新型室温辐射探测器材料碲镁镉单晶生长及性能研究

Cadmium Magnesium Telluride (CdMgTe) offers several pronounced potential advantages over the well-studied CdZnTe and CdMnTe, possibly making it a good alternative for room-temperature X-and gamma-ray detectors. It is a kind of compound semiconductor materials which can almost meet the requirements of various performances for room temperature radiation detector. It is expected to prepare single crystals with large size and uniform component because Mg displays a more ideal segregation coefficient (it is nearly 1 in CdTe) and CdMgTe possesses high crystallinity due to the near-similar lattice structure of CdTe and MgTe. Currently, studies for the growth of CdMgTe crystal are few, technique and method need further probing, and the size of as-grown CdMgTe crystal is smaller(diameter is lower than 18 mm). Moreover, several problems such as how to effectively reduce defects in CdMgTe crystal to improve homogeneity, crystal quality and resistivity, and how to prepare radiation detectors with high performance are urgent. Therefore, this project proposes to adopt simple, easy to do and inexpensive low-pressure vertical Bridgman method which is combined with accelerated crucible rotation technique to synthesis CdMgTe single crystal with bigger size (diameter is 30 mm). And CdMgTe single crystal is synthesized by adjusting the initial stoichiometric ratio which is combined with the method of doping. The synthesis of CdMgTe single crystal will lay the foundation of the fabrication of radiation detectors with big size and high performance.

碲镁镉(CdMgTe)晶体与研究较多的CdZnTe和CdMnTe相比具有一些潜在的优势，对于室温X射线和γ射线探测器来说，可能成为不错的选择。由于镁具有更理想的分凝系数(在CdTe中几乎是1)且CdTe和MgTe具有非常接近的晶格结构使得CdMgTe晶体结晶性好，故有望制备出大尺寸成分均匀的单晶体。目前，关于CdMgTe晶体生长方面的研究很少，工艺方法有待进一步探索，且生长的CdMgTe晶体尺寸偏小(直径小于18mm)。此外，如何有效降低CdMgTe晶体中的缺陷来提高晶体的均匀性、结晶质量和电阻率及制备出高性能的辐射探测器等是迫切需要解决的问题。因此，本项目提出采用简单易行、低成本的低压垂直布里奇曼法结合坩埚加速旋转技术，通过调整初始化学计量配比，并结合掺杂的方法，合成出较大尺寸(直径30mm)高质量的CdMgTe单晶体材料 ，为大尺寸、高性能室温辐射探测器的制备奠定基础。

本项目采用简单易行、低成本的低压垂直布里奇曼法，通过改变不同初始原料配比，同时结合ACRT技术并进行In掺杂，生长了多根大尺寸的Cd0.95Mg0.05Te晶锭。研究了不同初始原料配比对Cd0.95Mg0.05Te晶体性能的影响，并初步制备了室温辐射探测器。研究结果表明，采用Cd补偿和Te过量两种不同的生长条件，通过优化的生长工艺，均获得了直径为30mm，长度超过100mm的CdMgTe晶体，与文献报道的晶体尺寸相比有很大的提高。测试结果揭示了Cd补偿和Te过量0.5mol%生长的CdMgTe晶体为纯相闪锌矿结构，而Te过量超过1.0mol%的晶体中存在Te第二相。Mg元素在晶锭中的分布比较均匀，分凝系数几乎接近1.0。晶体中存在不同形状的Te夹杂相，尺寸为几微米到几十微米，密度在102~104cm-2范围。晶体的禁带宽度在1.54eV到1.59eV之间，最大红外透过率均为60%左右，电阻率在108Ω·cm~1010Ω·cm范围，晶体质量较好。此外，退火改性显著提高了生长态CdMgTe晶体的性能。采用在晶体两面蒸镀Au电极制备了平面室温辐射探测器。Te过量法生长的晶体和退火改性后的晶体制备的探测器性能较好，载流子迁移率-寿命乘积10-3cm2/V数量级，达到了高性能室温辐射探测器的要求。本项目的实施为大尺寸CdMgTe晶体的生长提供科学依据，并为该材料在室温辐射探测方面的应用奠定了基础。