大家熟悉的金刚石，也就是钻石的原石，是一种半导体单晶。半导体单晶还包括近年来关注的芯片材料单晶硅，除此之外还有单晶锗和多种III-V族化合物半导体等。半导体单晶广泛应用于核辐射探测中。

为什么是半导体？

半导体大家都有所了解，从半导体收音机开始有很多应用，现在已成为重要的战略物资之一。但是你是否知道，直到上世纪三十年代人们还没有认识到半导体的重要性，整块的锗晶体被贴上“不良导电金属”的标签沉睡在实验室里十几年。

图1 1947年贝尔实验室研制的第一个晶体管。图片来自E. E. Haller, Germanium: From its discovery to SiGe devices, Materials science in semiconductor processing 9 (2006) 408-422

后来人们才发现半导体有光敏性、热敏性、掺杂性等独特的性能(即半导体对光、热、杂质含量都有灵敏的反应)，利用这些特性可以开发多种应用。大家看看图片中1947年贝尔实验室研制的第一个晶体管，就知道最近这几十年来的大跨度发展。目前半导体材料已成为芯片产业链上游的核心，国家正在这一领域奋力前行。

为什么是单晶？

再说说更为有趣的单晶。大家对冰糖都很熟悉，冰糖有单晶冰糖和多晶冰糖。自然结晶时总是先出现多个小块单晶，随着单晶慢慢长大，每个单晶连在一起就形成了多晶，所以多晶冰糖的产量远远大于单晶冰糖。

图2 多晶冰糖（左）和单晶冰糖（右）

同样的，半导体晶体也分单晶和多晶。自然结晶的大部分是多晶，在多晶中有小块的单晶存在，如图中画圈的部分是单晶。

图3 多晶锗，图中画圈的部分是单晶。

由于多晶由大量不同取向小体积单晶组成，核辐射探测器一般需要的大体积单晶，只能通过特殊的方法来生长。

怎样生长大体积单晶？

生长大体积单晶有很多种方法，其中一种是硅和锗通用的籽晶提拉法。籽晶，又叫晶种，由高质量单晶制备，像种子一样插入熔体中，通过控制温场、拉速等可以生长出和籽晶性质相同的大体积单晶。

图4 深圳大学高纯锗单晶生长，图中籽晶的制备方法已授权国家发明专利（一种探测器级高纯锗单晶籽晶及其制备方法和应用，ZL 2021 1 0463466.5）。

这个方法对籽晶的品质有非常高的要求，如果种子达不到要求只能长出“歪瓜裂枣”。第一代籽晶采用手工磨制的方法，籽晶同轴性差导致生长的晶体质量达不到要求。

为了解决这个问题，我校高纯锗团队郝昕副教授研发了籽晶精密机械加工的方法，该方法在解决籽晶同轴性的同时，确保了准确的晶向并大幅度提高制备效率和成品率。用这种方法制备了一批籽晶，由籽晶生长的高纯锗单晶多项指标达到探测器制备要求。