碲锌镉晶体生长技术的研究进展

中国电科11所碲镉汞薄膜材料制备技术进展折伟林;邢晓帅;邢伟荣;刘江高;郝斐;杨海燕;王丹;侯晓敏;李振兴;王成刚【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2024(54)4【摘要】碲镉汞材料具有响应速度快、量子效率高、带隙连续可调等优点,广泛应用于红外探测领域,本文报道了近年来中国电科11所在碲镉汞薄膜材料制备方面的技术进展。

在碲锌镉衬底材料制备方面,已突破135mm碲锌镉晶体生长技术,碲锌镉衬底平均位错腐蚀坑密度(EPD)<1×10^(4)cm^(-2),具备了80mm×80mm规格碲锌镉衬底的批量生产能力。

在液相外延碲镉汞薄膜制备方面,富碲水平液相外延碲镉汞薄膜平均位错腐蚀坑密度EPD<4×10^(4)cm^(-2),具备80mm×80mm 规格碲镉汞薄膜的制备能力;富汞垂直液相外延实现高质量双层异质结碲镉汞薄膜材料批量化制备,该种材料的半峰宽(FWHM)控制在(20~40)arcsec范围内,碲镉汞薄膜厚度极差≤±06μm。

在分子束外延碲镉汞薄膜方面,实现了6 in硅基碲镉汞材料制备,组分标准偏差≤00015,表面宏观缺陷密度≤100cm^(-2);碲锌镉基碲镉汞材料已具备50mm×50mm制备能力,组分标准偏差为0002,厚度标准偏差为0047μm。

从探测器验证结果来看,基于富碲水平液相外延碲镉汞薄膜实现了1k×1 k、2 k×2 k等规格红外焦平面探测器的工程化制备;采用双层异质结碲镉汞薄膜实现了高温工作、长波及甚长波探测器的制备;使用分子束外延制备的碲镉汞薄膜实现了27 k×27 k、54 k×54 k、8 k×8 k等规格红外焦平面探测器研制,在宇航领域有巨大的应用潜力。

【总页数】12页(P483-494)【作者】折伟林;邢晓帅;邢伟荣;刘江高;郝斐;杨海燕;王丹;侯晓敏;李振兴;王成刚【作者单位】中国电子科技集团公司第十一研究所【正文语种】中文【中图分类】TN213;O484【相关文献】1.我国碲镉汞材料和器件的现状——记1989年全国碲镉汞技术交流会2.昆明物理研究所分子束外延碲镉汞薄膜技术进展3.大尺寸碲锌镉基碲镉汞材料分子束外延技术研究4.异质衬底外延碲镉汞薄膜位错抑制技术进展5.昆明物理研究所大面积水平推舟液相外延碲镉汞薄膜技术进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

碲锌镉晶体制备方法滕东晓;刘俊成【摘要】碲锌镉晶体是由第ⅡA～ⅣB 族元素组成的化合物半导体晶体。

以其具有优异室温核辐射探测与红外探测性能，受到了晶体研究者的重视，并且在室温核辐射探测、医学成像、空间探测等领域展开了实验性应用。

本文简要回顾了碲锌镉晶体的发展历程，较为详细地描述了碲锌镉单晶体制备方法。

%A compound semiconductor crystal is composed of the first type II A~ IVB group. With its excellent performance of room temperature nuclear radiation detection and infrared detection, it has been paid more and more attention by the researchers. Applied researches were carried out in the field of nuclear radiation detection, medical imaging, space exploration and so on. The article introduces the development history of cadmium zinc cadmium crystal briefly, and introduces the preparation method of cadmium zinc cadmium crystal in detail.【期刊名称】《黑龙江科学》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P4-7)【关键词】碲锌镉;制备方法;研究进展【作者】滕东晓;刘俊成【作者单位】山东理工大学材料科学与工程学院，山东淄博 255000;山东理工大学材料科学与工程学院，山东淄博 255000【正文语种】中文【中图分类】TN304;TL811.1 碲锌镉晶体介绍碲锌镉晶体（cadmium zinc telluride，简写为CZT）是由第ⅡB～ⅣA族元素组成的宽禁带化合物半导体晶体，可以看作是由碲化镉与碲化锌固溶形成，具有闪锌矿结构。

碲锌镉晶体市场发展现状简介碲锌镉晶体是一种光电功能材料，具有广泛的应用领域，如光电子器件、太阳能电池以及激光器等。

本文将重点讨论碲锌镉晶体市场的发展现状。

市场规模碲锌镉晶体市场在过去几年中取得了显著的增长。

根据市场研究公司的数据显示，碲锌镉晶体市场规模从2015年的X亿美元增长到2020年的X亿美元。

预计未来几年，市场规模将继续保持增长的趋势。

应用领域碲锌镉晶体在光电子器件方面有着广泛的应用。

其中，激光器领域是碲锌镉晶体市场的主要应用领域之一。

碲锌镉晶体作为一种优质的激光器材料，在激光切割、激光打印等领域得到了广泛应用。

此外，碲锌镉晶体还在太阳能电池领域发挥着重要作用。

碲锌镉晶体太阳能电池在太阳能发电领域具有较高的转换效率，因此受到了广泛的关注和应用。

市场竞争态势碲锌镉晶体市场存在着激烈的竞争。

目前，市场上主要的碲锌镉晶体供应商有公司A、公司B和公司C等。

这些公司在碲锌镉晶体的研发和生产方面具有较高的技术实力和市场份额。

同时，一些新兴企业也进入了碲锌镉晶体市场。

这些企业利用其先进的技术和创新的产品设计，试图在市场上赢得一席之地。

市场竞争将进一步推动碲锌镉晶体市场的发展与创新。

市场趋势和前景随着技术的不断进步和应用领域的扩大，碲锌镉晶体市场有望迎来更加广阔的发展前景。

未来几年，碲锌镉晶体的市场需求预计将继续增长。

同时，碲锌镉晶体的技术也将不断创新。

目前，一些公司正在研发更高效的碲锌镉晶体材料，以满足市场对高性能材料的需求。

这将进一步推动碲锌镉晶体市场的发展和应用领域的扩大。

结论综上所述，碲锌镉晶体市场在过去几年取得了显著的发展，市场规模不断扩大。

碲锌镉晶体在光电子器件和太阳能电池领域具有广泛的应用，并且市场竞争态势激烈。

随着技术的不断进步和市场需求的增加，碲锌镉晶体市场有望迎来更加广阔的发展前景。

注意：本文所述内容仅代表作者观点，不构成任何投资建议。

探测器级碲锌镉晶体生长及缺陷研究进展
黄哲;伍思远;陈柏杉;柳萧;唐思危;马运柱;刘文胜
【期刊名称】《中国有色金属学报》
【年(卷),期】2022(32)8
【摘要】碲锌镉(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,因为其原子序数大、电阻率高、禁带宽度大,相较于传统材料探测器件具有能量分辨率高、体积小、便携等优点。

目前,气相法、熔体法、溶液法等技术都被用来生长碲锌镉晶体。

其中熔体法因生长系统简单可靠、速度快、晶体体积大等优点,已广泛应用于工业生产。

但CZT低导热率、大蒸气压差异、低层错能等物理特性导致熔体法不可避免地会在晶体生长中引入空位、沉淀/夹杂相和位错等缺陷,严重影响其探测器的能量分辨率、响应速度等性能。

本文对比了几种主流CZT晶体生长方法的优劣,总结了常见缺陷及改性的研究进展,并对CZT单晶生长及缺陷调控等未来研究方向进行了分析与展望。

【总页数】18页(P2327-2344)
【作者】黄哲;伍思远;陈柏杉;柳萧;唐思危;马运柱;刘文胜
【作者单位】中南大学轻质高强结构材料重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TB34
【相关文献】
1.碲锌镉晶体生长技术的研究进展
2.碲锌镉衬底缺陷对液相外延碲镉汞薄膜结构的影响
3.碲锌镉半导体探测器的研究进展
4.室温辐射探测器用碲锌镉晶体的退火改性研究进展
5.室温核辐射探测器用碲锌镉晶体生长研究进展
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垂直布里奇曼法生长碲锌镉晶体的工艺条件优化范叶霞【摘要】In this paper,the effects of some technologies of CdZnTe crystal growth by vertical Bridgman method on sin-gle crystalline ratio and quality are analyzed,such as material and shape of crucible,thermal field of furnace,shape of solid-liquid interface,growth rate and use of seed.Some optimal techniques for CdZnTe crystal growth by vertical Bridgman method are summarized.%分析了利用垂直布里奇曼法生长碲锌镉晶体的工艺条件，如坩埚的材质和形状、炉体温场、固液界面形状、生长速率以及采用籽晶等生长条件对晶体单晶率和质量的影响，并提出了优化垂直布里奇曼法生长 CdZnTe 晶体的条件。

【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】5页(P934-938)【关键词】垂直布里奇曼法;PBN 坩埚;籽晶生长;碲锌镉晶体【作者】范叶霞【作者单位】华北光电技术研究所，北京 100015【正文语种】中文【中图分类】TN2131 引言碲锌镉(CdZnTe，CZT)晶体是一种综合性能优异的红外焦平面探测器衬底材料，以其为衬底的碲镉汞焦平面器件产品批量生产和装备量占全球的70%以上，焦平面列阵已达到2048×2048元的规模，使得对衬底材料CdZnTe晶体的尺寸和利用率提出了更高的要求。

对于生长CdZnTe晶体，垂直布里奇曼(VB)法是应用比较广泛的生长方法之一。

由于CdZnTe材料具有低热导率、低层错能等特点，导致在采用VB法生长CdZnTe晶体时难以获得CdZnTe单晶。

第52卷第9期2023年9月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.9September,2023移动加热器法碲锌镉晶体生长系统热场研究徐哲人,张继军,曹祥智,卢㊀伟,刘㊀昊,祁永武(上海大学材料科学与工程学院,上海㊀201900)摘要: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㊁环境监测和空间探测领域的应用也愈发广泛㊂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一㊂晶体生长过程中,合适的温场是获得优质晶体的前提条件㊂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225.6㊁343.7㊁1045.9㊁92.5㊁199.6W 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㊂进而研究加热器与炉膛管距离㊁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㊂研究结果表明,Canthal 炉管与加热器间距离由5mm 增大至10㊁15mm 后,最高温度减小3.7%㊁5.6%,散热区宽度由30mm 增大至50㊁80mm 后,熔区宽度分别减小32.7%㊁50.0%㊂关键词:碲锌镉晶体;移动加热器法;半导体;数值模拟;热场;炉膛结构中图分类号:O782㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)09-1589-10Study on Thermal Field of Growth System of CdZnTe Crystal Growth by Traveling Heater MethodXU Zheren ,ZHANG Jijun ,CAO Xiangzhi ,LU Wei ,LIU Hao ,QI Yongwu (College of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 201900,China)Abstract :Cadmium zinc telluride (Cd 1-x Zn x Te,referred to as CdZnTe or CZT)is a room-temperature nuclear radiation detection material,which is promising for use in the fields of medical imaging,environmental monitor and space exploration,due to its superior photoelectric properties.Traveling heater method (THM)is considered to be one of the most promising methods for growing CZT single crystals.During the crystal growth,a suitable temperature field is a prerequisite for obtaining high-quality crystals.In this paper,the Fluent software is used to study the thermal field of a resistance-heated THM growth system.A physical and mathematical model describing the thermal transport of the system is established,and an inverse simulation method for establishing temperature control points is proposed to solve the problems of the heaters power.The calculated values of the power of five heaters in the furnace are 225.6,343.7,1045.9,92.5and 199.6W respectively,which are in good agreement with the experimental measurements.Furthermore,the effects of furnace structures such as the distance between the heater and the heating tube,and the width of the heat-dissipation zone on the temperature distribution inthe CZT zone in the crucible were studied.The research results show that the maximum temperature decreases by 3.7%and 5.6%when the distance between the heater and the heating tube increases from 5mm to 10and 15mm,and the width of the melting zone decreases by 32.7%and 50.0%when the width of the heat-dissipation zone increases from 30mm to 50and 80mm.Key words :CdZnTe crystal;traveling heater method;semiconductor;numerical simulation;thermal field;furnace structure ㊀㊀收稿日期:2023-03-31㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(12275167)㊀㊀作者简介:徐哲人(1997 ),男,浙江省人,硕士研究生㊂E-mail:saysoh@ ㊀㊀通信作者:张继军,博士,副教授㊂E-mail:zhangjijun222@0㊀引㊀㊀言碲锌镉(Cd 1-x Zn x Te,简称CdZnTe 或CZT)晶体由于其宽禁带㊁高密度㊁低电离能等特性,成为一种典型1590㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷的室温核辐射探测器材料,在国土安全㊁医学成像㊁空间探测等方面获得了广泛应用[1-3]㊂溶液生长法从富碲溶液中制备CZT单晶,改善了高温熔体生长法导致的晶体缺陷,近年来在生长探测器级CZT单晶的研究上受到越来越多的关注[4-5]㊂目前广泛使用的溶液生长方法主要有温度梯度溶液生长法㊁移动加热器法㊂其中移动加热器法(traveling heater method,THM)由于具备区熔提纯㊁低温生长㊁籽晶生长等优点,成为生长高性能CZT晶体的热门方法㊂采用THM生长大尺寸㊁高性能CZT单晶的核心是通过调节晶体组分㊁生长炉温场实现富Te熔区在生长界面均匀定向结晶,同时尽可能地减小晶体的热应力㊂由于CZT晶体生长在高温且封闭的设备中进行,缺乏直接观测和参数监测手段,想要对晶体生长的温度场进行严格的分析,并试图找到在高温下生长CZT 单晶过程中最优的温度梯度条件,计算机数值仿真显得十分重要㊂在过去的几年里,一些数值研究致力于分析CdTe类半导体晶体生长过程的热量和质量传输[6-7]㊂Chang等[8]使用了有限元稳态模型模拟分析了THM生长HgCdTe过程中的温场输运,通过沿坩埚壁面设置热剖面分析了各种因素对界面形状的影响㊂Kuppurao等[9]针对布里奇曼法生长CZT晶体建立了二维的准稳态过程和瞬态过程,并且利用准稳态过程研究了传热和对流现象,利用瞬态过程研究Zn的传质过程[10]㊂Martinez-Tomas等[11]对垂直布里奇曼(vertical Bridgman,VB)法生长CdTe的整个生长系统进行了建模,采用三步法对坩埚和炉膛两个系统进行研究,分析了生长系统中的热量传导㊂另外还有一些数值研究致力于分析在各种热条件㊁坩埚旋转或者是在静磁场的影响下的生长界面形状变化[12-14]㊂然而上述研究中,加热器都是通过施加一个恒定速率上升的温度分布曲线来近似模拟㊂实际的THM晶体生长过程中,需要考虑加热器的位置和尺寸,以及坩埚和周围空腔之间的热交换对晶体生长稳态温场的影响㊂因此,对THM法生长CZT晶体的温场进行数值模拟时,需将包括炉膛结构的完整炉体建立模型,本文在这一前提下进行了数值模拟研究㊂本文的研究内容主要分为两部分:1)通过设立温度控制点的方式逆模拟加热源的功率;2)通过计算获得的功率研究几何参数等变量对THM生长CZT的影响规律㊂目标是通过数值模拟探究整个炉体结构(炉体几何参数和加热器分布),对生长系统由瞬态加热过程转变至伪稳态的生长过程后的炉内温场分布,进一步对晶体生长实验起到指导作用㊂1㊀移动加热器法生长过程的热输运原理1.1㊀基本物理过程在单晶生长炉的炉膛内存在不同的介质,如熔体㊁晶体㊁气体㊁炉膛管(瑞典Canthal炉管,FeCrAl合金管)等㊂不同的介质具有不同的温度,即使在同一介质中温度的分布也不均匀,可以把在同一时刻下生长系统中的温度的空间分布称为温场㊂单晶炉内的温场总是存在温度梯度,因而存在热流㊂生长炉中作为热源的加热炉丝产生的热流与耗散在环境中的热流达到动态平衡时,才达到稳态温场,否则炉温总是向上或是向下的非稳态变化过程㊂本文讨论了生长系统中非稳态温场达到伪稳态状态时炉体内的温度分布㊂图1(a)展示了THM生长系统的主要结构,包括保温层㊁加热器㊁Canthal炉管㊁坩埚㊁支撑杆以及坩埚内的原料,生长系统呈圆柱轴对称型㊂图1(b)中包含了生长系统中主要的传热形式㊂按区域传热特点可以主要分两部分讨论㊂第一个是坩埚内部原料区,主要由上部的多晶区㊁中部的富Te溶剂区与下部的籽晶区组成㊂第二个是坩埚外部加热区,由保温层㊁加热器㊁Canthal炉膛㊁散热区等组成㊂实际生长过程中,整个生长系统密封于不锈钢金属外壳中,实际对流由金属外壳内壁与炉膛外壁间温差所引起,因此在模型中环境对流的影响可以忽略不计㊂本文研究THM生长系统中,加热器的能量通过热辐射㊁热传导以及热对流的方式传递至坩埚中,CZT晶体溶解在富Te的CZT溶液中,并在温度梯度和浓度梯度的驱动下形成流动和扩散,最终运输至生长界面完成单晶生长过程㊂晶体生长包含吸热及放热过程,这些机制相互耦合最终将生长系统控制在一个稳定的温度范围内㊂㊀第9期徐哲人等:移动加热器法碲锌镉晶体生长系统热场研究1591㊀图1㊀THM 生长系统结构(a)和生长系统内热输运方式(b)示意图Fig.1㊀Schematic diagram of THM growth system structure (a)and heat transport in the growth system (b)1.2㊀传热过程的物理和数学描述与分析晶体生长系统内的温度最高能达到将近1200K,且靠近加热器的区域温度最高㊂THM 生长系统中的辐射传热主要存在于两个区域:1)加热器与Canthal 炉管外壁以及保温棉外壁之间;2)坩埚外壁以及支撑杆外壁与Canthal 炉管内壁之间㊂加热器与Canthal 炉管外壁之间的辐射传热量(Q radi heat )可由公式(1)计算㊂Q radi heat =εkan σA kan (T 4heater -T 4kan )(1)式中:A kan 为Canthal 炉管外壁受辐射面积,εkan 为Canthal 炉管壁面发射率,T heater 为加热器温度,T kan 为Canthal 炉管壁面温度,σ为玻尔兹曼常数㊂同理可以估算坩埚外壁与Canthal 炉管内壁之间的辐射热量(Q radi_amp )为Q radi_amp =εamp σA amp (T 4kan -T 4amp )(2)式中:A amp 为坩埚外壁受辐射面积,εamp 为坩埚壁面的表面发射率,T amp 为坩埚壁面温度㊂对于辐射计算,能量方程形式如公式(3)㊂ρc P ∂T ∂t =Δ㊃(k ΔT )+qᵡ(3)式中:ρc P 为热容,k 为热导率㊂在此模型中可将所有固体物质视为不透明物体,所有参与辐射的壁面均为漫灰表面,采用面对面辐射模型,辐射热流以第二类边界条件的形式参与计算,每若干个迭代步更新一次辐射在边界处的热流,因此需要计算每个参与辐射表面的净辐射热流密度㊂使用参与辐射表面的表面温度计算净辐射热流密度q ㊂ðN j =1δij εj -F ij 1-εj εj ()q j =ðN j =1(F ij -δij )σT 4j (4)式中:δij 为克罗内克函数(Kronecker delta);F ij 为视角系数,表示从j 面发射的能量被i 面拦截的份额,用式(5)计算㊂F ij =1A∬A i A j cos θi cos θj πR 2ld A i d A j (5)式中:A i ㊁A j 分别为微元面i ㊁j 的面积,R l 为i 面与j 面心连线长度,θi ㊁θj 为该连线与i 面㊁j 面的外法向量夹角㊂晶体生长炉内气相组分流动的热输运强度可用无量纲量瑞利数Ra (Rayleigh number)表征,表达式为Ra =Pr ㊃Gr =c p μk ㊃gβD 3ΔT v 2(6)1592㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷式中:c p为气体恒压比热容,μ为动力黏度,g为重力加速度,ν为运动黏度,βʈ1/T为理想气体热膨胀系数,D为Canthal炉管内径,ΔT为Canthal炉管与坩埚之间的温差㊂THM生长CZT晶体主要包括两个过程,即CZT多晶在熔解界面处的分解及CZT溶液在生长界面处凝固成CZT单晶㊂这两个过程存在较为复杂的表面相变反应,因此可以用式(7)估算熔解界面与生长界面处的热量(Q chem)变化㊂Q chemʈQ latent=ρcrystal v crystal A interface H VS(7)式中:Q latent为晶体生长相变释放的热量,ρcrystal为晶体密度,v crystal为CZT单晶生长速率,A interface为界面面积,H VS 为相变潜热㊂潜热必须满足公式(8)㊂K s d T s d z-K l d T l d z>vρH VS(8)式中:K s和K l分别为固体及液体内的导热系数,d T/d z为轴向温度梯度,ρ为生长速率㊂计算使用的参数如表1所示㊂表1㊀几何和物性等计算参数[15-17]Table1㊀Material properties and parameters for computation[15-17]符号数值描述R_container22.5[mm]坩埚半径r_z10[mm]支撑杆内径r_f35[mm]炉膛内径L_z585[mm]支撑杆长度T_f1083[K]熔化(凝固)温度εinsu0.8保温棉发射率εgra0.7石墨发射率εkan0.61Canthal炉管发射率εamp0.95坩埚发射率k insu0.07[W/(m㊃K)]保温棉热导系数k amp 2.5[W/(m㊃K)]坩埚热导系数k gra15[W/(m㊃K)]石墨热导系数k kan22[W/(m㊃K)]Canthal炉管热导系数k zc9.2[W/(m㊃K)]支撑杆热导系数本文算例的计算域均为轴对称,半径约500mm,高约1280mm,采用商业软件Meshing对计算域划分结构化网格,网格尺度为2mm㊂采用Fluent软件对方程进行离散和求解,对称轴边界条件为温度零梯度,外边界为400K定温㊂2㊀结果与讨论2.1㊀逆模拟模式热源功率的设置是生长炉温度场全局模拟的难点问题㊂实际生长炉多是通过多段温控单元,基于热电偶实时测温并在PID控制算法的作用下,对温场分布进行控制,这表明热源功率是与温度有关的变量㊂德国Fraunhofer集成系统与设备技术研究所晶体生长实验室开发了CrysMAS代码,使用一种逆模拟模式计算热源的输入功率,从而实现多温区VB炉的传热模拟[18]㊂Stelian等[19]使用此方法研究了CdTe与Ge晶体生长实验中具有代表性的两种VB炉的温度场㊂Derby等[20]使用此方法研究了电动梯度冷凝法生长CZT晶体㊂本文采用Fluent商用软件通过逆模拟模式实现了多温区THM生长炉的全局传热模拟,计算了不同加热器数量对空炉温场分布的影响,并与实际晶体生长炉测温温场分布进行对比㊂图2为THM晶体生长炉结构与温控点位置示意图㊂逆模拟模式主要通过设定温度控制点的方式实现, T1㊁T2㊁T3㊁T4㊁T5分别设置为893㊁953㊁1073㊁923以及913K,通过Fluent User-Defined Function(udf)功能对Fluent软件进行二次开发,使其在每次迭代后将控制点的温度实时反馈到主计算节点,再根据控制点温度值对热源的输入功率进行调整㊂在后续的研究中使用距离中心z轴0㊁16㊁25mm的线段d0㊁d1㊁d2轴向温度(B㊀第9期徐哲人等:移动加热器法碲锌镉晶体生长系统热场研究1593㊀点至A 点温度分布)近似表示炉膛内温场分布㊂图2㊀THM 晶体生长炉结构与温控点位置示意图,其中B (z =0.70)至A(z =0.30)为有效温度区间,距离中心z 轴0㊁16㊁25mm 的线段d 0㊁d 1㊁d 2处的轴向(B ңA )温度用来表示炉膛内部温场分布Fig.2㊀Schematic diagram of the structure of the THM crystal growth furnace and the location of temperature control points,where B (z =0.70)to A (z =0.30)is the effective temperature range,and the axes at d 0,d 1,and d 2of the line segments 0,16and 25mm away from the z -axis toward (B ңA )temperature is used to approximate the temperature field distribution inside thefurnace 图3㊀在不同加热器数量条件下炉膛轴心温度分布Fig.3㊀Temperature distribution of furnace axis under the condition of different number of heaters 为了探究加热器分布对炉膛内温度分布的影响,对比设置了三种不同的算例,分别为:1)仅使用3号热源;2)使用2㊁3㊁4号热源;3)使用1㊁2㊁3㊁4㊁5号热源㊂图3为三种算例下炉膛轴心处从控制点1(z =0.96m)至控制点5(z =0.32m)距离的温度分布图㊂仅使用3号热源的条件下,控制点3(z =0.64m)处温度达到设定温度T 3(1073K);使用2㊁3㊁4号热源的条件下,控制点2(z =0.80m)㊁3(z =0.64m)㊁4(z =0.48m)处温度达到设定温度T 2(953K)㊁T 3(1073K)㊁T4(923K);使用1㊁2㊁3㊁4㊁5号热源的条件下,控制点1(z =0.96m)㊁2(z =0.80m)㊁3(z =0.64m)㊁4(z =0.48m)㊁5(z =0.32m)处温度达到设定温度T 1(893K)㊁T 2(953K)㊁T 3(1073K)㊁T 4(923K)㊁T 5(913K)㊂结果表明,在逆模拟模式下,通过增加加热器数量㊁设立多个温度控制点,可以达到理想的温度分布曲线㊂1594㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷实际的THM生长CZT晶体生长过程中,石英坩埚的移动范围在A(z=0.30)至B(z=0.70)这40cm长的区间,因此重点模拟这部分区域的温度分布㊂图4(a)~(d)分别为逆模拟模式下控制点温度随迭代步变化曲线,加热器功率随迭代步变化曲线,d0㊁d1㊁d2处轴向温度计算值与d0㊁d1㊁d2处轴向温度实验测量值㊂图4(a)㊁(b)结果表明,在同一迭代步下控制点的温度值同步影响着加热器的功率值,随着迭代步的增进,加热器功率以及控制点的温度都趋于收敛并最终稳定在了固定值㊂图4(c)㊁(d)结果表明,当功率分别为225.6㊁343.7㊁1045.9㊁92.5㊁199.6W时,使用5个加热器的温度场模拟结果与实验测得的炉膛内部温场分布在趋势上基本一致㊂由模拟结果可知,与d0处的温度曲线相比,d1与d2处的温度最高点的位置分别向炉膛顶端偏移了19㊁25mm,并且最高温度也分别上升了11.61㊁36.84K,表明炉膛轴心处温场发生偏移㊂图4㊀逆模拟模式下:(a)控制点温度随迭代步变化;(b)加热器功率随迭代步变化;(c)d0㊁d1㊁d2处轴向温度计算值;(d)d0㊁d1㊁d2处轴向温度测量值Fig.4㊀Under the inverse simulation mode:(a)temperature of the control point changes with the step size;(b)heater power changes with the step size;(c)calculated values of axial temperature at d0,d1and d2;(d)measurement values ofaxis temperature at d0,d1and d2图5(b)㊁(c)分别为THM晶体生长炉炉膛中部的温度云图和空气流动速度矢量图㊂图5(b)显示,炉膛壁面处靠近加热器部分温度高于靠近散热区部分,在区域交接处温度梯度达到最大㊂图5(c)中空气流动速度矢量图则显示在炉膛中部存在两种流动方向不同的涡流㊂这是由于空气密度受温度影响出现差异而产生了对流㊂Canthal炉管靠近加热器部分温度高于靠近散热区部分温度,且炉膛轴心处温度介于两者之间,因此在炉膛上下部出现了流动方向相反的两种涡流㊂可以得出,对流效应是使炉膛轴心处温场发生偏移最主要的原因㊂炉膛中空气的流动对于炉膛内温场的分布有着重要的影响,在逆模拟模式下充分考虑了空气流动对温场的影响㊂2.2㊀CZT晶体生长系统热场研究本节基于数值模拟方法对THM生长CZT晶体的热场进行研究,提出热场设计原则,以模拟生长直径45mm㊁长度150mm的CZT晶体为目标,探究结构参数如加热模块与Canthal炉管间距离㊁散热区长度等对热场的影响规律㊂㊀第9期徐哲人等:移动加热器法碲锌镉晶体生长系统热场研究1595㊀图5㊀THM 晶体生长炉炉膛(a)㊁中部的温度云图(b)与空气流动速度矢量图(c)Fig.5㊀Furnace (a),middle part contour plots of temperature (b)and velocity vector diagram (c)在THM 生长CZT 晶体过程中,轴向温度梯度与晶体生长速度有关㊂界面前沿处液体由于溶质的析出使凝固温度偏离液相线温度,能够稳定生长的最大生长速度(v )可由式(9)计算㊂v <-D mC l (1-K )G l (9)式中:D 为扩散系数,m 为液相线的斜率,C l 为界面处液相的浓度,K 为分凝系数,G l 为液相区域垂直于界面的温度梯度㊂最大晶体生长速率取决于液相区域中温度梯度的大小,提高液相区域中的温度梯度可以加快晶体生长速率㊂然而,Wang 等[21]研究发现,较大的温度梯度对晶体质量产生不利的影响㊂因此,THM 晶体生长模拟需要研究富Te 溶液和CZT 晶体中的温度梯度与生长系统中关键部位的尺寸参数之间的关系㊂图6㊀生长系统结构和变量说明,散热区长度l 变化范围为30mm 至80mm,加热器与Canthal 炉管距离变化范围为5mm 至15mm㊂坩埚壁面温度分布为A 点至D 点温度曲线,G s1㊁G l1㊁G s2㊁G l2分别为B 点C 点两侧温度梯度Fig.6㊀Growth system structure and variable description,the length D of the cooling zone varies from 30mm to 80mm,and thedistance between the heater and the Canthal furnace tube varies from 5mm to 15mm.The temperature distribution of the cruciblewall is a temperature curve from point A to point D,and G s1,G l1,G s2,and G l 2are the temperature gradients on both sides of point B and point C respectively CZT 晶体生长系统模型如图6所示㊂坩埚内部熔解界面和结晶界面处温度梯度主要受加热源和散热区影响,因此将加热源与Canthal 炉管距离S ㊁散热区长度l 作为研究变量㊂热源与Canthal 炉管间距离基础值1596㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷S 0=10mm,散热区宽度基础值l 0=50mm㊂采用单一控制变量法进行研究,设置3组算例,其中算例1为供对照的基础算例,算例2~3分别研究不同设计参数对坩埚内温度分布的影响,具体参数设置如表2所示,参数变化范围见图6中虚线框域㊂计算结果重点考察生长界面和熔解界面处晶体中的温度梯度G S1㊁G S2,熔体中的温度梯度G l 1㊁G l2,坩埚壁面处温度分布,及熔区内最大温差变化㊂表2㊀算例设计说明Table 2㊀Settings of the casesCaseContent Parameter Expected result 1基础算例S =10mm,l =50mm 2.1~2.2加热模块和Canthal 炉管之间的距离对坩埚内温度分布的影响S 1=5mm,S 2=15mm加热器和Canthal 炉管之间的距离宽度越大,炉内温度越低3.1~3.2散热区宽度对坩埚内温度分布的影响l 1=20mm,l 2=80mm 散热区的宽度越大,炉内温度就越低2.2.1㊀加热器与Canthal 炉管距离变化对坩埚温场变化影响图7(a)为加热器和Canthal 炉管距离变化对坩埚壁面温度的影响规律图,熔体区与晶体区呈现明显的温度梯度差异,熔解界面与结晶界面温度保持在1083K,山峰型温度分布符合THM 生长CZT 单晶的要求㊂相较于基础算例,由于视角系数F ij 的变化,加热器与Canthal 炉管距离增大时整体温度下降,相反,当加热器与Canthal 炉管距离减小后整体温度升高㊂当距离由5mm 增大至10㊁15mm,中间加热器相对Canthal 炉管的视角系数F ij 分别为0.865㊁0.778和0.725,1083K 长晶温度之间的Te 熔区宽度分别减小20.5%㊁37.5%,最高温度减小3.7%㊁5.6%㊂图7(b)为加热器和Canthal 炉管距离变化对熔解界面晶体侧和熔体侧温度梯度G s1㊁G l1,生长界面晶体侧和熔体侧温度梯度G s2㊁G l2,熔区内最大温差的影响规律图㊂从图7(b)可见,随着Canthal 炉管与加热器间距离增大,生长界面与熔解界面的温度梯度不断减小㊂相较于熔体区,晶体区的温度梯度变化更为明显㊂并且Canthal 炉管与加热器间距离越大,熔体区最大温差越低㊂当Canthal 炉管与加热器间距离增大10mm,熔体区内温度相差40.5K㊂具体数据如表3所示㊂图7㊀加热器和Canthal 炉管距离变化对不同温场参量的影响规律㊂(a)坩埚壁面温度;(b)熔解界面晶体侧和熔体侧温度梯度G s1㊁G l1,生长界面晶体侧和熔体侧温度梯度G s2㊁G l2,熔区内最大温差Fig.7㊀Effect of the change of the distance between the heater and the Canthal furnace tube on different temperature field parameters.(a)temperature of the crucible wall;(b)crystal side temperature gradient G s1at melting interface,melt side temperature gradient G l1,growth interface crystal side temperature gradient G s2,melt side temperature gradient G l2and maximum temperature difference in melting zone表3㊀加热器和Canthal 炉管距离改变算例参量变化Table 3㊀Investigated parameter variation when change the distance between the heater and the Canthal furnace tubeCaseG s1/(K㊃cm -1)G l1/(K㊃cm -1)G l 2/(K㊃cm -1)G s 2/(K㊃cm -1)ΔT /K 1-65.69-13.4018.2481.9445.12.1-97.54-16.9925.39135.7988.12.2-44.67-10.3913.5654.7285.6㊀第9期徐哲人等:移动加热器法碲锌镉晶体生长系统热场研究1597㊀2.2.2㊀散热区长度对坩埚温场变化影响图8(a)㊁(b)分别为散热区长度变化对坩埚壁面温度的影响规律与散热区长度变化对熔解界面晶体侧温度梯度G s1㊁熔体侧温度梯度G l1,生长界面晶体侧温度梯度G s2㊁熔体侧温度梯度G l2以及熔区内最大温差的变化规律㊂由图8(a)可见,散热区宽度减小后整体温度同步上升,散热区宽度增加后整体温度同步下降㊂计算结果显示,当散热区宽度由30mm 增大至50㊁80mm,1083K 长晶温度之间的Te 熔区宽度分别减小32.7%㊁50.0%,最高温度分别减小3.6%㊁4.6%㊂由图8(b)可见,温度梯度呈现与图7(b)相反的变化规律,随着散热区宽度增大,生长界面与熔解界面两侧温度梯度不断增大㊂相较于更改加热器与Canthal 炉管之间的距离,改变散热区宽度对温度梯度的影响较小㊂同时,散热区宽度越大,熔区内温差越小㊂当散热区宽度增大50mm,熔体区内温差减小7.2K㊂具体数据如表4所示㊂图8㊀散热区长度变化对不同温场参量的影响规律㊂(a)坩埚壁面温度;(b)熔解界面晶体侧温度梯度G s1㊁熔体侧温度梯度G l1,生长界面晶体侧温度梯度G s2㊁熔体侧温度梯度G l2,以及熔区内最大温差Fig.8㊀Effect of the change of the heat dissipation zone length on different temperature field parameters.(a)Temperature of the crucible wall;(b)crystal side temperature gradient G s1and melt side temperature gradient G l1at melting interface,crystal side temperature gradient G s2and melt side temperature gradient G l2at growth interface,and maximum temperature difference in melting zone表4㊀散热区长度改变算例参量变化Table 4㊀Investigated parameter variation when change the heat dissipation zone lengthCaseG s1/(K㊃cm -1)G l1/(K㊃cm -1)G l2/(K㊃cm -1)G s2/(K㊃cm -1)ΔT /K 1-65.69-13.4018.2481.9445.13.1-54.38-7.1617.5475.6235.83.2-66.37-15.9021.1588.3837.93㊀结㊀㊀论1)THM 生长CZT 晶体的生长系统中,对于考虑坩埚与坩埚外部环境进行热交换的数值模拟,加热器功率的设置可以通过逆模拟模式近似模拟,通过设定控温点的方式对整体炉膛温场分布有较好的数值模拟结果㊂本文将加热器功率分别设置为225.6㊁343.7㊁1045.9㊁92.5㊁199.6W,得到的炉内温场可以较好地模拟实际温场分布㊂2)THM 生长CZT 晶体的生长系统中,以模拟生长直径45mm㊁长度150mm 的CZT 晶体为目标,改变Canthal 炉管与加热器间距离因改变了辐射传热中的视角因子,对于温场的影响较大,在距离由5mm 增大至10㊁15mm 后,最高温度减小3.7%㊁5.6%㊂而改变散热区宽度对调控原料区熔区宽度则更具实际效果,散热区宽度由30mm 增大至50㊁80mm 后,熔区宽度分别减小32.7%㊁50.0%㊂界面处温度梯度与散热区宽度成正相关,与Canthal 炉管与加热器间距离成负相关㊂参考文献[1]㊀SORDO S D,ABBENE L,CAROLI E,et al.Progress in the development of CdTe and CdZnTe semiconductor radiation detectors for1598㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷astrophysical and medical applications[J].Sensors,2009,9(5):3491-3526.[2]㊀INIEWSKI K.CZT detector technology for medical imaging[J].Journal of Instrumentation,2014,9(11):C11001.[3]㊀SCHEIBER C,GIAKOS G C.Medical applications of CdTe and CdZnTe detectors[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchSection A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,2001,458(1/2):12-25.[4]㊀PANI R,PELLEGRINI R,CINTI M N,et al.Recent advances and future perspectives of gamma imagers for scintimammography[J].NuclearInstruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,2006,569(2): 296-300.[5]㊀HANSSON C C T,OWENS A,BIEZEN J V D.X-ray,γ-ray and neutron detector development for future space instrumentation[J].ActaAstronautica,2014,93:121-128.[6]㊀GUROV V 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2024年碲锌镉晶体市场环境分析1. 简介碲锌镉晶体是一种用于激光器、光电子器件和太阳能电池等领域的重要材料。

本文将对碲锌镉晶体市场的环境进行分析，包括市场规模、竞争态势、市场发展趋势等方面的内容。

2. 市场规模碲锌镉晶体市场的规模在过去几年持续增长。

据市场调研机构统计数据显示，2019年全球碲锌镉晶体市场规模达到XX亿美元，预计未来几年将保持稳定增长。

主要推动碲锌镉晶体市场规模扩大的因素包括需求的增加和技术的进步。

3. 竞争态势碲锌镉晶体市场存在一定的竞争，主要集中在少数几家大型企业之间。

这些企业在碲锌镉晶体的技术研发、生产和销售方面具有较强的实力。

另外，一些新兴企业也加入了碲锌镉晶体市场，增加了市场的竞争程度。

4. 市场发展趋势（1）高效能碲锌镉晶体需求增加：随着能源危机的加剧和环保意识的增强，对高效能碲锌镉晶体的需求不断增加。

高效能碲锌镉晶体具有更高的光吸收能力和转换效率，有助于提高激光器和太阳能电池的性能。

（2）技术创新驱动市场发展：碲锌镉晶体市场的发展离不开技术创新。

近年来，随着新材料和新工艺的出现，碲锌镉晶体的性能得到了进一步提升。

未来，随着技术的不断创新，碲锌镉晶体市场有望得到更大的发展。

（3）政策环境影响市场：政策环境对碲锌镉晶体市场的发展也起到一定的影响。

一些国家和地区出台了相关政策，鼓励碲锌镉晶体的生产和应用，推动市场的繁荣。

同时，也有一些政策对碲锌镉晶体市场的发展产生了一定的限制。

5. 总结碲锌镉晶体市场具有良好的发展前景，市场规模正在不断扩大。

然而，市场竞争激烈，需要企业具备强大的技术实力和市场拓展能力。

随着高效能碲锌镉晶体的需求增加和技术创新的推动，碲锌镉晶体市场将迎来更好的发展机遇。

同时，也需要政策环境的支持，为碲锌镉晶体市场提供更好的发展环境。

碲锌镉单晶体的生长与缺陷碲锌镉单晶体是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用前景。

在生长过程中，会出现一些缺陷，这些缺陷对单晶体的性能和稳定性产生重要影响。

本文将深入探讨碲锌镉单晶体的生长过程以及常见的缺陷类型和形成机制。

碲锌镉单晶体的生长是通过熔融法或气相传输法进行的。

熔融法主要是指将碲锌镉混合物加热至熔点后，通过控制温度梯度和晶体生长速度，使晶体逐渐从熔液中生长出来。

气相传输法则是将碲锌镉的原料气体在高温下进行化学反应，生成固态的碲锌镉单晶体。

这两种方法各有优缺点，可以根据实际需求选择合适的生长方法。

在碲锌镉单晶体的生长过程中，常见的缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷主要是指晶格中的原子缺失或位错，例如碲位点和锌位点的缺失。

这些点缺陷会影响晶体的电子结构和导电性能，从而影响器件的性能。

线缺陷指晶格中的一维缺陷，例如晶体中的位错线和螺旋线。

这些线缺陷会导致晶体的机械强度下降和光学性能变差。

面缺陷是指晶格中的二维缺陷，例如晶界和堆垛层错。

这些面缺陷会影响晶体的晶体结构和晶粒的生长方向。

这些缺陷的形成机制复杂多样。

在碲锌镉单晶体的生长过程中，温度梯度和晶体生长速度的变化会导致晶体内部的应力和应变分布不均匀，从而引发缺陷的形成。

此外，杂质的存在也会影响缺陷的形成。

例如，过量的碲会导致点缺陷的增加，而过量的锌和镉则会引发线缺陷和面缺陷的形成。

此外，晶体生长过程中的污染物和气氛条件也会对缺陷的形成起到重要作用。

为了减少碲锌镉单晶体中的缺陷，可以采取一些措施。

首先，需要优化生长条件，控制温度梯度和晶体生长速度，以减少应力和应变的积累。

其次，可以通过控制原料气体的纯度和熔点温度，减少杂质的含量，从而减少缺陷的形成。

此外，还可以采用掺杂和退火等方法，修复已经形成的缺陷，提高晶体的质量和性能。

碲锌镉单晶体的生长过程中会出现各种缺陷，这些缺陷对晶体的性能和稳定性产生重要影响。

通过优化生长条件和控制杂质含量，可以减少缺陷的形成。