直径150 mm碲锌镉晶体生长温场控制研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0217

摘要/Abstract

摘要： 碲锌镉（CZT）是红外探测及核辐射探测领域的重要材料，作为制造下一代超大型阵列探测器的基础性材料受到广泛关注。针对垂直梯度凝固（VGF）法生长直径150 mm碲锌镉晶体过程中的技术难题，采用有限元模拟方法调控晶体生长过程中加热器输出功率，进而实现碲锌镉晶体生长温场调控，获得了全流程凸界面形状的晶体生长工艺，并且成功生长出高质量直径150 mm碲锌镉单晶，所生长晶体支持尺寸为100 mm×100 mm的红外用碲锌镉衬底制备。测试结果显示，碲锌镉晶体组分分布均匀，碲锌镉衬底（111）面摇摆曲线半峰全宽达15″以下，平均位错腐蚀坑密度低于1×10⁴ cm^-2。

关键词: 碲锌镉晶体; 垂直梯度凝固法; 有限元模拟; 界面形状控制; 组分均匀性; 晶体缺陷

Abstract: Cadmium zinc telluride（CZT）is a crucial material in the fields of infrared detection and nuclear radiation detection， garnering significant attention as a foundational material for manufacturing next-generation ultra-large array detectors. To address the technical challenges in growing 150 mm diameter CZT crystals via the Vertical gradient freeze （VGF） method， finite element simulation was employed to regulate the heater output power during the crystal growth process. This approach enabled precise control over the temperature field during CZT crystal growth， achieving a convex solid-liquid interface shape throughout the entire growth process. Consequently， high-quality 150 mm diameter CZT single crystals were successfully grown. The grown crystals enabled the preparation of 100 mm×100 mm infrared CZT substrates. Test results demonstrate uniform composition distribution in the CZT crystals. The full width at half maximum （FWHM） of the rocking curve for the （111） plane of the CZT substrates is below 15″， and the average etch pit density （EPD） is less than 1×10⁴ cm^-2.

Key words: CdZnTe crystal; vertical gradient freeze method; finite element simulation; interface shape control; composition uniformity; crystal defect

中图分类号:

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图/表 14

图1 CdZnTe晶体生长系统示意图。（a）有限元模拟模型；（b）晶体生长界面热流传递［17］

Fig.1 Schematic diagram of the CdZnTe crystal growth system. （a） Finite element simulation model；（b） heat transfer at the crystal growth interface［17］

表1 数值模拟过程中使用材料的物性参数［13，15?16］

Table 1 Material properties used in simulation［13，15?16］

Material	State	Thermal conductivity/（W·m^-1·K^-1）	Heat capacity /（J·kg^-1·K^-1）	Density/（kg·m^-3）	Emissivity	Comment
CZT	Solid	0.9	159	5 850	0.7	Melting temperature 1 371 K
CZT	Liquid	1.0	187	5 740	0.7	Latent heat 209 kJ/kg
Quartz	Solid	1.4	1 232	2 650	0.9
pBN	Solid	63（a），25（c）	1 580	1 950	0.5
Kanthal-alloy	Solid	15	720	7 100	0.7
Corundum	Solid	15	920	3 540	0.86
SiC	Solid	120	650	3 170	0.8
Cera-fiber	Solid	0.39	1 130	210	0.5
Air	Liquid	0.03	1 009	Ideal gas law	—
Cd vapor	Liquid	0.02	106	0.33	—

图2 初始阶段晶体生长模拟示意图

Fig.2 Schematic diagram of crystal growth simulation at the initial stage

图3 晶体生长不同阶段模拟示意图（功率降低比例为2∶3∶4）。（a）放肩过渡阶段；（b）等直径生长阶段；（c）长晶结束阶段

Fig.3 Schematic diagram of the simulation at different stages of crystal growth （power reduction ratio is 2∶3∶4）. （a） Transition stage；（b） constant diameter growth stage；（c） end of crystal growth stage

图4 晶体生长不同阶段模拟示意图（功率降低比例为2∶4∶5）。（a）放肩过渡阶段；（b）等直径生长阶段；（c）长晶结束阶段

Fig.4 Schematic diagram of the simulation at different stages of crystal growth （power reduction ratio is 2∶4∶5）. （a） Transition stage；（b） constant diameter growth stage；（c） end of crystal growth stage

图5 晶体生长不同阶段模拟示意图（功率降低比例为2∶5∶6）。（a）放肩过渡阶段；（b）等直径生长阶段；（c）长晶结束阶段

Fig.5 Schematic diagram of the simulation at different stages of crystal growth （power reduction ratio is 2∶5∶6）. （a） Transition stage；（b） constant diameter growth stage；（c） end of crystal growth stage

图6 瞬态模拟的晶体生长速度控制示意图

Fig.6 Schematic diagram of crystal growth rate control in transient simulation

表2 碲锌镉晶体生长系统PID参数灵敏控制统计数据

Table 2 PID parameter control statistics of CdZnTe crystal growth system

Sample	PID	Power fluctuation range， ΔP/%	Temperature control deviation， ΔT/℃	Temperature fluctuation range， ΔT_f/℃
#1	P control	0.22	-4.66	0.14
#2	P and I control	0.26	-0.11	0.19
#3	P， I and D control	0.49	0.04	0.07
#4	Self-adaption	0.22	-0.08	0.14

图7 不同PID控制参数条件下不同温区输出功率波动情况

Fig.7 Schematic diagram of output power fluctuations in temperature zones under different PID control parameters

图8 不同PID控制参数条件下炉膛温度波动情况

Fig.8 Schematic diagram of furnace temperature fluctuation under different PID control parameters

图9 碲锌镉晶体材料。（a）晶体侧视图；（b）晶体尾端视图；（c）100 mm×100 mm碲锌镉衬底

Fig.9 CdZnTe crystal material. （a） Side view of the crystal；（b） view of the crystal tail end；（c） 100 mm×100 mm CdZnTe substrate

图10 晶体组分分布均匀性测试。（a）直径150 mm碲锌镉晶片；（b）PL光谱；（c）Zn组分分布谱

Fig.10 Crystal composition distribution uniformity test. （a） 150 mm diameter CdZnTe wafer；（b） PL spectrum；（c） Zn composition distribution spectrum

图11 碲锌镉衬底半峰全宽及位错测试。（a）（111）B面衍射峰；（b）衬底位错腐蚀形貌

Fig.11 Half-width and dislocation test of CdZnTe substrate. （a）（111） B-plane diffraction peak；（b） substrate dislocation corrosion morphology

表3 100 mm×100 mm碲锌镉衬底半峰全宽及位错测试结果统计

Table 3 Statistical results of FWHM and dislocation tests for 100 mm×100 mm CZT substrates

Sample	FWHM/（″）	Dislocation density/cm^-2
Point 1	11.16	6.00×10³
Point 2	9.09	4.58×10³
Point 3	13.57	6.52×10³
Point 4	8.73	4.06×10³
Point 5	8.31	5.82×10³
Average	10.17	5.40×10³

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