PL222391B1 - Sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te oraz urządzenie do wygrzewania płytek - Google Patents

Sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te oraz urządzenie do wygrzewania płytek

Info

Publication number
PL222391B1
PL222391B1 PL402154A PL40215412A PL222391B1 PL 222391 B1 PL222391 B1 PL 222391B1 PL 402154 A PL402154 A PL 402154A PL 40215412 A PL40215412 A PL 40215412A PL 222391 B1 PL222391 B1 PL 222391B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
plates
temperature
cadmium
ampoule
semi
Prior art date
Application number
PL402154A
Other languages
English (en)
Other versions
PL402154A1 (pl
Inventor
Andrzej Mycielski
Dominika Kochanowska
Original Assignee
Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk filed Critical Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority to PL402154A priority Critical patent/PL222391B1/pl
Publication of PL402154A1 publication Critical patent/PL402154A1/pl
Publication of PL222391B1 publication Critical patent/PL222391B1/pl

Links

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania oporności półizolujacych płytek z (Cd,Mn)Te, przeznaczonych do stosowania jako elementy detekcyjne w detektorach promieniowania X i gamma. Najpierw powierzchnię monokrystalicznych płytek (Cd,Mn)Te poddaje się obróbce mechaniczno-chemicznej, a następnie płytki wygrzewa się w temperaturze 750 ± 10°C przez 7-10 dni, w zamkniętej i odpompowanej ampule kwarcowej. Płytki umieszczone są w ampule, prostopadle do osi ampuły a wygrzewanie prowadzi się w nasyconych parach kadmu oraz w obecności sproszkowanego (Cd,Mn)Te. Urządzenie posiada zamknięty korkami piec w postaci ceramicznej rury z umieszczoną na zewnątrz odpowiednio nawiniętą spiralą grzejną. Wewnątrz ceramicznej rury znajduje się ampuła szklana, która w środkowej części posiada kasetę w postaci grzebienia na płytki (Cd,Mn)Te.

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222391 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 402154 (51) Int.Cl.
H01L 31/00 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 20.12.2012
Sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te oraz urządzenie do wygrzewania płytek
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 23.06.2014 BUP 13/14 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT FIZYKI POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Warszawa, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.07.2016 WUP 07/16 (72) Twórca(y) wynalazku: ANDRZEJ MYCIELSKI, Warszawa, PL DOMINIKA KOCHANOWSKA, Warszawa, PL
PL 222 391 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te, przeznaczonych do stosowania jako elementy detekcyjne w detektorach promieniowania X i gamma oraz urządzenie do wygrzewania płytek. Podobnie jak kryształy CdTe, ZnTe czy (Cd,Zn)Te również (Cd,Mn)Te po otrzymaniu metodą z roztopu (metodą Bridgmana) posiadają dwie zasadnicze a jednoή C ή o -1 “7 3 cześnie negatywne cechy. Po pierwsze zawierają w ilości 10 -10 (czasem nawet 10 ) cm- wakansji kadmowych (lub cynkowych) czyli brakujących w sieci krystalicznej w/w atomów. Po drugie posiadają różnie usytuowane wydzielenia telluru w ilości 10-10 cm- . Wydzielenia te, ze względu na wymiary nazywane są precipitacjami (dla wymiarów mniejszych od 1 gm) i inkluzjami (dla wymiarów od 1 gm do około 50 gm).
Konsekwencją istnienia wakansji kadmowych (cynkowych) jest w otrzymywanym materiale przewodnictwo typu-p ponieważ wakansje odgrywają rolę akceptorów. Oporność takiego materiału (po krystalizacji) wynosi 10-10 Dcm i jest przynajmniej o cztery do pięciu rzędów za mała by spełniać warunki półizolacyjności. Obecność precypitacji/inkluzji telluru wpływa niekorzystnie na parametry transportu nośników prądu poprzez zwiększenie rozproszenia i pułapkowanie tych nośników.
Od wielu lat CdTe i (Cd,Zn)Te używany jest przez różne firmy jako materiał na detektory promieniowania X i gamma. Materiały te są atrakcyjne z uwagi na dużą średnią liczbę atomową (Z) dającą dużą absorpcję promieniowana X i gamma oraz relatywnie dużą przerwę energetyczną (Eg), która w pokojowej temperaturze pracy daje niskie szumy elektryczne. Do zastosowania w detektorach materiały CdTe i (Cd,Zn)Te są lepsze od krzemu, bo detektory krzemowe wymagają chłodzenia.
Materiał (Cd,Zn)Te uważany jest za materiał lepszy od CdTe ponieważ ma większą przerwę energetyczną ale ma też wadę związaną z segregacją cynku (Zn) w czasie krystalizacji z roztopu.
Z patentu PL nr 206 859 znany jest sposób otrzymywania półizolujących monokryształów (Cd,Mn)Te jako materiału na detektory promieniowania X i gamma. W sposobie tym, najpierw do m ateriału źródłowego (Cd1-xMnx)Te gdzie: 0,06 < x < 0,18 wprowadza się domieszkę kompensującą wa15 -3 -3 nadu o koncentracji 10 cm- < NV < 10 cm- , następnie w znany sposób prowadzi się proces krystalizacji, po czym otrzymany monokryształ wygrzewa się w parach kadmu, w wysokiej temperaturze ~700°C.
W przypadku (Cd,Mn)Te jedną z pozytywnych cech w stosunku do (Cd,Zn)Te jest brak segregacji manganu w czasie krystalizacji z roztopu. Wspólną jednak wadą wszystkich omawianych tutaj kryształów jest występowanie wyżej wspomnianych wakansji kadmowych (VCd) oraz precypitacji/inkluzji tellurowych.
Najczęściej stosowanymi metodami likwidacji wakansji kadmowych są metody, które opierają się na zastosowaniu odpowiedniego wygrzewania.
W przypadku (Cd,Mn)Te najczęściej wygrzewa się w parach kadmu (Cd) i nominalnie ''jednorodnej temperaturze” i w zakresie temperatur 500-900°C.
Znane są także sposoby, w których likwidację wakansji kadmowych przez wygrzewanie prowadzi się w parach kadmu i w sekwencji dwóch lub nawet trzech kolejnych temperatur. Pierwsze wygrzewanie prowadzi się np. w 600°C, drugie w temperaturze 500°C i ewentualne trzecie w temperaturze jeszcze niższej.
Znane są także sposoby, w których wygrzewanie prowadzi się w nienasyconych parach kadmu, trzymając płytki monokrystaliczne w temperaturze wyższej (np. 700°C), a kadm w temperaturze niższej (np. 500°C).
W celu likwidacji wakansji kadmowych a tym samym zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te stosowane są różne systemy chłodzenia, a więc gwałtowne chłodzenie na przykład przez wrzucenie ampuły do wody, albo zupełnie przeciwnie wolne chłodzenie razem z piecem nawet przez kilka dni.
Jednak w żadnym ze znanych sposobów nie uzyskiwano powtarzalnych rezultatów. W szczególności w pierwszym sposobie w tak zwanej ''jednorodnej temperaturze”, gdzie ampuła z próbkami umieszczona bywa w piecu o jednakowej temperaturze ale tylko w środkowej części pieca. Chłodniejsze końce pieca nieznacznie ochładzają końce grzanej ampuły, czego skutkiem jest wygrzewanie płytek w nieco wyższej temperaturze niż końce ampuły, co powoduje że pary Cd są nienasycone.
Wygrzewanie płytek prowadzi się więc w nienasyconych parach kadmu a stopień nasycenia jest trudny do kontrolowania.
PL 222 391 B1
Drugim czynnikiem, który wpływa na oporność (Cd,Mn)Te jest minimalizacja wydzieleń tellurowych - precypitacji i inkluzji. Wydzielenia tellurowe minimalizuje się na ogół poprzez grzanie płytek w gradiencie temperatury. To znaczy zamkniętą i odpompowaną ampułę z płytkami i z dodatkiem kadmu umieszczano w piecu z gradientem temperatury takim, że jeden koniec ampuły był np. w 700°C, a drugi koniec w 600°C. Płytki znajdowały się wtedy w gradiencie temperatury np. 10°C/cm. Z punktu widzenia próbek pary kadmu mają ciśnienie nienasycone, więc nie likwiduje się wakansji kadmowych, ale zapewnia się wędrówkę (do wyższej temperatury) precypitacji/inkluzji Te. Proces ten bardzo wolny i przy średniej temperaturze bliskiej 700°C i gradiencie temperatury na próbkach około 10°C/cm wydzielenia tellurowe wędrują z szybkością ok. 10 ąm/h, czyli płytki o grubości ~3 mm (a takie używane są najczęściej na detektory) wymagają procesu, który musi trwać co najmniej 2 t ygodnie. Po tak długim czasie grzania w nienasyconych parach kadmu, krystaliczność otrzymanych płytek jest mocno zdegradowana. Jednocześnie otrzymane płytki mają dużą gęstość wakansji kadmowych i muszą być powtórnie wygrzewane, tym razem w nasyconych parach kadmu.
Celem wynalazku jest opracowanie prostszego i pewniejszego sposobu zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te oraz urządzenia.
Sposób według wynalazku polega na tym, że najpierw powierzchnię monokrystalicznych płytek (Cd,Mn)Te poddaje się obróbce mechaniczno-chemicznej, podczas której powierzchnię płytek (Cd,Mn)Te poleruje się na szkle proszkiem SiC o granulacie 4-5 ąm, a następnie w roztworze bromu (Br) w metanolu (CH3OH). Następnie płytki wygrzewa się w temperaturze 750±10°C przez 7-10 dni, w zamkniętej i odpompowanej ampule kwarcowej. Płytki umieszczone są w ampule, prostopadle do osi ampuły a wygrzewanie prowadzi się w nasyconych parach kadmu oraz w obecności czystego kadmu i sproszkowanego (Cd,Mn)Te.
Urządzenie według wynalazku posiada zamknięty korkami piec w postaci ceramicznej rury, wewnątrz której umieszcza się kwarcową ampułę technologiczną, która w środkowej części ma kasetę w postaci grzebienia. Rura ceramiczna na zewnątrz ma spiralę grzejną znajdującą się w warstwowej otulinie wysokotemperaturowej. Spiralę tą tworzy drut, korzystnie Kanthal A1 o średnicy 1 mm, który nawinięty jest skokiem 5 na skrajnych częściach rury a, w część środkowej na długości ~ 1/3 nawinięty skokiem 7 mm. Rura ceramiczna może posiadać na otulinie wysokotemperaturowej płaszcz ochronny, korzystnie duralowy.
Sposób według wynalazku umożliwia uzyskanie, bez domieszki kompensującej, półizolujących płytek (Cd,Mn)Te o oporności właściwej « 109Qcm. W przypadku użycia domieszki kompensującej (wanadu) można uzyskać oporność właściwą nawet 10 : 10 Qcm- .
Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie zwiększania oporności właściwej płytek monokrystalicznych (Cd,Mn)Te, których oporność właściwa, przed procesem wygrzewania wynosiła ~10 Ocm. Na rysunku pokazano usytuowanie płytek (Cd,Mn)Te w urządzeniu grzejnym podczas tego procesu.
W przykładowym sposobie najpierw powierzchnię monokrystalicznych płytek (Cd,Mn)Te poddaje się obróbce mechaniczno-chemicznej. Podczas tej obróbki powierzchnię płytek (Cd,Mn)Te poleruje się na szkle proszkiem SiC o granulacie 4-5 ąm, a następnie poleruje się w roztworze bromu (Br) w metanolu (CH3OH).
Następnie wypolerowane płytki Cd1-xMnxTe gdzie 0,05 < x < 0,07 umieszcza się w ampule kwarcowej w pozycji pionowej (prostopadle do osi ampuły) i dodaje się 1-3 grama czystego kadmu (Cd), oraz 2-3 gramów sproszkowanego (zmielonego) tego samego (Cd,Mn)Te. Tak przygotowaną ampułę odpompowuje się do wysokiej próżni « 10- Tr («1,3-10- Pa), zatapia się i umieszcza w specjalnie skonstruowanym piecu, który zapewnia temperaturę 750°C. Później prowadzi się przez 7-10 dni proces wygrzewania, a po tym czasie wyłącza się piec i pozostawia do samodzielnego schłodzenia.
Urządzenie do wygrzewania według wynalazku składa się z ceramicznej rury grzejnej o średnicy wewnętrznej 60 mm i długości 800 mm. Wewnątrz tej rury umieszczona jest ampuła technologiczna z kasetą w kształcie grzebienia, w której umieszcza się prostopadle do osi ampuły monokrystaliczne płytki (Cd,Mn)Te. Na zewnątrz rura grzejna posiada wielowarstwową otulinę, w której znajduje się specjalnie nawinięta spirala grzejna. Spiralę tą tworzy drut, Kanthal A1 , o średnicy 1 mm, który nawinięty jest skokiem 5 na skrajnych częściach rury, natomiast w części środkowej, na długości ~ 1/3 nawinięty jest skokiem 7 mm. Ponadto rura ta z uzwojeniem izolowana jest 6-cioma warstwami koca izolacyjnego z Kaowool'u, a na otulinie wysokotemperaturowej ma duralowy płaszcz ochronny. Urządzenie zasilane jest odpowiednim zmiennym napięciem, tak by w środkowej części temperatura wynosiła 750°C. Temperatura na obu końcach ampuły mierzona jest termoparami platynowymi.
PL 222 391 B1
Specyficzne nawinięcie spirali zapewnia uzyskanie odpowiedniego profilu temperatury w piecu co pokazano na rysunku.
Ampuła umieszczona jest więc w środkowej części pieca, w miejscu siodełka temperatury, oba końce ampuły znajdują się w temperaturze kilka stopni wyższej niż środek ampuły zawierający kasetę z płytkami (750°C). Dodany kadm i proszek (Cd,Mn)Te umieszczany jest na dnie ampuły. Średnica ampuły kwarcowej zależy od wielkości i powierzchni płytek, w przykładzie średnica wynosi 40 mm, a długość 100 mm. Takie urządzenie zapewnia jednorodną temperaturę w obszarze umieszczenia próbek, zapewniając jednocześnie nasycone dla danej temperatury ciśnienie par kadmu. Ponieważ odpompowana ampuła kwarcowa zawiera nie tylko wygrzewane płytki ale i kawałek czystego kadmu (Cd) oraz kilka gramów zmielonego (Cd,Mn)Te, to proszek (Cd,Mn)Te mający rozwiniętą powierzchnię parowania zapewnia dla danej temperatury nasycone prężności par pozostałych składników (Cd,Mn)Te i przeciwdziała naruszeniu struktury krystalicznej i równowagi stechiometrycznej wygrzewanych płytek. Dla składu Cd1-xMnxTe x = 0,05-0,07, który jest materiałem przygotowanym na detektory promieniowania X i gamma optymalna okazała się po licznych próbach temperatura wygrzewania, która wynosi 750±10°C, a czas wygrzewania 7-10 dni.
W tych warunkach koncentracja wakansji kadmowych spadła o 10 razy, a gęstość wydzieleń tellurowych spadła z 106 cm-3 do 103 cm-3 (co jest ilością akceptowalną dla detektorów).
Obserwacje inkluzji tellurowych (tych >1 pm) przeprowadzono w mikroskopie optycznym pracującym w bliskiej podczerwieni (IR). Dla światła o długości « 0,9 pm i energii « 1,38 eV próbki (Cd,Mn)Te (podobnie jak CdTe i (Cd,Zn)Te) są przezroczyste bo przerwa energetyczna Eg jest > 1,5 eV, a wydzielenia tellurowe są nieprzezroczyste bo tellur jest półprzewodnikiem wąsko przerwowym (Eg « 0,3 eV). W ten sposób można zaobserwować znikanie inkluzji tellurowych istniejących w płytkach przed wygrzewaniem.
Mechanizm tych zjawisk polega na dyfuzji do wnętrza próbki kadmu z par kadmu poprzez poz ycje międzywęzłowe w sieci krystalicznej (Cd,Mn)Te. Dyfundujący kadm lokuje się w wakansjach kadmowych, a jednocześnie reaguje z wydzieleniami tellurowymi (które przy jednorodnej temperaturze wygrzewania nie wędrują) tworząc lokalne precipitacje/inkluzje CdTe. Tak więc, w jednym procesie wygrzewania (pod warunkiem właściwie dobranej temperatury) likwidujemy o wiele rzędów wielkości gęstość wakansji kadmowych, również o dwa do trzech rzędów wielkości zmniejszamy gęstość prec ypitacji/inkluzji tellurowych zmieniając je w większości na CdTe, co jest z punktu widzenia transportu nośników prądu mniej szkodliwe niż obecność wydzieleń tellurowych.

Claims (4)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te za pomocą wygrzewania, znamienny tym, że najpierw powierzchnię monokrystalicznych płytek (Cd,Mn)Te poddaje się obróbce mechaniczno-chemicznej, następnie wygrzewa się w zamkniętej i odpompowanej ampule kwarcowej, w pozycji prostopadłej do osi ampuły, w nasyconych parach kadmu, oraz w obecności czystego kadmu, korzystnie w ilości od 1 - do 3 g i sproszkowanego (Cd,Mn)Te, korzystnie w ilości od 2 - do 3 g, w temperaturze 750±10°C przez 7-10 dni.
  2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mechaniczno-chemiczne polerowanie powierzchni płytek (Cd,Mn)Te prowadzi się najpierw polerując płytkę na szkle proszkiem SiC o granulacie 4:5 pm, a następnie w roztworze bromu (Br) w metanolu (CH3OH).
  3. 3. Urządzenie do wygrzewania płytek, znamienne tym, że posiada zamknięty korkami piec w postaci ceramicznej rury z umieszczoną na zewnątrz spiralą grzejną znajdującą się w warstwowej otulinie wysokotemperaturowej, przy czym spiralę grzejną tworzy drut, korzystnie Kanthal A1, o średnicy 1 mm, nawinięty jest skokiem 5 na skrajnych częściach rury a, w części środkowej na długości ~ 1/3 nawinięty skokiem 7 mm, natomiast wewnątrz rury znajduje się ampuła kwarcowa, która w środkowej części posiada kasetę na płytki w postaci grzebienia.
  4. 4. Urządzenie do wygrzewania płytek według zastrz. 3, znamienne tym, że rura ceramiczna na otulinie wysokotemperaturowej ma płaszcz ochronny, korzystnie duralowy.
PL402154A 2012-12-20 2012-12-20 Sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te oraz urządzenie do wygrzewania płytek PL222391B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL402154A PL222391B1 (pl) 2012-12-20 2012-12-20 Sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te oraz urządzenie do wygrzewania płytek

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL402154A PL222391B1 (pl) 2012-12-20 2012-12-20 Sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te oraz urządzenie do wygrzewania płytek

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL402154A1 PL402154A1 (pl) 2014-06-23
PL222391B1 true PL222391B1 (pl) 2016-07-29

Family

ID=50943778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL402154A PL222391B1 (pl) 2012-12-20 2012-12-20 Sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te oraz urządzenie do wygrzewania płytek

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL222391B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL402154A1 (pl) 2014-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bost et al. Optical properties of semiconducting iron disilicide thin films
Verma et al. Lattice defect-formulated ferromagnetism and UV photo-response in pure and Nd, Sm substituted ZnO thin films
Wang et al. Hard radiation detection from the selenophosphate Pb2P2Se6
Pathak et al. Structural and optical properties of In doped Se–Te phase-change thin films: a material for optical data storage
Churilov et al. Thallium bromide nuclear radiation detector development
Ponpon et al. Preliminary characterization of PbI2 polycrystalline layers deposited from solution for nuclear detector applications
Hua et al. Anisotropic X-ray detection performance of melt-grown CsPbBr 3 single crystals
Olschner et al. Thallium bromide semiconductor X-ray and γ-ray detectors
PL222391B1 (pl) Sposób zwiększania oporności półizolujących płytek z (Cd,Mn)Te oraz urządzenie do wygrzewania płytek
Mino et al. Oxygen doping tuning in superconducting oxides by thermal annealing and hard X-ray irradiation
Al-Agel Effects of annealing temperatures on optical and electrical properties of vacuum evaporated Ga15Se77In8 chalcogenide thin films
US8969803B2 (en) Room temperature aluminum antimonide radiation detector and methods thereof
Arslan et al. Effect of thermal annealing on the physical properties of Zn1− x Cu x Se thin films deposited by close spaced sublimation technique
Nag Growth, characterization and evaluation of CdZnTeSe single crystals for room temperature radiation detectors
Xu et al. Effects of CZT Substrate Surface Treatment on IR-Transmittance in the Annealing Process
Yılmaz et al. Investigations on structural, electrical and optical Properties of polycrystalline CdInTe thin films grown by thermal evaporation
Alexiev et al. Gamma-ray detectors from thermally annealed Bridgman-grown CdTe
Herraiz Growth and surface characterization of CdZnTeSe third-generation X-ray and gamma-ray detector at room temperature
Petersen et al. Analysis of X-ray and electron-beam diffraction patterns from poly (dipropyl siloxane)
Gainotti et al. Surface effects on positron annihilation in elementary semiconductors
Parrett Synthesis and Characterisation of Single Crystal Transparent Conducting Oxide-Gallium Doped Zinc Antimonate
Arshak et al. Thin films of In2O3/SiO as optical gamma radiation sensors
Lošťák et al. Electrical and optical properties of Tl-doped Bi2Te3 crystals
Badr et al. Crystal growth, electrical and photophysical properties of Tl2S layered single crystals
Elshazly Amorphous Semiconductors Characteristics and Their Modern Application