CN106319633B - 一种大尺寸高红外透过率CdS单晶生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸高红外透过率CdS单晶生长方法。首先提纯CdS原料：将称取的原料放入安瓿瓶中，在安瓿瓶口装上蓝宝石生长衬底和导热棒，将生长区置于石英支撑管上，再一起装入石英保温外管中，然后整体放入提纯炉中进行提纯；生长CdS单晶：称取多晶料放入安瓿瓶中，称取Cd粒加入多晶料中；在安瓿瓶口放上CdS籽晶后，压上蓝宝石的导热棒抽至真空状态，放入单晶生长炉中进行单晶生长。该工艺简单，生长周期短，成本低廉。采用该方法生长的CdS单晶尺寸大，直径可达53mm，单晶透明性高，红外透过率好，不容易开裂，室温常压下可长时间保存，在2.5um‑5um部分红外透过率可以高达71.5%。

Description

一种大尺寸高红外透过率CdS单晶生长方法
技术领域
本发明涉及II-VI族单晶材料生长技术，特别是涉及一种大尺寸高红外透过率CdS单晶生长方法。
背景技术
II-VI族硫化镉（CdS）单晶材料是一类重要的宽禁带半导体材料，具有直接跃迁带隙，室温下带隙宽度约为2.42eV，并且具有优异的光电特性和红外透射性，集光伏效应、窗口效应、声电效应和光电导效应等多种特性于一身，在光、电、磁、光催化等方面都具有较大的应用潜能和重要的战略地位。多年来，以美国、俄罗斯和德国等国家为代表的多家研究所和公司，比如美国、俄罗斯等地的研究所等，均对该单晶材料进行了开发研制工作。
相较而言，国内对CdS单晶材料的研究起步较晚，用于器件研制的单晶晶片供应严重不足，曾一度完全依赖于进口。本世纪初，由于国外对该单晶材料出口的进一步限制，严重抑制了国内在相关器件领域的研发。介于CdS块体单晶材料的匮乏，从上世纪开始，国内多家研究单位曾致力于该单晶材料的开发，但均未取得突破性成果。本单位通过对CdS单晶材料多年的学习、调研及技术交流摸索，掌握了物理气相传输（PVT）法制备CdS单晶的关键技术。PVT法是一种生长CdS单晶的有效方法，原料在源区升华，在生长区结晶。采用该方法生长CdS单晶时，所生长单晶对源材料组分、生长温度等条件极其敏感，导致单晶均一性较低，质量较差，单晶透明性差，红外透过率低，单晶成品率较低。
发明内容
本发明的目的是要解决现有的CdS单晶生长困难、质量低、单晶尺寸小和红外透过率低的问题，特别提供一种直径53mm、在波长2.5um-5um之间具有高红外透过率的II-VI族CdS单晶及其生长方法。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种大尺寸高红外透过率CdS单晶生长方法，其特征在于，所述CdS单晶按照以下步骤完成：
一、提纯CdS原料
（一）、准备原料：按照生长晶锭质量的2-4倍称取CdS原料，将称取的原料放入安瓿瓶中，在安瓿瓶口装上蓝宝石生长衬底和导热棒，形成原料提纯装置；将原料提纯装置置于石英支撑管上，再一起装入石英保温外管中，然后整体放入提纯炉中；
（二）、提纯：提纯炉采用五温区控温结构，原料整体放入提纯炉中后，采用保温棉封住单晶生长炉入口，进行原料提纯；提纯时通入Ar气作为载气，保持压强在3.00×104-9.50×104pa；设定提纯源区的生长温度为1040℃~1090℃，提纯籽晶区的生长温度为980℃~1025℃，采用1.5℃/min~2.5℃/min的速率分别将炉体从室温升至提纯源区和提纯籽晶区的设定温度，保持100h~300h的生长时间；生长结束后，采用1.0℃/min~1.3℃/min降温速率降至室温；降至室温后取出提纯后的多晶原料；
二、生长CdS单晶
（一）、制备生长原料：将提纯后的多晶原料碎化，按照所要生长晶体的重量称取一定质量的多晶料，放入安瓿瓶中；根据所要生长单晶的电阻值，称取一定质量的Cd粒加入多晶料中；在安瓿瓶口装上籽晶托，放上CdS籽晶后，压上蓝宝石导热棒，形成单晶生长装置，将此单晶生长装置抽至真空状态，放入单晶生长炉中；
（二）、单晶生长：单晶生长炉采用四温区控温结构，将单晶生长装置放入单晶生长炉中后，采用保温棉封住单晶生长炉入口，进行单晶生长；设定单晶生长源区的生长温度为1050℃~1100℃，单晶生长籽晶区的生长温度为990℃~1020℃，采用1.5℃/min~2.0℃/min的速率将炉体从室温升至单晶生长的源区和单晶生长的籽晶区的设定温度，保持50h~150h的生长时间；
（三）、降温：单晶生长结束后，采用分温区缓降温的方法进行生长单晶降温，在生长温度开始降温至900℃之间，降温速率为0.3℃/min~2.5℃/min；在生长温度降至900℃以下时，采用0.5℃/min~1.5℃/min的降温速率降至室温；降至室温后，取出生长的CdS单晶。
本发明的有益效果是：该CdS单晶的PVT生长方法工艺简单，生长周期短，成本低廉。采用该方法生长的CdS单晶尺寸大，直径可达53mm，单晶透明性高，红外透过率好，不容易开裂，室温常压下可长时间保存，在2.5um-5um部分红外透过率可以高达71.5%。
附图说明
图1为本发明的原料提纯装置示意图；
图2为本发明的单晶生长装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例：
一、提纯CdS原料
（一）准备原料：使用精度为0.0001的天平，称取200-300gCdS原料1，其中CdS原料的纯度为99.9999%。将称取的CdS原料放入Φ55mm×120mm的提纯CdS原料安瓿瓶2中，安瓿瓶口装上蓝宝石生长衬底3和导热棒4，形成原料提纯装置（如图1所示）。将原料提纯装置置于石英材质的支撑管上，一起装入石英保温外管中，将此原料提纯结构整体放入提纯炉中。
（二）提纯：提纯炉采用五温区控温结构。提纯炉中放入原料提纯结构后，采用保温棉封住单晶生长炉入口，进行原料提纯。提纯时通入Ar气作为载气，保持压强在5.00×104pa。设定提纯源区6生长温度为1070℃，提纯籽晶区5生长温度为1010℃，采用1.5℃/min的速率分别将炉体从室温升至提纯源区和提纯籽晶区的设定温度，保持200h的生长时间。生长结束后，采用1℃/min降温速率降至室温。降至室温后，取出提纯后的多晶原料。
二、生长CdS单晶
（一）制备生长原料。将提纯后的多晶原料碎化，按照所要生长晶体的重量称取250g的CdS多晶料7，放入Φ55mm×160mm的生长CdS单晶安瓿瓶8中。根据所要生长单晶的电阻值，使用精度为0.0001的天平，称取50mg的Cd粒加入CdS多晶料中。在安瓿瓶口装上籽晶托10，放上CdS籽晶9后，压上蓝宝石导热棒11，形成单晶生长装置（如图2所示）。将此单晶生长装置抽至真空状态，放入单晶生长炉中。
（二）单晶生长。生长炉采用四温区控温结构。将生长装置放入生长炉中后，采用保温棉封住单晶生长炉入口，进行单晶生长。设定单晶生长源区13的生长温度为1070℃，单晶生长籽晶区12的生长温度为1010℃，采用1.5℃/min的速率将炉体从室温升至单晶生长源区和单晶生长籽晶区的设定温度，保持100h的生长时间。
（三）降温。生长结束后，采用分温区缓降温的方法，进行生长单晶降温。在生长温度开始降温至900℃之间，降温速率为0.3℃/min~2.5℃/min；在生长温度降至900℃以下时，采用1.5℃/min的降温速率降至室温。降至室温后，取出生长的CdS单晶。
随着单晶生长装置内温度的升高，单晶生长源区的CdS原料按照以下化学式进行分解：CdS=Cd+S2；分解后的Cd和S2会在温度较低的籽晶区重新凝聚为CdS，并且随着籽晶定向排列，形成单晶。采用该方法生长的CdS单晶，尺寸可达53mm以上，成品率高，在波长2.5um-5um部分红外透过率可达71%以上。

Claims (1)

1.一种大尺寸高红外透过率CdS单晶生长方法，其特征在于，所述CdS单晶按照以下步骤完成：
一、提纯CdS原料
（一）、准备原料：按照生长晶锭质量的2-4倍称取CdS原料，将称取的原料放入安瓿瓶中，在安瓿瓶口装上蓝宝石生长衬底和导热棒，形成原料提纯装置；将原料提纯装置置于石英支撑管上，再一起装入石英保温外管中，然后整体放入提纯炉中；
（二）、提纯：提纯炉采用五温区控温结构，原料整体放入提纯炉中后，采用保温棉封住单晶生长炉入口，进行原料提纯；提纯时通入Ar气作为载气，保持压强在3.00×104-9.50×104pa；设定提纯源区的生长温度为1040℃~1090℃，提纯籽晶区的生长温度为980℃~1025℃，采用1.5℃/min~2.5℃/min的速率分别将炉体从室温升至提纯源区的生长温度和提纯籽晶区的生长温度的设定温度，保持100h~300h的生长时间；生长结束后，采用1.0℃/min~1.3℃/min降温速率降至室温；降至室温后取出提纯后的多晶原料；
二、生长CdS单晶
（一）、制备生长原料：将提纯后的多晶原料碎化，按照所要生长晶体的重量称取一定质量的多晶料，放入安瓿瓶中；根据所要生长单晶的电阻值，称取一定质量的Cd粒加入多晶料中；在安瓿瓶口装上籽晶托，放上CdS籽晶后，压上蓝宝石导热棒，形成单晶生长装置，将此单晶生长装置抽至真空状态，放入单晶生长炉中；
（二）、单晶生长：单晶生长炉采用四温区控温结构，将单晶生长装置放入单晶生长炉中后，采用保温棉封住单晶生长炉入口，进行单晶生长；设定单晶生长源区的生长温度为1050℃~1100℃，单晶生长籽晶区的生长温度为990℃~1020℃，采用1.5℃/min~2.0℃/min的速率将炉体从室温升至单晶生长源区和单晶生长籽晶区的设定温度，保持50h~150h的生长时间；
（三）、降温：单晶生长结束后，采用分温区缓降温的方法进行生长单晶降温，在生长温度开始降温至900℃之间，降温速率为0.3℃/min~2.5℃/min；在生长温度降至900℃以下时，采用0.5℃/min~1.5℃/min的降温速率降至室温；降至室温后，取出生长的CdS单晶。
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