核探测器碲锌镉晶片表面钝化的方法 【技术领域】
本发明涉及一种核探测器碲锌镉晶片表面钝化的方法，具体的说就是核探测器碲锌镉晶片制造过程中最后一道工序钝化工艺的改进方法，属半导体探测材料制造技术领域。
背景技术
碲锌镉(CZT)化合物半导体探测材料由于具有较高的平均原子序数和较大的禁带宽度，所以由这些材料制成的探测器具有较大的吸收系数，较高的计数率，体积小，使用方便，且能在室温工作等优点。碲锌镉CZT这种新型射线探测器具有很高的探测效率，与硅、锗探测器相比，它可在室温下工作，与传统的碘化钠闪烁体探头相比，它体积更小，具有更高的能量分辨率。而且，这种半导体探测器易于加工成像素阵列探测器，配合桥接的硅集成信号读出电路。可做成紧凑、高效、高分辨率的χ射线成像装置，可广泛用于安检、工业探伤、医学诊断、天体X射线望远镜等方面，因此已成为当前国际上研究的热点。然而，碲锌镉器件表面的漏电流引起的噪声限制了CZT探测器达到其最佳能量分辨率，必须对CZT器件表面进行钝化，以减小器件的表面漏电流。因此CZT器件的表面钝化是器件制备的关键工艺。
高性能的半导体核辐射探测器需要具有较低的漏电流。虽然CZT晶体经过化学腐蚀可以有效去处机械损伤层，但是会使得CZT表面留下一层富Te层，降低CZT表面电阻率，从而造成CZT表面较高的漏电流。为此必须引进钝化方法在半导体表面形成高阻钝化层或改善其表面非准化学组分比，从而减小器件地表面漏电流，提高探测器的工作性能。目前CZT器件常用的表面钝化方法有干法物理钝化和湿法化学钝化：物理钝化是指通过在半导体表面沉积合适的高阻绝缘薄膜材料，从而实现表面钝化的目的，晶体表面成分一般不会发生化学变化，电极也不会受到影响。物理钝化包括氧原子轰击、在CZT表面溅射Si1-xNx层和等离子溅射等。但是物理钝化设备复杂，且在钝化薄膜沉积过程中需考虑沉积温度对基底材料性质的影响。而化学钝化所需的设备简单，操作方便，但是工艺条件对器件钝化效果的影响很大，目前使用的化学钝化方法采用化学溶液直接与晶体表面产生化学反应以改善晶体表面化学计量比或生成高阻氧化层，传统的化学钝化主要采用单一溶液。采用单一溶液法能够改善晶体表面化学计量比，但难以在晶体表面形成一层与外界隔离的钝化层，影响器件的长期稳定性；或者，能够在CZT表面生成高阻氧化层，但常常在氧化层中存在残余的Te，或在氧化层底下半导体表面出现富Cd层，这会影响到钝化层的电学性能。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述采用单一溶液造成的缺点，提供一种二步法化学钝化工艺，既可获得化学计量比较好的CZT表面，又可在此表面形成一层起保护作用的高阻氧化层。从而进一步降低晶体表面的漏电流，最终提高CZT核探测器的性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种核探测器碲锌镉晶片表面钝化的方法，该方法是先按传统工艺将碲锌镉晶片进行抛光、表面腐蚀、沉积金电极和表面钝化，包括有四个工艺程序，其特征为，在最后的表面钝化程序中采用两步法，该方法的具体工艺程序如下：
a.碲锌镉晶体的抛光：先将碲锌镉晶片用金刚砂进行粗抛，使表面平整，粗抛后将晶片洗净，放入盛有去离子水的烧杯中，进行超声振荡，以去除晶片表面的沾污物和杂质粒子，然后对晶片进行细抛，直至晶片表面呈镜面；随后，再次用超声振荡去除表面杂质，将晶片浸在无水甲醇中待腐蚀；
b.晶片表面腐蚀：抛光后的晶片先采用BM腐蚀液，即5％Br+甲醇组成的腐蚀液，进行表面化学腐蚀，时间为1-2分钟；将经过BM腐蚀液腐蚀后的晶片在甲醇中润洗后再使用LB腐蚀液，即2％Br+20％乳酸+乙二醇组成的腐蚀液，对晶片进行腐蚀，以增加晶片表面光滑程度；然后将晶片在甲醇中超声清洗以去除表面残余Br以及其他杂质；
c.金电极的沉积：将腐蚀好的晶片取出，在N2保护气氛下吹干。采用化学方法镀金、在晶片双面适当部位沉积圆形金电极，其直径约为1-3mm，厚度为200。
d.表面钝化：将制备好电极的晶片，采用两步溶液法对其表面进行处理；先用KOH-KCl溶液进行表面处理，KOH和KCl溶液的浓度保持相同，控制在10-20wt％，时间为20-60分钟；接着再用10wt％的NH4F/H2O2混合溶液进行钝化，钝化处理时间为10-30分钟，将完成钝化之后的晶片放入大量去离子水中充分清洗以去除表面残留的各种离子；最后得到表面钝化的碲锌镉晶片。
同现有技术相比，本发明具有如下显著优点：采用二步法钝化工艺的改进措施，利用两种不同得溶液。先获得准化学计量比表面，再使用氧化性溶液在这个准化学计量表面上生成一层高阻氧化层，而且在该氧化层中，避免了残余的碲或富镉层的出现，改善了钝化层的电学性能。因为化学腐蚀碲锌镉晶体表面会出现一层高导电的富碲层，从而造成了碲锌镉晶体表面较高的漏电流，采用两步法化学钝化工艺就可避免传统单一化学钝化工艺普遍存在的缺点。
具体实施方式：
实施例一：本实施例的工艺过程包括以下各程序，
a.CZT晶体的抛光：将切割好的尺寸为5×5×2mm3的CZT晶片先采用金刚砂进行粗抛，将其磨平，使表面平整；粗抛后，将晶片洗净，放入盛有去离子水的烧杯超声振荡5分钟，以去除表面的沾污物和杂质粒子，然后在研磨机上依次用粒径为1um、0.5um、0.2um的刚玉微粉抛光液对CZT晶片进行细抛，直至晶片表面呈镜面。细抛后，再次用超声振荡去除表面杂质，将晶片浸在无水甲醇中待腐蚀。
b.晶片表面腐蚀：抛光后的CZT晶片先采用BM腐蚀液(5％Br+甲醇)进行表面化学腐蚀，时间为1分钟；将经过BM腐蚀液腐蚀后的晶片在甲醇中润洗后再使用LB腐蚀液(2％Br+20％乳酸+乙二醇)对CZT晶片进行腐蚀，增加晶片表面光滑程度。完成腐蚀的晶片在甲醇中超声清洗三次，每次时间均为5分钟，以去除表面残余Br以及其他杂质。
c.金电极的沉积：将腐蚀好的CZT晶片取出，在N2保护气氛下吹干。采用浓度为100ppm的AuCl3水溶液在CZT样品双面沉积圆形Au电极，圆形Au电极的直径约为2mm，电极厚度为200
d.表面钝化：将制备好金电极的CZT样品先采用KOH-KCl溶液进行表面钝化处理。KOH和KCl溶液的浓度保持相同，控制在15wt％，时间为40分钟；接着再用10wt％的NH4F/H2O2混合溶液进行钝化。钝化处理时间为30分钟。将完成钝化之后的CZT晶片放入大量去离子水中充分清洗以去处表面残留的各种离子。
将上述制得的碲锌镉晶片，装配而成的碲锌镉探测器，用Keithley4200型微电流计测量了钝化前后器件的I-V特性，对碲锌镉晶片钝化前后的器件作I-V特征的比较，发现本发明的晶片制成的器件的漏电流与钝化前相比下降了两个数量级，与单独采用KOH-KCl溶液或NH4F/H2O2溶液钝化相比也都有不同程度的降低。测试分析表明，晶片表面形成了一层附着力强、难以剥离的氧化层，且在氧化层底下的CZT表面的化学计量比得到了改善。以上结果表明，本发明的钝化效果优于目前使用的各种化学钝化方法，具有广泛的应用前景。