CN102220644A - 一种提高碲锌镉晶体性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新的提高碲锌镉晶体性能的方法和装置，属特殊晶体热处理工艺技术领域。其特点包括：利用生长后的晶体内存在的Te沉淀/夹杂相来吸附晶体中的有害杂质，然后利用热迁移机制（处在液态下Te沉淀在温度梯度温场中会向着高温方向移动）将晶锭置于一定的温度梯度温场中进行长时间退火，使晶体内的Te沉淀/夹杂相携带着杂质移动到晶体的尾端，最后切除尾部，得到提纯的碲锌镉晶体。采用本发明对完成生长的碲锌镉晶锭进行退火改性，能够显著的减少碲锌镉晶体中的杂质和缺陷的含量。

Description

一种提高碲锌镉晶体性能的方法
技术领域
本发明涉及一种新的提高碲锌镉晶体性能的方法和装置，属特殊晶体热处理工艺技术领域。
背景技术
作为新一代化合物半导体，CZT材料具有较大的禁带宽度和较高的平均原子序数，因而可工作在常温，并具有较大的阻止本领和较强的抗辐射能力。CZT材料制作的探测器与传统的NaI闪烁体探测器相比，具有更高的能量分辨率。随着CZT材料的发展和新型器件的出现，在高能量分辨率的能谱仪、高空间分辨率的成像装置和高能量的光子探测系统等领域的应用可望成为现实。因此，CZT探测器在医学、空间科学、机场、港口安检、核废料监测及其它核技术领域有着广阔的应用前景。
然而，在CZT晶体生长过程中，由于化学计量比的偏离以及组分过冷的存在，不可避免的会产生Te夹杂/沉淀相，严重影响晶体的光学和电学性能。研究发现，晶体中的Te夹杂/沉淀可以吸附Na、Ag、Bi等杂质，因此如果可以将Te夹杂/沉淀通过某种方法移动至晶锭的尾部，然后将晶锭尾部切除，剩余的大部分晶体便得到了提纯，不仅减小了Te夹杂/沉淀的含量。同时，通过Te夹杂/沉淀的吸附作用，也减少了晶体中Na、Ag、Bi等杂质的含量，从而提高CZT晶体的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题：本发明提供了一种新的提高碲锌镉晶体性能的方法及装置。本发明利用生长后的晶体内存在的Te沉淀/夹杂相来吸附晶体中的有害杂质，然后利用热迁移机制（处在液态下Te沉淀在温度梯度温场中会向着高温方向移动）将晶锭置于一定的温度梯度温场中进行一定时间退火，使晶体内的Te沉淀/夹杂相携带着杂质移动到晶体的尾端。本发明对完成生长的碲锌镉晶锭进行退火改性，能够显著的减少碲锌镉晶体内的杂质和缺陷的含量。
本发明采用如下技术方案：
本发明一种提高碲锌镉晶体性能的方法，包括以下的过程步骤：
a.      将生长完成的碲锌镉晶锭连同坩埚一起放入温度梯度炉内，并将其稳定的固定在支撑杆上，将温度梯度炉的上端设为高温区其温度为1100～700℃，下端设为低温区其温度为450～200℃，调节中间温区，使其温度梯度为20～50℃/cm；温度梯度温场的范围是300～1000℃；
b.      调节炉体和支撑杆的位置，使晶锭全部位于高温恒温区，保温24～48小时，并且该保温过程中可以减少位错；
c.      调节炉体和支撑杆的位置，使晶锭降到处于温度梯度温场中，当CZT晶体处于温度梯度温场中（高温TH<CZT熔点，低温TL>Te熔点）时，上方为高温端，下方为低温端，坩埚自上而下由高温端向低温端移动，其中Te沉淀熔化成一个小液滴，Te小液滴因杂质的扩散运动可吸附周围晶体中的杂质；由于在温度梯度场中，小液滴在垂直方向有温度差，上方为高温端T2，下方为低温端T1；高温端处CZT在Te小液滴中的溶解度C2大于低温端处的溶解度C1，由于该溶质溶解度差，使溶质在高温面处溶解在低温面处析出，从而使Te小液滴从低温端移向高温端，晶体冷却后表现为Te夹杂由低温端移动到高温端即由下向上移动；为了提高效率，使晶锭以一定速度（0.1～10mm/h）走过该温度梯度；
d.      最后，等晶锭完成在温度梯度区的退火后，调节炉体和支撑杆的位置，使晶锭全部位于低温恒温区，保温24～48小时，以减少Cd空位和消除应力；然后取出晶锭切除尾部，得到提纯的碲锌镉晶体。
本发明一种提高碲锌镉晶体性能的方法所用的专用装置，该装置包括炉体、可移动支撑杆；其特征在于：炉体为三温区加热炉，其中上下温区采用均匀加热的电阻加热器，中间温区采用梯度温场加热器，利用该设备可以实现大梯度温场；炉体和支撑杆可实现自动升降，以保证了梯度热处理的正常进行。
本发明方法的特点是利用Te沉淀/夹杂相吸附杂质的作用，开辟了梯度温场退火驱动杂质移动的新工艺。该发明能够有效的去除杂质，显著的提高晶体的性能和成品率。通常在一些工艺方法中制备的碲锌镉晶体中含有一定数量的Te夹杂（尤其在富Te条件下），这些晶体都可以用本发明的方法来处理。
附图说明
图1为本发明梯度温场热处理原理图。
图2为本发明梯度温场热处理装置示意图。
具体实施方式
实施例一
本发明的碲锌镉晶体的退火改性是通过梯度温场热处理方法及其专用装置来实现的。
参见图2，本发明中所用的梯度温场热处理装置包括炉体1、及可移动支撑杆2：其中炉体1两端的设有电阻加热器3、4和中间梯度温场加热器5；完成生长的晶锭连同坩埚6置于匹配可移动的支撑杆3上，保证晶锭处于垂直稳定状态；晶锭位于中间梯度温场加热器5处；退火开始时，炉体1以一定的速度上升。
本发明实施例的具体工艺步骤方法如下所述：
（1）        将利用改进的布里奇曼法生长完成的富Te1.2wt%碲锌镉晶锭连同坩埚一起放入温度梯度炉内，将温度梯度炉的上端设为高温区其温度为800℃，下端设为低温区其温度为400℃，调节中间温区，使其温度梯度为30℃/cm。
（2）        调节炉体和支撑杆的位置，使晶锭全部位于高温恒温区，保温24小时。
（3）        调节炉体和支撑杆的位置，使晶锭全部位于温度梯度区，晶锭向下移动速率为2mm/h，结合晶锭长度80mm即可计算得出退火时间40h。
（4）        等晶锭完成在温度梯度区的热处理后，调节炉体和支撑杆的位置，使晶锭全部位于低温恒温区，保温24小时。
（5）        炉冷后，取出晶锭，切除尾部，即得到我们需要的碲锌镉晶体。
将晶体切片及处理后，测试其红外透过率和电阻率，发现比未进行此法处理的使用相同工艺生长的碲锌镉晶体的红外透过率和电阻率有显著的提高。
实施例二
本实施例采用上述实施例一中同样的生长装置。
本实施例中的退火工艺步骤与上述实施例一完全相同，不同的是改变了一些工艺参数。其不同的工艺参数是：（1）温度梯度为35℃/cm；（2）晶锭向下移动速率为3mm/h。最终测得晶体的性能有显著的提高。
实施例三
本实施例采用上述实施例一中同样的生长装置。
本实施例中的生长工艺步骤与上述实施例一完全相同，不同的是改变了一些工艺参数。其不同的工艺参数是：温度梯度为40℃/cm。最终测得晶体的性能有显著的提高。
采用本发明的梯度温场热处理来提高碲锌镉晶体性能的方法和装置，操作简单可靠、成本低、工艺过程安全，能够有效的去除杂质和缺陷，显著的提高碲锌镉晶体的性能，最终获得完全符合作为探测器材料的要求的碲锌镉晶体。
本实施例中处理的对象是采用布里奇曼方法生长的，Te含量比准化学计量比多1.2wt%的富Te碲锌镉晶体，具体的来说就是：在称量配料时，比化学计量比多加1.2wt%的Te。
布里奇曼晶体生长法：用于晶体生长用的材料装在圆柱型的坩埚中,缓慢地下降,并通过一个具有一定温度梯度的加热炉。在高温区时,坩埚中的材料被熔融,当坩埚持续下降时,坩埚底部的温度先下降到熔点以下,并开始结晶,晶体随坩埚下降而持续长大。
晶体生长过程为:（1）称量配料；按化学计量比称取Cd,Te,Zn原料,本例中其中Te比按化学计量比所需的再多加1.2wt%；（2）装料；将按配方称好的原料放入石英坩埚；（3）抽真空封管；对装好原料的石英管即石英坩埚抽真空到一定真空度,然后将石英管熔封,使原料封闭在高真空的石英管内;（4）合成；将坩埚放入摇摆炉内加热到合成温度,将单质原料合成为碲锌镉多晶料; （5）晶体生长；将其中原料已为多晶的坩埚放入布里奇曼晶体生长炉进行晶体生长。

Claims (2)

1.一种提高碲锌镉晶体性能的方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
将生长完成的碲锌镉晶锭连同坩埚一起放入温度梯度炉内，并将其稳定的固定在支撑杆上，将温度梯度炉的上端设为高温区其温度为1100～700℃，下端设为低温区其温度为450～200℃，调节中间温区，使其温度梯度为20～50℃/cm;温度梯度温场的范围是300～1000℃；
调节炉体和支撑杆的位置，使晶锭全部位于高温恒温区，保温24～48小时，并且该保温过程中可以减少位错；
调节炉体和支撑杆的位置，使晶锭降到处于温度梯度温场中，当CZT晶体处于温度梯度温场中（高温TH<CZT熔点，低温TL>Te熔点）时，上方为高温端，下方为低温端，坩埚自上而下由高温端向低温端移动，其中Te沉淀熔化成一个小液滴，Te小液滴因杂质的扩散运动可吸附周围晶体中的杂质；由于在温度梯度场中，小液滴在垂直方向有温度差，上方为高温端T2，下方为低温端T1 ；高温端处CZT在Te小液滴中的溶解度C2大于低温端处的溶解度C1，由于该溶质溶解度差，使溶质在高温面处溶解在低温面处析出，从而使Te小液滴从低温端移向高温端，晶体冷却后表现为Te夹杂由低温端移动到高温端即由下向上移动；为了提高效率，使晶锭以一定速度（0.5～5mm/h）走过该温度梯度区；
最后，等晶锭完成在温度梯度区的处理后，调节炉体和支撑杆的位置，使晶锭全部位于低温恒温区，保温24～48小时，以减少Cd空位和消除应力。
2.一种提高碲锌镉晶体性能的方法所用的专用装置，该装置包括炉体（1）、及可移动支撑杆（2）：其中炉体（1）有两端的电阻加热器（3、4）和中间梯度温场加热器（5）组成；完成生长的晶锭连同坩埚（6）置于匹配可移动的支撑杆（3）上保证晶锭处于垂直稳定状态；晶锭位于中间梯度温场加热器（5）处；退火开始时，炉体（1）以一定的速度上升。
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