ZnTe的晶体生长、性能表征与缺陷研究

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ZnTe是一种具有优异光电性能的Ⅱ-Ⅵ化合物半导体,广泛应用于太赫兹(THz)电磁波辐射与探测、纯绿光发光二极管(LED)、激光二极管(LD)以及太阳能电池等领域,但目前大尺寸高质量ZnTe体单晶的制备技术并不成熟。本文研究了Te溶剂法生长ZnTe晶体的技术,获得了大尺寸体单晶的生长工艺条件,揭示了晶体中富Te相等缺陷的产生、形貌与分布规律,并对晶体的结晶质量及光电性能进行了表征。首先,设计了ZnTe体单晶的生长方法及具体工艺流程。采用温度梯度溶液法(TGSG)在传统的两温区垂直Bridgman法炉中定向生长ZnTe晶体。以Te作为溶剂来降低晶体生长温度,原料摩尔比为Zn:Te=3:7。此时原料的溶点约为1060℃。采用逐步降低温度的办法使溶液维持适宜的过饱和状态,以保证晶体生长的连续稳定进行;采用自发形核、几何淘汰的方式获得大尺寸体单晶;通过调整坩埚抽拉速率V和固液界面处的温度梯度G来获得平面结晶界面;采用坩埚加速旋转技术(ACRT)加快溶质传输;通过在晶体中掺杂In及Cr来提高晶体的电阻率。在坩埚抽拉速率V为0.10.5 mm/h,温度梯度G为510 K·cm-1时,如果坩埚不旋转,传质效果很差,得到的晶体中的Te夹杂相尺寸很大。坩埚单向变加速旋转后溶质传输效果有所改善,但固液界面凹陷程度仍较大,晶粒尺寸较小。坩埚双向变加速旋转,并且在温度梯度G较大(1030 K·cm-1)的条件下传质效果大大改善,溶质基本都在晶锭的前部析出,成功获得了直径为30 mm、长约为70 mm的具有良好均匀性的ZnTe晶锭。此时,晶体生长的动力学条件也很稳定,在晶锭前部产生的单晶粒可以连续生长至晶锭的中后部,切割得到的<110>晶向的ZnTe单晶片的面积大于20×10 mm2。该晶体生长方法也具有明显的排杂作用,部分未被掺入晶体中的CrTe被固液界面排斥并富集于晶锭尾部。讨论了从富Te溶液中生长ZnTe晶体及冷却过程中各种点缺陷和扩展缺陷(线、面和体缺陷)的产生机理。沿晶锭径向的温度梯度会在晶锭中引入大量位错,进而促进胞状结构的产生,严重降低晶锭的可利用率。用体积比为3:2:1的HF:H2O2:H2O溶液腐蚀晶体,发现其对ZnTe晶体有很强的各向异性选择腐蚀特性,可以准确的显示多种扩展缺陷。在晶体完整位置产生的较小蚀坑(织构)可作为“标准蚀坑”,用以帮助判断与其在同一晶面上的缺陷蚀坑的类型和与晶面的相对位置。这种腐蚀液也极易腐蚀富Te相,因此可以快速而准确的显示富Te相的三维形貌。研究了Te夹杂相的成因、大小、形状及分布。根据Te夹杂相的形成原因,可将ZnTe晶体中的Te夹杂相划分为初生夹杂相和次生夹杂相。初生夹杂相产生于固液界面处,是平界面失稳的结果。晶体强各向异性生长等多种原因都会导致初生夹杂相的形成。次生夹杂相是在晶体形成后,沉淀相析出形成的。由于应力等作用导致晶体破裂或是夹杂相在温度梯度下的热迁移也可在晶锭的任何位置形成Te夹杂。Te夹杂相会通过奥氏熟化和热迁移导致的相互融合而长大。从晶锭的头部到尾部Te夹杂相的尺寸和密度均逐渐增大。Te夹杂相的形状、大小和分布能一定程度反映晶锭中的温场分布。晶体中的多面体状Te夹杂相呈截顶八面体状。从晶体结构、表面能及结晶分散理论等角度分析了多面体状夹杂相的形貌成因。多面体状Te夹杂相各个面的相对大小对基体的局部环境非常敏感。用紫外-可见光-近红外透过和反射光谱研究了晶体的能带结构,用傅里叶变换红外光谱仪研究了晶体的质量。紫外-可见光-近红外透过光谱对掺杂比较敏感,Cr、In掺杂后吸收边红移了约1020 nm,而反射光谱则对掺杂不敏感。机械抛光过的表面有结构损伤层,导致在其本征吸收区的反射峰强度降低、峰型弥散化。能量越低的跃迁对结构损伤越敏感。表面钝化后反射峰的强度也会下降,但是能量越高的跃迁对钝化越敏感。利用傅立叶变换红外光谱仪测量了ZnTe晶体在5004000 cm-1波段的红外透过光谱。只有掺In晶体的红外透过率大于60%,并且透过率曲线比较平坦。而掺Cr晶体的透过率较低,且透过率曲线呈下降型。未掺杂晶体的电阻率约为102Ω·cm,通过掺In可以将晶体的电阻率提高至108Ω·cm,而掺Cr晶体的电阻率最多只能达到1000Ω·cm。缺陷越少、电阻率越高,晶体的红外透过率越高、越平坦,并且透过率分布越窄。在晶锭尾部的Te溶剂区发现了由残余溶质形成的形态丰富的多面体及骸状ZnTe晶粒。重点讨论了它们形貌形成的动力学机理。层状生长机理及Berg效应在其形貌形成的过程中起了重要作用。晶粒的尺寸越大,动力学条件的影响就越大,晶粒的形貌也越复杂。ZnTe晶粒的形貌对于理解晶体生长过程中的缺陷,如Te夹杂相等的形成具有重要的参考意义。
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