CN106498491B - 一种气相法晶体生长用原料的提纯装置及其提纯方法 - Google Patents

一种气相法晶体生长用原料的提纯装置及其提纯方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气相法晶体生长用原料的提纯装置及其提纯方法。该装置为两端开口的石英管，在A端水平放置圆柱形支撑结构和衬底；盛放原料的小舟放置在B端，小舟与衬底间距为15~35cm；石英管两端开口处各使用一个带有进气口和出气口的法兰密封。采用该装置可以快速有效的对气相法晶体生长用原料进行提纯。通过采用高温和低温下两次恒温工艺，在一步提纯过程中，即可以去除原料中的低熔点杂质，同时实现高熔点杂质和原料的有效分离。提纯装置采用双法兰的设计保证了腔体内气流的可控性增强，保证了气相法晶体生长的原料的纯度，解决了气相法晶体生长中影响晶体质量和光电性能的关键问题。

Description

一种气相法晶体生长用原料的提纯装置及其提纯方法
技术领域
本发明涉及气相法晶体生长技术，特别涉及一种气相法晶体生长用原料的提纯装置及其提纯方法。
背景技术
气相法晶体生长技术被广泛用于晶体生长领域。在气相法制备晶体的过程中，晶体生长所用原料的纯度对生长出晶体的质量以及光、电学性能都有着很大的影响。首先，原料中存在的杂质容易在晶体生长的过程中进入晶体内，导致晶体内部包裹物、微管道、位错等缺陷的形成，严重影响制备出晶体的质量。其次，原料中某些杂质元素的掺入，会在晶体内形成自由载流子，从而改变晶体的电阻率、导电类型、光学透过率等性能，最终导致生长的晶体材料失效。因此，为了制备出光、电学性能符合要求的高质量的晶体，必须设法提高气相法晶体生长所用原料的纯度，严格控制原料中的杂质元素含量。
传统的原料提纯工艺，很难彻底的对原料中的低熔点杂质和高熔点杂质同时很好的去除，提纯不彻底，容易有杂质残留。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是研发一种气相法晶体生长用原料的提纯装置及其提纯方法。在气相法晶体生长中，由于原料中的杂质对晶体质量及其光电性能带来的不利影响，因此需要严格控制原料中的杂质含量。为了降低原理中杂质含量，在晶体生长之前需要对原料进行提纯处理。通过采用本发明设计的提纯装置对原料进行提纯，可同时有效去除原料中的低熔点杂质和高熔点杂质，保证了原料提纯的效果。
本发明采取的技术方案是：一种气相法晶体生长用原料的提纯装置，其特征在于，该装置为两端开口的厚壁石英管，在石英管的A端水平放置一个圆柱形支撑结构和衬底，用于提纯后原料的沉积；盛放原料的小舟放置在石英管的B端，小舟与衬底间距为15~35cm；石英管两端开口处各使用一个带有进气口和出气口的法兰密封，分别为左侧法兰和右侧法兰。
本发明采用气相法晶体生长用原料的提纯装置进行提纯的方法，其特征在于，该方法分以下步骤进行：
一、提纯装置密封完毕后整体水平放置于双温区电阻炉中，原料提纯系统抽真空，保持石英管的A、B两端法兰进气口关闭，出气口同时打开抽真空10~30min，以去除石英管内的空气；
二、关闭石英管的A端出气口，B端出气口继续保持抽真空；
三、升温，使石英管的A、B端温度均升至原料升华点以下30~60℃，同时保持石英管的A端衬底处温度高于B端原料区温度5~20℃；并在该温度下恒温2~10小时，从石英管的B端抽去原料中的低熔点杂质，同时打开石英管的A端进气口，向石英管内持续缓慢充入Ar气，促进杂质从石英管B端排出速率，避免杂质在石英管A端沉积；
四、继续升温，使石英管的A、B两端温度升至高于升华点100~200℃，并使石英管B端原料区温度高于A端衬底处温度30~60℃；打开石英管A端出气口，关闭石英管B端出气口，同时加大A端Ar气进气量，保持石英管内压力平衡在50~100mbar；
五、恒温50~100小时，使石英管B端原料在A端衬底处重新沉积，将原料与高熔点杂质分离；
六、恒温完毕后，石英管内充入Ar气至1000~1100mbar，保持该压力，炉体以每小时50~100℃的降温速度降至室温，即可在石英管A端衬底处得到提纯并分离后的高纯原料。
本发明的有益效果是：可以快速有效的对气相法晶体生长用原料进行提纯。通过采用高温和低温下两次恒温工艺，在一步提纯过程中，既可以去除原料中的低熔点杂质，同时实现高熔点杂质和原料的有效分离。同时双法兰的设计保证了腔体内气流的可控性增强，保证了气相法晶体生长的原料的纯度，解决了气相法晶体生长中影响晶体质量和光电性能的关键问题。
附图说明
图1是本发明的气相法晶体生长用原料的提纯装置结构示意图；
图2 是本发明采用原料提纯装置进行提纯的双温区电阻炉的温场分布示意图。
图中：Ⅰ为双温区电阻炉第一步恒温温场分布曲线；Ⅱ为双温区电阻炉第二步恒温温场分布曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
参照图1，本发明的气相法晶体生长用原料的提纯装置为两端开口的厚壁石英管1，在石英管1的A端水平放置一个圆柱形支撑结构5和衬底4，用于提纯后原料的沉积；盛放原料6的小舟7放置在石英管1的B端，小舟7与衬底4间距为15~35cm；石英管1两端开口处各使用一个带有进气口和出气口的法兰密封，分别为左侧法兰2和右侧法兰3。
本发明采用气相法晶体生长用原料的提纯装置进行提纯的方法适用于CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、AlN、GaN、SiC、Ga2O3等晶体生长用原料的气相法提纯处理。
实施例1：
气相法CdS原料提纯方法,实施步骤具体如下：
一、采用如图1所示双法兰原料提纯装置，圆柱形支撑结构5和衬底4放置在石英管1的A端，CdS原料6放置在石英管1的B端小舟7内，小舟7与衬底4间距为25cm；用左侧法兰2和右侧法兰3分别将石英管1两端开口处密封，然后将提纯装置整体水平放置于双温区电阻炉中（双温区电阻炉型号为PVT-TC-01）。
二、装置密封完毕后系统抽真空，保持石英管的A、B两端法兰进气口关闭，出气口打开抽真空20min，去除石英管内的空气。
三、关闭石英管的A端出气口，B端出气口继续保持抽真空。
四、升温，使石英管的A、B端温度分别升温至750℃和735℃（CdS原料升华点约为785℃）。炉体内温度曲线如图2中曲线Ⅰ所示，并在该温度下恒温5小时，从石英管的B端抽去CdS原料中的低熔点杂质，同时打开石英管的A端进气口，向石英管内持续缓慢充入Ar气，促进杂质从石英管B端排出速率，避免杂质在石英管A端沉积。
五、继续升温，使石英管的A、B两端分别升温至900℃和950℃，炉体内温度曲线如图2中曲线Ⅱ所示。打开石英管A端出气口，关闭石英管B端出气口，同时调节石英管A端Ar气进气量，保持石英管腔室内压力平衡在80mbar。
六、恒温80小时，使石英管B端的CdS原料在A端衬底处重新沉积，将CdS原料与高熔点杂质分离。
七、恒温完毕后，石英管内冲入Ar气至1050mbar，保持该压力，炉体以每小时60℃的降温速度降至室温，即可在石英管A端衬底处得到提纯并分离后的高纯CdS原料。
实施例2：
气相法ZnSe原料提纯方法,实施步骤具体如下：
一、采用如图1所示双法兰原料提纯装置，圆柱形支撑结构5和衬底4放置在石英管1的A端，ZnSe原料6放置在石英管1的B端小舟7内，小舟7与衬底4间距为25cm左右；用左侧法兰2和右侧法兰3分别将石英管1两端开口处密封，然后将提纯装置整体水平放置于双温区电阻炉中（双温区电阻炉型号为PVT-TC-01）。
二、装置密封完毕后系统抽真空，保持石英管的A、B两端法兰进气口关闭，出气口打开抽真空20min，去除石英管腔室内的空气。
三、关闭石英管的A端出气口，B端出气口继续保持抽真空。
四、升温，使石英管的A、B端温度分别升温至810℃和795℃（ZnSe原料升华点约为850℃）。炉体内温度曲线如图2中曲线Ⅰ所示，并在该温度下恒温5小时，从石英管的B端抽去ZnSe原料中的低熔点杂质，同时打开石英管的A端进气口，向石英管内持续缓慢充入Ar气，促进杂质从石英管B端排出速率，避免杂质在石英管A端沉积。
五、继续升温，使石英管的A、B两端分别升温至970℃和1020℃，炉体内温度曲线如图2中曲线Ⅱ所示。打开石英管A端出气口，关闭石英管B端出气口，同时调节石英管A端Ar气进气量，保持石英管腔室内压力平衡在80mbar。
六、恒温80小时，使石英管B端的ZnSe原料在A端衬底处重新沉积，将ZnSe原料与高熔点杂质分离。
七、恒温完毕后，石英管腔室内冲入Ar气至1050mbar，保持该压力，炉体以每小时60℃的降温速度降至室温，即可在石英管A端衬底处得到提纯并分离后的高纯ZnSe原料。
本方法采用特殊设计的水平双温区电阻炉，衬底和要提纯的原料分别置于炉体两端，在炉体两端各连接一个带有进气口和出气口的法兰密封，双法兰结构可以更好地控制石英管内的气压，同时还可实现对不同阶段石英管内气流方向的控制，从而获得更好地原料和杂质分离效果。第一步两端温度均升至原料升华点以下30~60℃，同时保持衬底温度高于原料区温度5~20℃（炉体温度分布如图2中曲线Ⅰ所示），在该温度下恒温抽去原料中的低熔点杂质；第二步两端温度升至高于升华点100~200℃，并使原料区温度高于衬底处温度30~60℃（炉体温度分布如图2中曲线Ⅱ所示），使原料在衬底处重新沉积，将原料与高熔点杂质分离。通过高低温下两步提纯，更好地实现原料提纯。

Claims (2)

1.一种气相法晶体生长用原料的提纯装置，其特征在于，该装置为两端开口的厚壁石英管（1），在石英管（1）的A端水平放置一个圆柱形支撑结构（5）和衬底（4），用于提纯后原料的沉积；盛放原料（6）的小舟（7）放置在石英管（1）的B端，小舟（7）与衬底（4）间距为15~35cm；石英管（1）两端开口处各使用一个带有进气口和出气口的法兰密封，分别为左侧法兰（2）和右侧法兰（3）。
2.一种采用如权利要求1所述的气相法晶体生长用原料的提纯装置进行提纯的方法，其特征在于，该方法分以下步骤进行：
一、提纯装置密封完毕后整体水平放置于双温区电阻炉中，原料提纯系统抽真空，保持石英管的A、B两端法兰进气口关闭，出气口同时打开抽真空10~30min，以去除石英管内的空气；
二、关闭石英管的A端出气口，B端出气口保持打开继续抽真空；
三、升温，使石英管的A、B端温度均升至原料升华点以下30~60℃，同时保持石英管的A端衬底处温度高于B端原料区温度5~20℃；并在该温度下恒温2~10小时，从石英管的B端抽去原料中的低熔点杂质，同时打开石英管的A端进气口，向石英管内持续缓慢充入Ar气，促进杂质从石英管B端排出，避免杂质在石英管A端沉积；
四、继续升温，使石英管的A、B两端温度升至高于升华点100~200℃，并使石英管B端原料区温度高于A端衬底处温度30~60℃；打开石英管A端出气口，关闭石英管B端出气口，同时加大A端Ar气进气量，保持石英管内压力平衡在50~100mbar；
五、恒温50~100小时，使石英管B端原料在A端衬底处重新沉积，将原料与高熔点杂质分离；
六、恒温完毕后，向石英管内充入Ar气至1000~1100mbar，保持该压力，炉体以每小时50~100℃的降温速度降至室温，即可在石英管A端衬底处得到提纯并分离后的高纯原料。
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