太赫兹成像用大尺寸ZnTe基电光晶体的制备和性能研究

ZnTe crystals have emerged as one of the mostly used electro-optic materials for pulsed terahertz (THz) imaging. However, the as-grown ZnTe single crystals with plenty of microstructure defects have degraded the sensitivity and resolution. The limited wafer size restricts the spatial sampling rate, which hampered the adoption of the state of art THz imaging devices. In this project, temperature gradient solution method will be employed combined with the ACRT technique to grow ZnTe crystals with dimension of 60 mm. Meanwhile, the structure defects behaviors and its physical properties will be investigated. The key parameters which determine the THz imaging quality will be explored. The main research proposals are as follows: (1) To achieve the theory and technique for ZnTe crystal growth based on the Te-solvent method. The morphology of liquid/solid interface and the composition uniformity associated with the ACRT parameters and gradient temperature field are evaluated. (2) The coupling effects of multi-defects on ZnTe physical properties are proposed. The intentional doping and post-growth annealing are developed. In turn, the micro-scale Te-rich particles and Zn vacancy associated isoelectric active defects are tailored. (3) The correlation between ZnTe properties and the resulting THz field information is discussed. The key factors which influence the resolution, signal-to-noise ratio and uniformity of the THz imaging based on ZnTe crystals are concluded. Finally, the large size ZnTe-based crystals with superior electro-optic properties will be obtained by optimizing the crystal growth processing and the multi-steps wafer annealing, in turn, to promote the development of THz imaging equipment and the corresponding technology in China.

ZnTe晶体因其优异的电光性能，而被成功用于脉冲太赫兹成像。但由于晶体缺陷制约了太赫兹成像的灵敏度和分辨率，而单晶尺寸小则限制了成像的空间采样率。本项目拟采用碲熔剂温度梯度溶液法生长直径60mm的ZnTe基晶体，通过对结构缺陷和物理性能的表征，探索影响其太赫兹成像质量的关键因素。主要研究：(1)掌握碲溶液法制备ZnTe晶体的理论和技术，揭示ACRT参数和梯度变化温场对液/固界面形状和成分均匀性的影响。(2)构建多缺陷耦合作用及相互转化的模型，发展元素掺杂和后续晶片退火方法，实现对晶体中微米级富Te相和Zn空位等电活性缺陷的调控。(3)建立ZnTe晶体物理性能与THz场波前信息的关系，归纳影响太赫兹成像分辨率、信噪比和均匀性的主要因素。通过优化晶体生长工艺以及开展多阶段组合晶片退火，获得满足成像应用要求的大尺寸高光学品质ZnTe单晶，为推动我国太赫兹成像设备和技术的发展奠定理论和技术基础。

脉冲太赫兹数字成像技术近年来广泛应用于医疗、工业检测、国防安全等领域。ZnTe晶体具有良好的光学性能，被广泛应用于THz光谱和成像器件。然而由于晶体内部缺陷种类多、难控制，限制了其进一步发展。因此，制备大尺寸ZnTe晶体，优化其光学品质，对于提高THz响应和成像质量具有重要意义。.本项目针对太赫兹成像对电光晶体的需求，探索碲溶剂温度梯度溶液法制备大尺寸ZnTe晶体理论和技术，发展缺陷调控方法，制备出具有高信噪比、性能均匀的大尺寸ZnTe单晶体。（1）阐明了不同生长界面对晶体质量的影响规律，提出引入ACRT技术结合变速生长，制备出直径为60 mm的高质量ZnTe晶体；（2）分析了Mn、In和V元素掺杂对ZnTe晶体缺陷和性能的影响规律，实现ZnTe晶体电阻率在102-108 Ω·cm可调；（3）首次直接观察到晶体内Te夹杂相对晶体局部电学光学性能的影响，提出Zn气氛循环退火技术，有效消除尺寸小于10 μm的Te夹杂相；（4）设计并在ZnTe晶体表面制备了亚波长微结构，揭示微结构几何参数对晶体表面透过率的内在机理；（5）完成了太赫兹成像测试系统的搭建和配套程序开发，测试结果表明所制备的大尺寸ZnTe晶体90%以上的区域对于太赫兹信号值有强烈的响应，满足太赫兹成像要求。.四年内发表SCI论文20篇，申请发明专利7项，授权2项。获得2019年陕西省技术发明一等奖，2020第十三届陕西青年科技奖各1项。所制备的ZnTe晶体应用于首都师范大学、国防科技大学、大恒新纪元和蔚云光电等单位和企业进行太赫兹发射和探测实验和设备生产。搭建的太赫兹成像测试系统应用于陕西华秦、中航陕飞等单位，开展材料参数表征和工业无损检测。.通过研制大尺寸、高性能太赫兹成像用ZnTe晶体，为发展具有自主知识产权的太赫兹技术和设备提供理论和技术基础。同时，研究成果也为其他高熔点化合物半导体的制备和性能调控提供了借鉴。项目的实施对于发展我国人工晶体材料制备技术，抢占太赫兹领域制高点，提升我国在医学成像、工业无损检测、国防安全等领域的技术水平具有重要的战略意义。