【摘 要】
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CdZnTe晶体被认为是下一代X/γ射线探测器的首选材料。然而CdZnTe探测器的内电场分布强烈影响载流子输运和电荷收集特性方面的性能。因此,内电场不均匀分布成为限制CdZnTe核辐射探测器光电性能的主要问题。本文主要围绕影响晶体内电场分布的重要因素展开研究,为优化CdZnTe探测器光电特性提供新思路。使用Silvaco TCAD半导体器件模拟软件模拟温度对CdZnTe晶体空间电荷分布和内电场分布
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金（批准号:51702271）； 福建省教育厅中青年教师教育科研项目（批准号:JAT170407）；
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CdZnTe晶体被认为是下一代X/γ射线探测器的首选材料。然而CdZnTe探测器的内电场分布强烈影响载流子输运和电荷收集特性方面的性能。因此,内电场不均匀分布成为限制CdZnTe核辐射探测器光电性能的主要问题。本文主要围绕影响晶体内电场分布的重要因素展开研究,为优化CdZnTe探测器光电特性提供新思路。使用Silvaco TCAD半导体器件模拟软件模拟温度对CdZnTe晶体空间电荷分布和内电场分布的影响。模拟结果揭示不同温度下CdZnTe晶体空间电荷分布和内电场分布机理,器件工作在低温下会严重恶化器件内电场分布和电荷收集效率。接着利用波长为850nm和光强为8×10-8W/cm~2的亚禁带光照模拟调控不同温度下空间电荷浓度及内电场分布。模拟结果表明,亚禁带光照在低温下使探测器空间电荷浓度大大降低,内电场更平坦,显著提升探测器的光电特性。基于模拟得出的结论为CdZnTe探测器在低温下工作提供一定的理论方法。但是,现实中CdZnTe晶体的缺陷更为复杂,进一步利用激光诱导瞬态电流测试（LBIC）研究晶体的载流子输运特性。使用单载流子Hecht方程对LBIC中测试数据使用最小二乘法拟合出载流子迁移率寿命积（μτ）和电荷收集效率CCE。但是,仅依赖于外加偏压U的拟合方式对评估探测器光电特性存在较大误差。针对上述问题,建立线性电场结合梯度下降迭代法数学模型,并验证算法求出载流子输运特性参数的可行性和准确性,为研究晶体缺陷和激光剂量对载流子输运特性供有效模型。使用梯度下降法研究头部晶锭CZT1和尾部晶锭CZT2,CZT3的载流子输运特性。研究结果表明,CZT1的（μτ）e=3.93×10-4 cm~2/V,CZT2的（μτ）e=1.96×10-4cm~2/V,CZT3的（μτ）e=1.02×10-4cm~2/Vs;CZT1的μ=1.11×10~3 cm~2/Vs,CZT2的μ=4.52×10~2 cm~2/Vs,CZT3的μ=7.94×10~2 cm~2/Vs。晶体缺陷浓度会影响载流子输运特性,晶锭CZT1的载流子输运特性优于CTZ2和CZT3,因此CZT1中总缺陷浓度最低。在晶体生长时适当的减少深能级缺陷能在一定程度上提高探测器载流子输运特性。使用梯度下降法结合1%（0.1μJ/pluse）和10%（1.0μJ/pluse）激光剂量来研究瞬态空间电荷扰动效应对CdZnTe晶体输运特性。1.0μJ/pluse激光剂量照射下晶体内的瞬态空间电荷干扰效应,影响光生载流子的漂移,对内电场产生扰动效应。0.1μJ/pluse和1.0μJ/pluse激光剂量的载流子输运特性参数显示,0.1μJ/pluse剂量下主要是正空间电荷,1.0μJ/pluse激光剂量下主要是负空间电荷,随着激光剂量的增大空间电荷密度NT从4.71×1010 cm-3上升为2.70×1011 cm-3,而且1.0μJ/pluse比0.1μJ/pluse激光剂量的a更大,内电场分布更倾斜。上述结果表明,1.0μJ/pluse激光剂量下的瞬态空间电荷扰动效应会影响载流子的输运,进而干扰晶体的内电场分布,导致CdZnTe探测器发生极化效应。因此,为了获得有效的探测器载流子输运性能,不能忽略晶体内瞬态空间电荷扰动效应。
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