ZnTe的晶體生長、性能表征與缺陷研究.pdf

1、ZnTe是一種具有優(yōu)異光電性能的Ⅱ～Ⅵ化合物半導(dǎo)體，廣泛應(yīng)用于太赫茲（THz）電磁波輻射與探測、純綠光發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）以及太陽能電池等領(lǐng)域，但目前大尺寸高質(zhì)量ZnTe體單晶的制備技術(shù)并不成熟。本文研究了Te溶劑法生長ZnTe晶體的技術(shù)，獲得了大尺寸體單晶的生長工藝條件，揭示了晶體中富Te相等缺陷的產(chǎn)生、形貌與分布規(guī)律，并對晶體的結(jié)晶質(zhì)量及光電性能進行了表征。
　　首先，設(shè)計了ZnTe體單晶的生長方法及具體工

2、藝流程。采用溫度梯度溶液法（TGSG）在傳統(tǒng)的兩溫區(qū)垂直Bridgman法爐中定向生長ZnTe晶體。以Te作為溶劑來降低晶體生長溫度，原料摩爾比為Zn:Te=3:7。此時原料的溶點約為1060℃。采用逐步降低溫度的辦法使溶液維持適宜的過飽和狀態(tài)，以保證晶體生長的連續(xù)穩(wěn)定進行；采用自發(fā)形核、幾何淘汰的方式獲得大尺寸體單晶；通過調(diào)整坩堝抽拉速率V和固液界面處的溫度梯度G來獲得平面結(jié)晶界面；采用坩堝加速旋轉(zhuǎn)技術(shù)（ACRT）加快溶質(zhì)傳輸；通過在

3、晶體中摻雜In及Cr來提高晶體的電阻率。
　　在坩堝抽拉速率V為0.1～0.5 mm/h，溫度梯度G為5～10 K·cm?1時，如果坩堝不旋轉(zhuǎn)，傳質(zhì)效果很差，得到的晶體中的Te夾雜相尺寸很大。坩堝單向變加速旋轉(zhuǎn)后溶質(zhì)傳輸效果有所改善，但固液界面凹陷程度仍較大，晶粒尺寸較小。坩堝雙向變加速旋轉(zhuǎn)，并且在溫度梯度G較大（10~30 K·cm?1）的條件下傳質(zhì)效果大大改善，溶質(zhì)基本都在晶錠的前部析出，成功獲得了直徑為30 mm、長約為70

4、 mm的具有良好均勻性的ZnTe晶錠。此時，晶體生長的動力學(xué)條件也很穩(wěn)定，在晶錠前部產(chǎn)生的單晶?？梢赃B續(xù)生長至晶錠的中后部，切割得到的<110>晶向的ZnTe單晶片的面積大于20×10 mm2。該晶體生長方法也具有明顯的排雜作用，部分未被摻入晶體中的CrTe被固液界面排斥并富集于晶錠尾部。
　　討論了從富Te溶液中生長ZnTe晶體及冷卻過程中各種點缺陷和擴展缺陷（線、面和體缺陷）的產(chǎn)生機理。沿晶錠徑向的溫度梯度會在晶錠中引入大量位

5、錯，進而促進胞狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，嚴重降低晶錠的可利用率。
　　用體積比為3:2:1的HF:H2O2:H2O溶液腐蝕晶體，發(fā)現(xiàn)其對ZnTe晶體有很強的各向異性選擇腐蝕特性，可以準確的顯示多種擴展缺陷。在晶體完整位置產(chǎn)生的較小蝕坑（織構(gòu)）可作為“標準蝕坑”，用以幫助判斷與其在同一晶面上的缺陷蝕坑的類型和與晶面的相對位置。這種腐蝕液也極易腐蝕富Te相，因此可以快速而準確的顯示富Te相的三維形貌。
　　研究了Te夾雜相的成因、大小、形狀

6、及分布。根據(jù)Te夾雜相的形成原因，可將ZnTe晶體中的Te夾雜相劃分為初生夾雜相和次生夾雜相。初生夾雜相產(chǎn)生于固液界面處，是平界面失穩(wěn)的結(jié)果。晶體強各向異性生長等多種原因都會導(dǎo)致初生夾雜相的形成。次生夾雜相是在晶體形成后，沉淀相析出形成的。由于應(yīng)力等作用導(dǎo)致晶體破裂或是夾雜相在溫度梯度下的熱遷移也可在晶錠的任何位置形成Te夾雜。Te夾雜相會通過奧氏熟化和熱遷移導(dǎo)致的相互融合而長大。從晶錠的頭部到尾部Te夾雜相的尺寸和密度均逐漸增大。Te

7、夾雜相的形狀、大小和分布能一定程度反映晶錠中的溫場分布。晶體中的多面體狀Te夾雜相呈截頂八面體狀。從晶體結(jié)構(gòu)、表面能及結(jié)晶分散理論等角度分析了多面體狀夾雜相的形貌成因。多面體狀Te夾雜相各個面的相對大小對基體的局部環(huán)境非常敏感。
　　用紫外-可見光-近紅外透過和反射光譜研究了晶體的能帶結(jié)構(gòu)，用傅里葉變換紅外光譜儀研究了晶體的質(zhì)量。紫外-可見光-近紅外透過光譜對摻雜比較敏感，Cr、In摻雜后吸收邊紅移了約10?20 nm，而反射光譜

8、則對摻雜不敏感。機械拋光過的表面有結(jié)構(gòu)損傷層，導(dǎo)致在其本征吸收區(qū)的反射峰強度降低、峰型彌散化。能量越低的躍遷對結(jié)構(gòu)損傷越敏感。表面鈍化后反射峰的強度也會下降，但是能量越高的躍遷對鈍化越敏感。利用傅立葉變換紅外光譜儀測量了ZnTe晶體在500?4000 cm?1波段的紅外透過光譜。只有摻In晶體的紅外透過率大于60％，并且透過率曲線比較平坦。而摻Cr晶體的透過率較低，且透過率曲線呈下降型。未摻雜晶體的電阻率約為102Ω·cm，通過摻In可

9、以將晶體的電阻率提高至108Ω·cm，而摻Cr晶體的電阻率最多只能達到1000Ω·cm。缺陷越少、電阻率越高，晶體的紅外透過率越高、越平坦，并且透過率分布越窄。
　　在晶錠尾部的Te溶劑區(qū)發(fā)現(xiàn)了由殘余溶質(zhì)形成的形態(tài)豐富的多面體及骸狀ZnTe晶粒。重點討論了它們形貌形成的動力學(xué)機理。層狀生長機理及Berg效應(yīng)在其形貌形成的過程中起了重要作用。晶粒的尺寸越大，動力學(xué)條件的影響就越大，晶粒的形貌也越復(fù)雜。ZnTe晶粒的形貌對于理解晶體生