碲鋅鎘籽晶定向熔接技術研究

吳 卿,劉江高,徐強強,范葉霞

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鋅鎘(CdZnTe)晶體是目前高性能、長波及甚長波紅外焦平面碲鎘汞探測器首選的碲鎘汞外延襯底材料。但是在應用CdZnTe晶體作為襯底材料時,其晶體晶向非常關鍵。目前,碲鎘汞液相外延生長技術需要(111)面襯底,而分子束外延生長需要(211)面襯底。隨著紅外焦平面碲鎘汞探測器的發展,對大尺寸高質量的CdZnTe晶體的需求越來越緊迫,因此需要進一步提高CdZnTe晶體生產效率以及晶體利用率。在這方面,晶體定向生長技術是提高晶體利用率重要途徑之一?，F有晶體定向生長技術其引晶方式可以分為兩種,自引晶和籽晶引晶。由于自引晶過程,晶粒的方向選擇與晶體生長工藝密切相關,晶體最終的生長方向很難與需要的晶向一致,因此籽晶引晶技術在一般晶體定向生長技術中占有絕對的優勢地位。

CdZnTe晶體籽晶引晶定向生長也是碲鋅鎘晶體生長技術研究熱點。如Davydov L等人[1]采用高壓布里奇曼法籽晶引晶生長碲鋅鎘晶體,中心籽晶引晶之外,側壁形核也導致形成了新的晶粒。在Schulz D等人的研究中[2],提到預先對爐腔的溫場進行分析,每臺單晶設備的溫場以及尺寸上有所差異,導致籽晶引晶過程又會因設備不同而有所不同。國內的西工大的介萬奇課題組成功利用了<111>和<211>晶向籽晶引晶生長碲鋅鎘晶體,他們的籽晶經過了專門的加工處理[3]。其他有關VB法籽晶熔接技術報道中,Kikuma I等人研究了[111]Zn-、[111]Se-、[011]晶向的籽晶的引晶效果,在21次籽晶實驗中,有6次實驗籽晶完全融化,在剩下未完全融化的籽晶情況下,最后生長出的晶體還是多晶[4]。綜合來看,VB法或者VGF法下,籽晶熔接過程不可見,熔接過程很難控制是限制CdZnTe晶體籽晶引晶成功的關鍵所在。參考提拉法下籽晶引晶過程,初始引晶需要控制籽晶懸停在熔體正上方而剛好不接觸的狀態,待溫場穩定后再將籽晶插入熔體開始引晶生長?；谶@種熔接過程,本文通過改進碲鋅鎘籽晶初始熔接狀態以提升最終碲鋅鎘籽晶熔接的成功率,并研究了在籽晶熔接成功的前提下不同晶向的碲鋅鎘籽晶引晶效果的差異。

2 實驗方法

CdZnTe晶體籽晶制備,首先選取自引晶生長的碲鋅鎘晶體中較大的晶粒,切割打磨至直徑10 mm的圓柱狀籽晶,最后在籽晶應用之前對籽晶依次進行HNO3/HF酸腐蝕以及溴甲醇腐蝕,去掉表面損傷層。圓柱狀籽晶的端面是由定向切割獲得的特殊晶面,本研究中主要是(111)的A面、B面以及(110)面。

CdZnTe晶體籽晶熔接實驗是將腐蝕后的不同晶向的籽晶分別放入PBN坩堝底部,然后其上部加入適量的CdZnTe多晶料,將PBN坩堝放入石英坩堝中,經排氣封接后放入爐體中升溫。升溫方案有三種,如圖1所示。

方案1是直接將晶體置于生長初始位置進行并升溫到長晶溫度曲線T1。方案2是將晶體置于低于生長初始位置處,升溫至長晶溫度曲線T1后再將晶體緩慢上移至方案1中位置,然后進行生長。方案3是在方案2基礎上,結合模擬仿真結果,升溫至特殊溫場曲線T2,使熔體內部最高溫度超過熔點60 ℃以上并保溫一段時間,在開始生長時,溫場恢復到長晶溫度曲線T1,晶體緩慢上移回熔至方案1位置并開始生長。三種方案中,晶體均以0.3 mm/h的速度進行引晶生長。具體實驗安排見表1。

圖1 不同升溫方案示意圖

表1 CdZnTe晶體籽晶熔接實驗表

Tab.1 CdZnTe seed fusion experiments

實驗編號升溫方式籽晶端面晶面111-1方案1(111)A面111-2方案2(111)A面111-3方案2(111)B面110-4方案2(110)面111-5方案3(111)B面

3 實驗結果與討論

3.1 升溫方式不同對籽晶熔接結果的影響

圖2是111-1和111-2熔接實驗結果的對比。直接升溫至長晶溫度的方案1籽晶熔化的界面極為不規則,熔接界面內凹,后續晶粒方向也非<111>方向,如圖2(a)所示。圖2(b)是由升溫方案2得到的熔接結果,籽晶熔接有明顯的熔接痕跡,內部熔接界面不可見。根據這兩次實驗對比,說明升溫方式對熔接結果有很大的影響。需要額外說明的是,111-2熔接實驗在晶體生長到放肩中部時,側壁形核引入的新的晶粒擠壓了晶體籽晶的生長方向,使得晶體并沒有按引晶方向生長。

3.2 不同晶向的CdZnTe籽晶對籽晶熔接結果的影響

有關其他晶體的晶向對籽晶熔接結果的影響在之前有過很多研究。其中較為重要的如Gatos等發現了晶體結晶完整性的差異,除了表現為在一個晶向上易形成單晶而相反的晶向易形成多晶,他們針對III-V族化合物中AB面引晶難易程度的差異,提出了(111)B面籽晶更容易引晶成功是因為其生長時原子尺度上,價鍵并沒有重排所致[5]。本研究中111-2和111-3的實驗即可對比碲鋅鎘晶體籽晶(111)A面和B面的熔接難易程度,如圖3所示。

圖2 升溫方式不同下籽晶熔接實驗結果

從圖3可以看到二者都能夠成功熔接上籽晶。但是111-3的實驗結果更明顯的顯示了在放肩階段出現了新的晶粒,并且該晶粒也在后期成為主晶粒方向,這種現象與111-2的實驗結果一致。(111)A面和B面的熔接實驗結果一致,推測可能是碲鋅鎘熔體中完全分離的Cd原子和Te原子只占熔體成分的5 %(III-V族半導體如GaAs這個值在90 %左右),相當一部分CdTe在熔體中以團簇體存在。這些團簇體在界面處生長大大削弱了單個原子表面價鍵排布的差異。而且由于團簇體形狀各不相同,在生長時反而容易引入其他的生長方向,使得籽晶方向難以持續。

圖3 <111>晶向籽晶不同晶面熔接實驗結果

另外,采用<110>晶向的籽晶實驗110-4的結果如圖4所示。籽晶熔接的界限不明顯,但根據后續晶粒的孿晶方向判斷,引晶晶粒法線為<110>晶向。并且在后續生長中該籽晶引晶的晶粒能夠持續生長,延伸到晶體尾端,這與111-2以及111-3的熔接實驗結果有很大的區別。

圖4 110-4籽晶熔接實驗結果

(a) (b)

4 結 論

VB法或者VGF法下,籽晶熔接過程不可見、熔接過程很難控制是限制CdZnTe晶體籽晶引晶成功的關鍵所在。熔接實驗顯示升溫方式會對碲鋅鎘籽晶熔接效果產生顯著的影響。(111)A面和B面對CdZnTe籽晶熔接結果并無顯著影響,<111>和<110>晶向的籽晶都能夠熔接成功。但是<111>晶向籽晶引晶的晶粒很難持續,而<110>晶向籽晶引晶的晶粒能夠持續到晶體生長尾端。將熔體初始過熱程度改變后,(111)B面籽晶引出的晶粒得到進一步長大,引晶成功率得到提升。但隨著生長進行,初始熔體的高過熱的影響變弱,引晶方向很難進一步持續。