[发明专利]一种提高ZnTe晶体掺杂元素均匀性的方法

说明书

本发明公开了一种提高ZnTe晶体掺杂元素均匀性的方法，包括如下步骤：采用Te熔剂‑TGSM技术生长ZnTe电光晶体；将晶体在生长炉内低温区保温退火；将晶体锭条取出，进行定向切片，研磨和抛光，然后清洗干净并甩干备用；建立掺杂量与ZnTe晶体电阻率及载流子传输特性的定量关系，获得THz辐射的吸收和散射机理；将晶体切片架在石英支架上固定于石英安瓿内，将安瓿瓶进行内进行抽真空，然后对安瓿瓶的瓶口进行熔封，将安瓿瓶放入退火炉进行均匀性退火。通过建立掺杂量与ZnTe晶体电阻率及载流子传输特性的定量关系，获得THz辐射的吸收和散射机理，优化掺杂浓度及设计多阶段组合退火处理工艺，最终获得高均匀性光学品质的ZnTe晶体。

技术领域

本发明涉及ZnTe晶体技术领域，具体为一种提高ZnTe晶体掺杂元素均匀性的方法。

背景技术

晶体是内部质点在三维空间中成周期性重复排列的固体。由于其特有的结构特点，晶体能够实现电、热、磁、光、声和力的相互作用和相互转换，成为工业中不可或缺的重要功能材料，在通信、摄影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域得到了广泛的应用。根据不同的功能物性，晶体材料可分为光功能晶体、半导体晶体、压电晶体、热释电晶体、超硬晶体等等。天然晶体储量有限，且由于天然形成不可避免有较多的各种缺陷，纯净度和单晶性难以保障。而人工晶体能够通过控制其生长规律和习性达到满足特定需求的目的。其中有一种方法就是在晶体中掺杂具有一定种类(如B和P，过渡金属元素，稀土元素及锕系元素等)和含量的元素，以达到提高晶体生产质量，及改善某些性能的目的。

由于掺杂元素的分凝，导致生长态ZnTe晶体不同部位掺杂元素的含量不同，进而造成其电学性能存在差异。减小熔区长度并采用ACRT技术可以促进溶质的扩散，有利于减小分凝现象，提高掺杂元素的均匀性。此外，不同掺杂元素与Zn空位间的补偿机理，对自由载流子的俘获特性及其在ZnTe晶体中的固溶度不同，可能会引入新的缺陷复合体，导致THz辐射效率降低和波形的变化。需要依据缺陷物理和缺陷化学分析方法及点缺陷的定量表征手段，确认出掺杂元素的状态和能级，进而准确控制掺杂浓度。

近年来，研究人员开发出碲自助熔剂(以下简称Te熔剂)技术生长ZnTe晶体，可以有效降低晶体的生长温度，并且可以减少高温条件下从石英坩埚中扩散的杂质。2014年日本新日矿业公司采用Te熔剂技术改进的VGF法生长出ZnTe晶体。但采用Te熔剂法进行ZnTe晶体生长的一个显著的特点是：随着晶体生长的进行，熔体成分不断变化导致溶质的析出温度和析出速率在不断变化，进而造成液/固界面的推进速率及形态不稳定。

晶体中的Zn空位是决定ZnTe晶体载流子浓度及电阻率的主要因素。首都师范大学王秀敏等发现能够高效产生和探测THz辐射的ZnTe晶体的电阻率通常在10²-10⁶Ω·cm之间。通过生长掺杂可以在较宽范围内调整ZnTe晶体的电阻率。如：使用ZnP₂作为掺杂剂可以将晶体的电阻率降低至2.3×10^-2Ω·cm，而In掺杂的ZnTe晶体的电阻率可以达到4.4×10⁸Ω·cm。Asahi等则通过掺GaS使其电阻率达到10⁶Ω·cm。此外，2007年美国普林斯顿大学的研究人员则发现V掺杂可以显著提高晶体的电光效应。然而对掺杂元素在晶体中的状态以及与Zn空位的作用规律目前尚缺少理论研究。同时，由于Ⅱ-Ⅵ族半导体化合物材料一般存在严重的自补偿现象，如何实现有效掺杂以及控制掺杂的均匀性，也是目前亟待解决的技术问题，为此我们提出一种提高ZnTe晶体掺杂元素均匀性的方法用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高ZnTe晶体掺杂元素均匀性的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高ZnTe晶体掺杂元素均匀性的方法，包括如下步骤：

S1、晶体生长