CdZnTe晶体的点缺陷及高电阻机制研究

This project focuses on developing high-resistivity CdZnTe which is a kind of potential material for room temperature radiation detector. Through established the relationship between macroscopic photoelectric properties and microscopic point defects of CdZnTe crystal, it is possible to realize the effective control of inner point defects. Firstly, all kinds of point defects of CdZnTe crystal grown by the vertical Bridgman method are investigated by various defect testing methods, such as thermally stimulated current spectroscopy, theroelectronic effect spectroscopy, and temperature-dependent resistivity measurement, to reveal their quantitative distributions under different growth conditions and different dopants and then achieve their identifications. On the other hand, photoelectric performances and carrier transport processes of CdZnTe material are discussed with the use of a variety of photoelectric measurements, including current-voltage measurement, Hall measurement, energy spectroscopy response measurement, and time of flight measurement, for indicating the corresponding high-resistivity mechanism of CdZnTe. On this basis, the influence of point defects on the photoelectric performances are investigated that can reveal the correlations between macroscopic photoelectric properties and microscopic point defects. Finally, in view of the operation conditions of CdZnTe detectors, the effects of irradiation defects produced by various high-energy rays on the photoelectric performances are also uncovered. As a consequence, a targeted control of point defects of CdZnTe crystal can be carried out for the high-quality material.

本项目的出发点是发展性能优良的室温核辐射探测器用高阻CdZnTe材料，通过建立CdZnTe晶体宏观光电性能与微观点缺陷的内在关系，实现晶体内各种点缺陷的控制。首先，研究垂直布里奇曼法生长的CdZnTe晶体在生长过程中产生的各种点缺陷，利用先进的缺陷检测分析手段（热激电流谱、热电效应谱、变温电阻率测试等）揭示出不同生长条件和不同掺杂元素作用下CdZnTe晶体内点缺陷的量化分布规律，并实现点缺陷的鉴别；利用光电性能测试技术（I-V测试、霍尔测试、能谱响应测试、飞行时间测试）研究材料的光电性能与载流子输运过程，揭示出材料的高阻特性形成机制。在此基础上，研究点缺陷对晶体光电性能的影响规律，揭示出宏观光电性能与微观点缺陷的关联。最后，鉴于CdZnTe探测器的应用范围，揭示出高能射线产生的辐照缺陷对材料光电性能的影响规律，最终实现晶体内点缺陷有目标的控制，从而制备出高质量的探测器用CdZnTe晶体。

碲锌镉（Cd1-xZnxTe）材料具有优良的光电特性,被认为是最有前途的室温核辐射探测材料。本项目以发展性能优良的高阻CdZnTe晶体材料为目标，采用改进的垂直布里奇曼法（MVB）生长CdZnTe晶体，同时引入了不同的生长气氛（Te/Cd过量生长条件）和不同的掺杂元素（In/Al），在二者共同作用下调控晶体内点缺陷的分布，通过建立晶体生长过程中产生的各种点缺陷与材料宏观光电性能之间的内在关系，实现晶体内点缺陷的有目标控制，达到优化材料性能的目的。首先，研究了In掺杂CdZnTe（CdZnTe:In）和Al掺杂CdZnTe(CdZnTe:Al)晶体的宏观光电性能和载流子输运过程：通过电流-电压测试和霍尔测试获得了晶体的常规电学性能参数，利用紫外-可见-近红外光透过图谱获得了材料的室温禁带宽度；采用alpha粒子脉冲强度响应谱和gamma射线响应谱分析了晶体材料对不同射线的探测本领，并结合能谱响应曲线的飞行时间测试，获得了载流子电输运特性参数。其次，研究了晶体生长过程中产生的各种点缺陷，通过量化计算和实验测定，对点缺陷进行了量化描述和微观起源指认：采用光致发光谱分析了由掺杂元素等引入的浅能级缺陷对载流子的辐射复合特性，采用变温电阻率测试获得了晶体的费米能级深度，采用热激电流谱探讨了晶体内各种深能级缺陷的分布规律及对载流子的陷获作用。在此基础上，结合各种点缺陷对应的缺陷能级对载流子的俘获、复合和散射规律，建立了点缺陷与载流子输运过程的定量关系，在一定程度上揭示了点缺陷对晶体宏观光电性能的影响规律。进一步，探讨了Te过量生长条件和In掺杂元素共同作用，以及Cd过量生长条件和Al掺杂元素共同作用下的两种具有高电阻率特性的CdZnTe晶体的形成机理，推导出了相应的高阻机制理论解释模型，即多能级补偿模型。最后，引入60Co高能gamma射线进行了辐照损伤实验研究，分析了高能射线与晶体材料之间的相互作用过程，探讨了高能射线引入的辐照缺陷对材料光电性能的影响规律。