一种短温区垂直移动炉以及利用其生长CdTe晶体的方法与流程

本发明涉及加热炉技术领域以及晶体生长技术领域，尤其涉及一种短温区垂直移动炉以及利用其生长CdTe晶体的方法。

背景技术：

CdTe晶体是一种直接带隙半导体材料，它具有较高的平均原子系数和较大的禁带宽度。利用CdTe晶体制作的探测器具有优异的吸收系数和计数率，尤其是它不需要任何制冷就可在室温下工作，因而在高能探测领域具有广阔的应用前景。

CdTe晶体生长经过多年发展，目前主要有布里奇曼法和移动加热法两种制备工艺。其中布里奇曼法生长CdTe晶体速度较快，且能获得较大尺寸晶体材料，但Te沉淀及夹杂等缺陷难以克服。与布里奇曼法相比，移动加热法具有生长温度低、单晶成品率较高、组分均匀以及缺陷密度低等优点，成为一种颇具前景的CdTe晶体制备技术，其制得的晶体同时还具有组分均匀、缺陷密度低等优势。

然而，移动加热法却存在晶体生长速度慢、工艺复杂且界面形貌难以控制等缺点。譬如，文献“J.Crystal Growth,2005,vol.284:406-411”报道了一种基于移动加热法基础，通过附加静态磁场控制CdTe晶体生长界面的方法，尽管获得了波浪形的生长界面，但设备构造复杂且生长速率低，明显增加了运行成本。上海大学公开了一种移动加热法生长Zn掺杂CdTe晶体的装置(专利申请号：CN201210349836.3)，炉体分为三个温区，分别采用高频电磁感应加热和上下电阻加热，该技术在晶体提纯方面体现出一定优势，但其较多的控温系统使得设备构造较为复杂，温场稳定性难以得到保障。

目前制约CdTe晶体规模应用的因素主要有晶体性能、体积和成本等几方面，因此开发出一种能有效优化CdTe晶体性能并同时提高单晶率的晶体生长技术显得十分迫切。

技术实现要素：

针对上述技术现状，本发明提供了一种自动化程度较高、结构简单且制造成本低的加热炉置，利用该装置可实现CdTe晶体快速生长，同时获得高性能高单晶率的CdTe晶体。

本发明的技术方案为：一种短温区垂直移动炉，主要包括炉体、石英坩埚、用于支撑石英坩埚的碳化硅支座、用于支撑炉体的支撑台，以及用于监控炉体温度的热电偶；所述的碳化硅支座与旋转电机相连，旋转电机工作时带动碳化硅支座进行水平旋转，从而能够带动石英坩埚水平旋转；所述的支撑台与直线电机相连，直线电机工作时带动支撑台在垂直方向上下移动；

炉膛内壁固定设置铁铬铝电热丝，形成加热区；炉体上下开口，所述加热区在垂直方向的温度分布呈中间向上下两侧逐渐降低的趋势，即，所述加热区在垂直方向，中间高度的温度最高，自中间高度向上，温度逐渐降低，自中间高度向上，温度逐渐降低。

作为优选，所述加热区在垂直方向的温度分布呈反“C”型。

作为优选，所述加热区在垂直方向的高度为h，所述炉膛直径为d，并且d<h<1.5d。

作为优选，所述温度梯度为30℃-40℃/cm。

作为优选，所述的铁铬铝电热丝由氧化铝陶瓷片支撑。

作为优选，所述的铁铬铝电热丝紧贴于炉膛内壁。

作为优选，炉体两端用氧化铝纤维隔热板进行保温。

作为优选，所述热电偶为铂/铂铑合金热电偶。

为了加强石英坩埚的稳定性，作为优选，石英坩埚与碳化硅支座之间通过耐高温陶瓷胶进行固化粘结。

作为优选，所述炉膛内壁镀碳。

利用本发明的短温区垂直移动炉生长CdTe晶体时，其操作方法如下：

(1)将Te块和CdTe多晶棒装入石英坩埚中，抽真空后用乙炔火焰密封；

(2)将石英坩埚置于碳化硅支座上，调节碳化硅支座与支撑台位置，使石英坩埚位于炉膛内；

(3)启动直线电机，调节支撑台高度，使石英坩埚位于加热区内，加热区升温至750℃-950℃后保温18h-24h，使CdTe多晶棒料锭溶解在熔融的Te中并达到饱和状态；然后，启动旋转电机，驱动石英坩埚以1r/min-2r/min匀速旋转，启动直线电机，驱动支撑台以5～18mm/d的速度向上移动，直至完成晶体生长。

所述的步骤(1)中，作为优选，抽真空至1.0×10^-3Pa。

所述的步骤(1)中，为了保障材料纯度，优选将Te块和CdTe多晶棒装入高纯氮化硼(PBN)坩埚中，然后将装好料的氮化硼坩埚置于石英管中，抽真空后用乙炔火焰密封。为了对CdTe晶核进行淘汰，进一步优选，氮化硼坩埚底部为锥形。

所述的步骤(1)中，石英坩埚底部优选带有CdTe籽晶，将Te块和CdTe多晶棒装入石英坩埚中，通过籽晶引晶、放肩进行晶体生长，可获得高质量大尺寸的CdTe晶体。

若石英坩埚与碳化硅支座之间通过耐高温陶瓷胶进行固化粘结，那么在所述的步骤(2)中，还包括启动直线电机，调节支撑台高度，使陶瓷胶位于加热区内，加热区升温，烘干固化陶瓷胶，使石英坩埚与碳化硅支座完全粘结。

所述的步骤(3)中，作为优选，所述升温速率为1℃-2℃/min。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和明显效果：

(1)加热炉结构简单

本发明的加热炉仅采用铁铬铝电热丝与热电偶一套控制系统，因此炉体结构简单、造价低廉，并且加热区的垂直高度易于控制，形成短温区加热炉。更重要的是，由于炉体上下开口，在空气的对流作用下，加热区在垂直方向的温度分布呈中间向上下两侧逐渐降低的趋势，这能减小熔区长度，增加原料区熔提纯效果，降低晶体内部杂质含量。

(2)晶体生长固液界面改善

本发明中支撑石英坩埚的支座选用碳化硅材料，碳化硅具有高热导率，能够极大促进晶体生长界面结晶潜热的释放，从而获得有利于单晶生长的微凸固液界面，其在晶体生长过程中，能有效抑制多晶或孪晶的发育而提高单晶率。

(3)温场对称性优化

本发明使用坩埚旋转系统，克服了因加热丝绕丝不均匀和坩埚位置偏离炉膛中轴线带来的温场不对称缺点，使CdTe熔体受热均匀。

(2)热量利用效率高

本发明使用铁铬铝电阻丝加热，优选由氧化铝陶瓷片支撑并紧贴于炉膛内壁，有利于发热热量的充分利用。

因此，利用本发明的加热炉生长CdTe晶体成本低，有利于消除Te沉淀、夹杂和孪晶等缺陷，提高CdTe单晶利用率。

附图说明

图1是本发明实施例1中短温区垂直移动炉的装置结构示意图；

图2是本发明实施例1中短温区垂直移动炉反“C”型温场曲线分布示意图；

图3是本发明实施例1中利用短温区垂直移动炉生长的具有微凸固液界面的CdTe

晶体。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1:

本实施例中，短温区垂直移动炉装置结构如图1所示，参见图1，本实施例短温区垂直移动炉生长CdTe晶体装置，主要功能部分

包括炉体1、铁铬铝电热丝2、氧化铝陶瓷片3、铂/铂铑合金热电偶4、碳化硅导热支座5、炉体支撑台6、移动导轨7、伺服旋转电机8、伺服旋转电机9、石英坩埚10。

炉体1安装固定在炉体支撑台6上。炉膛内壁环绕着铁铬铝电热丝2，铁铬铝电热丝2通过氧化铝陶瓷片3进行支撑并紧贴于炉膛内壁，形成加热区。炉体1两端用氧化铝纤维隔热板进行保温，炉内温度由铂/铂铑合金热电偶4监控测试。

炉体支撑台6与移动导轨7相连，伺服旋转电机8驱动炉体支撑台6上下垂直移动，从而带动炉体1能够上下垂直移动。

石英坩埚10内壁镀碳。石英坩埚10通过耐高温陶瓷胶与碳化硅导热支座5固化粘结。碳化硅导热支座5与匀速旋转电极9相连，能够随匀速旋转电极9旋转而匀速旋转。

本实施例中，加热区在垂直方向的高度h为30mm，炉膛直径d为25mm。

炉体1上下开口，在空气对流作用下，加热区在垂直方向的温度分布如图2所示，呈反“C”型。即，加热区在垂直方向，中间高度的温度最高，自中间高度向上，温度逐渐降低，该温度梯度为30-40℃/cm；自中间高度向下，温度逐渐降低，该温度梯度为30-40℃/cm。

利用该短温区垂直移动炉生长CdTe晶体的方法如下：

(1)将小块状的Te和尺寸适当的CdTe多晶棒按先后顺序，分别装入内壁镀碳的石英坩埚10中，抽真空至1.0×10^-3Pa用乙炔火焰密封。

(2)将密封好的石英坩埚10置于碳化硅坩埚支座5上，通过耐高温陶瓷胶粘结石英坩埚10和碳化硅坩埚支座5；调节碳化硅支座5与炉体支撑台6的位置，使石英坩埚10位于炉膛内；然后，启动直线电机8，调节炉体支撑台6的高度，使陶瓷胶位于加热区内，加热区升温至120℃并保温2～5h烘干固化陶瓷胶，使石英坩埚10与碳化硅坩埚支座5完全粘结。

(3)启动直线电机8，调节支撑台6的高度，使石英坩埚10位于加热区内，炉体1升温至850℃后保温20h，升温速率1℃/min，使CdTe多晶棒部分料锭溶解在熔融的Te中并达到饱和状态。然后，启动伺服旋转电机9驱动石英坩埚10以1r/min匀速一直旋转；最后，启动直线电机8驱动炉体1以15mm/d的速度向上移动，直至完成晶体生长。

图3是上述制得的CdTe晶体沿中轴线的剖面图，从图中可以看出，CdTe晶体具有微凸固液界面。

实施例2：

本实施例中，短温区垂直移动炉装置结构与实施例1基本相同，所不同的是：本实施例中，加热区在垂直方向的高度h为35mm，炉膛直径d为30mm。

利用该短温区垂直移动炉生长CdTe晶体的方法与实施例1中的方法基本相同，所不同的是：本实施例中，在步骤(1)中是将小块状的Te和CdTe多晶棒按先后顺序，装入底部为锥形的高纯氮化硼坩埚中(PBN)，然后将装好料的氮化硼坩埚置于石英管中，抽真空至1.0×10^-3Pa并用乙炔火焰密封。

实施例3：

本实施例中，短温区垂直移动炉装置结构与实施例2基本相同，所不同的是：本实施例中，加热区在垂直方向的高度h为70mm，炉膛直径d为60mm。

利用该短温区垂直移动炉生长CdTe晶体的方法与实施例2中的方法基本相同，所不同的是：本实施例步骤(1)中，高纯氮化硼坩埚底部带有籽晶井，在实施过程中可首先将预加工好的CdTe籽晶装入氮化硼坩埚底部的籽晶井中，然后依次装入小块状的Te和CdTe多晶棒于氮化硼坩埚，最后密封石英坩埚，即通过籽晶引晶、放肩进行晶体生长，可获得高质量大尺寸的CdTe晶体。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。