[论文解读] CdTe and CdZnTe Crystal Growth and Production of Gamma Radiation Detectors

Uri Lachish|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 1998

Advanced Semiconductor Detectors and Materials参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出一种低压布里奇曼法生长高质量CdTe和CdZnTe晶体，通过控制镉蒸气压，实现高电阻率和高灵敏度的伽马射线探测器。通过掺杂晶体并在碲蒸气中退火，探测器实现最优电子输运性能并对外部空穴陷阱不敏感，从而在单个探测器及阵列中均获得优异的能量分辨率。

ABSTRACT

Bridgman CdTe and CdZnTe crystal growth, with cadmium vapor pressure control, is applied to production of semiconductor gamma radiation detectors. Crystals are highly donor doped and highly electrically conducting. Annealing in tellurium vapors transforms them into a highly compensated state of high electrical resistance and high sensitivity to gamma radiation. N-type detectors, equipped with ohmic contacts, and a grounded guard ring around the positive contact, are not sensitive to hole trapping. Conductivity control, by the doping level, optimizes the detector operation by trade-off between electrons' lifetime and electrical resistance. Gamma spectra of single detectors and detector arrays are presented. Detector optimization and gamma detection mechanisms are discussed.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、高产率的方法，用于生产适用于伽马射线探测的探测级CdTe和CdZnTe晶体。
• 通过采用低压布里奇曼技术，解决传统生长方法（如慢速生长的THM法或高压复杂性的HPB法）的局限性。
• 通过施主掺杂和在碲蒸气中进行退火，控制电导率以优化探测器性能。
• 通过消除空穴陷阱效应，实现具有均匀响应的大面积单片探测器阵列，方法包括使用欧姆接触和保护环。
• 证明通过将电子信号积分时间与电子迁移时间匹配，可最大化能量分辨率，且该结果与空穴动力学无关。

提出的方法

• 在密封、抽真空的安瓿中采用低压布里奇曼技术，通过控制镉蒸气压以在晶体生长过程中维持化学计量平衡。
• 采用改进的布里奇曼工艺，使冷端温度维持在熔点以下约300°C，以稳定蒸气压并防止析出物形成。
• 在初始熔化阶段使用氢气气氛，以减少氧污染并提高晶体质量。
• 在晶体生长后进行碲蒸气退火，将高度导电的n型施主掺杂晶体转化为高度补偿的高电阻状态。
• 设计探测器时采用欧姆接触，并在正极接触周围设置接地保护环，以抑制空穴陷阱效应并提高信号保真度。
• 通过调节掺杂浓度以平衡电子寿命与电阻率，优化探测器性能，能量响应通过信号积分时间（形状时间）进行调节。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过控制镉蒸气压的低压布里奇曼晶体生长方法，能否生产出适用于伽马射线探测的高质量CdTe和CdZnTe晶体？
• RQ2 在碲蒸气中退火如何将高度导电的施主掺杂CdTe晶体转化为高电阻率、对伽马射线敏感的半导体？
• RQ3 使用欧姆接触和接地保护环在多大程度上可消除CdTe探测器中因空穴陷阱导致的能量分辨率下降？
• RQ4 何种最优掺杂浓度可实现电子寿命与电阻率的平衡，以最大化能量分辨率？
• RQ5 小像素效应和欧姆接触模型如何解释在分段探测器阵列中信号对外部空穴输运的不敏感性？

主要发现

• 通过控制镉蒸气压的低压布里奇曼生长法可获得高质量的CdTe和CdZnTe晶体，析出物极少，均匀性显著提升。
• 在碲蒸气中退火可将n型、高度导电的晶体转化为高度补偿的高电阻状态，电阻率最高可达5×10⁸ Ω·cm。
• 采用欧姆接触和接地保护环的探测器表现出优异的能量分辨率（如¹³⁷Cs 662 keV峰），因其对外部空穴陷阱不敏感。
• 在掺杂浓度使电阻率约为5×10⁸ Ω·cm、电子迁移率-寿命乘积（μτ）为1–2 cm²/V时，可实现最佳性能，从而获得良好的能量分辨率。
• 过量掺杂的探测器虽具有较高的μτ(e)（>10 cm²/V），但因电阻率过低（<10⁷ Ω·cm）而性能差，实用性受限。
• 当信号积分时间（形状时间）低于电子迁移时间时，能量分辨率提高，可滤除缓慢空穴贡献并减少低能拖尾。