一種提高碲鋅鎘晶體性能的方法

2023-07-25 00:58:31 1

專利名稱：一種提高碲鋅鎘晶體性能的方法
技術領域：
本發明涉及一種新的提高碲鋅鎘晶體性能的方法和裝置，屬特殊晶體熱處理工藝技術領域。
背景技術：
作為新一代化合物半導體，CZT材料具有較大的禁帶寬度和較高的平均原子序數， 因而可工作在常溫，並具有較大的阻止本領和較強的抗輻射能力。CZT材料製作的探測器與傳統的NaI閃爍體探測器相比，具有更高的能量解析度。隨著CZT材料的發展和新型器件的出現，在高能量解析度的能譜儀、高空間解析度的成像裝置和高能量的光子探測系統等領域的應用可望成為現實。因此，CZT探測器在醫學、空間科學、機場、港口安檢、核廢料監測及其它核技術領域有著廣闊的應用前景。然而，在CZT晶體生長過程中，由於化學計量比的偏離以及組分過冷的存在，不可避免的會產生Te夾雜/沉澱相，嚴重影響晶體的光學和電學性能。研究發現，晶體中的Te 夾雜/沉澱可以吸附Na、Ag、Bi等雜質，因此如果可以將Te夾雜/沉澱通過某種方法移動至晶錠的尾部，然後將晶錠尾部切除，剩餘的大部分晶體便得到了提純，不僅減小了 Te夾雜/沉澱的含量。同時，通過Te夾雜/沉澱的吸附作用，也減少了晶體中Na、Ag、Bi等雜質的含量，從而提高CZT晶體的性能。

發明內容
本發明要解決的技術問題本發明提供了一種新的提高碲鋅鎘晶體性能的方法及裝置。本發明利用生長後的晶體內存在的Te沉澱/夾雜相來吸附晶體中的有害雜質，然後利用熱遷移機制(處在液態下Te沉澱在溫度梯度溫場中會向著高溫方向移動)將晶錠置於一定的溫度梯度溫場中進行一定時間退火，使晶體內的Te沉澱/夾雜相攜帶著雜質移動到晶體的尾端。本發明對完成生長的碲鋅鎘晶錠進行退火改性，能夠顯著的減少碲鋅鎘晶體內的雜質和缺陷的含量。本發明採用如下技術方案
本發明一種提高碲鋅鎘晶體性能的方法，包括以下的過程步驟
a.將生長完成的碲鋅鎘晶錠連同坩堝一起放入溫度梯度爐內，並將其穩定的固定在支撐杆上，將溫度梯度爐的上端設為高溫區其溫度為1100 70(TC，下端設為低溫區其溫度為450 200°C，調節中間溫區，使其溫度梯度為20 50°C /cm ；溫度梯度溫場的範圍是 300 1000°C ；
b.調節爐體和支撐杆的位置，使晶錠全部位於高溫恆溫區，保溫24 48小時，並且該保溫過程中可以減少位錯；
c.調節爐體和支撐杆的位置，使晶錠降到處於溫度梯度溫場中，當CZT晶體處於溫度梯度溫場中(高溫THTe熔點)時，上方為高溫端，下方為低溫端，坩堝自上而下由高溫端向低溫端移動，其中Te沉澱熔化成一個小液滴，Te小液滴因雜質的擴散運動可吸附周圍晶體中的雜質；由於在溫度梯度場中，小液滴在垂直方向有溫度差，上方為高溫端τ2，下方為低溫端T1 ；高溫端處CZT在Te小液滴中的溶解度C2大於低溫端處的溶解度 C1,由於該溶質溶解度差，使溶質在高溫面處溶解在低溫面處析出，從而使Te小液滴從低溫端移向高溫端，晶體冷卻後表現為Te夾雜由低溫端移動到高溫端即由下向上移動；為了提高效率，使晶錠以一定速度(0. 1 10mm/h)走過該溫度梯度；
d.最後，等晶錠完成在溫度梯度區的退火後，調節爐體和支撐杆的位置，使晶錠全部位於低溫恆溫區，保溫24 48小時，以減少Cd空位和消除應力；然後取出晶錠切除尾部，得到提純的碲鋅鎘晶體本發明一種提高碲鋅鎘晶體性能的方法所用的專用裝置，該裝置包括爐體、可移動支撐杆；其特徵在於爐體為三溫區加熱爐，其中上下溫區採用均勻加熱的電阻加熱器， 中間溫區採用梯度溫場加熱器，利用該設備可以實現大梯度溫場；爐體和支撐杆可實現自動升降，以保證了梯度熱處理的正常進行。本發明方法的特點是利用Te沉澱/夾雜相吸附雜質的作用，開闢了梯度溫場退火驅動雜質移動的新工藝。該發明能夠有效的去除雜質，顯著的提高晶體的性能和成品率。通常在一些工藝方法中製備的碲鋅鎘晶體中含有一定數量的Te夾雜(尤其在富Te條件下)， 這些晶體都可以用本發明的方法來處理。


圖1為本發明梯度溫場熱處理原理圖。圖2為本發明梯度溫場熱處理裝置示意圖。
具體實施例方式實施例一
本發明的碲鋅鎘晶體的退火改性是通過梯度溫場熱處理方法及其專用裝置來實現的。參見圖2，本發明中所用的梯度溫場熱處理裝置包括爐體1、及可移動支撐杆2:其中爐體1兩端的設有電阻加熱器3、4和中間梯度溫場加熱器5 ；完成生長的晶錠連同坩堝 6置於匹配可移動的支撐杆3上，保證晶錠處於垂直穩定狀態；晶錠位於中間梯度溫場加熱器5處；退火開始時，爐體1以一定的速度上升。本發明實施例的具體工藝步驟方法如下所述
(1)將利用改進的布裡奇曼法生長完成的富Tel. 2襯％碲鋅鎘晶錠連同坩堝一起放入溫度梯度爐內，將溫度梯度爐的上端設為高溫區其溫度為800°C，下端設為低溫區其溫度為 400°C，調節中間溫區，使其溫度梯度為30°C /cm。(2)調節爐體和支撐杆的位置，使晶錠全部位於高溫恆溫區，保溫24小時。(3)調節爐體和支撐杆的位置，使晶錠全部位於溫度梯度區，晶錠向下移動速率為 2mm/h,結合晶錠長度80mm即可計算得出退火時間40h。(4)等晶錠完成在溫度梯度區的熱處理後，調節爐體和支撐杆的位置，使晶錠全部位於低溫恆溫區，保溫24小時。(5)爐冷後，取出晶錠，切除尾部，即得到我們需要的碲鋅鎘晶體。將晶體切片及處理後，測試其紅外透過率和電阻率，發現比未進行此法處理的使用相同工藝生長的碲鋅鎘晶體的紅外透過率和電阻率有顯著的提高。實施例二
本實施例採用上述實施例一中同樣的生長裝置。本實施例中的退火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(1)溫度梯度為35V /cm ； (2)晶錠向下移動速率為3mm/h。 最終測得晶體的性能有顯著的提高。實施例三
本實施例採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溫度梯度為40°C/cm。最終測得晶體的性能有顯著的提高。採用本發明的梯度溫場熱處理來提高碲鋅鎘晶體性能的方法和裝置，操作簡單可靠、成本低、工藝過程安全，能夠有效的去除雜質和缺陷，顯著的提高碲鋅鎘晶體的性能，最終獲得完全符合作為探測器材料的要求的碲鋅鎘晶體。本實施例中處理的對象是採用布裡奇曼方法生長的，Te含量比準化學計量比多 1. 2wt%的富Te碲鋅鎘晶體，具體的來說就是在稱量配料時，比化學計量比多加1. 2wt%的 Te0布裡奇曼晶體生長法用於晶體生長用的材料裝在圓柱型的坩堝中，緩慢地下降，並通過一個具有一定溫度梯度的加熱爐。在高溫區時，坩堝中的材料被熔融，當坩堝持續下降時，坩堝底部的溫度先下降到熔點以下，並開始結晶，晶體隨坩堝下降而持續長大。晶體生長過程為(1)稱量配料；按化學計量比稱取Cd，Te, Zn原料，本例中其中 Te比按化學計量比所需的再多加1. 2wt% ； (2)裝料；將按配方稱好的原料放入石英坩堝； (3)抽真空封管；對裝好原料的石英管即石英坩堝抽真空到一定真空度，然後將石英管熔封，使原料封閉在高真空的石英管內；(4)合成；將坩堝放入搖擺爐內加熱到合成溫度， 將單質原料合成為碲鋅鎘多晶料；(5)晶體生長；將其中原料已為多晶的坩堝放入布裡奇曼晶體生長爐進行晶體生長。
權利要求
1.一種提高碲鋅鎘晶體性能的方法，其特徵在於具有以下的工藝過程和步驟將生長完成的碲鋅鎘晶錠連同坩堝一起放入溫度梯度爐內，並將其穩定的固定在支撐杆上，將溫度梯度爐的上端設為高溫區其溫度為1100 70(TC，下端設為低溫區其溫度為 450 200°C，調節中間溫區，使其溫度梯度為20 50°C /cm;溫度梯度溫場的範圍是300 IOOO0C ；調節爐體和支撐杆的位置，使晶錠全部位於高溫恆溫區，保溫24 48小時，並且該保溫過程中可以減少位錯；調節爐體和支撐杆的位置，使晶錠降到處於溫度梯度溫場中，當CZT晶體處於溫度梯度溫場中(高溫THTe熔點)時，上方為高溫端，下方為低溫端，坩堝自上而下由高溫端向低溫端移動，其中Te沉澱熔化成一個小液滴，Te小液滴因雜質的擴散運動可吸附周圍晶體中的雜質；由於在溫度梯度場中，小液滴在垂直方向有溫度差，上方為高溫端 T2,下方為低溫端T1 ；高溫端處CZT在Te小液滴中的溶解度C2大於低溫端處的溶解度C1, 由於該溶質溶解度差，使溶質在高溫面處溶解在低溫面處析出，從而使Te小液滴從低溫端移向高溫端，晶體冷卻後表現為Te夾雜由低溫端移動到高溫端即由下向上移動；為了提高效率，使晶錠以一定速度(0. 5 5mm/h)走過該溫度梯度區；最後，等晶錠完成在溫度梯度區的處理後，調節爐體和支撐杆的位置，使晶錠全部位於低溫恆溫區，保溫24 48小時，以減少Cd空位和消除應力。
2.一種提高碲鋅鎘晶體性能的方法所用的專用裝置，該裝置包括爐體(1)、及可移動支撐杆(2)其中爐體(1)有兩端的電阻加熱器(3、4)和中間梯度溫場加熱器(5)組成；完成生長的晶錠連同坩堝(6)置於匹配可移動的支撐杆(3)上保證晶錠處於垂直穩定狀態； 晶錠位於中間梯度溫場加熱器(5)處；退火開始時，爐體(1)以一定的速度上升。
全文摘要
本發明涉及一種新的提高碲鋅鎘晶體性能的方法和裝置，屬特殊晶體熱處理工藝技術領域。其特點包括利用生長後的晶體內存在的Te沉澱/夾雜相來吸附晶體中的有害雜質，然後利用熱遷移機制(處在液態下Te沉澱在溫度梯度溫場中會向著高溫方向移動)將晶錠置於一定的溫度梯度溫場中進行長時間退火，使晶體內的Te沉澱/夾雜相攜帶著雜質移動到晶體的尾端，最後切除尾部，得到提純的碲鋅鎘晶體。採用本發明對完成生長的碲鋅鎘晶錠進行退火改性，能夠顯著的減少碲鋅鎘晶體中的雜質和缺陷的含量。
文檔編號C30B33/02GK102220644SQ20111015156
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月8日 優先權日2011年6月8日
發明者劉偉偉, 孫孝翔, 席韡, 張濤, 張繼軍, 李輝, 梁小燕, 滕家琪, 王東, 王林軍, 郭昀, 閔嘉華 申請人:上海大學