一種利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的合成裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的合成裝置和方法。本合成裝置包括加熱氧化鋁爐膛，內(nèi)襯爐膛，控溫系統(tǒng)，反應(yīng)器皿，且可以進行兩段獨立或聯(lián)合升降溫。所述方法通過改變高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫場分布來實現(xiàn)溫度梯度的調(diào)控，通過改變晶料分布方式來實現(xiàn)合成反應(yīng)速率的控制；通過改變高溫區(qū)與低溫區(qū)的溫度減少合成后晶料損失導(dǎo)致的化學(xué)計量比偏移。本發(fā)明的有益效果是：(1)溫度梯度法結(jié)合晶料分布使得反應(yīng)過程勻速可控，消除了因反應(yīng)劇烈而導(dǎo)致的裂管風(fēng)險。(2)合成的錠條在二次換管進行碲鋅鎘單晶生長時幾乎沒有晶料損失，保證了化學(xué)平衡計量比不偏移。(3)可以直接合成規(guī)格2英寸，3英寸和4英寸的各規(guī)格碲鋅鎘多晶錠條。
【專利說明】一種利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的合成裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的反應(yīng)裝置和方法，目的是實現(xiàn)大規(guī)模碲鋅鎘多晶體低風(fēng)險無化學(xué)計量比偏移的合成，屬于半導(dǎo)體材料與器件【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]碲鋅鎘(CdhZnxTe)晶體材料是一種理想的紅外焦平面探測器襯底材料以及優(yōu)越的紅外窗口材料。不僅如此，CdhZnxTe晶體在制備X和、射線探測器、太陽能電池、光調(diào)制器等方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，大面陣紅外焦平面器件需要更大尺寸的碲鋅鎘單晶襯底，而在CdZnTe單晶制備工藝中，成功合成大直徑多晶料則是獲得大尺寸碲鋅鎘單晶襯底的關(guān)鍵如提。
[0003]現(xiàn)階段的大規(guī)模工業(yè)化合成碲鋅鎘過程中經(jīng)常遇到化學(xué)反應(yīng)劇烈產(chǎn)生的石英坩堝容器爆炸問題，導(dǎo)致材料氧化報廢以及設(shè)備損毀而造成很大的經(jīng)濟損失。一般情況下CdZnTe由各元素在液相條件下直接合成。但是由于在合成過程中，Te和Cd會發(fā)生劇烈的反應(yīng)，放出大量的熱量導(dǎo)致石英管內(nèi)鎘壓升高，最終超過石英管耐壓范圍而發(fā)生裂管泄漏。同時，隨著石英管徑的增大，石英坩堝耐壓能力的下降，以及晶料增多后反應(yīng)放出更多的熱量，更加容易導(dǎo)致合成裂管事故。與此同時，晶料在石英管壁上的沉積導(dǎo)致碲鋅鎘多晶料偏離化學(xué)計量比，也會在后期的晶體生長中引起位錯，沉淀等缺陷等。
[0004]當(dāng)前大多的碲鋅鎘合成技術(shù)都主要是參照碲化鎘的合成技術(shù)，不僅單管產(chǎn)量較低，而且并沒有從根本上解決合成時的裂管和晶料損耗問題。發(fā)明專利CN 102086031 A提出了一碲化鎘液相合成方法，該專利中，每次合成的多晶料單管最多為700g，難以滿足生長大直徑碲化鎘的需求。發(fā)明專利CN 103420346 A提出了一種碲化鎘的制備方法，該專利中，將碲化鎘分兩次合成，每批合成都要分開裝入兩次石墨舟以及兩次石英管，并且在合成過程中需要通入惰性氣體和還原性氣體，工藝過程較繁瑣，周期較長。此外還需要在一次合成之后進行精細破碎和篩分，更容易引入二次污染和晶料損耗。發(fā)明專利CN 103409800 A提出了一種大直徑碲化鎘或碲鋅鎘多晶棒料合成裝置及制備方法，該方法采用石英管內(nèi)置加裝塞子的石墨坩堝進行合成，但該方法不能從根本上控制住碲鋅鎘或者碲化鎘合成過程中的反應(yīng)速率，同時在合成過程中依然存在反應(yīng)過于劇烈以及合成之后的晶料損失問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于當(dāng)前碲化鎘或碲鋅鎘合成技術(shù)中存在的相關(guān)問題，本發(fā)明提出了一種采用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶體的裝置和方法。
[0006]本發(fā)明的目的之一是提供一種可供工業(yè)上大規(guī)模合成締鋅鎘的合成設(shè)備。
[0007]本發(fā)明的另外一個目的是提供利用上述設(shè)備合成碲鋅鎘多晶體的方法，該方法可以使得反應(yīng)過程勻速可控，降低了因反應(yīng)劇烈而導(dǎo)致的裂管風(fēng)險。同時保證合成的錠條在二次換管進行碲鋅鎘單晶生長時幾乎沒有晶料損失，確保化學(xué)平衡計量比不偏移。
[0008]為此，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:
[0009]一種利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的反應(yīng)裝置，其構(gòu)成為氧化鋁爐膛7，石英內(nèi)襯管10，后控溫?zé)崤?，后控溫?zé)崤?，石英坩堝8。其特征在于整個爐體外面是由不銹鋼做成的爐體外殼4，外殼4和氧化鋁爐膛7之間用爐體保溫棉2隔絕保溫，整個爐體保溫棉2被中間隔熱塊3分成兩部分獨立的控溫區(qū)，高溫段與低溫段的長度之比為:1:1?1: 2，其分別由前控溫?zé)崤?和后控溫?zé)崤?控制爐體的溫度。石英內(nèi)襯管10在氧化鋁爐膛中7中，石英內(nèi)襯管10中放置石英坩堝8爐膛前后分別用爐口保溫塊I和爐底保溫塊5堵住。
[0010]所述的利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶體的反應(yīng)裝置，其特征在于采用石英內(nèi)襯管10。
[0011]所述的利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的反應(yīng)裝置，其特征在于保溫棉2，為硅酸鋁質(zhì)陶瓷纖維散棉。
[0012]所述的利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的反應(yīng)裝置，其特征在于被中間隔熱塊3為莫來石質(zhì)輕質(zhì)隔熱磚。
[0013]所述的利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的反應(yīng)裝置，其特征在于爐口保溫塊1，爐底保溫塊5，材質(zhì)為硅鋁質(zhì)塞拉纖維毯。
[0014]所述的反應(yīng)裝置利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的方法，其特征在于，所述方法為如下步驟:
[0015](I)在合適的溫度下，在潔凈的石英管內(nèi)部通過丙酮裂解涂上一層均勻牢固的碳膜。
[0016](2)在百級超凈間內(nèi)，取締，鋅，鎘，按照CcUZnxTe中Zn組分的要求，稱量7N的Te，Zn，Cd按照一定的排布方法依次放入石英管中，保證管口處和管底處都是Te塊。排布方法如下:
[0017]①石英管涂炭長度為L，Te塊平均直徑為D1, Cd棒平均長度為D2, Zn在一般情況下，組分相對較少(排在Cd層中)。
[0018]②L = N (DJD2) +D1，N ?3 ?8，N 即為(Te+Cd)的排布層數(shù)。
[0019](3)裝好料的石英管放入除氣爐中，開啟真空泵抽真空，當(dāng)真空度
[0020]達到I X KT5Pa?5X KT5Pa時開始升溫除氣爐，除氣爐溫度范圍在200?300°C。當(dāng)真空度達到IX 10_6Pa?5X 10_6Pa時，將石英管封合。再依次停止抽真空和除氣爐降溫(降溫速率為5°C /h)。
[0021 ] (4)將石英管放入合成爐中，開始升溫和降溫工藝:
[0022]①高溫區(qū)以I?8°C /min的速度升到460?520°C，低溫區(qū)以I?6°C /min的速度升到320°C?400°C，恒溫I?3小時，使得高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度差值在60?200°C之間。
[0023]②以I?6°C /min的速度將高低溫區(qū)升溫，高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度范圍分別為1100?1140°C, 1100?1140°C，均勻化恒溫時間為10?20小時。
[0024]③以I?3°C /min的速度將高溫區(qū)，低溫區(qū)的溫度一起降至1000°C?1100°C的范圍內(nèi)。
[0025]④以I?6°C /min的速度將高溫區(qū)，低溫區(qū)的溫度一起降至10°C?100°C的范圍內(nèi)。
[0026](5)打開爐膛，取出石英管，打開石英管，在超凈室中取出碲鋅鎘多晶產(chǎn)品。
[0027]本發(fā)明具有以下的優(yōu)點:
[0028](I)溫度梯度法結(jié)合晶料分布使得反應(yīng)過程勻速可控，降低了因反應(yīng)劇烈而導(dǎo)致的裂管風(fēng)險。(2)合成的錠條在二次換管進行碲鋅鎘單晶生長時幾乎沒有晶料損失，保證了化學(xué)平衡計量比不偏移。(3)可以直接合成規(guī)格為2英寸，3英寸和4英寸的碲鋅鎘多晶錠條，廣泛適用于各規(guī)格碲鋅鎘多晶錠條的高質(zhì)量連續(xù)合成。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖:⑴爐口保溫塊；(2)爐體保溫棉；⑶中間隔熱塊；(4)不銹鋼爐體外殼；(5)爐底保溫塊；(6)后控溫?zé)崤迹?7)氧化鋁爐膛；(8)石英坩堝；(9)前控溫?zé)崤迹?10)石英內(nèi)襯管。
[0030]圖2是本發(fā)明的溫度梯度法的工藝流程圖。
[0031 ] 圖3是本專利所述方法合成Cda96Zn0.04Te的合成實例的晶料沉積情況:圖a.常規(guī)方法，圖b.具體實施例1，圖c.具體實施例2，圖d.具體實施例3。

【具體實施方式】
[0032]下面通過具體實例對本發(fā)明做進一步闡述，但本發(fā)明提供的優(yōu)選實施例，僅用來舉例說明本發(fā)明，而不對本發(fā)明的范圍作任何限制，任何熟悉此項技術(shù)的人員可以輕易實現(xiàn)的修改和變化均包括在本發(fā)明及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0033]如圖1所示，本發(fā)明的合成裝置包括:一種利用溫度梯度法合成碲鋅鎘(Cdl-xZnxTe)多晶的反應(yīng)裝置，其特征在于，所述裝置包括氧化鋁爐膛，內(nèi)襯爐膛，控溫系統(tǒng)，反應(yīng)器皿。整個爐體外面是由不銹鋼做成的爐體外殼4，外殼4和氧化鋁爐膛7之間用爐體保溫棉2隔絕保溫，整個爐體保溫棉2被中間隔熱塊3分成兩部分獨立的控溫區(qū)，高溫段與低溫段的長度之比為:1:1?1:2，其分別由前控溫?zé)崤?和后控溫?zé)崤?控制爐體的溫度。石英保護內(nèi)襯管10在氧化鋁爐膛中7中，石英保護內(nèi)襯管10中放置石英坩堝8爐膛前后分別用爐口保溫塊I和爐底保溫塊5堵住。
[0034]結(jié)合本專利方法提供的合成裝置，以合成60mm直徑的Cda96Znatl4Te多晶棒為例詳細說明溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的方法。根據(jù)所述步驟，列舉以下具體實施例為參考。
[0035]具體實施例1
[0036]I)在潔凈的石英管內(nèi)部通過丙酮裂解涂上一層均勻牢固的碳膜。
[0037]2)在百級超凈間內(nèi)，根據(jù)所要合成的錠條直徑和長度，按照Cda96Znatl4Te中Zn組分的要求，計算所需要的碲，鋅，鎘高純原料，再用電子天平分別稱量。然后將7N的Te，Zn，Cd按照一定的排布方法依次放入石英管中，保證管口處和管底處都是Te塊。根據(jù)排布方法，得N?6，即配料分為6層。
[0038]3)將配好料的石英管放入除氣爐中，開啟真空泵抽真空，當(dāng)真空度達到IX 10_5Pa時開始對除氣爐加熱，除氣爐溫度在200°C。當(dāng)真空度達到I X KT6Pa時，將石英管封合。再依次停止抽真空和除氣爐降溫(降溫速率為5°C /h)。
[0039]4)將石英管放入合成爐中，開始升溫和降溫工藝:
[0040]①高溫區(qū)以1.50C /min的速度升到460?520°C，低溫區(qū)以1°C /mm的速度升到320°C?400°C，恒溫I小時，使得高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度差值為60?200°C之間。
[0041]②再以rc /min的速度將高低溫區(qū)升溫，高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度分別為1100?1120°C，1100?1120°C的范圍內(nèi)，均勻化恒溫時間為10小時。
[0042]③以1°C /min的速度將高溫區(qū)，低溫區(qū)的溫度一起降至1000°C?1100°C的范圍內(nèi)。
[0043]④以1.50C /min的速度將高溫區(qū)，低溫區(qū)的溫度一起降至20°C?50°C的范圍內(nèi)。
[0044]5)打開爐膛，取出石英管，打開石英管，在超凈室中取出碲鋅鎘多晶產(chǎn)品，得到60mm直徑的Cda96Znatl4Te多晶棒材料。
[0045]具體實施例2
[0046]I)在潔凈的石英管內(nèi)部通過丙酮裂解涂上一層均勻牢固的碳膜。
[0047]2)在百級超凈間內(nèi)，根據(jù)所要合成的錠條直徑和長度，按照Cda96Znatl4Te中Zn組分的要求，計算所需要的碲，鋅，鎘高純原料，再用電子天平分別稱量。然后將7N的Te，Zn，Cd按照一定的排布方法依次放入石英管中，保證管口處和管底處都是Te塊。根據(jù)排布方法，得N?5，即配料分為5層。
[0048]3)將配好料的石英管放入除氣爐中，開啟真空泵抽真空，當(dāng)真空度達到3X 10_5Pa時開始對除氣爐加熱，除氣爐溫度范圍在250°C。當(dāng)真空度達到3X 10_6Pa時，將石英管封合。再依次停止抽真空和除氣爐降溫(降溫速率為5°C /h)。
[0049]4)將石英管放入合成爐中，開始升溫和降溫工藝:
[0050]①高溫區(qū)以2°C /min的速度升到460?520°C，低溫區(qū)以1.5°C /mm的速度升到320°C?400°C，恒溫2小時，使得高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度差值在60?200°C之間。
[0051]②再以2°C /min的速度將高低溫區(qū)升溫，高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度分別為1120?1130°C，1120?1140°C的范圍內(nèi)，均勻化恒溫時間為15小時。
[0052]③以1.50C /min的速度將高溫區(qū)，低溫區(qū)的溫度一起降至1000°C?1100°C的范圍內(nèi)。
[0053]④以2V /min的速度將高溫區(qū)，低溫區(qū)的溫度一起降至50°C?80°C的范圍內(nèi)。
[0054]5)打開爐膛，取出石英管，打開石英管，在超凈室中取出碲鋅鎘多晶產(chǎn)品，得到60mm直徑的Cda96Znatl4Te多晶棒材料。
[0055]具體實施例3
[0056]I)在潔凈的石英管內(nèi)部通過丙酮裂解涂上一層均勻牢固的碳膜。
[0057]2)在百級超凈間內(nèi)，根據(jù)所要合成的錠條直徑和長度，按照Cda96Znatl4Te中Zn組分的要求，計算所需要的碲，鋅，鎘高純原料，再用電子天平分別稱量。然后將7N的Te，Zn，Cd按照一定的排布方法依次放入石英管中，保證管口處和管底處都是Te塊。根據(jù)排布方法，得N?4，即配料分為4層。
[0058]3)將配好料的石英管放入除氣爐中，開啟真空泵抽真空，當(dāng)真空度達到5X 10_5Pa時開始對除氣爐加熱，除氣爐溫度范圍在300°C。當(dāng)真空度達到5X KT6Pa時，將石英管封合。再依次停止抽真空和除氣爐降溫(降溫速率為5°C /h)。
[0059]4)將石英管放入合成爐中，開始升溫和降溫工藝:
[0060]①高溫區(qū)以3°C /min的速度升到460?520°C，低溫區(qū)以2°C /mm的速度升到320°C?400°C，恒溫2小時，使得高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度差值60?200°C之間。
[0061]②再以3°C /min的速度將高低溫區(qū)升溫，高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度分別為為1130?1140°C, 1130?1140°C的范圍內(nèi)，均勻化恒溫時間為20小時。
[0062]③以2V /min的速度將高溫區(qū)，低溫區(qū)的溫度一起降至1000°C?1100°C的范圍內(nèi)。
[0063]④以3°C /min的速度將高溫區(qū)，低溫區(qū)的溫度一起降至80°C?100°C的范圍內(nèi)。
[0064]5)打開爐膛，取出石英管，打開石英管，在超凈室中取出碲鋅鎘多晶產(chǎn)品，得到60mm直徑的Cda96Znatl4Te多晶棒材料。
[0065]本發(fā)明中的實施例僅用于對本發(fā)明進行說明，并不構(gòu)成對權(quán)利要求范圍的限制，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可以想到的其他實質(zhì)上等同的替代，均在本發(fā)明保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的合成裝置，它包括氧化鋁爐膛(7)，石英內(nèi)襯管(10)，后控溫?zé)崤?6)，后控溫?zé)崤?9)，石英坩堝(8)，其特征在于: 整個爐體外面是由不銹鋼做成的爐體外殼(4)，外殼(4)和氧化鋁爐膛(7)之間用爐體保溫棉(2)隔絕保溫，整個爐體保溫棉(2)被中間隔熱塊(3)分成兩部分獨立的控溫區(qū)，高溫段與低溫段的長度之比為:1:1?1:2，其分別由前控溫?zé)崤?9)和后控溫?zé)崤?6)控制爐體的溫度。石英內(nèi)襯管(10)在氧化鋁爐膛中(7)中，石英內(nèi)襯管(10)中放置石英坩堝(8)爐膛前后分別用爐口保溫塊⑴和爐底保溫塊(5)堵住。
2.如權(quán)利要求1所述的利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的合成裝置，其特征在于:所述的保溫棉(2)為硅酸鋁質(zhì)陶瓷纖維散棉。
3.如權(quán)利要求1所述的利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的合成裝置，其特征在于被中間隔熱塊(3)為莫來石質(zhì)輕質(zhì)隔熱磚。
4.如權(quán)利要求1所述的利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的合成裝置，其特征在:所述的爐口保溫塊(I)，爐底保溫塊(5)的材質(zhì)為硅鋁質(zhì)塞拉纖維毯。
5.一種基于權(quán)利要求1所述利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的合成裝置的碲鋅鎘多晶合成方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 1)在潔凈的石英管內(nèi)部通過丙酮裂解涂上一層均勻牢固的碳膜； 2)取締，鋅，鎘，按照CdhZnxTe中Zn組分的要求，稱量7N的Te,Zn，Cd按照一定的排布方法依次放入石英管中，管口處和管底處都是Te塊； 3)將裝好料的石英管放入除氣爐中，開啟真空泵抽真空，當(dāng)真空度達到IX KT5Pa?5X 10_5Pa時開始升溫除氣爐，除氣爐溫度范圍在200?300°C。當(dāng)真空度達到I X 10_6Pa?5X 1-6Pa時，將石英管封合。再依次停止抽真空和除氣爐降溫，降溫速率為5°C /h ； 4)將石英管放入合成爐中，開始升溫和降溫工藝: ①高溫區(qū)以I?8°C/min的速度升到460?520°C，低溫區(qū)以I?6°C /min的速度升到320°C?400°C，恒溫I?3小時，使得高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度差值在60?200°C之間； ②以I?6°C/min的速度將高低溫區(qū)升溫，高低溫區(qū)的溫度范圍分別為到1100?1140°C, 1100?1140°C，均勻化恒溫時間為10?20小時； ③以I?2V/min的速度將高低溫區(qū)的溫度分別降至1000°C?1100°C的范圍內(nèi)； ④以I?4°C/min的速度將高低溫區(qū)的溫度分別降至10°C?100°C的范圍內(nèi)； 5)打開爐膛，取出石英管，打開石英管，在超凈室中取出碲鋅鎘產(chǎn)品。
6.如權(quán)利要求6所述的一種基于權(quán)利要求1所述利用溫度梯度合成碲鋅鎘多晶的合成裝置的碲鋅鎘多晶合成方法，其特征在于:在步驟2)中所述的Te，Zn，Cd的排布方法如下: ①石英管涂炭長度為L，Te塊平均直徑為D1,Cd棒平均長度為D2, Zn排在Cd層中； ②L= N (DfD2)+D1，N?3?8，N即為Te+Cd的排布層數(shù)。
【文檔編號】C30B28/06GK104357902SQ201410546425
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】徐超, 周昌鶴, 孫士文, 虞慧嫻, 張大眾, 張 誠, 楊建榮 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所