探測器級CdZnTe：In晶體生長研究.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射線探測器材料。由于其在醫(yī)學(xué)、空間科學(xué)、機(jī)場、港口安檢、核廢料監(jiān)測及其它核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域巨大的應(yīng)用前景，受到各國的廣泛關(guān)注。目前，國際上商業(yè)化的CZT、晶體都是用高壓布里奇曼法(HPB)生長的，價(jià)格十分昂貴，這極大地限制其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。低壓布里奇曼法(LPB)由于設(shè)備簡單、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的晶體低1～2個數(shù)量級，且重復(fù)性較差。如何改善低壓布里奇曼方法，生長出高性能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，成功地生長出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的探測器級CZT:In晶體，并初步制備了CZT探測器。主要的內(nèi)容與結(jié)論如下： 1．傳統(tǒng)的生長工藝中忽略了CZ

3、T合成過程中所產(chǎn)生的雜質(zhì)污染，本工作提出并開展了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，含量低于檢測限。 2．利用有限元方法對CZT晶體生長過程中熱應(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晶體熱應(yīng)力分布的影響。在計(jì)算中考慮了熱傳導(dǎo)、對流、輻射等

4、熱交換過程和相變過程。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。較小的溫度梯度以及較小的坩堝角度均有利于生長低缺陷密度的晶體。 3．根據(jù)熱應(yīng)力模擬結(jié)果，首次提出了降低晶體內(nèi)部位錯密度的新工藝，簡稱為CB-LPB：不同生長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，為我們的探測器級晶體生長實(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，對晶體電學(xué)性能的影響不大。據(jù)此可推測采用適當(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)電類型逐漸由P型轉(zhuǎn)變?yōu)镹型。 (3)研究了深能級反位缺陷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生長工藝，最終成功地生長出探測器級CZT:In晶體，電阻率高達(dá)1.8×10<'10>Ωcm，接近同類報(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)面的平均位錯密度僅為10<'3>～10<'4>/cm<'2>，低于同類報(bào)道1～2個數(shù)量級；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)方法來展開研究

8、，并獲得了高阻CZT晶體生長的關(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)電類型逐漸由N型向P型轉(zhuǎn)變；富Te量對電子遷移率有著顯著地影響，增加富Te量會減小電子遷移率，但是對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)光以及深能級瞬態(tài)譜的測試與分析結(jié)果，構(gòu)建了在富Te下生長的CZT：In晶體中的主要缺陷能級。．In<,cd><'+>、Te<,cd><'+>、Te<,cd><'2+>，其能級位置分別在導(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)分別測出導(dǎo)帶下0.03eV、0.74eV的能級，分別對應(yīng)反位缺陷Te<,cd><'+>、Te<,cd><'2+>的能級位置，這接近于Berding的理論計(jì)算結(jié)果0.01eV、0.75eV。 8．使用自主生長的的高性能CZT;In晶體，初步制備了MSM結(jié)構(gòu)的CZT探測器。對<'241>Am59.5KeV γ射線