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室温辐射探测器材料碲镁镉晶体的生长及性能表征

室温辐射探测器材料碲镁镉晶体的生长及性能表征

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作者：陈永仁长安大学

学位级别：硕士

碲镁镉(CdMgTe)是一种性能优异的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。其具有较高的密度和平均原子序数、大的禁带宽度、高的电阻率和优良的载流子迁移率寿命乘积,被认为是几乎能够满足室温辐射探测器所有要求的可供替代Cd Zn Te的新一代室温辐射... 详细信息

碲镁镉(CdMgTe)是一种性能优异的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。其具有较高的密度和平均原子序数、大的禁带宽度、高的电阻率和优良的载流子迁移率寿命乘积,被认为是几乎能够满足室温辐射探测器所有要求的可供替代Cd Zn Te的新一代室温辐射探测器材料。本论文采用优化的生长工艺,利用改进的垂直布里奇曼法生长了大尺寸的CdMgTe晶体。通过对晶体的结构、杂质、热力学以及光电性能进行测试和表征,研究了不同生长方法对晶体性能的影响,初步制备了简单平面探测器并测试了探测器性能。采用Cd补偿法和Te过量法结合ACTR技术分别生长了一根In掺杂的CdMgTe晶锭。两种方法生长的晶锭直径均为30mm,长度分别约为110mm和120mm。XRD测试表明晶体为闪锌矿结构,无富Te第二相。热重-差示扫描测试(TG-DSC)观察到了与Cd、Mg与Te熔点相对应的固-液相转变峰、玻璃化转变峰以及特定的吸热分解峰,晶体热稳定性好,熔点为1100℃。等离子质谱(ICP-MS)分析表明Mg在Cd补偿法和Te过量法生长的晶锭中分布均比较均匀,分凝因数非常接近于1,Mg元素含量从头部到尾部稍微减少。杂质元素主要集中在晶锭尾部,掺杂的In元素分布不均匀,呈现头部少尾部多的现象。EDS测试表明Cd补偿法与Te过量法均获得了接近化学计量比的CdMgTe晶体。红外透过显微镜与扫描电镜观察晶体夹杂相发现,Cd补偿法生长的晶体中主要存在50μm以下的近似球形的Te夹杂相,Te过量法生长的晶锭头部和中部出现共格孪晶界,尾部可观察到无夹杂相区域。两种方法生长的晶体夹杂相密度均较低,为10cm数量级。I-V曲线测试及拟合结果表明,Cd补偿法生长的晶体的电阻率最高可达3.47×10Ω·cm,而Te过量法生长的晶体的电阻率则高达2.15×10Ω·cm。脉冲辐射时间响应曲线表明,Cd补偿法生长的晶体仅在100V呈现渡越平台,Te过量法生长的晶体的在外加电压下,均呈现渡越平台,电压增大时晶体的时间响应效率提高,曲线信噪比得到提升。近红外-可见光-紫外光谱测试确定了Cd补偿法和Te过量法生长的晶体的禁带宽度分别为1.57e V和1.53e V,与Mg含量为0.05时的理论值1.61e V较为接近。两种方法得到的晶体的最大红外透过率分别为61%和57%。低温光致发光谱测试表明两种方法生长的晶体中均出现了与晶体质量有关的(D,X)峰和(A,X)峰,以及与杂质In有关的DAP和D峰。Cd补偿法生长的晶体质量好于Te过量法生长的晶体。最后,两种方法生长的晶体均制备了CdMgTe简单平面探测器,Amγ射线能谱测试表明Cd补偿法与Te过量法生长的晶体的制备的探测器能量分辨率分别为25.38%和14.79%,载流子迁移率寿命乘积(μτ)值分别为5.28×10cm/V、1.04×10cm/V。两种法生长的晶体性能均达到了室温辐射探测器的要求。

关键词： Cd0.95Mg0.05Te 改进的垂直布里奇曼法 Te夹杂光电性能简单平面探测器

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卤化物钙钛矿MAPbBr3晶体的生长及光电性能研究

卤化物钙钛矿MAPbBr3晶体的生长及光电性能研究

引用

作者：申红霞西安工业大学

学位级别：硕士

卤化物钙钛矿MAPbBr晶体(MA=CHNH)因其优异的光电性能,在光电器件领域引起了人们的广泛关注。与多晶薄膜相比,其单晶体缺陷密度较低,载流子扩散长度长,迁移率高,被认为是较理想的光电材料。近年来,人们采用多种溶液方法来生长MAPbBr单... 详细信息

卤化物钙钛矿MAPbBr晶体(MA=CHNH)因其优异的光电性能,在光电器件领域引起了人们的广泛关注。与多晶薄膜相比,其单晶体缺陷密度较低,载流子扩散长度长,迁移率高,被认为是较理想的光电材料。近年来,人们采用多种溶液方法来生长MAPbBr单晶。然而在不同生长条件下晶体的表面结构却各有不同,为了揭示晶体表面结构与其微观生长机理的关系,更好地指导晶体生长过程,对晶体生长的微观机理进行研究就显得尤为重要。另外,MAPbBr单晶在辐射探测方面的应用仍处于探索研究阶段。因此,本文针对反溶剂辅助结晶(Anti-solvent vapor-assisted crystallization,AVC)法生长MAPbBr晶体的微观生长机理进行了深入探究,通过工艺优化制备高质量的MAPbBr单晶,对其物相结构、光电性能及简单平面探测器基本性能进行了研究。采用AVC法制备了MAPbBr单晶。通过调控溶质Pb Br和MABr的摩尔比例、溶液浓度、反溶剂种类、反溶剂浓度、挥发时间、温度等条件,成功探索出MAPbBr晶体的生长工艺。通过稀释反溶剂对AVC法进行了工艺优化,使晶体的尺寸从优化前的5×5×1.5mm增大到9×9×3 mm。在反溶剂稀释条件下,当两种溶质摩尔比为1:1时,MAPbBr晶体的形状为立方状;而在摩尔比为0.8:1时,得到了三棱柱状的MAPbBr晶体。XRD结果表明,立方状和三棱柱状的MAPbBr晶体均为同一物相结构,只是由于生长动力学差异导致其自然暴露面不同;反溶剂稀释后生长的晶体结晶质量明显提高。采用光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜对MAPbBr晶体的(100)表面进行了观测,对其微观机理分析发现:MAPbBr晶体生长过程遵循螺型位错台阶生长机制,围绕中心螺型位错形成螺旋型台阶,台阶沿其边缘的法线方向向外扩展,从而使晶体不断长大。另外,晶体表面有许多深度不一的凹坑,并且随着溶液浓度增大,凹坑的数量和深度逐渐增加,这主要与过快而不均匀的生长速率有关。凹坑对台阶的推移有阻碍作用,使台阶发生聚并,导致结构失配,从而产生更多缺陷。通过晶体表面磨抛处理,减少了晶体的表面缺陷密度,提高了晶体的光学透过率。UV-Vis-NIR光谱拟合发现:反溶剂稀释后的MAPbBr-2晶体在500-800 nm波长范围内具有更高的光学透过率。变温光致荧光谱分析可知,MAPbBr晶体在540-550 nm之间的发光峰属于近带边区的激子峰,而600-700 nm之间的发光峰为与缺陷相关的复合发光峰,MAPbBr-2晶体具有更尖锐的激子峰和较弱的缺陷复合发光峰,表明其具有更高的结晶质量。I-V测试表明,稀释反溶剂后晶体的电阻率提高了约一个数量级,达到10Ω×cm数量级。光响应I-t结果发现,MAPbBr-2晶体具有更快的光响应速度和更稳定的光电流平台。激光诱导光电流谱可知,MAPbBr晶体的空穴迁移率值为185 cm Vs。基于晶体的上述性能研究,我们试制了不同电极结构的高阻MAPbBr简单平面探测器,分别是:Au/MAPbBr/Au、Au/MAPbBr/Al、Au/MAPbBr/Ag、Au/MAPbBr/In和Au/MAPbBr/Cu。通过对以上五种类型的探测器进行I-V测试,发现其I-V曲线均趋于线性。其中,Au/MAPbBr/Au型探测器的I-V曲线线性关系最好,且正反偏压下对称性较好,电阻率值最大,因此认为Au是与MAPbBr晶体形成典型欧姆接触的最佳材料。进一步借助I-t测试发现,Au/MAPbBr/Au器件的光响应开关比最大,并且光电流稳定性较好,而其他阳极材料器件的开关比均较小,这主要和金属电极(Al、In、Ag、Cu)电极与MAPbBr晶体的接触势垒大有关,其阻碍了部分光生载流子的传输,使光电流和暗电流均发生了不同程度的削弱。

关键词： MAPbBr3 反溶剂辅助结晶法台阶生长机制光电性能简单平面探测器

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