[发明专利]一种基于缩颈型坩埚的无坩埚壁接触式单晶生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无坩埚壁接触式单晶生长方法，具体涉及一种基于缩颈型坩埚的无坩埚壁接触式单晶生长方法，它适用于晶体密度大于熔体密度的材料的大直径高质量单晶体的生长，尤其适用于碲锌镉单晶生长。

背景技术

碲镉汞（HgCdTe，MCT）红外焦平面探测器在军用红外成像及空间遥感等高端红外探测领域有着重要应用，组分为x=4%的碲锌镉（Cd_1-xZn_xTe或CdZnTe）单晶材料是制备高性能长波、甚长波碲镉汞红外焦平面探测器的最佳衬底材料。因此，世界上主要发达国家都在碲锌镉单晶的制备上投入了大量力量，主要研究目标是增大单晶直径，提高单晶质量，从而获得大尺寸、高质量的碲锌镉衬底。

另外，碲锌镉材料在较为宽广的红外波段能保持良好的透光特性，因而又是一种优越的红外窗口材料。不仅如此，碲锌镉晶体在制备X和γ射线探测器、太阳能电池、光调制器等方面也有着广阔的应用前景，因此，高质量碲锌镉单晶体的制备一直倍受关注。

目前，生长大直径碲锌镉单晶较为成功的方法是垂直Bridgman方法（VB）、垂直梯度凝固法（VGF）和移动加热区法（THM）。这些方法目前存在的主要问题是：

1由于碲锌镉材料热导率很低，在生长大直径晶体时，固液界面难以控制。因此，单晶直径难以增大。

2晶体在坩埚内结晶过程中易产生坩埚壁寄生成核。

3晶体在坩埚内结晶过程中由于坩埚对晶体的压应力而导致晶体缺陷密度较高。

4由于碲锌镉材料层错能很低，因此，应力的存在容易导致孪晶。

5由于熔体对流难于控制，因此生长出来的晶体均匀性往往不如提拉法生长出来的晶体好。

综上所述，温场控制和坩埚接触是目前碲锌镉单晶直径难以增大，单晶质量难以提高的主要根源之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于缩颈型坩埚的无坩埚壁接触式单晶生长方法，利用碲锌镉熔体凝固时体积缩小的物理性质，使晶体在坩埚内自上向下生长，可以实现无坩埚壁接触的单晶生长，尤其适合生长大直径高质量的碲锌镉单晶体。

一种缩颈型坩埚的结构如图1所示。所述的缩颈型坩埚呈“葫芦”形状，坩埚材料可选用石英、石墨、玻璃碳或热解氮化硼，坩埚结构分为上中下三部分，中部为缩颈，下部坩埚内径D3为所需生长的晶体直径，中部缩颈处坩埚内径D2为0.1-1D3，上部坩埚内径D1比中部缩颈处坩埚内径D2大即可。下部坩埚长度H3为所需生长的晶体的长度；中部坩埚长度H2为0.1-0.5H3；上部坩埚长度H1应保证坩埚所装材料全部熔化后，熔体液面在坩埚缩颈以上；坩埚壁厚d视坩埚材料而定，石英坩埚为2-5mm，石墨或玻璃碳坩埚为3-5mm，热解氮化硼坩埚为0.6-1mm。

无坩埚壁接触式的单晶生长过程如图2所示，单晶生长过程在如上所述的一种缩颈型坩埚内进行。在晶体生长过程中，碲锌镉熔体从液面2开始自上向下凝固，当熔体凝固到坩埚缩颈3处时，晶体4被缩颈3固定住，不再下滑，由于碲锌镉材料固态密度大于液态密度，熔体结晶时体积减小，坩埚缩颈3以下的晶体4的直径小于坩埚的内径，在晶体4与坩埚内壁7之间形成间隙8，在熔体5与间隙8之间形成类似于提拉法中的弯月面9，固液界面6与坩埚壁7无接触，这样即可实现无坩埚壁接触的单晶生长。在弯月面9的作用下，ΔH高的熔体凝固成等体积的晶体时，直径缩小，但高度ΔH不变，晶体4与熔体5不会因为体积减小而分离，单晶生长过程可保持连续进行，直至熔体全部凝固为晶体。

若近熔点处熔体5密度为ρ_L，晶体4密度为ρ_S，缩颈3以下部分的坩埚内径D3为D_L，ΔH高的熔体凝固为等高的晶体，则晶体4直径D_S推导过程如下：