【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(jié)合碲鋅鎘晶體的檢測給出了應(yīng)用實(shí)例。

【關(guān)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(yōu)異的特性在生產(chǎn)和生活中的得到了越來越廣泛的應(yīng)用，因此一直是科研工作者研究的熱點(diǎn)。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(rèn)為最有發(fā)展?jié)摿Φ囊活惏雽?dǎo)體材料，但是由于組分嚴(yán)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(zhì)量、高單晶率的HgCdTe體單晶，外延生長技術(shù)已成為制備HgCdTe的研究方向。CdZnTe材料被認(rèn)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(cuò)密度的CdZnTe單晶片的獲得一直是高質(zhì)量HgCdTe外延生長瓶頸。探索大直徑、無偏析、低位錯(cuò)密度單晶體的生長工藝，對生長出大尺寸優(yōu)質(zhì)CdZnTe體單晶、降低單晶制備成本從而制備出高質(zhì)量低成本HgCdTe外延材料具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和切實(shí)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(xué)研究和晶體生產(chǎn)實(shí)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(gè)晶粒構(gòu)成的，總是由若干個(gè)大小不等的晶粒構(gòu)成的。因此可以預(yù)知，晶體的任一截面必然包含一個(gè)或多個(gè)晶粒截面。我們提出對所得晶體有計(jì)劃地按某一規(guī)律進(jìn)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(jìn)行適當(dāng)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(jià)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(gè)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(yù)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(jié)晶行為的變化，典型的結(jié)晶行為主要有三種，如圖1所示：

（a）一個(gè)晶粒發(fā)育生長至結(jié)晶結(jié)束；（b）A晶粒發(fā)育生長后被B晶粒取代；（c）A、B兩較大晶粒共同發(fā)育生長

對于圖1-c所示情況，雖然是由兩個(gè)大晶粒構(gòu)成，但若單純按照公式（2）計(jì)算，對應(yīng)晶體應(yīng)具有較高的總單晶率，顯然這樣的計(jì)算是不準(zhǔn)確的， 因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對照截面單晶率分布曲線圖，綜合分析評價(jià)。

三、截面單晶率法的應(yīng)用實(shí)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(yīng)的Z軸坐標(biāo)值，并對鏡片表面進(jìn)行適當(dāng)處理。

3.2 截面單晶率統(tǒng)計(jì)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(biāo)紙（單格為2mm×2mm）輔助統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)面積不小于4mm2的晶粒數(shù)目。統(tǒng)計(jì)結(jié)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(shí)驗(yàn)所分析的碲鋅鎘晶錠的結(jié)晶行為基本符合圖1（a）所示，這與實(shí)際相符，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所的晶體為無籽晶生長，在結(jié)晶初期，出現(xiàn)多個(gè)晶粒形核競爭擇優(yōu)生長，故截面單晶率較低，隨著結(jié)晶的進(jìn)行，其中一個(gè)晶粒發(fā)育長大，即出現(xiàn)了去向擇優(yōu)生長，而在結(jié)晶末期，由于碲鋅鎘晶體中鋅的分凝系數(shù)較大，還有一些其他原因改變了結(jié)晶環(huán)境，使得大晶粒的持續(xù)生長受到抑制，晶粒數(shù)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(jié)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(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)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(jié)晶行為演化，這對于晶體實(shí)驗(yàn)研究和晶體工業(yè)生產(chǎn)實(shí)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(jìn)行切割，是一種“有損檢測”，會(huì)“浪費(fèi)”所得晶體，但在實(shí)驗(yàn)探索階段或不需要切割太多份數(shù)的情況下，本方法還是具有一定的實(shí)用價(jià)值的。

參 考 文 獻(xiàn)

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