大尺寸室温辐射探测器用CdZnTe晶体生长研究

CdZnTe晶体被认为是目前最有前途的室温X射线和Gamma射线探测器用材料。高均匀性与低缺陷密度是目前大尺寸CdZnTe晶体制备过程中要解决的两大主要问题。本项目针对这两个问题，进行改进的垂直布里奇曼法生长大尺寸CdZnTe化合物半导体的工艺和理论研究。主要包括：（1）结合籽晶和ACRT技术，研究籽晶取向和ACRT参数对晶粒尺寸和晶体生长取向性的影响。（2）探讨不同工艺条件下晶锭中缺陷的形成规律以及与晶体取向的关系，分析大尺寸晶体生长过程中强制对流对成分分布的影响规律。（3）研究晶体性能与晶体结构缺陷的对应关系，并揭示其在晶锭中的分布规律。（4）对Te夹杂及其他缺陷进行关联分析，结合缺陷分布规律，讨论不同类型缺陷之间的内在联系，并从理论和工艺上找出控制缺陷的办法。在此基础上，掌握直径为90 mm的高质量探测器用CdZnTe晶体的生长技术。

碲锌镉（CdZnTe，CZT）晶体被认为是目前最优秀的室温核辐射探测器材料。高的成分均匀性与低的缺陷密度是大尺寸CZT晶体生长的两大难题。本项目主要围绕室温核辐射探测器用大尺寸CZT晶体的生长，研究大尺寸CZT晶体的ACRT及籽晶生长技术、成分、缺陷的分布规律以及Te夹杂与相关缺陷的耦合关系和对探测器性能的影响。确定了大尺寸CZT晶体生长所需的ACRT参数，生长了直径为60 mm和100 mm的CZT晶体，采用不同取向的籽晶，生长了直径为60 mm的CZT晶体，发现<211>取向的籽晶更易获得大的单晶。对比了不同方法生长的CZT晶体成分均匀性和结晶质量，发现ACRT法生长的晶体中，Zn的分凝因数约为1.16，成分均匀性较好。籽晶法生长的晶体X射线摇摆曲线半峰宽和PL谱(A0, X)峰半峰宽分别为30 arcs和19 meV，说明结晶质量相对较高。研究了成分和缺陷在CZT晶锭中的分布规律，Te夹杂和探测器能谱响应的轴向分布结果表明，晶体中部质量较好。成分和浅能级杂质缺陷的径向分布呈“W”形状，这可能与其生长界面的形状有关。研究了Te夹杂的不同形态以及和位错的耦合关系，发现Te夹杂周围均伴生有规则的位错出现，提出了十四面体的统一模型来解释不同形貌的Te夹杂形成过程，进而探讨了其演化机制。设计了不同类型的退火工艺，采用二步法退火，有效改善了CZT晶体结晶质量和电学性能，获得了满足探测器性能要求的高质量CZT晶体材料。项目研发的CZT晶体成功应用到强脉冲辐射场测量和高能射线探测等领域。项目的实施为大尺寸室温核辐射探测器用CZT晶体生长奠定了理论和工艺基础，作为部分内容获得2012年度陕西省科学技术一等奖。