專利名稱：雙封套壓縮生長碲鋅鎘晶體坩堝內自由空間的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用兩個封套通過兩次封閉石英管以此來減小CdZnTe晶體生長時的石英坩堝內自由空間體積的方法和裝置，屬特殊晶體生長工藝技術領域。
背景技術：
碲鋅鎘CdhZnxTe (CZT)是一種具有廣泛應用前景的半導體材料，其體單晶的制備一直受到人們的廣泛關注。由于CdZnTe (CZT)單晶體其禁帶寬度能隙大(E g=1.70eV)，主要成分CcUTe原子序數高、電阻率高(IO11Q !!)、電子和空隙遷移率大(iie=1100cm/V*S，U h=100cm/V -s)、能量探測范圍寬(IOkeV 6MeV)、能量分辨率高、抗中子和質子輻射損傷閾值亦較高，所以CdZnTe探測器具有較大的吸收系數、較高的計數率，尤其是不需任何的冷卻設備就能在室溫下工作，因而體積較小、使用更加方便。 但是CdZnTe單晶體本身的生成難度大，通常晶體質量很難達到一般商業用戶對于元器件定制的工業標準。目前，CdZnTe探測器的廣泛應用主要受到晶體性能、體積和成本等幾方面的限制，其中晶體的自身缺陷對晶體性能的影響大大限制了 CdZnTe探測器的發展。其中影響晶體性能的一個很重要的原因是在于CdZnTe晶體的非同成分揮發特性，尤其是因為Cd的高蒸汽壓特性，使得在晶體生長過程中，大量的Cd從熔體以及高溫生長態的晶體中逸出到坩堝中的自由空間中，造成生長完成的晶體中存在著大量的Cd空位，而大量Cd空位的存在會降低電阻率，為了提高電阻率又不得不在晶體中摻入In以補償Cd空位，而通過補償方式提高電阻率會降低材料的載流子壽命乘積，結果影響了晶體的能譜響應特性，所以上述問題不解決，導致即使采用高純度的原材料也很難生長出高性能的晶體。因此，如何通過改良晶體生長工藝來減少Cd空位的產生，進一步提升晶體性能，是獲得高質量CdZnTe晶體的重要條件。在目前的生長工藝中，一般通過摻雜淺施主雜質(Al、In、Cl等元素)補償Cd空位、富Cd配料減少Cd空位等方法來減少Cd空位對CdZnTe晶體的不利影響。但是在摻雜淺施主雜質補償Cd空位時，淺施主雜質與Cd空位的濃度難以做到大致相等，必需引入深能級來“釘扎”剩余淺能級。但是深能級是陷阱和復合中心，引入的深能級密度過大，將極大地降低U T (載流子壽命與遷移率的乘積)值。而通過富Cd配料減少Cd空位的方法又會因為富Cd生長的原因降低CdZnTe晶體的質量和性能。因此，尋找出一種新的工藝改進方法來進一步降低晶體中Cd空位的濃度是進一步提升晶體質量獲得具有高分辨率能譜級晶體的重要途徑。一種可行的思路是通過減少在晶體生長過程中可供Cd組分逸出的自由空間來限制Cd空位的濃度。在晶體生長過程中，CdZnTe物料中的組分在一定溫度下向晶體上方的自由空間逸出。由于CdZnTe中Cd的蒸汽壓較大，在自由空間中，Cd蒸汽占了大部分，導致生長得到的CdZnTe晶體中普遍存在Cd空位。因此降低自由空間的體積是有效抑制CdZnTe晶體中Cd空位濃度的一個重要途徑。
發明內容
本發明要解決的技術問題本發明是一種減少CdZnTe晶體中Cd空位濃度的方法及其裝置。本發明能夠在CdZnTe單晶生長時顯著減少石英坩堝內的自由空間，從而解決在高溫下由于Cd分壓較高而導致較多的Cd組分逸出到自由空間形成蒸氣的問題。采用本發明生長所得的CdZnTe晶體中的Cd空位顯著降低，改善了晶體性能。本發明的目的是提供一種雙封套壓縮生長碲鋅鎘晶體坩堝內自由空間的方法和裝置。I. 一種雙封套壓縮生長碲鋅鎘晶體坩堝內自由空間的方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟
a.先按照所需配比將高純Cd、Zn、Te原料裝入高純石英坩堝內，然后先后放入二次封套和一次封套，二次封套位于物料上方，一次封套位于二次封套上方；對石英坩堝抽真空至2. OX 10_4Pa，在該真空度下，在一次封套處對石英坩堝進行一次封管；
b.將封好的石英坩堝放入搖擺爐中合料，升溫至500°C，進行保溫，然后緩慢的升溫至合料溫度1130°C 1140°C，保溫24 40h，隨后緩慢的降溫至室溫，得到CdZnTe多晶后，合料結束；此時二次封套由于自身重力作用，緊貼所得多晶料的上方；
c.將上述合料結束的石英坩堝取出后，于二次封套處進行二次封管，然后切去尾部一次封套的部分后，放入晶體生長爐中進行CdZnTe晶體的生長；單晶生長溫度為1115°C ;在這樣的工藝條件下，多晶料上方的自由空間的體積被限制在盡可能低的水平，從而在后續的晶體生長時，降低了由于Cd蒸汽壓較大而在晶體中產生的Cd空位的濃度，改善了 CdZnTe晶體的性能。2. 一種雙封套壓縮生長碲鋅鎘晶體坩堝內自由空間的方法所用的裝置，該裝置由高純石英坩堝(I)、一次封套(2)、二次封套(3)所組成；其特征在于一次封套(2)位于二次封套(3)上方，二次封套(3)可在石英坩堝(I)內自由上下移動；在合料前后，二次封套
(3)都可以緊貼在坩堝內的碲鋅鎘物料上方。本發明方法的特點是與過去常用的石英坩堝封管方法不同
以往單封套的石英坩堝封管方法是在確保一定真空度的情況下在石英坩堝頂部對石英坩堝進行封管并合料，這樣就在CdZnTe物料和封套之間留下了較多的一定量的自由空間，在單晶生長過程中，物料中的Cd組分向自由空間逸出，這對于Cd空位的產生具有直接影響。而利用雙封套通過二次封管的方法實現了對自由空間的壓縮和最小化，使得在后續的單晶生長過程中，自由空間對于Cd空位濃度的影響得到最大程度的限制。
圖I為利用雙封套兩次封管以減小CdZnTe晶體生長時石英坩堝內自由空間體積的方法及裝置示意圖，其中圖1(a)為一次封管后合料前的狀態示意圖，圖1(b)為合料后進行二次封管時的示意圖。
具體實施例方式實施例一參見圖1，本發明中所用的裝置包括高純石英坩堝I、一次封套2、二次封套3 ;—次封套2位于二次封套3上方，二次封套3可在石英坩堝I內自由上下移動。一次封套2為一中空一段開口的高純石英封套，二次封套3為一中空圓柱體高純石英封套，內部保持一定真空度。在合料前后，二次封套3都可以緊貼坩堝內的CdZnTe物料。本實施例的具體工藝步驟方法如下所述
I)將滿足CdhZnxTe (x=0. 04 0. 8)的純度為99. 99999%的高純Cd、Zn、Te原料裝入高純石英坩堝內，依次放入兩個石英封套，并抽真空至2. 0 X 10_4Pa，使用氫氧焰將封套外側和石英坩堝內壁熔封(第一次封閉石英管)。
2)本生長方法中CdZnTe的多晶合料與生長單晶生長都是在上述同一個高純石英坩堝中進行的，這樣就減少了二次換管裝料引入的有害雜質的可能性。將上述封好的石英坩堝放入合料爐中，緩慢升溫至500°C左右，經過一定時間的保溫后，緩慢升溫至物料熔點以上進行合料保溫。CdhZnxTe的熔點根據x值的不同而變化。當x=0. 04時，熔點為1095°C;當x=0. I時，熔點為1115°C;當x=0. 2時熔點為1130°C。為保證合料充分完成，將合料溫度設為1140°C左右。在保溫的過程中搖動石英坩堝，使物料反應完全。隨后緩慢降溫至室溫，多晶合料過程結束。3)將石英坩堝從合料爐中取出。此時，CdZnTe多晶料位于石英坩堝底部，而在一次封管前預先放入的另一個封套(即二次封套)可在坩堝中自由上下移動，讓該封套在自身重力作用下，緊貼CdZnTe多晶料上方，并再次使用氫氧焰利用該封套對石英坩堝進行二次封管(第二次封閉石英管)，則CdZnTe多晶料上方的自由空間就得到了最大限度的壓縮。切去尾部一次封套部分；將裝有CdZnTe多晶料的石英坩堝放入晶體生長爐中進行單晶的生長。單晶生長的溫度為1115°C。實施例二
本實施例采用上述實施例一中同樣的生長裝置。本實施例中的生長工藝步驟與上述實施例一完全相同，不同的是改變了一些工藝參數。其不同的工藝參數是改變了合料時的合料溫度和保溫時間，分別為1135°C和40h。采用本發明的利用雙封套壓縮石英坩堝內自由空間體積的裝置和方法，結構穩定，操作簡單，可重復性強。通過本發明的工藝可有效降低CdZnTe單晶生長時石英坩堝內的自由空間的體積，限制得到的CdZnTe單晶中的Cd空位濃度，同時也避免了合料與長晶分開二次裝料可能引入的雜質污染，最終可獲得高質量、高純度的CdZnTe晶體，完全符合作為探測器材料的要求。
權利要求
1.一種雙封套壓縮生長碲鋅鎘晶體坩堝內自由空間的方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟 a.先按照所需配比將高純Cd、Zn、Te原料裝入高純石英坩堝內，然后先后放入二次封套和一次封套，二次封套位于物料上方，一次封套位于二次封套上方；對石英坩堝抽真空至2. OX 10_4Pa，在該真空度下，在一次封套處對石英坩堝進行一次封管； b.將封好的石英坩堝放入搖擺爐中合料，升溫至500°C，進行保溫，然后緩慢的升溫至合料溫度1130°C 1140°C，保溫24 40h，隨后緩慢的降溫至室溫，得到CdZnTe多晶后，合料結束；此時二次封套由于自身重力作用，緊貼所得多晶料的上方； c.將上述合料結束的石英坩堝取出后，于二次封套處進行二次封管，然后切去尾部一次封套的部分后，放入晶體生長爐中進行CdZnTe晶體的生長；單晶生長溫度為1115°C ;在這樣的工藝條件下，多晶料上方的自由空間的體積被限制在盡可能低的水平，從而在后續的晶體生長時，降低了由于Cd蒸汽壓較大而在晶體中產生的Cd空位的濃度，改善了 CdZnTe晶體的性能。
2.一種雙封套壓縮生長碲鋅鎘晶體坩堝內自由空間的方法所用的裝置，該裝置由高純石英坩堝(I)、一次封套(2)、二次封套(3)所組成；其特征在于一次封套(2)位于二次封套(3)上方，二次封套(3)可在石英坩堝(I)內自由上下移動；在合料前后，二次封套(3)都可以緊貼在坩堝內的碲鋅鎘物料上方。
全文摘要
本發明涉及雙封套壓縮生長碲鋅鎘晶體坩堝內自由空間的方法及裝置。屬特殊晶體生長技術領域。本發明要點是將滿足Cd1-xZnxTe(x=0.04～0.8)的純度為99.99999%的Cd、Zn、Te原料裝入石英坩堝內，依次放入二次封套和一次封套，抽真空至2.0×10-4Pa，在一次封套處封結石英坩堝。將封好的坩堝放入合料爐，緩慢升溫至500℃，經一定時間保溫后，緩慢升溫至物料熔點合料保溫。緩慢降溫至室溫后，合料完畢。然后取出坩堝，在二次封套處，對坩堝進行二次封管。切去尾部一次封套部分，將裝有CdZnTe物料的坩堝放入晶體生長爐中進行單晶生長。利用雙封套通過二次封管的方法實現了對晶體生長時自由空間體積的壓縮，在后續的單晶生長過程中，能有效抑制晶體中Cd空位的形成，從而提高了晶體的性能。
文檔編號C30B29/46GK102703983SQ20121019692
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者劉偉偉, 孫孝翔, 席韡, 張繼軍, 李輝, 梁小燕, 滕嘉琪, 王東, 閔嘉華 申請人:上海大學