探测器级CdZnTe晶体中微观结构缺陷形成机制与表征方法

II-VI compound semiconductors possess variable optoelectronic properties in a wide area due to their tunable band structures. For instance, Cadmium Zinc Telluride (CdZnTe, CZT), a typical II-VI compound crystal, has been considered as the most promising candidate for room temperature radiation detectors. However, as-grown CZT crystals usually contain plenty of microstructure defects, which hamper the adoption of state of the art devices. In this project, CZT crystals grown by melt method will be investigated. The main research proposals are as follows: (1) Quantitative characterization methods and techniques will be founded for microstructure defects, such as point defects (Cd vacancies, Te antisites, impurity atoms and so on), line defect (dislocations) and micro bulk defects (Te precipitates and inclusions); (2) The formation and evolution mechanisms of microstructure defects will be proposed according to the simulation and thermodynamic and kinetic analyses. The coupling effects and conversion of microstructure defects will be interpreted in terms of the thermodynamic equilibrium conditions. (3) The correlation between microstructure defects and the optoelectronic properties of CZT crystal will be confirmed. This project will offer new ideas for the modification of CZT crystals, through evaluating the formation and examining the behaviors of the microstructure defects.

II-VI族化合物半导体因其可调的能带结构而展现出特殊的光电效应。其中CZT晶体是目前用于制备室温辐射探测器的理想材料。然而生长态的CZT晶体往往存在大量的微观结构缺陷，成为制约该材料发展的核心问题。本项目拟以熔体法生长的CZT晶体为研究对象，探索晶体中结构缺陷的表征方法，揭示其形成机制，发展其控制方法。主要内容包括：(1)发展并建立对CZT晶体中点缺陷（Cd空位、Te反位、杂质原子等）、线缺陷（位错）、体缺陷（Te沉淀与夹杂相）等微观结构缺陷的综合定量描述方法；(2)结合数值计算和热力学及动力学分析，研究晶体中微观结构缺陷的形成过程和机理，揭示微观结构缺陷动态演变规律和转化关系；(3)建立多种微观结构缺陷耦合作用对晶体物理性能的影响规律，揭示决定CZT晶体光电性能的主要因素。本项目通过对CZT晶体中微观结构缺陷的表征和形成机制研究，为有目标的进行晶体缺陷控制提供理论依据和技术路线。

本项目拟以熔体法生长的CZT 晶体为研究对象，探索晶体中结构缺陷的表征方法，揭示其形成机制，发展其控制方法，以期解决CZT辐射探测材料制备过程中的基本理论问题，为其实现工程化应用奠定基础。项目在以下方面取得重要进展：.（1）自主搭建了激光诱导瞬态光电流（LBIC）测试系统和热激电流谱（TSC）分析系统，用于分析测试高电阻半导体的载流子迁移率等载流子输运参数。依托此设备完成了CZT晶体中缺陷对载流子输运特性研究，揭示晶体中点缺陷、扩展缺陷以及辐照损伤诱生缺陷对载流子输运过程影响的微观机制。.（2）分别采用高能高剂量的γ射线，超快脉冲X射线和高剂量60Co γ射线作为辐射源，揭示了CZT晶体中的辐照引入的缺陷形规律，为CZT辐射探测器的抗辐照设计奠定了基础。.（3）通过腐蚀技术和SEM-CL表征得出，生长态Te夹杂相的三维形貌可以用十四面体模型来解释。根据富Te液滴周围的局部温度场分析得到出Te夹杂的形貌为由基体{111}B面组成的正四面体，Te夹杂相周围基体中存在呈六角星形的CL暗区，其诱导缺陷花样可用星状八面体模型来解释。根据液滴热迁移模型和实际退火结果，得到了能有效去除2~5 mm厚晶体中Te夹杂相的退火条件。.（4）用离子束诱导电荷（IBIC）、开尔文探针力显微镜（KPFM）、γ能谱测试、光致发光谱（PL）、热激电流谱（TSC）等实验技术和有限元模拟、第一性原理计算等方法，揭示了Te夹杂对于CZT探测器光电特性，特别是电荷收集均匀性、能谱特性、电流电压特性等的影响规律及机理。为辐射探测器的设计奠定了理论基础。.CZT晶体的结构缺陷对载流子输运特性的影响规律、退火处理对晶体的改性等研究成果，在陕西迪泰克新材料有限公司实现应用。.发表学术论文67篇，其中SCI 收录论文63篇；申请发明专利3项；培养博士研究生10人，其中已毕业7人；培养硕士研究生15人，已毕业10人。