晶体人生丨介万奇:辐射探测半导体晶体拓荒者

介万奇教授是我国人工晶体领域著名专家,在晶体生长与凝固技术方面取得了诸多令人瞩目的成就,尤其在室温核辐射探测用CdZnTe晶体的生长、器件制备及其产业化方面成绩显著。本次访谈中,介万奇教授从学科发展角度和国家实际需求出发,简要回顾了自身如何与功能晶体结缘,介绍了近些年带领团队在Ⅱ-Ⅵ族半导体晶体生长理论、工艺技术及应用等方面取得的进展。着重阐述了室温核辐射探测器用碲锌镉(CdZnTe)晶体的重要价值,以及半导体晶体在辐射探测领域的应用前景与挑战,并结合自身实践进一步分享了对做科研和做产业、基础理论和工程应用之间不同的理解与认识。针对我国晶体材料未来的发展,建议科研人员可多从物质新性能或新机理角度开展研究,这将对探索新材料有重要参考。     

硒化镉单晶体的研究进展

总结了CdSe单晶体的多种生长方法,包括温度梯度熔体法,移动区熔法,助熔剂法和气相提拉法等,其中气相提拉法能有效提高CdSe单晶体的晶体纯度及光学质量.介绍了CdSe晶体用于红外非线性光学器件以及室温核辐射探测器件的研究进展,并对CdSe晶体制作中红外偏振测量用波片进行了展望.     

核辐射探测单晶生长方法研究进展

核辐射探测是指用各种核辐射探测器来得到核辐射信息的过程,在军用、民用和科研等领域具有广泛的应用。作为核辐射探测核心的核辐射探测器,主要分为气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。相比于气体探测器,闪烁体探测器和半导体探测器都需要晶体作为核心材料,晶体质量的品质在很大程度上决定了探测器性能的上限。为了获得性能更好的探测器,人们对探测器用单晶材料的生长方法进行了大量的研究。本文综述了近几年核辐射探测单晶生长方法研究的最新进展,总结了目前主流的晶体生长方法,包括溶液法、熔体法、气相法等,并对不同晶体的主要生长方法进行了归纳。     

CdZnTe晶体的缺陷能级分析

通过测试富Cd原料无籽晶垂直布里奇曼法生长出的高阻Cd0.8Zn0.2Te (CZT)单晶体的I-T特性曲线,利用热激活能原理来分析单晶体内的缺陷,结果得到晶体中有一个由镉空位引起的电子陷阱,其深度为0.539eV.由于俘获能级有较高的激活能,在常温下,价带上的载流子不会被激发,所以该晶体适用于制作室温核辐射探测器.另外还研究了CZT晶体在室温下的I-V特性,测得采用该方法生长的CZT单晶体电阻率高达5.0×1010Ω*cm,制作的核辐射探测器在室温下获得了比较好的241Am 59.5keV能谱.     

碘化汞(α-HgI2)晶体生长及其性能表征

利用垂直两温区透明油浴炉,采用升华法成功生长了α-HgI2单晶体.通过对比不同生长阶段晶体生长界面,观察到HgI2晶体在气相生长中存在界面形貌转变.晶体生长初期的生长面呈棱面,然后逐渐转变为圆滑界面.利用XRD、透射光谱以及I-V测试对所生长晶体的性能进行了表征.XRD结果表明所生长的晶体为单相的α-HgI2晶体,晶体的生长方向为[001].紫外-可见-近红外透过光谱分析发现,HgI2晶体的截至波长为580 nm,对应的禁带宽度为2.12 eV,近红外区内透过率约为45;.由于空穴的俘获及陷阱能级作用,在2307.5 nm和1731.4 nm处产生了两个明显的吸收峰.所生长的α-HgI2晶体电阻率约为1011Ω·cm,满足制作核辐射探测器的要求.     

CdSe单晶体气相生长过程中的相平衡

化学配比对CdSe单晶体的性能有较大的影响.本文根据相平衡原理,利用热力学分析方法,分析了CdSe单晶体的气相生长过程,阐明了控制化学配比的原理,指出只有在固-液-气三相平衡或接近三相平衡的条件下,才能生长出符合化学配比的CdSe单晶体;同时还指出利用符合化学配比的CdSe多晶原料,在1120～1130℃可以生长出符合化学配比的CdSe单晶体.     

碘化铅单晶体生长新方法探索

本文分析了用布里奇曼法生长碘化铅单晶体的结晶过程。发现坩埚下降法生长碘化铅单晶体过程中,碘的蒸发与凝结、铅的分凝与沉淀是影响晶体质量的两个重要因素。提出了采用U型安瓿提拉方式生长碘化铅单晶体的新方法,有效抑制了碘的蒸发并排除了分凝的铅,获得了桔红色半透明的碘化铅晶体。经测试,晶体的结晶性好,红外透过率达45%,电阻率为1.7×1012Ω.cm,为制备性能优异的碘化铅室温核辐射探测器奠定了基础。     

CdZnTe平面核辐射探测器研究

采用垂直Bridgman方法生长的CdZnTe晶体,定向切割成12 mm×7 mm×2.5 mm单晶片.通过研磨、抛光、腐蚀、电极制备、钝化、退火等一系列工艺,制成了Au/CdZnTe/Al平面探测器.重点研究了快速退火对电极接触特性的影响.测试了Au/CdZnTe/Al平面探测器的能谱响应特性.结果表明:在室温偏压为350 V条件下,探测器的241Am 59.54 keV光谱能量分辨为3.95;(2.35 keV FWHM).     

室温核辐射探测器用碲锌镉晶体生长研究进展

碲锌镉(CdZnTe,CZT)晶体被认为是目前最有前途的室温半导体探测器材料之一,基于该晶体的探测器件具有能量分辨率高、体积小、便携等优点.而大面积CZT像素探测器的快速发展以及对高能、大剂量X射线探测的需求,对CZT材料的质量和尺寸提出了更高的要求.本文从CZT晶体的基本物性参数入手,探讨了大尺寸CZT晶体生长的影响因素,对两种主要的CZT生长方法——布里奇曼法和移动加热器法的研究进展进行了综述.     

CdZnTe探测器晶片的表面处理工艺

报道了CdZnTe探测器晶片表面钝化工艺对其性能的影响.先采用金相砂纸和化学腐蚀剂对CdZnTe晶片进行机械和化学抛光,然后分别用H2O2溶液和NH4F/H2O2溶液对晶片进行湿法钝化;再用ZC36微电流测试仪和扫描电镜测试研究了不同钝化时间对CdZnTe晶片电学性质和表面形态的影响.结果发现:用NH4F/H2O2溶液对CdZnTe探测器晶片进行钝化30min,晶片表面形成一层完整的高阻氧化层,表面漏电流最小、晶体电阻率提高1～2个数量级,达到109～10Ω·cm,适合探测器的制备.     

半导体辐射探测材料与器件研究进展

自从1895年伦琴发现X射线以来,辐射探测技术快速发展,被广泛应用于医疗影像、安检安防、工业无损检测、核安全监测、资源勘探、基础科学和空间科学等诸多领域。从探测材料和工作原理划分,辐射探测器主要可分为气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。本文从各类射线与半导体材料的相互作用以及半导体探测器工作原理和信号处理过程入手,探讨了不同辐射类型、不同应用需求对半导体辐射探测器的性能要求以及探测器设计要点,并按照元素族序的顺序对半导体材料在辐射探测领域的性能表现和研究进展进行了综述。     

碲锌镉器件技术进展及其在SPECT中的应用

核医学成像设备中的探测器是整个设备的核心部件。基于闪烁体探测器的核医学成像设备存在光电转换效率低和能量分辨率差等关键问题,短期内难以有效解决。而近年来碲锌镉半导体探测器的发展使得核医学成像设备在能量分辨率和空间分辨率等方面取得了很大的提高。本文以单光子发射计算机断层成像(SPECT)技术为例,首先介绍了核医学成像原理及设备组成,然后从碲锌镉探测器的工作原理及基本结构出发,综述了碲锌镉探测器的新技术及其在临床核医学的应用,最后结合核医学领域应用的需求展望了碲锌镉探测器的研究重点和技术发展趋势。     

超宽禁带半导体氧化镓基X射线探测器的研究进展

X射线具有波长短、穿透能力强等优点,在医学成像、安全检查、科学研究、空间通信等领域具有重要作用。半导体X射线探测器可以将X射线转换为电流信号,具有易集成、空间分辨率高、能量分辨率高、响应速度快等优点。高性能的X射线探测器应具备暗电流低、灵敏度高、响应速度快、可长时间稳定工作等特点,因此制备X射线探测器的半导体材料应具有电阻率高、缺陷少、抗辐照能力强、禁带宽度宽等性质。氧化镓(Ga₂O₃)是一种新型宽禁带半导体材料,具有超宽禁带宽度、高击穿场强、高X射线吸收系数、耐高温、可采用熔体法生长大尺寸单晶等优点,是一种适合制备X射线探测器的新型材料,近年来基于Ga₂O₃的X射探测器成为辐射探测领域的研究热点之一。本文主要介绍了Ga₂O₃半导体的物理性质及其在X射线探测器方面的研究进展,分析了影响X射线探测器性能的物理机制,为提高Ga₂O₃基X射探测器的性能提供了思路。     

移动加热器法生长碲锌镉晶体的组分输运与界面形貌研究

移动加热器法(THM)生长碲锌镉晶体时,界面稳定性对晶体生长的质量有很大影响。本文基于多物理场有限元仿真软件Comsol建立了THM生长碲锌镉晶体的数值模拟模型,讨论了Te边界层与组分过冷区之间的关系,对不同生长阶段的物理场、Te边界层与组分过冷区进行仿真研究,最后讨论了微重力对物理场分布的影响,并对比了微重力与正常重力下的生长界面形貌。模拟结果表明,Te边界层与组分过冷区的分布趋势是一致的,在不同生长阶段,流场中次生涡旋的位置会发生移动,从而导致生长界面的形貌随着生长的进行发生变化,同时微重力条件下形成的生长界面形貌最有利于单晶生长。因此,在晶体生长的中前期,对次生涡旋位置的控制和对组分过冷的削弱,是THM生长高质量晶体的有效方案。     

Growth and characterization of CdSe single crystals by modified vertical vapor phase method

Good quality, large single crystals of CdSe were grown by the modified growth method (i.e., vertical unseeded vapor phase growth with multi-step purification of the starting material in the same quartz ampoule without any manual transfer between the steps). Lower temperature gradients (8–9°C/cm) at the growth interface were used for the crystal growth. As-grown CdSe crystals was characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, energy dispersive analyzer of X-rays, high-resistance instrument measurement, and etch-pit observation. It is found that there are two cleavage faces of (1 0 0) and (1 1 0) orientations on the crystal, the resistivity is about 10⁸ Ω cm, and the density of etch pits is about 10^3–4/cm². The crystal was cut into wafers and was fabricated into detectors. The detectors were tested using an ²⁴¹Am radiation source. γ-ray spectra at 59.5 keV were obtained. The results demonstrated that the quality of the as-grown crystals was good. The crystals were useful for fabrication of room-temperature-operating nuclear radiation detectors. Therefore, the modified growth technique is a promising, convenient, new method for the growth of high-quality CdSe single crystals.     

钙钛矿型闪烁晶体的研究进展

闪烁晶体材料一般可用于X射线、γ射线、中子及其他高能粒子的探测。经过100多年的发展,以闪烁晶体为核心的探测和成像技术已经在核医学、高能物理、安全检查、工业无损探伤、空间物理及核探矿等方面得到了广泛的应用。随着人们对闪烁晶体材料进一步深入的研究和科技的发展,现今市面上较好的LaBr₃∶Ce等卤化物闪烁晶体由于生产成本过高、各向异性及脆性等缺点逐渐不能满足发展的需要,而钙钛矿型闪烁晶体材料由于其容易被改善的潮解性、低的生产成本、易于调整的生长条件以及良好的闪烁性能,逐步进入人们的视野。本文从晶体结构、性能、生长方法、发展趋势和应用前景等方面,着重介绍了ABX₃(A⁺为Cs⁺,B²⁺为部分碱土金属离子,X^-为非氟卤族元素离子)钙钛矿型闪烁晶体材料和K基钙钛矿结构闪烁晶体材料。最终,通过掺杂部分稀土元素和改善生长工艺等方法,即可得到光输出高、能量分辨率好,且成本较低、可广泛应用于市场的钙钛矿型闪烁晶体。     

半绝缘碳化硅单晶衬底的研究进展

碳化硅(SiC)被认为是最重要的宽禁带半导体材料之一,具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质。基于SiC材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,而且在高电压、高频率状态下也具有更高的可靠性。近20年来,随着材料生长技术、制造工艺与器件物理的迅速发展, SiC材料及器件在雷达、5G通信、电动汽车等领域获得了广泛应用,对国防工业发展、国家信息安全、国民经济建设均产生了极其重要的影响。在以SiC为基础的大功率半导体器件产业链中,高质量的SiC单晶制备及其产业化是最为重要的一环。本文针对半绝缘SiC单晶衬底材料国内外发展进行了分析归纳,重点介绍了山东大学半绝缘SiC的研究历程、现状,并对研究和产业发展、存在的挑战做了论述。     

工业应用氧化物闪烁晶体的下降法生长

闪烁晶体广泛应用于高能物理、核医学成像和辐射探测等领域.工业应用通常要求闪烁晶体具有高性能、大尺寸和低成本等.本文报道了中国科学院上海硅酸盐研究所在锗酸铋、钨酸铅和氧化碲等闪烁晶体工业化生长方面的最新研究进展,讨论了坩埚下降法作为工业晶体生长技术的优缺点.     

Growth of PbI2 single crystal by the top seed vertical zone melting method

PbI₂ is a type of syntectic compound, and its single crystal is one of the room temperature semiconductor nuclear radiation detector materials. A new method for the growth of the PbI₂ single crystal is proposed in this article, which was named the top seed vertical zone melting method (TSVZMM), directly from the synthesis of polycrystal with analytically pure lead and iodine, by controlling the decomposition and stratification of the melt and the stoichiometry of the PbI₂ crystal. Impurities in the crystal and the coagulating droplets of lead were eliminated during the PbI₂ crystal growth process from the top to bottom by TSVZMM. The PbI₂ single crystal was successfully grown with the size of Φ15 mm×15 mm, an infrared transmittance of more than 40%, a resistivity of 2×10¹² Ω cm magnitude and stoichiometry close to its theoretical value.