Characterization and chemical surface texturization of bulk ZnTe crystals grown by temperature gradient solution growth

Abstract

Using tellurium as a solvent, we grew ZnTe ingots of 30 mm in diameter and 70 mm in length by a temperature gradient solution growth method. Hall tests conducted at 300 K indicated that the as-grown ZnTe exhibits p-type conductivity, with a carrier concentration of approximately 10 14 cm −3 , a mobility of approximately 300 cm 2 ·V −1 ·s −1 , and a resistivity of approximately 10 2 Ω·cm. A simple and effective method was proposed for chemical surface texturization of ZnTe using an HF:H 2 O 2 :H 2 O etchant. Textures with the sizes of approximately 1 μm were produced on {100}, {110}, and {111} Zn surfaces after etching. The etchant is also very promising in crystal characterization because of its strong anisotropic character and Te-phase selectivity.

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]…”