[发明专利]一种可补偿镉元素的砷锗镉单晶生长方法

说明书

本发明公开了一种可补偿镉元素的砷锗镉单晶生长方法，该方法采用VGF生长装置对Cd元素补偿的CdGeAs₂单晶的生长过程进行控制，VGF生长装置包括由石英原料坩埚和平底石英坩埚组成的单晶生长坩埚和五温区生长炉，石英原料坩埚部分设为晶体生长区，平底石英坩埚设为元素补偿区，元素补偿区位于单晶生长坩埚的下方，两区域通过生长坩埚侧壁的元素补偿管相连通，将CdGeAs₂和Cd原料放进两层的坩埚内，分温区和步骤控制CdGeAs₂单晶生长温度，在单晶生长过程中补偿Cd元素，使晶体首尾两端Cd元素均匀分布，解决因为Cd元素不一致导致的单晶性能不统一的问题，增大单晶的有效使用体积，降低CdGeAs₂单晶生长成本。

技术领域

本发明属于单晶生长领域，具体涉及一种可补偿镉（Cd）元素的砷锗镉（CdGeAs₂）单晶生长方法。

背景技术

CdGeAs₂单晶是一种中远红外非线性光学晶体，性能突出，应用前景广阔。首先，CdGeAs₂单晶的非线性光学系数在已知晶体中最高，可达236pm/V，为现今熟知非线性光学晶体的2-3倍以上；其次，该晶体具有适宜的双折射梯度，能够实现相位匹配的波长范围较宽；再次，CdGeAs₂单晶的硬度适中，可以进行有效的机械加工，激光损伤阈值高。以该晶体为基础制备的器件具有稳定性高、体积小、重量轻等特点，并且可应用于大功率器件中，这些优势使CdGeAs₂单晶成为一种性能十分优异的非线性光学晶体，更是被誉为II-IV-V族黄铜矿类半导体晶体中的性能最优者，备受关注。

国内外学者采用多种方法尝试生长该非线性光学晶体，但是该晶体a轴和c轴热膨胀系数差异大，所以受到该晶体本身物理性能限制，难以生长出大尺寸的CdGeAs₂单晶。现有报道指出采用垂直坩埚下降法可以长出直径20mm的单晶，为一种有效长出CdGeAs₂单晶的方法。相较于垂直坩埚下降法，垂直梯度凝固（VGF）法在生长大尺寸、高质量单晶方面具有更加明显的优势，该方法通过人为设定温场，可实现预先设计的温度梯度和降温速度，无机械误差和机械振动，并具有炉体内温度分布可精确控制的特点，因此生长的晶体质量更佳，完整性更好。然而，根据国内外报道可知现在CdGeAs₂单晶的生长技术还非常不完善，晶体质量较差，尤其是大尺寸的CdGeAs₂单晶，晶体上下组分差异较大，性能相差较多，可用部分较短，单个晶体利用率低。

发明内容

本发明采用垂直梯度凝固法（VGF）生长CdGeAs₂单晶，目的是解决现有生长CdGeAs₂单晶时，所生长的单晶顶部和底部Cd含量变化大，导致的性能不一致问题，提高生长单晶的利用率，降低CdGeAs₂单晶生长成本。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种可补偿镉元素的砷锗镉单晶生长方法，其特征在于，该方法采用VGF生长装置对Cd元素补偿的CdGeAs₂单晶的生长过程进行控制，所述VGF生长装置包括由石英原料坩埚和平底石英坩埚两部分组成的单晶生长坩埚和五温区生长炉，石英原料坩埚部分设为晶体生长区，平底石英坩埚设为元素补偿区，元素补偿区位于单晶生长坩埚的下方，两区域通过单晶生长坩埚侧壁的元素补偿管相连通，所述方法通过以下生长步骤完成：

一、准备阶段

1、使用去离子水清洗石英平底坩埚，称取一定质量的纯度为99.9999%的Cd粒放入平底石英坩埚内。

2、使用去离子水清洗石英原料坩埚，称取一定质量的纯度为99.9999%的CdGeAs₂原料，放入石英原料坩埚内，使元素补偿管上部的元素补偿口在熔化后液体原料的液面下方。