CdZnTe晶體中的深能級(jí)缺陷及其對(duì)光電性能的影響.pdf

1、化合物半導(dǎo)體碲鋅鎘（CdZnTe，CZT）具有非常優(yōu)異的光電性能，被認(rèn)為是最有前途的室溫核輻射探測(cè)器材料。生長(zhǎng)態(tài)CZT晶體中不可避免的存在著大量的結(jié)構(gòu)缺陷和雜質(zhì)，在能帶中引入陷阱能級(jí)。這些能級(jí)對(duì)載流子產(chǎn)生復(fù)合、俘獲和散射等作用過程，從而影響載流子的壽命、遷移率等輸運(yùn)特性，最終影響CZT探測(cè)器的能量分辨率、電荷收集效率等探測(cè)性能。本文以室溫核輻射探測(cè)器用CZT晶體為研究對(duì)象，系統(tǒng)表征晶體材料中的深能級(jí)缺陷，深入理解這些缺陷能級(jí)對(duì)晶體光電性

2、能以及CZT探測(cè)器性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，有目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)過程及后續(xù)處理工藝中對(duì)缺陷的有效控制，以獲得高質(zhì)量的CZT晶體，為高性能的CZT核輻射探測(cè)器的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　采用熱激電流譜（TSC）和熱電效應(yīng)譜（TEES）技術(shù)研究CZT晶體中的深能級(jí)缺陷，同時(shí)采用同步多峰分析法（SIMPA）進(jìn)行詳細(xì)的解譜分析，得到陷阱能級(jí)的電離能、俘獲截面、濃度、缺陷類型等特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了CZT晶體中缺陷能級(jí)的系統(tǒng)表征和量化描述。由于

3、TSC/TEES測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生重要影響，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　采用TSC實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究生長(zhǎng)態(tài)晶錠頭部、中部和尾部的CZT晶體中的缺陷能級(jí)，揭示了缺陷能級(jí)的軸向分布規(guī)律和晶體電學(xué)性能的軸向分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，晶錠尾部的CZT晶體中，Te反位缺陷相關(guān)的深施主能級(jí)的濃度明顯高于頭部晶體中的值。晶錠頭部的CZT晶體中，電子的Hall遷移率約為467 cm2V-1s-1，明顯高于尾部晶體中的值（~3

4、94 cm2V-1s-1）。采用TSC實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究THM法和MVB法得到的CZT晶體中的缺陷能級(jí)，揭示了不同晶體生長(zhǎng)方法對(duì)缺陷能級(jí)和晶體電學(xué)性能的影響。MVB法生長(zhǎng)的CZT晶體中，Te反位缺陷相關(guān)的深施主能級(jí)占主導(dǎo)作用，缺陷能級(jí)之間的補(bǔ)償?shù)玫降蜐舛龋▇7.13×105 cm-3）的凈自由電子，從而獲得n型導(dǎo)電和高電阻率（~1.34×1010Ωcm）。THM法生長(zhǎng)的CZT晶體中，Te間隙缺陷相關(guān)的深受主能級(jí)占主導(dǎo)作用，缺陷能級(jí)之間的補(bǔ)償?shù)?/p>

5、到濃度相對(duì)較高（~5.31×107 cm-3）的凈自由空穴，從而獲得p型導(dǎo)電和高電阻率（~1.92×109Ωcm）。
　　采用TSC實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究了不同遷移率的CZT晶體中的缺陷能級(jí)，探討了缺陷能級(jí)對(duì)載流子遷移率的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得高遷移率（848±42 cm2/Vs）和低遷移率（337±17 cm2/Vs）的CZT晶體中的缺陷能級(jí)總濃度分別約為2.0×1016 cm-3和3.8×1017 cm-3?；贛atthiesen理論，綜合考

6、慮各個(gè)散射機(jī)制對(duì)載流子遷移率的貢獻(xiàn)，獲得這兩種CZT晶體中的電子遷移率的理論估算值分別約為1004 cm2/Vs和352 cm2/Vs。影響CZT晶體在室溫下的電子遷移率的散射機(jī)制主要有兩種：極性光學(xué)聲子散射和電離雜質(zhì)散射。當(dāng)缺陷總濃度低于1.0×1015 cm-3時(shí)，電子遷移率取決于極性光學(xué)聲子散射；當(dāng)缺陷總濃度高于1.0×1017 cm-3時(shí)，電離雜質(zhì)散射成為占主導(dǎo)作用的散射機(jī)制。
　　采用改進(jìn)的SRH復(fù)合模型，分析亞禁帶光照

7、條件下載流子在缺陷能級(jí)上的俘獲、去俘獲過程，揭示CZT晶體中的光照動(dòng)力學(xué)過程。光電躍遷過程達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)時(shí)，CZT晶體中的深施主缺陷能級(jí)的電離概率約為0.98，而在暗場(chǎng)條件下，它的電離概率約為0.62。采用準(zhǔn)歐姆定律、擴(kuò)散理論、ITD混合模型，研究MSM結(jié)構(gòu)的CZT探測(cè)器中的光電流-電壓特性曲線和暗電流-電壓特性曲線。有效體電阻率在光照條件下約為4.7×109Ωcm，而在暗場(chǎng)條件下約為3.0×1010Ωcm。空間電荷密度的平均值在光

8、照條件下約為2.2×1012 cm-3，而在暗場(chǎng)條件下約為2.5×1010 cm-3。亞禁帶光照條件下，CZT探測(cè)器能譜響應(yīng)曲線中的主峰位置向道數(shù)較高的方向移動(dòng)，顯示出更好的電荷收集效率，電子的遷移率壽命積從暗場(chǎng)條件下的6.7×10-4 cm2V-1增大到光照條件下的1.03×10-3 cm2V-1，顯示出更好的載流子輸運(yùn)特性。
　　采用高能高劑量的γ射線作為輻照源，研究CZT晶體和CZT探測(cè)器的輻照損傷效應(yīng)，涉及康普頓散射、盧瑟

9、福散射、級(jí)聯(lián)損傷等一系列的能量轉(zhuǎn)移過程。采用TSC譜測(cè)試技術(shù)，研究高能γ射線輻照在CZT晶體中引起的缺陷能級(jí)分布特性的變化，位錯(cuò)相關(guān)的陷阱能級(jí)的濃度發(fā)生了明顯的增加，Cd空位缺陷和缺陷復(fù)合體相關(guān)的陷阱能級(jí)，從輻照前的1.7×1011 cm-3增大到輻照后的3.0×1012 cm-3。Hall結(jié)果表明，輻照后的CZT晶體中，載流子從低濃度（~1.9×106 cm-3）的凈自由電子轉(zhuǎn)變?yōu)楦邼舛龋▇1.7×1012 cm-3）的凈自由空穴，晶