蒙特卡羅思想結(jié)合有限元方法對CdZnTe共面柵核探測器的模擬及工藝研究.pdf

1、CdZnTe(CZT)贗二元化合物半導(dǎo)體材料由于有著較高的平均原子序數(shù)和較大的禁帶寬度，由此基于CZT材料的核輻射探測器具有較高的探測效率和較好的能量分辨率，廣泛應(yīng)用于χ、γ射線探測和成像裝置，在國家安全防務(wù)、核探測、核控制、天體物理以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。CZT中空穴的輸運性能較差，會降低傳統(tǒng)平板器件的探測效率和能量分辨率，采用共面柵結(jié)構(gòu)的CZT探測器可以克服空穴收集的問題，提高器件的性能。本論文著重研究了采用蒙特卡羅方法結(jié)

2、合有限元模擬對CZT核輻射探測器進行模擬的方法以及實際器件的制備工藝，對CZT共面柵探測器的陽極進行了優(yōu)化設(shè)計，研究了表面鈍化、電極制備等一系列器件工藝條件，并對CZT器件的進行了初步的能譜測試。主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下： 1.提出了將能用于分析電場分布的有限元(FE)方法和能用于模擬電荷輸運和能譜響應(yīng)特性的蒙特卡羅MonteCarlo方法結(jié)合的思路與具體方法，并編制了銜接軟件，在Matlab平臺上實現(xiàn)了有限元計算的非均勻電場數(shù)據(jù)

3、與蒙特卡羅代碼的對接。據(jù)了解，目前國內(nèi)外均只有單獨采用有限元等(FE)宏觀模擬或蒙特卡羅、分子動力學(xué)等微觀模擬，尚未見有應(yīng)用相類似的方法模擬CZT探測器響應(yīng)能譜的報道。 2.分別采用ANSYS軟件計算了CZT共面柵器件內(nèi)部的二維和三維的電勢、電場分布。結(jié)果表明：在工藝許可范圍內(nèi)，采用較小的柵寬和溝寬的電極設(shè)計有利于提高器件的有效探測體積；通過將次外條收集柵和非收集柵分別加寬一倍可以使兩組柵電極的權(quán)重勢分布在器件寬度上具有良好的均

4、勻性，在理論上有助于CZT共面柵器件在深度和寬度方向上產(chǎn)生的均勻響應(yīng)特性；增加了用于降低表面漏電流的保護環(huán)之后，收集柵與非收集柵分別作用下的權(quán)重勢分布在非電荷感應(yīng)區(qū)依舊重合，器件側(cè)向(x方向)的權(quán)重勢分布的均勻性并未收到明顯的影響；在偏壓一定的條件下，隨著器件厚度的增加，電勢的邊緣效應(yīng)越明顯，電場分布不均勻；在偏壓不同的下，電場最大值與外加偏壓基本成線性關(guān)系。 3.在模擬的基礎(chǔ)上完成了實際CZT共面柵器件陽極的設(shè)計，并結(jié)合蒙特卡

5、羅模擬的得出了的10-7秒級的能譜。模擬能譜其大致圖形與參考能譜基本相似，論證了模擬方法的有效性。但由于模擬“有源時間”時間太短，造成了模擬能譜離散，不連續(xù)的，同理想目標(biāo)相比有一定的差距，此不足之處將在今后不斷完善。 4.對CZT探測器的電極接觸工藝進行了研究。比較分析了化學(xué)方法沉積Au電極、真空蒸發(fā)沉積Au電極、真空蒸發(fā)沉積Au/Cr復(fù)合電極以及濺射鍍Au電極四種接觸電極的Ⅰ-Ⅴ特性，測量了各種接觸電極和CZT晶體間的附著強度

6、。結(jié)果表明，研究表明化學(xué)鍍Au可以在P型CZT表面獲得最佳歐姆接觸，濺射鍍Au具有最大的電極附著強度。采用真空蒸發(fā)沉積的Au/Cr復(fù)合電極具有較高的附著力以及合適的歐姆特性，而且該工藝適用于光刻工藝，可作為共面柵器件的電極制備工藝。由此證明，本工作提出的采用Au/Cr復(fù)合電極作為CZT共面柵器件電極是有效的。 5.在研究KOH-KCl水溶液和NH4F/H2O2水溶液化學(xué)鈍化工藝的基礎(chǔ)上，利用兩種鈍化工藝的優(yōu)點，首次提出了采用KO