本發(fā)明涉及單晶制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種碲鋅鎘單晶的新型單晶爐及生長工藝。

背景技術(shù)：

碲鋅鎘單晶體具有較寬的帶隙，較高的紅外透過率，是一種理想的用于生長碲鎘汞外延薄膜的襯底材料。同時(shí)，由于其具有能量分辨率高、本征探測效率高、體積小、可在常溫下使用等優(yōu)點(diǎn)，是制造室溫核輻射探測器最為理想的半導(dǎo)體材料。為了獲得大尺寸、高質(zhì)量的碲鋅鎘cdznte單晶體。長期以來，人們采用多種生長方法進(jìn)行了碲鋅鎘單晶體生長的研究，包括：氣相法、垂直布里奇曼法、區(qū)熔法、助熔劑法、垂直梯度凝固法、移動(dòng)加熱區(qū)法、水平布里奇曼法、高壓布里奇曼法、柴可拉斯基法、微重力條件下晶體生長等。其中，垂直梯度凝固法生長碲鋅鎘晶體是近些年來普遍采用的熔體生長方法。這些方法各具有不同的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性。但其中多數(shù)方法操作比較復(fù)雜，生長時(shí)間較長，晶體質(zhì)量不夠理想。特別是大都設(shè)有機(jī)械升降運(yùn)動(dòng)部件，在晶體生長過程中，拌有升降運(yùn)動(dòng)，容易發(fā)生震動(dòng)，影響單晶質(zhì)量。因此，需要對其進(jìn)行融合改進(jìn)，提出一種更好的生長設(shè)備和生長工藝，以滿足工業(yè)生產(chǎn)和科研對碲鋅鎘單晶體的需要，并且獲得更為優(yōu)質(zhì)環(huán)保節(jié)能操作簡便的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問題，提出一種碲鋅鎘單晶的新型單晶爐及生長工藝。本發(fā)明融合了多種碲鋅鎘單晶生長的先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)工藝，形成了碲鋅鎘單晶生長的新型爐和新型工藝。實(shí)現(xiàn)碲鋅鎘單晶在生長過程中，坩堝在爐膛中的位置固定不動(dòng)，利用爐內(nèi)溫場的溫度梯度位置變化來取代現(xiàn)有的升降裝置，從而達(dá)到生長晶體的目的，省去了機(jī)械運(yùn)動(dòng)，形成無震動(dòng)生長環(huán)境，分區(qū)靈活地控制生長溫度，大大縮短了升溫化料和接籽晶的時(shí)間，提高了單晶的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。而且整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，減少設(shè)備成本，安裝簡單，并且程序化控制，運(yùn)行精確，重復(fù)性穩(wěn)定。利用該設(shè)備可較快生成大直徑碲鋅鎘單晶體。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種碲鋅鎘單晶的新型單晶爐，設(shè)有爐體和加熱電源，在爐膛內(nèi)設(shè)有石英管，石英管內(nèi)設(shè)有坩鍋，坩鍋內(nèi)下方設(shè)有籽晶腔，在石英管下方設(shè)有支撐架，爐膛的上下兩端設(shè)有密封堵頭，其特征是：所述爐體的爐膛內(nèi)從下到上依次設(shè)有九個(gè)加熱區(qū)，即：第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)；每個(gè)區(qū)各自設(shè)有與電源柜連通的電極和電纜；并且還設(shè)有溫控系統(tǒng)，每個(gè)區(qū)各自設(shè)有自控開關(guān)，并通過信號線與控制器進(jìn)行控制連接，在每個(gè)區(qū)還設(shè)有控溫電偶和測溫測溫電偶，每個(gè)區(qū)中間位置放置控溫電偶即：控溫電偶1-控溫電偶9；同時(shí)，在籽晶的頭部、尾部、放肩部末端和晶體生長中部及尾部分別放置測溫電偶即：測溫電偶1-測溫電偶5；所述控溫電偶和測溫電偶與控制器進(jìn)行信號連接，溫控系統(tǒng)通過測溫電偶所測量得到的實(shí)際晶體表面溫度，調(diào)整控溫電偶所對應(yīng)區(qū)域內(nèi)加熱電源功率大小，以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)的溫度控制；電源柜、電纜、電極、控溫電偶、測溫電偶和控制器組成溫控系統(tǒng)。

在爐膛里設(shè)有壓力傳感器，該壓力傳感器與所述控制器進(jìn)行信號連接，當(dāng)爐膛內(nèi)壓力不符合設(shè)置的正常值時(shí)，啟動(dòng)設(shè)置的報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，并發(fā)出報(bào)警信號。

所述控制器還設(shè)有無線信號發(fā)送或接收模塊，能將生長爐的運(yùn)行溫度、壓力、時(shí)間信號、報(bào)警信號無線發(fā)送給設(shè)置的監(jiān)控服務(wù)器和值班人員手機(jī)上，并接收監(jiān)控服務(wù)器的監(jiān)控信號。

本發(fā)明所述的碲鋅鎘單晶的單晶爐的單晶生長工藝，其特征包括以下步驟：

1)配料、封管：

將已經(jīng)制備合成好的碲鋅鎘多晶料，其化學(xué)計(jì)量配比滿足：cd1-xznxte，其中x＝0.04-0.2，純度為99.99999％的過量的te和<111>方向的籽晶，從上到下依次裝入pbn坩堝內(nèi)，坩堝再放入石英管內(nèi)，加蓋石英帽，然后抽真空，當(dāng)石英管內(nèi)真空達(dá)到1-5×10^-5pa后，使用氫氧焰焊槍將石英帽融化，完成石英管的密封；

2)裝爐：

將密封后的石英管垂直裝入單晶爐內(nèi)，調(diào)節(jié)底部支撐高度，使該坩堝內(nèi)的碲鋅鎘多晶料對應(yīng)單晶爐的第4、5、6區(qū)；

3)安裝電偶

分別在單晶爐的第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)取中間位置放置控溫?zé)犭娕技矗嚎販仉娕?-控溫電偶9；同時(shí)，在該籽晶的頭部和尾部、放肩部分末端和晶體生長中部及尾部也分別放置測溫?zé)犭娕技矗簻y溫電偶1-測溫電偶5；

4)數(shù)據(jù)輸入：

將第一區(qū)至第九區(qū)的各生長階段的溫度與時(shí)間的設(shè)定數(shù)據(jù)輸入控制器，各生長階段包括加熱、化料、接籽晶、放肩、等徑生長、晶體退火、冷卻，預(yù)設(shè)置數(shù)據(jù)如下：

5)加熱：

用5-15小時(shí)加熱升溫，將第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)的溫度分別加熱到700℃-800℃，然后保溫2-10小時(shí)。

6)化料：

用24-36小時(shí)加熱升溫第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)，使溫度超過碲鋅鎘熔點(diǎn)溫度(800℃-850℃)約50℃以內(nèi)，然后保溫2-24小時(shí)。

7)接籽晶：

用12-24小時(shí)加熱升溫第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)溫度，即提高籽晶位置的溫度，當(dāng)測溫電偶1達(dá)到800℃-850℃時(shí)，籽晶部分處于熔化狀態(tài)。第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)的溫度保持不變。然后保溫2-24小時(shí)。

8)放肩：

用24-36小時(shí)逐漸降低第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)溫度，使測溫電偶3達(dá)到800℃-850℃左右。然后保溫2-24小時(shí)；

9)等徑生長

控制器精確控溫，采用高性能的工業(yè)計(jì)算機(jī)作為運(yùn)行平臺(tái)，集成24位微弱信號采集芯片，使溫度采集分辨率達(dá)到0.01℃，配合多閉環(huán)pid控制。工作過程是通過爐內(nèi)的測溫電偶對爐內(nèi)溫度進(jìn)行信號采集，將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后將指令下達(dá)到加熱電源，加熱電源對爐內(nèi)9個(gè)加熱區(qū)域進(jìn)行增減功率處理，使各段加熱溫度達(dá)到控溫電偶溫度，以實(shí)現(xiàn)控制器對單晶爐的精確控溫。用240-480小時(shí)使測溫電偶5達(dá)到700℃-750℃，保溫2-48小時(shí)后，開始降溫。

10)晶體退火

用24-36小時(shí)使測溫電偶1至測溫電偶5的溫度達(dá)到600℃-650℃左右時(shí)，保溫2-72小時(shí)進(jìn)行晶體退火，以期達(dá)到更好的晶體電子參數(shù)；

11)冷卻：

用24-36小時(shí)使測溫電偶1至測溫電偶5的溫度達(dá)到20℃-30℃左右時(shí)，整個(gè)長生過程結(jié)束。

12)出料：

將石英管從單晶爐內(nèi)取出，并將碲鋅鎘單晶料從石英管內(nèi)取出。

本發(fā)明的有益效果是：

1、生長過程中坩堝位置不動(dòng)，爐體的位置固定不動(dòng)，生長過程中不發(fā)生任何機(jī)械運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)晶體在絕對無震動(dòng)環(huán)境下生長；

2、將多晶料平均放置于多段加熱區(qū)，通過程序化控制不同區(qū)域的加熱溫度，實(shí)現(xiàn)生長區(qū)域自下而上逐漸升高，即溫場移動(dòng)實(shí)現(xiàn)單晶生長，多段加熱區(qū)可實(shí)現(xiàn)理想的生長環(huán)境；

3、由于加入過量的te，晶體的生長溫度可以從1092℃-1295℃下降到700℃-900℃，顯著降低了生長溫度、雜質(zhì)濃度及缺陷密度，并且增加了設(shè)備的使用壽命；

4、計(jì)算機(jī)程序化控制，控溫精度高，重復(fù)性好，提高溫場的穩(wěn)定性。

5、獲得的單晶棒為圓柱體，可直接切片，利用率高，大大降低原料生產(chǎn)成本。

6、坩堝或爐體不移動(dòng)，減少爐膛內(nèi)的自由空間，抑制空氣對流，提高溫場的穩(wěn)定性，確保生長大直徑的單晶體。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的爐體剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式：

實(shí)例1：一種碲鋅鎘單晶的新型單晶爐，設(shè)有爐體3和加熱電源，在爐膛6內(nèi)設(shè)有石英管5，石英管內(nèi)設(shè)有3英寸pbn坩堝，坩鍋內(nèi)下部設(shè)有籽晶腔13，在石英管下方設(shè)有支撐架10，爐膛的上下兩端設(shè)有密封堵頭7、8，所述爐體3的爐膛6內(nèi)從下到上依次設(shè)有九個(gè)加熱區(qū)，即：第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)；每個(gè)區(qū)各自設(shè)有與電源柜1連通的電極4和電纜2；并且還設(shè)有溫控系統(tǒng)，每個(gè)區(qū)各自設(shè)有自控開關(guān)，并通過信號線12與控制器11進(jìn)行控制連接，在每個(gè)區(qū)還設(shè)有控溫電偶和測溫電偶9，每個(gè)區(qū)中間位置放置控溫電偶即：控溫電偶1-控溫電偶9；同時(shí)，在籽晶14的頭部、尾部、放肩部末端和晶體生長中部及尾部分別放置測溫電偶即：測溫電偶1-測溫電偶5；所述控溫電偶和測溫電偶與控制器進(jìn)行信號連接，溫控系統(tǒng)通過測溫電偶所測量得到的實(shí)際晶體表面溫度，調(diào)整控溫電偶所對應(yīng)區(qū)域內(nèi)加熱電源功率大小，以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)的溫度控制；電源柜、電纜、電極、控溫電偶、測溫電偶和控制器組成溫控系統(tǒng)。在爐膛里設(shè)有壓力傳感器，該壓力傳感器與所述控制器進(jìn)行信號連接，當(dāng)爐膛內(nèi)壓力不符合設(shè)置的正常值時(shí)，啟動(dòng)設(shè)置的報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，并發(fā)出報(bào)警信號。所述控制器還設(shè)有無線信號發(fā)送或接收模塊，能將生長爐的運(yùn)行溫度、壓力、時(shí)間信號、報(bào)警信號無線發(fā)送給設(shè)置的監(jiān)控服務(wù)器和值班人員手機(jī)上，并接收監(jiān)控服務(wù)器的監(jiān)控信號。

使用上述碲鋅鎘單晶爐的單晶生長工藝，有以下步驟：

1)配料、封管：

將化學(xué)計(jì)量配比滿足cd1-xznxte(x＝0.04)合成后的4公斤碲鋅鎘多晶料、1500克的te(99.99999％的高純原料)和<111>方向的籽晶裝入3英寸pbn坩堝內(nèi)，放入石英管內(nèi)，加蓋石英帽。石英管抽真空，待真空達(dá)到2.3×10^-5pa時(shí)使用氫氧焰焊槍密封。

2)裝爐：

將密封后的石英管垂直裝入單晶爐內(nèi)，調(diào)節(jié)底部支撐高度，使該坩堝內(nèi)的碲鋅鎘多晶料對應(yīng)單晶爐的第4、5、6區(qū)；

3)安裝電偶:

分別在單晶爐的第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)取中間位置放置控溫?zé)崤?控溫電偶1-控溫電偶9)；同時(shí)，在該籽晶的頭部和尾部、放肩部分末端和晶體生長中部及尾部也分別放置測溫?zé)崤?測溫電偶1-測溫電偶5)；

4)數(shù)據(jù)輸入：

將第一區(qū)至第九區(qū)的各生長階段溫度、時(shí)間的設(shè)定數(shù)據(jù)輸入控制器，各生長階段包括加熱、化料、接籽晶、放肩、等徑生長、晶體退火、冷卻，輸入預(yù)置數(shù)據(jù)如下：

5)加熱：

用8小時(shí)加熱升溫，將第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)的控溫電偶溫度分別加熱到750℃、750℃、760℃、780℃、780℃、790℃、790℃、790℃、790℃，然后保溫5小時(shí)。

6)化料：

用24小時(shí)加熱升溫，使各控溫電偶第一區(qū)760℃、第二區(qū)770℃、第三區(qū)780℃、第四區(qū)810℃、第五區(qū)850℃、第六區(qū)850℃、第七區(qū)830℃、第八區(qū)830℃、第九區(qū)830℃，然后保溫6小時(shí)。

7)接籽晶：

用12小時(shí)加熱升溫，使各控溫電偶第一區(qū)770℃、第二區(qū)780℃、第三區(qū)790℃、第四區(qū)830℃、第五區(qū)850℃、第六區(qū)850℃、第七區(qū)830℃、第八區(qū)830℃、第九區(qū)830℃。當(dāng)測溫電偶1達(dá)到825℃時(shí)，籽晶部分處于熔化狀態(tài)，然后保溫2小時(shí)。

8)放肩：

溫場溫度梯度5-25℃/cm,用30小時(shí)逐漸降溫，使各控溫電偶溫度梯度達(dá)到第一區(qū)750℃、第二區(qū)755℃、第三區(qū)765℃、第四區(qū)810℃、第五區(qū)840℃、第六區(qū)850℃、第七區(qū)830℃、第八區(qū)830℃、第九區(qū)830℃。監(jiān)測測溫電偶3達(dá)到825℃左右然后保溫2小時(shí)；

9)等徑生長：

溫度梯度在5-25℃/cm,用360小時(shí)將各控溫電偶溫度逐漸降到第一區(qū)710℃、第二區(qū)720℃、第三區(qū)720℃、第四區(qū)750℃、第五區(qū)750℃、第六區(qū)750℃、第七區(qū)750℃、第八區(qū)750℃、第九區(qū)750℃，監(jiān)測測溫電偶5達(dá)到745℃，然后保溫24小時(shí)；

10)晶體退火：

用24小時(shí)將爐內(nèi)各控溫電偶溫度降到600℃左右時(shí)，監(jiān)測測溫電偶1到測溫電偶5的溫度達(dá)到601.5℃-611.3℃，保溫24小時(shí)進(jìn)行晶體退火。此過程溫場溫度保持不變。原位退火可有效降低晶體內(nèi)的碲夾雜含量。

11)冷卻：

用24小時(shí)將控溫電偶溫度從600℃降到23.5℃。

12)出料：

將石英管從單晶爐內(nèi)取出，并將碲鋅鎘單晶料從石英管內(nèi)取出，開管出料后碲鋅鎘晶體完好。晶體表面出現(xiàn)較大裂紋，尾部尤為明顯。晶體頭部有小面積花晶，晶體中部出現(xiàn)孿晶線，整體為一顆較大的單晶粒(邊緣處有5mm寬的花晶)，可切出直徑65mm單晶圓片。

實(shí)施例2：采用實(shí)施例1中的單晶爐，生長工藝步驟如下：

1)配料、封管：

將化學(xué)計(jì)量配比滿足cd1-xznxte(x＝0.1)合成后的4公斤碲鋅鎘多晶料、2000克的te(99.99999％的高純原料)和<111>方向的籽晶裝入3英寸pbn坩堝內(nèi)，放入石英管內(nèi)抽真空，待真空達(dá)到4.5×10^-5pa時(shí)使用氫氧焰焊槍密封。

2)裝爐：將密封后的石英管垂直裝入單晶爐內(nèi)，調(diào)節(jié)底部支撐高度，使該坩堝內(nèi)的碲鋅鎘多晶料對應(yīng)單晶爐的第4、5、6區(qū)。

3)安裝電偶：分別在單晶爐的第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)取中間位置放置控溫?zé)崤?控溫電偶1-控溫電偶9)；同時(shí)，在該籽晶的頭部和尾部、放肩部分末端和晶體生長中部及尾部也分別放置測溫?zé)崤?測溫電偶1-測溫電偶5)。

4)數(shù)據(jù)輸入：將第一區(qū)至第九區(qū)的各生長階段的溫度與時(shí)間的設(shè)定數(shù)據(jù)輸入控制器，各生長階段包括加熱、化料、接籽晶、放肩、等徑生長、晶體退火、冷卻等，預(yù)置數(shù)據(jù)如下：

5)加熱：

用12小時(shí)加熱升溫，將第一區(qū)、第二區(qū)、第三區(qū)、第四區(qū)、第五區(qū)、第六區(qū)、第七區(qū)、第八區(qū)、第九區(qū)的控溫電偶溫度分別加熱到750℃、750℃、760℃、780℃、780℃、790℃、790℃、790℃、790℃，然后保溫8小時(shí)。

6)化料：

用36小時(shí)加熱升溫，使各控溫電偶升溫到第一區(qū)760℃、第二區(qū)770℃、第三區(qū)780℃、第四區(qū)830℃、第五區(qū)900℃、第六區(qū)900℃、第七區(qū)880℃、第八區(qū)880℃、第九區(qū)880℃，然后保溫24小時(shí)。

7)接籽晶：

用12小時(shí)加熱升溫，使各控溫電偶升溫到第一區(qū)770℃、第二區(qū)780℃、第三區(qū)790℃、第四區(qū)850℃、第五區(qū)900℃、第六區(qū)900℃、第七區(qū)880℃、第八區(qū)880℃、第九區(qū)880℃，監(jiān)測測溫電偶1達(dá)到866℃時(shí)，籽晶部分處于熔化狀態(tài)，然后保溫6小時(shí)。

8)放肩：

溫場溫度梯度5-25℃/cm,用30小時(shí)逐漸降溫，使各控溫電偶溫度梯度達(dá)到第一區(qū)750℃、第二區(qū)755℃、第三區(qū)765℃、第四區(qū)830℃、第五區(qū)900℃、第六區(qū)900℃、第七區(qū)880℃、第八區(qū)880℃、第九區(qū)880℃，監(jiān)測測溫電偶3達(dá)到866℃，然后保溫24小時(shí)；

9)等徑生長：

溫度梯度在5-25℃/cm,用480小時(shí)將各控溫電偶溫度逐漸降到第一區(qū)710℃、第二區(qū)720℃、第三區(qū)720℃、第四區(qū)750℃、第五區(qū)750℃、第六區(qū)750℃、第七區(qū)750℃、第八區(qū)750℃、第九區(qū)750℃，監(jiān)測測溫電偶5達(dá)到745℃，然后保溫48小時(shí)；

10)晶體退火：

用24小時(shí)將爐內(nèi)各控溫電偶溫度降到600℃左右時(shí)，監(jiān)測測溫電偶1到測溫電偶5的溫度達(dá)到603.2℃-615.7℃，保溫48小時(shí)進(jìn)行晶體退火。此過程溫場溫度保持不變。原位退火可有效降低晶體內(nèi)的碲夾雜含量。晶體成份非常接近于所需化學(xué)計(jì)量比，晶體性能得到了改善。

11)冷卻：

用72小時(shí)將控溫電偶溫度從600℃降到18℃。

12)出料：

將石英管從單晶爐內(nèi)取出，并將碲鋅鎘單晶料從石英管內(nèi)取出。開管出料后碲鋅鎘晶體完好。晶體表面光滑，生長紋路均勻。晶體切割后可見頭部有小面積花晶，晶體中部出現(xiàn)幾個(gè)較大的單晶粒。

本實(shí)施例中生長工藝步驟與上述實(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含量從實(shí)例一的1500克提高到2000克；(2)生長溫度整體提高；(3)每階段的保溫時(shí)間適當(dāng)加長。

總結(jié)：對比兩次實(shí)施例中所獲得的晶體，實(shí)施例一由于降溫過程較短，對比實(shí)施例二少48小時(shí)，造成晶體表面出現(xiàn)較大的裂紋，而實(shí)施例二采用較為合理的降溫速率和生長時(shí)間，生長出的晶體表面質(zhì)量良好。采用本發(fā)明生長的碲鋅鎘晶體，降低了晶體的生長溫度，可大大縮短升溫化料和接籽晶時(shí)間；控制器精確控溫，實(shí)現(xiàn)程序化控制，提高溫場的穩(wěn)定性；可有效減少雜質(zhì)濃度及缺陷密度；獲得的單晶棒為圓柱體，可直接切片，利用率高，大大降低原料生產(chǎn)成本。

應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新發(fā)明型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。