JPS61502746A - テルル化カドミウムインジウム単結晶の成長方法 - Google Patents
テルル化カドミウムインジウム単結晶の成長方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
テルル化カドミウムインジウム単結晶の成長方法の本発明において権利を有する
。
発明の技術的背景
本発明は三元カルコダン単結晶の製造方法に関する。よシ詳しくは本発明は、C
dTs−In2Te5系の相平衡関係に基づく非化学量論的溶融液を用いて、テ
ルル化カドミウムインジウム(CdIn2Te3 )の大型で高品質の単結晶を
製造する方法に関する。本発明の方法によれば、従来の技術では得られなかった
Cd1n2T@40大型で高品質の単結晶を製造することができる。こうしてつ
くられた結晶は大きな電気光学係数を有するため、電気光学装置の部品に用いる
のに適している。
従来の技術はテルル化カドミウムインジウムの結晶をつくるのに成功したとされ
てきたが、その技術では電気光学装置用の十分な大きさと純度を有する結晶をつ
くることはできなかった。実際従来の技術でつくりた結晶は、研究者にとりてそ
の電気光学的特性の存在と程度を測定するのに十分な大きさと品質を有するもの
ではなかった。従来の結晶の製造方法はチョクラルスキー法によりていた。この
方法は結晶を、その結晶と同じ組成の溶融液から引き上げるものである。しかし
溶融液の組成は均質でないため、チョクラルスキー法によって沈殿物のない高純
度の結晶を得るのは、不可能ではないにしても困難であった。
さらにチョクラルスキー法は、揮発性で過圧を招く成分を溶融液に用いることが
できない。その結果最終的な結晶の化学量論的組成が変化するため、結晶の電気
的光学的特性もそれに伴って変化する。
そこで本発明の主要な目的は、最適な電気的光学的性質を確保できる純度の高い
Cd r n 2Te 4の大型で高品質の単結晶を製造する方法を提供するこ
とである。さらに本発明は、研究目的および電気光学装置における使用のために
1従来は得られなかった大きさを有する高品質の単結晶を成長させる方法を提供
する。
発明の概要
一般的にいうと、本発明は、テルル化カドミウム(CdTe )−テルル化イン
ジウム(In2Te3 )系における相平衡関係に基づくテルル化カドミウムイ
ンジウムの三元カルコダン単結晶を成長させることによって、上記の目的を達成
する。単結晶は、固体CdIn2Te4が溶融液と平衡状態で存在するCdTs
−In2Te3系の相からか平衡関係(これについてはペーガーおよびゾロクカ
ン1三元ダイヤモンド類似半14体”(1969年)第83頁、コンサルタント
・ビューロー、ニー−ヨーク、に記載がある。)に基づき、その開示された情報
をよシ精緻にし、変更を加えて利用するものである。
本発明の方法は、化学量論的な大型の単結晶を成長させるため、非化学量論的な
溶液を用いる。結晶を成長させるに当たっては、自身を種とするか又は種結晶を
用いる。要約すれば、本発明の方法は次の工程かジウムおよびテルルの混合物を
調製する。
(b) この混合物は、自身を種として結晶を成長させる場合には、下向きに円
錐形の先端を有する汚れのない排気したアンプルに、また種結晶を用いる場合に
は種結晶を載置できるように先端が平頭になりているアンプルに入れて密封する
。
(C) 密封したアングルを混合物の融点以上に加熱して、混合物を溶融する。
(d) こうして得られた“溶融物”を、混合物の融点まで速度を制御しながら
徐冷し、アンプルの円錐形の先端又はアンプル内の種結晶において結晶の成長を
開始させる。そしてCdIn2Ts4の単結晶が完成するまで、密封されたアン
プル内でこの成長を続ける。
文献に開示されているモルチのIn2Te3 bよびCdTeを利用して直接調
整することもできるだろう。カドミウム、インジウムおよびテルルは、
分をチ硼 ゛ ト奈に1缶をひ1町
カドミウムとテルルについては、昇華の過程(これは精製の工程としても働く。
)で反応させてテルル化カドミウムを、そしてインジウムとテルルについては原
本発明においては、In2Te3が約62モルチでCdTeが約38モル−のも
のから、In2T@3が約90モを与えるもの)は、In2Te3が約62〜7
5モル−〇ものである。さらに最適な混合物は、’It+2T@5が約62モル
チのものである。
こうして得られた混合物の融点は、その組成によって異なるが、高い場合で約7
85℃(In2Te3が62モル−〇とき)、低い場合で約702℃(’In2
Te3が90モル−〇とき)である。これらの融点からめられるCdTs−In
2Te5系の温度−組成平衡図においては、CdIn2Te4は溶融液と平衡に
存在し、かつ溶融液から最初に成長する同相であることがわかった。約702℃
以下では、混合物は多結晶質の塊として急速に固化する。しかしこの急速な結晶
化は1.それに先立って成長しているcaIn2re5の単結晶に何の影響も及
ぼさない。
CdIn2Te4の単結晶を徐々に成長させる代わDK。
これらの溶融液を過度に冷却して、多結晶質の物質を急速に結晶化させることも
可能である。従って溶融液は、制御された比較的遅い速度で、冷却するのが望ま
しい。以下で詳しく論するように、本発明においてはブリッジマン法を変形した
方法を用いる実施態様が可能である。即ち加熱したアンプルを冷却する速度は、
所定の温度勾配を有する垂直炉内においてアンプルを下降させる速度によって定
まる。
当業者は以下の詳しい説明と図面から、本発明について、他の目的、特徴及び利
点を発見することもできるだろう。
本図面は、我々の研究から得られたテルル化カドミウム(CdTe )−テルル
化インジウム(1112Ta3 )系にゝける温す成の相平衡図′″Cあシ・本
発明の原理を温度−組成の相平衡図について、さらに詳しく説明する。本発明に
おいては、In2Te3が約62モルチから90モル% (CdTeが約38〜
10モルチ)存在する溶融混合物を調製して、CdIn2Ts4の純度が高く大
型で高品質の単結晶を形成する。相平衡図のCdTe−In2Te3系に示され
ているように、約785−702℃の高温の温度範囲(図のa−a’の部分)に
おいては、Cd I n 2Te aの結晶はこの組成範囲の溶融液と平衡に存
在する。このテルル化インジウムとテルル化カドミウムの組成領域においては、
温度はa −a’の線に沿って低下するため、溶融液から最初に晶出する物質は
、化学量論的なCdIn2Te4である。
この時点でペーガーおよびゾロクカンによって明らかにされたCdTe −I
n 2Te Sの平衡な相は、1112Te5 K富んでいることがわかった。
そしてこれは本発明にとって好ましい領域である。このIn2Te31C富んで
いるという事実は、この領域にある溶融液からは、化学量論的なCdIn2Te
4を晶出させることが不可能であることを示している。図面に示すように、我々
が改めた相平衡図は我々の研究結果を反映している。即ちCdIn2Te4に対
応する化学量論的混合物は、垂線βで表され、先に述べたようなIn2Te3の
増加は、我々の系においては実際には生じないことを示している。従って本発明
によれば非化学量論的な溶融物から化学量論的な結晶が得られるという驚くべき
事実が発見された。
本発明によれば、In2Ta3が約62〜90モルチの組成の溶融混合物を用い
ても、所望のCdIn2Te4の単結晶が得られるが、テルル化カドミウムイン
ジウムの結晶の収率を最大にするには、混合物の組成は化学量論的組成のCdI
n2Te4にできるだけ近いものを選ぶのが望ましい。したがって単結晶につい
て所望の最大の収率を得るのに好ましい組成の混合物は、In2Te3が約62
〜75モルチのものである。しかし化学量論的な溶融度−組成の相平衡図におけ
る異った領域の溶融物も混在するようになシ、異った化合物(実質上インジウム
がドープされたテルル化カドミウム)をも、冷却時に最初の固相として晶出させ
てしまう。またそのような化学量論的組成の混合物の融点は、上記の望ましい組
成範囲の混合物のそれとかな)異っておシ、この意味でも化学量論的な混合物は
、本発明の方法にとって適当でない。
In2Te3が約64モルチの混合物は、CdIn2Te4の結晶の収率を最大
にするが、同時にこの混合物は、化学量論的な溶融物に対応する望ましくない領
域に1徐徐に近づいていくことがわかった。
本発明の方法を実施する場合には、適当な組成の混合物を、In2Te3が約6
2〜90モルチの範囲のものから選択する。出発物質はCdIn2Te4結晶の
各構成元素、即ち高純度(最低でも約941999%の純度)のカドミウム、イ
ンジウムおよびテルルである。ここまでの段階において所望の混合物を調製する
方法は、2つある。
第1の方法は構成元素の重量を計量して、所望の構成の溶融物に混合する方法で
ある。第2の方法は、カドミウムとテルルを昇華させてテルル化カドミウムを形
成し、次いでインジウムとテルルを溶融反応させてテルル化インジウムを形成す
る。最後にCdTeとIn2Te3を適当な割合で混合して、所望の組成の混合
物を得るものである。
どちらの方法によっても、混合物を汚れのない排件である。でないと好ましくな
い酸化物が生じて、望ましい結晶特性の多くを悪化させるか又は破壊するだけで
なく、成長した結晶がアンプルの内壁に付着する事態を引き起こす。従ってその
ような付着を防止するためアングルの内壁を熱分解炭素で塗装することもできる
。しかしこの炭素による塗装は、本発明の方法にとって重要なことではない。
アンプルの先端の形状は、自身を種として結晶を成長させる場合は下向きの円錐
形、種結晶を用いる場合は平頭形にする。アンプルの先端が円錐形の場合は、冷
却されて結晶に成長する加熱された塊の量が、先端において少くなるため、溶融
液を過冷するおそれがなくなる。過冷(液体を凝固物を生じることなく凝固点以
下に冷却すること)は、溶融液の融点以下の比較的狭い温度範囲でおこる。これ
は多結晶の物質の急速な固化を引き起こすため、望ましくない。加熱された塊の
量を減らせば、冷却速度を制御することが容易になシ、この事態を回避できるよ
うになる。
アンプルは、混合物を密封する前に、混合物を入れた状態で排気する。そして水
素やヒドラゼンのような還元ガスを用いて約600℃の高温で処理し、上述の理
由で物質の表面に存在する可能性がある酸素を除去する。酸素を除去できるなら
ば、他の方法も本発明の範囲に含まれる。
カドミウム−インジウム−テルルの混合物が酸素や他の汚染雰囲気にさらされる
のを防ぎ、かつ排気されたアンプル中に混合物を密封するため、CdIn2Te
4結晶の化学量論的組成は保証される。前述のチョクラルスキー法とは異なり、
本発明の方法は混合物が過剰のIn2Te3とともに排気されたアンプルに密封
されるため、揮発性の構成成分が成長する結晶から損失するのを防ぐ。
本発明の次の工程はアングル内に密封された混合物を、混合物の融点以上にアン
プルを加熱することによって溶融することである。もう一度述べるが、混合物の
融点はその組成に依存して約785℃(In2Te3の最初の組成が62モルチ
)〜約702℃(In2Te3の最初の組成が90モル%)の範囲にある。完全
な溶融と目的の領域の相における適当な平衡を達成するため、好ましくはアンプ
ルを混合物の融点以上に加熱する。
ことは、本発明の方法の実施には必ずしも必要なことように図のa −a’で示
される曲線上にあシ、溶融組成物に対応する。溶融液の過冷を避けるため、温度
は平頭型アンプルの先端でCdIn2Te4の結晶の核が生成(7成長するまで
徐冷する。温度を低下させる際の好ましい方法は、アンプルの先端の温度を、低
下する温度の勾配に沿って低下させることである。単結晶がアンプルの中で成長
する際、溶融混合物の組成は変化し、In2Te3に富むようになる。この結果
、図に示すように、混合物の融点が1−δ′に沿って低下する。この線上におい
ては、CdIn2Te4の固体結晶が、溶融液と平衡状態で存在する。従って溶
融液の徐冷を続けると、化学量論的なCdI n2Te 4の単結晶の成長は、
残存する溶融液の組成がそれに対応してCdTaで満たされていく間、維持され
る。
残存する宕融液の温度が約702℃に達すると、該結晶はIn2Te3に富む多
結晶塊として急速に固化する。しかしこの急速な固化け、これに先立って成長し
ているcdln2Ta4の単結晶に何の影響も及ぼさない。固化した結晶の冷却
は、結晶をアンプルから取り出せる室温に到達するまで続ける。
本発明の方法を実施するためには、密封したアンプルを加熱して混合物を溶融す
る方法が用いられるが、アンプルを加熱するのに最も便利な方法は、垂直耐熱炉
でアンプルを加熱する垂直ブリッジマン法を変形した方法である。アンプルは円
錐の頂点を下にして、耐熱炉内に設置する。炉は900〜785℃の温度範囲で
は相対的に平坦な温度プロファイルを示し、785702℃で成長するCdIn
2Te4の結晶の熱を除去するのに都合がよい。結晶の成長に要求される処理の
条件は、結晶を成長させる溶融物の組成およびアンプルの大きさく直径)に依存
する。実施例では、直径76霞の管状の炉(結晶の成長相(785〜702℃)
の範囲内で約1.1〜約3.5℃/冒の温度勾配を有する)を用い、アンプルは
その直径に応じて、好ましくは0.05〜0、6 m 7時の一定の速度で炉内
を下降させる。溶融物が固化したら、結晶をより急速に、好ましくは約0.5〜
5.0℃/時の速度で室温まで冷却する。垂直耐熱炉を用いると、結晶を生成す
る混合物を好ましい速度で溶融し、次いで冷却するのが容易になる。しかし繰り
返して強調するが密封したアンプル内で、混合物を他の方法で加熱冷却すること
も本発明の範囲に含まれる。
結晶は、これを収納したアンプルが支障なく取扱えるような温度に冷却されれば
、様々な方法でアンプルから取り出せるようになる。融解シリカ製アンプルは、
塩酸に溶解するか又は溝をつけて破壊するかして、中に収容されている結晶を取
シ出す。
以下は、本発明によってCdIn2Ts4の大型で高品質の単結晶を成長させる
場合の詳細な実施例である。
実施例1
最初にIn2Te3が63モルチそしてCdTeが37モルチの溶融混合物を、
次の方法に従って調製した。高純度のIn2Te3132.81をCdTe 3
0.6 gと混合した。両化合物は前述のようにして調製し、精製しておいた。
こうして調製した混合物は、直径約19ywで汚れのない排気した融解シリカ製
アンプルに密封した。密封したアンプルは、直径76wmの管状の垂直耐熱炉内
を下降させた。この炉は、予め混合物の加熱溶融領域において、883℃の相対
的に平坦な温度ゾロ7アイルを与えるように較正しておいた。混合物が密封した
アングル内で溶融した後、アンプルの温度を炉の温度勾配に従って低下させた。
結晶を成長させる際の炉の温度勾配(785〜702℃)は、炉の行程につき7
85℃においては1.2℃/四、702℃においては2.9℃/■であった。ア
ンプルは、結晶の成長が完結するまで、温度勾配にそって約0.504 m/時
の速度で下降させた。
結晶の成長が完結すると、残存の溶融液は多結晶塊として急速に固化した。アン
プルは約0.5〜b速度で室温まで徐冷し、この温度で結晶をアンプルから取シ
出した。CdIn2Te4の直径約16鴫の大型で高品質の単結晶が得られた
実施例2
最初にIn2Te3が70モルチそしてCdTeが30モルチの溶融混合物を、
次の方法に従って調製した。高純度のIn2Te395.21をCdTa 16
. OIと混合した。両化合物は前述のようにして調製し、精製しておいた。こ
うして調製した混合物は、直径約19m+で汚れのない排気した融解シリカ製ア
ンプルに密封した。密封したアンプルは直径76冒の管状垂直耐熱炉内を下降さ
せた。混合物が密封したアンプル内で溶融した後、アンプルの温度を炉の温度勾
配に従って低下させた。炉の温度勾配は実施例1と同じである。アンプルは炉内
を0、60 m/時の速度で下降させた。これはアンプルを、密封したアンプル
の円錐形の頂点で開始した。成長の速度はその完結に到るまで0.60 m/時
で維持されたユ結晶の成長が完結すると、残存溶融液は多結晶塊として急速に固
化した。アンプルは約0.5〜b度で室温まで徐冷し、この温度で結晶をアンプ
ルから取り出した。CdIn2Te4の直径約16簡の大型で高品質の単結晶が
得られた。
実施例3
最初にIn2Ta3が63モルチそしてCdTeが37モルチの溶融混合物を、
次の方法に従って調製した。高純度のIn2TJ 485.01をCdT@11
1.91と混合した。
両化合物は前述のようにして調製し、精製しておいた。
こうして調製した混合物は、直径約50■で汚れのない排気した融解シリカ製ア
ンプルに密封した。密封したアンプルは、垂直耐熱炉内で下降させた。この炉は
予め、混合物の加熱溶融領域において、900℃の相対的に平坦な温度プロファ
イルを与えるように較正しておいた。混合物が密封したアンプル内で溶融した後
、アンプルの温度を炉の温度勾配に従って低下させた。
炉の温度勾配は実施例1と同じである。アンプルは炉内を0.101w/時の速
度で下降させた。これはアンプ密封したアンプルの円錐形の頂点で開始した。成
長の速度はその完結に到るまで0.101m/時で維持した。
結晶の成長が完結すると、残存溶融液は多結晶塊として急速に固化した。アンプ
ルは約0.5〜b度で室温まで徐冷し、この温度で結晶をアンプルから取シ出し
た。Cd I nTe 4の直径約47mの大型で高品質の単結晶が得られた。
、IC
国際調査1g失
ANNEX、To TfLE INTERNATIONAL 5EARCHRE
?OR丁ON
Claims (27)
- (1)(a)62〜90モル%のIn2Te3と38〜10モル%のCdTeか らなる混合物を調整し;(b)前記混合物を単結晶を成長させるための下方に円 錐形の先端を有する汚れのない排気したアンプルに密封し; (c)前記密封したアンプルを前記混合物の融点以上に加熱することによって前 記混合物を溶融し;および (d)前記溶融混合物を前記アンプル内でCdIn2Te4の単結晶の成長が開 始し、かつ完結するまで前記混合物の融点以下に冷却することからなるCdIn 2Te4の大型で高品質の単結晶を製造する方法。
- (2)前記混合物におけるIn2Te3のモル%が62ないし72モル%である 請求の範囲第1項記載の方法。
- (3)前記混合物内におけるIn2Te3のモル%が64モル%である請求の範 囲第2項記載の方法。
- (4)前記混合物の前記融点が、785〜702℃である請求の範囲第1項記載 の方法。
- (5)前記アンプルが、前記混合物を溶融するために785〜900℃の温度に 加熱される請求の範囲第1項記載の方法。
- (6)前記アンプルが、垂直耐熱炉内で加熱される請求の範囲第1項記載の方法 。
- (7)前記耐熱炉が、直径76mmの管状である請求の範囲第6項記載の方法。
- (8)前記溶融混合物が、前記耐熱炉内で1.1〜3.5℃/mmの範囲の温度 勾配上の融点に沿って冷却される請求の範囲第7項記載の方法。
- (9)前記溶融混合物を収納するアンプルを、前記垂直耐熱炉の温度勾配に沿っ て0.05〜0.6mm/時の速度で下降させる請求の範囲第8項記載の方法。
- (10)前記結晶を成長させるアンプルの下向きの円錐の頂点が切り取られ、種 結晶は該アンプルの切り取られた箇所に載置される請求の範囲第1項記載の方法 。
- (11)前記下向きの円錐の先端を形成する前の前記アンプルの直径が19〜5 5mmである請求の範囲第1項記載の方法。
- (12)請求の範囲第1項記載の方法によって形成されるCdIn2Te3の大 型で高品質の単結晶。
- (13)CdIn2Te4の大型で高品質の単結晶を形成する方法において、( a)高純度のCd,InおよびTeから、これらの相対的な割合が混合物全体に 対してそれぞれIn2Te3が62〜90モル%、CdTeが38〜10モル% となるように調製した混合物を準備し、(b)前記混合物を汚れのない排気した 下向きに円錐形の先端を有するアンプル内に密封し、(c)前記密封したアンプ ルを前記混合物の融点以上に加熱して前記混合物を溶融し、そして(d)前記溶 融混合物を前記密封したアンプル内で、CdIn2Te4単結晶の成長を開始さ せ、完結するまで維持するため、前記混合物の融点以下にまで徐冷する方法。
- (14)前記高純度の混合物におけるCd,InおよびTeの割合が、In2T e3およびCdTeからなる混合物において、それぞれIn2Te3が62〜7 5モル%、CdTeが38〜25モル%となるような量に対応する請求の範囲第 13項記載の方法。
- (15)前記高純度の混合物におけるCd,InおよびTeの割合が、In2T e3およびCdTeからなる混合物において、1n2Te3が64モル%となる ような量に対応する請求の範囲第14項記載の方法。
- (16)前記融点が702〜785℃である請求の範囲第13項記載の方法。
- (17)前記アンプルを、前記混合物を溶融するために785〜900℃に加熱 する請求の範囲第13項記載の方法。
- (18)前記アンプルが垂直耐熱炉内で加熱される請求の範囲第13項記載の方 法。
- (19)前記垂直耐熱炉が直径約76mmの管状である請求の範囲第18項記載 の方法。
- (20)前記溶融混合物が、前記耐熱炉内で1.1〜3.5℃/mmの範囲の温 度勾配上の融点に沿って冷却される請求の範囲第19項記載の方法。
- (21)前記溶融混合物を含有するアンプルを、前記垂直耐熱炉の温度勾配に沿 って0.05〜0.6mm/時の速度で下降させる請求の範囲第20項記載の方 法。
- (22)前記結晶を成長させるアンプルの下向きの円錐の頂点が切り取られ、種 結晶は該アンプルの切り取られた箇所に載置される請求の範囲第13項記載の方 法。
- (23)前記下向きの円錐の先端を形成する前の前記アンプルの直径が19〜5 5mmである請求の範囲第13項記載の方法。
- (24)請求の範囲第13項記載の方法によって形成されるCdIn2Te3の 大型で高品質の単結晶。
- (25)CdIn2Te4の大型で高品質の単結晶を形成する方法において、( a)62〜90モル%のIn2Te3と38〜10モル%のCdTeから混合物 を調製し、(b)前記混合物を、汚れのない排気した下向きに円錐形の先端を有 する直径19〜50mmの融解シリカアンプルに密封し、(c)前記密封したア ンプルを垂直耐熱炉内で785〜900℃に加熱して前記混合物を溶融し、そし て(d)前記密封したアンプルを前記耐熱炉内で0.05〜0.6mm/時の速 度で、1.1〜3.5℃/mmの範囲の温度勾配上の融点に沿って下降させ、C dIn2Te4単結晶の成長を開始させ、かつ完結するまで維持するため、前記 混合物の702〜785゜Cの融点以下にまで徐冷し、そして(e)さらに前記 単結晶を室温まで冷却する方法。
- (26)前記結晶を成長させるアンプルの下向きの円錐の頂点が切り取られ、種 結晶は該アンプルの切り取られた箇所に載置される請求の範囲第25項記載の方 法。
- (27)請求の範囲第25項記載の方法によつて形成されるCdIn2Te3の 大型で高品質の単結晶。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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