（材料学专业论文）化合物半导体Cdlt1xgtZnltxgtTe中的In掺杂及其与Au的接触特性.pdf

摘要 摘要 cd 1 。孙，t e 晶体具有优异的光电特性，是理想的室温核辐射探测器用材料。 尽管对c d l 。z n ，【1 陀的研究由来已久，但在高电阻c d l 。z n x t b 晶体制备、大直径 c d l 。孙。t c 晶体生长以及金属与c d i 。z n 。t e 晶体接触等方面尚存在诸多难题。本 文针对这三个问题进行了探索研究。 由于生长过程中组元c d 的挥发，c d l 。z 1 1 x t c 晶体中容易形成大量的c d 空位 等点缺陷。这些电活性点缺陷的存在严重影响了c d l 。z r n x t c 晶体的光电性能。针 对上述问题，本文通过生长掺杂和退火掺杂两种途径，对本征c d l 。动。t e 晶体进 行了掺h l 改性，并通过二y 曲线，红外透过谱以及光致发光谱等手段考察了h 的掺入对晶体性能的影响。研究表明，h 1 的生长掺杂和退火掺杂均能够有效提高 c d l ，办。t c 晶体的电阻率。通过生长掺杂，其电阻率由3 1 0 7 m m 增加至 5 1 0 ”k m ，提高了3 个数量级。而经过退火掺杂，c d l ；办，t e 的电阻率由 5 1 0 7 q c m 提高到了3 1 0 9 f k m ，提高了两个数量级。h i 的生长掺杂和退火掺杂 均降低了c d l ；z i l x t c 晶体的红外透过率。这是由于，h l 的引入增加了自由载流子 的浓度，使得自由载流子对红外光的吸收加强。h l 的引入还在总体上增大了晶格 振动时的电偶极矩，造成晶格吸收的加强。这两方面的原因共同导致了红外透过 率的降低。生长掺杂并没有导致c d l 。历。t c 结晶质量的变化。而退火掺杂后，x 射线回摆曲线的半峰宽由1 2 5 ”降低到7 8 ”，位错密度由6 2 1 0 4 c m 1 下降到1 5 1 0 4 c n l 一，说明晶体的结晶质量得到提高。p l 谱测试表明，生长掺h l 后，杂质及缺 陷复合区由一个微弱的凸起扩展为一个明显的宽大波包，证实了掺杂后缺陷复合 体( 2 历，瞄甲的存在。同时，施主受主对复合对应的d a p 峰的强度增加，且 出现了声子峰d a p l 0 。而掺杂后( a o ，x ) 激子峰消失，说明c d 空位已经得到有效 补偿。退火掺杂后，中性旌主束缚激子峰( d 0 ，) ( ) 的半峰宽明显减小，同时在( d 惆 的高能肩出现了自由激子峰f e ，并且施主受主对复合导致的d a p 峰强度也明显 高于掺杂前的情况，d 。l 。峰的强度略有提高。 针对c d l 。盈k t c ：h 的常规表征手段非常复杂，而且测试过程有可能对晶体本 身造成损伤。为此，我们通过对大量c d l 。砜t e ：h l 晶片低温p l 谱的分析测试， 两北i 。业人学博十学付论文 总结了其特征峰的变化特点，并结合晶体的结构和电学性能，建立起一套简单有 效且能从本质上反映晶体质量的无损评价方法。研究发现，对于高质量 c d l 。z n x l b ：h 1 晶体，近带边区内的主峰为施主束缚激子( d o ，x ) 发光，并且( d o ，x ) 的峰形越明锐，质量越好。而在低质量c d l 。z n 。t e ：m 晶体中，近带边区内的主峰 通常为受主束缚激子( a o ，x ) 发光。此外，高质量c d l ；舀l x t e ：h l 的p l 谱中，一般 能区分出自由激予f e 发光峰，而对于低质量的c d l 。办x t e ：m ，则很难看到这一 点。o ，x ) 峰的半峰宽啊佃r 与t e 沉淀夹杂密度d 强之间存在着一定的联系， 前者随着后者的增加而单调递增。二者之间的关系可以表达为 = _ 3 4 9 1 0 4 + 2 7 2 1 0 4 玎名m ，。d 唧l e x 峰的相对强度可以反映出位错密度d d 的大小。如。矿。越大，d 一越高。其原因是位错所束缚的激子会产生复合发 光，反映在光谱上就表现为d c 州，k x 峰的增强。而d a p 峰和d c 。叫。峰的相对强度 之差与电阻率具有紧密的对应关系。随着，。d m 一如一d 朋的增大，晶体的 电阻率下降。 采用改进炉体设计和温场分布的垂直布里奇曼晶体生长炉，成功制备出了直 径为6 0 i 砌的大尺寸c d l 。办，t e ：h l 晶体，并通过比较位错蚀坑密度，x 射线回摆 曲线，红外透过谱以及光致发光谱等，详细分析了晶锭尺寸变化对于c d l 函。t c ：h l 晶体性能的影响。研究表明，当直径为3 0 i 啪时，其位错密度低，x 射线回摆曲 线的峰形尖锐，对称性良好，半峰宽窄。而当直径增加到6 0 i n m 时，其位错密度 上升了一个量级，且x 射线回摆曲线的峰形钝化，峰侧存在着明显的劈裂，半峰 宽亦被宽化。上述变化是由于，晶锭直径的增加引起了温场不均匀性的提高，从 而导致生长成的c d l 。z n 。t e ：h l 晶锭中产生更大的应力所致。同时，晶锭直径的增 加会引起红外透过率的小幅度升高。这是由于，当晶体直径变大时，位错密度会 有所增加，有更多的自由载流子被俘获。这就同时引起了自由载流子对于红外光 吸收的弱化，从而提高了其红外透过率。当晶体直径增加时，低温p l 谱中与位 错相关的d c o 埘舨峰的强度会明显加强，而施主受主对复合导致的d a p 峰强度会 有所削弱。 为了改善a u c d l 。z i l 。t c ：h l 的电学接触特性，我们采用退火对其进行了处理。 研究表明，退火处理能有效降低漏电流，并且漏电流降低的程度随着退火温度的 增加而不断提高。2 0 0 下的中低温退火可以有效改善a u c d l 。z n 。t e ：h l 电极的欧 n 摘要 姆接触特性，但3 0 0 以上的高温退火则会恶化其欧姆接触特性。a u 膜和 c d l 。办。t e ：h l 基体间附着情况的变化是导致这一变化的主因。电极退火对于 a u cd 1 。动，t e ：h l 电极漏电流的稳定性有着明显的影响。退火温度越高，漏电流的 稳定性就越强。在3 0 0 退火下得到了最稳定的漏电流。这是由于退火有助于提 高a u - c d l 捆l ，t e ：h 界面层中的【a u 】”含量，而【a u 】”的增加导致载流子平均弛豫 时间的降低，进而导致漏电流稳定性的提高。退火后与复合体2 【a u 】3 + 3 【v c d 】2 相 关的d c 。i c x 峰的强度明显增加，说明a u 在退火中能有效地向c d l 。z n 。t e ：h l 中扩 散形成复合体2 【a u r + 3 v c d 】2 - 。 关键词：c d l x 办x 1 c ；生长掺杂；退火掺杂；缺陷；电阻率；红外透过率；光致发 光；结晶质量；a u c d l x 窈。t c ：m 接触 n j a b s t r a c t t h ec o m p o m ms c i i l i c o n d u 曲d rc d l - x z n x t bp o s s e s s 髓c x c e l l e mo p t o e l c c t r o l l i c p r o p e n i e s 粕di s ，t l l e f o r c ，t h o u g h t 弱m em o s tp m m i 豳gm a t 硝a l f o rr o o m 胁p 啪t u r en u c k 甜r a d i a t i o nd e t e c 眦a l t h o u 曲m es t u d y 伽c d l x 历x t eh 勰l a s t c df o r al o n gp 耐o d ，m e r cs m lc x i s t m ep r o b l e 姗i nt l l ep r 印a r 砒i 彻o fc d l x z n x t ec 啊a l w i mh i 曲r 鼯i s t i v i 饥1 1 舱掣o w l lo fl a r g ed i 锄e t 盯c d l x 踟x 1 - ei n g o 协a n d m e t a l c d l x z n 。t cc o m a c tp r o p e r t i 瓯1 1 l em r e ep r o b l 锄sw i l lb es t l l d i e di l l 也i sw o r k d u et 0t h eh i g hc dp a n i a lp f e s s u r c ，c de v 印o m l 懿s 甜。璐i y 丘哪t h e 删 m a t 甜a l sd 曲gm em o d i f i e db r i d g m a i lg r o w i l lp r o c e s s ，w 1 1 i c hi i lm m 瞄u l t si i lh i 曲 c dv a c 觚c yd s i 锣i n1 h e 船一g r o w nc d l - x z n x t ec r y s t a l sa i l ds e v e r c l yd e g r a d e sn 圮 叩t o - e l e c 仃o i l i cp r 叩e r t i e so fc d l 哇z n x t e h lt l l i sd i s s e r t a t i o i l ，t 、帕科a c h e s ，i e t h e d o p i i l gg r o w l l l 锄dt h ed 叩i 1 培a i l i l e a l i i l 舀a r ca d o p t e dt 0i m p r o v et l l ec r y s t a lp r o p e n i 豁 t h ei 1 】v 鼯t i g a t i o ni i l d i c a l c st h a tb d mt l l ed o p i n gg r o w ma n dt l l ed o p i n g 锄e a l i l l gc a n i n l p v e 仕l cf e s i s t i v 埘o fc d l x 矾t ee 腩c t i v e l y b yt 1 1 ef o r i i l c rm c t h o d ，t h er e s i s “t y o fc d l - x 盈l x t ei si n c f e 雒c dt l l r c eo r d e r s ，丘d m3 1 0 7 f k mt 05 1 0 1 0 q c m b ym e l a t t 盯m e t h o d ，m er 鼯i s t i v i 妙o f c d l x z n x t ei si i l c r e 嬲c dt w oo r d e r s ，劬m5 1 07 q 锄 t o3 1 0 9 【k m h la d d i 廿叽，b o mm e t h o d sa l r 髓u ni nm er e d u c 廿o no fi r t r a n 锄i s s i o fc d l - x z n x t ec r ) ，s t 畦a s 嘶b c dt ot h em e i l g t l l e i 】i n go f 肫ec a r r i e r a b s o r p t i a n dc r ) 懵t a ll a n i c ea ：b s o r p t i o n a 脑m ed o p i l l gg r o w m ，t h ed i s l o c a t i o n d e l l s i t ya n dm ef 1 1 1 1 丽t l la th a l f m a ) 【i m 啪( f w m 田o f xm yr o c k i n gc u r v eo f c d l x 历x l bc h a i l g es h 班n y ，w l l i c hi i i l p l i 韶t h a tm ed o p i n gg r o w t l ld on o ta 怕c tm e c r y s t a l l i n eq u a l 蚵o fc d l 勘x t c w h i l e 矗) r l ed o p i n g 猢e a l i l l g ，t l 坨d i s l o c 撕o n d e i l s 埘o f c d l x 砜t ci sr e d u c c d 的m6 2 1 0 4 c m - 1t o1 5 1 0 4c m - 1a f i e r 黝e a l i n g 锄d t h ef 、h mo fxm yr o c k i n gc u r v ei sa l s ol o w e r e d 疗0 m1 2 5 ”t 0 7 8 ”，i l l l p l 弧n gm c i m p v 锄曲to f t h ec r y s t a l l j n eq t l a l i 吼p h o f o l u 曲e s c 锄c e ( p l ) 印c c 打am e 硒嘲e l l t s h o w st l l a tt l l ed e f 砖t r c l a t e dr e 百o ni sc 】【t e i l d e d 鼬naw e a l 【h 删叩i 咖锄o b v i o l l s b r o a dp e a l 【a f i c rt h eg r o 州hd o p i l l g n 础c a t 鼯蝴1 l l ed c f t r c l a t e dc 缸 ( 扬0 瞄甲i sf 0 瑚c di n 恤d o p e dc r y s t a l a tm e 蚴et i l i l e ，m ed o n o r - a c c 印t e rp a i r r e c 鲫b i l l a t i d a pp e a l 【i s 蜊h 肋c d 舭dm ec o 玎c s p o n d i n gp h o n o nr 印l i c a d a p l oa p p e a r s t h ed i s a p p e 撇n c eo ft l l en c i l 订a 1a c c 印t e r - 1 ) o u n dc ) 【c i t o n ( a u ，殉 两北i 业人学博t ：学位论文 p e a l 【m e a i i st h a tc dv a c a n c i e sa r ec o m p c i l s a t e de 蠡t i v c l y a f t e rt h ed o p i n g 锄e a l i n g ， m c 冈旧mo fn e 咖ld o r b o l l n de 】【c i t o n ( d u ，x ) p e a ki sm i n i s h e d 锄dm e 疵e e x c i t o n i cf ep e a l 【a p p e a r s t h eh i 曲e n e p g ys h o u l d e ro f ( d o ，砷p e a k m e a l l d l i l e ，t h e i n t s 时o fd a pp e a l 【i si l i l p r o v e dd i s t i n c n ya i l dt h ci n t e i l s 时o fd c o 呷k xp e a l 【i sa l s o i n c r e a s e dt 0s o m ee x t 明t t os i r i l p l i 矽t l l e 劬i d i t i o n a lc h a r a c t 耐z a t i o nm e t l l o d so fc d l ，2 ，m x t e ：h 1c r y s t a l ，a n o n d e s t n l c t i v eb u te f i t i v ew a yb a s c do np lm e 嗣1 f e i n e mi se s t a b l i s h e df o rm e c r y s t a le v a l u a t i o fc d l x 勐x t c ：h 1 f o fh i 曲q l l a “t yc d l 。z n 。t e ：h ，t l l e n e u 仃a l d o n o r - 1 ) 0 u n de x c “o n ( d u ，x ) p e a kd 啪i n a t e st h en e 盯b 孤d g a pr e 百o na n dt h e 丘e e e ) 【c i l o nf ep e a kc 觚b ed i s t m g i l i s h c de a s i 够w 1 1 i l ef o rl o wq m l 时c d l x z n 。t e ：h l ，t h e n e u n a 1a c c e p t e r _ b o 吼de x c i t o n ( a u ，p e a kb e c o m e sm em a i np e a ko fn e a rb 锄d g 印 r e g i o n 孤dm ef ep e a kd i s 印p e a r s h la d d i t i o n ，m ej n c r c 弱eo f t h cf w h mo f 冯 p e a l 【c o 玎唧o n d st oh i g h e rt ei l l c l u s i o n p f c c i p i t a t e sd c l l s 时t l l er c l a t i v ei i l t c i 培“yo f d c 呻l c xp e a l 【c a i lb ca l s ol l s e d 船m 枷i c a t o ro fd i s l o c a l i d e 邶i 哆t h eh i g l l c r 么m 矿m i s ，t h el l i 曲e ft l l e d i s l o c a t i o nd e n s i t yw i ub e m o r c o v w h t h e r e l a t i v ei m e n s i t yo fd a p p e a ki sa u 舯e 1 1 瞳c d 柚dt h er e l a t i v ei n 咖s i 够o fd c a 唧l c xp e a l 【 i sr e d u c c d ，t h er e s i s t i v i t yo f c d l x 历x l b ：kf a l l s h m i s 、o r k ，w es u c c 髓s 血l l yg r o wc d 啼砜t e ：h l c r y s 删sw i t ht h cd i a m e 懈i l pt o 6 0m m b ya p p l y i n gt l l em o d i f i e db r i d g m 孤m e t h o d 研m 缸o p 血l l i z e d 锄n p e r a t u l e f i e l d t h ev a r i a t i o f t l l ec d l x z n x t e ：h 1i n 9 0 td i a m e t e rc h 锄g e dt h ec r y s t a lq l l a l 时龇d t h u si l l n u 曲c c d 把o p t i c a la f l de l e c 仃o l l i cp m p e n i e so fc d i x 砜t e ：h 1 w h c i l 忙 d i 锄c t c ro fc d l x z n 。t e ：h li n g o ti s 吼l a r g e d 鼬n3 0 i n mt o6 0 m m ，m ed i s k a t i o n d c i l s 时i si i l c r e a s e da l lo r d e ra n dm ef w h m o f x m yd i 册a c t i o np e a l 【i sa l i n c r e a s c d o b v i o 懈b w l l i c hm e 锄st h cd e g r a d i n go f 随a l l i n eq u a h 妙h o w 钾t h ec n l a f g i n go f i n g o td i 锄e t e ra k oi n c r 船s e dt l l e 取衄l 删s s i 0 i lo fc d l 孙x t e ：h t o m e 瓴t c n t h a d d i t i o n ，t l l cd c o 呷l e x p e a kw 嬲i n t s i f i e dc l e 砌y 卸d l cd a p p e a l 【w 船w e a l 【c i l e d t b 锄e l i o r a t et l l ec o 力t a c t p r o p 硎e s ，av a c 哪煳e a l i n gi s 印p l i c d f o r a u c d l - x 蜀x l b ：h lc 讲l 切c t t h ei n v e s t i g a t i 叫s u g g e s t st l l a tt l l ea n n e a l i n gc a nr e d u c et h e l e a k a g ec u n 舶te 腩c t i v e l y 锄dt h er e d u c t i o ne x t c l l t 饥l a f g e s 晰mt l l ei n c r e 勰eo ft 1 1 e 锄e a l i n gt 科n p c r a n l r e a n 咖e a l i i l gb e l o w2 0 0 c 觚u p g m d et l l eo 岫i cp 如l p 盯t i 懿o f a u c d l ，2 b ，t e ：h lc o m a c t ，w h i c hi s ，h o w e v d c 蓼a d e df o l l o 谢n gt h e 籼e a l i n ga t a b o v e3 0 0 1 1 l ev a r i a t i o no fc o h 髓i v es t r e i l g i l lo fa uf i l m c d i 。历，t e ：h la r c r e s p o n s i b l ef o rm ec h 趾g e a d d i t i o n a i l y m e 锄e a l i n gc 锄a l s oi i i l l r 0 v et l l es t a b i l i t yo f v a b s t r a c t l e a l ( a g ec u r r e m p lm e 硒u r 锄e i i tr e v e a l sm a tm ed c 唧i “p e a ki si m e 璐i f i e da f t e rt h e 锄e a j i n 岛i i l d i c a b n gm a t l cc o m p l e 】【2 a u 】3 + - 3 【v c d 】2 i sf o m l 。dd u e t ot l l ed i 瓶s i o n o f a ui n t ocd 1 。砜t e ：h 1 k e yw o r d s ：c d l 。z n x t e ，d 叩i n gg r o w d o p i n g 趾n e a l i l l g ，d e 触，r e s i s t i v i 哪i 证h r e d t 啪s m i s s i o i l ，p h o t 0 1 眦i i l e s c 即c e ，c r y s t a l l i z a t i o nq u a l i 魄a u c d l x z n x t b ：h lc o n t a c t 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借 阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西 北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 加0 7 年 指导教师签名：堑i 互_ 号 多。西年只gb 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学 位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知， 除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位 或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 加7 年g 月旭日 两北i ：业人学| l 享十学位论文 论文的主要创新和贡献 1 以生长掺杂和退火掺杂为手段对本征c d l 。z n x t e 晶体进行了系统的掺h l 改性研究。发现掺m 生长能有效提高c d l 。z n 。t c 晶体的电阻率并缩短漏电流的 稳定时间。而掺h l 退火在提高c d l ，2 m t e 的电阻率的同时还可以有效改善结晶 质量。掺h l 生长和掺m 退火均会导致c d 。z n 。t e 红外透过率的降低，其原因在 于m 导致的自由载流子吸收和品格吸收的加强。 2 证实c d l 。z n 。t e ：i i l 的光致发光( p l ) 谱中杂质及缺陷复合区的宽大波包 d 。m 。由两个亚峰组成，其中位于1 5 3 7 e v 处的亚峰是由于掺杂后形成缺陷复合 体( 2 觑a + 矿0 一) o 所致，而位于1 4 9 7 e v 处的亚峰则与晶体中的位错相关。 3 提出了一套根据p l 谱的特征峰综合评价c d l 。踟。t e ：h l 晶体质量的新方 法。对于高质量c d l 。踟。t e ：h l 晶体，p l 谱中存在自由激子f e 发光峰，并且近 带边区内的主峰为施主束缚激子( d o ，殉发光，o ，) ( ) 的峰形越明锐，晶体质量越 好。( d o ，x ) 峰的半峰宽暇嗍z h 随着t e 沉淀夹杂密度的增加而增加。d b 州。峰的 相对强度可以反映出位错密度三b 的大小。d a _ p 峰与d c l 。峰相对强度之差和 晶体的电阻率之间存在明显的递减关系。 4 采用改进的低压布里奇曼法成功生长出直径为6 0 i 啪的大尺寸 c d l 。z n 。t e ：h l 晶体，揭示了晶锭尺寸对其性能的影响规律。晶锭直径增加， c d l 。办；t e ：h l 的结晶质量降低，红外透过率小幅度升高。 5 采用真空退火显著降低了a u c d l 函。t e ：h l 电极的漏电流，提高了其稳 定性，并且有效改善了a u c d l 。窈x l b ：i i l 电极的欧姆接触特性。 v i i 两北下业人学博+ 学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 科学技术发展的日新月异使得高能射线探测技术在现代社会中发挥着日益 广泛的应用。在医学成像、环境保护、工业监控、核安全检测、违禁品稽查以及 天体物理研究等领域内，如何对于高能射线进行精准探测始终是一个受到高度重 视的热点课题。根据所使用材料的不同，现代高能射线探测器可以分为气体电离 探测器、闪烁体探测器和半导体探测器三种类型 1 】。其中，气体电离探测器是最 早研制的核辐射探测器，但其灵敏度较差，并且对于不同射线都给出大小相同的 脉冲信号，因此不能用来区别不同的射线【2 3 】。闪烁体探测器的计数率虽高，然 而它的能量分辨率较差，而且必须配合光电倍增管( p m t ) 一起使用【4 5 】。近年 来半导体探测器得到了迅速发展，在核科学研究中的地位越来越重要。s i 和g e 作为最为常见的半导体而被率先用于核辐射探测领域，但是，s i 自身的禁带宽度 点童仅为1 0 6 e v ，原子序数小，对高能射线的阻止本领和探测效率较低【6 7 8 】。g e 探测器虽然具有优良的能量分辨率，但必须在7 7 k 的液氮温度下工作m o 川，这 一方面导致了高昂的使用成本，另一方面也使得整套探测系统繁杂，大大限制了 其应用范围。因此，人们将研究目光投向了化合物半导体。c d l 。z n 。t e 凭借禁带 宽度大，原予序数高以及电阻率高等优良特性成为最有潜力的室温核辐射探测器 材料。 1 2c d l 。z n ；t e 晶体的基本物理性质 1 2 1 晶体结构 c d l ，知。t e 是一种i i v i 族化合物半导体材料，具有闪锌矿结构。c d l 。窈，t c 可以看作是z n 原子随机取代了c d t e 中一定份额的c d 原予形成的三元合金。其 晶体结构如图l 一1 【1 2 】所示。 图1 1 ( a ) 表示闪锌矿结构的晶胞，它是由两类原子各自组成的面心立方晶 第一章文献综述 格，沿空问对角线彼此位移四分之一空间对角线长度而构成的。每个原子被四个 异族原子所包围，z n 原子和c d 原子与其最近邻的四个t e 原子形成共价键。若 z n 原子和c d 原子位于正四面体的中心，t e 原子就位于正四面体的顶角，其键 合方向和键夹角与金刚石结构相同。c d l ，细。t e 晶体是一种极性晶体。沿垂直于 【1 1 0 方向看观察时，可以看到它是由一系列的z n 、c d 原子层和t c 原子层构成 的双原子层堆积起来的，每个原子层都是一个( 1 1 1 ) 面，如图1 1 ( b ) 所示。 由于异族原子的结合带有离子性，因而这种双原子层是一种电偶极层。 o 例孙巍 瓣 釉 静， 图l lc d l 。办j b 的晶体结构( a ) 空间结构( b ) 【1 1 0 】向投影 f i g 1 一ln 嵋c r y s t a ls 仃u c t u mo f c d l 。z n ，t e( a ) s p a c es 仇l c n l f e ( b ) 【1 1 0 】p r o j e c t i 彻 由于c d t e 和动t e 之问的品格常数不同，z n 原子取代c d t c 晶格中的c d 原子会带来一定程度的晶格畸变，从而导致晶格常数的变化。e x a f s 测试的结 剁1 3 1 证实，c d l 。办。t e 中的结合键呈双峰分布，表明t e 的亚晶格发生了一定程 度的扭曲。一般认为，化合物的晶格常数是其组元品格常数的线性函数，这也就 是通常所说的v e g a r d 定律。据此可以近似得到c d l 。动。t e 晶格常数4 和合金成 分工之间的关系，即有， 4 ( x ) = n i ( 1 一功+ 口2 工 ( 1 - 1 ) 式中，口j 和比分别是c d t e 和z n t e 的晶格常数。 实际测量中，也可以根据b m g g 定律采用x 射线衍射法计算c d l 。z n 。t e 的 平均晶格常数，其表达式为， 聃北工业大学博士学 上论文 以a = 2 d s i n ( 口) ( 1 2 ) 式中，五为入射光的波长，d 是晶面间距，曰是入射角，n 是任意正整数。 这里，晶面自j 距d 取决于晶体取向，它和品格常数碱正比。由上述关系， 我们可以根据衍射峰的位置推算出合金的成分。 1 2 2 能带结构 c d l 。z n 。t e 具有直接跃迁的能带结构。s i n 1 4 1 采用紧束缚近似的计算表明， 对于直接带隙半导体而言，其禁带宽度最随z n 含量工的变化而变化，它们之间 存在着一定的函数关系，因此可以通过调节工的值来控制乓。这个函数关系通 常是由实验确定的，研究者不同，所得到的结果也有较大差别，但通常都为二次 函数关系，其二次项系数取决于晶体中的短程无序。 0 l e g o 等【1 5 1 测出t - 3 0 0 k 时的乓满足 最= 1 5 1 + o 6 0 缸一o 1 3 嘶2 ( e v ) ( 1 3 ) 而p o l i c h 盯等人【16 】的结果则是， = 1 5 9 8 + o 6 1 4 j o 1 6 6 x 2 ( e v ) ( 1 - 4 ) 7 7 k 时，有【1 7 】 乓= 1 5 8 6 + o 5 0 0 缸o 2 9 6 9 h 2 ( c v ) ( 1 5 ) t = 1 2 k 时，d o t y 等测得， 最= 1 5 9 6 4 + o 4 5 5 x + o 3 3 工2 ( e v ) ( 1 6 ) s t 砌一”】的结果则是， 坟= 1 6 0 6 + o 3 2 2 x + o 4 6 2 工2 ( e v ) ( 1 7 ) 此外，c d l 函。t c 晶体的禁带宽度乓随温度改变而变化。当x 卸0 5 时有2 0 】 乓= 1 7 2 3 5 1 旷r 一1 5 5 1 0 _ 7 r 2 ( e v ) ( 1 8 ) 1 3c d l ；z n 。t e 晶体在室温核辐射探测器中的应用 1 3 1 核辐射探测器的工作原理 高能射线穿过固态探测器时与介质晶体之间的相互作用是通过弹性散射、 第一章文献综述 光电吸收、康普顿散射以及附生电子一正电子对四种机制进行的【2 l 】。对于射线的 探测而言，光电吸收和康普顿散射是最主要的过程。在这个过程中，入射光子的 能量被介质材料中原子的外层电子所吸收，获得能量后的电子由满带跃迁到导 带，在导带上产生额外的电子，在满带上留下空穴。与此同时，该电子还通过康 普顿效应与半导体晶格发生相互作用，将能量传递给后者。上述过程会产生大量 的电子一空穴对。如果此时在介质晶体两端加上足够高的外电场，那么这些载流 子将分别向两电极漂移，从而在探测器电极上形成一个脉冲电流，如图卜2 所示。 图1 - 2 室温半导体核辐射探测器的工作原理图 f i g1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f 删i n gp r i n c i p l eo f r a d i a t i d e t e c t o r 该电流经前置放大器放大后产生一个高度与探测器电流的时间积分成正比 的输出电压脉冲。此电压脉冲通过成形放大器转换为高斯脉冲，进一步放大成形， 在过滤掉背景噪声后，使信一噪比达到最高，然后将其输入多道脉冲幅度分析仪， 由其记录在每个道数( 道数表示脉冲的高度) 上所测量到的脉冲数量并分别以数 据和图谱的形式呈现出来。由于射线的能量与所产生的载流予数量成正比，而探 测器内电流的时间积分又正比于载流子的数量，因此前罨放大器产生的电压脉冲 正比于入射射线的能量。最后多道分析仪给出的数据和图谱就表示了射线的能 谱。图1 3 给出了整个核辐射探测器谱仪系统的结构示意图。 西北i 业大学博十学位论文 图1 3 探测器系统组成示意图 f i gl 一3s c h c m 砒i cd i a g r a mo f d e t c c t o rc o n s i i n n e s 1 3 2 高性能核辐射探测器对材料的要求 对于高性能室温核辐射探测器而言，无论使用哪种半导体材料，要同时得到 好的光谱分辨率和高的计数效率，都要求所用材料具有以下关键特性口2 ，2 3 1 ： ( 1 ) 高的原子序数( z ) ，以提高辐射粒子与探测材料原子之间相互作用的效 果。这是因为，对于原子序数为z 的材料而言，光电吸收的有效截面随着刀的 变化而变化，其中4 修i n 2 t e 3 。c d 与i n 的吸收系 数曲线形状相同，很难区分，而t e 与如t c 3 的吸收系数曲线则很好辨别。t e 颗 粒对红外光的散射随t c 沉淀尺寸的增大而明显减小。 1 4 4 光致发光性能 所谓光致发光( p l ) 指的是以光作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发 光这样一个过程。它可以灵敏地反映出半导体中杂质和缺陷的能态变化，因而被 认作是研究半导体能带结构最为重要和有效的途径。 从微观上讲，光致发光可以分为两个步骤：第一步是以光对材料进行激励， 将其中电子的能量提高到一个非平衡态，也就是所谓的“激发态”；第二步，处于 激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子，实现发光。在这个过程中， 有六种不同的复合机构会发射光子，它们是：( 1 ) 自由载流子复合；( 2 ) 自由激 子复合；( 3 ) 束缚激子复合；( 4 ) 浅能级与本征带间的载流子复合；( 5 ) 施主 受主对复合；( 6 ) 电子空穴对通过深能级的复合。图l - 5 给出了c d l 。z n 。t c 中 不同跃迁过程的能级示意卧5 2 1 。在上述辐射复合机构中，前两种属于本征机构， 后面几种则属于非本征机构。由此可见，半导体的光致发光过程蕴含着材料结构 与组份的丰富信息，是多种复杂物理过程的综合反映，因而利用光致发光光谱可 以获得被研究材料的多种本质信息。此外，光致发光还具有制样简单，测试过程 中对样品无损伤等优点。 s t a d l e r 等【1 9 】采用p l 谱详细研究了c d l - x z n 。t c 的光学特性。测试结果表明， 在1 1 3 5 e v 和1 1 4 5 e v 处分别存在两个尖锐的发光峰，它们不同于一般的a 中心 发光。变温p l 测试证实，位于1 1 4 5 e v 处的发光峰遵从禁带的温度依存关系， 而位于1 1 3 5 e v 处的发光峰则随着温度升高向高能端移动。与此同时，他们还研 究了上述两峰以及a 中心发光峰随z n 含量j 的变化规律。当舻司k 1 时，1 1 3 5 e v 处的发光峰和a 中心发光峰与禁带随成分变化的关系一致，但是1 1 4 5 d v 处的 发光峰却在整个变化范围内保持恒定。 g r e a v e s 等【5 3 】利用p l 谱分析了低压布里奇曼法生长的c d l 。z i l 。t c 晶体的均 匀性。他们通过比较不同样品p l 谱中激发峰的位置变化来判断成分是否均匀， 在这个基础上，还测试了样品的显微光致发光平面图。由于光致发光峰能指示出 第。章文献综述 材料的禁带宽度l ，而禁带宽度与材料成分紧密相关“。显然，根据显微光致 发光平面图中光强的不同。可以直观判断出c d l - x z n ，t c 的成分分布情况。 s u z u 矗等1 5 川采用飞秒激光器作为激发光源，仔细研究了高压布里奇曼法生 长的本征c d l ，办。t c 的低温p l 谱。在1 6 5 6 0 3 e v 处和1 6 4 5 6 6 e v 处分别发现了 两个尖锐的发光峰，前者起源于束缚于中性施主上的激子峰o ) ( ) 复合，而后者 则归因于束缚在中性受主上的激子峰( ”，蜀复合。研究还表明，对于( d 0 ，x ) 峰， 其辐射寿命为1 4 i l s ，而对于( a o ，x ) 峰，其辐射寿命则为1 5 n s 。 c o n d u c 6 0 nb 蛐d v l b a n d 图1 5c d i 。z n j b 中不同跃迁过程的能级示意图 f g 1 5 勘脚苫y1 e v e ld i a 鲫时m w j l l g 啪o u sr a d l a t l v cn 乱s n i o 璐j nc d l 锄f r e l f n 2 2 ( i f l ) ( d o x ) a o ，x ) 西北i ：业大学博士学位论文 1 5c d l x z n ；t e 晶体中的电活性缺陷及掺杂 作为最有前途的室温核辐射探测器材料，c d l 。z i l 。t e 晶体中存在着c d 空位 以及t e 沉淀夹杂等缺陷，这些电活性缺陷一方面降低了其电阻率，另一方面作 为俘获中心又影响载流子的传输特性，恶化了c d l 。2 巩t e 晶体的电学性能。因此， 必须找到合适的方法加以解决。 近些年来，国外的一些学者提出用掺杂的方法来提高晶体电阻率，改善载 流子传输特性5 7 5 8 删，并在c d t c 材料上进行了一些探索，取得了令人满意的效 果。l a c l l i s h 旧经初步研究发现，施主掺杂能够提高c d t c 类材料的综合性能。在 理想条件下向晶体中掺入h l ，再在富t e 气氛下进行适当的退火，能使得施主得 到补偿，同时又不会降低该材料的其他关键性能，从而在提高晶体对y 射线敏感 性的同时，极大地提高电阻率。l a c h i “5 7 1 还发现：处于补偿态的自由载流子浓 度最终决定了晶体的电阻率。虽然它要比全部掺杂剂的浓度低好多个数量级。但 是，这两种量之间是相关的。因此，提高掺杂剂的量能够提高自由施主的量。所 以，可以通过调整晶体中掺杂剂的浓度来控制晶体的电阻率。z 删m i e h l 等【5 s l 初 步解释了这一机制：在富t c 环境下生长出的c d l 。窈。t c 晶体中存在着高浓度的 c d 空位，若向其中掺入一定的杂质，引入大量的施主，则这些施主杂质能够与 c d 空位形成复合体，从而使其得到补偿。通常称这些复合体为a 中心，它位于 e v + o 1 5 e v 处。a 中心