X射線衍射形貌術在碲鋅鎘晶體中的應用

孫士文，隋淞印，何 力，周昌鶴，虞慧嫻，徐 超

(中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海200083)

1 引言

碲鋅鎘(Cd1－xZnxTe)單晶材料是制備高性能長波、甚長波碲鎘汞紅外焦平面探測器的最佳襯底材料［1－2］，在制備 X 和 γ 射線探測器［3－4］、太陽能電池［5］等方面也有著廣闊的應用前景。因此，高質量碲鋅鎘單晶體的制備一直倍受關注［6－10］。碲鋅鎘晶體中存在著各種典型晶體缺陷［11－12］，X射線衍射形貌術［13］(X －ray Diffraction Topography，簡稱X射線形貌術或X光貌相)是一種非破壞性地研究晶體材料結構完整性、均勻性的有效方法，該方法具有樣品制備方便、實驗重復性好等優點，可直觀地對大面積晶體材料的結構均勻性進行整體觀察。2003年 Bede公司Bowen等［14］提出了一種反射式X射線衍射形貌術，該方法設備簡單易用，測試速度快，原理上對大樣品尺寸沒有限制。本文將反射式X射線衍射形貌術用于碲鋅鎘晶體質量的評價，并研究了入射線狹縫寬度、積分時間、掃描步長等測試參數以及樣品表面加工狀態對X射線衍射形貌的影響。

2 實驗

碲鋅鎘單晶采用垂直布里奇曼法(Vertical Bridgman Method)生長，單晶經過切、劃、磨、拋等加工工藝制備成(111)襯底［10］。使用BedeScanTM型X射線衍射貌相分析儀測試襯底的X射線衍射形貌，分析襯底的晶格完整性，該設備的結構與測試原理如圖1所示。X光光源采用Cu靶Kα射線，入射光源為線光源，長度10 mm，入射線狹縫寬度為 4～0．5 mm可調，CCD探測器像元尺寸為10μm。影響X射線衍射成像質量的測試參數主要有入射線狹縫寬度，樣品掃描步長和積分時間。本文如無特殊說明，正常測試時碲鋅鎘襯底表面為機械化學拋光表面，入射線狹縫寬度為0．5 mm，樣品掃描步長X為0．04 mm，積分時間 T 為0．4 s。

圖1 BedeScanTM型X射線衍射形貌分析儀Fig．1 A BedeScanTM X －Ray Defect Mapping Tool

3 實驗結果與討論

3．1 入射線狹縫寬度對X射線衍射形貌的影響

圖2 采用不同入射線狹縫寬度獲得的碲鋅鎘襯底的X射線衍射形貌Fig．2 X －ray topography images of a CdZnTe substrate taken by using the slitwith the width

為了研究入射線狹縫寬度對X射線衍射形貌的影響，分別采用2 mm和0．5 mm狹縫對同一片碲鋅鎘襯底進行測試，結果如圖2所示。圖2(a)采用的是2 mm的寬狹縫，在圖中A、B、C、G等區域圖像襯度均勻，未見明顯缺陷;在D、E、F、H等區存在不同表現形式的小角晶界缺陷。圖2(b)采用的是0．5 mm的窄狹縫，在圖中A'區能夠清晰的看到許多鑲嵌結構，在C'區也能看到類似的鑲嵌結構，但清晰度沒有A'區高，在B'區能夠清晰的看到許多平行線結構，以上這些缺陷在圖2(a)中都沒有被觀察到;在D'、E'、F'等區也看到了不同表現形式的小角晶界缺陷，但是圖像清晰度比圖2(a)高;另外，與圖2(a)不同的是，G'區衍射襯度明顯下降，H'區幾乎沒有衍射襯度，A'、B'、C'區的襯度也比圖2(a)相同區域的襯度低。

通過上述對圖2(a)、圖2(b)兩圖的比較可知，入射線狹縫寬度會直接影響缺陷的分辨率，這與入射線的發散度有關。寬狹縫的入射線發散度大，則圖像的噪聲較大，輕微缺陷的衍射襯度差會被圖像噪聲掩蓋;窄狹縫的入射線發散度小，圖像噪聲小，缺陷分辨率高。

另一方面，寬狹縫的入射線發散度大，則點陣取向差和點陣晶格畸變較大的缺陷也能滿足衍射條件，小角晶界等缺陷也可以獲得較好的衍射圖像，存在組分分凝、晶片翹曲等問題的襯底也能獲得整個晶片的衍射成像。相反，窄狹縫的入射線的發散度小，小角晶界、組分分凝、晶片翹曲等引起的衍射角度的變化會導致衍射襯度降低甚至無法成像。

3．2 積分時間與掃描步長對X射線衍射形貌的影響

圖3 在不同測試條件下碲鋅鎘襯底的X射線衍射形貌Fig．3 X －ray topography images of a CdZnTe substrate taken by the parameters

積分時間、掃描步長的選擇與狹縫寬度密切相關。使用寬狹縫，掃描條紋寬，掃描步長可以較大，另外，寬狹縫的入射線的強度大，所需積分時間短;使用窄狹縫，掃描條紋窄，掃描步長要小，如果掃描步長太大，超過衍射條紋寬度，兩步中間部分就會沒有衍射成像;另外，窄狹縫的入射線的強度小，所需積分時間長。為了研究積分時間與掃描步長對X射線衍射形貌的影響，選擇寬度為0．5 mm的狹縫，分別采用不同積分時間和掃描步長對同一片碲鋅鎘襯底進行測試，結果如圖3所示。圖中顯示的線狀及點狀缺陷是襯底內的夾雜帶顯露在襯底表面所形成的X射線衍射形貌，從圖3(a)、(b)、(c)的比較中可看到，當掃描步長X為0．04 mm時，隨著積分時間T從0．2 s增加到0．5 s，圖像信噪比明顯提高，但是揭示的缺陷并沒有變化。圖3(d)與圖3(c)相比，當積分時間 T為 0．5 s，樣品掃描步長從0．04 mm減小到0．02 mm時，圖像信噪比進一步提高，揭示的缺陷仍然沒有變化。由此可知，積分時間、掃描步長等測試參數會影響圖像的性噪比，同時影響圖像的質量，但不會對缺陷的揭示產生影響。

3．3 樣品表面狀態對X射線衍射形貌的影響

對一片尺寸為20 mm×30 mm的碲鋅鎘襯底先后進行Everson腐蝕和機械化學拋光處理，在每次處理后都采用相同參數測試X射線衍射形貌，結果如圖4所示。從圖4(a)、(b)兩圖的比較中可看到，在圖4(a)上可見到一些“白點”或“白線”等缺陷，但是在圖4(b)上未見到這些缺陷。這是由于在操作樣品過程中鑷子等對樣品表面劃傷，襯底晶格產生嚴重畸變，不滿足衍射條件，因而在X射線形貌圖上表現為“白點”或“白線”。該表面經機械化學拋光后，這些劃傷缺陷被完全去除。除此之外，在兩圖上都能看到鑲嵌結構缺陷，而且分布特征相同。但是，圖4(b)的圖像顏色較深，襯度均勻，圖像信噪比較好。圖4(a)的貌相圖信噪比較差，但是缺陷顯示更清晰。這是由于腐蝕表面上，缺陷處腐蝕坑密度相對較高，表面粗糙度較大，腐蝕表面上缺陷處的粗糙度增大了X射線衍射形貌的對比度，使缺陷顯示更清晰，但是，粗糙的表面降低了圖像的信噪比。通過對比分析可知，樣品表面的粗糙度對X射線衍射形貌的圖像質量是有影響的，缺陷腐蝕表面有助于提高缺陷衍射形貌的對比度，但不會影響缺陷有無的揭示。

圖4 不同表面狀態條件下碲鋅鎘襯底的X射線衍射形貌Fig．4 X －ray topography images of a CdZnTe substrate whose surface were treated

4 結論

反射式X射線衍射形貌術是一種非破壞性研究碲鋅鎘襯底晶體結構缺陷的有效方法，該方法測試速度快(測試一片30 mm×40 mm碲鋅鎘襯底約需10 min)，反射貌相圖反映的晶體缺陷信息豐富，缺陷分辨率高，適用于襯底晶體質量的無損檢測篩選。

入射線狹縫寬度對碲鋅鎘襯底的X射線衍射成像影響很大。使用寬狹縫，掃描速度快，測試動態范圍大;使用窄狹縫，缺陷分辨率高，但是掃描速度慢，測試動態范圍小。改變積分時間、樣品掃描步長等測試參數會影響圖像的性噪比，缺陷腐蝕表面有助于提高缺陷衍射形貌的對比度，但不會影響缺陷有無的揭示。入射線狹縫寬度、積分時間、樣品掃描步長等測試參數的選擇應根據晶片缺陷情況，缺陷分辨率要求，掃描速度要求，以及圖像質量要求等方面綜合考慮。

致 謝:感謝襯底組同事在晶體生長與襯底制備方面所做的工作，感謝楊建榮老師對本文研究內容的有益討論和指導。

［1］ Reddy M，Peterson JM，Vang T，et al．Molecular beam epitaxy growth of HgCdTe on large－area Si and CdZnTe substrates［J］．Journal of Electronic Materials，2011，40(8):1706－1716．

［2］ GAO Da，WANG Cong．History and status of dual－ color HgCdTematerial technoogy［J］．Laser ＆ Infrared，2013，43(08):859 －963．(in Chinese)高達，王叢．碲鎘汞雙色材料技術發展及現狀［J］．激光與紅外，2013，43(08):859 －863．

［3］ Zhang Q S，Zhang C Z，Lu Y Y，et al．Progress in the Development of CdZnTe Unipolar Detectors for Different Anode Geometries and Data Corrections［J］．Sensors，2013，13(2):2447－2474．

［4］ Zha G Q，Xiang H，Liu T，et al．The analysis of X － ray response of CdZnTe detectors［J］．Science China － Technological Sciences，2012，55(8):2295 －2299．

［5］ Yang R L，Bai Z Z，Wang D Z，et al．High efficient thin film CdTe solar cells［J］．Proceedings of the 2013 Spanish Conference on Electron Devices，2013:341 － 344．

［6］ SUN Shi－wen，LIU Cong － feng，FANG Wei－ zheng，et al．The Qualities of Cadmium Zinc Telluride Single Crystals Grown From Different Materials Crucibles［J］．Laser＆ Infrared，2007，37(S):924 －927．(in Chinese)孫士文，劉從峰，方維政，等．采用不同材料坩堝對碲鋅鎘晶體質量的影響［J］．激光與紅外，2007，37(S):924－927．

［7］ XU Xiu － juan，SHEWei－ lin，ZHOU Cui，et al．Study on the Zn composition test in cadmium zinc telluride crystal by photoluminescence［J］．Laser ＆ Infrared，2013，43(01):54 －57．(in Chinese)許秀娟，折偉林，周翠，等．碲鋅鎘晶體Zn組分的光致發光實用化研究［J］．激光與紅外，2013，43(01):54－57．

［8］ GONG Feng，ZHOU Li－ qing，LIU Xing － xin，et al．Research on Growth and Properties of CdZnTe Single Crystall［J］．Laser ＆ Infrared，2004，34(5):362 － 363．(in Chinese)鞏鋒，周立慶，劉興新，等．優質碲鋅鎘單晶的生長及性能測試［J］．激光與紅外，2004，34(5):362 －363．

［9］ LIU Ke－yue，WANG Jin －yi，LANGWei－he． The Growth Research(Summary)of CdZnTe Crystal for the Epitaxy Substrate of HgCdTe［J］．Laser＆ Infrared，1997，27(4):215 －218．(in Chinese)劉克岳，王金義，郎維和．外延襯底用CdZnTe晶體進展［J］．激光與紅外，1997，27(4):215 －218．

［10］ Sun SW，Zhou C H，Yu H X，et al．Progress in the CdZnTe single crystal growth and substrates fabrication［C］．International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2013:Infrared Imaging and Applications，2013:8907．

［11］ Cui X P，FangW Z，Sun SW，et al．Characteristics of the dislocations in CdZnTe crystals revealed by etch pits［J］．Journal of Crystal Growth，2011，321(1):40 －44．

［12］ Sheng F F，Cui X P，Sun SW，et al．Etch pits of precipitates in CdZnTe crystals on(111)B surface［J］．Journal of Crystal Growth，2012，354(1):76 －80．

［13］ David R．Black and Gabrielle G．Long，X － Ray Topography［M］．Washington:U．S．Goverment Printing Office，2004:1．

［14］ Bowen D K，Wormington M，Feichtinger P．A novel digital X －ray topography system［J］．Journal of Physics D－Applied Physics，2003，36(10A):A17 － A23．