新型核辐射探测器材料CdMnTe的晶体生长、结构缺陷及性能研究

核辐射探测器材料是核辐射探测技术的基础，其在保护环境和防范核恐怖袭击等方面的应用具有重要意义。本项目以碲锰镉（CdMnTe）这一可在室温工作的核辐射探测器材料为对象，研究了该三元II-VI族化合物半导体的晶体生长与结构缺陷和晶体性能的关系。首先研究晶体成分与晶体结构性能之间的关系，进行晶体成分的优化设计；采用垂直Bridgman法和移动加热器法生长CdMnTe晶体，对晶体热力学性质和反应动力学原理进行分析，探索晶体生长过程反应速率、温度场、成分均匀性和晶体缺陷控制的优化工艺；研究CdMnTe晶体中点缺陷、孪晶等结构缺陷，揭示其形成原理、存在形态及控制条件；精确测定晶体的电学性能，结合晶体生长工艺和结构缺陷研究，建立CdMnTe电学性能影响机制模型及改进技术。本项目将为实现低缺陷、高性能的核辐射探测器用CdMnTe晶体提供理论依据和技术路线。

核辐射探测器材料是核辐射探测技术的基础，其在保护环境和防范核恐怖袭击等方面的应用具有重要意义。本项目以碲锰镉（CdMnTe）这一可在室温工作的核辐射探测器材料为对象，研究了该三元II-VI族化合物半导体的晶体生长与结构缺陷和晶体性能的关系。主要取得如下结果：采用改进的垂直Bridgman法获得探测器级CdMnTe晶体，设计了晶体生长用石英坩埚的真空镀碳设备，采用In掺杂提高了晶体的探测性能，室温下平面型CdMnTe 探测器对241Am 辐射的能量分辨率为8.5%。对CdMnTe晶体结构缺陷（点缺陷、孪晶、位错、Te夹杂相等）进行理论分析和实验表征，用缺陷化学原理近似计算了CdMnTe晶体中的平衡点缺陷浓度与Cd分压的关系，垂直Bridgman法生长的晶体中的孪晶主要是由固态相变引起的，采用PL谱获得晶体中激子束缚于受主的束缚能为5.3meV，受主电离能为45.8meV。设计研制了移动加热器法晶体生长设备，设备各项性能满足CdMnTe 移动加热器法晶体生长要求。研究了晶体的表面处理工艺和电学接触特性，获得了最佳的机械抛光工艺和欧姆接触电极快速退火工艺。采用化学计量比的Cd蒸气压对生长态CdMnTe晶体进行退火研究，发现退火后晶体中Te夹杂相降低了一个数量级，电阻率则提高了两个数量级，达到1010 cm。