Growth of ZnTe Semiconductor Crystal Via a Te Flux Zone Melting Method and Characterization of Its Properties

Abstract

In this work, a kind of II;-VI group ZnTe semiconductor crystal is successfully grown using a Te flux zone melting method from Zn: Te = 3: 7 mole ratio solution. The crystal has standard F43m cubic space group and the a/b/c lattice constants are all calculated to be 6.105 Å. Energy dispersive spectroscopy analysis confirms it has quasistoichiometric ratio and the Zn/Te elements are distributed in the material homogeneously. The polished 1.0 mm thickness (110) wafer exhibits a highest ≈64.5% transmittance near 2400 nm wavelength and the bandgap E g is deduced as 2.223 eV. ZnTe crystal shows a heavy volatilization start from 910 °C and the weight losing speed is about ≈1.45% min −1 . The thermal conductivity k displays good repeatability in the cooling and heating stages, the k value is about 15.8 Wm −1 K −1 at room temperature and is deceased to 3.53 Wm −1 K −1 under 500 °C. These results would be of great reference when ZnTe crystal is used for device design and application in the future.

Effect of ACRT Technology on the Large Size ZnTe Crystals Grown by Solution Method and Corresponding Terahertz Properties

“…ZnTe; accelerated crucible rotation technique; solid-liquid interface; terahertz detection 近年来, 太赫兹(THz, 0.1~10 THz)技术作为一 种有力的探测手段被广泛地应用于光谱分析 [1][2] 、 材料研究 [3][4][5] 、 医学成像 [6][7] 、 无损检测 [8][9] 等领域。 ZnTe 作为典型的 II-VI 族化合物半导体, 具有较高 的非线性光学系数, 能够与 800 nm 附近的飞秒激光 产生良好的相位匹配。因此 ZnTe 单晶体可以在 0.1~3 THz 的宽波段范围辐射和探测太赫兹脉冲, 在商业太赫兹系统、强场太赫兹产生 [10][11] 、太赫兹 成像技术 [7] 和单脉冲太赫兹探测 [12] 等方面有着广 泛的应用前景。ZnTe 晶体质量直接决定了其太赫 兹性能, 随着太赫兹无损检测和成像技术的发展, 亟需获得尺寸大、均匀性好、性能好的 ZnTe 单晶 体 [11,13] 。 相较于气相法和熔体法, 溶液法生长 ZnTe 晶 体具有生长速度快、温度较低, 得到的 ZnTe 晶体结 晶质量更高的优势, 其中, 温度梯度溶液法(Temperature gradient solution growth method, TGSG)是 目前生长 ZnTe 单晶最常用的方法 [14][15][16] 。Uen 等 [17] 采用 TGSG 法成功生长了 ϕ15 mm×30 mm 的 ZnTe 晶体。Yang 等 [18] 在 Zn:Te 摩尔比为 3 : 7 的条件下, 生长出 ϕ30 mm 的 ZnTe 单晶体。Jin 等 [19][20] 采用 Te 通量法, 改变原料 Zn 和 Te 的摩尔比, 先后生长出 ϕ50 mm 和 ϕ25 mm 的 ZnTe 晶体。然而在溶液法生 长过程中, 生长界面的稳定性较差, 导致晶体内部 易形成 Te 夹杂相等缺陷。Te 夹杂相会破坏 ZnTe 晶 体成分结构的均匀性并引起应力集中, 导致位错、 孪晶等诱导缺陷的增殖 [13] 。尽管 Wang 等 [21] 发现微 重力环境下生长 ZnTe 可以在一定程度上减少 Te 夹 杂含量, 但微重力环境下晶体结晶区域小, 内部 Te 偏析仍然十分严重。 引 入 坩 埚 旋 转 加 速 技 术 (Accelerated crucible rotation technique, ACRT)可以在晶体生长过程中产 生强制对流, 搅拌液相减小溶质边界层厚度, 从而 有效减少成分过冷, 获得平直的生长界面 [22][23] 。 Kusunoki 等 [24] 发现在 SiC 单晶的溶液法生长过程中 引入 ACRT 技术, 可以增强生长界面的碳传输, 同时 生长表面的优异均质性也抑制了溶液中掺入夹杂 物。Zhou 等 [25] 通过对 ACRT 技术生长的碲锌镉晶体 进行淬火, 固化晶体生长过程中的固液界面, 发现在 较高的旋转速度下, 易于获得微观平面界面, 生长的 晶体 Te 夹杂含量显著降低。Divecha 等 [22] 分别采用模 拟和实验的方法证明在碲锌镉晶体生长过程中引入 ACRT 技术可以减少夹杂相, 提高晶体轴向和径向均 匀性。因此, 在 TGSG 法生长 ZnTe 单晶体的过程中 引入 ACRT 技术, 并研究 ACRT 技术对单晶体的生长 界面和内部缺陷的影响具有重要意义。 另一方面, 目前传统方法生长的 ZnTe 晶体尺 寸依然较小, 不能满足实际商业需求。ZnTe 晶体生 长时的径向温度梯度导致生长界面下凹, 容易产生 侧壁形核并长大 , 最终形成多晶 , 因此 , 大尺寸 ZnTe 晶体生长依旧困难 [26][27]…”