截面單晶率法表征晶體的單晶性

【摘要】 定義了截面單晶率的基本概念，介紹了用截面單晶率法表征晶體單晶性的基本原理，并結合碲鋅鎘晶體的檢測給出了應用實例。

【關鍵詞】 晶體 單晶性 表征方法 截面單晶率

一、引言

單晶體以其優異的特性在生產和生活中的得到了越來越廣泛的應用，因此一直是科研工作者研究的熱點。我們總是希望制得的晶體具有良好的單晶性，即具有高的單晶率。高性能紅外探測材料HgCdTe被公認為最有發展潛力的一類半導體材料，但是由于組分嚴重分凝、Hg壓難于控制單晶率低等條件限制，很難以熔體法得到大尺寸、高質量、高單晶率的HgCdTe體單晶，外延生長技術已成為制備HgCdTe的研究方向。CdZnTe材料被認為是HgCdTe外延生長最為理想的襯底材料。然而，大尺寸、高單晶率、低位錯密度的CdZnTe單晶片的獲得一直是高質量HgCdTe外延生長瓶頸。探索大直徑、無偏析、低位錯密度單晶體的生長工藝，對生長出大尺寸優質CdZnTe體單晶、降低單晶制備成本從而制備出高質量低成本HgCdTe外延材料具有重要的經濟意義和切實的國防意義。檢測和表征晶體單晶性的手段和方法有許多種，尋找一種簡單、高效、低成本的檢測表征方法，對于晶體科學研究和晶體生產實踐具有重要意義，本文就概述一種這樣的方法。

二、截面單晶率法的基本原理

2.1 截面單晶率的定義

一般而言，生長制備的晶體很少是由單個晶粒構成的，總是由若干個大小不等的晶粒構成的。因此可以預知，晶體的任一截面必然包含一個或多個晶粒截面。我們提出對所得晶體有計劃地按某一規律進行切割，如對于圓柱狀晶體垂直于生長方向等間距切割，并對截面進行適當處理以便于觀察分析截面上的晶粒分布，通過對截面單晶性的分析評價所得晶體的整體單晶性。

定義截面單晶率為：

Rs=×100% （1）

晶體總的單晶率為：

RT=R （2）

其中R為第K個晶體切片的截面單晶率，1

2.2 典型的截面單晶率曲線

利用截面單晶率不僅可以預知晶體總的單晶率，而且還可以利用截面單晶率變化曲線分析晶體生長過程中結晶行為的變化，典型的結晶行為主要有三種，如圖1所示：

（a）一個晶粒發育生長至結晶結束；（b）A晶粒發育生長后被B晶粒取代；（c）A、B兩較大晶粒共同發育生長

對于圖1-c所示情況，雖然是由兩個大晶粒構成，但若單純按照公式（2）計算，對應晶體應具有較高的總單晶率，顯然這樣的計算是不準確的， 因此在實際應用中，應對照截面單晶率分布曲線圖，綜合分析評價。

三、截面單晶率法的應用實例

以課題組生長制備的直徑40mm、長120mm的碲鋅鎘晶體為例，說明截面單晶率法表征晶體單晶性的基本步驟。

3.1 晶體切割

按圖2所示，垂直于晶體生長方向等間距切片，并分別編號，記為SK，K為晶片中心對應的Z軸坐標值，并對鏡片表面進行適當處理。

3.2 截面單晶率統計分析

由于單晶體具有各向異性，不同的晶粒對于光的反射不同。對于碲鋅鎘晶片目視即可以明顯分辨晶粒間界，不需要借助其他儀器。用透明方格坐標紙（單格為2mm×2mm）輔助統計各晶粒截面積（超過半格記為一格，少于半格，則舍去），本例只統計面積不小于4mm2的晶粒數目。統計結果如表1所示。

其中截面總面積為ST=πR2=3.14×202=1256mm2

做出截面單晶率分布曲線如圖3：

可以看出，本實驗所分析的碲鋅鎘晶錠的結晶行為基本符合圖1（a）所示，這與實際相符，因為本實驗所的晶體為無籽晶生長，在結晶初期，出現多個晶粒形核競爭擇優生長，故截面單晶率較低，隨著結晶的進行，其中一個晶粒發育長大，即出現了去向擇優生長，而在結晶末期，由于碲鋅鎘晶體中鋅的分凝系數較大，還有一些其他原因改變了結晶環境，使得大晶粒的持續生長受到抑制，晶粒數目增多，截面單晶率下降。

按公式（2）可以求得所測碲鋅鎘晶體的總單晶率為：RT=0.540。

四、結論

截面單晶率法是一種簡單、高效、低成本分析晶體單晶性的數學統計方法，不僅可以用來表征晶體單晶性，而且還可以用來研究分析晶體生長過程中的結晶行為演化，這對于晶體實驗研究和晶體工業生產實踐都具有重要意義。但是，截面單晶率法也有不足，需要對待檢測晶體進行切割，是一種“有損檢測”，會“浪費”所得晶體，但在實驗探索階段或不需要切割太多份數的情況下，本方法還是具有一定的實用價值的。

參 考 文 獻

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