CN102168313B - 一种碲锌镉晶体的气相退火改性方法 - Google Patents

一种碲锌镉晶体的气相退火改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碲锌镉晶体的气相退火改性方法,技术特征在于:采用两步气相退火,第一步是用非金属Te作为气相退火介质,通过退火提高晶体的电阻率和探测器的能量分辨率。第二步是用Cd/Zn金属合金作为气相退火介质,通过退火消除晶片中的夹杂相,提高载流子的传输特性。本发明的有益效果:通过两步法气相退火来提高晶体的电阻率和载流子的传输特性,完全消除Te夹杂相,将载流子迁移率和寿命乘积值(μτ)从5.08~7.87×10-4cm2/V提高到1.21~1.58×10-3cm2/V,从而明显改善晶体质量和辐射探测器的性能。

Description

一种碲锌镉晶体的气相退火改性方法
技术领域
本发明涉及一种碲锌镉晶体的气相退火改性方法,涉及一种X射线及γ射线探测器用碲锌镉(以下简称Cd1-xZnxTe)晶体的退火改性方法。
背景技术
化合物半导体Cd1-xZnxTe由于其平均原子序数高,且具有较大的禁带宽度、较高的电阻率、优异的载流子传输特性等特性,成为制备室温核辐射探测器最为理想的材料。然而,制造X射线及γ射线探测器要求Cd1-xZnxTe晶体具有高电阻率,较好的载流子传输特性以及尽可能少的缺陷。采用传统的Bridgman法生长的晶体,不可避免的存在夹杂相等缺陷,特别是Te夹杂相的存在会严重影响Cd1-xZnxTe晶体的X射线及γ射线探测器的性能。
国内外的研究者主要利用控制气氛退火的方法对Cd1-xZnxTe晶体进行改性。文献Journal of Crystal Growth,1997,Vol:181报道了中科院上海技术物理研究所在Cd气氛下对近化学计量比和非化学计量比Cd1-xZnxTe晶体进行退火改性,其目的是减少外延衬底用Cd1-xZnxTe晶体中的杂质和Te夹杂相。文献Journal of Electronic Materials,2000,Vol:29报道了日本能源公司将Cd1-xZnxTe晶体在控制气氛的条件下退火,改善了外延衬底用Cd1-xZnxTe晶体的成分均匀性。文献Journal of CrystalGrowth,2009,Vol:311报道了昆明物理所利用Cd气氛对外延衬底用Cd1-xZnxTe晶体进行退火改性,其目的是减少Te夹杂相来提高晶体质量,部分消除了Te夹杂相。但是,这几种Cd1-xZnxTe晶体的改性方法均不是用于制造辐射探测器的。
文献Journal of Crystal Growth,2006,Vol:292报道了上海交通大学复合材料研究所将Cd1-xZnxTe晶体在Cd气氛下退火来补偿Cd空位等缺陷,虽然提高了晶体的电阻率,基本达到制造探测器的要求,但未提及Te夹杂相的变化。文献“专利申请号为01131807.4的中国专利”公开了一种Cd1-xZnxTe晶体的退火改性方法,该方法是将Cd和Zn金属液作为退火介质对Cd1-xZnxTe晶体进行液相和气相退火,提高了晶体的成分均匀性和电阻率,但并未提及Te夹杂相的变化以及用于辐射探测器。文献Journal ofCrystal Growth,2010,Vol:312报道了美国Brookhaven National Laboratory采用Cd气氛对Cd1-xZnxTe晶体退火,利用温度梯度将较大的Te夹杂相消除,提高了Cd1-xZnxTe探测器的能量分辨率,但只消除了部分较大的夹杂相。
Te夹杂相是Cd1-xnxTe晶体生长过程中不可避免存在的缺陷,它破坏了晶体的结晶质量,导致载流子的俘获,降低载流子迁移率和寿命乘积值(μτ),严重影响了探测器的性能。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,改变现有Cd1-xZnxTe晶体的上述缺点,本发明提出一种碲锌镉晶体的气相退火改性方法,根据退火源与晶片之间的蒸汽压平衡关系,利用夹杂相迁移的热迁移原理以及深能级的补偿原理,制造高质量的X射线及γ射线探测器要求Cd1-xZnxTe晶体具有高电阻率(ρ≥1010Ω·cm)以减少器件的漏电流,提高能量分辨率。
本发明的思想在于:采用两步气相退火,第一步是用非金属Te作为气相退火介质,通过退火提高晶体的电阻率和探测器的能量分辨率。第二步是用Cd/Zn金属合金作为气相退火介质,通过退火消除晶片中的夹杂相,提高载流子的传输特性。综合以上两步退火改善探测器的性能。
技术方案
一种碲锌镉晶体气相退火改性方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤1:将碲锌镉晶片插在石英支架上的凹槽内,然后一并置入并固定于石英管内的一端,非金属Te装入石英管的另一端;将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源非金属Te位于另一端;
步骤2:在10小时之内将晶片端和退火源端的温度升到580℃,保温1200小时后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片;
步骤3:去除晶片的损伤层,置换退火源非金属为Cd/Zn金属合金后,将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源Cd/Zn金属合金位于另一端;
步骤4:在10小时之内将晶片端的温度升到800~750℃,退火源端的温度升到650~600℃,保温600小时后将晶片端和源端温度同时降至200℃并保温600小时,然后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片,得到气相退火改性的碲锌镉晶体。
所述非金属Te选用纯度为7个9的非金属Te。
所述Cd/Zn金属合金选用纯度为7个9、原子百分比为Cd∶Zn=99∶1的金属合金。
有益效果
本发明提出的一种碲锌镉晶体的气相退火改性方法,通过第一步气相退火,将Cd1-xnxTe晶体的电阻率从5.23~7.36×109Ω·cm提高到0.85~1.14×1011Ω·cm,能量分辨率(FWHM)从33.97%~20.14%提高到16.57%~9.78%;通过第二步气相退火,将Cd1-xZnxTe晶体中的Te夹杂相的密度从4.3×104~1.6×105cm-2减少到0,也就是完全消除Te夹杂相,将载流子迁移率和寿命乘积值(μτ)从5.08~7.87×10-4cm2/V提高到1.21~1.58×10-3cm2/V,从而明显改善晶体质量和辐射探测器的性能。
附图说明
图1为退火管封装示意图
1-外管,2-支架,3-退火源,4-晶片存放处,5-晶片;
图2为退火前后晶片的红外透过图像
a-退火前,b-退火后;
图3为退火前后探测器的γ射线能谱图
a-退火前,b-退火后。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
实施例1:
步骤1,将碲锌镉晶片插在石英支架上的凹槽内,然后一并置入并固定于石英管内的一端,非金属Te装入石英管的另一端;将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源非金属Te位于另一端;上述非金属Te选用纯度为7个9的非金属Te。
步骤2,在10小时之内将晶片端和退火源端的温度升到580℃,保温1200小时后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片;
步骤3,去除晶片的损伤层,置换退火源非金属为Cd/Zn金属合金后,将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源Cd/Zn金属合金位于另一端;上述Cd/Zn金属合金选用纯度为7个9、原子百分比为Cd∶Zn=99∶1的金属合金。
步骤4,在10小时之内将晶片端和源端的温度分别升到800℃和650℃,保温600小时后将晶片端和源端温度同时降至200℃并保温600小时,然后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片,得到气相退火改性的碲锌镉晶体。
退火前后晶片性能的测试结果参见附表。
实施例2:
步骤1,将碲锌镉晶片插在石英支架上的凹槽内,然后一并置入并固定于石英管内的一端,非金属Te装入石英管的另一端;将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源非金属Te位于另一端;上述非金属Te选用纯度为7个9的非金属Te。
步骤2,在10小时之内将晶片端和退火源端的温度升到580℃,保温1200小时后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片;
步骤3,去除晶片的损伤层,置换退火源非金属为Cd/Zn金属合金后,将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源Cd/Zn金属合金位于另一端;上述Cd/Zn金属合金选用纯度为7个9、原子百分比为Cd∶Zn=99∶1的金属合金。
步骤4,在10小时之内将晶片端和源端的温度分别升到750℃和650℃,保温600小时后将晶片端和源端温度同时降至200℃并保温600小时,然后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片,得到气相退火改性的碲锌镉晶体。
退火前后晶片性能的测试结果参见附表。
实施例3:
步骤1,将碲锌镉晶片插在石英支架上的凹槽内,然后一并置入并固定于石英管内的一端,非金属Te装入石英管的另一端;将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源非金属Te位于另一端;上述非金属Te选用纯度为7个9的非金属Te。
步骤2,在10小时之内将晶片端和退火源端的温度升到580℃,保温1200小时后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片;
步骤3,去除晶片的损伤层,置换退火源非金属为Cd/Zn金属合金后,将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源Cd/Zn金属合金位于另一端;上述Cd/Zn金属合金选用纯度为7个9、原子百分比为Cd∶Zn=99∶1的金属合金。
步骤4,在10小时之内将晶片端和源端的温度分别升到750℃和600℃,保温600小时后将晶片端和源端温度同时降至200℃并保温600小时,然后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片,得到气相退火改性的碲锌镉晶体。
退火前后晶片性能的测试结果参见附表。
附表Cd1-xZnxTe晶体退火前后的电阻率、μτ值、FWHM和Te夹杂相密度的对比
Figure BSA00000454947500061

Claims (1)

1.一种碲锌镉晶体气相退火改性方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤1:将碲锌镉晶片插在石英支架上的凹槽内,然后一并置入并固定于石英管内的一端,非金属Te装入石英管的另一端;将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源非金属Te位于另一端;
步骤2:在10小时之内将晶片端和退火源端的温度升到580℃,保温1200小时后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片;
步骤3:去除晶片的损伤层,置换退火源非金属为Cd/Zn金属合金后,将石英管内抽成真空,当真空度达到8×10-5Pa时,焊封石英管;将焊封好的石英管装入两段式退火炉,水平放置石英管,使晶片位于退火炉的一端,退火源Cd/Zn金属合金位于另一端;
步骤4:在10小时之内将晶片端的温度升到800~750℃,退火源端的温度升到650~600℃,保温600小时后将晶片端和源端温度同时降至200℃并保温600小时,然后以每小时50℃的速率降温,降至室温取出晶片,得到气相退火改性的碲锌镉晶体;
所述非金属Te选用纯度为7个9的非金属Te;
所述Cd/Zn金属合金选用纯度为7个9、原子百分比为Cd∶Zn=99∶1的金属合金。
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