[發明專利]一種可補償鎘元素的砷鍺鎘單晶生長方法

在審

• 申請號: 201811149529.4
• 申請日: 2018-09-29
• 公開（公告）號: CN108930059A
• 公開（公告）日: 2018-12-04
• 發明（設計）人: 霍曉青;劉禹岑;于凱;徐永寬;趙堃
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第四十六研究所
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B29/10;C30B11/06
• 代理公司: 天津中環專利商標代理有限公司 12105
• 代理人: 王鳳英

本發明公開了一種可補償鎘元素的砷鍺鎘單晶生長方法，該方法采用VGF生長裝置對Cd元素補償的CdGeAs₂單晶的生長過程進行控制，VGF生長裝置包括由石英原料坩堝和平底石英坩堝組成的單晶生長坩堝和五溫區生長爐，石英原料坩堝部分設為晶體生長區，平底石英坩堝設為元素補償區，元素補償區位于單晶生長坩堝的下方，兩區域通過生長坩堝側壁的元素補償管相連通，將CdGeAs₂和Cd原料放進兩層的坩堝內，分溫區和步驟控制CdGeAs₂單晶生長溫度，在單晶生長過程中補償Cd元素，使晶體首尾兩端Cd元素均勻分布，解決因為Cd元素不一致導致的單晶性能不統一的問題，增大單晶的有效使用體積，降低CdGeAs₂單晶生長成本。

技術領域

本發明屬于單晶生長領域，具體涉及一種可補償鎘（Cd）元素的砷鍺鎘（CdGeAs₂）單晶生長方法。

背景技術

CdGeAs₂單晶是一種中遠紅外非線性光學晶體，性能突出，應用前景廣闊。首先，CdGeAs₂單晶的非線性光學系數在已知晶體中最高，可達236pm/V，為現今熟知非線性光學晶體的2-3倍以上；其次，該晶體具有適宜的雙折射梯度，能夠實現相位匹配的波長范圍較寬；再次，CdGeAs₂單晶的硬度適中，可以進行有效的機械加工，激光損傷閾值高。以該晶體為基礎制備的器件具有穩定性高、體積小、重量輕等特點，并且可應用于大功率器件中，這些優勢使CdGeAs₂單晶成為一種性能十分優異的非線性光學晶體，更是被譽為II-IV-V族黃銅礦類半導體晶體中的性能最優者，備受關注。

國內外學者采用多種方法嘗試生長該非線性光學晶體，但是該晶體a軸和c軸熱膨脹系數差異大，所以受到該晶體本身物理性能限制，難以生長出大尺寸的CdGeAs₂單晶。現有報道指出采用垂直坩堝下降法可以長出直徑20mm的單晶，為一種有效長出CdGeAs₂單晶的方法。相較于垂直坩堝下降法，垂直梯度凝固（VGF）法在生長大尺寸、高質量單晶方面具有更加明顯的優勢，該方法通過人為設定溫場，可實現預先設計的溫度梯度和降溫速度，無機械誤差和機械振動，并具有爐體內溫度分布可精確控制的特點，因此生長的晶體質量更佳，完整性更好。然而，根據國內外報道可知現在CdGeAs₂單晶的生長技術還非常不完善，晶體質量較差，尤其是大尺寸的CdGeAs₂單晶，晶體上下組分差異較大，性能相差較多，可用部分較短，單個晶體利用率低。

發明內容

本發明采用垂直梯度凝固法（VGF）生長CdGeAs₂單晶，目的是解決現有生長CdGeAs₂單晶時，所生長的單晶頂部和底部Cd含量變化大，導致的性能不一致問題，提高生長單晶的利用率，降低CdGeAs₂單晶生長成本。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案是：一種可補償鎘元素的砷鍺鎘單晶生長方法，其特征在于，該方法采用VGF生長裝置對Cd元素補償的CdGeAs₂單晶的生長過程進行控制，所述VGF生長裝置包括由石英原料坩堝和平底石英坩堝兩部分組成的單晶生長坩堝和五溫區生長爐，石英原料坩堝部分設為晶體生長區，平底石英坩堝設為元素補償區，元素補償區位于單晶生長坩堝的下方，兩區域通過單晶生長坩堝側壁的元素補償管相連通，所述方法通過以下生長步驟完成：

一、準備階段

1、使用去離子水清洗石英平底坩堝，稱取一定質量的純度為99.9999%的Cd粒放入平底石英坩堝內。

2、使用去離子水清洗石英原料坩堝，稱取一定質量的純度為99.9999%的CdGeAs₂原料，放入石英原料坩堝內，使元素補償管上部的元素補償口在熔化后液體原料的液面下方。