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硅基碘化汞多晶厚膜生长技术及探测器性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代科技发展中，辐射探测技术起着至关重要的作用，广泛应用于医疗、安全、环境监测等多个领域。碘化汞（HgI?）作为一种极具潜力的室温半导体辐射探测材料，近年来受到了科研人员的广泛关注。其具备一系列优异的特性，为辐射探测领域带来了新的突破和发展机遇。

碘化汞的禁带宽度高达2.13eV，这使得它在室温下具有较低的热激发载流子浓度，从而有效降低了探测器的暗电流，提高了探测的灵敏度和准确性。高原子序数（Hg为80，I为53）赋予了碘化汞对X射线和γ射线较高的吸收截面，能够更有效地探测到这些辐射信号，在低能X射线和γ射线探测方面表现出独特的优势。其高电阻率（1013Ω?cm）进一步保证了探测器在工作过程中的稳定性和可靠性。凭借这些突出的性能，碘化汞探测器在核医学成像中，能够清晰地捕捉到人体内部的细微病变，为疾病的早期诊断提供了有力支持；在环境监测领域，可精确检测环境中的放射性物质，及时发现潜在的辐射污染；在安全检查方面，能够快速准确地检测出隐藏的放射性物品，保障公共安全。

然而，碘化汞探测器的发展也面临着一些挑战。碘化汞单晶的生长难度极大，需要精确控制生长条件，且生长过程复杂、成本高昂，难以实现大规模生产。这限制了碘化汞探测器在一些对成本和产量有较高要求的领域的应用。为了解决这一问题，研究人员将目光转向了多晶碘化汞材料。多晶碘化汞虽然在晶体结构的完整性上不如单晶，但通过优化制备工艺，可以在一定程度上提高其性能，并且多晶材料的制备相对简单，成本较低，更适合大规模制备探测器。

硅基衬底在半导体领域具有广泛的应用，其良好的兼容性和稳定性为碘化汞探测器的制备提供了理想的载体。将碘化汞多晶厚膜生长在硅基衬底上，不仅可以充分利用硅基材料的优势，还能够实现探测器的小型化和集成化，提高探测器的性能和可靠性。因此，研究硅基碘化汞多晶厚膜的生长及其探测器的性能具有重要的理论意义和实际应用价值，有望为辐射探测技术的发展带来新的突破，推动相关领域的进一步发展。

1.2研究目标与内容

本研究旨在克服碘化汞单晶生长难度大以及器件制备工艺复杂等瓶颈问题，将研究重点聚焦于硅基碘化汞多晶厚膜的可控生长技术以及探测器性能的优化策略，期望通过一系列创新性的研究手段，实现碘化汞探测器性能的显著提升，为其在实际应用中的广泛推广奠定坚实基础。

在硅基碘化汞多晶厚膜的生长工艺探索方面，着重研究热壁物理气相沉积（PVD）技术的关键工艺参数对厚膜结晶质量的影响规律。热壁物理气相沉积技术作为一种常用的薄膜制备方法，在多晶碘化汞厚膜的制备中具有独特的优势。通过精确调控沉积温度、沉积速率、气体流量等参数，深入探究它们与厚膜结晶质量之间的内在联系，从而确定出最佳的生长工艺条件，以获得高质量的硅基碘化汞多晶厚膜。同时，首次引入超声波辅助技术，研究其在促进厚膜生长过程中的作用机制。超声波的引入可能会对厚膜的结晶过程产生多方面的影响，如改变原子的扩散速率、促进晶核的形成与生长等。通过对超声波功率、频率、作用时间等参数的优化，进一步改善多晶厚膜的结晶质量，提高其晶体结构的完整性和均匀性。

在探测器制备与性能测试环节，基于生长得到的高质量硅基碘化汞多晶厚膜，精心设计并制备探测器。从电极材料的选择、电极的制备工艺，到探测器的封装技术，每一个环节都进行细致的研究和优化。电极材料的选择直接影响探测器的电学性能，不同的电极材料与碘化汞多晶厚膜之间的接触特性存在差异，可能导致不同的电荷传输效率和界面稳定性。因此，通过对比多种电极材料，筛选出最适合的电极材料，并优化其制备工艺，以确保电极与厚膜之间形成良好的欧姆接触，降低接触电阻，提高探测器的响应速度和灵敏度。在封装技术方面，采用先进的封装工艺，有效保护探测器免受外界环境的干扰，提高探测器的稳定性和可靠性。完成探测器制备后，对其关键性能进行全面测试与分析，包括光暗电流特性、电容频率特性以及能谱响应特性等。通过对这些性能参数的深入研究，全面评估探测器的性能优劣，为进一步优化探测器性能提供有力的数据支持。

二、硅基碘化汞多晶厚膜生长方法

2.1热壁物理气相沉积（PVD）技术

热壁物理气相沉积（PVD）技术作为一种常用的薄膜制备方法，在硅基碘化汞多晶厚膜的生长中具有独特的优势。其原理是在高真空环境下，将碘化汞原料加热至蒸发温度，使其从固态直接转化为气态，气态的碘化汞分子在真空中自由传输，然后在低温的硅基衬底表面凝结、沉积，逐渐形成多晶厚膜。这种方法能够精确控制薄膜的生长过程，从而获得高质量的多晶厚膜。

在本研究中，采用了一套先进的热壁PVD装置。该装置主要由真空系统、加热系统、蒸发源和衬底支架等部分组成。真空系统能够将反应腔室内的气压降低至10?3–10?