Research Progress on Thermal Annealing Technologies of CZT Crystals

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0024

Abstract

Abstract: Cadmium zinc telluride （CdZnTe， CZT） crystals are highly valued in room-temperature radiation detection and HgCdTe infrared detection due to their exceptional physical properties. However， point defects， secondary phases， and dislocations formed during CZT crystals growth process significantly impact crystal quality and device performance. Research shows that well-designed annealing techniques can effectively reduce secondary phase density， control point defect concentrations， and improve crystal resistivity and carrier mobility-lifetime products. This review analyzes the mechanisms of defect formation in CZT crystals and systematically evaluates advancements in annealing technologies， including isothermal， gradient， step， device， in-situ， and solution annealing. The review also compares the merits and demerits of these annealing technologies and their effects on CZT performance， offering a guide for researchers. Future studies should focus on deepening annealing mechanism insights， developing new technologies， optimizing interface engineering， and implementing intelligent technologies to further enhance CZT crystal performance for high-performance radiation and infrared detection applications.

Key words: cadmium zinc telluride; defect suppression; isothermal annealing; gradient annealing; step annealing; device annealing; in-situ annealing; solution annealing

CLC Number:

TN304.2

WU Xiao, ZHAO Wen, QI Wenbin, SONG Linwei, LI Xiangkun, JIANG Jun, KONG Jincheng, WANG Shanli. Research Progress on Thermal Annealing Technologies of CZT Crystals[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(6): 912-923.

Figures/Tables 9

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In-situ annealing at different cool down rates
Cool down rate/（℃·h^-1）		Mean diameter of SP/μm	Volume ratio of SP/%	R/（Ω·cm）	μτ/（cm²·V^-1）
7		3.50	9.0×10^-3	1.69×10¹⁰	1.000×10^-3
14		2.95	1.8×10^-3	1.80×10¹⁰	2.300×10^-3
20		2.57	5.0×10^-3	1.00×10¹⁰	1.720×10^-3
272	Edge	2.00	0.4×10^-3	—	10.800×10^-3
272	Center	3.69	4.0×10^-3	2.00×10¹⁰	1.260×10^-3
Temperature gradient in-situ annealing （temperatures of hot/cold side = 850/750 ℃）
Hot side		7.88	10.5×10^-3	2.10×10¹⁰	0.752×10^-3
Cold side		7.91	7.0×10^-3	2.63×10¹⁰	0.606×10^-3

In-situ annealing at different cool down rates
Cool down rate/（℃·h^-1）		Mean diameter of SP/μm	Volume ratio of SP/%	R/（Ω·cm）	μτ/（cm²·V^-1）
7		3.50	9.0×10^-3	1.69×10¹⁰	1.000×10^-3
14		2.95	1.8×10^-3	1.80×10¹⁰	2.300×10^-3
20		2.57	5.0×10^-3	1.00×10¹⁰	1.720×10^-3
272	Edge	2.00	0.4×10^-3	—	10.800×10^-3
272	Center	3.69	4.0×10^-3	2.00×10¹⁰	1.260×10^-3
Temperature gradient in-situ annealing （temperatures of hot/cold side = 850/750 ℃）
Hot side		7.88	10.5×10^-3	2.10×10¹⁰	0.752×10^-3
Cold side		7.91	7.0×10^-3	2.63×10¹⁰	0.606×10^-3

退火技术	主要目的	优点	缺点	特殊条件	典型效果	适用场景
恒温退火	去除沉积相，改善晶体质量	可完全去除Cd沉积相；改善近表面晶体结构	Te沉积相难以完全消除；高温可能增加位错密度	退火源选择取决于晶片状态（例如，Te气氛，片/源温度500/500 ℃，120 h^［45］）	Cd沉积相被完全消除；电阻率提升至10¹¹Ω·cm量级；红外透过率增加至60%以上^［45］	富Cd晶片；需要改善表面结构
梯度退火	清除Te沉积相	Te沉积相消除效率高（70%~90%）	显著降低电阻率；可能增加某些尺寸沉积相密度	需在晶体径向方向构建温度梯度（例如，Cd/Zn气氛，片/源温度（740~750）/627 ℃，温度梯度8 ℃/cm，120 h^［54］）	Te沉积相消除效率大于90%^［54］，但电阻率从10¹⁰ Ω·cm降低3~6个数量级^{［53，56］}	富Te晶片；Te沉积相严重
分步退火	减少Te沉积相并恢复高电阻率	可恢复高电阻率；可能降低位错/层错	可能增加深能级缺陷；难以精确控制点缺陷浓度	先Cd气氛退火，后Te气氛退火（例如，Cd气氛，片/源温度700/600 ℃，24 h一次退火 + Te气氛，540/380 ℃， 120 h二次退火^［63］）	Te沉积相完全消除，且电阻率恢复至10¹⁰ Ω·cm量级^［63］	需要同时控制沉积相和电阻率
器件退火	降低漏电流	降低表面漏电流	高温可能导致体漏电流增加；可能改变界面特性	温度通常<470 ℃；空气退火效果更好（例如，空气氛围，120 ℃，40 min^［66］）	促进形成均匀致密表面氧化钝化层，表面漏电流降低96%^［66］	器件制备后期；需要优化表面特性
原位退火	缩短工艺时间，减少表面损伤	减少表面损伤导致的位错增殖；工艺时间短	需精确控制退火参数	在生长炉中直接进行（例如，Cd气氛，950 ℃，60 h^［29］）	Te沉积相密度从500 cm^-2降低至最小77 cm^-2；位错密度无明显增殖；重复性高^［29］	晶体生长后直接处理；需要快速优化
溶液退火	改善内部点缺陷密度和表面形态	过程温和；改善表面平滑度；引入深能级缺陷	技术较新，需要进一步研究	使用CdCl₂溶液作退火介质（例如，CdCl₂溶液，80 ℃， 30 h^［71］）	红外透过率提高至大于60%；电阻率增加至10¹⁰ Ω·cm量级；表面损伤相较气相退火明显降低^［71］	需要温和处理；关注表面形态改善

退火技术	主要目的	优点	缺点	特殊条件	典型效果	适用场景
恒温退火	去除沉积相，改善晶体质量	可完全去除Cd沉积相；改善近表面晶体结构	Te沉积相难以完全消除；高温可能增加位错密度	退火源选择取决于晶片状态（例如，Te气氛，片/源温度500/500 ℃，120 h^［45］）	Cd沉积相被完全消除；电阻率提升至10¹¹Ω·cm量级；红外透过率增加至60%以上^［45］	富Cd晶片；需要改善表面结构
梯度退火	清除Te沉积相	Te沉积相消除效率高（70%~90%）	显著降低电阻率；可能增加某些尺寸沉积相密度	需在晶体径向方向构建温度梯度（例如，Cd/Zn气氛，片/源温度（740~750）/627 ℃，温度梯度8 ℃/cm，120 h^［54］）	Te沉积相消除效率大于90%^［54］，但电阻率从10¹⁰ Ω·cm降低3~6个数量级^{［53，56］}	富Te晶片；Te沉积相严重
分步退火	减少Te沉积相并恢复高电阻率	可恢复高电阻率；可能降低位错/层错	可能增加深能级缺陷；难以精确控制点缺陷浓度	先Cd气氛退火，后Te气氛退火（例如，Cd气氛，片/源温度700/600 ℃，24 h一次退火 + Te气氛，540/380 ℃， 120 h二次退火^［63］）	Te沉积相完全消除，且电阻率恢复至10¹⁰ Ω·cm量级^［63］	需要同时控制沉积相和电阻率
器件退火	降低漏电流	降低表面漏电流	高温可能导致体漏电流增加；可能改变界面特性	温度通常<470 ℃；空气退火效果更好（例如，空气氛围，120 ℃，40 min^［66］）	促进形成均匀致密表面氧化钝化层，表面漏电流降低96%^［66］	器件制备后期；需要优化表面特性
原位退火	缩短工艺时间，减少表面损伤	减少表面损伤导致的位错增殖；工艺时间短	需精确控制退火参数	在生长炉中直接进行（例如，Cd气氛，950 ℃，60 h^［29］）	Te沉积相密度从500 cm^-2降低至最小77 cm^-2；位错密度无明显增殖；重复性高^［29］	晶体生长后直接处理；需要快速优化
溶液退火	改善内部点缺陷密度和表面形态	过程温和；改善表面平滑度；引入深能级缺陷	技术较新，需要进一步研究	使用CdCl₂溶液作退火介质（例如，CdCl₂溶液，80 ℃， 30 h^［71］）	红外透过率提高至大于60%；电阻率增加至10¹⁰ Ω·cm量级；表面损伤相较气相退火明显降低^［71］	需要温和处理；关注表面形态改善

[1]	WU Zhonghang, SUN Bin, HUANG Gang, QU Qian, TANG Yiwen, SUN Jiuai. Advancement of Cadmium Zinc Telluride Detector and Its Application in SPECT [J]. JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS, 2023, 52(2): 196-207.
[2]	WANG Yu, GU Peng, FU Jun, WANG Penggang, LEI Pei, YUAN Li. Research Progress on the Growth of 4H-SiC Crystal by PVT Method and the Defect of Polytype Inclusions [J]. JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS, 2022, 51(12): 2137-2152.