專利名稱：生產(chǎn)碲化鎘或碲鋅鎘單晶體的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)碲化鎘或碲鋅鎘單晶體的裝置和方法，具體地，涉及一種以碲化鎘或碲鋅鎘多晶料為原料，用移動加熱器法生產(chǎn)碲化鎘或碲鋅鎘單晶體的方法。
背景技術(shù)：
移動加熱器法是一種可在相對較低的溫度下生長碲化鎘或碲鋅鎘單晶的方法，但由于移動加熱器法所長成的單晶體大都性能比較差，需靠后續(xù)的退火處理來提高性能，這就需要花費很多額外的時間，而且由于大面積材料內(nèi)擴散能力的限制，后續(xù)的退火處理容易造成晶體的性能發(fā)生梯度變化。此外，移動加熱器法長成的晶體內(nèi)往往含有大量的碲夾雜，這些低夾雜也會降低晶體的性能。因此，有必要開發(fā)一種新的方法來生產(chǎn)性能更好的碲化鎘或碲鋅鎘單晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例中提供了一種生產(chǎn)碲化鎘或碲鋅鎘單晶體的方法，該方法包括:形成一個包括晶體生長區(qū)域和原位退火區(qū)域的整體溫度場；將一個裝有富碲材料和碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料的坩堝從所述晶體生長區(qū)域中通過，在該過程中，坩堝內(nèi)的富碲材料熔化形成熔區(qū)，碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料逐漸溶解到所述熔區(qū)中，然后冷卻析出碲化鎘或碲鋅鎘單晶體；以及，將所述坩堝從所述原位退火區(qū)域中通過，在該過程中對所述晶體生長區(qū)域中生成的碲化鎘或碲鋅鎘 單晶體進行退火，以降低所述單晶體中的碲夾雜含量。


圖1顯示了一個實施例中一個包括晶體生長區(qū)域和原位退火區(qū)域的整體溫度場的示意圖、以及未進入所述溫度場時的一個坩堝的示意圖。圖2顯示了一個實施例中當坩堝經(jīng)過所述整體溫度場的晶體生長區(qū)域時的一個示例性的中間狀態(tài)。圖3顯示了一個實施例中當坩堝經(jīng)過所述整體溫度場的原位退火區(qū)域時的一個示例性的中間狀態(tài)。
具體實施例方式以下將對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細描述。為了避免過多不必要的細節(jié)，在以下內(nèi)容中將不對習知的結(jié)構(gòu)或功能進行詳細的描述。本文中所使用的近似性的語言可用于定量表述，表明在不改變基本功能的情況下可允許數(shù)量有一定的變動。因此，用“大約”、“左右”等語言所修正的數(shù)值不限于該準確數(shù)值本身。至少在某些情況下，近似性語言可能與測量儀器的精度有關(guān)。本文中所給出的數(shù)值范圍可以合并或相互交換，除非文中有其它語言限定，這些范圍應包括范圍內(nèi)所含的子范圍。本發(fā)明中所提及的數(shù)值包括從低到高一個單元一個單元增加的所有數(shù)值，此處假設任何較低值與較高值之間間隔至少兩個單元。舉例來說，如果說了一個組分的數(shù)量或一個工藝參數(shù)的值，比如，溫度，壓力，時間等等，是從I到90，20到80較佳，30到70最佳，是想表達15到85，22到68，43到51，30到32等數(shù)值都已經(jīng)明白的列舉在此說明書中。對于小于I的數(shù)值，0.0001,0.001，0.01或者0.1被認為是比較適當?shù)囊粋€單元。前述只是想要表達的特別示例，所有在列舉的最低到最高值之間的數(shù)值組合均被視為以類似方式清楚地列在本說明書中。如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一個可讓裝載有富碲材料和碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料的坩堝202從中通過以獲得碲化鎘或碲鋅鎘單晶體的整體溫度場100。此處所述的整體溫度場是指整個場內(nèi)溫度高于室溫的具有連續(xù)溫度分布曲線的一個溫度場。所述整體溫度場100的溫度分布曲線具有兩個峰值的(該溫度分布曲線如圖1所示)。在坩堝202將要通過的方向101上，所述整體溫度場100內(nèi)的溫度先以10至100°C /厘米，或更適宜的，以20至60°C /厘米的速度逐漸上升至第一溫度峰值102 ;然后以10至100°C /厘米，或更適宜的，以20至60°C /厘米的速度逐漸下降；然后再以5至100°C /厘米，或更適宜的，以20至60°C /厘米的速度逐漸上升至第二溫度峰值104 ;然后以5至100°C /厘米，或更適宜的，以20至60°C /厘米的速度逐漸下降。在一個實施例中，所述第一溫度峰值高于碲的熔點但低于碲化鎘或碲鋅鎘的熔點，所述第二溫度峰值高于所述第一溫度峰值但低于所述碲化鎘或碲鋅鎘的熔點，其中，在一個具體實施例中，碲化鎘的熔點為1092 V，碲鋅鎘的熔點在1092°C至1295°C之間，具體數(shù)值取決于碲鋅鎘中的鋅含量。所述溫度分布曲線的第一和第二溫度峰分別對應晶體生長區(qū)域106和原位退火區(qū)域108。其中，在所述方向101上具有一定長度且中心位于所述第一溫度峰102附近的一定區(qū)域為晶體生長區(qū)域106，用來以碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料生產(chǎn)碲化鎘或碲鋅鎘單晶體；在所述方向101上具有一定長度且中心位于所述第二溫度峰104附近的一定區(qū)域為原位退火區(qū)域108，用來對所述晶體生長區(qū)域106中生成的碲化鎘或碲鋅鎘單晶體進行在線退火。在一個實施例中，所述整體溫度場100是由一個包括第一加熱元件112和第二加熱元件114的晶體生長爐105提供，其中所述第一和第二溫度峰分別由所述第一加熱元件112和第二加熱元件114提供。所述晶體生長區(qū)域106包括一個在所述方向101上與第一加熱元件112大致等長的區(qū)域，所述原位退火區(qū)域108包括一個在所述方向101上與第二加熱元件114大致等長的區(qū)域。在一個具體的實施例中，所述第一加熱元件112或第二加熱元件114的長度在3厘米至25厘米之間。在一個具體的實施例中，在所述第一加熱元件112和第二加熱元件114之間還設有冷卻系統(tǒng)或熱絕緣結(jié)構(gòu)116，如耐火石等。在所述方向101上，所述第一溫度峰102和第二溫度峰104之間的距離小于所述坩堝202的長度，使得坩堝202從所述整體溫度場100中通過時至少在某一時間可以一部分位于晶體生長區(qū)域106內(nèi)而另一部分位于原位退火區(qū)域108內(nèi)。在一個實施例中，在所述方向101上，所述第一溫度峰102和第二溫度峰104之間的距離在3厘米至20厘米之間，或更適宜的，在5厘米至10厘米之間。本文中所用的“坩堝”是指一種可用來乘放富碲材料和碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料且可從所述整體溫度場100中通過的容器，其可以是任何形狀，可以由任何可適用于本發(fā)明中的碲化鎘或碲鋅鎘單晶體生長和退火工藝的材料所形成。在一個實施例中， 所述坩堝202依次裝有碲化鎘或碲鋅鎘籽晶204，富碲材料208、和碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料210。在一個實施例中，裝有所述材料的坩堝202是真空密封的。在一個實施例中，所述坩堝202為圓柱體狀，坩堝內(nèi)的富碲材料208在坩堝的縱向上所占的長度大致等于或小于所述坩堝的直徑。所述坩堝的直徑可能大致等于或小于25厘米。將所述坩堝202從所述整體溫度場100中通過，利用移動加熱器法在晶體生長區(qū)域中以締化鎘或締鋅鎘多晶材料生成締化鎘或締鋅鎘單晶體,生成締化鎘或締鋅鎘單晶體直接進入原位退火區(qū)域中進行在線退火。圖2顯示了坩堝202從晶體生長區(qū)域106中通過時的一個中間狀態(tài)。由于晶體生長區(qū)域106內(nèi)的溫度峰值(所述第一溫度峰值)高于碲的熔點但低于碲化鎘或碲鋅鎘的熔點，當坩堝202從晶體生長區(qū)域106中通過時，只有富碲材料208熔化形成熔區(qū)。由于溫度越高，碲化鎘或碲鋅鎘在所述富碲材料所形成的熔區(qū)內(nèi)的溶解度就越高，在將坩堝202緩慢向下移動的過程中，碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料210下端的溫度逐漸上升(直至到達晶體生長區(qū)域106的溫度峰值)，碲化鎘或碲鋅鎘的溶解度逐漸增大，多晶材料210逐漸溶解到所述熔區(qū)，同時，所述籽晶204的上端面處的溫度逐漸降低，從熔區(qū)中逐漸析出碲化鎘或碲鋅鎘單晶體206沉積到所述籽晶204的上端面。最后，所述坩堝202完成其全長的位移之后，全 部多晶材料210都溶解然后再結(jié)晶析出單晶體并沉積到了籽晶204上。通過所述方法從所述締溶劑208中生長出來的締化鎘或締鋅鎘單晶體206內(nèi)部含有大量會降低晶體性能的碲夾雜。因此，所述晶體206隨著坩堝向下移動，進入原位退火區(qū)域108內(nèi)進行在線退火以降低晶體206內(nèi)的碲夾雜含量。圖3顯示了坩堝202從原位退火區(qū)域108中通過時的一個中間狀態(tài)。由于原位退火區(qū)域108內(nèi)的溫度峰值(所述第二溫度峰值)高于所述第一溫度峰值(晶體生長溫度)但低于所述碲化鎘或碲鋅鎘的熔點，當坩堝202緩慢地從原為退火區(qū)域108中通過時，所述晶體生長區(qū)域106中生成的碲化鎘或碲鋅鎘單晶體在一個高于晶體生長溫度的溫度下進行退火而不會發(fā)生熔化。在退火的過程中，碲夾雜及其周圍的晶體重新熔化，晶格重組，隨著坩堝202相對第二加熱元件114向下移動，所述重新熔化的區(qū)域在晶體206內(nèi)向上移動，使得碲夾雜最終從晶體206中擴散出來。退火后晶體中的碲夾雜含量大大降低，晶體成分非常接近于所需的化學計量比，晶體性能得到了改善，從而不再需要進行后續(xù)的，比如，在所述晶體生長爐之外的退火處理過程。在圖示的實施例中，所述坩堝202設置于一個由驅(qū)動裝置306驅(qū)動的支撐件302上，通過所述驅(qū)動裝置306來驅(qū)動支撐件302從而移動所述坩堝202使其從整體溫度場中通過。此外，所述驅(qū)動裝置306還可驅(qū)動坩堝202在從所述整體溫度場中通過的同時進一步沿其軸線旋轉(zhuǎn)。在其他實施例中，也可將坩堝固定，而將所述整體溫度場連接于于驅(qū)動裝置，通過驅(qū)動裝置移動整體溫度場來實現(xiàn)坩堝從該整體溫度場中通過。以下將舉例來描述一個生產(chǎn)碲化鎘單晶體的工藝。形成一個整體溫度場，其溫度沿坩堝將要通過的方向從600°C以下，以10°C /厘米至100°C /厘米，或更適宜的，以20°C /厘米至60°C /厘米的速度逐漸上升至一個在600°C至1092°C之間，或更適宜的，在600°C至900°C之間(如850°C左右)的第一溫度峰值；然后以10°C /厘米至100°C /厘米，或更適宜的，以20°C /厘米至60°C /厘米的速度逐漸下降；然后又以5°C /厘米至100°C /厘米，或更適宜的，以20°C /厘米至60°C /厘米的速度逐漸上升至一個在700°C至1092°C之間，或更適宜的，在850°C至1092°C之間(如1050°C左右)的第二溫度峰值；然后以5°C /厘米至100°C /厘米，或更適宜的，以20°C /厘米至60°C /厘米的速度逐漸下降至600°C以下。所述第一溫度峰附近的區(qū)域為晶體生長區(qū)域，所述第二溫度峰附近的區(qū)域為原位退火區(qū)域。依次將碲化鎘籽晶、富碲材料和碲化鎘多晶棒裝到碳化石英坩堝內(nèi)，然后將坩堝密封并抽真空。在上述整體溫度場的溫度梯度形成并保持大約10小時后，以30毫米/天到50毫米/天的速度將石英坩堝從該整體溫度場中通過。在石英坩堝從所述整體溫度場通過的過程中，保持該整體溫度場的溫度梯度不變。當所述石英坩堝從晶體生長區(qū)域中通過時，碲化鎘單晶體生長于籽晶上，當石英坩堝進一步從原位退火區(qū)域中通過時，晶體生長區(qū)域中生成的碲化鎘單晶體內(nèi)的碲夾雜被驅(qū)逐出來。通過本文所描述的工藝，可在一個相對較低的溫度下生成碲化鎘或碲鋅鎘單晶體，該相對較低的溫度可能遠低于碲化鎘或碲鋅鎘的熔點。對于這樣在相對較低的溫度下進行的晶體生長過程，沒有蒸氣壓的問題，來自坩堝的污染問題也相對較小，安瓿爆炸的風險也比較低，且形成的晶體缺陷密度也有所減少。尤其是對于碲鋅鎘的生長過程，由于所述工藝是將多晶原料溶解，再在生長界面上沉積單晶體，其可以克服鋅偏析的問題，并可保證所生成的晶體的宏觀成分的均勻性。此外，由于許多雜質(zhì)在碲溶劑中的溶解度高于其在碲化鎘中的溶解度，雜質(zhì)可富集于碲溶劑中，使得所述工藝具有一定的自凈化的能力。另外，通過將晶體生長和退火合并到同一個爐中，省去了晶體生長爐之外的后續(xù)退火處理過程，可大大降低能量消耗量，從而一定程度上降低生產(chǎn)單晶體的成本。進一步地，還可以通過優(yōu)化晶體生長區(qū)域及退火區(qū)域的溫度分布來優(yōu)化所生成的晶體的性能，以實現(xiàn)不同的應用。盡管在具體實施方式
中對本發(fā)明的部分特征進行了詳細的說明和描述，但在不脫離本發(fā)明精神的前提下，可以對本發(fā)明進行各種改變和替換。同樣的，本領域熟練技術(shù)人員也可以根據(jù)常規(guī)實驗獲得本發(fā) 明公開的其它改變和等同物。所有這些改變，替換和等同物都在本發(fā)明所定義的權(quán)利要求的構(gòu)思和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)碲化鎘或碲鋅鎘單晶體的方法，其包括: 形成一個包括晶體生長區(qū)域和原位退火區(qū)域的整體溫度場； 將一個裝有富碲材料和碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料的坩堝從所述晶體生長區(qū)域中通過，在該過程中，坩堝內(nèi)的富碲材料熔化形成熔區(qū)，碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料逐漸溶解到所述熔區(qū)中，然后冷卻析出碲化鎘或碲鋅鎘單晶體；以及 將所述坩堝從所述原位退火區(qū)域中通過，在該過程中對所述晶體生長區(qū)域中生成的碲化鎘或碲鋅鎘單晶體進行退火，以降低所述單晶體中的碲夾雜含量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述坩堝通過的方向上，所述晶體生長區(qū)域和原位退火區(qū)域之間的距離為3厘米到20厘米。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在所述坩堝通過的方向上，所述晶體生長區(qū)域和原位退火區(qū)域之間的距離為5厘米到10厘米。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括通過驅(qū)動裝置驅(qū)動所述坩堝，使其在從所述晶體生長區(qū)域和原位退火區(qū)域通過的同時還沿其軸線旋轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述坩堝連接于一個驅(qū)動裝置，通過所述驅(qū)動裝置移動坩堝來實現(xiàn)將坩堝從所述整體溫度場中通過。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述整體溫度場連接于一個驅(qū)動裝置，通過所述驅(qū)動裝置移動整體溫度場來實現(xiàn)將坩堝從所述整體溫度場中通過。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述富碲材料和碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料包括碲化鎘或碲鋅鎘籽晶、富碲材料和碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料。`
8.如權(quán)利要求1所述的方法，在所述坩堝通過的方向上，所述晶體生長區(qū)域的溫度逐漸上升到第一溫度峰值后逐漸下降，所述原位退火區(qū)域的溫度逐漸上升到第二溫度峰值后逐漸下降，其中所述第一溫度峰值高于碲的熔點低于碲化鎘或碲鋅鎘的熔點，所述第二溫度峰值高于所述第一溫度峰值低于碲化鎘或碲鋅鎘的熔點。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述晶體生長區(qū)域的溫度是以10°C/厘米到100°C /厘米的速度逐漸上升或下降的。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述晶體生長區(qū)域的溫度是以20°C/厘米到60°C/厘米的速度逐漸上升或下降的。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述原位退火區(qū)域的溫度是以5°C/厘米到100°C/厘米的速度逐漸上升或下降的。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述原位退火區(qū)域的溫度是以20°C/厘米到600C /厘米的速度逐漸上升或下降的。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，所述坩堝內(nèi)裝有碲化鎘籽晶、富碲材料和碲化鎘多晶材料，所述第一溫度峰值在600°C到1092°C之間，所述第二溫度峰值在700°C到1092°C之間。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，所述第一溫度峰值在600°C到900°C之間，所述第二溫度峰值在850°C到1092°C之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)碲化鎘或碲鋅鎘單晶體的方法，該方法包括形成一個包括晶體生長區(qū)域和原位退火區(qū)域的整體溫度場；將一個裝有富碲材料和碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料的坩堝從所述晶體生長區(qū)域中通過，在該過程中，坩堝內(nèi)的富碲材料熔化形成熔區(qū)，碲化鎘或碲鋅鎘多晶材料逐漸溶解到所述熔區(qū)中，然后冷卻析出碲化鎘或碲鋅鎘單晶體；以及，將所述坩堝從所述原位退火區(qū)域中通過，在該過程中對所述晶體生長區(qū)域中生成的碲化鎘或碲鋅鎘單晶體進行退火，以降低所述單晶體中的碲夾雜含量。
文檔編號C30B11/00GK103114335SQ20111036546
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者吳召平, 高緒彬, 徐悟生, 江浩川, 張明龍 申請人:通用電氣公司