一種磷硅鎘單晶體的制備方法，以富磷CdSiP2多晶粉末為原料，工藝步驟為：（1）生長容器的清洗與干燥；（2）裝料；（3）將裝有生長原料并封結的雙層坩堝放入三溫區管式晶體生長爐，然后將生長爐的高溫區和低溫區以30~60℃/h的速率分別升溫至1150~1180℃、950~1050℃，并保持該溫度，繼后調節梯度區的溫度，使溫度梯度為10~20℃/cm，當所述生長原料在高溫區保溫12~36h后，控制雙層坩堝以3~6mm/day勻速下降，當雙層坩堝下降到低溫區并完成單晶生長后，使其停止下降，在低溫區保溫24~72h，保溫時間屆滿，將高溫區、梯度溫區、低溫區的溫度同時以20~60℃/h降至室溫。一種單晶體生長容器，由內層坩堝和外層坩堝組成，內層坩堝與外層坩堝之間的環形腔室內加有調壓用CdSiP2多晶粉末。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于三元化合物半導體單晶體制備領域，特別涉及一種磷硅鎘單晶體的生長方法與生長容器。
技術介紹
應用于中遠紅外波段的非線性光學晶體主要是ABC2型黃銅礦結構三元化合物半導體。近年來研究發現，磷硅鎘(CdSiP2)晶體具有很高的非線性光學系數、熱導率和光損傷閾值，并且可以用I. 06 μ m、I. 55 μ m和2. I μ m的激光泵浦,在紅外對抗、激光雷達、激光通訊等領域有廣泛的應用前景。但是，由于CdSiP2晶體熔點高(1133°C)、平衡蒸氣壓高(熔點 溫度下約22atm)，因而熔體易離解造成化學配比偏離，高蒸氣壓強容易產生爆炸；冷卻過程存在反常熱膨脹，容易導致晶體和生長容器破裂，因此制備大尺寸的CdSiP2單晶體極為困難。生長CdSiP2單晶體的方法主要有鹵素輔助氣相輸運法、錫熔液生長法、水平梯度冷凝法及垂直布里奇曼法。其中，鹵素輔助氣相輸運法和錫熔液生長法通常只能制備出毫米尺寸的針狀晶體，難以滿足器件制備的要求；水平梯度冷凝法維持平界面生長困難，生長容器內對流嚴重且難以避免晶體化學配比偏離；傳統的垂直布里奇曼法制備CdSiP2單晶體容器易爆炸，生長的晶體易發生開裂且存在組分偏析。CN102344126A公開了一種磷硅鎘多晶體的合成容器，所述合成容器由內層坩堝和外層坩堝組合而成，并在內層坩堝外壁與外層坩堝內壁圍成的環形氣室內充以氮氣來降低內層坩堝壁兩側的壓強差，提高合成容器的防爆功能，但該合成容器在環形腔室內充氮氣至較高壓力后會導致外層坩堝封結困難，操作不便，且不適用于單晶的生長。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足，提供一種CdSiP2單晶體的制備方法及生長容器，以提高生長容器的耐壓能力、防止爆炸，避免高溫下由于熔體離解造成的單晶化學配比偏離，防止生長出的單晶開裂及氧化。本專利技術所述磷硅鎘單晶體的制備方法，以CdSiP2多晶粉末為原料，并添加CdSiP2多晶粉末重量廣5%。的P粉，工藝步驟如下( I)生長容器的清洗與干燥將清洗液注入生長容器反復清洗至干凈為止，然后對清洗后的生長容器進行干燥處理,完全去除其內部的水，所述生長容器由內層坩堝和外層坩堝組成，內層坩堝為內壁鍍有碳膜的石英管，所述石英管由單晶生長段和分別位于單晶生長段兩端的進料段、籽晶淘汰段組成，進料段的端部為進料口，單晶生長段的外壁設置有定位突起，籽晶淘汰段的端部封閉且連接有導熱桿，外層坩堝為一端開口、一端封閉的石英管，所述石英管分為主體部段和籽晶袋與導熱桿放置段，主體部段的端部為開口端，籽晶袋與導熱桿放置段端部為封閉端，主體部段的內徑大于內層坩堝單晶生長段的外徑、長度大于內層坩堝單晶生長段的長度，其內壁設置有定位突起，籽晶袋與導熱桿放置段的內徑小于主體部段的內徑，其長度等于或大于內層坩堝籽晶淘汰段的長度與所述導熱桿長度之和；(2)裝料將計量好的CdSiP2多晶粉末和P粉裝入內層坩堝，然后抽真空除氣，當壓強小于KT4Pa時封結內層坩堝；將封結好的內層坩堝裝入外層坩堝，并在內層坩堝與外層坩堝之間的環形腔室內加入調壓用CdSiP2多晶粉末，然后抽真空除氣，當壓強小于10_4Pa時封結外層坩堝，并在外層坩堝的封接端設置吊環； (3)單晶體生長、退火與冷卻單晶生長在三溫區管式晶體生長爐中進行，所述三溫區管式晶體生長爐的上部段為高溫區，下部段為低溫區，中部段為溫度梯度區，將裝有生長原料并封結的雙層坩堝放入三溫區管式晶體生長爐，使所裝的生長原料位于高溫區，然后將三溫區管式晶體生長爐的高溫區和低溫區均以30°c A^eo0C /h的速率分別升溫至1150°C 1800C>9500C 1050°C，并保持該溫度，繼后調節溫度梯度區的溫度，使溫度梯度區的溫度梯度達到10°C /cm^20°C /cm,當所述生長原料在高溫區保溫12tT36h后，控制雙層坩堝以3mm/dar6mm/day的速率勻速下降，當雙層坩堝下降到低溫區并完成單晶生長后，使雙層坩堝停止下降，在低溫區保溫24tT72h，保溫時間屆滿后，將高溫區、溫度梯度區、低溫區的溫度同時以20°C /h^60oC /h的速率降至室溫。上述方法中，所述調壓用CdSiP2多晶粉末的加入量優選以其在生長溫度下能使內層坩堝與外層坩堝之間的環形腔室內產生的氣體壓力達到I. OX IO6PaUx IO6Pa為限。用于實施上述方法的單晶體生長容器，由內層坩堝和外層坩堝組合而成；如上所述，內層坩堝為內壁鍍有碳膜的石英管，其初始狀態由單晶生長段和分別位于單晶生長段兩端的進料段、籽晶淘汰段組成，進料段的端部為進料口，單晶生長段的外壁設置有定位突起，籽晶淘汰段的端部封閉且連接有導熱桿，外層坩堝的初始狀態為一端開口、一端封閉的石英管，所述石英管分為主體部段和籽晶袋與導熱桿放置段，主體部段的端部為開口端，籽晶袋與導熱桿放置段端部為封閉端，主體部段的內徑大于內層坩堝單晶生長段的外徑、長度大于內層坩堝單晶生長段的長度，籽晶袋與導熱桿放置段的內徑小于主體部段的內徑，其長度等于或大于內層坩堝籽晶淘汰段的長度與所述導熱桿長度之和；內層坩堝的工作狀態由單晶生長段和籽晶淘汰段組成，單晶生長段和籽晶淘汰段的端部均封閉，且籽晶淘汰段的端部連接有導熱桿，外層坩堝的工作狀態為兩端封閉的石英管，其主體部段的端部設置有吊環，內層坩堝裝于外層坩堝內，內層坩堝的單晶生長段位于外層坩堝的主體部段，內層坩堝的籽晶淘汰段及與籽晶淘汰段端部連接的導熱桿位于外層坩堝的籽晶袋與導熱桿放置段，內層坩堝的外壁與外層坩堝的內壁圍成環形腔室。本專利技術所述單晶體生長容器，內層坩堝的外壁與外層坩堝的內壁所圍成的環形腔室的厚度為2 6mm。本專利技術所述單晶體生長容器，其內層坩堝的籽晶淘汰段長度為3(T50mm。本專利技術所述單晶體生長容器，所述導熱桿的長度為3(T60mm。本專利技術所述單晶體生長容器，其內層坩堝內壁鍍碳膜的操作按照ZL200610022096. 7所公開的方法進行。本專利技術具有以下有益效果I、本專利技術所述方法在生長原料CdSiP2多晶粉末中添加了其重量1飛％。的P粉，因而可抑制高溫下CdSiP2熔體中P的離解，防止熔體化學配比偏離，保證單晶體的質量。2、本專利技術所述生長容器采用雙層石英坩堝結構，并在內層坩堝的外壁與外層坩堝的內壁所圍成的環形腔室內加入了調壓用CdSiP2多晶粉末，加熱過程中CdSiP2多晶粉末汽化，在所述環形腔室內產生(I. (Tl. 6) XlO6Pa的氣體壓力，該氣體壓力可使單晶生長過程中內層坩堝壁兩側的壓力差減小，因而有效提高了石英坩堝的耐壓能力，具有良好的防爆功能。3、由于本專利技術所述方法和生長容器采用在內層坩堝的外壁與外層坩堝的內壁所圍成的環形腔室內加CdSiP2多晶粉末調壓的技術方案，與CN102344126A公開的磷硅鎘多晶體的合成方法與合成容器相比，解決了在環形腔室內充氮氣至較高壓力后封結外層坩堝·困難的問題，使外層坩堝的封結操作更為簡便。4、本專利技術所述的生長容器，在退火保溫完成后的冷卻過程中，磷硅鎘單晶體的反常熱膨脹導致內層坩堝破裂后，單晶體可在外層坩堝內無束縛膨脹，從而起到減小單晶應力、防止單晶開裂、避免單晶氧化的作用。附圖說明圖I是本專利技術所述單晶體生長容器的內層坩堝在初始狀態的結構示意圖；圖2是本專利技術所述單晶本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種磷硅鎘單晶體的制備方法，其特征在于以CdSiP2多晶粉末為原料，并添加CdSiP2多晶粉末重量1~5‰的P粉，工藝步驟如下：（1）生長容器的清洗與干燥將清洗液注入生長容器反復清洗至干凈為止，然后對清洗后的生長容器進行干燥處理，完全去除其內部的水，所述生長容器由內層坩堝和外層坩堝組成，內層坩堝為內壁鍍有碳膜的石英管，所述石英管由單晶生長段（1）和分別位于單晶生長段兩端的進料段（2）、籽晶淘汰段（3）組成，進料段的端部為進料口，單晶生長段（1）的外壁設置有定位突起（8），籽晶淘汰段（3）的端部封閉且連接有導熱桿（4），外層坩堝為一端開口、一端封閉的石英管，所述石英管分為主體部段（5）和籽晶袋與導熱桿放置段（7），主體部段的端部為開口端，籽晶袋與導熱桿放置段（7）端部為封閉端，主體部段（5）的內徑大于內層坩堝單晶生長段的外徑、長度大于內層坩堝單晶生長段的長度，籽晶袋與導熱桿放置段（7）的內徑小于主體部段的內徑，其長度等于或大于內層坩堝籽晶淘汰段（3）的長度與所述導熱桿（4）長度之和；（2）裝料將計量好的CdSiP2多晶粉末和P粉裝入內層坩堝，然后抽真空除氣，當壓強小于10？4Pa時封結內層坩堝；將封結好的內層坩堝裝入外層坩堝，并在內層坩堝與外層坩堝之間的環形腔室內加入調壓用CdSiP2多晶粉末，然后抽真空除氣，當壓強小于10？4Pa時封結外層坩堝，并在外層坩堝的封接端設置吊環（9）；（3）單晶體生長、退火與冷卻單晶生長在三溫區管式晶體生長爐中進行，所述三溫區管式晶體生長爐的上部段為高溫區，下部段為低溫區，中部段為溫度梯度區，將裝有生長原料并封結的雙層坩堝放入三溫區管式晶體生長爐，使所裝的生長原料位于高溫區，然后將三溫區管式晶體生長爐的高溫區和低溫區均以30℃/h~60℃/h的速率分別升溫至1150℃~1180℃、950℃~1050℃，并保持該溫度，繼后調節溫度梯度區的溫度，使溫度梯度區的溫度梯度達到10℃/cm~20℃/cm，當所述生長原料在高溫區保溫12h~36h后，控制雙層坩堝以3mm/day~6mm/day的速率勻速下降，當雙層坩堝下降到低溫區并完成單晶生長后，使雙層坩堝停止下降，在低溫區保溫24h~72h，保溫時間屆滿后，將高溫區、溫度梯度區、低溫區的溫度同時以20℃/h~60℃/h的速率降至室溫。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱世富，趙北君，樊龍，楊輝，何知宇，陳寶軍，
申請(專利權)人：四川大學，
類型：發明
國別省市：
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