《Materials Science in Semiconductor Processing》：Numerical and experimental investigation of CdTe crystal growth assisted by a thermal–shielding ring for stable interface control
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CdTe单晶通过热屏蔽环优化垂直布里奇曼法生长，稳定液-固界面形态，减少位错和晶界缺陷，提升晶体质量，X射线衍射半高宽0.05°，红外透射率65-68%，电阻率4.3×10^7Ω·cm，验证了TS环的有效性。
朱志成|倪友宝|于学洲|黄长宝|吴海鑫|胡倩倩|齐华北|李亚|刘国进|余萍|陈伟豪|张清丽
中国科学技术院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械与物理研究所，安徽省光子器件与材料重点实验室，合肥，230031，中国
摘要
碲化镉（CdTe）已广泛应用于核辐射探测和红外光电子领域。然而，生长过程中形成的孪晶和晶界仍然是其大规模应用的关键限制因素，因为它们会影响晶体产率和生产成本。在本研究中，我们提出了一种简单有效的方法，通过在垂直布里奇曼炉的热梯度区引入热屏蔽环（TS-环）来稳定略微凸出的固液界面。通过数值模拟优化了TS-环的几何形状，并进行了晶体生长实验以验证其效果。所得到的CdTe单晶中几乎没有孪晶和晶界。X射线摇摆曲线显示，原始生长的CdTe晶体的半高宽约为0.05°。红外透射率达到65%-68%，蚀刻坑密度低于3×10^4 cm^-2，电阻率达到4.3×10^7 Ω cm。这些结果表明，通过TS-环稳定略微凸出的界面是提高CdTe单晶质量和产率的有效策略。
引言
碲化镉（CdTe）作为II-VI族化合物半导体，具有直接带隙，具有广泛的光电应用前景。CdTe在可见光范围内具有高吸收系数（约10^4 cm^-1），使其非常适合用于光伏技术[1]。其高电阻率、高载流子迁移率（μ_e约为1100 cm^2/V·s）和高原子序数（Cd = 48，Te = 52）使其具有优异的X射线和γ射线阻挡能力，并且漏电流低，因此是室温核辐射探测器的理想选择[[2],[3],[4],[5]]。此外，其高红外透明性（8-14 μm范围内为65%）使其在电光调制器和红外光学系统中得到广泛应用[6,7]。
CdTe单晶通常采用垂直布里奇曼（VB）法生长，但原始生长的晶体常常含有晶界和孪晶，这限制了其产率和性能[[8],[9],[10],[11]]。原因是晶体生长过程中固液（S-L）界面不稳定[12,13]。通常，略微凸出的S-L界面是理想的，因为它可以减少生长晶体与坩埚壁之间的侧向接触，从而抑制寄生成核并最小化孪晶缺陷的形成[14,15]。已经提出了许多方法来控制S-L界面的形态。Kuppurao和Derby等人[16]引入了冷指来增强轴向热流并促进凸出界面的形成，但其效果仅限于早期生长阶段，并受到热应力和热响应缓慢的限制。Zhang等人[17]通过调整热场在坩埚壁附近形成钟形温度分布，有效地诱导出凸出界面。然而，多区域设计需要精确协调，并增加了系统的复杂性。对流控制方法，如浸没式挡板[18,19]和磁场[20,21]也被用来抑制熔体流动并稳定界面，但其应用受到复杂的流动-温度耦合和工艺变化的限制。因此，仍然需要探索一种简单有效的方法来在整个晶体生长过程中保持稳定的S-L界面。
在本研究中，我们提出了一种通过在VB炉的界面区域局部调整辐射热传递来稳定略微凸出的S-L界面的便捷策略。从热力学的角度来看，界面形状由温度场决定，而温度场又由传导、对流和辐射热传递共同决定。在高温区域，炉壁的辐射占主导地位，直接影响热环境。为了适当利用这一效应，我们基于数值模拟设计了一个热屏蔽环（TS-环），并将其插入热梯度区以专门调整界面周围的辐射分布。首先，比较了不同TS-环几何形状对界面形态的影响，并进一步优化了几何参数。随后进行了淬火实验以验证模拟结果的可靠性。最后，进行了晶体生长实验以评估TS-环带来的改进效果。成功生长出了含有大量无孪晶和无晶界区域的CdTe单晶。该晶体被加工成晶片，并进行了结构、光学和电学表征。结果表明，晶体质量优异，具有低位错密度、高光学透射率和相对较高的电阻率，证实了这种界面控制策略在稳定生长过程和改善晶体性能方面的有效性。
TS-环对S-L界面形状影响的数值模拟
为了研究TS-环几何形状对S-L界面形态的影响并探索其总体趋势，建立了三个数值模型，如图1所示。图1(a)-(c)分别代表三种模拟配置：(a) 无TS-环，(b) 平坦TS-环，(c) 锥形TS-环。
数值模拟在CGSim中进行，采用轴对称模型以降低计算复杂性。炉模型由六个独立控制的加热器组成
TS-环对S-L界面的影响
如图3所示，三种配置在温度场和S-L界面形状上产生了明显差异。在图3(a)中，由于没有TS-环，炉壁的辐射直接照射到安瓿表面，而固化过程中释放的潜热由于CdTe的低导热性而无法有效向下传导，导致局部热量积聚。坩埚壁的温度在靠近...
结论
本研究提出了一种简单有效的方法，通过在热梯度区引入TS-环，在整个CdTe晶体生长过程中实现稳定的微凸界面控制。在数值模拟的指导下，优化后的TS-环使得生长出的Φ28 mm × 100 mm CdTe锭中无孪晶和无晶界的单晶区域比例较高。生长出的晶体具有清晰对称的X射线摇摆曲线（半高宽=0.05°），...
CRediT作者贡献声明
朱志成：撰写——初稿撰写、验证、实验研究、数据分析。倪友宝：监督、资源提供、概念构思。于学洲：监督、实验研究、概念构思。黄长宝：资源提供、实验研究、资金争取。吴海鑫：项目管理、资金争取。胡倩倩：数据验证、数据管理。齐华北：撰写——审稿与编辑、数据验证。李亚：数据管理。刘国进：撰写——审稿与编辑、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2021YFB3601503）的支持
