截面单晶率法表征晶体的单晶性

【摘要】 定义了截面单晶率的基本概念，介绍了用截面单晶率法表征晶体单晶性的基本原理，并结合碲锌镉晶体的检测给出了应用实例。

【关键词】 晶体 单晶性 表征方法 截面单晶率

一、引言

单晶体以其优异的特性在生产和生活中的得到了越来越广泛的应用，因此一直是科研工作者研究的热点。我们总是希望制得的晶体具有良好的单晶性，即具有高的单晶率。高性能红外探测材料HgCdTe被公认为最有发展潜力的一类半导体材料，但是由于组分严重分凝、Hg压难于控制单晶率低等条件限制，很难以熔体法得到大尺寸、高质量、高单晶率的HgCdTe体单晶，外延生长技术已成为制备HgCdTe的研究方向。CdZnTe材料被认为是HgCdTe外延生长最为理想的衬底材料。然而，大尺寸、高单晶率、低位错密度的CdZnTe单晶片的获得一直是高质量HgCdTe外延生长瓶颈。探索大直径、无偏析、低位错密度单晶体的生长工艺，对生长出大尺寸优质CdZnTe体单晶、降低单晶制备成本从而制备出高质量低成本HgCdTe外延材料具有重要的经济意义和切实的国防意义。检测和表征晶体单晶性的手段和方法有许多种，寻找一种简单、高效、低成本的检测表征方法，对于晶体科学研究和晶体生产实践具有重要意义，本文就概述一种这样的方法。

二、截面单晶率法的基本原理

2.1 截面单晶率的定义

一般而言，生长制备的晶体很少是由单个晶粒构成的，总是由若干个大小不等的晶粒构成的。因此可以预知，晶体的任一截面必然包含一个或多个晶粒截面。我们提出对所得晶体有计划地按某一规律进行切割，如对于圆柱状晶体垂直于生长方向等间距切割，并对截面进行适当处理以便于观察分析截面上的晶粒分布，通过对截面单晶性的分析评价所得晶体的整体单晶性。

定义截面单晶率为：

Rs=×100% （1）

晶体总的单晶率为：

RT=R （2）

其中R为第K个晶体切片的截面单晶率，1

2.2 典型的截面单晶率曲线

利用截面单晶率不仅可以预知晶体总的单晶率，而且还可以利用截面单晶率变化曲线分析晶体生长过程中结晶行为的变化，典型的结晶行为主要有三种，如图1所示：

（a）一个晶粒发育生长至结晶结束；（b）A晶粒发育生长后被B晶粒取代；（c）A、B两较大晶粒共同发育生长

对于图1-c所示情况，虽然是由两个大晶粒构成，但若单纯按照公式（2）计算，对应晶体应具有较高的总单晶率，显然这样的计算是不准确的， 因此在实际应用中，应对照截面单晶率分布曲线图，综合分析评价。

三、截面单晶率法的应用实例

以课题组生长制备的直径40mm、长120mm的碲锌镉晶体为例，说明截面单晶率法表征晶体单晶性的基本步骤。

3.1 晶体切割

按图2所示，垂直于晶体生长方向等间距切片，并分别编号，记为SK，K为晶片中心对应的Z轴坐标值，并对镜片表面进行适当处理。

3.2 截面单晶率统计分析

由于单晶体具有各向异性，不同的晶粒对于光的反射不同。对于碲锌镉晶片目视即可以明显分辨晶粒间界，不需要借助其他仪器。用透明方格坐标纸（单格为2mm×2mm）辅助统计各晶粒截面积（超过半格记为一格，少于半格，则舍去），本例只统计面积不小于4mm2的晶粒数目。统计结果如表1所示。

其中截面总面积为ST=πR2=3.14×202=1256mm2

做出截面单晶率分布曲线如图3：

可以看出，本实验所分析的碲锌镉晶锭的结晶行为基本符合图1（a）所示，这与实际相符，因为本实验所的晶体为无籽晶生长，在结晶初期，出现多个晶粒形核竞争择优生长，故截面单晶率较低，随着结晶的进行，其中一个晶粒发育长大，即出现了去向择优生长，而在结晶末期，由于碲锌镉晶体中锌的分凝系数较大，还有一些其他原因改变了结晶环境，使得大晶粒的持续生长受到抑制，晶粒数目增多，截面单晶率下降。

按公式（2）可以求得所测碲锌镉晶体的总单晶率为：RT=0.540。

四、结论

截面单晶率法是一种简单、高效、低成本分析晶体单晶性的数学统计方法，不仅可以用来表征晶体单晶性，而且还可以用来研究分析晶体生长过程中的结晶行为演化，这对于晶体实验研究和晶体工业生产实践都具有重要意义。但是，截面单晶率法也有不足，需要对待检测晶体进行切割，是一种“有损检测”，会“浪费”所得晶体，但在实验探索阶段或不需要切割太多份数的情况下，本方法还是具有一定的实用价值的。

参 考 文 献

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[2] 李万万，桑文斌，王昆黍，等. CdZnTe核辐射探测器材料与器件研究进展[J]. 上海有色金属，2004，25（2）：87-94

[3] 李奇峰，朱世富，赵北君，等. 高阻碲锌镉单晶体的生长及其性能观测[J]. 半导体学报，2002，23（2）：157-160