CZTS基单晶材料研究进展和展望

Ⅰ_(2)-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ_(4)型半导体铜锌锡硫(CZTS)在成本、组成元素丰度、毒性和稳定性等方面具有突出优势,被认为是一种很有前途的太阳能吸收材料,应用于绿色和经济的光伏领域。尽管Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)拥有与黄铜矿相似的晶体结构和光电性能,但其转换效率却远远低于Cu(In,Ga)Se_(2)(23.5%)。传统研究多数集中在多晶薄膜材料和器件的光电性能,导致材料关键缺陷态甄别及其能带调控规律尚不清晰,成为限制CZTS基光电器件性能的瓶颈。本文综述了CZTS基单晶材料,详细介绍了其晶体结构和物理性质,概述了移动加热器法、碘输运法和熔盐法制备高质量单晶的工艺,多型纳米晶库的研究,以及天然锌黄锡矿的物性研究。根据制备的CZTS基单晶材料讨论了其光学和电学性能。最后总结了CZTS基单晶材料在半导体器件的应用及目前存在的问题,为提高Ⅰ_(2)-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ_(4)型半导体材料器件的性能提供可能的发展方向。

THM生长碲化物时热物性对凝固界面的影响

针对移动加热器法（ＴＨＭ）晶体生长特点，在建立适当数学模型的基础上，着重就热物性参数（晶体导热系数、石英透射率）对凝固界面形状和熔区位置的影响进行分析及数值计算，得到一些重要的结论。

移动加热器法碲锌镉晶体生长系统热场研究

碲锌镉(Cd_(1-x)Zn_(x)Te,简称CdZnTe或CZT)是一种在室温下工作的半导体核辐射探测材料,因其优越的光电特性近年来受到越来越多的关注,在医学成像、环境监测和空间探测领域的应用也愈发广泛。移动加热器法(THM)被认为是目前生长CZT单晶最有前景的方法之一。晶体生长过程中,合适的温场是获得优质晶体的前提条件。本文使用Fluent软件对电阻加热式THM生长CZT单晶生长系统展开热场研究,首先建立描述系统热输运的物理和数学模型,提出一种设立控温点的逆模拟方法解决了加热器功率并非既定值的模拟难点,设定功率分别为225.6、343.7、1045.9、92.5、199.6 W的5个加热器情况下的炉内温场计算值与实验测量值有了较好的吻合。进而研究加热器与炉膛管距离、散热区宽度等炉膛结构对坩埚内CZT原料区温度分布的影响。研究结果表明,Canthal炉管与加热器间距离由5 mm增大至10、15 mm后,最高温度减小3.7%、5.6%,散热区宽度由30 mm增大至50、80 mm后,熔区宽度分别减小32.7%、50.0%。

室温核辐射探测器用碲锌镉晶体生长研究进展

碲锌镉(CdZnTe,CZT)晶体被认为是目前最有前途的室温半导体探测器材料之一,基于该晶体的探测器件具有能量分辨率高、体积小、便携等优点。而大面积CZT像素探测器的快速发展以及对高能、大剂量X射线探测的需求,对CZT材料的质量和尺寸提出了更高的要求。本文从CZT晶体的基本物性参数入手,探讨了大尺寸CZT晶体生长的影响因素,对两种主要的CZT生长方法——布里奇曼法和移动加热器法的研究进展进行了综述。

移动加热器法生长CZT晶体的成分及缺陷均匀性研究

采用移动加热器法,成功生长出尺寸为φ55 mm×70 mm的CdZnTe晶体。采用电子探针、光致发光谱等方法,测试了晶体径向的成分和缺陷分布,并与垂直布里奇曼法生长的同成分CdZnTe晶体进行了对比分析。结果表明,移动加热器法生长的CdZnTe晶体沿径向的成分和缺陷分布均匀,均优于垂直布里奇曼法生长的晶体。

Bi_2(Te_(1-x)Se_x)_3单晶生长热力学研究

本工作研究了Bi－Fe－Se三元相在富Bi2Te3区的相图。测定了Bi2Te3和Bi2Se3从550℃到它们的熔点范围内的等浓度线，用移动加热器（THM）法生长Bi2（Te1-xSex）3（x＝0.025和x＝0.05）。用霍尔（Hall）效应测定这些化合物在富Te区的固线，研究表明，可再生法生长热力学定义的单晶是可能的.

移动加热器法生长CdMnTe和CdZnTe晶体的性能研究（英文）

采用移动加热器法生长铟惨杂浓度为5×10^17atoms/cm3的Cd0.9Mn0.1Te（CMT）和Cd0.9Zn0.1Te（CZT）单晶。生长得到的CMT晶体和CZT晶体电阻率范围为4.5×10^9~6.2×10^10Ω·cm。CMT晶体的成分均匀性要优于CZT晶体,拟合得到CMT和CZT晶体中Mn和Zn的分凝系数分别为0.95和1.23。富Te区在两种晶体生长过程中都具有显著的提纯作用,In惨杂的浓度范围均在6.4~14.4 ppm范围内。红外透射显微镜观察到三角形和六边形为主的Te夹杂的尺寸5~24μm,浓度为105cm-3。除最后结晶区之外,沿晶体生长方向Te夹杂的尺寸逐渐减小而浓度逐渐增大。制备的CMT和CZT探测器对59.5 keV 241Am放射源均有能谱响应,能量分辨率分别为23.2%和24.6%。

移动加热器法生长CdMnTe晶体的性能研究

采用垂直布里奇曼法（VB）生长CdMnTe晶体，由于生长温度高、堆垛层错能低、热应力大等因素，晶体中存在大量孪晶、杂质、夹杂相等，限制其在核辐射探测器方面的应用。为了提高晶体的质量，本文采用移动加热器法（travelling heater method，THM）生长CdMnTe晶体，对该方法生长的晶体中Mn的轴向分布、杂质浓度、Te夹杂和电学性能进行测试分析，并与VB法生长的晶体作对比。结果表明THM法生长的CdMnTe晶体中Mn的轴向分布均匀，杂质浓度低于VB法制得的晶体，Te夹杂的尺寸5～25μm，浓度10^3cm^-3，电阻率为10^9-10^10Ω·cm，导电类型为弱n型，制备的探测器在室温下对蝴Am放射源有能谱响应。实验表明THM法生长的CMT晶体在晶体质量和电学性能方面明显优于VB法。

移动加热器法生长碲锌镉晶体的组分输运与界面形貌研究

移动加热器法(THM)生长碲锌镉晶体时,界面稳定性对晶体生长的质量有很大影响。本文基于多物理场有限元仿真软件Comsol建立了THM生长碲锌镉晶体的数值模拟模型,讨论了Te边界层与组分过冷区之间的关系,对不同生长阶段的物理场、Te边界层与组分过冷区进行仿真研究,最后讨论了微重力对物理场分布的影响,并对比了微重力与正常重力下的生长界面形貌。模拟结果表明,Te边界层与组分过冷区的分布趋势是一致的,在不同生长阶段,流场中次生涡旋的位置会发生移动,从而导致生长界面的形貌随着生长的进行发生变化,同时微重力条件下形成的生长界面形貌最有利于单晶生长。因此,在晶体生长的中前期,对次生涡旋位置的控制和对组分过冷的削弱,是THM生长高质量晶体的有效方案。

移动加热器法生长CdMnTe晶体的生长界面（英文）

研究了移动加热器法生长CdMnTe晶体的生长界面。采用传统摇摆炉和垂直Bridgman炉合成多晶原料,并比较了不同多晶原料对移动加热器法生长界面的影响。结果显示,采用垂直Bridgman法合成多晶生长的CdMnTe晶体(CMT2)相对于传统摇摆炉合成多晶生长的晶体(CMT1),其生长界面较为光滑且凹面曲率更低。分析了生长界面对CdMnTe晶体的Mn成分和Te夹杂相分布的影响。CMT2晶体Mn的径向成分分凝和Te夹杂相密度及尺寸均小于CMT1晶体。总之,垂直Bridgman法合成多晶原料能明显改善生长界面的形态,有利于降低移动加热器法生长Cd Mn Te晶体的Te夹杂相和Mn的成分分凝,提高晶体的质量。

溶剂熔区移动法生长Cd_(0.9)Zn_(0.1)Te晶体的工艺优化研究

为了解决Cd_(0.9)Zn_(0.1)Te(CZT)晶体生长温度高、单晶率低、成分不均匀等问题,采用溶剂熔区移动法(THM)在优化工艺参数下生长了掺In的CZT晶体,在优化晶体的生长温度、固液界面处的温度梯度、原位退火过程等生长条件后,生长出直径为45 mm的低Te夹杂浓度、高电阻率、高透过率、均匀的高质量CZT晶体。X射线衍射结果显示,晶体的结晶性较好、Zn成分轴向偏析小。红外透过光谱测试结果显示,晶体内部的杂质、缺陷水平相对较少,晶体整体的红外透过率在60%左右。紫外-可见光吸收光谱测试结果也进一步表明,晶体的均匀性良好。采用红外显微镜对晶体内部的Te夹杂形貌及其尺寸进行观察,结果表明Te夹杂的尺寸主要分布在0~10μm之间。采用直流稳态光电导技术测得电子的迁移率寿命积约为8×10^(-4) cm^2/V。

移动加热器法晶体生长工艺的研究进展

移动加热器法被认为是一种切实可行的生长大尺寸、高质量单晶体的方法,它结合了液相外延和区熔提纯的优点.本文阐述了移动加热器法晶体生长的基本原理、优缺点,综述了相关加热方式、晶体生长过程中的质量输运和热交换,并探讨了工艺条件(如重力场、磁场、强迫对流等和晶体生长速率)对移动加热器法生长晶体过程与晶体质量的影响,最后对移动加热器法的发展趋势进行了展望.

碲锌镉晶体生长炉自主设计与控温性能实验

针对直径4英寸碲锌镉单晶材料生长的需求,在研究国外碲锌镉晶体材料生长取得的成果基础上,自主设计了一种基于移动炉体技术的碲锌镉晶体生长炉。炉体由4种规格的六段温控加热单元组成,采用工控机控制伺服电机来驱动滚珠丝杆直线导轨实现炉体升降,炉体内腔设置有刚玉陶瓷管及高温金属热管组成的加热炉管,通过高精度铂铑铂热电偶、欧陆、变压器及可控硅控制加热单元,基于模糊+PID控制算法和策略来控制加热炉温的温度分布。开展了加热温度稳定性和加热控温性能实验,结果表明:炉体内腔加热温度持续控温200 h,相同位置的温度波动±0.005℃,加热温度偏差≤±0.1℃;炉腔上、下部恒温区长度分别为400 mm和240 mm,中部温度梯度区长度约136 mm,加热温度1098℃附近的温度梯度为0.92℃·mm^(-1)。上述参数满足碲锌镉晶体生长炉的自主设计与控温性能要求。