專利名稱：移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)法生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)碲鋅鎘晶體生長(zhǎng)方法和裝置，屬特殊晶體生長(zhǎng)工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于CdZnTe(CZT)具有較高的平均原子序數(shù)和較大的禁帶寬度，所以CZT探測(cè)器 具有較大的吸收系數(shù)、較高的計(jì)數(shù)率，尤其是不需任何的冷卻設(shè)備就能在室溫下工作，因而 體積較小、使用更加方便。目前，CZT探測(cè)器的廣泛應(yīng)用主要受到晶體性能、體積和成本等 幾方面的限制，晶體的制備方法主要是采用高壓布里奇曼法或改進(jìn)的垂直布里奇曼法生長(zhǎng) CZT晶體。但是，這兩種方法通常為了獲得高阻晶體，常采用摻入淺施主雜質(zhì)來補(bǔ)償晶體中 的淺受主的辦法來實(shí)現(xiàn)，但使兩者濃度接近相等是難以達(dá)到的，必需引入深能級(jí)來“釘扎” 剩余淺能級(jí)。但是深能級(jí)是陷阱和復(fù)合中心，如引入的深能級(jí)密度如大于1013/Cm3，將極大 地降低μ τ (載流子壽命與遷移率的乘積)值。為此研究人員做了大量的研究工作，提出 了許多方法，如設(shè)法加強(qiáng)淺缺陷的自補(bǔ)償，以此來減少對(duì)深能級(jí)的需求。但是種種措施都要 建立在晶體中雜質(zhì)濃度足夠低的條件下才有意義。一味地追求高純?cè)喜粫?huì)是一條有效的 途徑，絕對(duì)的高純是不可能實(shí)現(xiàn)的，即使采用最好的7Ν原料，仍然不可避免來自石英管壁、 碳膜中的和裝料封管過程中引入的鈉等雜質(zhì)元素的污染，因此開拓一種能在晶體生長(zhǎng)過程 中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提純、排雜的方法是進(jìn)一步提升晶體質(zhì)量獲得具有高分辨率能譜級(jí)晶體的重要 途徑。而移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)法恰恰具有能滿足這一要求的優(yōu)勢(shì)，采用移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)法， 晶體的生長(zhǎng)溫度可以從原來的1150°C下降到700 900°C，這將極大地減少來自石英管的 雜質(zhì)對(duì)熔體的污染，更為重要的是移動(dòng)溶劑熔區(qū)法在生長(zhǎng)過程中存在一個(gè)區(qū)熔的過程，所 以在生長(zhǎng)過程中由于雜質(zhì)分凝，能極大地降低雜質(zhì)的濃度。另外，移動(dòng)碲溶劑法采用籽晶引 晶可以實(shí)現(xiàn)晶體定向生長(zhǎng)，提高晶體單晶體積和成品率。有利于獲得大體積單晶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題本發(fā)明提供了一種碲溶劑熔區(qū)法制備CdhZnxTe (χ = 0.04 0.8)晶體的方法及其裝置。本發(fā)明能夠在700 900°C的溫度下制備碲鋅鎘晶體。 在生長(zhǎng)管中設(shè)計(jì)一段含Te量較高的區(qū)域(富Te30% 80wt% )，稱為富Te合金熔區(qū)，生 長(zhǎng)時(shí)此區(qū)域由高頻電磁感應(yīng)加熱器加熱使其成為由Te作溶劑的飽和溶液，然后隨著爐體 上升，熔體上部不斷溶解多晶棒，下部不斷析出碲鋅鎘單晶體，即實(shí)現(xiàn)了 Te熔區(qū)的移動(dòng)，最 終，Te熔區(qū)完全通過多晶棒，碲鋅鎘單晶全部析出到籽晶上后生長(zhǎng)完成。采用本發(fā)明生長(zhǎng) 碲鋅鎘晶體顯著降低了晶體的生長(zhǎng)溫度和晶體中雜質(zhì)濃度。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)法生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體的方法，包括以下步驟
①按照化學(xué)計(jì)量配比將滿足CcUZnxTe (χ = 0. 04 0. 8)的純度為99. 99999% (后稱作“7N”)的高純Cd、Zn、Te原料裝入平底合料高純石英管內(nèi)，抽真空至2. 5X 10_4Pa 后封結(jié)石英管，并在搖擺爐中合料，記為多晶棒；②按照化學(xué)計(jì)量配比將滿足CcUZnxTe (χ = 0. 04 0. 8)的7Ν高純Cd、Zn、Te原 料裝入另一高純石英管內(nèi)，加入原料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為30% 80%的過量Te并在搖擺爐中合 料，抽真空至2. 5 X ICT4Pa后封結(jié)石英管，記為富Te合金；③將合成好的的多晶棒、富Te合金取出清洗、腐蝕，去除表面雜質(zhì)和污染，然后按 照籽晶(成分與多晶棒相同)、富Te合金、多晶棒的順序進(jìn)行裝料，抽真空至2. 5Χ ICT4Pa后 封結(jié)。④將長(zhǎng)晶管放入晶體生長(zhǎng)爐中，使富Te合金區(qū)域完全處于高頻電磁感應(yīng)加熱器 中，高頻電磁感應(yīng)加熱器加熱富Te合金，高頻電磁感應(yīng)加熱器溫度設(shè)置為700 950°C，電 阻加熱器溫度設(shè)置為400 600°C，調(diào)整爐體使高頻電磁感應(yīng)加熱器處于長(zhǎng)晶管中富Te合 金區(qū)域并使富Te合金完全熔融成為飽和溶液；下部電阻加熱器為生長(zhǎng)出的晶體保溫，減少 晶體內(nèi)部應(yīng)力，并與高頻電磁感應(yīng)加熱器一起為晶體生長(zhǎng)界面提供合適的溫度梯度(7 2000C /cm)，上部電阻加熱器對(duì)多晶棒預(yù)熱。保溫20 50小時(shí)后以0. 02 2mm/h的速度 上升爐體，同時(shí)通過支撐桿使長(zhǎng)晶管勻速旋轉(zhuǎn)；隨著爐體上升，多晶棒下方與熔體接觸的固 液界面附近的多晶因溫度升高而溶解度增大，使多晶料溶入熔體；同時(shí)，籽晶上表面即與熔 體的界面附近溫度下降，CZT從熔體中析出到籽晶表面，最終，隨著高頻電磁感應(yīng)加熱器走 過整個(gè)石英管，多晶棒全部通過富Te合金區(qū)并沿籽晶的晶向再結(jié)晶到籽晶上。一種采用移動(dòng)Te溶劑熔區(qū)生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體的方法所用的專用裝置，該裝置包括 爐體、可旋轉(zhuǎn)支撐桿、單臺(tái)階式平底長(zhǎng)晶管(后稱“長(zhǎng)晶管”)；其特征在于爐體為三溫區(qū)加 熱爐，其中上下溫區(qū)采用普通電阻絲加熱，中間溫區(qū)采用高頻電磁感應(yīng)加熱，爐體可實(shí)現(xiàn)速 率從0. 02 2mm/h，0. 01進(jìn)度可調(diào)的垂直移動(dòng)；可旋轉(zhuǎn)支撐桿能夠穩(wěn)定支撐生長(zhǎng)管，并且可 實(shí)現(xiàn)勻速旋轉(zhuǎn)；合料石英管采用平底等直徑石英管；長(zhǎng)晶管采用單階式平底石英管，中間 采用一個(gè)臺(tái)階是用來防止生長(zhǎng)初期多晶棒塌陷到富Te合金熔體中；支撐桿采用上端中空， 帶錐度剛玉管，上端錐度保證與長(zhǎng)晶管頭部相匹配，保證能夠穩(wěn)定支撐長(zhǎng)晶管。本發(fā)明方法的特點(diǎn)是與過去常用的布里奇曼法碲鋅鎘晶體生長(zhǎng)法不同布里奇曼法生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體，生長(zhǎng)溫度較高在1150°C左右。采用移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)法 生長(zhǎng)CcVxZnxTe (χ = 0. 04 0. 8)晶體，晶體的生長(zhǎng)溫度可以從1150°C下降到700 900°C， 這將極大地減少來自石英管的雜質(zhì)對(duì)熔體的沾污，更為重要的是移動(dòng)溶劑熔區(qū)法在生長(zhǎng)過程 中存在一個(gè)區(qū)熔的過程，所以在生長(zhǎng)過程中由于雜質(zhì)分凝，能極大地降低雜質(zhì)的濃度，如Na， Ag等(Na和Ag在CZT中的分凝系數(shù)分別為0.001和0.05)。另外，移動(dòng)碲溶劑法采用籽晶引 晶可以實(shí)現(xiàn)晶體定向生長(zhǎng)，提高晶體單晶體積和成品率。有利于獲得大體積單晶。



圖1為移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)法碲鋅鎘晶體生長(zhǎng)示意圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一本發(fā)明的碲鋅鎘晶體生長(zhǎng)是通過移動(dòng)Te溶劑熔區(qū)法及其專用裝置來實(shí)現(xiàn)的。參見圖1，本發(fā)明中所用的晶體生長(zhǎng)裝置包括爐體1、長(zhǎng)晶管2、及可旋轉(zhuǎn)支撐桿3 其中爐體1有兩端的電阻加熱器4和中間的高頻電磁感應(yīng)加熱器5組成；原料按籽晶、富Te 合金、多晶棒的順序裝入長(zhǎng)晶管中2抽真空后封接；長(zhǎng)晶管2置于匹配可旋轉(zhuǎn)支撐桿3上保 證長(zhǎng)晶管2處于垂直穩(wěn)定狀態(tài)；爐體1處于長(zhǎng)晶管2外圍，爐體垂 直可調(diào)。富Te合金區(qū)位 于高頻電磁感應(yīng)加熱器5處；生長(zhǎng)開始時(shí)，爐體2以一定的速度上升，同時(shí)支撐桿3以一定 的速度勻速旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明實(shí)例的具體工藝步驟方法如下所述(1)首先將滿足化學(xué)計(jì)量配比的Cda 9Zn0. Je的7N高純?cè)涎b入高純石英管內(nèi)，抽 真空至2. 5X ICT4Pa后封結(jié)，放入搖擺爐中合料，得到多晶棒；(2)將化學(xué)計(jì)量配比將滿足Cda9Zna Je的7N高純?cè)涎b入另一高純石英管內(nèi)，再 加入原料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為35%的過量Te后抽真空至2. 5X 10_4Pa后封結(jié)放入搖擺爐中合成， 得富Te合金；(3)將合成好的富Te合金、多晶棒及預(yù)先準(zhǔn)備好的籽晶清洗、腐蝕，去除表面雜質(zhì) 和沾污，然后按照籽晶(成分與多晶棒相同)、富Te合金、多晶棒的順序裝入長(zhǎng)晶管2中。 抽真空至2. 5 X ICT4Pa后封結(jié)；(4)將封結(jié)好的長(zhǎng)晶管2置于與之匹配的可旋轉(zhuǎn)支撐桿3上，保證長(zhǎng)晶管2垂直、 平穩(wěn)；(5)調(diào)爐體1的位置，使高頻電磁感應(yīng)加熱器5完全覆蓋富Te合金區(qū)，將高頻電磁 感應(yīng)加熱器加熱升溫至900°C，電阻加熱器升溫至500°C，保溫24小時(shí)后，設(shè)置爐體1上升 速度為0. 02mm/h。待加熱器全部通過多晶棒后，生長(zhǎng)完成。取出晶體，去除頭部籽晶段和尾 部富Te合金區(qū)，中間部分即為移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)法生長(zhǎng)出的碲鋅鎘晶體。實(shí)施例二 本實(shí)施例采用上述實(shí)施例一中同樣的生長(zhǎng)裝置。本實(shí)施例中的生長(zhǎng)工藝步驟與上述實(shí)施例一完全相同，不同的是改變了一些工藝 參數(shù)。其不同的工藝參數(shù)是(1)富Te合金中的富Te量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%; (2)生長(zhǎng)時(shí)高頻 電磁感應(yīng)加熱器的溫度設(shè)置為872°C。最終得到碲鋅鎘晶體。實(shí)施例三本實(shí)施例采用上述實(shí)施例一中同樣的生長(zhǎng)裝置。本實(shí)施例中的生長(zhǎng)工藝步驟與上述實(shí)施例一完全相同，不同的是改變了一些工藝 參數(shù)。其不同的工藝參數(shù)是爐體1的上升速度設(shè)置為0.04mm/h。最終得到碲鋅鎘晶體。采用本發(fā)明的碲溶劑熔區(qū)法生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體的裝置和方法，操作簡(jiǎn)單，降低了晶 體生長(zhǎng)溫度，少了雜質(zhì)的污染，同時(shí)區(qū)熔的過程的存在對(duì)晶體起到了提純的作用，最終獲得 高純度的碲鋅鎘晶體，完全符合作為探測(cè)器材料的要求。毫無疑問，本發(fā)明的碲溶劑熔區(qū)法生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體的裝置和方法除了實(shí)施例中列 舉的參數(shù)和水平變換外還有其他的可變參數(shù)和參數(shù)組合，總之，本發(fā)明的移動(dòng)碲溶劑熔區(qū) 法生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體的裝置和方法的保護(hù)范圍還包括其它相關(guān)參數(shù)的變換和替代。
權(quán)利要求
移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)法生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體的方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟a.按照化學(xué)計(jì)量配比將滿足Cd1-xZnxTe的純度為99.99999％的高純Cd、Zn、Te原料裝入平底合料高純石英管內(nèi)，其中x＝0.04～0.8，抽真空至2.5×10-4Pa后封結(jié)石英管，并在搖擺爐中合料，得到多晶棒；b.按照化學(xué)計(jì)量配比將滿足Cd1-xZnxTe的純度為99.99999％的高純Cd、Zn、Te原料裝入另一高純石英管內(nèi)，其中x＝0.04～0.8，加入原料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為30％～80％的過量Te，抽真空至2.5×10-4Pa后封結(jié)石英管，并在搖擺爐中合料，抽真空至2.5×10-4Pa后封結(jié)石英管，得到Te合金；c.在長(zhǎng)晶管中按照籽晶、富Te合金、多晶棒的順序依次裝料并抽真空至2.5×10-4Pa后封結(jié)石英管，其中籽晶的成分與多晶棒的成分相同；d.將長(zhǎng)晶管放入晶體生長(zhǎng)爐中，高頻電磁感應(yīng)加熱器溫度設(shè)置為700～950℃，電阻加熱器溫度設(shè)置為400～600℃，調(diào)整爐體使高頻電磁感應(yīng)加熱器處于長(zhǎng)晶管中富Te合金區(qū)域并使富Te合金完全熔融成為飽和溶液；保溫20～50小時(shí)后以0.02～2mm/h的速度上升爐體，同時(shí)通過支撐桿使長(zhǎng)晶管勻速旋轉(zhuǎn)；直至高頻電磁感應(yīng)加熱器走過整個(gè)石英管。
2.移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)法生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體的裝置，該裝置由爐體(1)、長(zhǎng)晶管(2)、可旋轉(zhuǎn) 支撐桿(3)所組成，其特征在于爐體(1)由兩端的電阻加熱器(4)和中間的高頻電磁感應(yīng) 加熱器(5)組成，長(zhǎng)晶管⑵放置于支撐桿(3)上，并完全位于爐體⑴內(nèi)；富Te合金區(qū)位 于高頻電磁感應(yīng)加熱器(5)處；生長(zhǎng)開始時(shí)，爐體(2)以一定的速度上升，同時(shí)支撐桿(3) 以一定的速度勻速旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及移動(dòng)碲溶劑熔區(qū)生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體的裝置和方法。屬特殊晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。其特點(diǎn)包括分別將化學(xué)計(jì)量配比滿足Cd1-xZnxTe(x＝0.04～0.8)的99.99999％的高純?cè)涎b入兩支石英管內(nèi)，并向其中一支中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為30％～80％的過量Te，分別抽真空封結(jié)并在搖擺爐中合成得多晶棒和富Te合金；依次將籽晶、富Te合金、多晶棒裝入長(zhǎng)晶管抽真空封接后放入爐體中，富Te合金位置位于高頻電磁感應(yīng)加熱器中，溫度設(shè)置為700～950℃，以0.02～2mm/h的速度上升加熱器，同時(shí)旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)晶管；富Te合金區(qū)域由于過量Te的加入，熔點(diǎn)顯著降低，隨著上升，熔體上部不斷溶解多晶棒，下部不斷析出碲鋅鎘單晶體。采用本發(fā)明生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體顯著降低了晶體的生長(zhǎng)溫度和晶體中雜質(zhì)濃度。
文檔編號(hào)C30B29/46GK101871123SQ20101020120
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者張繼軍, 李輝, 梁小燕, 王東, 王林軍, 閔嘉華, 陳軍 申請(qǐng)人:上海大學(xué)