核辐射探测器材料CdMnTe的移动加热器法晶体生长及其探测器制备研究

CdMnTe is a promising room temperature nuclear radiation detectors material. The project will focus on the travelling heater method (THM) growth of high-quality and large-size CdMnTe crystals and the fabrication of high-performance CdMnTe nuclear detectors. Adopting the Finite Element Method (FEM) ANSYS simulation software, the heat transfer, solute field and solid-liquid interface during the THM growth of CdMnTe will be conducted, and the stable-growth model will be built. Using the home-built THM system, the experimental crystal growth of CdMnTe will be carried out. The relationship between the crystal perfection and the growth parameters will be explored,and the effect mechanism of crystal defects on the electrical properties will be built, to achieve the key technology of the THM growth of CdMnTe. The FEM and Monte-carol simulation will be performed to analyze the effect of detector geometry on the weighting potential, carrier transport and energy spectra,thus realize the optimum design of detector structures. The effect of detector structures and preparation technology on the performance of detectors will be evaluated. The goal of the project is to develop the THM growth technology of CdMnTe with our own intellectual property rights and to fabricate CdMnTe nuclear detectors satisfying various applications.

CdMnTe晶体是一种十分有前景的室温核辐射探测器材料。本课题将开展移动加热器法生长高质量、大体积CdMnTe晶体及高性能CdMnTe核辐射探测器研究。采用有限元ANSYS软件模拟移动加热器法CdMnTe晶体生长的热量传输、溶质传输及固液界面状态，建立晶体的稳态生长理论模型。利用自主开发的移动加热器法晶体生长设备开展CdMnTe晶体的移动加热器法晶体生长工艺研究，揭示晶体生长参数和晶体完整性之间的内在联系，探索晶体缺陷对电学性能的影响机制，获得移动加热器法生长CdMnTe晶体的关键技术。采用有限元和蒙特卡罗方法模拟分析探测器的电极几何结构对器件权重势分布、电荷输运和能谱特性的影响，实现对器件结构的优化设计。研究器件结构设计与制备工艺参数对探测器性能的影响。最终研制出具有我国自主知识产权的移动加热器法CdMnTe晶体生长技术，并制备出满足不同应用领域的CdMnTe核辐射探测器。

本项目根据研究计划，在移动加热器法生长高性能、大体积CdMnTe晶体的关键工艺、晶体中各种缺陷的形成机制及其与晶体电学性能和探测器性能的关系、核探测器制备过程的实验研究、及近空间升华法制备CdMnTe薄膜的工艺研究方面取得了重大进展。首先，采用自主设计研制的移动加热器法晶体生长系统生长CdMnTe晶体。比较了移动加热器法生长CdMnTe晶体与垂直布里奇曼法生长CdMnTe晶体的各项性能。研究了不同多晶原料、不同温度场、“回熔工艺”对移动加热器法制备CdMnTe晶体的生长界面、晶体缺陷、及探测器性能的影响。其次，研究了CdMnTe晶体中杂质、Te夹杂等缺陷及其对晶体电学性能和探测器性能的影响。利用自主研发的光激发电流谱（PICTS）设备测定了不同位置晶体中点缺陷的轴向分布，并用光电导实验测试了晶体不同部位μτ值的差异。对Te夹杂进行了SEM、CL等微区测试，表征了Te夹杂及其诱导缺陷的分布形态。对Te夹杂的形貌进行了热力学的理论推导，对Te夹杂诱导位错的形成、演化过程进行了理论计算，对诱导点缺陷进行了分析。提出一个模型用来计算Te夹杂及其诱导缺陷对晶体载流子输运性能性能的影响。使用不同波长的亚禁带光提升探测器的载流子输运性能，实验证明Cd空位是亚禁带光提升载流子输运性能的重要因素。再次，研究了核辐射探测器制备过程的表面处理工艺，并通过传输线模型对比了四种表面处理后所得金半接触质量的差异以及退火前后金半接触质量的差异，改善了探测器的电学接触性能。最后，研究了采用近空间升华法（CSS）制备CdMnTe薄膜。分析了衬底温度对薄膜结构、形貌、成分、光学及电学性能的影响。研究发现，所有衬底温度下沉积得到的薄膜都表现出以（111）晶面为明显的择优生长取向，薄膜电阻率随衬底温度的升高而增大，最大值达到8.52*109Ω∙cm。最终制备出高质量的探测器级CdMnTe晶体，最优样品已达到申请书提出的指标。实现了在制备出探测器级CdMnTe材料及高性能核辐射探测器的理论与工艺研究上有所突破的目标。