CN109487339A - 用于X射线成像的大面积CdZnTe单晶制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于X射线成像的大面积CdZnTe单晶制备方法，用于解决现有CdZnTe单晶制备方法难以生长大面积的CdZnTe单晶的技术问题。技术方案是将生长的CdZnTe多晶锭切片作为升华源，将GaAs(100)衬底经过化学腐蚀、超声清洗，再升华源与GaAs(100)衬底放入生长腔室，调整好升华源与GaAs(100)衬底之间的距离，关闭炉门，对生长腔室抽真空并保持真空度，缓慢升温到设定温度，每生长一段时间即降温到一定温度保温一段时间，生长结束后缓慢降温，再自然冷却，得到CdZnTe单晶，将生长好的CdZnTe晶体经过处理后叠层生长，得到高质量的大面积CdZnTe单晶。

Description

用于X射线成像的大面积CdZnTe单晶制备方法
技术领域
本发明涉及一种CdZnTe单晶制备方法，特别涉及一种用于X射线成像的大面积CdZnTe单晶制备方法。
背景技术
Cd1-xZnxTe(简称为CdZnTe或CZT)是一种具有优异光电性能的II-VI族化合物半导体，因其具有较高的原子序数，较大的禁带宽度，较高的本征μτ值，较低的电子-空穴对电离能等优点，被认为是理想的室温X射线和γ射线探测器材料。随着大面积成像探测器迅猛发展，高性能器件对CZT晶体的尺寸要求越来越高。而由于CdZnTe晶体的热导率低、堆垛层错能低、临界切应力小，容易形成阳离子空位、位错、Te沉淀相等结构缺陷，生长探测器级大尺寸CdZnTe单晶十分困难，现有的熔体法晶体生长技术均有成品率低或生产效率低的问题，使得探测器级CdZnTe晶体价格昂贵，限制了CdZnTe探测器在工业应用领域的推广。因而用近空间升华法制备大面积CZT单晶成为了研究热点，越来越受到人们的关注。
文献“K.Yasuda,M.Niraula,H.Kusama et al.Control of Zn composition(0<x<1)in Cd1-xZnxTe epitaxial layers on GaAs substrates grown by MOVPE[J].AppliedSurface Science.2005,244:347-350”通过金属有机物化学气相沉积法在GaAs衬底上制备了CdZnTe单晶膜，但这种方法存在成本高，难以生长大面积的CdZnTe单晶厚膜的缺点。
发明内容
为了克服现有CdZnTe单晶制备方法难以生长大面积的CdZnTe单晶的不足，本发明提供一种用于X射线成像的大面积CdZnTe单晶制备方法。该方法将生长的CdZnTe多晶锭切片作为升华源，将GaAs(100)衬底经过化学腐蚀、超声清洗，再升华源与GaAs(100)衬底放入生长腔室，调整好升华源与GaAs(100)衬底之间的距离，关闭炉门，对生长腔室抽真空并保持真空度，缓慢升温到设定温度，每生长一段时间即降温到一定温度保温一段时间，生长结束后缓慢降温，再自然冷却，得到CdZnTe单晶。还可以将生长好的CdZnTe晶体经过处理后叠层生长，得到高质量的大面积CdZnTe单晶。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种用于X射线成像的大面积CdZnTe单晶制备方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、将高纯Cd、Zn、Te和In放入石英管中，通过布里奇曼法生长出成分均匀、无大块Te夹杂的CdZnTe多晶。将CdZnTe多晶体切片作为升华源，打磨去除表面杂质，并分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗5～10分钟。
步骤二、将GaAs(100)衬底先在丙酮中超声清洗5～10分钟，然后在配比为H2SO4:H2O2:H2O＝10:1:4的腐蚀液中腐蚀20～30秒，再在酒精中超声清洗5～10分钟，用N2吹干，放入升华炉中。
步骤三、控制升华炉生长腔室内气压至1～3Pa，生长过程一直保持升华炉生长腔室内气压，将GaAs(100)衬底加热到300～350℃，将升华源加热到400～450℃，保温600～1000s，再将升华源加热到650～700℃，加热速度为10～15℃/min，每生长30～40min将升华源温度降到430～500℃，保温10～15min，然后再将升华源温度升到650～700℃继续生长，生长7～10小时，生长结束后，将GaAs(100)衬底温度以2～3℃/min的速度降到150～200℃，升华源以8～10℃/min的速度降温到450～500℃，然后自然冷却到室温。
本发明的有益效果是：该方法将生长的CdZnTe多晶锭切片作为升华源，将GaAs(100)衬底经过化学腐蚀、超声清洗，再升华源与GaAs(100)衬底放入生长腔室，调整好升华源与GaAs(100)衬底之间的距离，关闭炉门，对生长腔室抽真空并保持真空度，缓慢升温到设定温度，每生长一段时间即降温到一定温度保温一段时间，生长结束后缓慢降温，再自然冷却，得到CdZnTe单晶。还可以将生长好的CdZnTe晶体经过处理后叠层生长，得到高质量的大面积CdZnTe单晶。
本发明采用近空间升华法，通过选择合适的衬底，对衬底及源进行适当处理，生长中途停留保温，生长后缓慢降温以及叠层生长等方式，生长出了面积为2cm×2cm，厚度大于1mm且X射线双晶摇摆曲线窄至50弧秒的高质量的CdZnTe单晶。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法实施例1生长的CdZnTe单晶结晶质量的X射线摇摆曲线。
图2是本发明方法实施例1生长的CdZnTe单晶在不同剂量的X射线下的光电流台阶。
具体实施方式
以下实施例参照图1-2。
实施例1：
步骤一、升华源的准备：将高纯Cd、Zn、Te和In放入石英管中，通过布里奇曼法生长出成分均匀、无大块Te夹杂的CdZnTe多晶。将生长好的CdZnTe多晶体切片作为升华源，打磨升华源去除表面杂质，并分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗10分钟；
步骤二、衬底预处理：将面积为2cm×2cm的GaAs(100)衬底先在丙酮中超声清洗10分钟，然后在配比为H2SO4:H2O2:H2O＝10mL:1mL:4mL的腐蚀液中腐蚀20秒，然后在酒精中超声清洗10分钟，用N2吹干，放入升华炉中；
步骤三、CdZnTe单晶生长过程：控制近空间升华反应室内气压至3Pa，机械泵一直处于工作状态。分别将GaAs(100)衬底和升华源加热到300℃、400℃，保温600s，再将升华源加热到690℃，加热速度为15℃/min，每生长30分钟将升华源温度降到500℃保温10min，然后再将升华源升温到690℃继续生长。生长10个小时。生长结束后，GaAs(100)衬底以3℃/min的速度降温到200℃，升华源以10℃/min的速度降温到500℃，然后自然冷却到室温。
从图1中可以看出，在本实施例生长的CdZnTe单晶质量较高，即X射线摇摆曲线半峰宽较小。从图2中可以看出，本实施例生长的CdZnTe晶体对不同剂量下的X射线有良好的响应，当X射线剂量增大时，光电流也按比例增大且光电流台阶稳定。
实施例2：
步骤一、升华源的准备：将高纯Cd、Zn、Te和In放入石英管中，通过布里奇曼法生长出成分均匀、无大块Te夹杂的CdZnTe多晶。将生长好的CdZnTe多晶体切片作为升华源，打磨升华源去除表面杂质，并分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗5分钟；
步骤二、衬底预处理：将面积为2cm×2cm的GaAs(100)衬底先在丙酮中超声清洗5分钟，然后在配比为H2SO4:H2O2:H2O＝10mL:1mL:4mL的腐蚀液中腐蚀30秒，然后在酒精中超声清洗5分钟，用N2吹干，放入升华炉中；
步骤三、CdZnTe单晶生长过程：打开机械泵，抽真空到2Pa，并保持打开状态。分别将衬底和升华源加热到330℃、430℃，保温1000s，再将升华源加热到700℃，加热速度为12℃/min，每生长35分钟就将升华源温度降到430℃以下保温10min，然后再将升华源升温到700℃继续生长。生长7个小时，衬底以2℃/min的速度降温到150℃，升华源以8℃/min的速度降温到450℃，然后自然冷却到室温。
步骤四、将生长好的CdZnTe晶体取出，经过磨拋后再分别用去离子水，丙酮，酒精超声清洗5分钟，放入近空间升华炉中，更换升华源，重复步骤三继续生长。
实施例3：
步骤一、升华源的准备：将高纯Cd、Zn、Te和In放入石英管中，通过布里奇曼法生长出成分均匀、无大块Te夹杂的CdZnTe多晶。将生长好的CdZnTe多晶体切片作为升华源，打磨升华源去除表面杂质，并分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗8分钟；
步骤二、衬底预处理：将面积为2cm×2cm的GaAs(100)衬底先在丙酮中超声清洗8分钟，然后在配比为H2SO4:H2O2:H2O＝10mL:1mL:4mL的腐蚀液中腐蚀25秒，然后在酒精中超声清洗8分钟，用N2吹干，放入升华炉中；
步骤三、CdZnTe单晶生长过程：控制近空间升华反应室内气压至1Pa，机械泵一直处于工作状态。分别将GaAs(100)衬底和升华源加热到350℃、450℃，保温800s，再将升华源加热到650℃，加热速度为10℃/min，每生长40分钟将升华源温度降到450℃保温15min，然后再将升华源升温到650℃继续生长。生长10个小时。生长结束后，GaAs(100)衬底以3℃/min的速度降温到180℃，升华源以10℃/min的速度降温到500℃，然后自然冷却到室温。

Claims (1)

1.一种用于X射线成像的大面积CdZnTe单晶制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、将高纯Cd、Zn、Te和In放入石英管中，通过布里奇曼法生长出成分均匀、无大块Te夹杂的CdZnTe多晶；将CdZnTe多晶体切片作为升华源，打磨去除表面杂质，并分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗5～10分钟；
步骤二、将GaAs(100)衬底先在丙酮中超声清洗5～10分钟，然后在配比为H2SO4:H2O2:H2O＝10:1:4的腐蚀液中腐蚀20～30秒，再在酒精中超声清洗5～10分钟，用N2吹干，放入升华炉中；
步骤三、控制升华炉生长腔室内气压至1～3Pa，生长过程一直保持升华炉生长腔室内气压，将GaAs(100)衬底加热到300～350℃，将升华源加热到400～450℃，保温600～1000s，再将升华源加热到650～700℃，加热速度为10～15℃/min，每生长30～40min将升华源温度降到430～500℃，保温10～15min，然后再将升华源温度升到650～700℃继续生长，生长7～10小时，生长结束后，将GaAs(100)衬底温度以2～3℃/min的速度降到150～200℃，升华源以8～10℃/min的速度降温到450～500℃，然后自然冷却到室温。
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