Preparation of Experiments on Growing Zinc–Cadmium Telluride Crystals in Microgravity

А. S. Аzhgalieva; Ажгалиева А. С.; Е. B. Borisenko; Борисенко Е. Б.; D. N. Borisenko; Борисенко Д. Н.; А. Е. Burmistrov; Бурмистров А. Е.; N. N. Кolesnikov; Колесников Н. Н.; А. V. Тimonina; Тимонина А. В.; А. S. Senchenkov; Сенченков А. С.; Т. N. Fursova; Фурсова Т. Н.; О. F. Shakhlevich; Шахлевич О. Ф.

doi:10.31857/S1028096024020132

Preparation of Experiments on Growing Zinc–Cadmium Telluride Crystals in Microgravity

Authors: Аzhgalieva А.S.¹, Borisenko Е.B.¹, Borisenko D.N.¹, Burmistrov А.Е.², Кolesnikov N.N.¹, Тimonina А.V.¹, Senchenkov А.S.², Fursova Т.N.¹, Shakhlevich О.F.¹
Affiliations:
1. Osipyan Institute of Solid State Physics of the RAS
2. Research and Development Institute for Launch Complexes
Issue: No 2 (2024)
Pages: 89-93
Section: Articles
URL: https://bakhtiniada.ru/1028-0960/article/view/257517
DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096024020132
EDN: https://elibrary.ru/AWSFMJ
ID: 257517

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Cd_1-xZn_xTe crystals are necessary for the production of ionizing radiation detectors widely used in science, technology, medicine and other fields. Internal stresses during crystallization lead to generation of dislocations and low-angle boundaries. Typical problem of melt crystal growth of Cd-Zn-Te compounds are tellurium inclusions, which deteriorate detector performance. Microgravity conditions provide unique opportunities for growing high-quality crystals due to the absence of convection, more equilibrium conditions of melt mixing, and a decrease in internal stresses. Since the properties of such crystals strongly depend on the production conditions, seeds and a feed ingot with specified compositions and structure are required. Ampoules with two compositions of materials have been prepared for the space experiment. Crystals of different compositions Cd_0.96Zn_0.04Te and Cd_0.9Zn_0.1Te were produced for two charges. They consist of an oriented seed, solvent, and feeding ingot, which are single-phased, single crystalline, have certain crystallographic orientation, meet demands for growth of Cd–Zn–Te crystals in microgravity. Ampoules containing these materials were sent to International Space Station for crystal growth on equipment already assembled at “Nauka” station.

Keywords

crystal growth, travelling heater method, microgravity, semiconductors, zinc-cadmium telluride, microstructure, X-ray phase analysis

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Кристаллы теллурида цинка-кадмия (CZT) с содержанием до 10% цинка в твердом растворе на сегодняшний день являются одним из ключевых материалов для изготовления детекторов ионизирующего излучения. Атомы теллура Te и кадмия Cd имеют высокие атомные номера, что обусловливает большую эффективность торможения гамма-, альфа- и рентгеновского излучения. Это позволяет использовать меньшие объемы материала при создании рентгеновских детекторов по сравнению с другими популярными полупроводниками. Большая ширина запрещенной зоны полупроводников типа A^IIB^VI позволяет детекторам из этих материалов работать при сравнительно высоких температурах, а CZT некоторых составов можно использовать в качестве детекторов даже без охлаждения, при комнатной температуре [1–7]. Также для них характерно высокое пропускание в инфракрасном диапазоне спектра излучения (0.8–25 мкм). В связи с этим CZT является перспективным материалом для инфракрасной оптики и электрооптики. Кроме того, кристаллы CZT используют в качестве подложек для эпитаксиального наращивания слоев Cd_1–хHg_хTe, применяемых в качестве инфракрасных детекторов [7–12]. Кристаллы CZT являются более предпочтительным материалом в качестве подложки по сравнению с Si, Ge и GaAs из-за химической совместимости и возможности эпитаксиального согласования решеток [13–15]. В последнее время ведутся разработки технологий роста этих кристаллов из расплава. При всех методах роста неизбежны массовые потери, возможно нарушение стехиометрии за счет разности давлений паров компонентов, образование включений фаз из компонентов при кристаллизации и наличие остаточных примесей. Предпосылки для исследований в космических условиях состоят в том, что создание CZT при микрогравитации приводит к более однородному составу кристаллов, удельное электросопротивление материала CZT увеличивается вдвое, снижается концентрация включений теллура, и в 3–4 раза уменьшается их средний размер [16].

МЕТОДИКА

Для первой серии экспериментов подготовлены ампулы с образцами двух составов Cd_0.96Zn_0.04Te и Cd_0.9Zn_0.1Te, состоящие из ориентированной затравки, растворителя и питающего слитка. Исходные кристаллы для загрузки (питающего слитка) были выращены из предварительно синтезированного сырья методом вертикальной зонной плавки под давлением аргона по методике, разработанной в ИФТТ РАН [17].

Состав загрузок контролировали методом рентгенофазового анализа с помощью рентгеновского дифрактометра Siemens D-500 BRAUN (излучение CuK_α), рентгеноспектрального анализа с помощью энергодисперсионного спектрометра INCA Energy 450. Также для контроля состава была проведена съемка спектров пропускания в видимом диапазоне на спектрофотометре Agilent Cary 5000 высокого разрешения. Оптическая спектроскопия также была использована для вычисления ширины запрещенной зоны, определенной при комнатной температуре. Структурный анализ выращенных кристаллов выполнен параллельно плоскости затравки на установке УРС-2. С помощью световой микроскопии определены плотности дислокаций, малоугловых границ и включений второй фазы, выявленных методом селективного травления. Для избирательного химического травления применяли раствор 10% Br в метаноле. Использовали микроскопы Neophot-2 и Meiji MT9930.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

Для синтеза исходных материалов использовали Cd, Zn и Te высокой чистоты (99.9999%). Исходные компоненты в соответствующих пропорциях смешивали и помещали в кварцевую ампулу, которую затем откачивали до остаточного давления 0.13 Па. Запаянные ампулы помещали в горизонтальную трубчатую печь при комнатной температуре и выводили в режим синтеза следующим образом: до температуры плавления теллура (~450°С) скорость нагрева была ~25°С/ч, затем скорость нагрева уменьшали до 10°С/ч; нагрев проводили до ~1110°С и выдерживали при этой температуре 24 ч. Затем проводили охлаждение до комнатной температуры со скоростью 20°С/ч. Из полученной шихты в графитовых тиглях методом вертикальной зонной плавки под давлением аргона 10 МПа со скоростью 5 мм/ч и градиентом температуры на фронте 30°С/см вытягивали монокристаллы, ориентированные вдоль <110>.

Из этих кристаллов готовили затравки, ориентированные по {110}. Пример лауэграммы показан на рис. 1. В качестве загрузки (питающего слитка) использовали кристаллические слитки CZT соответствующих составов. Растворитель c составами Te + (9 ± 1)%CdTe, Te + (10 ± 1)%CdTe предназначен для осуществления процесса роста кристалла методом движущейся зоны с избыточным содержанием теллура.

Рис. 1. Лауэграмма образца состава Cd_0.96Zn_0.04Te

Затравку, питающий слиток и растворитель помещали в ампулу с пироуглеродным покрытием внутренних стенок. Ампулы для выращивания кристаллов в космосе были разработаны в ИФТТ РАН [18]. Схема ампулы и общий вид с загрузкой показаны на рис. 2.

Рис. 2. Ампула для выращивания кристаллов в условиях микрогравитации: а) – сборочный чертеж: 1 – ампула, 2 – затравка, 3 – зона растворителя, 4 – питающий слиток, 5 – вставка, 6 – пружина, 7 – наполнитель, 8 – пробка; б) – общий вид с загрузкой после сборки и герметизации

Для выращивания кристаллов в условиях микрогравитации будет использован метод движущейся зоны растворителя. Он позволяет снизить температуру процесса до ~800°С по сравнению с методами выращивания из расплава. При таких температурах кристаллизации растворимость избыточного теллура в твердом CZT снижается, тем самым ограничивая образование выделений теллура в кристалле при его охлаждении [16]. Кроме того, снижение температуры кристаллизации позволяет избежать образования двойников, неизбежно возникающих при выращивании методом Бриджмена в процессе охлаждения и перехода из высокотемпературной фазы вюрцита в стабильный сфалерит [19, 20]. Поскольку метод включает растворение исходного материала и осаждение на границе роста, решена проблема сегрегации Zn. Таким образом, обеспечена однородность состава выращиваемого слитка в макро-масштабе, что приводит к получению продукции со значительно более низкой стоимостью. Кроме того, уменьшаются затраты энергии, что важно для оборудования, размещаемого на космических объектах.

Для выращивания в космических условиях в НИИ СК им. В.П. Бармина разработана автоматизированная установка МЭП-01 с возможностью последовательной загрузки нескольких ампул в печь.

Для контроля состава материалов, предназначенных для затравки, растворителя и питающего слитка было проведено исследование элементного и фазового состава. Из данных на рис. 3. видно, что кристалл представляет собой твердый раствор Zn в CdTe. Распределение элементов по оси роста показано на рис. 4. Также состав материалов контролировали оптически по ширине запрещенной зоны. Для этого была проведена съемка спектров пропускания образцов в видимом диапазоне (рис. 5). Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре для образцов состава Cd_0.96Zn_0.04Te и Cd_0.9Zn_0.1Te составляет 1.53 и 1.57 эВ соответственно. Плотность дислокаций в среднем на уровне 10³ см^–2. Это существенно меньше обычного значения в этих кристаллах [21].

Рис. 3. Результаты рентгенофазового анализа образца состава Cd_0.96Zn_0.04Te

Рис. 4. Осевое распределение компонентов кристалла состава Cd_0.9Zn_0.1Te по данным рентгеноспектрального анализа

Рис. 5. Спектры пропускания образцов состава Cd_0.9Zn_0.1Te (а) и Cd_0.96Zn_0.04Te (б) в видимом диапазоне: резкое изменение пропускания происходит при длине волны излучения 790 и 817 нм соответственно

Таким образом, получены кристаллы для загрузок двух составов однофазные, монокристаллические, выбранной ориентации, с малой плотностью дислокаций, отвечающие необходимым требованиям для выращивания кристаллов CZT в условиях микрогравитации. Ампулы с материалами отправлены на МКС для выращивания в условиях микрогравитации на ростовом оборудовании, уже установленном в модуле “Наука”.

Конфликт интересов. Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.