探測(cè)器級(jí)CdZnTe：In晶體生長(zhǎng)研究.pdf

1、化合物半導(dǎo)體Cd<,0.9>Zn<,0.1>Te(CZT)是一種性能優(yōu)異的新一代X、γ射線探測(cè)器材料。由于其在醫(yī)學(xué)、空間科學(xué)、機(jī)場(chǎng)、港口安檢、核廢料監(jiān)測(cè)及其它核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域巨大的應(yīng)用前景，受到各國(guó)的廣泛關(guān)注。目前，國(guó)際上商業(yè)化的CZT、晶體都是用高壓布里奇曼法(HPB)生長(zhǎng)的，價(jià)格十分昂貴，這極大地限制其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。低壓布里奇曼法(LPB)由于設(shè)備簡(jiǎn)單、操作易控等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。但是在低壓布里奇曼法中，缺陷Cd空位的補(bǔ)償

2、難以解決，即使在精確控制Cd/Zn分壓的條件下，晶體電阻率也要比高壓布里奇曼法生長(zhǎng)的晶體低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，且重復(fù)性較差。如何改善低壓布里奇曼方法，生長(zhǎng)出高性能CZT晶體是當(dāng)前研究的主要目標(biāo)。 本文從提高晶體結(jié)構(gòu)性能和電學(xué)性能兩個(gè)方面著手，采用In摻雜和富Te量控制相結(jié)合的低壓布里奇曼法，成功地生長(zhǎng)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的探測(cè)器級(jí)CZT:In晶體，并初步制備了CZT探測(cè)器。主要的內(nèi)容與結(jié)論如下： 1．傳統(tǒng)的生長(zhǎng)工藝中忽略了CZ

3、T合成過(guò)程中所產(chǎn)生的雜質(zhì)污染，本工作提出并開(kāi)展了CZT合成材料的提純研究，獲得了CZT材料物理氣相輸運(yùn)的工藝參數(shù)并有效地提高了合成料的純度。成分測(cè)試結(jié)果表明，Ag、Cu、Al、Fe、Na、Au、Ni的雜質(zhì)含量均明顯下降，尤其是．Ag和Au的去除比較完全，含量低于檢測(cè)限。 2．利用有限元方法對(duì)CZT晶體生長(zhǎng)過(guò)程中熱應(yīng)力演變進(jìn)行了數(shù)值模擬并研究了不同溫度梯度、不同石英安瓿形狀對(duì)晶體熱應(yīng)力分布的影響。在計(jì)算中考慮了熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等

4、熱交換過(guò)程和相變過(guò)程。模擬結(jié)果表明：晶體在石英安瓿內(nèi)壁附近，等徑起始點(diǎn)處的熱應(yīng)力較大，應(yīng)力值的數(shù)量級(jí)約為10<'9>N/m<'2>，晶體主體熱應(yīng)力較小，約在10<'8>N/m<'2>數(shù)量級(jí)。較小的溫度梯度以及較小的坩堝角度均有利于生長(zhǎng)低缺陷密度的晶體。 3．根據(jù)熱應(yīng)力模擬結(jié)果，首次提出了降低晶體內(nèi)部位錯(cuò)密度的新工藝，簡(jiǎn)稱(chēng)為CB-LPB：不同生長(zhǎng)階段采用不同下降速度，并且在晶體下降至等徑起始點(diǎn)處采用“回熔”操作。 4．采用

5、類(lèi)化學(xué)反應(yīng)平衡理論研究了各種點(diǎn)缺陷濃度、Cd壓以及In摻雜量之間的變化關(guān)系，為我們的探測(cè)器級(jí)晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。計(jì)算結(jié)果表明 (1)較低的In摻雜量對(duì)晶體的電學(xué)性能影響較??；隨著In摻雜量的增加，晶體中電子濃度增加而空穴濃度減小，晶體的導(dǎo)電類(lèi)型由P型向N型轉(zhuǎn)變；當(dāng)In摻雜量增加到一定的程度，[InCd<'+>]和[AIn<'->]曲線幾乎重合，再增加In量，對(duì)晶體電學(xué)性能的影響不大。據(jù)此可推測(cè)采用適當(dāng)?shù)腎n摻雜量很有可能得

6、到近似本征性能的高阻晶體。 (2)隨著Cd壓的增加，電子濃度增加而空穴濃度減小，晶體的導(dǎo)電類(lèi)型逐漸由P型轉(zhuǎn)變?yōu)镹型。 (3)研究了深能級(jí)反位缺陷TeCd<'2+>與Cd壓、In摻雜量的關(guān)系：降低Cd壓，減小In摻雜量均有利于提高Te<,Cd<'2+>>的濃度。 5．利用CB-LPB生長(zhǎng)工藝，最終成功地生長(zhǎng)出探測(cè)器級(jí)CZT:In晶體，電阻率高達(dá)1.8×10<'10>Ωcm，接近同類(lèi)報(bào)道的最好水平。其中晶體結(jié)構(gòu)性相當(dāng)

7、完好，X射線搖擺曲線半峰寬僅為31.8”；典型(111)面的平均位錯(cuò)密度僅為10<'3>～10<'4>/cm<'2>，低于同類(lèi)報(bào)道1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；獲得了(111)面尺寸約為26mm×45mm的大體積單晶，有效地提高了晶體的利用率。單晶體體積最大可達(dá)70％。 6．目前有關(guān)In摻雜量、富Te量與晶體電學(xué)性能之間的關(guān)系在理論與實(shí)踐上尚缺乏一定的規(guī)律性，在這方面展開(kāi)系統(tǒng)性的研究將具有十分積極的意義。我們采用了控制變量的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)展開(kāi)研究

8、，并獲得了高阻CZT晶體生長(zhǎng)的關(guān)鍵工藝參數(shù)。研究表明： (1)固定In摻雜量為8×10<'17>cm<'-3>。時(shí)，隨著富Te量的增加，晶體的導(dǎo)電類(lèi)型逐漸由N型向P型轉(zhuǎn)變；富Te量對(duì)電子遷移率有著顯著地影響，增加富Te量會(huì)減小電子遷移率，但是對(duì)空穴遷移率影響不大。 (2)當(dāng)富Te量為1.2wt％時(shí)，隨著In摻雜量的降低，晶體的導(dǎo)電類(lèi)型由N型逐漸的向P型轉(zhuǎn)變；In摻雜量的降低有利于提高載流子遷移率。 (3)當(dāng)In摻

9、雜量為5×10<'17>cm<'-3>、富Te量為1.2wt％時(shí)獲得了電阻率高達(dá)1.89×10<'10>Ωcm的晶體。 7．綜合低溫光致發(fā)光以及深能級(jí)瞬態(tài)譜的測(cè)試與分析結(jié)果，構(gòu)建了在富Te下生長(zhǎng)的CZT：In晶體中的主要缺陷能級(jí)。．In<,cd><'+>、Te<,cd><'+>、Te<,cd><'2+>，其能級(jí)位置分別在導(dǎo)帶以下0.01、0.03、0.74eV。v<,cd><'->、A中心(In<,cd><'+>-V<,cd><

10、'2->)、V<,cd><'2->，其能級(jí)位置分別在價(jià)帶上0.02、0.18、0.45eV。其中首次利用PL和DLTS技術(shù)分別測(cè)出導(dǎo)帶下0.03eV、0.74eV的能級(jí)，分別對(duì)應(yīng)反位缺陷Te<,cd><'+>、Te<,cd><'2+>的能級(jí)位置，這接近于Berding的理論計(jì)算結(jié)果0.01eV、0.75eV。 8．使用自主生長(zhǎng)的的高性能CZT;In晶體，初步制備了MSM結(jié)構(gòu)的CZT探測(cè)器。對(duì)<'241>Am59.5KeV γ射線