一种用于核辐射探测的高迁移率共掺杂碲锌镉晶体及制备方法与流程

本发明属于碲锌镉(Cd_xZn_1-xTe，CZT)单晶制备及应用技术领域，涉及一种用于核辐射探测的高迁移率共掺杂碲锌镉晶体及制备方法。

背景技术：

碲锌镉(CdZnTe，CZT)晶体在X射线和Gamma射线探测领域有着优异的性能，在医疗成像、安检与核安全等方面具有巨大的应用前景。但是，要制备出高性能的探测器级别的CZT单晶并不容易，它是以优良的电学性能为前提条件的，例如室温下具备电阻率大于10⁹ohms·cm，载流子迁移率和寿命大的优良载流子传输性能。

文献1A.Owens,A.Peacock.Compound Semiconductor Radiation Detectors.Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.,Sect.A公开了多种化合物半导体探测器的性能，阐述了CZT化合物半导体探测器的应用现状和展望，其中提到CZT晶体的电子迁移率可以达到1000cm²/Vs，一般需要掺杂In等III族元素或者Cl等VII族元素。

文献2Lingyan Xu et,al.Effects of deep-level defects on carrier mobility in CdZnTe crystals.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A公开了一种采用MVB法生长的单独掺杂的CZT:In晶体的电学性质，发现单独掺杂铟元素的碲锌镉的电子迁移率约为848cm²/Vs。

文献3Yasir Zaman et,al.Characterization of CdZnTe co-doped with indium and lead.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A中公开了一种共掺杂的碲锌镉生长方法，使用In和Pb共同掺杂意图补偿本征缺陷实现良好的晶体性能，其电子迁移率为868cm²/Vs。

文献4M.C.Veale et al.X-ray spectroscopy and charge transport properties of CdZnTe grown by the vertical Bridgman method Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A中进行了不同生长方法生长的CZT特性进行对比，发现采用VB法生长的晶体，其电子迁移率可以达到1080cm²/Vs。

根据文献报道，目前生长出的CZT晶体电子迁移率在850cm²/Vs到1100cm²/Vs之间，还有进一步提升的空间。

理论上，本征Cd_1-xZn_xTe(0≤x≤1)晶体虽然因其Zn含量不同，禁带宽度可调，但又由于本征载流子浓度较高难以实现高阻特性。因此在CZT晶体生长过程中，传统中经常掺入Ⅲ，Ⅶ族元素Al，Ga，In，Cl等补偿本征缺陷来实现半绝缘特性(高阻)，电阻率可以从10⁶Ohms·cm调整到10⁹Ohms·cm，但这种掺杂的方法同时会增加晶体的杂质总浓度。而根据半导体物理学中所述，杂质元素的存在会增强对晶体中载流子的散射，导致载流子迁移率降低进而恶化载流子输运性能，影响探测器响应。因此，要生长出探测器级的高质量CZT晶体，一方面是补偿本征缺陷控制载流子浓度从而实现高阻，第二是尽量减少晶体内部残留杂质，减少其对载流子的俘获和散射作用，提高载流子输运性能。

文献5Leonid F.Zakharenkov,Rare-earths:Application in bulk III-V semiconductor crystal growth technology.Microelectronics Journal中在III-V族半导体中引入稀土元素，对稀土吸杂的原理进行了阐述，并根据实验结果认为稀土元素可以控制本征缺陷和杂质浓度以得到高纯的材料。但是对于稀土掺杂影响电子迁移率的结果并未见报道。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于核辐射探测的高迁移率共掺杂碲锌镉晶体及制备方法，使用两种元素掺杂补偿晶体生长中不可避免的本征缺陷以及减少残留杂质，以同时实现较好的半绝缘性能和优良的载流子输运性能。

技术方案

一种用于核辐射探测的高迁移率共掺杂碲锌镉晶体，其特征在于：选择Ⅲ或Ⅶ族元素与镧系元素共掺杂的晶体为Cd_1-xZn_xTe，0≤x≤1。

所述Ⅲ或Ⅶ族元素为Al，Ga，In或Cl。

所述镧系元素为La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Td，Dy，Ho，Er，Tm，Yb或Lu。

所述Ⅲ或Ⅶ族元素掺杂浓度在100ppb-100ppm之间。

所述镧系稀土元素掺杂浓度在100ppb-1000ppm之间。

一种用于核辐射探测的高迁移率共掺杂碲锌镉晶体的生长方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将掺入的Ⅲ或Ⅶ族元素和镧系元素的CZT原料放入石英安瓿混合均匀；

步骤2：抽真空石英安瓿，真空度达5×10^-5Pa时封管，然后将石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中生长得到Cd_1-xZn_xTe晶体。

取出步骤2生长完毕的石英安瓿，使用外圆切割机切割，取出晶锭，使用金刚石线切割机切割晶锭和晶片。

所述步骤2中将石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中生长得到Cd_1-xZn_xTe晶体的参数为：设定高温区目标温度为1200～1150℃，低温区为1050～1000℃，升温时间为12小时；到达目标温度后，在熔点以上10～50℃进行1～24小时的过热，最后将坩埚以每小时1-2mm的速率下降，开始下降75～150小时后支撑杆停止下降，降温到室温。

有益效果

本发明提出的一种用于核辐射探测的高迁移率共掺杂碲锌镉晶体及制备方法，采用两种元素共掺杂，尤其是其中一种为稀土元素，另一种为III族元素，可望同时改善CZT晶体电阻率和载流子传输特性。由于生长过程的Te，Cd蒸气压相差较大，使得熔体中不可避免会有大量镉空位缺陷的形成，第一种III组元素(In)可作为施主掺入补偿晶体本征缺陷镉空位，降低了空穴浓度，提高电阻率；而第二种稀土元素(Yb)同样作为施主掺入进一步降低镉空位浓度，同时可以与金属元素杂质Li，Na等反应形成中性复合体，起到钝化作用，而且由于其高的反应活性，还可有效减少O的浓度，有利于降低杂质对晶体中载流子的散射和俘获作用进而达到提升载流子迁移率的目的。

本发明的有益效果是：采用共掺杂的方法成功制备了高电阻、高迁移率的CZT晶体，并能够应用于核辐射探测。生长出的共掺杂CZT晶体，其电学性能中的电子迁移率有了极大提升，可达1340cm²/Vs，比目前文献报道的单独In掺杂晶体提升了约20-58％，极大的改善了载流子输运性能。生长出的共掺杂CZT，其特征是呈半绝缘特性(高阻)，电阻率可达10¹⁰的数量级，电子迁移率高，完全满足核辐射探测器的性能求。

附图说明

图1是本发明中实施例中晶片1的I-V电阻率拟合结果

图2是本发明中实施例中晶片2的I-V电阻率拟合结果

图3是本发明中实施例中晶片1的TOF电子迁移率拟合结果

图4是本发明中实施例中晶片2的TOF电子迁移率拟合结果

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的主要目的在于提供一种高迁移率的共掺杂CZT晶体及其生长方法，使用两种元素掺杂补偿晶体生长中不可避免的本征缺陷以及减少残留杂质，以同时实现较好的半绝缘性能和优良的载流子输运性能。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明中生长的是用于核辐射探测的Cd_1-xZn_xTe(0≤x≤1)晶体，选择两种共掺的元素分别包括在Ⅲ或Ⅶ族元素(Al，Ga，In，Cl)以及稀土元素La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Td，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu中。具体来说前者选用In其实际浓度在100ppb-100ppm之间，而后者选用Yb其浓度在100ppb-1000ppm之间。

本发明中生长方法采用布里其曼法，这是一种成本较低的可用于大规模生产的晶体生长方法，将两种元素直接掺入已经预合成好的的CZT晶体并混合均匀，然后生长。

本实施例提供了高电阻、高迁移率的共掺杂CZT晶体的生长方法，选择两种共掺的元素分别包括在Ⅲ或Ⅶ族元素(Al，Ga，In，Cl)以及稀土元素La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Td，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu中。具体来说本实验选用In，Yb元素进行共掺杂，实际掺杂量分别在100ppb-100ppm和100ppb-1000ppm左右。

实施例1：

第一步：将掺入100ppm In和1000ppm Yb的CZT原料放入石英安瓿混合均匀。

第二步：石英抽真空，真空度达5×10^-5Pa时封管，然后将石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中生长。

第三步：取出生长完毕的石英安瓿，使用外圆切割机切割，取出晶锭，使用金刚石线切割机切割晶锭和晶片。

第四步：将切割的5*5mm晶片镀电极，进行电阻率测定，采用激光诱导瞬态光电流测试系统对电子迁移率进行测定，其电子迁移率为1340cm²/Vs。

实施例2：

第一步：将掺入50ppm In和800ppm Yb的CZT原料放入石英安瓿混合均匀。

第二步：石英抽真空，真空度达5×10^-5Pa时封管，然后将石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中生长。

生长参数为：设定高温区目标温度为1200～1150℃，低温区为1050～1000℃，升温时间为12小时；到达目标温度后，在熔点以上10～50℃进行1～24小时的过热，最后将坩埚以每小时1-2mm的速率下降，开始下降75～150小时后支撑杆停止下降，降温到室温。

第三步：取出生长完毕的石英安瓿，使用外圆切割机切割，取出晶锭，使用金刚石线切割机切割晶锭和晶片。

第四步：将切割的5*5mm晶片镀电极，进行电阻率测定，采用激光诱导瞬态光电流测试系统对电子迁移率进行测定，其电子迁移率为1300cm²/Vs。

实施例3：

第一步：将掺入30ppm In和500ppm Yb的CZT原料放入石英安瓿混合均匀。

第二步：石英抽真空，真空度达5×10^-5Pa时封管，然后将石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中生长。

生长参数为：设定高温区目标温度为1200～1150℃，低温区为1050～1000℃，升温时间为12小时；到达目标温度后，在熔点以上10～50℃进行1～24小时的过热，最后将坩埚以每小时1-2mm的速率下降，开始下降75～150小时后支撑杆停止下降，降温到室温。

第三步：取出生长完毕的石英安瓿，使用外圆切割机切割，取出晶锭，使用金刚石线切割机切割晶锭和晶片。

第四步：将切割的5*5mm晶片镀电极，进行电阻率测定，采用激光诱导瞬态光电流测试系统对电子迁移率进行测定，其电子迁移率为1230cm²/Vs。

实施例4：

第一步：将掺入100ppm In和100ppm Yb的CZT原料放入石英安瓿混合均匀。

第二步：石英抽真空，真空度达5×10^-5Pa时封管，然后将石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中生长。

生长参数为：设定高温区目标温度为1200～1150℃，低温区为1050～1000℃，升温时间为12小时；到达目标温度后，在熔点以上10～50℃进行1～24小时的过热，最后将坩埚以每小时1-2mm的速率下降，开始下降75～150小时后支撑杆停止下降，降温到室温。

第三步：取出生长完毕的石英安瓿，使用外圆切割机切割，取出晶锭，使用金刚石线切割机切割晶锭和晶片。

第四步：将切割的5*5mm晶片镀电极，进行电阻率测定，采用激光诱导瞬态光电流测试系统对电子迁移率进行测定，其电子迁移率为950cm²/Vs。