ZnSe晶体生长技术的发展现状

武梦鸽+袁昕+汪洋+崔亮+贺世杰

摘 要：本文简述了ZnSe晶体的溶液生长法、熔体生长法、气相输运法等制备方法以及ZnSe晶体研究现状和发展趋势，分析了这些制备方法的优缺点并详述了ZnSe晶体的生长过程和工艺参数的设置，对获得高质量的ZnSe晶体具有十分重要的指导意义。

关键词：ZnSe晶体；熔体生长法；气相输运法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.035

1 引言

ZnSe具有较高的发光效率以及较低的吸收系数，是一种很好的发光材料。它具有直接跃迁型能带结构，在室温下其禁带宽度为2.67eV，当温度降至4.2K时其禁带宽度可达2.828eV。透光范围随温度变化较小，一般在0.5μm～22μm范围内。近年来，广泛应用于蓝光半导体激光器件、非线性光热器件和红外器件等领域[1-3]。因此。制备高性能ZnSe晶体成为目前一项主要研究任务。

近些年来，制备ZnSe晶体的方法有很多种，如Bridgman法、区熔法、水热法、化学气相输运法（CVT）、物理气相输运法（ PVT ）。国内外专家学者不断改进这些方法和工艺，努力制备出高质量的ZnSe晶体。

2 ZnSe晶体的制备方法

2.1 溶液生长法

从溶液中生长晶体的主要方法是水热法，其又称为高温溶液法，其中包括温差法、降温法、升温法及等温法。目前主要采用温差水热结晶，依靠容器内的溶液维持温差对流形成饱和状态[4，5]。

2.2 熔体生长法

ZnSe是淡黄色的面心立方闪锌矿型结构。常压下1000℃左右升华，约在9.8MPa高压的惰性保护气氛下熔点为1515℃。由于其在常压下升华，只有在高压高温条件下才能得到ZnSe熔体，其一般通过使用电阻加热方式获得高温。主要包括布里奇曼法和区熔生长。

（1）布里奇曼法 该法是一种常用的晶体生长方法。首先将用于晶体生长用的材料装在圆柱型的坩埚中，然后缓慢地下降，并通过一个具有一定温度梯度的加热炉，炉温控制在略高于材料的熔点附近。

（2）区熔生长 区熔法又称Fz法，即悬浮区熔法。区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接晶体籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根晶体，晶向与籽晶的相同。

2.3 气相输运法

气相输运法一般分为化学气相输运法和物理气相输运法两种。此法一般是通过加热等使物质挥发或分解出气体，通过输运至温度较低的位置并与其他物质发生反应的材料合成方法。气相生长分为单组分体系和多组分体系生长两种。单组分气相生长要求气相具备足够高的蒸气压，利用在高温区汽化升华、在低温区凝结生长的原理进行生长所生长的大多为针状、片状的晶体体。多组分气相生长一般多用于薄膜生长，其中外延生长是一种晶体浮生于另一种晶体上。其制备工艺具有反应效率高、纯度高和合成温度低等特点。

3 ZnSe晶体基本性质

ZnSe晶体的生长技术还需要进一步的改进，急需解决的问题是晶体生长过程中温度场的控制、物质传输控制、工艺条件控制以及晶体质量等，这些问题的解决都需要深刻理解ZnSe晶体的性质[7]。ZnSe的熔点是1530℃，它在常压下1000℃直接从固体升华，只有在高温高压下才可以将其从固体变为熔体，因而给制备加工ZnSe晶体带来很大的困难。ZnSe作为一种典型的红外材料与光电功能材料，其分子式为ZnSe，分子量为144.33，其主要有常温稳定相立方闪锌矿结构和高温稳定相六方纤锌矿结构两种晶型，两者大约在1425°温度下会发生相转变。其中比较常见的闪锌矿ZnSe结构属于立方晶系。

4 结论

为了获得高质量的ZnSe晶体，需要针对ZnSe的基本性质，根据各种制备方法的优缺点，针对熔体法制备的ZnSe晶体，可以获得大尺寸工业生产，但其纯度有待改进。针对气相法制备的ZnSe晶体，纯度较高，但尺寸有待于进一步增加，如果能解决这两个关键的纯度和尺寸的问题，即降低了成本，又获得了高质量的ZnSe晶体，满足了工业化需求，将会解决这里材料的关键问题。

参考文献：

[1]S.Fujiwara，H.Morishita，T.Kotani，K.Matsumoto，T.Shirakawa. Growth of large ZnSe single crystal by CVT method[J]. Journal of Crystal Growth， 1998，186：60-66.

[2]C.S.Fang， Q.T.Gu， J.Q.Wei， Q.W.Pan. et al. Growth of ZnSe single crystal[J]. Journal of crystal Growth， 2000， 209： 542-546.

[3]A.Urbiata， P. Femaade， J.Piqueras， et al. Scanning Electron Microscopy Characterization of ZnSe Single Crystals Grown by Solid-phase Recrystallization [J]. Materials Science and Engineering B， 2000， 78（2）：105-108.

[4]王占国.半导体材料研究的新进展[J].半导体技术，2002，27（03）：8-14.

[5]宫华.水热法制备硒化锌半导体材料及其性能研究.硕士学位论文.西安：长安大学，2004

[6]赵秀琴，刘俊.硒化锌晶体的水热控制生长[J].化学世界，2008（10）：584～586

[7]鲁泥藕，余怀之，霍承松等.大功率激光窗口ZnSe的制备原理及方法[J].功能材料，2004，35（01）：246-248.

基金项目 ：国家大学生创新项目（201510702022）endprint