碲锌镉(Cd1-xZnxTe, 简称CdZnTe或CZT)是一种在室温下工作的半导体核辐射探测材料, 因其优越的光电特性近年来受到越来越多的关注, 在医学成像、环境监测和空间探测领域的应用也愈发广泛。移动加热器法(THM)被认为是目前生长CZT单晶最有前景的方法之一。晶体生长过程中, 合适的温场是获得优质晶体的前提条件。本文使用Fluent软件对电阻加热式THM生长CZT单晶生长系统展开热场研究, 首先建立描述系统热输运的物理和数学模型, 提出一种设立控温点的逆模拟方法解决了加热器功率并非既定值的模拟难点, 设定功率分别为225.6、343.7、1 045.9、92.5、199.6 W的5个加热器情况下的炉内温场计算值与实验测量值有了较好的吻合。进而研究加热器与炉膛管距离、散热区宽度等炉膛结构对坩埚内CZT原料区温度分布的影响。研究结果表明, Canthal炉管与加热器间距离由5 mm增大至10、15 mm后, 最高温度减小3.7％、5.6％, 散热区宽度由30 mm增大至50、80 mm后, 熔区宽度分别减小32.7％、50.0％。
碲锌镉晶体 移动加热器法 半导体 数值模拟 热场 炉膛结构 CdZnTe crystal traveling heater method semiconductor numerical simulation thermal field furnace structure
1 云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201
2 昆明沃特尔机电设备有限公司，云南昆明 650204
3 昆明物理研究所，云南昆明 650223
4 云南沅丰祥机电设备有限责任公司，云南昆明 650224
针对直径 4英寸碲锌镉单晶材料生长的需求，在研究国外碲锌镉晶体材料生长取得的成果基础上，自主设计了一种基于移动炉体技术的碲锌镉晶体生长炉。炉体由 4种规格的六段温控加热单元组成，采用工控机控制伺服电机来驱动滚珠丝杆直线导轨实现炉体升降，炉体内腔设置有刚玉陶瓷管及高温金属热管组成的加热炉管，通过高精度铂铑铂热电偶、欧陆、变压器及可控硅控制加热单元，基于模糊＋PID控制算法和策略来控制加热炉温的温度分布。开展了加热温度稳定性和加热控温性能实验，结果表明：炉体内腔加热温度持续控温 200 h，相同位置的温度波动±0.005℃，加热温度偏差≤ ±0.1℃；炉腔上、下部恒温区长度分别为 400 mm和 240 mm，中部温度梯度区长度约 136 mm，加热温度 1098℃附近的温度梯度为 0.92℃·mm－1。上述参数满足碲锌镉晶体生长炉的自主设计与控温性能要求。
移动炉体加热法 碲锌镉晶体 晶体生长炉 温控性能 远红外探测器 traveling heater method, CdZnTe crystal, crystal g
1 云南农业大学机电工程学院，云南 昆明650201
2 昆明沃特尔机电设备有限公司，云南 昆明650204
3 昆明物理研究所，云南 昆明650223
针对远红外探测器衬底制造对高品质碲锌镉单晶材料的需求，为了满足高品质碲锌镉单晶生长对高纯度原材料的需要，基于区熔提纯原理与工艺实现方法设计出一种由区熔炉炉体、移动加热装置、气路系统和电气控制系统等组成的分布式碲锌镉晶体制备材料区熔提纯炉。采用氢气除杂、氮气保护和伺服机构控制加热温度场移动的方法来实现区熔提纯。在区熔窄区宽度为15 mm和倾斜角度为7°的条件下，开展了碲、锌和镉等原材料的区熔提纯实验。结果表明，当加热温度高于材料熔点50 K且移动速度为0006 mm?s-1时，区熔加热装置往复移动10次以上，可将碲锌镉晶体制备所需的原材料纯度由6N(999999%)提高到7N (9999999%);分布式碲锌镉晶体制备材料区熔提纯炉的加热温度、加热装置移动速度和移动稳定性较好。
碲锌镉晶体制备 材料提纯 精馏提纯 区熔提纯方法 区熔提纯炉 preparation of CdZnTe crystal material purification distillation purification zone melting purification method zone melting purification furnace
1 陕西迪泰克新材料有限公司, 西安 712034
2 西北工业大学材料学院, 凝固技术国家重点实验室, 辐射探测材料与器件工信部重点实验室, 西安 710072
3 中国科学院高能物理研究所, 粒子天体物理重点实验室, 北京 100049
CdZnTe(CZT)探测器目前在国内外天体物理研究中占有重要的地位。本文采用蒙特卡洛软件GEANT4模拟了CZT伽马射线探测器对伽马射线的能谱响应, 研究了电子和空穴的输运特性、外加偏压、探测器厚度等因素对平面型探测器的能谱特性的影响规律。结果表明, 在电子收集效率较高时, 能量分辨率明显受迁移率寿命积比值((μτ)e/(μτ)h)的影响, 比值越小, 能量分辨率越好。增加工作电压可以提高载流子的收集效率和探测器的能量分辨率。在电子收集效率较高时, 增大厚度可以弱化空穴信号贡献, 提高能量分辨率。漂移程与晶体厚度之比(μτ)eE/d可以用来估算平面型CZT探测器对低能射线的收集效率, 并计算出其对应关系。
辐射探测晶体 伽马射线探测器 CdZnTe探测器 CdZnTe晶体 能量分辨率 能谱 radiation detection crystal gamma ray detector CdZnTe detector GEANT4 GEANT4 CdZnTe crystal energy resolution energy spectrum
1 西北工业大学,凝固技术国家重点实验室，西安 710072
2 陕西迪泰克新材料有限公司，西安 712000
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。
核辐射探测 碲锌镉晶体 布里奇曼法 移动加热器法 radiation detection CdZnTe crystal Bridgman method travelling heater method (THM)
1 中国科学院上海技术物理研究所, 红外物理国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所, 红外材器中心,上海 200083
通过对Bridgeman方法生长的CdZnTe单晶样品进行光致发光(Photoluminescence, PL)光谱测量, 发现CdZnTe样品表面Te沉淀物的存在明显影响能量低于1.5 eV的深能级发光过程.进一步对CdZnTe晶锭的不同位置取样进行低温变磁场光致发光光谱测试, 获得高分辨光谱信息.拟合分析结果表明: (1)在不含Te沉淀物的CdZnTe样品内部存在应力分布, 并因此导致轻、重空穴带分裂；(2)1.57 eV发光特征源于浅施主杂质与价带间的复合过程.
CdZnTe单晶 磁光光致发光光谱 应力 轻空穴 CdZnTe crystal magneto-photoluminescence stress shallow-donor
1 中国科学院上海技术物理研究所,红外物理国家重点实验室,上海,200083
2 中国科学院上海技术物理研究所,功能材料器件中心,上海,200083
提出并实现了用微米级空间分辨率的显微光致发光(μ-PL)平面扫描谱对CdZnTe(CZT)晶片的表面亚微米层特性研究.在含缺陷区域进行微米尺度和在大面积范围内进行毫米尺度的逐点PL测量.对测得每一点的PL谱进行了拟合.拟合参数中等效温度Tc的统计分布给出两个分布中心,表明存在有两种机制的发光过程.同时统计结果给出发光各点的不均匀性.等效温度的平面分布图直观地给出了各温度的平面位置，样品经溴抛光后重复类似的测量,结果表明等效温度的统计均匀性大为改善.抛光后的不同的缺陷点表现出不同的发光特性,意味着各自起源的不同.大面积PL扫描的统计结果和平面分布给出样品特性的整体评价.
CdZnTe晶体 显微光致发光 平面扫描 等效温度. CdZnTe crystal micro-photoluminescence mapping effective temperature.
