利用溶解度机制控制Te第二相的方法提高CdZnTe晶体核探测性能的研究

In the view of penetrating analysis on the phase diagram and comprehensive application to the lower growth-temperature of the traveling heater method, the project has first proposed the controlling means of Te secondary-phases by exploiting the solubility mechanism, which will be implemented by adopting the three-stage thermal treatment technology to promote the redissolution and absorption of Te inclusions into CdZnTe crystal and suppress Te desolventizing reaction to Te precipitation. The technical parameters for impelling the excess Te to saturate into CdZnTe lattice in the form of Te antisite or accompanied Cd vacancy will be examined to achieve the evolution from Te inclusions to Te antisite defect. Study on the evolution of Te related defects at various thermal periods, such as Te inclusions, Te precipitates and Te antisites, the thermodynamic and kinetics data of these defects will be verified, to find ways controlling these defects. By miniaturizing Te second-phases dimension and homogenizing the main defects distribution, the μτ value uniformity and the spectroscopy performance will be improved, thereby providing a novel access for high-resolution detector grade CdZnTe crystals.

项目基于相图的深入分析，充分应用移动加热器法CdZnTe晶体生长温度低的特点，首次提出利用溶解度机制控制CdZnTe晶体内Te第二相的方法，采用特有的三阶段热处理技术使Te夹杂重新溶解吸收到晶体中，并能抑制脱溶反应析出Te微沉淀。通过技术参数优化控制过量Te以单原子（即Te反位缺陷或同时伴随Cd空位的形式）饱和在CdZnTe晶格中，实现Te夹杂到Te反位的演变；通过研究Te夹杂或Te微沉淀、Te反位等相关缺陷在不同热阶段过程中的演变规律，探明这些缺陷在晶体中的热力学和动力学基础数据，从而人工调控缺陷分布比例，实现Te第二相尺寸微小化、相关缺陷分布均匀化，提高晶体各部分迁移率与载流子寿命乘积（μτ值）与能谱响应特性，为研制高分辨率探测器级CdZnTe材料提供新的途径。

CdZnTe（CZT）晶体中Te第二相及Te相关缺陷的形成及演化机理以及如何控制和减少这些缺陷的研究已经成为获得具有一定厚度、高效率、高分辨率γ能谱仪CZT晶片的重要方向。本项目基于精细相图分析及移动加热器法CdZnTe晶体生长特点，提出并实施溶解度机制的三阶段热处理技术，研究Te第二相及相关缺陷演变过程及规律，实现在晶体生长后期控制体内 Te 第二相及主要缺陷分布，从而提高晶体探测性能的目标。主要研究内容与结果如下:1)设计并实施了在THM法晶体生长后期利用溶解机制的三阶段不同热处理工艺方案（设置不同的高温阶段温度与时间、下降速率、低温保温时间等关键参数），通过实验和数值模拟手段分析了热处理关键参数对Te第二相分布、主要缺陷和晶体光电性能的影响。2)掌握了在溶解度机制退火过程中，Te夹杂的重吸收退缩作用和向Te沉淀相转变的条件与演变规律；证实了调控热处理关键参数可使小尺寸的Te第二相以原子形式进入晶格，转变为Te间隙，同时Te原子倾向于占据Cd空位从而进一步向Te反位缺陷转变，研究[Te反位]/[ Te第二相]浓度比值变化规律，获得了控制两者浓度比例的关键工艺数据；3)分析不同热处理方案晶体的缺陷种类、浓度及俘获特性等实验数据，人工调控优化晶体输运性能的主导缺陷（Te反位、Te第二相）浓度与均匀性分布，从而提高了晶体迁移率与载流子寿命乘积（μτ值）和能谱响应特性。