ZnSe晶體生長技術的發展現狀

武夢鴿+袁昕+汪洋+崔亮+賀世杰

摘 要：本文簡述了ZnSe晶體的溶液生長法、熔體生長法、氣相輸運法等制備方法以及ZnSe晶體研究現狀和發展趨勢，分析了這些制備方法的優缺點并詳述了ZnSe晶體的生長過程和工藝參數的設置，對獲得高質量的ZnSe晶體具有十分重要的指導意義。

關鍵詞：ZnSe晶體；熔體生長法；氣相輸運法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.035

1 引言

ZnSe具有較高的發光效率以及較低的吸收系數，是一種很好的發光材料。它具有直接躍遷型能帶結構，在室溫下其禁帶寬度為2.67eV，當溫度降至4.2K時其禁帶寬度可達2.828eV。透光范圍隨溫度變化較小，一般在0.5μm～22μm范圍內。近年來，廣泛應用于藍光半導體激光器件、非線性光熱器件和紅外器件等領域[1-3]。因此。制備高性能ZnSe晶體成為目前一項主要研究任務。

近些年來，制備ZnSe晶體的方法有很多種，如Bridgman法、區熔法、水熱法、化學氣相輸運法（CVT）、物理氣相輸運法（ PVT ）。國內外專家學者不斷改進這些方法和工藝，努力制備出高質量的ZnSe晶體。

2 ZnSe晶體的制備方法

2.1 溶液生長法

從溶液中生長晶體的主要方法是水熱法，其又稱為高溫溶液法，其中包括溫差法、降溫法、升溫法及等溫法。目前主要采用溫差水熱結晶，依靠容器內的溶液維持溫差對流形成飽和狀態[4，5]。

2.2 熔體生長法

ZnSe是淡黃色的面心立方閃鋅礦型結構。常壓下1000℃左右升華，約在9.8MPa高壓的惰性保護氣氛下熔點為1515℃。由于其在常壓下升華，只有在高壓高溫條件下才能得到ZnSe熔體，其一般通過使用電阻加熱方式獲得高溫。主要包括布里奇曼法和區熔生長。

（1）布里奇曼法 該法是一種常用的晶體生長方法。首先將用于晶體生長用的材料裝在圓柱型的坩堝中，然后緩慢地下降，并通過一個具有一定溫度梯度的加熱爐，爐溫控制在略高于材料的熔點附近。

（2）區熔生長 區熔法又稱Fz法，即懸浮區熔法。區熔法是利用熱能在半導體棒料的一端產生一熔區，再熔接晶體籽晶。調節溫度使熔區緩慢地向棒的另一端移動，通過整根棒料，生長成一根晶體，晶向與籽晶的相同。

2.3 氣相輸運法

氣相輸運法一般分為化學氣相輸運法和物理氣相輸運法兩種。此法一般是通過加熱等使物質揮發或分解出氣體，通過輸運至溫度較低的位置并與其他物質發生反應的材料合成方法。氣相生長分為單組分體系和多組分體系生長兩種。單組分氣相生長要求氣相具備足夠高的蒸氣壓，利用在高溫區汽化升華、在低溫區凝結生長的原理進行生長所生長的大多為針狀、片狀的晶體體。多組分氣相生長一般多用于薄膜生長，其中外延生長是一種晶體浮生于另一種晶體上。其制備工藝具有反應效率高、純度高和合成溫度低等特點。

3 ZnSe晶體基本性質

ZnSe晶體的生長技術還需要進一步的改進，急需解決的問題是晶體生長過程中溫度場的控制、物質傳輸控制、工藝條件控制以及晶體質量等，這些問題的解決都需要深刻理解ZnSe晶體的性質[7]。ZnSe的熔點是1530℃，它在常壓下1000℃直接從固體升華，只有在高溫高壓下才可以將其從固體變為熔體，因而給制備加工ZnSe晶體帶來很大的困難。ZnSe作為一種典型的紅外材料與光電功能材料，其分子式為ZnSe，分子量為144.33，其主要有常溫穩定相立方閃鋅礦結構和高溫穩定相六方纖鋅礦結構兩種晶型，兩者大約在1425°溫度下會發生相轉變。其中比較常見的閃鋅礦ZnSe結構屬于立方晶系。

4 結論

為了獲得高質量的ZnSe晶體，需要針對ZnSe的基本性質，根據各種制備方法的優缺點，針對熔體法制備的ZnSe晶體，可以獲得大尺寸工業生產，但其純度有待改進。針對氣相法制備的ZnSe晶體，純度較高，但尺寸有待于進一步增加，如果能解決這兩個關鍵的純度和尺寸的問題，即降低了成本，又獲得了高質量的ZnSe晶體，滿足了工業化需求，將會解決這里材料的關鍵問題。

參考文獻：

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[3]A.Urbiata， P. Femaade， J.Piqueras， et al. Scanning Electron Microscopy Characterization of ZnSe Single Crystals Grown by Solid-phase Recrystallization [J]. Materials Science and Engineering B， 2000， 78（2）：105-108.

[4]王占國.半導體材料研究的新進展[J].半導體技術，2002，27（03）：8-14.

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基金項目 ：國家大學生創新項目（201510702022）endprint