物理气相沉积TeO?钝化对界面及CZT探测器光子计数性能的调制机制

《Surface and Coatings Technology》：Modulation mechanism of physical vapor deposition TeO? passivation on the interface and photon-counting performance of CZT detectors

　　- 通过 Au/CZT/TeO?/Au 结构的模拟，界面态引起了驼峰电容效应- 钝化处理形成 142–173 nm 厚的 TeO? 层；CMP/NaClO 处理形成有限氧扩散区- 钝化-CZT 实测 C–V 曲线中出现了平缓的电容驼峰、色散和迁移现象- CMP/NaClO 处理通过 Gm/Cm 测得的界面态密度不足钝化处理结果的 1/3- CMP/NaClO 处理界面具有更低的漏电流和更好的能量分辨率## 引言碲化镉锌（CdZnTe, CZT）是一种极具前景的室温 X/γ 射线探测器材料 [1]。其高原子序数、优异的辐射吸收能力和良好的载流子输运特性使其在高通量辐射探测 [2] 以及高精度光子计数计算机断层扫描（CT）成像 [3]、[4] 领域具有广泛应用前景。然而，CZT 晶体质地柔软、脆性大且容易发生晶格解理 [5]。Cd 和 Te 的高挥发性使得在切片、研磨和像素蚀刻过程中极易产生大面积的表面损伤和悬挂键 [6]、[7]。此类缺陷会形成富 Te 导电通道，导致严重的表面漏电流 [8]、界面陷阱增加 [9]、载流子输运性能恶化 [10] 以及器件极化现象 [11]，从而显著降低 CZT 探测器的能量分辨率、信噪比和长期稳定性 [12]。表面钝化处理可以抑制表面漏电流 [8]，修复界面缺陷并优化载流子输运 [9]，有效提升 CZT 光子计数探测器的综合性能。氟化铵/过氧化氢（NH?F/H?O?）是 CZT 最常用的湿化学钝化工艺 [12]、[13]。先前研究表明，湿氧化处理可以有效降低表面漏电流、减少器件噪声，并在短期内改善能量分辨率和光谱峰质量 [12]。然而，该方法固有的缺点难以克服：液相化学反应形成的氧化物层结构疏松，且薄膜中可能残留离子杂质和吸附水。在环境气氛下或长期施加一定偏压时，钝化层容易吸潮降解，导致钝化失效 [14]。干法钝化可以避免液相残留污染，具有更好的工艺参数可控性和可重复性，并且能够在细像素阵列和深沟槽侧壁等具有复杂三维结构的表面上形成均匀、致密且具有优异化学稳定性的钝化膜。氧等离子体原位改性是目前干法钝化的重要方法之一 [15]。Brovko 等人 [16] 揭示了射频氧等离子体对 CZT 的表面改性机制：高能氧离子首先去除表面碳污染和弱结合的本征氧化物层，随后反应性氧自由基与晶格原子成键，形成富含 Te–O 和 Cd–O 键的致密氧化层。Mescher 等人 [17] 利用 Ar/O? 混合等离子体实现了像素侧壁的统一钝化，避免了湿法工艺导致的侧壁底切现象，因而更适用于高密度阵列器件。与湿法钝化样品相比，等离子体钝化样品表现出更低的漏电流、更好的均匀性，以及改善的长期高压稳定性。除等离子体氧化外，异质介质薄膜也是广泛应用的干法钝化手段，例如原子层沉积（ALD）Al?O? [18]、[19] 以及通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或磁控溅射制备的 SiN? 或 SiO? 薄膜 [20]。对于光子计数 CT 等高压高通量成像场景，纳米尺度的原位氧化层不足以建立足够强的势垒来抑制器件极化。CZT 钝化技术正从液相化学钝化向等离子体干法改性过渡。通过异质介质薄膜的低温保形沉积进行钝化被认为是下一代高性能阵列探测器极具前景的发展方向 [17]。然而，关于 CZT 异质钝化的关键问题，如界面态调制机制、载流子输运行为以及在极端偏压和高通量辐照条件下的长期稳定性，目前仍缺乏系统性研究。为解决这些问题，本文聚焦于通过物理气相沉积（PVD）TeO? 薄膜钝化的 CZT（PVD-TeO?）。本研究系统探讨了 PVD-TeO? 对 CZT 钝化界面缺陷、电流输运、能带结构、能量分辨率以及光子计数线性的调制效应，同时尝试阐明其适用场景和性能边界，为高稳定性 CZT 光子计数阵列探测器钝化工艺的开发提供实验依据。## 章节摘要### 实验实验中所用的掺铟 Cd?.?Zn?.?Te 晶体采用区熔法（THM）生长。晶体电阻率约为 10?–101? Ω·cm，呈弱 n 型导电。CZT 晶锭使用 QP-301D 内径锯切成晶圆，随后使用 SYJ-1802 精密切割锯切割为 10 × 10 × 2 mm3 的样品。CZT 样品首先用 2000 目砂纸进行手工抛光，然后使用石蜡…（内容截断）### PVD-TeO? 钝化后 CZT 的界面结构图 2(a) 展示了具有 50 nm 厚薄膜的 PVD-TeO? 钝化样品的低倍截面透传电子显微镜（TEM）形貌。图像中可以清晰地观察到由衬底、钝化层和 Ni 电极组成的层状结构。图 2(a) 左上角的插图展示了 CZT 衬底的选区电子衍射（SAED）图案。尖锐的衍射斑点证实衬底沿…方向保持良好的单晶质量（内容截断）### 结论本研究探讨了 PVD TeO? 干法钝化对 CZT 探测器界面输运和辐射探测性能的调制机制。PVD 方法生长的致密连续宽带隙 TeO? 薄膜在 CZT 表面形成了层状界面。对 CdTeO?/Te 叠层界面结构的评估主要基于 TEM/EDS 元素面分布、拉曼光谱以及反应 3TeO? + 2CdTe → 2CdTeO? + 3Te 的热力学分析。这些结果作为…（内容截断）### CRediT 作者贡献声明**梁晓燕：** 综述与编辑写作，初稿撰写，项目管理，方法论，概念构思。**张翔昆：** 可视化，调查研究，形式分析，数据整理。**陈翔：** 可视化，软件，形式分析，数据整理。**谢晨：** 可视化，验证。**张吉军：** 监督指导，资源提供，资金支持。**王林军：** 监督指导，资源提供，资金支持。**黄健：** 监督指导，资源提供。**闵家华：** 资源提供，资金支持…（内容截断）### 利益冲突声明作者确认，不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本研究产生影响。### 致谢本研究获得**国家重点研发计划**（编号：2023YFA1608703）的资金支持。---梁晓燕 | 张翔昆 | 陈翔 | 谢晨 | 张吉军 | 王林军 | 黄健 | 闵家华