Дослідження й виготовлення сенсорів на основі CdTe і CdZnTe

Сенсори гамма-випромінювання з напівпровідникових сполук CdTe і CdZnTe ↑

На основі напівпровідникових сполук CdTe (CdZnTe ) у ННЦ ХФТІ створене нове покоління сенсорів іонізуючого випромінювання, які мають високу ефективність рахунку γ-квантів, високий спектральний енергетичние розділення, високу чутливість до випромінювання при малих розмірах і, що особливо важливо, під час роботи не вимагають примусового глибокого (77 K) охолодження.

Кристали і детектори

Контакт "охоронне коло"

Детектор з контактом "планарна сітка"

Детектор с піксельними контактами

Процес виготовлення сенсорів з CdTe, CdZnTe и ZnSe для блоків детектуваня гама-випромінювання↑

Термообробка ↑

Залежність струму витоку від температури при різних напругах зсуву CdZnTe детектора.

Вольтамперна характеристика CdZnTe детектора залежно від температури.

Залежність опору CdZnTe детектора від температури до й після термічної обробки

Контакти ↑

Паладиєвий омічний контакт до высокоомного CdZnTe: Паладієві покриття твердіше золотих (в 3-5 рази), зберігають здатність до пайки навіть після перебування в агресивних середах, мають більшу зносостійкість у порівнянні з Au-покриттями. .

Кристал CdZnTe (розміром 5×5×2 мм³) з осадженим паладієвим контактом, отриманим відновленням з 0,4 % розчину [Pd(NH₃)₄]Cl₂.

ВАХ детекторів з різними хімічно осадженими контактами, Pd і Au.

Створена нова технологія хімічного нанесення Pd і Au-Pd-контактів, що мають висоу адгезійну здатність, підвищену механічну міцність й можливість досить простого регулювання товщини покриття. Au-pd-контакти забезпечують експлуатаційні характеристики структур не гірше, ніж стандартні Au-контакти.

Пасивація ↑

Методи пасивації бічної поверхні СZT детекторів:

Хімічна пасивація↑

Для поліпшення часової стабільності й запобігання збільшення струмів витоку детекторів звичайно використовується хімічна пасивація в перекісних розчинах і Е-протравлювачі.

Іонно-плазмова пасивація ↑

Розроблений метод пасивації бічної поверхні детекторів хімічно стабільними й механічно міцними покриттями на основі окислів МеО₂ (TiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂) методом іонно-плазмового напилювання, що дозволило підвищити опір CdZnTe детекторів до ~ 2×10¹¹ Ом і значно знизити струми витоку.

Схема установки для іонно-плазмової пасивації бічної поверхні CdZnTe.

Залежність відношення опорів детектора до й після обробки від тиску газу в установці для пасивації.

Кращі характеристики досягаються при плазмохімічному покритті оксидом HfO₂. [A.V. Rybka et al.]

ВВАХ CdZnTe детектора до (слева) й після (справа) пасивації його бічної поверхні покриттям з HfO₂.

Залежність питомого опору CdZnTe детекторів від температури до й після пасивації.

Пасивація париленом ↑

Розроблений метод електричної ізоляції CdZnTe детекторів гамма-випромінювання шляхом пасивації бічної поверхні полімерним покриттям з парилену (полі-пара-ксілілен). .

Покриття наноситься з газової фази, після попереднього очищення в магнетронному розряді, і забезпечує надійну ізоляцію поверхні детектора від впливу різних факторів навколишнього середовища.

Після пасивації темновий струм знижується до ~ 3 на ( при напрузі 300 В), поліпшується збір заряду нерівноважних носіїв і значно збільшується часова стабільність роботи, тобто, термін служби детекторів.

ВАХ детектора з CdZnTe до й після очищення й покриття париленом.

Амплітудний спектр ²⁴¹Am, отриманий CdZnTe детектором після очищення й покриття париленом.

Вольт-амперні характеристики Au/CdZnTe/Au-детекторів ↑

Характеристики наведені для детекторів з контактами, виготовленими традиційним методом: травленням в 5% бром-метанолі й хімічним осадженням Au з розчину золотохлорводневої кислоти.

Залежність темнового струму від напруги зсуву при малих напругах

ВАХ CdZnTe сенсора при різних температурах: 1 — –20°C; 2 — 0°C; 3 — +20°C; 4 — +40°C; 5 — +60°C.

Залежність струму витоку від температури при різних напругах зсуву CdZnTe детектора.

Структура Au-p-CdZnTe-Au, одержана хімічним осадженням Au, має лінійну омічну ВАХ у широкому інтервалі напруг.

Дослідження температурної залежності опору CdTe і CdZnTe детекторів у діапазоні - 30 ... + 70°C, дозволило оптимізувати режими роботи приладів шляхом обліку виправлень у дозиметричних вимірах у струмовому режимі роботи.

Дослідження радіаційної стійкості детекторів з CdTe і CdZnTe ↑

Стійкі радіаційні дефекти накопичуються при тривалому опроміненні гамма-квантами й, незважаючи на невеликий перетин їх утвору, при значних дозах роблять матеріал непридатним. Граничні поглинені дози для CdTe і CdZnTe становлять ~200 кГр і ~800 кГр відповідно. Граничні дози для дозиметричних детекторів суттєво більше, ніж для спектроскопічних приладів.

Опромінення дозиметричних детекторів гамма-квантами проводилося в поле гальмівного випромінювання лінійного прискорювача електронів, що працював з енергією 11 МеВ і середнім значенням струму пучка 430 мкA. Потужність поглиненої дози гальмівного випромінювання становила 7,5 Мрад/година (75 кГр/година).

Залежність рахункових характеристик дозиметричних детекторів від величини отриманої ними дози D. (По осі ординат відкладене відношення швидкості рахунку N(D) до швидкості рахунку N₀ для неопроміненого детектора).

ВАХ CdZnTe детектора (темновой струм), що одержав різні дози гама-випромінювання: 1 – неопромінений CdZnTe, 2 – 0,5 Мрад, 3 – 1,1 Мрад, 4 – 2,1 Мрад.