一种多元化合物半导体单晶的制备方法，工艺步骤为：①清洁坩埚，②装料并除气封结，③晶体生长，④退火与冷却。与该方法配套的单晶生长装置含有可移动下炉加热器及含有中部辅助加热器的单晶生长炉，它可以灵活根据多元化合物的结晶习性，实现对结晶温度梯度区的温场调节，获得化合物单晶生长所需的窄温区、大温梯的结晶温场分布，维持固－液界面的稳定，实现单晶体的平界面生长。使用该生长装置，采用坩埚下降法可成功生长出外观完整、结晶性能好的多种多元化合物半导体单晶体。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无机单晶材料制备领域，特别涉及一种熔体法生长多元化合物半导体单 晶的方法和相应的生长装置。技术背景多元化合物半导体单晶，例如ZnGeP2、 CdGeAs2、 AgGaS2、 AgGaSe2、 AgGahXInxSe2、 Cd^ZiixTe等，由于具有优异的红外非线性光学性能或室温核辐射探测性能，可在中远 红外波段的频率转换和室温核辐射探测领域广泛应用。上述化合物半导体单晶生长困 难， 一般可用Brigdman—Stockarger (简称B — S法)法生长单晶，但是这些化合物组分 多，熔点差别大，饱和蒸汽压差别大，高温下易分解，加之熔体粘滞系数大，低温下还 会产生脱溶分解析出第二相；尤其是结晶过程中，由于组成化合物各组元物质的分凝系 数不同，加之固体与熔体的导热性能差别大，随着晶体生长过程中固一液量的变化，会 使结晶区的温场发生变化，导致固一液界面发生漂移，很难维持晶体生长所需的平(或 微凸)界面生长，所以，通常的B—S方法很难获得完整性好的化合物半导体单晶体， 制约了其器件的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多元化合物半导体单晶的制备方 法及其与该方法配套使用的单晶生长装置，以制备出外观完整、结晶性能好的多种多元 化合物半导体单晶体。本专利技术针对多元化合物半导体单晶生长的技术难点，设计出一种具有可移动下炉加 热器及中部辅助加热器的单晶生长装置，它可以灵活根据多元化合物的结晶习性，实现 对结晶温度梯度区的温场调节，获得化合物单晶生长所需的窄温区、大温梯的结晶温场 分布，维持固一液界面的稳定，实现单晶体的平界面生长。使用该生长装置，采用坩埚 下降法可成功生长出外观完整，结晶性能好的多种多元化合物半导体单晶体。本专利技术所述多元化合物半导体单晶的制备方法，以多元化合物多晶体粉末为原料，以石英坩埚为生长容器，依次包括以下工艺步骤 ①清洁坩埚清洁坩埚是将坩埚内壁进行去除杂质的处理；② 装料并除气封结将多元化合物多晶体粉末装入清洁后的坩埚内，然后在200。C 35(TC下抽空除气， 当坩埚内的气压降至10's 10^Pa时封结；③ 晶体生长A、将封结后的坩埚放入单晶生长炉内，让坩埚尖部位于上炉加热器的控温热偶之 上3 5cm处，将上炉以2 3°C/min的速率升温至多元化合物熔点以上50。C 10(TC， 下炉以同样速率升温至多元化合物熔点以下、脱熔分解温度以上，辅助加热器的控制温 度为多元化合物的熔点温度，保温24小时 36小时，B、上述保温结束后，以10 mm/h 15mm/h的速率下降坩埚尖部至辅助加热器的 控温热偶处，保温4小时 6小时后以0.2 mm /h 0.5mm/h的速率下降柑埚开始晶体 生长，经过2 4周时间，让熔体全部移动通过固一液界面； ④退火与冷却完成单晶体生长后将坩埚下降至下炉等温区退火2 4天，然后断电，让晶锭随炉 冷却至室温后取出。本专利技术所述多元化合物半导体单晶生长装置，包括炉体、各自独立加热控温的上炉 加热器、辅助加热器和下炉加热器，上炉加热器和辅助加热器的发热体沿炉体的轴向自 上而下依次安装在炉体上，下炉加热器的发热组装体安装在下部升降机构上，其主体伸 入炉体并位于辅助加热器的发热体之下；在辅助加热器的发热体分布区/2，自下而上重 叠安装了由下层导热环、中层导热环和上层保温隔热环组成的复合保温隔热层，下层导 热环、中层导热环和上层保温隔热环的内径与多元化合物半导体单晶生长坩埚的外形尺 寸相匹配；辅助加热器的控温热偶安装在上层保温隔热环与中层导热环之间，上炉加热 器的控温热偶安装在上炉加热器发热体的下端，下炉加热器的控温热偶安装在下炉加热 器发热体的上端，上炉温度监测热偶安装在上炉加热器发热体分布区//的中部。上炉加 热器的控温热偶与下炉加热器的控温热偶之间的区域为结晶温度梯度区，操作下部升降 机构，使下炉加热器的发热组装体沿炉体的轴向上下移动，即可改变结晶温度梯度区的 宽度。上层保温隔热环的作用是阻挡上炉高温区的热量向梯度区的辐射、对流和传导，以 减小高温区的温差，维持温场的稳定；中层导热环和下层导热环的作用是形成导热通道， 通过导走部分热量来形成生长化合物晶体所需的大温梯。因此，下层导热环的外径大于中层导热环和上层保温隔热环的外径，且下层导热环与炉体的保温隔热层相接。辅助加热器的增设，有助于稳定固一液界面。实验表明，辅助加热器的发热体分布区/2的长度以8cm 12cm为宜。 本专利技术具有以下有益效果-1、 通过下炉加热器发热组装体的升降调节，可以灵活地调节结晶温度梯度区的宽 度；同时将上、下炉的控温点由通常的加热器发热体中部移至结晶温度梯度区的上、下 边缘，避免了因结晶过程中固、熔体量的改变而导致的传热性能改变(因为Ks、 K,差 别较大)。2、 采用三层复合保温隔热层，有助于在维持上炉高温区较小的AT的同时，在结晶 温度梯度区产生较大的温差，从而将固-液界面的生长过程压缩在一个较狭窄的区域内。3、 在结晶温度梯度区内增设了短区间分布的辅助加热器发热体，其控温点设置在 上层保温隔热环与中层导热环之间的固-液界面处，有助于稳定固一液界面，使其不漂 移，同时也可进一步调节结晶温度梯度区的温场分布，形成窄温区、大梯度的温度场， 该温度场能够减小在结晶过程中的晶体成分偏析。4、 通过在固一液界面设置控温热偶，可实时了解并监控固一液界面的移动过程， 相当于间接观察到固一液界面的移动过程，有助于控制完整单晶的生长。5、 在晶体生长炉形成窄温区大温梯的结晶温度梯度区的基础上，在晶体生长过程 中，将上炉温度设置在多元化合物熔点之上50 10(TC范围，下炉温度设置在化合物熔 点以下、脱熔分解温度之上，有助于解决多元化合物半导体晶体材料高温易分解、低温 易脱溶的问题，也有助于减小生长晶锭的应力，为完整性好的单晶生长提供有利的条件 保障。附图说明图1是本专利技术所述晶体生长装置的结构简图及晶体生长阶段固一液界面所处位置的 示意图；图2是本专利技术所述晶体生长炉的温场分布图；； 图3是本专利技术所述方法制备的AgGaS2晶锭照片； 图4本专利技术所述方法制备的AgGaS2晶锭解理面的X射线衍射谱； 图5是本专利技术所述装置制备的CdGeAs2单晶体(101)面的X射线多级衍射谱。 图中，l一炉体、2—上炉加热器的发热体、3—上炉温度监测热偶、4一上炉加热器 的控温热偶、5—辅助加热器的发热体、6—上层保温隔热环、7—辅助加热器的控温热偶、8—中层导热环、9一下层导热环、IO—下炉加热器的控温热偶、ll一下炉加热器的 发热组装体、12—下部升降机构、13—上部升降机构、14一坩埚、15—固一液界面、^ 一上炉加热器的发热体分布区、/2 —辅助加热器的发热体分布区、/3 —下炉加热器的 发热体分布区。具体实施方式 实施例l:多元化合物半导体单晶生长装置本实施例中，多元化合物半导体单晶生长装置的结构如图1所示，包括炉体l、各 自独立加热控温的上炉加热器、辅助加热器、下炉加热器、上炉温度监测仪、下层导热 环9、中层导热环8、上层保温隔热环6、下部升降机构12、上部升降机构13。上炉加热器的发热体2和辅助加热器的发热体5沿炉体的轴向自上而下依次安装在 炉体上，下炉加热器的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多元化合物半导体单晶的制备方法，以多元化合物多晶体粉末为原料，以石英坩埚（１４）为生长容器，其特征在于依次包括以下工艺步骤：①清洁坩埚清洁坩埚是将坩埚内壁进行去除杂质的处理；②装料并除气封结将多元化合物多 晶体粉末装入清洁后的坩埚内，然后在２００℃～３５０℃下抽空除气，当坩埚内的气压降至１０↑［－３］～１０↑［－４］Ｐａ时封结；③晶体生长Ａ、将封结后的坩埚（１４）放入单晶生长炉内，让坩埚尖部位于上炉加热器的控温热偶（４）之上３ ～５ｃｍ处，将上炉以２～３℃／ｍｉｎ的速率升温至多元化合物熔点以上５０℃～１００℃，下炉以同样速率升温至多元化合物熔点以下、脱熔分解温度以上，辅助加热器的控制温度为多元化合物的熔点温度，保温２４小时～３６小时，Ｂ、上述保温结束后，以 １０ｍｍ／ｈ～１５ｍｍ／ｈ的速率下降坩埚尖部至辅助加热器的控温热偶（７）处，保温４小时～６小时后以０．２ｍｍ／ｈ～０．５ｍｍ／ｈ的速率下降坩埚开始晶体生长，经过２周～４周时间，让熔体全部移动通过固－液界面（１５）；④退火与冷却 完成单晶体生长后将坩埚下降至下炉等温区退火２天～４天，然后断电，让晶锭随炉冷却至室温后取出。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱世富，赵北君，何知宇，陈观雄，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]
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