CZT高能射线探测材料与器件研究
CZT成像探测器设计与性能测试研究-Indico
四、后期工作
第十九届全国核电子学与核探测技术学术年会
1 CZT晶体的性质
相对原子序数：50
晶体密度:5.85g/cm3
电 阻 率：100GΩ/cm 禁带宽度:大于1.5eV
图1 碲锌镉晶体分子结构图
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2.1 CZT阳极设计
图2 CZT晶体为20mm×20mm×5mm，阳极像素间距为600 μm (像素大小为500μm，间隙为100μm)，阴极为平面型。
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CZT成像探测器设计与性能测试研究
范亚明 王天泉 李英帼 黄川 尹永智
（兰 州 大 学 核 科 学 与 技 术 学 院）
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报告提纲
一、CZT晶体的性质
二、600μm像素化CZT探测器电荷共享效应 三、小像素探测器硬件设计及信号测试
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2.2 阳极电荷共享效应
图3 当122keV准直光束照射600μmCZT探测器A5和A4之间不同位置。在位置150μm到350μm的 散点图中看到电荷共享事件和单像素事件。 当准直光束到达阳极像素的中间时（位置0μm和 500μm），只能找到单像素事件。240μm和260μm散点图，中间弯曲说明有电荷丢失在间隙中。
图15 CZT探测器阴极对137Cs进行测试获取的能谱图
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四、后期工作计划
1. 探测器上升时间测量
2. 阳极电荷共享以及DOI信息获取
3.符合测试
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CZT核辐射探测器研究背景意义及国内外研究现状
CZT核辐射探测器研究背景意义及国内外研究现状1研究背景及意义 (1)1.1研究背景 (1)1.2研究意义 (5)2国内外研究现状 (6)1研究背景及意义1.1研究背景在X射线和 射线的能谱和成像探测研究领域，为了得到高探测效率和成像分辨率的探测器，对于许多探测器进行了实验研究。
从无机闪烁体NaI与PMT或Si-PD组合，到Si、Ge探测器，但是他们都有不同的缺点和局限，Si探测器只能在低能区应用；Ge探测器必须工作在77 K的温度，NaI探测器在低温-196度下工作而且价格昂贵，这些探测器均具有一些无法忽视的缺点。
在以空间物理和医学成像为主要发展动力的前提条件下，半导体探测器的应用已不只局限于简单的X射线和γ射线的鉴别和测定或计数，它作为替换Ge、NaI 等下一代新型辐射探测器，有着广泛的应用，长远的发展前景和巨大的经济潜力。
在国防方面，核材料的监测、定位、鉴别和控制是必须的，长期以来迫切需要可室温操作，能量分辨率优于闪烁探测器，体积小、重量轻，用于现场监测的便携式γ谱仪，CZT是最佳的候选探测介质。
CZT晶体是近年来发展起来的一种室温半导体探测器新材料，不仅具有高电阻率、温度系数小，不会潮解，易于与前端电子学结合等优势，并且具有较高的灵敏度、探测效率和能量分辨率，弥补了上述无机闪烁体和Si、Ge等探测器的不足。
用碲锌镉材料制作的半导体探测器是国际上最新研究出来的一种新型射线探测器, 具有较大的吸收系数、较高的计数率、体积小、使用方便, 且能在室温下工作, 它还具有很高的探测效率。
Hyunki Kim等人的研究表明，较于NaI(TI)探测器的低能量分辨率，HPGe探测器的低温限制（90 K-100 K下使用，固态氮温度）以及CdTe的极化效应和较大漏电流，CZT材料具有一些独特的特性使它能够用作室温核辐射探测器材料，如禁带宽度大，易于控制热生电流，平均原子序数大，对射线的阻止本领强；机械强度好，方便器件的制作；电阻率高,制成的探测器在外加高的偏压下仍能保持低的漏电电流,因此降低了探测器的噪声。
CZT探测器电极制备工艺的研究的开题报告
CZT探测器电极制备工艺的研究的开题报告一、研究背景随着核医学技术的不断发展，CZT晶体作为一种高效性能的半导体材料越来越受到人们的重视。
CZT探测器是一种基于CZT晶体的射线探测器，具有高空间分辨率和能谱分辨率、高能量分辨率和探测效率等优点，在核医学、粒子物理、辐射环境监测等领域具有广泛应用前景。
CZT探测器主要由CZT晶体和电极组成，而电极则是决定CZT探测器性能的重要因素之一。
目前，CZT电极制备工艺主要包括蒸发金属、电化学沉积等方法。
然而，现有的制备工艺在金属镀涂均匀性、接触良好性、电信号穿透性等方面尚存在一定的局限性。
因此，对CZT探测器电极制备工艺进行优化研究，对提高CZT探测器的性能具有重要意义。
二、研究内容和目标本研究计划采用化学气相沉积（CVD）工艺制备CZT探测器的金属电极，通过优化CVD工艺参数，提高金属电极的均匀性和接触良好性。
同时，将比较不同金属电极对CZT探测器性能的影响，并探究电极厚度、电极材料与探测器性能的关系。
最终，达到提高CZT晶体探测器性能的目的。
三、研究方法1. 初步制备CZT晶体，并对其进行物性分析。
2. 采用CVD工艺制备CZT探测器金属电极，并优化CVD工艺参数。
3. 采用电学测试方法，对不同的金属电极进行比较，探究电极的均匀性、接触良好性等因素对探测器性能的影响。
4. 对比不同厚度和材料的电极对CZT探测器的性能进行测试。
四、预期成果1. 成功制备出均匀、接触良好的CZT探测器金属电极，并优化制备工艺；2. 对比不同材料和厚度的电极对CZT探测器性能的影响，建立电极参数与探测器性能之间的关系；3. 提高CZT探测器的能量分辨率、探测效率等性能。
CZT成像探测器设计与性能测试研究
（a）
（b）
图10 实验中采用的滤波放大器:（a）滤波放大器实物图（b）滤波放大器原理图
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3.3 滤波放大器
图11 实验中采用脉冲信号发生器对滤波器进行线性 刻度，经测试该滤波器的放大倍数约为9
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3.4 CZT阳极信号读出电路设计 A250前放 滤波放大器
图7 SEAF8信号转接电路版；（a） 64路阳极信号通过排针与后端电子学相连，反向 偏压通过-HV接线柱实施于晶体阴极表面。（b）SEAF8连接器与SEAM8连接器相连
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3.2 PC250前置放大器
图8 实验中采用的PC250:（a）PC250实物图（b）PC250原理图
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2.2 阳极电荷共享效应
图4 电荷共享FWHM为125μm大于100 μm的像素间隙
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2.3 阳极中心像素57Co能谱
（b）
图5 (a)照射单像素中心位置时，能量分辨率为6.8%@122keV,能量越大电子云越 大造成电荷丢失，因此能量越高能量分辨率越差.(b)照射间隙时，能量分辨率为 8%@122keV，由于 122keV电荷云较小，电荷丢失于间隙中造成分辨率较差。
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3.2 PC250测试
图9 输入信号为0 ~ 1.5V时输出信号与输入信号成良好的线性关系，此时输出信 号被放大了2.8倍，随着输出信号的继续增大，A250前置放大器的时间常数信息就 会显现出来，造成信号上升沿末端呈指数饱和的趋势，放大倍数相应的也会减小。
探测器级碲锌镉晶体生长及缺陷研究进展
探测器级碲锌镉晶体生长及缺陷研究进展
黄哲;伍思远;陈柏杉;柳萧;唐思危;马运柱;刘文胜
【期刊名称】《中国有色金属学报》
【年(卷),期】2022(32)8
【摘要】碲锌镉(CZT)晶体被认为是目前最有前途的室温半导体探测器材料之一,因为其原子序数大、电阻率高、禁带宽度大,相较于传统材料探测器件具有能量分辨率高、体积小、便携等优点。
目前,气相法、熔体法、溶液法等技术都被用来生长碲锌镉晶体。
其中熔体法因生长系统简单可靠、速度快、晶体体积大等优点,已广泛应用于工业生产。
但CZT低导热率、大蒸气压差异、低层错能等物理特性导致熔体法不可避免地会在晶体生长中引入空位、沉淀/夹杂相和位错等缺陷,严重影响其探测器的能量分辨率、响应速度等性能。
本文对比了几种主流CZT晶体生长方法的优劣,总结了常见缺陷及改性的研究进展,并对CZT单晶生长及缺陷调控等未来研究方向进行了分析与展望。
【总页数】18页(P2327-2344)
【作者】黄哲;伍思远;陈柏杉;柳萧;唐思危;马运柱;刘文胜
【作者单位】中南大学轻质高强结构材料重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TB34
【相关文献】
1.碲锌镉晶体生长技术的研究进展
2.碲锌镉衬底缺陷对液相外延碲镉汞薄膜结构的影响
3.碲锌镉半导体探测器的研究进展
4.室温辐射探测器用碲锌镉晶体的退火改性研究进展
5.室温核辐射探测器用碲锌镉晶体生长研究进展
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医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理
医疗CT中碲锌镉CZT探测器的工作原理首先，CZT是一种半导体材料，它具有高原子序数的碲（Te）、锌（Zn）和镉（Cd）。
CZT材料具有较高的密度、高原子序数和较高的光电子转换效率，这使得它成为医疗CT应用中的理想探测器材料。
在医疗CT中，CZT探测器通常用于探测X射线。
当X射线通过CZT 探测器时，它们在CZT材料中会产生能量沉积。
这种能量沉积导致电子从能带中跃迁到传导带中，形成电子和空穴对。
电子和空穴对的数量与入射射线的能量成正比。
接下来，电子和空穴会在CZT中进行扩散运动。
在CZT探测器的两侧放置了电极，形成正负极性。
通过对电极施加高压电位，可以形成电场，加快电子和空穴向电极移动的速度。
当电子和空穴到达电极时，它们回到基态，产生电信号。
这些电信号可以被放大和处理，以获得粒子的能量和其他特征。
通过测量X射线入射位置和能量，可以重建出物体对射线的吸收情况，从而生成CT图像。
CZT探测器与传统的闪烁探测器相比具有明显的优势。
首先，CZT探测器具有较高的能量解析度和较高的能量转换效率，这意味着它可以更准确地测量X射线的能量，从而提供更准确的CT图像。
其次，CZT探测器具有较高的计数速率能力，可以处理更高强度的辐射束。
此外，CZT探测器还具有较低的噪声和较短的响应时间。
总之，CZT探测器在医疗CT中的工作原理是基于CZT材料在辐射下的能量沉积和电信号产生的特性。
通过测量入射射线的能量和位置，可以生成高质量的CT图像。
射线探测用碲锌镉晶体及其器件研究_黄晖
电阻率可以使得用其制 造的探测器应用 高的偏 压 , 从而提高探测器的性能 ;大的禁带宽度可以探 测能量更高的射线 。 但是大的组分 y 值会使晶体 的熔点升高 , 加大了晶体生长的难度 , 影响了所获 得晶体的质量 , 晶体容易偏离本征态 。目前 , 射线 探测用碲锌镉晶体的组分 y 值通常在 0. 1 ～ 0. 2, 常用的生长方法有 :垂直布里奇曼方法 、高压布里 奇曼方法 、移动加热器方法 、垂 直梯度凝固方法 等 , 上述方法均能生长出质量较好的碲锌镉晶体 。 我们采用改进的布里奇曼方法进行碲锌镉晶体的 生长 , 生长 的碲 锌镉组 分为 y =0. 15, 即 Cd0. 85 Zn0. 15 Te晶体 , 通过严格控制晶体生长过程中 Cd 的蒸气分压 , 使得所生长的碲锌镉晶体在结晶质 量方面达到了较好的水平 。
图 2 平面型单元碲锌镉射线探测器 F ig. 2 Pho tog raph of a sing le e lement plana r detecto r fo r ra-
d ia tive ray detection fabrica ted w ith cadm ium zinc te lluride cry sta.l
晶体材料 。首先 把高纯 7N (99. 99999%)的 T e、 Cd和 Z n原材料 , 按 C d0. 85 Zn0. 15 Te 的化学配比称 重 , 置于经过薰碳的石英坩埚中 。抽真空封装后 , 放于高温合成炉中摇炉混料合成 , 之后 , 放入垂直 的 B ridgm an电阻生长炉中生长晶体 。生 长固液 界面处温度梯度为 3 ～ 10 ℃ /cm , 石英坩埚以 0. 2 ～ 1 mm /h的速度下降长晶 。在常规 B ridgm an晶体 生长过程中增加石英坩埚的旋转 , 以便获得更加 均匀的温场 , 这是对传统 B ridgm an生长方法的改 进 。石英坩埚的旋转速度为 2 ～ 10 r /h, 生长晶体 结束后 , 以 20 ～ 30 ℃ /h的速率冷却至室温 , 从而 完成晶体的生长过程 。
医疗CT中碲锌镉(CZT)探测器的工作原理
图6 CdZnTe探头电路设计图
CZT探头采用8路脉冲实现数据采集，其中 每一路均有一片4 ㎜ ×4 ㎜ × 2㎜的晶片 组成。
3、CZT探测器在医用CT中应用的优势
CT图像质量 的参数
空间分辨率 密度分辨率（能量分辨率） 探测效率
图7：CdTe探测器与其它常用探测器性能比较
高能量分辨率 高空间分辨率
CT值＝k
μm－μw μw
在多数CT中，k取1000；CT的单位为H
水
空气
骨头
μ
1
0.0013
2
CT值
0
-1000
+1000
一个CT装置的密度分辨率为△H=5，即能鉴别相当于0.5％ μw的密度差异，而胶片则 望尘莫及。
第一代
1.2 医用CT的发展过程[1]
第二代
第三代
第四代
第五代
结构：
一个X射线管﹢一个探 测器
高探测效率
例如： 平板探测器的量子探测效率(DQE )
CdTe：40~60%, 闪烁体(如CsI) ：30~40%
图8、不同探测器探测效率比较
CZT探测器制作工艺的优势
晶体体积和面元像素的大小根据对空间和能量分辨率以及测量能谱 范围等具体探测要求而定。
CZT探测器优点
• 高能量分辨率 • CZT探测到的光子直接转换产生电荷，无需光电倍增管和光电转换过程，这使它具有更高的电荷
号，也就是进行扫面和采集数据。
晶体闪烁体探测器
X X
射
射T阵列
闪烁体 光信号耦合 TFT阵列
工作原理：X射线打到闪烁体上，产生次级光，然后通过光电二极管阵 列，如图8-1所示；或是CCD阵列，如图8-2所 示转化成电信号
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CZT探测器与闪烁体 探测器的对比
CZT SPECT
Discovery NM/CT 670
GE公司开发了全球首台采用半导体探头的SPECT：Discovery NM 530c及Discovery NM 570c（Discovery NM530c+128层CT），及采用CZT探测器的乳腺伽玛相机。
国内研究现状
国外研究现状
国外CZT材料技术
国外研究现状
CZT探测器被广泛应用在空间天文观测中
SVOM
SWIFT
ASTRO-H
INTEGRAL
国外研究现状 美国 NASA的Swift卫星搭载的 BAT 天文望远镜
性能 观察孔 探测面积 参数 编码掩模 5200 cm2
探测器
探测方式 视野
CdZnTe
光子计数 2 sr (部分编码)
3. 整机系统的设计与开发
便携式伽马谱仪
安检成像设备
医疗CT
根据不同的应用需求和CZT探测器产生的信号特点，设计与之 相匹配的电子学读出电路，不断探索新的探测方法和数据处理 方法，并开发出相应的应用软件。
15 0 0 10 0 0 500 0 -5 0 0 0 100 200 300 400 500 600
微观结构缺陷 点缺陷、位错、孪晶、Te沉淀、偏析
C h an n el n um ber
宏观功能特性与微观 结构缺陷的内在关联
阳离子占位 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷
微观结构与缺陷 测定与分析
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Channels
241Am@59.5
keV
57Co@122
keV 4.09%
137Cs@662
keV
39.39%
LaBr3探测器 能谱响应曲线
CZT 探测器的能量分辨率远优于性能最好的LaBr3闪烁体探测器
国内外相关研究单位测试结果
英国Rutherford Appleton 国家实验室
Counts
600
R:5.46%@122KeV HV Bias:+400V Temp:300K
400
FWHM=1.9%
400
Bias @ 400 V τ=1μs
200
200
Bias @ 500 V τ=0.8 μs
0 0 200 400 600 800 1000
0
600
800
1000
Channel /numbers
自行搭建的红外显微成像系统和 Pockels效应测试系统
探测器能谱测试系统
CdZnTe晶体与电极制备
不同尺寸CZT单晶
金属电极
不同规格的CdZnTe探测器
电容弗里希CZT探测器 BNC封装CZT探测器 Capture结构CZT探测器 便携式能谱仪CZT探头 天文用CZT探测器成像系统
ASIC芯片
射线分类及探测技术
CdZnTe探测器 光栅+光电倍增管 Si、Ge探测器 闪烁体+光电倍增管
可 见 光
紫 外 光
软 X 射 线
硬 γ X射 射线 线
高 能 γ 射 线
1
10
100
1k
10k
100k
1M
光子能量 / eV
适用于CZT检测的主要技术领域及其特征波长
工业CT：（100-450KeV） 安全检测：（100-160KeV） 医学诊断：骨密度仪、医用CT、PET、SPECT等
----空间科学先导专项
大探测面积（30000-40000 cm2）、宽波段(1-100 keV)的X射线天文望远 镜主要科学目标是研究黑洞X射线双星的快速光变以及伴随的能谱变化。
1-100keV，2°×2° 15000 cm2(6-30keV) 1-30keV，0.5°×0.5° 5000 cm2(1-6keV) 2800cm2@ 30keV 0.5-15keV，1°×1° 7400 cm2@1keV 0.5-15keV，2°×2° 15000 cm2(1-6keV)
各种半导体探测器材料比较
Z
Si Ge InP GaAs CdTe CdZnTe(CZT) HgI2 TlBr Diamond 14 32 49/15 31/33 48/52 48/52 80/53 81/35 6
Eg (eV)
1.12 0.66 1.4 1.4 1.4 1.6 2.1 2.7 5
W (eV/ehp)
辐射性元素监控：
131I
：364 KeV（81%） 137Cs ：662 KeV （90%），（Ba-137m+β） 235U ：143 KeV（10%），185 KeV（54%） 239Pu：13.6 KeV（4.4%），113 KeV（0.04%）
CZT应用逐渐成 熟并不断拓展
骨密度仪： 241Am@59.5KeV（单能）, 40-80KeV(双能) 乳腺仪： 30KeV X光胸透： 20-40KeV 医疗CT （Computed Tomography）：80-150 KeV PET-CT （Positron Emission Tomography）： 511 KeV SPECT（Single-Photon Emission Computed Tomography）：511 KeV
迁移率：ue=1000 cm2/Vs uh=100 cm2/Vs 寿命：te=1 us th=0.1 us
0.4
0.2
0.0 0 1 2 3 4 5
厚度 / mm
CdZnTe平面探测器和Capture结构探测器对137Cs@662KeV的γ射线能谱响应
不同结构的CdZnTe探测器
电容弗里希结构探测器 半球型探测器 像素探测器
¾ 从事探测器级CZT晶体材料研究的主要有西北工业大 学、上海大学和四川大学等单位。 ¾ 从事CZT探测器结构设计、制备以及应用研究的单位 主要有西北工业大学、清华大学、中科院半导体所、 原子能研究院等。 ¾ 对于CZT探测器读出电路系统芯片的设计与研制，主 要有清华大学、原子能研究院、西北工业大学和中科 院高能所等。
3.6 2.9 4.2 4.3 4.4 4.7 4.2 5.9 13
ρ at RT (Ωcm)
107 108 109 1011 1013 1011 >1013
Also: SiC, PbI2, CdMnTe, ZnSe, GaSe，GaN
CZT探测器优势
优越的性能 (分辨率 [时间，空间，能量]，阻止能力) 室温下工作 (不需冷却) 高稳定性 (无极化) 与温度和偏压的高线性响应 (数据分析简化) 直接的光信号转换 (高的转化效率) X-ray & Gamma Ray (从10 keV到3 MeV) 器件设计的灵活 (通过光刻即可实现) 模块化 (cm2 到m2焦平面) 应用广泛 (医疗，工业检测，核安全，天体与高能物理：中微子探测“COBRA”计划, 硬X射线天文望远镜“EXIST”计划)
探测器性能参数 能量分辨率，时间分辨率，空间分辨率 灵敏度、极化效应、温度稳定性……
晶体电学性能 载流子输运特性、权重势场分布 空间电荷分布、接触势垒
35 0 0 30 0 0 25 0 0 20 0 0
241
Am @ 59.5 keV
C Z T -1 C Z T -2 C Z T -3
Counts
CZT样机Am-241放射源测量能谱
CZT探测器应用中的问题
• • • • • • • • • •
•
能量分辨率 空间分辨率、电荷串扰 时间分辨率、响应时间 灵敏度、剂量率范围 温度稳定性 时间稳定性、极化、余辉 辐照损伤 低能探测阈 n/γ分辨 其他应用：中微子探测、康普顿相机
……
• • • • • • • • •
X射线及γ射线探测技术的发展
优点：简单 缺点：能量分辨率 及探测效率低
优点：晶体尺寸 大，灵敏度高 缺点：需结合光 电倍增管，器件 庞大；能量分辨 率差；易潮解
最典型代表： CZT探测器 优点：能量分辨 率高；空间分辨 率高；器件尺寸 小，便携。 缺点：晶体制备 工艺尚不成熟 价格昂贵、部分 限制进口
国内探测器的开发长久以来受制于CZT晶体材料， 西北工业大学长期致力于CZT晶体材料与器件的研究
研究历程（From 1993）
晶体生长： 改进的Bridgman方法(ACRT+籽晶)Æ 表面处理： 研磨、抛光、腐蚀、钝化 材料表征： 结构性能: SEM, TEM, XRD/RXRD 光电性能: HALL, I-V, IR, PL 金属—半导体接触： 电极制备 (欧姆接触、肖特基接触) 器件制备与表征: 平面单元探测器制备 像素探测器制备 能谱响应与分析
探测元数
探测单元尺寸 Telescope PSF 能谱范围
256×128 ＝32768
4 mm x 4 mm x 2 mm 17 arcmin 15-150 keV
国外研究现状 美欧合作的超越爱因斯坦计划项目EXIST （高能X射线成像巡天望远镜）
CZT探测器（价值约4千万美元）： 能量范围： ~10 keV-600 keV； 面积：5.5m2 探测器数量：16,000
研究重点
¾ 模拟不同能量和剂量的射线与CZT相互作用的详细过 程，以及产生电子空穴对的分布规律。 ¾ 在考虑晶体缺陷和电学特性的基础上，针对不同应用 背景进行CZT探测器尺寸和电极结构的模拟设计。 ¾ 完善CZT晶体的精密无损加工和表面处理技术，控制 CZT晶体与金属电极的接触特性和界面缺陷。 ¾ 做好探测器的钝化和封装，以提高探测器在使用过程 中的环境稳定性。
Crystal Growth Furnace