Установка для выращивания кристаллов
Полезная модель относится к установкам для выращивания кристаллов, а более конкретно, к установкам для выращивания кристаллов теллурида кадмия. Установка содержит корпус, внутри которого размещена нагревательная печь и контейнер с загрузкой теллурида кадмия. Сущность полезной модели состоит в том, что нагревательная печь содержит два последовательно соединенных элемента сопротивления, один из которых применяется для нагрева боковой поверхности контейнера, а другой для нагрева донной поверхности контейнера, причем параллельно элементу сопротивления нагрева донной части контейнера включена электрическая шунтирующая линия, снабженная переключателем, подключенным к температурному датчику. Температурный датчик размещен на днище контейнера. В качестве температурного датчика использована термопара.
Полезная модель относится к устройствам для выращивания кристаллов, а более конкретно к установке для выращивания монокристаллов теллурида кадмия - CdTe.
В настоящее время кристаллы этого материала, обладающие полупроводниковыми свойствами, начинают широко использоваться в оптических и электронных технологиях. Благодаря оптимальному сочетанию электрических и оптических свойств весьма перспективным является применение теллурида кадмия для изготовления элементов инфракрасной оптики. Этот материал используют для изготовления солнечных батарей, лазеров, фотосопротивлений, счетчиков радиоактивных излучений. Теллурид кадмия является одним из немногих полупроводников, в которых заметно проявляется эффект Гана. Существо этого эффекта состоит в том, что уже само введение маленькой пластинки соответствующего полупроводника в достаточно сильное электрическое поле приводит к генерации высокочастотного радиоизлучения. Эффект Гана уже нашел применение в радиолокационной технике. Таким образом, потенциальная потребность промышленности в высококачественных кристаллах теллурида кадмия весьма высока.
Препятствием на пути широкого использования материала является наличие преципитатов в кристалле, что приводит к снижению качества детекторов и модуляторов. В указанных устройствах преципитаты являются рассеивающими центрами и крупномасштабными ловушками носителей заряда, ухудшая сбор заряда и снижая эффективность регистрации излучения. В электрооптических модуляторах теллуровые преципитаты снижают пропускание инфракрасного излучения и повышают коэффициент поглощения, делая их непригодными для использования.
В связи с этим ведется активный поиск новых способов и устройств для получения чистых кристаллов теллурида кадмия, не содержащих преципитатов.
Известна установка для получения теллурида кадмия, которая содержит корпус с двумя трехзонными печами, внутри которого размещен кварцевый контейнер, имеющий широкую и узкую часть, причем внутри широкой части установлена графитизированная ампула (тигель) с поликристаллическим теллуридом кадмия, а внутри узкой части контейнера размещен избыточный кадмий (патент РФ №1431391, МПК С 30 В 11/02, С 30 В 29/48, опубл. 1994).
При работе установки широкую и узкую части контейнера нагревают до разных температур: широкую - до температуры расплавления полукристаллического теллурида кадмия - 1100 С, а узкую - до 760 С. Расплав выдерживают в печи при температуре плавления в течение 2-х часов, после чего производят охлаждение контейнера с расплавом.
Недостатком известной установки является сложность конструкции, обусловленная необходимостью наличия двух трехзонных печей, обеспечивающих различную температуру контейнера, имеющего сложную конфигурацию. Энергетические затраты, связанные с использованием двух отдельных печей, высоки.
Задачей настоящего изобретения является создание малоэнергоемкой и простой по конструкции установки для выращивания беспреципитатных кристаллов теллурида кадмия.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции установки в целом и загрузочного контейнера, снижение потребления электричества, обеспечение возможности регулирования температурного градиента по высоте контейнера.
Поставленная задача и заданный технический результат достигаются тем, что в установке для выращивания кристаллов теллурида кадмия,
содержащей корпус, внутри которого размещена нагревательная печь и контейнер с тиглем, заполненным загрузкой теллурида кадмия, нагревательная печь содержит два последовательно соединенных элемента сопротивления, один из которых применяется для нагрева боковой поверхности контейнера, а другой - для нагрева донной поверхности контейнера, причем параллельно элементу сопротивления нагрева донной части контейнера включена электрическая шунтирующая линия, снабженная переключателем, подключенным к температурному датчику, а контейнер выполнен цилиндрическим. Температурный датчик размещен на днище контейнера. В качестве температурного датчика использована термопара.
Схематически предлагаемая полезная модель изображена на чертеже.
Установка содержит корпус 1, внутри которого размещен контейнер 2. В контейнер устанавливают тигель 3, заполненный поликристаллическим теллуридом кадмия 4 и некоторым количеством элементарного кадмия, масса которого определяется расчетным путем, исходя из рабочих параметров способа выращивания кристалла, который реализуется в предлагаемой установке. Нагревательная печь, обеспечивающая нагрев и расплавление поликристаллического теллурида кадмия, содержит два последовательно соединенных элемента сопротивления (нагревательные
элементы). Первый элемент 5 поверхности контейнера, а другой, элемент 6, - для нагрева донной поверхности контейнера. Элемент 5 имеет цилиндрическую форму, а элемент 6 - форму плоской спирали. Параллельно элементу 6 сопротивления нагрева донной части контейнера включена электрическая шунтирующая линия 7, снабженная переключателем 8. Этот переключатель электрически связан с температурным датчиком 9, размещенным на днище контейнера 2. Управляющее устройство 10 может быть как с ручным, так и с автоматическим приводом. В качестве датчика температуры 9 может быть использована термопара. Для удобства выемки кристалла из тигля он выполнен в виде усеченного конуса.
Установка работает следующим образом. В тигель 3 загружают поликристаллический теллурид кадмия и некоторое количество элементарного кадмия, массу которого определяют расчетным путем из уравнения газового равновесия Клайперона - Менделеева. Тигель размещают внутри контейнера 2, снабженного герметичной крышкой, и через кварцевую трубку вакуумируют полость тигля до давления 10-6 мм рт. ст. После откачки полости трубку запаивают, обеспечивая герметичность тигля. Затем контейнер с тиглем устанавливают в корпус установки так, что он размещается внутри цилиндрического по форме первого нагревательного элемента 5 и над
вторым нагревательным элементом 6, выполненным в форме спирали. Изготовление кристалла начинают с нагрева содержимого тигля до температуры плавления теллурида кадмия. При нагреве ток течет через спирали обоих нагревательных элементов. При этом шунтирующая линия 7 обесточена, поскольку переключатель 8 разомкнут. После расплавления загрузки мощность нагревательных элементов уменьшают, и начинается процесс кристаллизации расплава, наиболее нагретой частью которого является нижняя часть (в результате подогрева нагревательным элементом 6). Градиент температуры по высоте составляет порядка 5-8°С. Фронт кристаллизации движется сверху вниз. Когда этот фронт опускается вплоть до дна тигля, температура дна опускается до 1090°С. После достижения этой температуры, которая регистрируется датчиком 9, с помощью управляющего устройства 10 переключатель 8 замыкают. Это приводит к замыканию шунтирующей линии 7, что, в свою очередь, вызывает отключение нагревательного элемента 6. Прекращение подогрева тигля снизу приводит к исчезновению вертикального температурного градиента, который необходим в период кристаллизации слитка и выполняет отрицательную роль в период дальнейшего охлаждения из- за сублимации части монокристалла и конденсации его паров на холодной крышке контейнера 2. В результате по высоте кристалла устанавливается одинаковая температура. Далее кристалл охлаждают до температуры первой монофазной области (обычно 920-
960°С) и выдерживают при этой температуре в течение 8-12 часов. После первой выдержки кристалл вновь охлаждают, понижая его температуру до температуры второй монофазной области (обычно 820-860°С), и затем выдерживают в течение 8-12 часов. Далее следует дальнейшее охлаждение кристалла до температуры третьей монофазной области (обычно 720-700°С) и его выдержка при этой температуре в течение 8-12 часов. Затем кристалл охлаждают до комнатной температуры, вынимают из установки тигель и извлекают из него готовый монокристалл. В предлагаемой полезной модели были получены, в частности, монокристаллы диаметром 90 мм и высотой 17 мм. Естественно, что конструкция модели позволяет обеспечить производство монокристаллов и других размеров.
1. Установка для выращивания кристаллов, например, теллурида кадмия, содержащая корпус, внутри которого размещена нагревательная печь и контейнер с загрузкой теллурида кадмия, отличающаяся тем, что нагревательная печь содержит два последовательно соединенных элемента сопротивления, один из которых применяется для нагрева боковой поверхности контейнера, а другой для нагрева донной поверхности контейнера, причем параллельно элементу сопротивления нагрева донной части контейнера включена электрическая шунтирующая линия, снабженная переключателем, подключенным к температурному датчику.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что температурный датчик размещен на днище контейнера.
3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в качестве температурного датчика использована термопара.
