DE2422250A1 - METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING SEMI-INSULATING CADMIUM TELLURIDE - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING SEMI-INSULATING CADMIUM TELLURIDEInfo
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Neuilly-sur-Seine/FrankreichNeuilly-sur-Seine / France
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von semi-isolierendemMethod and device for the production of semi-insulating
CadmiumtelluridCadmium telluride
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von semi-isolierendem Cadmiumtellurid. The invention relates to a method and a device for producing semi-insulating cadmium telluride.
Wenn man Einkristalle von Halbleitern» wie Germanium und Silicium^ die in vollkommen reinem Zustand Intrinsik-Leitfähigkeit haben,, als Detektoren verwenden will» muß man die Halbleiter entweder in reinem Zustand und damit als Stoffe mit großem spezifischem Widerstand oder dotiert mit einem geeigneten Dotierungsmittel benutzen» damit Teilchen von geringere Energie ein Blektron-Loch-Paar leichter als im Pail des Halbleiters mit Intrinsik-Leitfähigkeit induzieren können. If one looks at single crystals of semiconductors such as germanium and silicon which have intrinsic conductivity in a perfectly pure state, than If you want to use detectors »you have to either use the semiconductors in pure Use state and thus as substances with high specific resistance or doped with a suitable dopant »with it Particles of lower energy than a Blektron hole pair lighter than can induce intrinsic conductivity in the pail of the semiconductor.
Bei Anwendungen, wo man mit einem Halbleiter mit Intrinsik-Leitfähigkeit und hohem spezifischem Widerstand arbeiten muß, wie beispielsweise in Pestkörper-Ionisationskammern, ist es vorteilhaft, Halbleiter mit hohem Atomgewicht zu benutzen. Zum Nachweis von bei?- spielsweise Gammastrahlen sind nämlich Detektoren aus Stoffen mit hohem Atomgewicht empfindlicher, da der Wirkungsquerschnitt für dieIn applications where one is dealing with a semiconductor with intrinsic conductivity and high resistivity, such as in pest body ionization chambers, it is advantageous to use semiconductors with high atomic weight. For proof of at? - For example, gamma rays are namely detectors made of substances with a high atomic weight more sensitive, since the cross-section for the
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Absorption von Gammastrahlen proportional dem Atomgewicht des den Detektor bildenden stoffes ist. um Halbleiter mit hoher Atomzahl zu erhalten, muß man daher eine Verbindung herstellen, welche zwei Elemente legiert j deren Valenzelektrcmen in ihrer cheiaischen Verbinaimg einen Halbleiterkristall bilden. Es sind mehrere solche Kombinationen möglich, beispielsweise Gs.lliuriiarsenid oder Cadmiumtellurid. Cadmiumtellurid ist wegen seiner höheren Atomzahl der bessere Detektor« Tellur kristallisiert wie Cadmium im kabischen System. Die Zahl der Elektronen der Auße-nschale O beträgt für Cadmium zwei und für Tellur sechs, also insgesamt acht für Cadmiumtellurid, was der stabilen Struktur der höheren Elektronenschale des Xenons entspricht. Das reine und vollkommene Cadmiumtellurid, also ohne Verunreinigung, Dotierungsmittel und mit genau gleicher Zahl von Cadmium-und Telluratomen ist ein Halbleiter mit Intrinsik-Leitfähigkeit und hohem spezifischem Widerstand. Derartige Halbleiter werden als Semi-Isolatoren bezeichnet.Wenn Tellur im Überschuß gegenüber Cadmium vorliegt, ist ein Überschuß an Löchern vorhanden, und es liegt ein durch einen seiner Bestandteile "dotierter1* Halbleiter vor, in diesem Fall ein Halbleiter vom Typ P. Entsprechend liegt bei geringem Cadmiumüberschuß ein Halbleiter vom Typ N vor.Absorption of gamma rays is proportional to the atomic weight of the substance forming the detector. in order to obtain semiconductors with a high atomic number, one must therefore produce a compound which alloys two elements whose valence electrons in their chemical combination form a semiconductor crystal. Several such combinations are possible, for example Gs.lliuriiarsenid or cadmium telluride. Because of its higher atomic number, cadmium telluride is the better detector. «Tellurium crystallizes like cadmium in the Kabic system. The number of electrons in the outer shell O is two for cadmium and six for tellurium, so a total of eight for cadmium telluride, which corresponds to the stable structure of the higher electron shell of xenon. The pure and perfect cadmium telluride, i.e. without impurities, dopants and with exactly the same number of cadmium and tellurium atoms, is a semiconductor with intrinsic conductivity and high specific resistance. Such semiconductors are referred to as semi-insulators. If tellurium is in excess compared to cadmium, there is an excess of holes and a 1 * semiconductor is present which is doped by one of its constituents, in this case a semiconductor of the P type with a small excess of cadmium, an N-type semiconductor is present.
Wenn man einen Halbleiter mit Intrinsik-Leitfähigkeit und großem spezifischem Widerstand erhalten will, muß man alle Verunreinigungen, wie Metalle mit einer von Cadmium oder Tellur verschiedenen Wertigkeit, ausschalten, da diese Metalle das Cadmiumtellurid dotieren und leitfähig machen.If you have a semiconductor with intrinsic conductivity and large to obtain resistivity, one must remove all impurities, such as metals, with one other than cadmium or tellurium Switch off valence, as these metals dop the cadmium telluride and make it conductive.
In den Festkörper-Ionisationskammern, wo ein Halbleiter-Einkristall als Sandwich zwischen zwei Elektroden eingesetzt ist, wird ein Halbleiter mit hohem spezifischem Gewicht, hohem spezifischem WiderstandIn the solid-state ionization chambers, where a semiconductor single crystal is inserted as a sandwich between two electrodes, becomes a semiconductor with high specific weight, high specific resistance
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und frei von Kristallfehlern verwendet, damit der Leckstrom nicht zu erheblich ist und sich unter dem Einfluß bestimmter Strahlen, beispielsweise Gamma-Strahlen, ein Elektron-Loch-Paar bildet, das zu einer Veränderung des Stroms zwischen den Elektroden führt, vorausgesetzt daß der Halbleiter genügend gut ist. daß das Elektron-Loch-Paar nicht bei seiner VJanderung durch den Kristall durch Rekombination verschwindet. Die Schwierigkeit besteht darin, einen solchen Stoff,, d.h. Cadmiumtellurid mit Intrinsik-Leitfähigkeit, mit einem geringen Grad an Verunreinigung, einer genauen stoechiometrischen Zusammensetzung und einem Kristallgitter ohne Zwillingsbildung und andere Verschiebungen zu erhalten. Wenn man einen solchen Stoff hergestellt hat, arbeiten diese Detektoren bei Raumtemperatur, was ein Vorteil gegenüber den gegenwärtig benutzten Detektoren mit Intrinsik-Leitfähigkeit ist, also den Detektoren aus mit Lithium dotiertem Germanium, die bei tiefer Temperatur gelagert und betrieben werden müssen, um eine Diffusion des Lithiums im Kristall zu vermeiden. Die Detektoren mit lithiumdotiertem Germanium, vorin die Verunreinigungen im Germanium durch Lithium kompensiert sind, um einen Semi-Isolator zu erhalten „ sind außerdem unvermeidbar weniger gut als die Detektoren aus Cadmiumtellurid, da der Einfangquerschnitt für Gamma-Strahlen beispielsweise proportional der Atomzahl des als Detektor verwendeten Halbleiters ist.and used free of crystal defects so that the leakage current does not occur is too significant and under the influence of certain rays, for example gamma rays, an electron-hole pair is formed which leads to a change in the current between the electrodes, provided that the semiconductor is sufficiently good. that the electron-hole pair not when it moves through the crystal by recombination disappears. The difficulty lies in using such a substance, i.e. cadmium telluride with intrinsic conductivity a low level of contamination, an accurate stoichiometric composition and a crystal lattice without twinning and get other shifts. If you have made such a substance, these detectors work at room temperature, which is an advantage over the currently used detectors with intrinsic conductivity, i.e. the detectors made with lithium doped germanium, which must be stored and operated at low temperatures in order to diffuse the lithium in the crystal avoid. The detectors with lithium-doped germanium, in front of the Impurities in the germanium are compensated for by lithium in order to obtain a semi-insulator “are also inevitably less good than the detectors made of cadmium telluride, since the capture cross-section for gamma rays is proportional to the atomic number of the as Detector used is semiconductor.
Die Erfindung bezweckt nun ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Cadmiumtellurid mit Intrinsik-Leitfähigkeit, dessen Gehalt an Verunreinigungen auf ein Mindestmaß verringert ist und in dem der Anteil an Verschiebungen, Zwillingsbildung und anderen Kristallfehlern herabgesetzt ist. Das dieser Aufgabe dienende erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet t daß die Her-The invention now aims at a method for the production of single-crystal cadmium telluride with intrinsic conductivity, the content of impurities is reduced to a minimum and in which the proportion of displacements, twinning and other crystal defects is reduced. The method of this task serving invention is characterized in that t the manufacturer
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stellung in mehreren Stufen erfolgt, nämlich durchposition takes place in several stages, namely through
a) eine Synthese des Cadmiumtellurids aus stoechiometrischen Anteilen von hochreinem Cadmium und hochreinem Tellur, unter Kristallisation bei einer Temperatur entsprechend dem Schmelzpunkt der. stoechiometrischen Mischung und unter einem bestimmten Dampfdruck des Cadmiums j, was eine genaue Einstellung der Abweichung der Verbindung von der stoechiometrischen Zusammensetzung gestattet;a) a synthesis of cadmium telluride from stoechiometric components of high-purity cadmium and high-purity tellurium, with crystallization at a temperature corresponding to the melting point of. stoechiometric mixture and under a certain vapor pressure of the cadmium j, which allows a precise adjustment of the deviation of the compound allowed by the stoechiometric composition;
b) eine Reinigung des so erhaltenen Cadmiumtelluridblocks durch zahlreiche Durchgänge beim senkrechten Zonenschmelzen;b) a cleaning of the cadmium telluride block thus obtained by numerous Passes in vertical zone melting;
c) schließlich eine Einkristallzüchtung im Lösungsmittel Tellur bei einer Temperatur nahe bei der Schmelztemperatur des reinen Tellurs, um schließlich einen Cadmiumtelluridkristall zu erhalten.c) finally a single crystal growth in the solvent tellurium a temperature close to the melting temperature of pure tellurium to finally obtain a cadmium telluride crystal.
Anders gesagt wird bei erfindungsgemäßen Verfahren die Verbindung bei hoher Temperatur in einem senkrechten Ofen mit drei Temperaturzonen synthetisiert. Auf die Synthese folgt eine allmähliche Abkühlung der Schmelze, was zu einer Absonderung der Verunreinigungen im Endabschnitt des entstehenden Blockes führt, unter einem geregelten Dampfdruck des Cadmiums (oder gegebenenfalls Tellurs), was eine Einstellung der Abweichung der Verbindung von der stoechiometrischen Zusammensetzung ermöglicht. Auf diese Stufe folgt die Reinigung des erhaltenen Blocks durch senkrechtes Zonenschmelzen.In other words, in the method of the present invention, the compound is synthesized at high temperature in a vertical furnace with three temperature zones. The synthesis is followed by gradual cooling the melt, which leads to a separation of the impurities in the end section of the resulting block, under a regulated Vapor pressure of the cadmium (or possibly tellurium), indicating an adjustment of the deviation of the compound from the stoechiometric Composition allows. This step is followed by the cleaning of the block obtained by means of vertical zone melting.
Die EinkristallZüchtung erfolgt anschließend bei tiefer Temperatur, nämlich einer in der Nähe des Schmelzpunktes von reinem Tellur liegenden Temperatur, wobei man einen Kristall mit sehr geringen Verschiebungen und wenig Mikroausfällungen erhält, was bei dem bei hoher Temperatur (der Schmelztemperatur der stoechiometrischen Mischung) hergestellten Kristall nicht der Fall ist. Nur die bei tiefer Temperatur erhaltenen Kristalle eignen sich als Detektoren zum Kach-The single crystal is then grown at a low temperature, namely a temperature close to the melting point of pure tellurium, whereby one has a crystal with very small displacements and receives little microprecipitation, which in the case of the high temperature (the melting temperature of the stoechiometric mixture) manufactured crystal is not the case. Only the crystals obtained at low temperature are suitable as detectors for caching
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weis von Kernstrahlen.know of nuclear rays.
Das Cadmium und Tellur werden vor der Synthese durch Zonenschmelzen gereinigt, nachdem sie unter Wasserstoffatmosphäre filtriert wurden, um alle Oxidspuren zu entfernen. Die Synthese des Cadmiumtellurids erfolgt bei &ώϊλ erfindungsgemäßen Verfahren i:a einem verschlösse« nen Quarzrohr, das durch Kracken von Methan, Sensol oder jeder anderen kohlenstoffreichen Substanz im Vakuum zwischen 800 und 12000C mit einer Graphit-Innenschicht versehen wurde. Dieses Rohr wird unter Sekundärvakuum oder Ultravakuum verschlossen (versiegelt) und in den drei Heizzonen aufweisenden senkrechten Ofen eingeführt, dessen mittlere Heizzone allmählich bis zum Schmelzpunkt der Verbindung erwärmt . wird, während die Temperatur des oberen Ofenteils bis auf einen Wert entsprechend einer Zusammensetzung der Verbindung nahe bei der stoechiometrischen Zusammensetzung gesteigert und eingeregelt wird.The cadmium and tellurium are cleaned by zone melting prior to synthesis after they have been filtered under a hydrogen atmosphere to remove all traces of oxide. The synthesis of the cadmium telluride is carried out at & ώϊλ method according to the invention i: a a would shut "nen quartz tube, the inner layer graphite was provided by cracking methane, Sensol or any other carbon-rich substance in vacuum between 800 and 1200 0 C with a. This tube is closed (sealed) under a secondary vacuum or ultra-vacuum and inserted into the vertical furnace with three heating zones, the central heating zone of which is gradually heated to the melting point of the joint. is while the temperature of the upper part of the furnace is increased and controlled to a value corresponding to a composition of the compound close to the stoechiometric composition.
Wie man besser aus der im folgenden beschriebenen Figur 1 ersieht, sind bei einer Temperatur von etwa 900°C die Abweichungen zur stoechiometrischen Zusammensetzung , innerhalb deren Tellur und Cadmium zusammen kristallisieren können, in der Größenordnung von höchstens 10 Atomen/cm"3. Eine so genaue Konzentration kann man unmöglich durch Wägung erreichen, und dennoch genügt ein solcher Überschuß des einen der Bestandteile, um den spezifischen Widerstand bis auf Werte herabzusetzen, welche die Verwendung eines solchen Kristalles in einer Festkörper-Ionisationskammer ausschließen.As can be seen better from FIG. 1 described below, at a temperature of about 900 ° C. the deviations from the stoechiometric composition within which tellurium and cadmium can crystallize together are of the order of magnitude of at most 10 atoms / cm " 3 It is impossible to achieve an exact concentration by weighing, and yet such an excess of one of the constituents is sufficient to reduce the specific resistance to values which preclude the use of such a crystal in a solid-state ionization chamber.
Erfindungsgemäß wird die Kristallisation bei hoher Temperatur, d.h. bei einer Temperatur T2 (Fig. 2) in der Nähe der Schmelztemperatur der Verbindung Cadmiumtellurid im Syntheserohr durchgeführt und der Partialdruck eines Bestandteils durch Regelung der Temperatur T„According to the invention, the crystallization is carried out at a high temperature, ie at a temperature T 2 (FIG. 2) in the vicinity of the melting temperature of the compound cadmium telluride in the synthesis tube and the partial pressure of a component is controlled by regulating the temperature T "
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(Fig. 2) in einem Teil des Rohrs erreicht, wo sich ein Tiegel befindet, der mindestens den Bestandteil enthält, dessen Partialdruck konstant gehalten werden soll.(Fig. 2) reached in a part of the tube where a crucible is located, which contains at least the component whose partial pressure is to be kept constant.
Beispielsweise gibt man in dem im Rohr befindlichen Tiegel einen reinen Bestandteil, Cadmium oder Tellur, und hält während der Kristallisation die mit T1 bezeichnete Temperatur des Tiegels niedriger als die Temperatur T2 der Schmelze.For example, a pure component, cadmium or tellurium, is added to the crucible in the tube, and the temperature of the crucible, designated T 1, is kept lower than the temperature T 2 of the melt during the crystallization.
Erfindungsgemäß wird die Kristallisation bei hoher Temperatur durch Relatiwerschiebung des Rohrs gegenüber dem Temperaturgradienten des Ofens erhalten. Das Rohr kann durch ein geeignetes Antriebssystem in kontinuierliche oder wechselnde Drehung oder Schwingungen versetzt werden. Diese mit dem technischen Ausdruck "Normal-Abkühlung" bezeichnete Methode führt zu einer Abscheidung der Verunrei-According to the invention, the crystallization is carried out at a high temperature Relative displacement of the tube against the temperature gradient of the furnace is obtained. The tube can be driven by a suitable drive system be set in continuous or alternating rotation or oscillation. These with the technical expression "normal cooling" designated method leads to a separation of the impurities
*) d.h.Verschiebung senkrecht nigungen am oberen Ende des Blocks· zur Erstarrungsfront.*) i.e. displacement perpendicular to the solidification front at the upper end of the block.
Erfindungsgemäß wird das Cadmiumtellurid nach dieser Kristallisation durch mehrere Durchgänge einer Schmelzzone in einem innen mit Graphit beschichteten und bei hoher Temperatur entgasten Rohr aus Siliciumdioxid durchgeführt, das mit dem Cadmiumtellurid vollkommen gefüllt ist, so daß keinerlei freier Raum darin verbleibt. Außerdem ist ein Siliciumdioxidstopfen auf den oberen Teil des Blocks gesetzt, und es sind alle Vorsichtsmaßnahmen getroffen, um besonders den Transport von Verunreinigungen des ursprünglichen Blocks durch die Dampfphase zu verhindern.According to the invention, the cadmium telluride becomes after this crystallization through several passes through a melting zone in a tube made of silicon dioxide that is internally coated with graphite and degassed at high temperature carried out, which is completely filled with the cadmium telluride, so that no free space remains in it. aside from that a silica plug is placed on the top of the block, and every precaution is taken to especially avoid the transport of contaminants through the original block to prevent the vapor phase.
Bei der letzten Kristallisation des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine EinkristallZüchtung bei tiefer Temperatur, nämlich einer in der Nähe des Schmelzpunktes des reinen Tellurs liegenden Temperatur, indem eine an Tellur reiche flüssige Zone von Cadmiumtellurid durch, den Ausgangskristall verschoben wird.In the last crystallization of the process according to the invention, a single crystal is grown at a low temperature, namely a near the melting point of pure tellurium, by adding a tellurium-rich liquid zone of cadmium telluride by moving the starting crystal.
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Diese EinkristallZüchtung erfolgt in einem unten geschlossenen Quarzrohr mit einer Innenbeschichtung aus Graphit unter Ultravakuum, wobei die Temperatur im Rohr mit hohen Temperaturgradienten in der Größenordnung von i00oc/cm von 500 auf 900°C verändert wird.This single crystal growth takes place in a quartz tube closed at the bottom with an inner coating of graphite under ultravacuum, the temperature in the tube being changed from 500 to 900 ° C with high temperature gradients in the order of magnitude of 100 o c / cm.
Erfindungsgemäß kann man statt unter Vakuum oder Ultravakuum auch mindestens eine der beschriebenen drei Kristallisationen unter einer Inertgasatmosphäre durchführen.According to the invention, instead of under vacuum or ultra-vacuum, it is also possible carry out at least one of the three crystallizations described under an inert gas atmosphere.
Gemäß einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in einer Endstufe eine Temperung des durch Kristallisation bei tiefer Temperatur erhaltenen Kristalls. Diese Temperung kann gemäß einer ersten Abwandlung in einem geschlossenen Gefäß vorgenommen werden, das den Kristall und einen mit Cadmium oder Tellur gefüllten Tiegel enthält^ Der Kristall wird auf eine Temperatur T!j und der Tiegel auf eine Temperatur T'g gebracht, wobei T«2 < T1^. Der Druck des im Tiegel enthaltenen Elements wird durch die Temperatur T· des kalten Punkts des Innenraums des Gefäßes bestimmt.According to a modification of the process according to the invention, the crystal obtained by crystallization at low temperature is tempered in a final stage. According to a first modification, this tempering can be carried out in a closed vessel containing the crystal and a crucible filled with cadmium or tellurium. The crystal is brought to a temperature T! J and the crucible to a temperature T ' g , where T « 2 <T 1 ^. The pressure of the element contained in the crucible is determined by the temperature T · of the cold point of the interior of the vessel.
Durch Regulierung der thermodynamisehen Parameter T' und T'2 und der Verfahrensdauer kann man die stoechiometrische zusammensetzung des Kristalls vervollkommnen und Kristalle mit Semi-Isolator-Charakter erhalten. Bei einem Ausführungsbeispiel ist T^ gleich 7000C, Τ1« gleich 55O°C und die Dauer der Behandlung drei Stunden.By regulating the thermodynamic parameters T 'and T' 2 and the duration of the process, it is possible to perfect the stoechiometric composition of the crystal and to obtain crystals with a semi-insulator character. In one embodiment, T ^ is equal to 700 0 C, Τ 1 "equal to 55O ° C and the duration of treatment three hours.
Bei einer zweiten abgwandelten Ausführungsform wird in einer isothermen Kaminer von erheblichen Abmessungen eine kongruente isotherme Sublimation bei einer Temperatur vorgenommen, die durch den Schnittpunkt der Geraden D1, welche den Dampfdruck von Cd des stoechiometrischen Gemisches wiedergibt, und der GeradenD„, welche den Dampfdruck von Cd bei einer kongruenten isothermen Sublimation wie-In a second modified embodiment, a congruent isothermal sublimation is carried out in an isothermal chimney of considerable dimensions at a temperature which is defined by the intersection of the straight line D 1 , which represents the vapor pressure of Cd of the stoechiometric mixture, and the straight line D ", which represents the vapor pressure of Cd with a congruent isothermal sublimation as-
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dergibt, bestimmt ist. Diese Geraden sind in der Fig. 6 gezeigt und genauer in der Veröffentlichung von M. de Nobel in Philips Research Report 1959, Band 14, Seiten 430 bis 493 angegeben. Diese Sublimation erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von 3000C.that gives, is determined. These straight lines are shown in FIG. 6 and are given in more detail in the publication by M. de Nobel in Philips Research Report 1959, Volume 14, pages 430 to 493. This sublimation takes place, for example, at a temperature of 300 ° C.
Die Erfindung bezweckt ferner eine: Vorrichtung sur Durchführung des Verfahrens, die gekennzeichnet ist durchThe invention also aims at a device for performing the Procedure, which is characterized by
a) Vorrichtungen zum Reinigen von Cadmiiün und Tellur durch Zonenschmelzen? a) Devices for cleaning cadmium and tellurium by zone melting?
b) Vorrichtungen zum Filtrieren von Cadmium und Tellur unter Wasserstoff atmosphäre;b) Devices for filtering cadmium and tellurium under a hydrogen atmosphere;
c) einen Ofen nach Bridgman zur Durchführung der Synthese und Kristallisation bei hoher Temperatur;c) a Bridgman furnace for performing the synthesis and crystallization at high temperature;
d) ein verschlossenes Rohr, welches einen Tiegel enthält, in dem man den Bestandteil halten kann, dessen Dampfpartialdruck konstant gehalten werden soll;d) a sealed tube containing a crucible in which one can hold the component whose vapor partial pressure is to be kept constant;
e) Vorrichtungen zum Reinigen der Verbindung durch senkrechtes Zonenschmelzen, welche aufweisen:e) Devices for cleaning the connection by vertical zone melting, which have:
el) einen Hochfrequenzinduktionsofen, der nur eine schmale Zoneel) a high frequency induction furnace that only has a narrow zone
der Verbindung erhitzt; e2) mechanische Verschiebungs-Drehvorrichtungen;the compound heated; e2) mechanical displacement rotors;
f) Vorrichtungen zur EinkristallZüchtung durch Verschiebung einer Zone des Lösungsmittels Tellur, welche aufweisen:f) Devices for growing single crystals by moving a Zone of the tellurium solvent, which have:
f1) einen Ofen mit einem Heizring, der das Rohr, in dem die Kristallisation erfolgt, nur über einen kleinen Teil seiner Höhe erhitzt,f1) a furnace with a heating ring that only heats the tube in which crystallization occurs over a small part of its height,
f2) mechanische Vorrichtungen, welche das Rohr senkrecht halten und es kontinuierlich um eine senkrechte Achse drehen. f2) mechanical devices which hold the pipe vertically and continuously rotate it around a vertical axis.
Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung einesThe invention is illustrated by the following description of a
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Ausfuhrungsbeispiels. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:Exemplary embodiment. The description refers to the attached Drawings. Show here:
- Fig. 1 die Liquidus-Soliduskurven des Gemisches Cadmium-Tellur;1 shows the liquidus solidus curves of the cadmium-tellurium mixture;
- Fig. 2 schematisch das zur Hochtemperaturkristallisation benutzte geschlossene ReagenzroJir;- Fig. 2 schematically that used for high temperature crystallization closed reagent tube;
- Fig. 3 schematisch das geschlossene Rohr und den Ofen für das- Fig. 3 schematically shows the closed pipe and the furnace for the
senkrechte Zonenschmelzen;vertical zone melting;
- Fig. 4 schematisch eine Vorrichtimg zur Kristallisation im Lösungsmittel Tellur bei tiefer Temperaturj- Fig. 4 schematically shows a device for crystallization in the solvent Tellurium at low temperature j
- Fig * 5 schematisch eine Tempervorrichtung.;- Fig * 5 schematically a tempering device .;
- Fig. 6 ein Gleichgewichtsdiagramm von Cadmiumtellurid.6 is an equilibrium diagram of cadmium telluride.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht besonders auf der einer logischen Ordnung folgenden Reihenfolge der Reinigungs- und Kristallisationsmaßnahmen, die zu einem Material mit hohem spezifischen Widerstand, einem sogenannten "Semi-Isolator" mit besseren KristaB-eigenschaften un4 auch besseren elektrischen Eigenschaften führen.The method according to the invention is based in particular on that of a logical one Order of the purification and crystallization measures in the following order, which result in a material with a high specific resistance, a so-called "semi-insulator" with better crystal properties and also lead to better electrical properties.
In Fig. 1 sind die Solidus-Liquidus-Gleichgewichtskurven in Abhängigkeit von der Temperatur und den relativen Konzentrationen von Tellur und Cadmium gezeigt. In der Ordinate ist die Temperatur und in der Abszisse die Konzentration von Tellur so aufgetragen, daß links O - und rechts die Konzentration 1 ist. Die Liquiduskurve ist mit L und die Soliduskurve mit S bezeichnet. Die sogenannte Hochtemperaturkristallisation erfolgt bei einer Temperatur nahe beim Punkt A, der der Schmelztemperatur des stoechiometrischen Gemisches Cadmiu^-Tellur entspricht. Ausgehend von einem Punkt B, entsprechend der Temperatur T4,ist die Konzentration der auskristallisierenden festen Phase durch den Punkt C der Soliduskurve S wiedergegeben j zu der die Konzentration am Punkt D der Figur gehört. DieFIG. 1 shows the solidus-liquidus equilibrium curves as a function of the temperature and the relative concentrations of tellurium and cadmium. The temperature is plotted on the ordinate and the concentration of tellurium is plotted on the abscissa in such a way that the concentration is 0 on the left and the concentration is 1 on the right. The liquidus curve is denoted by L and the solidus curve by S. The so-called high-temperature crystallization takes place at a temperature close to point A, which corresponds to the melting temperature of the stoechiometric mixture cadmium-tellurium. Starting from a point B, corresponding to the temperature T 4 , the concentration of the solid phase crystallizing out is represented by the point C of the solidus curve S to which the concentration at point D of the figure belongs. the
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Einkristall Züchtung bei tiefer Temperate erfolgt &n einem Punkt E, welcher einer hohen Tellurkonzentration entspricht. Die Konzentration der durch Kristallisation bei dieser Temperatur erhaltenen festen Phase liegt beim Punkt F der Figur. Der "Bauch" der Soliduskurve ist in dieser nicht maßstäblichen Figur übertrieben. Der Abstand zur- stoechiometrischen Zusammensetzung des festen Gemisches übersteigt niemals 10 ' Atome/cm .Single crystal growth takes place at low temperatures & at a point E, which corresponds to a high concentration of tellurium. The concentration of solids obtained by crystallization at this temperature Phase is at point F of the figure. The "belly" of the solidus curve is exaggerated in this figure, which is not to scale. The distance to the stoechiometric composition of the solid mixture never exceeds 10 'atoms / cm.
In Fig. 2 ist rechts das verschlossene Reagenzrohr 2 gezeigt, in dem die Hochtemperaturkristallisation erfolgt und das mit einer durch den Pfeil angegebenen Geschwindigkeit V nach unten bewegt wird. Die Temperatur des Ofens in Abhängigkeit von der Ordinate ist durch die Kurve 4 wiedergegeben. Diese zeigt die Temperaturveränderungen in verschiedener Höhe der Ordinate x. Der Ofen ist ein sogenannter Ofen nach Bridgman mit drei Temperaturzonen: Die Temperatur T1 bei 6 entspricht einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur und regelt den Partialdruck eines der im Tiegel 10 im Inneren des Reagenzrohres befindlichen Bestandteils. Die Temperatur T2 bei 8 liegt höher als die Schmelztemperatur der stoechiometrlsehen Mischung. Die Temperatur T3 bei 12, wohin das Rohr vorwärtsbewegt wird, liegt unter der Schmelztemperatur und höher als T1.In FIG. 2, the closed reagent tube 2 is shown on the right, in which the high-temperature crystallization takes place and which is moved downwards at a speed V indicated by the arrow. The temperature of the furnace as a function of the ordinate is shown by curve 4. This shows the temperature changes at various levels along the ordinate x. The furnace is a so-called Bridgman furnace with three temperature zones: The temperature T 1 at 6 corresponds to a temperature below the melting temperature and controls the partial pressure of one of the constituents in the crucible 10 inside the reagent tube. The temperature T 2 at 8 is higher than the melting temperature of the stoechiometric mixture. The temperature T 3 at 12 to which the tube is advanced is below the melting temperature and higher than T 1 .
In Fig. 3 ist das Reagenzrohr und der zum senkrechten Zonenschmelzen dienende Ofen gezeigt. Das vollständig mit Cadmiumtellurid 16 gefüllte Reagenzrohr 14» das durch einen Siliciumdio3<j.dstopfen 18 verschlossen ist, wird in Richtung des Pfeils V in der Figur nach unten bewegt. Die geschmolzene Zone 20 befindet sich gegenüber dem Heizring 22, der Sekundärwicklung des Transformators, dessen Primärwicklung von den Windungen 24 gebildet vird. Die Temperatur wird mittels eines Thermoelements 26 geregelt.In Fig. 3 is the reagent tube and that for vertical zone melting serving furnace shown. The reagent tube 14, which is completely filled with cadmium telluride 16, is plugged by a silicon dioxide 18 is closed, is moved in the direction of arrow V in the figure downwards. The molten zone 20 is opposite the Heating ring 22, the secondary winding of the transformer, its primary winding formed by the turns 24. The temperature is regulated by means of a thermocouple 26.
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In Pig, 4 ist das vom Heizring umgebene Reagenzrohr, das zur Kristallzüchtung bei tiefer Temperatur dient, gezeigt· Die Temperaturkurve in Abhängigkeit von der Stellung des Reagenzrohres ist bei 28 gezeichnet. Das mit Cadmiumtellurid 36 gefüllte Reagenzrohr wird langsam in Richtung des Pfeils V abgesenkt, was bewirkt, daß sich das Ausgangsmaterial 36 nach Durchgang durch die flüssige Zone 32 in reines kristallisiertes Material 34 umwandelt. Das Reagenzrohr ist umgeben vom Heizring 30 und durch den Siliciumdioxidstopfen 38 verschlossen. In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgen die Synthese und Kristallisation bei hoher Temperatur in einem Reagenzrohr, das in seinem oberen Teil mit einem mit Cadmium gefüllten Tiegel versehen ist. Das verschlossene Reagenzrohr wird in einen Ofen gesetzt, dessen Temperatur gemäß einem Programm in etwa 24 Stunden sehr langsam bis auf etwa 80O0C erhöht wird, um eine zu heftige Bildungsreaktion, die stark exotherm ist, zu vermeiden· Die Temperatur wird anschließend rasch bis auf den Schmelzpunkt des Materials in der Gegend von 11000C gesteigert. Die Temperatur der oberen Zone, oberhalb der Schmelze, regelt den Dampfdruck des Cadmiums und ermöglicht eine Einstellung der Zusammensetzung der geschmolzenen Hasse in der Mittelzone, indem sie auf das Gleichgewicht feste Phase - flüssige Phase - Dampf einwirkt. Man legt im allgemeinen diese Temperatur T1 auf 820°C fest, was einem Dampfdruck des Cadmiums von etwa 2 Atmosphären entspricht. Das nach der Kristallisation erhaltene Material ist vom Typ N;und die Verunreinigungen sind oft Aluminiumatome. Man läßt das Reagenzrohr dann langsam im Ofen mit einer Geschwindigkeit von etwa3tim/std. mit oder ohne gleichzeitige Drehung herab, um das Hochtemperaturschmelzen zu bewirken. Die »Normal"-Abkühlung bis auf eine Temperatur Τ« führt zu einer Wanderung der Verunreinigungen zum oberenIn Pig, 4 the reagent tube surrounded by the heating ring, which is used for growing crystals at low temperatures, is shown. The temperature curve as a function of the position of the reagent tube is drawn at 28. The reagent tube filled with cadmium telluride 36 is slowly lowered in the direction of arrow V, which has the effect that the starting material 36 is converted into pure crystallized material 34 after passing through the liquid zone 32. The reagent tube is surrounded by the heating ring 30 and closed by the silicon dioxide plug 38. In one embodiment of the method, the synthesis and crystallization take place at high temperature in a reagent tube which is provided in its upper part with a crucible filled with cadmium. The sealed reagent tube is placed in an oven, the temperature of which is increased very slowly to about 80O 0 C in about 24 hours according to a program in order to avoid an excessively vigorous formation reaction, which is strongly exothermic the melting point of the material in the region of 1100 0 C increased. The temperature of the upper zone, above the melt, regulates the vapor pressure of the cadmium and enables the composition of the molten hasse in the middle zone to be adjusted by acting on the equilibrium solid phase - liquid phase - steam. This temperature T 1 is generally set at 820 ° C., which corresponds to a cadmium vapor pressure of about 2 atmospheres. The material obtained after crystallization is of type N ; and the impurities are often aluminum atoms. The reagent tube is then left slowly in the oven at a rate of about 3 times per hour. with or without simultaneous rotation to effect the high temperature melting. The "normal" cooling down to a temperature Τ «leads to a migration of the impurities to the upper one
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Ende des Blocks. Nach der Synthese und Kristallisation bei hoher Temperatur wird das Material nach dem Zonenschmelzverfahren nach . Heumann gereinigt. Man schließt den massiven Block von Cadmiumtellurid vollständig in ein innen mit einer Graphitschicht versehenes und bei hoher Temperatur entgastes Reagenzrohr ein, so daß keinerlei freies Volumen bleibt. Eine Sclimelzsone wird durch Hochfrequenzerhitzung erzeugt und längs des Blocks verschoben. Zehn bis zwanzig Durchgänge der Schmelzzone werden mit Geschwindigkeiten zwischen 5 und 0,25 cm/std. durchgeführt, wobei die Temperatur der Schmelzzone im allgemeinen um etwa 20°C über dem Schmelzpunkt von Cadmiutellurid liegt. Pur diese Temperatur der Schmelzzone und für den bei der Kristallisation herrschenden Cadmiumdampfdruck erhält man nach diesem letzten Arbeitsgang ein Material vom Typ N. Die bei tiefer Temperatur (350K) gemessenen Elektronenbeweglichkeit^welche Rekordwerte von 1,46 χ 1Cr cm/V,s erreichen, beweisen die hohe Reinheit des erhaltenen Materials. Spurenanalysen mit dem Massenspektrographen zeigen eine Konzentration von Restverunreinigungen unter 10 p Atome/cm . In diesem Zustand können die Kristalle als Alphateilchen-Detektoren mit Oberflächenbarriere benutzt werden. End of the block. After the synthesis and crystallization at high temperature, the material is after the zone melting process. Heumann cleaned. The massive block of cadmium telluride is completely enclosed in a reagent tube provided with a graphite layer on the inside and degassed at high temperature, so that no free volume remains. A climate zone is generated by high frequency heating and shifted along the block. Ten to twenty passes through the melt zone are made at speeds between 5 and 0.25 cm / hour. carried out, wherein the temperature of the melting zone is generally about 20 ° C above the melting point of cadmiutelluride. Pur this temperature of the melting zone and is obtained for the pressure prevailing in the crystallization cadmium vapor pressure after this last operation, a material of type N. The low temperature (35 0 C) measured electron mobility ^ which record values of 1.46 χ 1Cr cm / V, s achieve, prove the high purity of the material obtained. Trace analyzes with the mass spectrograph show a concentration of residual impurities below 10 p atoms / cm. In this state the crystals can be used as alpha particle detectors with surface barriers.
Die EinkristallZüchtung erfolgt an dem durch diesen Arbeitsgang erhaltenen Block durch Verschiebung einer Lösungsmittelzone. Die thermodynamischen Bedingungen des Einkristallwachstums, d.h. ein Überschuß an Telluii begünstigen eine Verschiebung des elektrischen Zustands des Materials vom Typ N zum Typ P. Diese Kristallzüchtung erfolgt in einem innen graphitierten geschlossenen Reagenzrohr aus Siliciumdioxid, in dem über dem MAusgangs"-Block von Cadmiumtellurid, der durch die vorangehende Kristallisation erhalten wurde, ein kleiner Block von Tellur angeordnet ist, welches das LösungsmittelThe single crystal is grown on the block obtained by this operation by moving a solvent zone. The thermodynamic conditions of single crystal growth, ie an excess of Telluii favor a shift in the electrical state of the material from type N to type P. This crystal growth takes place in an internally graphitized, closed reagent tube made of silicon dioxide, in the above the M output "block of cadmium telluride, obtained by the previous crystallization, a small block of tellurium is placed, which is the solvent
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bildet. Das Rohr wird wie vorher bei der Rcinigvng ciurch Zonen-.-schmelzen so verschlossen, daß kein freies Volumen bleibt, jedoch ist diese Vorsichtsmaßnahme hier weniger kritisch, da die Temperatur niedriger liegt, die Dampfdrücke ebenfalls niedriger sind und die Gefahren der Vergiftung weniger groß sind.forms. The tube will melt as before with the removal of zones -.- so closed that no free volume remains, but this precaution is less critical here because of the temperature is lower, the vapor pressures are also lower and the dangers of poisoning are less great.
Das Reagenzrohr wird in einen Ofen gebracht, der aus einem Mittelring besteht, der durch eine Thermckoax-Wicklung geheizt ist. Die Auflösungs- und Kristallisationsgrenzflächen weisen hohe Temperaturgradienten auf, beispielsweise mehr als 5O°c/cm. Das Reagenz» rohr wird im Ofen langsam abgesenkt und dabei kontinuierlich gedreht, um die Wärmesymmetrie des Systems zu verbessern. Bei einer Temperatur der flüssigen Zone von 7OO°C und einer Wachstumsgeschwindigkeit von 7 mm/Tag erhält man ein sehr resistentes Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand über 10* Ohm. cm, welches praktisch keine Restverunreinigungen enthält. Die elektronischen Eigenschaften und Homogenität sind gegenüber dem nach der Reinigung durch Zonenschmelzen erhaltenen Material stark verbessert. Bei Verwendung dieses Einkristalls als Detektor von Gamma-Teilchen kann man hohe Auflösungen erhalten. Bei einem Anwendungsbeispiel betrug die Auflösung des Energiestrahls 122 KeV von Kobalt 57 5,1 KeV (ohne Abzug des Eigenrauschens der DetektOTVorrichtungen, das man mit 3 KeV ansetzen kann). Dieser Auflösungswert ist um das Kehrfache besser als bisher mit einem kompensierten Cadmiumtellurid erhalten wurde.The reagent tube is placed in an oven consisting of a central ring which is heated by a Thermckoax winding. The dissolution and crystallization interfaces show high temperature gradients on, for example more than 50 ° C / cm. The reagent tube is slowly lowered in the oven and rotated continuously. to improve the thermal symmetry of the system. At a liquid zone temperature of 700 ° C and a growth rate of 7 mm / day you get a very resistant material with a specific electrical resistance over 10 * ohms. cm, which is practical contains no residual impurities. The electronic properties and homogeneity are opposite to that after cleaning by zone melting obtained material greatly improved. When using this single crystal as a detector of gamma particles one can achieve high resolutions obtain. In one application example, the resolution of the energy beam 122 KeV from cobalt 57 was 5.1 KeV (without subtracting the inherent noise of the DetektOT devices that can be used with 3 KeV). This resolution value is several times better than before with a compensated cadmium telluride.
In Fig. 5 ist eine Tempervorrichtung gezeigt, welche ein Reagenzgefäß 4 aufweist, das den Kristall 42 in der Zone 44 und einen Tiegel 48, in den beispielsweise reines Cadmium gegeben ist, in der Zone 46 enthält. Die Temperatur T^ des Tiegels 48 ist niedriger als die Temperatur T'2 des Kristalls 42. Die Heizvorrichtung ist nicht dar-5 shows a tempering device which has a reagent vessel 4 which contains the crystal 42 in the zone 44 and a crucible 48 in which, for example, pure cadmium is placed in the zone 46. The temperature T ^ of the crucible 48 is lower than the temperature T ' 2 of the crystal 42. The heating device is not shown.
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gestellt. Pig. 6 zeigt das Gleichgewichtsdiagramm von Tellur und Cadmium, wobei der Cadmiumdampfdruck in Abhängigkeit von der reziproken Temperatur angegeben ist. Der schraffierte Bereich im Inneren der Kurve 50, der sogenannten Drei-Phasen-Linie, entspricht einem festen Körper. Die Gerade D1 gibt das stoechiometrische Gleichgewicht von Cadmiumtellurid und die Gerade D2 den Cadmiumdruck bei der kongruenten isothermen Sublimation eines Kristalls wieder. Bei der Teraperung arbeitet man in einem isothermen Bereich bei der dem Punkt B entsprechenden Temperatur.posed. Pig. 6 shows the equilibrium diagram of tellurium and cadmium, the cadmium vapor pressure being given as a function of the reciprocal temperature. The hatched area in the interior of curve 50, the so-called three-phase line, corresponds to a solid body. The straight line D 1 shows the stoechiometric equilibrium of cadmium telluride and the straight line D 2 shows the cadmium pressure during the congruent isothermal sublimation of a crystal. During terapuring, one works in an isothermal area at the temperature corresponding to point B.
Die Cadmiumtellurid-Einiristalle finden nicht nur für Festkörper-Ionisationskammern, sondern auch für zahlreiche andere Zwecke Verwendung· Als Beispiele seien genannt Detektoren für Kernstrahlen oder Infrarot (vom Typ Photon Drag), elektro-optische Modulatoren, Fenster mit Durchlässigkeit im Infrarotbereich, Hochtemperaturoptokoppler, Laser-Elemente und Elektroluraineszenzzellen.The cadmium telluride monocrystals are not only used for solid-state ionization chambers, but also for numerous other purposes · Detectors for nuclear rays are mentioned as examples or infrared (of the photon drag type), electro-optical modulators, Windows with permeability in the infrared range, high temperature optocouplers, Laser elements and electrolurainescent cells.
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Claims (12)
e2) mechanische Vorrichtungen zur Verschiebung und Drehung des Reagenzrohres;the connection melts;
e2) mechanical devices for moving and rotating the reagent tube;
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