[发明专利]多元化合物半导体单晶的制备方法与生长装置

说明书

技术领域

本发明属于无机单晶材料制备领域，特别涉及一种熔体法生长多元化合物半导体单晶的方法和相应的生长装置。

技术背景

多元化合物半导体单晶，例如ZnGeP₂、CdGeAs₂、AgGaS₂、AgGaSe₂、AgGa_1-xIn_xSe₂、Cd_1-xZn_xTe等，由于具有优异的红外非线性光学性能或室温核辐射探测性能，可在中远红外波段的频率转换和室温核辐射探测领域广泛应用。上述化合物半导体单晶生长困难，一般可用Brigdman-Stockarger(简称B-S法)法生长单晶，但是这些化合物组分多，熔点差别大，饱和蒸汽压差别大，高温下易分解，加之熔体粘滞系数大，低温下还会产生脱溶分解析出第二相；尤其是结晶过程中，由于组成化合物各组元物质的分凝系数不同，加之固体与熔体的导热性能差别大，随着晶体生长过程中固-液量的变化，会使结晶区的温场发生变化，导致固-液界面发生漂移，很难维持晶体生长所需的平(或微凸)界面生长，所以，通常的B-S方法很难获得完整性好的化合物半导体单晶体，制约了其器件的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多元化合物半导体单晶的制备方法及其与该方法配套使用的单晶生长装置，以制备出外观完整、结晶性能好的多种多元化合物半导体单晶体。

本发明针对多元化合物半导体单晶生长的技术难点，设计出一种具有可移动下炉加热器及中部辅助加热器的单晶生长装置，它可以灵活根据多元化合物的结晶习性，实现对结晶温度梯度区的温场调节，获得化合物单晶生长所需的窄温区、大温梯的结晶温场分布，维持固-液界面的稳定，实现单晶体的平界面生长。使用该生长装置，采用坩埚下降法可成功生长出外观完整，结晶性能好的多种多元化合物半导体单晶体。

本发明所述多元化合物半导体单晶的制备方法，以多元化合物多晶体粉末为原料，以石英坩埚为生长容器，依次包括以下工艺步骤：

①清洁坩埚

清洁坩埚是将坩埚内壁进行去除杂质的处理；

②装料并除气封结

将多元化合物多晶体粉末装入清洁后的坩埚内，然后在200℃～350℃下抽空除气，当坩埚内的气压降至10^-3～10^-4Pa时封结；

③晶体生长

A、将封结后的坩埚放入单晶生长炉内，让坩埚尖部位于上炉加热器的控温热偶之上3～5cm处，将上炉以2～3℃/min的速率升温至多元化合物熔点以上50℃～100℃，下炉以同样速率升温至多元化合物熔点以下、脱熔分解温度以上，辅助加热器的控制温度为多元化合物的熔点温度，保温24小时～36小时，

B、上述保温结束后，以10mm/h～15mm/h的速率下降坩埚尖部至辅助加热器的控温热偶处，保温4小时～6小时后以0.2mm/h～0.5mm/h的速率下降坩埚开始晶体生长，经过2～4周时间，让熔体全部移动通过固-液界面；

④退火与冷却

完成单晶体生长后将坩埚下降至下炉等温区退火2～4天，然后断电，让晶锭随炉冷却至室温后取出。

本发明所述多元化合物半导体单晶生长装置，包括炉体、各自独立加热控温的上炉加热器、辅助加热器和下炉加热器，上炉加热器和辅助加热器的发热体沿炉体的轴向自上而下依次安装在炉体上，下炉加热器的发热组装体安装在下部升降机构上，其主体伸入炉体并位于辅助加热器的发热体之下；在辅助加热器的发热体分布区l₂，自下而上重叠安装了由下层导热环、中层导热环和上层保温隔热环组成的复合保温隔热层，下层导热环、中层导热环和上层保温隔热环的内径与多元化合物半导体单晶生长坩埚的外形尺寸相匹配；辅助加热器的控温热偶安装在上层保温隔热环与中层导热环之间，上炉加热器的控温热偶安装在上炉加热器发热体的下端，下炉加热器的控温热偶安装在下炉加热器发热体的上端，上炉温度监测热偶安装在上炉加热器发热体分布区l₁的中部。上炉加热器的控温热偶与下炉加热器的控温热偶之间的区域为结晶温度梯度区，操作下部升降机构，使下炉加热器的发热组装体沿炉体的轴向上下移动，即可改变结晶温度梯度区的宽度。