CN106435718A - 一种高密闭性碲镉汞气相外延的石英套管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于碲镉汞气相外延生长的石英套管，该石英套管由99.99999％的高纯石英材料制成的石英外管、石英限位管和石英内管和石英塞组成。石英外管是一端封闭，一端开口的圆柱体结构，开口端与封闭门相连。石英限位管为圆柱体杯状结构，放置在石英外管内部，靠近封闭端。石英内管是一个一端封闭，一端带有椎度开口的圆柱体结构。石英塞也有带锥度圆柱体的中空的磨砂口塞子，与石英内管匹配，石英塞与带弹簧的不锈钢管相连。石英内管和石英塞均放置在石英外管内部，靠近封闭门。石英内管内部放置可以进行气相外延的石墨舟。该石英套管用于碲镉汞气相外延生长，实现高密闭性、快速升降温的碲镉汞气相外延生长。

Description

一种高密闭性碲镉汞气相外延的石英套管
技术领域
本发明涉及一种用于碲镉汞气相外延的具有高密闭性的石英套管，具体涉及一种石英套管，它适用于红外碲镉汞材料的气相外延生长，特别适用于不同外延温度、不同尺寸衬底，多片碲镉汞材料气相外延生长。该石英套管的高密闭性设计可以在气相外延过程中有效控制Hg损失，该方法可以应用于短波、中波和长波碲镉汞等温气相外延领域。
背景技术
最初利用等温气相外延技术(ISOVPE)是由法国Cohen-Solal[Cohen-Solal G.andMarfaing,Y.,Transport of photocarriers in Cdx Hg1–xTe graded-gap structures,Solid State Electron.11,1131–1147(1968).]等人设计的。生长过程是首先在厚碲化镉衬底上进行碲化汞的近平衡恒温蒸发，然后进行淀积层与衬底间的互扩散就可以生成可变带隙的碲镉汞材料。碲镉汞气相外延的生长是根据等温气相外延原理进行薄膜的生长[S.H.Shin,E.R.Gertner,J.G.Pasko,et al.Isothermal vapor-phase epitaxy ofHgCdTe on CdTe and Al2O3substrates[J].J.Appl.Phys.,57(10):4721-4726(1985)]。波兰研究者[Piotrowski,J.and Piotrowski,A.,Uncooled infrared photodetectors inPoland,Proc.SPIE 5957,59570K(2005)]用合成的碲化镉薄层来代替碲化镉体材料。利用真空蒸发技术在低成本、容易得到的衬底(如云母，硅，蓝宝石和其他材料)上淀积生长碲化镉外延材料，然后利用恒温汽相外延技术淀积一定厚度的碲化汞，经过某种工艺使它们反应而生成均匀的碲镉汞材料。这些材料用来制备工作在近室温下的中波红外(MWIR)，长波红外(LWIR)光导、光磁电和光伏探测器。第一个在高温下工作的长波(≈10.6徽米)探测器于1972年问世[Piotrowski,J.,Electrical and photoelectric properties of Hg1–xCdxTe films,Thesis,WAT,Warsaw(1973)(in Polish)],可能是第一批商业化的、利用在混合衬底上外延Hg1–xCdxTe材料制备的红外探测器。
Wroclaw技术大学的研究团队[Becla P.and Placzek-Popko E.,Electricalproperties of infrared photovoltaic Hg1–xCdxTe detectors,Infrared Phys.21,323–332(1981)]是采用封闭的石英管恒温汽相外延技术生长碲镉汞外延层材料。利用这种技术得到了渐变组分的外延层材料来进行广泛的科学研究。利用汞扩散形成n-on-p结，制备出了高质量的光伏探测器。
在等温气相外延中涉及Hg损失的问题，特别是开管生长系统中，由于密闭性差，有时气相外延过程中会出现生长工艺难以重复，外延膜回熔、热腐蚀等情况。而控制这一问题的关键因素是石英管密闭性的设计要巧妙，即能有效减少Hg原子的泄漏，又能确保不会由于Hg压过高造成爆炸。因此，一个高纯、高密闭性石英套管的设计决定了气相外延的成败。
本发明拟采用碲镉汞气相生长技术，运用本发明发明的高密闭性石英套管实现碲镉汞外延工艺的稳定生长，为高质量碲镉汞外延材料生长提供一种有效手段。
发明内容
本发明目的是提供一种高密闭性碲镉汞外延生长的石英套管，解决碲镉汞气相外延生长中Hg损失的问题。
本发明的方法为：通过设计不同尺寸、不同结构石英外管、石英限位管和石英内管和石英塞，实现高质量碲镉汞材料的气相外延生长。
发明内容如下：碲镉汞外延生长用的高密闭性石英套管具体结构如附图1～5所示，它由石英外管1、石英限位管2和石英内管3和石英塞4四个部件组成，这些部件均采用99.99999％的高纯石英制作。
所述的石英外管1是一端封闭，一端开口的圆柱体结构，开口端与封闭门6相连，壁厚5mm。石英外管1尺寸可以根据石英内管3的大小(石英内管2控制在直径60mm以内)进行设计，在封闭端底部有一细长内置小管，可以放置热电偶，对气相外延过程中的温度进行监控。
所述石英限位管2是圆柱体杯状结构，放置在石英外管1内部，靠近封闭端，壁厚4mm。通过石英限位管2的长度控制石英内管3石英外管1内部的位置。
所述的石英内管3是一个一端封闭，一端带有椎度开口的圆柱体结构，壁厚3mm，开口椎度为10°。石英内管3内放置气相外延用的石墨舟5。
所述的石英塞4是也有带锥度圆柱体的中空的磨砂口塞子，与石英内管3匹配，石英塞4椎度为10°，内部中空部分为直径40mm，长75mm，该处放置带弹簧的不锈钢杆7，便于在气相外延过程中对石英内管3进行密封和开启。
本发明高密闭性碲镉汞外延生长石英套管的优点在于：它可以解决碲镉汞气相外延薄膜生长中Hg损失以及由于系统密闭性不好造成的热腐蚀、回熔等问题。该方法可以应用于短波、中波和长波碲镉汞等温气相外延领域。
附图说明
图1为石英套管总装结构图。
图2为石英外管1结构图。
图3为石英限位管2结构图。
图4为石英内管3结构图。
图5为石英塞4结构图。
具体实施方式
以碲镉汞气相外延用的石英套管为例。
具体过程如下：
图1是石英套管总装结构图，该石英套管包括5个部分：石英外管1、石英限位管2、石英内管3、石英塞4、石墨舟5、封闭门6。石英外管1是一端封闭，一端开口的圆柱体结构，开口端与封闭门相连。石英限位管2为圆柱体杯状结构，放置在石英外管1内部，靠近封闭门6。石英内管3是一个一端封闭，一端带有椎度开口的圆柱体结构。石英塞4也有带锥度圆柱体的中空的磨砂口塞子，与石英内管3匹配。石英内管3和石英塞4均放置在石英外管1内部，靠近封闭门6。石英内管3内部放置可以进行气相外延的石墨舟5。
2图2是石英外管1结构图，该石英外管1总长850mm，一端封闭，一端开口。外径120mm，内径110mm，壁厚5mm，在靠封闭端石英管底部有一个外接中空管，长532mm，中空管内径7mm，外径10mm，这个中空管可以放置热电偶，实时监控外延过程中石墨舟5底部的温度。
3图3是石英限位管2结构图，该石英限位管2总长310mm，外径60mm，内径52mm，有效控制石英内管3在石英外管1的位置，为气相外延的工艺稳定性提供了可能。
4图4是石英内管3结构图，该石英内管3总长285mm，一端封闭，一端磨砂口开口。外径70mm，内径64mm，壁厚3mm，磨砂口处长度50mm，开口锥度10度。石英内管3依次放在石英限位管2旁边，靠近石英外管1的开口端。石墨舟5放置在石英内管3内。
5图5是石英塞4结构图，该石英塞4是配合石英内管3用的，也采用磨砂设计，便于保证石英内管3的密闭性。石英塞4总长度90mm，一端锥形设计塞入石英内管3内部，锥度为10度，与石英内管3匹配，另一端中空设计，中空内径40mm，放置带弹簧的不锈钢钢管，以实现在气相外延过程中对石英内管3的封闭作用，另外，带弹簧的不锈钢管7可以在汞压高时有效卸载高压气氛，进而避免了气相外延过程中的爆炸。

Claims (2)

1.一种高密闭性碲镉汞气相外延的石英套管，包括石英外管(1)、石英限位管(2)和石英内管(3)和石英塞(4)，其特征在于：
所述的石英外管(1)是一端封闭，一端开口的圆柱体结构，壁厚5mm；在封闭端底部有用来放置热电偶的凹口；
所述的石英限位管(2)是圆柱体杯状结构，壁厚4mm；
所述的石英内管(3)是一端封闭，一端带有椎度开口的圆柱体结构，壁厚3mm，开口椎度为10°，直径小于60mm；
所述的石英塞(4)是有带锥度圆柱体的中空的磨砂口塞子，椎度为10°，内部中空部分为直径40mm，长75mm；
所述石英限位管(2)放置在石英外管(1)内部，靠近封闭端，石英内管(3)亦放置在石英外管(1)内部，靠近开口端，通过石英限位管(2)的长度控制石英内管(3)在石英外管(1)内的位置；所述的石英塞(4)与石英内管(3)匹配，石英塞(4)内部中空部分与带弹簧的不锈钢管(7)相连，便于在气相外延过程中对石英内管(3)进行密封和开启。
2.根据权利要求1所述的高密闭性碲镉汞气相外延的石英套管，其特征在于：所述的石英外管(1)、石英限位管(2)和石英内管(3)和石英塞(4)均采用99.99999％的高纯石英制作。
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