近化学计量配比生长CdZnTe晶体的共掺杂研究

CdZnTe has been considered as the most promising candidate for room temperature radiation detector applications. However, for high energy radiation detector applications, Te inclusion has been the main issue hindered the applications of CZT. Here, based on the known of influence of Te inclusion on carrier transport, we'll mainly focus on the co-doping effect on defect level adjustment, where to grow the CZT crystal from near-stoichiometry conditions to eliminate Te inclusions. By using an extra Cd source, we'll grow CZT crystal dynamically adjusting the Cd pressure to maintain the stoichiometry during the growth. Te inclusion free CZT crystal was expected. We'll learn about the possible intrinsic defects in this crystal. Then, by introducing co-doping elements, we'll try to compensate these defects and pin the Fermi level. We'll learn the reason how co-doping elements influence the carrier transport properties and introduce the third elements to passivate the deep level defect by compounding with them. The mechanism on lowering the concentration of deep level defects and improving the carrier transport properties by using co-doping or trip-doping methods will be discussed.

碲锌镉（CdZnTe，CZT）晶体被认为是最有前途的室温核辐射探测器材料之一。Te夹杂是限制碲锌镉（CdZnTe，CZT）探测器高能应用的主要缺陷。针对传统CZT晶体生长方法容易引入Te夹杂的普遍问题，本项目研究Cd压控制的近化学计量比晶体生长方法，尝试在生长过程消除Te夹杂。根据缺陷化学平衡规律及形成和扩展机制，研究改变Cd压对缺陷进行动态调控的方法。结合高阻相互补偿原理，引入共掺杂元素，在浅能级掺杂杂质补偿本征缺陷的基础上，引入深能级掺杂杂质，钉扎费米能级，获得高电阻率晶体。研究引入第三种掺杂元素与深能级杂质形成化合物钝化深能级的方法，改善载流子输运性能。在此基础上，掌握近化学计量比配比生长高能射线探测器用CZT晶体的方法，阐明采用共掺杂方法降低深能级缺陷浓度、改善载流子输运性能的机制，为实现高能射线探测和大剂量探测应用奠定基础。

本项目基于近化学计量比配比生长高能射线探测器用碲锌镉（CdZnTe，CZT）晶体的技术，研究采用共掺杂改善载流子输运性能的方法。.利用Maxwell-Stefan传质理论，将Zn-Te二元传质模型扩充为Zn-Te-Cd三元传质模型，并对Cd0.9Zn0.1Te晶体的Bridgman生长过程进行了模拟。首次估算了Cd0.9Zn0.1Te熔体中两两组分之间的Maxwell-Stefan扩散系数。发现在三元体系的晶体生长过程中，各扩散系数及其之间的比值都对组分的扩散有很大影响。通过对不同生长条件下淬火的生长界面形貌研究，揭示了生长工艺参数、生长界面形貌和结晶质量之间的内在关系。发现引入ACRT后，凹形生长界面的曲率被显著减小。通过增加ACRT 的最大转速或减小平台时间以增强强迫对流，可以获得平直或微凸的生长界面。在此基础上，结合Cd压调控技术，实现了对生长界面的重复可控性调控，首次使用布里奇曼法成功生长2英寸CZT全单晶锭。.发现了CZT晶体点缺陷之间的相互反应过程。生长了不同In掺杂浓度的CZT晶体，研究了其电荷输运行为。结果表明，CZT晶体中的缺陷存在相互作用，即随着掺杂浓度的增加，消耗部分Cd空位，导致参与Te反位形成的Cd空位浓度降低，从而使得Te反位浓度降低。X射线响应结果表明，合适的掺杂浓度约为5ppm。采用共掺杂方法优化了CZT晶体的电学特性。生长了不同化学计量配比以及不同Yb掺杂浓度的CZT:Yb晶体和CZT:( In,Yb)共掺杂晶体。分析了CZT:(In,Yb)晶体轴向上的缺陷能级分布规律，研究并建立了掺杂元素和本征缺陷Cd空位和Te反位的相互补偿关系，建立了可能的缺陷补偿方程。发现CZT:(In,Yb) 晶体的电子迁移率提升了35%。认为稀土元素掺杂导致的吸杂效果是电子迁移率改善的主要原因。.综上所述，在项目支持下，掌握了基于近化学计量比配比生长高能射线探测器用CZT晶体的方法，实现了2英寸CZT晶体的全单晶生长，发现了CZT晶体缺陷的相互反应过程，结合共掺杂技术改善了载流子输运性能，为CZT应用夯实了基础。