新型核辐射探测器用CdTe基化合物晶体生长与性能表征

发布时间：2020-11-05 21:20

　　 CdTe基化合物被认为是最有前景的室温核辐射探测器材料之一。由其制备而成的辐射探测器在室温下对X/gamma射线具有响应速度快、灵敏度高等优点。然而,由于CdTe基化合物晶体离子性较强,导致热导率较低,其在熔体法生长过程中Cd元素易挥发,会导致熔体偏离化学计量比,给高质量的CdTe基化合物晶体制备带来困难,进而影响辐射探测器的应用。因此,本文采用改进的垂直布里奇曼(MVB)法生长CdTe:In和CdTeSe:In晶体,并进一步优化其晶体生长工艺,以获得高质量的晶体材料。在此基础上,对比分析三类晶体(CdTeSe:In、CdTe:In和CdZnTe:In)的结晶质量、光学性能和电学性能等特性。首先,采用改进的垂直布里奇曼(MVB)法生长了CdTe:In与CdTeSe:In晶体,原料配比分别为n_(Te):n_(Cd)=1.015:1和n_(Cd):n_(Te):n_(Se)=1:0.9:0.1,In掺杂量为10-15 ppm,成功生长出了CdTe:In与CdTeSe:In晶体,其直径为15 mm,长度为65 mm。其中,生长出的CdTe:In晶体引晶段出现断裂,导致后段出现大量的孔洞。生长的1#CdTeSe:In晶体Te包裹现象较为严重,Te夹杂尺寸较小。生长的2#CdTeSe:In晶体的Te包裹现象相对较少,Te夹杂尺寸较大。对生长态CdTe:In晶体内的Te夹杂相的尺寸与密度进行了统计,发现Te夹杂尺寸主要集中在0-20μm范围。生长的1#CdTeSe:In晶体经过等温退火处理后发现Te夹杂尺寸明显较小,而生长的2#CdTeSe:In晶体没有经过等温退火处理,故Te夹杂尺寸较大且分布不均匀,其平均面密度在10~4 cm~(-2)数量级。通过紫外-可见-近红外透过光谱研究,对曲线拟合后得出CdTe:In、CdTeSe:In和CdZnTe:In晶体的禁带宽度分别为1.45 eV、1.40 eV和1.51 eV,产生原因与三种晶体的成键机理和电子结构有关。红外透过光谱研究表明,在500-4000 cm~(-1)波数范围内三种晶体的透过率曲线均呈直线型分布,其中最大平均透过率为CdTeSe:In晶体的64%,其次是CdZnTe:In晶体的57%,最小为CdTe:In晶体的47%,产生原因与CdTe:In晶体中分布的较大尺寸Te夹杂相有关。低温光致发光谱研究表明,CdTe:In和CdZnTe:In晶体中由于In的掺入均对Cd空位起到了有效补偿,故晶体中施主受主复合中心数量较少;而CdTeSe:In晶体中Cd空位浓度最高,In未起到有效补偿作用。I-V测试结果表明,CdZnTe:In晶体的电阻率达到10~9?·cm,高于CdTe:In与CdTeSe:In晶体。这不仅与CdZnTe:In的禁带宽度大于CdTe:In与CdTeSe:In晶体有关;还有可能与三种晶体中Cd空位浓度有关,在CdZnTe:In晶体中Zn作为Cd的替代原子有效的减少Cd空位浓度,从而提高了晶体的电阻率,而CdTe:In与CdTeSe:In晶体中存在较多的Cd空位,造成电阻率的下降。I-t测试表明,电流开始到平稳的时间段里CdZnTe:In晶体电流减少,而CdTe:In和CdTeSe:In晶体电流增大,主要与In掺杂量不同有关。Hall测试表明,CdTe:In、CdZnTe:In和CdTeSe:In晶体的导电类型均为n型半导体,其电子是主要的载流子。TOF测试中随着外加偏压的增大,TOF图谱中的脉冲电压信号的幅值也随之增大。而在外加偏压方面,晶体CdTeSe:In相对CdTe:In和CdZnTe:In承受的偏压较低,可能与其电阻率相对较低、漏电流较大有关,载流子漂移时间t_(dr)随着外加偏压的增大而减小,通过拟合得到CdTe:In的μ_e值约为877 cm~2·V~(-1)·s~(-1),大于CdZnTe:In(818 cm~2·V~(-1)·s~(-1))和CdTeSe:In(527 cm~2·V~(-1)·s~(-1)),这表明CdTe:In晶体的电子运输性能优于CdZnTe:In与CdTeSe:In。
【学位单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL81;O78
【部分图文】：

(a) CdTe 晶体 (b) CdZnTe 晶体图 1.1 立方闪锌矿结构示意图(a) 立方闪锌矿结构 (b) 六方纤锌矿结构图 1.2 CdTeSe 晶体结构示意图[8]化合物的能带及禁带宽度化合物晶体材料的能带主要由导带、价带(轻空穴带和重空穴带)以及成，导带与价带间为材料的禁带宽度 E。CdTe 基化合物晶体材料的

(a) 立方闪锌矿结构 (b) 六方纤锌矿结构图 1.2 CdTeSe 晶体结构示意图[8]合物的能带及禁带宽度合物晶体材料的能带主要由导带、价带(轻空穴带和重空穴带)以，导带与价带间为材料的禁带宽度 Eg。CdTe 基化合物晶体材料电子在导带和价带之间的跃迁来完成的。CdTe 基化合物晶体中对施主能级 ED，受主能级 EA，DAP 施主与受主对区等，与晶体的能级缺陷密度、位错密度有关[9]。如图 1.3 所示。基化合物晶体禁带宽度随着加入的第三种组分的变化而变化，并。其中 Cd1-xZnxTe 作为典型的 II-VI 族化合物，Cd1-xZnxTe 为直接宽度 Eg随 Zn 百分含量(x)的变化而变化。他们之间存在一定的函调节 x 的值来控制 Eg[10]：2E1 .5980.614x0.166xg= +

图 1.3 CdTe 基化合物晶体中对应各种辐射跃迁能级跃迁图[9]基化合物晶体的制备方法奇曼法（Bridgman）an 法是将原料装入坩埚中，首先将坩埚放到加热区熔化，并在一定的时间，获得均匀的过热熔体，然后通过缓慢的坩埚或炉体移动，依次区、冷却区使溶体逐步结晶。又根据生长装置和生长条件的不同，该奇曼法（High Pressure Bridgman method，HPB）、改进的垂直布里 Vertical Bridgman method，MVB）、水平布里奇曼法（Horizontal Br）。目前，CdTe基化合物单晶的制备主要采用熔体法中的改进的垂直Br法操作简单，易实现程序化生长，设备也较简单。也减少了因原料挥以生长出结构好、体积大的单晶，并可减少污染，提高晶体生长效率n 法是在传统的 Bridgman 法的基础上采用多温区控制、籽晶技术和加
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本文编号：2872203