少在MnTe源材料中的杂质对实现CMT探测器的性能的重要改进较前面的 数据非常有效关键词一载流子寿命，碲锰镉，载流子收集效率，化合物半导体辐射检测器，晶体生长， 漂移速度，高纯锰，移动性，迁移寿命1. 介绍碲锰镉相比于其它三元化合物（例如碲锌镉）的主要优点之一是我们有生长成分均 匀的晶锭的能力相比于CZT其中由于带隙的变化Zn在CdTe中的1.35分凝系数限制了 生产大体积CZT探测器,Mn具有近乎统一的分凝系数并且在在碲化镉熔体中均匀地分布 良好的成分均匀性这一独特的优势，结合其高度可调带隙鼓励了近年来CMT探测器的发展 从而使作为高电阻率的单晶的放射线检测器CMT的性能大为改进然而，实现CMT晶体 在有利于伽玛射线检测应用的一大障碍是在Mn源材料中的高残留杂质近来，结合用熔融 碲溶剂的区域精炼方法提纯了的MnTe生长的CMT晶体表明了晶体的纯度和检测器的随后 的整体性能表现出重大的改进刁在本文中，高纯度CMT晶体，生长在碲溶剂中5倍纯 化的MnTe的电荷传输性，已在室温下测定下降到微米级的分辨率2. 高纯度晶体生长及设备制造碲锰镉：晶体生长的垂直布里奇曼法。

使用碲化镉（6N）, MnTe，和过量的Te中的混 合物在1110摄氏度，为6毫米/天的生长速率和温度梯度为10摄氏度每厘米MnTe源 材料在玻璃态石墨管，1026摄氏度的44%锰（4N）, 56%碲（6N）富Te条件下合成为 了防止锰元素与石英管发生化学反应，合成的MnTe与适量的Te装入一个石墨涂敷石英安 瓿，与相图和温度一致区域精炼炉的加热区设置为800摄氏度，然后将安瓿在6毫米/ 天的速度垂直运输熔融碲区域精制过程再重复5次，以得到高纯度的MnTe源物质， 从而最大限度地减少主要杂质，如铜，铁，铝，镁，S和Si由于生长的CMT晶体是 p型并且由于镉空位的存在它们有一个低电阻率为确保高电阻率晶锭掺杂了indiumat 5,因此，补偿了充当受体位点的高浓度镉空位晶锭顺着在此次实验中存在的样品被分割 成8.3*8.1*2.6立方毫米的尺寸的结线被切下，将样品用1um去离子水机械抛光一基于依次递减的0.3um和0.05um氧化铝制品尺寸的基础的浆料样品随后在0.2%的溴-甲醇溶 液中蚀刻5分钟在器件的前表面上的四个电极通过光刻图案化金属接触是通过为5nm 的Cr热蒸发沉积，接着在150nm金中真空压力为10的负6次方Torr速率为5A/s。

• 这两个步骤的过程已被证明能提高Au电极粘合性的强度和金属/半导体界面的均匀性 一个单一的均匀接触覆盖后侧图1示出所制造的装置与均匀前方联络组间隔4平方毫 米格每个检测器的体电阻率由在该区域电压由0.0v-0.5v遵循欧姆定律近似室温下的 电流-电压曲线估计出来，其中ULK半导体的串联电阻限制了漏电流电阻跨过样品 具有的平均值「- I. I . I - K I ：■ Jl： ' J3. a粒子光谱学与能源解决方案对于光谱测量，探测器被从一个光谱级5.55 KBQ活动源，压力为5.486 MeV的粒 子照射该测量是在低于5Torr压力的真空室内获取的负偏压被施加到前接触时使用 了探针，由一个低噪声ORTEC710偏置电源与一个2级的RC滤波器电路一起使用该检测器被电容耦合到一个电荷-敏感Cremat CR-110的前置放大器，将其安装在 一个Cremat CR-150测试板的输入端上述高于1000V的偏压由高纯556高压电源提 供冈堪培拉2025光谱型放大器前置放大器的输出信号与2其次是收购使用Amptek 公司8000A MCA脉冲高度谱的高斯成形时间整形放大器的时间常数被选择用来优化 能量分辨率和低偏压测量收集效率。

图2示出在指定偏压下收集的3600个固定的采集 时间的脉冲幅度谱峰形心的位置取决于电荷收集效率（CCE）并且因此是偏压相关的 在较低的偏差（低于500V）峰展宽反映不完整电荷收集作为检测器是从阴极辐照并 且入射离子的范围是丁仏二22 口皿在CMT样品中（计算［22］通过考虑在接触层中的 能量损失），所记录的脉冲高度谱几乎完全是由于电子传输跨越了大部分的探测器能 量分辨率（定义为百分比FWHM/峰形心）计算每个测量的偏差并且示于图3在右侧 的垂直轴的刻度显示FWHM为keV为了取得这一措施的a-诱导的电荷信号在图中2 所示，是用一个测试脉冲和一个硅PIN光电二极管，其标称的CCE校准的100%2 探测器的分辨率由20.8 % 1提高最低偏差为1.3 %I 二 山］冷\厂）最高的偏差在不存在电容性负载的检测器，使用脉冲发生器信号的情况下电子噪声被测量，并为约8.8 keV的半峰全宽在半导体探测器偏振 是通过电荷收集特性的时间相关性证明，因此，检测器的峰值位置的时间不稳定性在 半导体探测器中，偏振可以通过电荷收集特性的时间相关性证明，因此，检测器的峰值 位置的时间不稳定性图4显示出了粒子的脉冲高度谱随时间的演化超过4000分钟的， 在探测器偏置电压「| 7i：ii节的情况下。

在图4中的每一行记录着每一分钟后脉冲高度分布谱，在这之后（无线）探测被重置测得的峰形心的标准偏差是1.4通道 该检测器显示没有漂移的峰形心和分辨率，表明该检测器的光谱性能的测量过程中没有恶化4. 平均电荷收集效率和流动性时间产品穿过检测器的平均电荷收集效率（CCE）是由总收集电荷与感应电荷的比值给定在5纳米铬加上150nm的金电极，一个5.486MeV粒子失去66千电子伏假设对于CMT 一个电子-空穴对产生能量W=4,29eV, 5.420兆电子伏的降低a能量沉积创建一个I.r; Ili"平均数的电子-空穴对如果电荷收集完成后,收集到的总电荷等于感应电荷和r'.<, ■ .. '^1 \ I辺在这个最大点，&—峰值重心达到最高的通道—顶FC的输出电压达到其最大值端的位置转移到较低的渠道时，有一个不完整的充集合识别对应于100%的CCE,在图的脉冲幅度谱的最高信道的位置，图2进行了校准对标称硅PIN光电二极管CCE的 100%CCE的光谱然后进行校正的电子-空穴对产生的Si的能量差，和［23］的CMT 图5示出的所施加的偏压的电荷收集效率的依赖性彳穿过检测器的平均效率提高当具 有较高的偏差值时，并接近100%在在实验中使用较高的偏置电压。

拟合的数据点遵循 如下所述的形式主义［24］，它是基于赫克特模型［25］在这种形式主义下，粒子入射到 的电荷收集效率阴极，这是电子支配，由下式给出电子的平均漂移长度由下式给出对电极分离L,外加偏压V,和电子迁移寿命拟合模型计算和测量数据产生样品的平均电子迁移寿命为i; |;-.■'.!） / 1'1 ''「'IlJ 1 用（3）的电荷收集效率接近100%时的归一化漂移长度・ U j比12大经测得的移动寿命样品，前置放大器的直接分析输出脉冲允许为载体的迁移性进行测量.5. 载流子迁移和寿命的评估对于非饱和漂移速度：.，跨越电极分离L的载流子迁移..是由漂移速度与所施加的电场强度厂之比决定的 ， 对于整个CMT样品的电子的渡越时间的测量，CR-110前置放大器输出的脉冲通过力科 的WaveRunner6100A数字取样示波器记录在每个测量偏差的传输时间是从上升时间 的10-90%记录至少2000脉冲的平均值来计算的CR-110有大约7ns的上升时间这些测量没有被前置放大 器的上升时间所影响，因为在最高施加偏压I 一 t-,1111 的平均充电瞬变的上升时间达到了最高53ns图.6绘出了平均电子渡越时间作为施加 电场的函数。

正如从（4）中预期的那样，渡越时间正比于所施加的电场的倒数每个测量的偏置的平均通过时间随后被用于计算电子的速度在图7中漂移速度是作 为所施加的电场的函数，电场为550V/cm和6000V/cm之间取值范围CMT样品的室温迁移 率- r.'--" - ^1"匚从线性回归到比例550伏/厘米和2000伏/厘米之间的区 域中计算不确定性是从线性回归的标准误差计算这种迁移率可以与2008年报道的Sellin 的CZT相比对于测量高于2000伏/厘米的电场，电子漂移 速度部分饱和，而当超出5500伏/厘米时，到完全饱和通过组合用赫克特形式主义的迁移 率值得到的载流子迁移寿命的产品，平均电子载流子的寿命估计，-131 山山$儿6. 电子电荷传输的空间均匀性离子束诱导电荷（IBIC）测量得以实施以获得在整个检测器中的大容量的电荷传输性 的空间变化该IBIC测量是在重离子微探针束流线上提出的，用在澳大利亚核科学和技术 组织ANTARES10MV加速器5.5MeV氦粒子束对于IBIC测量探测器被安装在陶瓷芯片 载体上，带25um直径Au线连接顶接触到载体的腿和一个银导电环氧树脂层形成在后侧连 接到一个蒸发1.5um Au层上的载体基部。

该IBIC样品架包括安装的CMT样品，CR-110 前置放大器单元和高压偏置供应链前置放大器的输出信号被一个具有2的高斯成形时间 的堪培拉2025光谱放大器进行放大和整形，传递到一个表示X和Y的光束位置的有信号 重合的数据采集系统的通道样品的前接触部件被单独施加负偏压并且后接触被设置为 接地该离子束被聚焦到半峰全宽.|⑺口的光斑尺寸并且光栅扫描横跨阴极表面的速 率为..ji.ii.nj |11||；-.：，根据整个检测器的电子的漂移产生一个IBIC信号图8表示了一 个在偏压为1000V时，在单一的4平方毫米的方形电极的512x512像素的CCE中值 电子地图为了关联2552*2552平方微米大小像素的扫描区域，一个位置校准像在【15】 中被实施该IBIC地图被由束粒子的削波到束管所限制，这就证明了零的CCE区域到 扫描区域的右侧和底部方金接触的轮廓清晰可见，而检测仪显示的均匀性被响应并且 近100%的CCE在这种偏压下靠近接触的角的大圆功能是用来粘合携带Au的金属丝（被摄像）到触头的信号的银导电环氧树脂缺少在该区域的响应反映了颗粒穿透相对厚 的环氧树脂层的失败一对减少CCE平行的水平线在图8中清晰可见在Y为900um到 2100um。

后者线的图像也显示在图9和图10中，其中其超出了金属接触并横跨电极间 间隙扩展是显而易见的这些特征在样品表面是不可见的，并与相干孪晶界的存在一致 在图8中其它一些特点包括一些黑斑和沿着电极的左侧和底部边缘减小的CCE这些 功能通过范围广泛应用于偏压的测量被进。