一种高纯碲化镓的制备方法及装置
阅读说明：本技术 一种高纯碲化镓的制备方法及装置 (Preparation method and device of high-purity gallium telluride ) 是由 李镇宏 朱刘 狄聚青 周亚明 劳秀钱 陈超辉 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明属于半导体材料制备领域,公开了一种高纯碲化镓的制备方法及装置,所述制备方法包括以下步骤：S1.将碲和镓混合装入坩埚舟中；S2.将步骤S1中坩埚舟置于石英管中,保持石英管内氮气/氢气氛围；S3.控制加热器,使石英管整体升温,使碲和镓进行反应；S4.控制加热器,从石英管一端开始至另一端,将石英管依次分成若干小段,控制加热器,依次进行降温至中间段温度；S5.控制加热器,使石英管整体降温至室温,取出石英管内坩埚舟,得高纯碲化镓。本发明所述高纯碲化镓的制备方法工序简单、效率高,且制备得到的碲化镓性能良好,纯度较高,无气泡、夹杂等缺陷,重复率较高,合格成品率达80～90%。(The invention belongs to the field of semiconductor material preparation, and discloses a preparation method and a device of high-purity gallium telluride, wherein the preparation method comprises the following steps: s1, mixing tellurium and gallium and loading the mixture into a crucible boat; s2, placing the crucible boat in the step S1 in a quartz tube, and keeping the nitrogen/hydrogen atmosphere in the quartz tube; s3, controlling the heater to integrally heat the quartz tube so as to react the tellurium and the gallium; s4, controlling a heater, sequentially dividing the quartz tube into a plurality of small sections from one end of the quartz tube to the other end of the quartz tube, and controlling the heater to sequentially cool the quartz tube to the temperature of the middle section; s5, controlling the heater to integrally cool the quartz tube to room temperature, and taking out the crucible boat in the quartz tube to obtain the high-purity gallium telluride. The preparation method of the high-purity gallium telluride is simple in process and high in efficiency, the prepared gallium telluride is good in performance, high in purity, free of defects such as bubbles and inclusions, high in repetition rate and high in qualified finished product rate of 80-90%.)
技术领域
本发明属于半导体材料制备领域，具体涉及一种高纯碲化镓的制备方法及装置。
背景技术
碲化镓是一种重要的掺杂材料，广泛应用于锑化物单晶生长中，能极大地改善锑化物单晶的电学性能，降低位错。用高纯度的碲化镓作为掺杂剂有助于性能优良的锑化物单晶的产出。
目前碲化镓制备方法主要是用传统的VB法，制备所需设备和时间成本相对较高，生产效率低，而且VB法不易排出杂质，使得产品的纯度不高，降低产品性能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的之一在于提供一种高纯碲化镓的制备方法，该制备方法工序简单、效率高，且制备得到的碲化镓性能良好，纯度较高，无气泡、夹杂等缺陷。
本发明另一目的在于提供一种高纯碲化镓的制备装置。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种高纯碲化镓的制备方法，包括以下步骤：
S1.将碲和镓按规定的摩尔比进行混合，其中碲相对于镓过量，将上述混合好的物料装入坩埚舟中。
S2.将步骤S1中坩埚舟置于石英管中，将石英管置于加热器中，排尽石英管中的空气后，持续通入氮气和氢气作为保护气体，保持石英管内氮气/氢气氛围。
S3.控制加热器，使石英管整体以第一升温速率升温至850~1000℃，保温一段时间，使碲和镓进行反应。
S4.控制加热器，从石英管一端开始至另一端，将石英管依次分成若干小段，控制加热器，依次以第一降温速率进行降温至目标温度550~620℃，具体为：前一段降温达到目标温度后进入保温，后一段则开始进行降温至目标温度，直至最后一段达到目标温度之后进入保温；凝固过程中，分疑系数小于1的杂质将向后凝部分集中，分凝系数大于1的杂质则会集中在先凝部分。中间段则为杂质低的高纯料。
S5.控制加热器，使石英管整体以第二降温速率降温至室温。停止通入氮气和氢气，停止加热，取出石英管内坩埚舟，去除头尾杂质高的部分，中间段即为所需高纯碲化镓。
进一步的，步骤S1中，所述碲为7N碲，所述镓为7N镓。
进一步的，步骤S1中，所述碲和镓规定的摩尔比为1.002~1.005：1。
进一步的，步骤S2中，以往石英管内通入氮气的方式排尽石英管内的空气。
进一步的，步骤S2中，所通入的气体均为5N的高纯气体。所述气体在石英管保持流动，石英管两端采用金属法兰连接和密封，石英管管末端装有固体颗粒过滤装置，气体最后进入尾气吸收罐后排放。
进一步的，步骤S3、S4、S5中，保持以氢气浓度为20~30%的氢、氮混合气体作为保护气，可以大大减少石英管中的氧气含量，避免物料氧化，进而提高产品的纯度。
进一步的，步骤S3中，所述第一升温速率为200~500℃/h。
进一步的，本发明中升至750~820℃后恒温1~2h，使熔体温度均匀，保证熔体充分熔解混合。
进一步的，步骤S4中，所述第一降温速率为30~50℃/h。
进一步的，步骤S4中，以第一降温速率进行降温至目标温度600℃。
在本发明中，依次以30~50℃/h的降温速率降温，该温度梯度和降温速率，有效的去除杂质，得较高纯度的碲化镓。
进一步的，步骤S4中，至最后一段达到目标温度之后进入保温后，控制加热器，恒温1~2h。
进一步的，步骤S5中，所述第二降温速率为60~80℃/h。在步骤S5过程中，降温过快可能会造成热应力集中，导致石英舟与碲化镓造成开裂。过慢则会影响生产效率，该降温速率较为适中，满足质量和效率的生产要求。
在本发明中，在步骤S4完成后，恒温1~2h，使晶体内部温度达到平衡后，再进入降温冷却阶段，降温速率为60~80℃/h，该降温速率可以减少晶体和石英舟之间，因热膨胀系数不同而造成的压应力，从而避免晶体开裂、石英舟破碎。
本发明还公开了一种高纯碲化镓的制备装置，所述装置包括石英管、放置于石英管内的坩埚舟、围绕于石英管管壁设置的加热器。
进一步的，所述加热器包括多个独立控制的发热体，每个所述发热体按一定间距依次套设在石英管管壁外。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明所述高纯碲化镓的制备方法工序简单、效率高，且制备得到的碲化镓性能良好，纯度较高，无气泡、夹杂等缺陷，重复率较高，合格成品率达80~90%。
（2）本发明所述高纯碲化镓的制备方法生产流程短，处理量大，可实现产业化，推广该方法，能产生显著的经济效益。
（3）本发明所述高纯碲化镓的制备方法再合成反应过程采用流动保护气流的生产方式，且设计的装置结构要求简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例1中高纯碲化镓的制备装置的结构简图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种高纯碲化镓的制备装置，所述装置包括石英管110、放置于石英管110内的一个石英舟120以及围绕于石英管110管壁设置的一套加热器130，所述加热器130包括9个独立控制的发热体131，所述9个发热体按20mm的间距依次套设在整根石英管管壁外。
实施例2
本实施例公开了一种高纯碲化镓的制备方法，使用如实施例1中所述高纯碲化镓的制备装置，该方法包括以下步骤：
S1.选用总重3kg的7N高纯碲和7N高纯镓，按摩尔比1.003：1称料，一起置于石英舟中，均匀混合形成混匀物料；
S2.将步骤S1中石英舟置于石英管中段，将石英管置于加热器中，向石英管中通入5N氮气置换石英管中的空气，保持20min时间后，再向石英管内通入5N氢气，控制氢气浓度为20%；
S3.控制加热器，将所有发热体以250℃/h升温到1000℃，恒温1h时间，待高纯原料加热熔化反应后为碲化镓熔体；
S4.控制加热器，将所述发热体从头到尾依次均以40℃/h的降温速率降温至600℃，即：前一发热体达到目标温度600℃之后进入保温，后一发热体开始降温，直至最后一个发热体完成降温，全部到达600℃，则完成整个凝固过程，再在600℃恒温1.5h；
S5.控制加热器，使所有发热体以相同降温速率80℃/h开始降温至室温，停止通气和停止加热，在排除所有混合气体后，取出石英舟和石英舟内碲化镓。所得碲化镓经去头尾后分析，产品纯度为6N，无气孔、裂纹等缺陷。
对比例1
本对比例与实施例2基本一致，不同点在于S4和S5。
对比例中S4/S5合为一步，具体为：控制加热器，使所有发热体以相同降温速率80℃/h开始降温至室温，停止通气和停止加热，在排除所有混合气体后，取出石英舟和石英舟内碲化镓。出炉时，石英舟断裂，所得碲化镓有明显开裂，有细小裂纹。经去头尾后分析，产品杂质较多，纯度为5N。
实施例3
如图1所示，本实施例公开了一种高纯碲化镓的制备装置，所述装置包括石英管110、放置于石英管110内的一个石英舟120以及围绕于石英管110管壁设置的一套加热器130，所述加热器130包括7个独立控制的发热体131，所述7个发热体按20mm的间距依次套设在整根石英管管壁外。
实施例4
本实施例公开了一种高纯碲化镓的制备方法，使用如实施例3中所述高纯碲化镓的制备装置，该方法包括以下步骤：
S1.选用总重5kg的7N高纯碲和7N高纯镓，按摩尔比1.003：1称料，一起置于石英舟中，均匀混合形成混匀物料；
S2.将步骤S1中石英舟置于石英管中段，将石英管置于加热器中，向石英管中通入氮气置换石英管中的空气，保持30min时间后，再向石英管内通入氢气，控制氢气浓度为30%；
S3.控制加热器，将所有发热体以350℃/h升温到1000℃，恒温1.5h时间，待高纯原料加热熔化反应后为碲化镓熔体；
S4.控制加热器，将所述发热体从头到尾依次均以30℃/h的降温速率降温至600℃，即：前一发热体达到目标温度600℃之后进入保温，后一发热体开始降温，直至最后一个发热体完成降温，全部到达600℃，则完成整个凝固过程，再在600℃恒温1h；
S5.控制加热器，使所有发热体以相同降温速率60℃/h开始降温至室温，停止通气和停止加热，在排除所有混合气体后，取出石英舟和石英舟内碲化镓。所得碲化镓经去头尾后分析，产品纯度为6N，无气孔、裂纹等缺陷。
对比例2
本对比例与实施例4基本一致，不同点在于S4和S5。
对比例中S4/S5合为一步，具体为：控制加热器，使所有发热体以相同降温速率60℃/h开始降温至室温，停止通气和停止加热，在排除所有混合气体后，取出石英舟和石英舟内碲化镓。所得碲化镓有明显开裂，有细小裂纹。经去头尾后分析，产品杂质较多，纯度为5N。
对比例3
本对比例与实施例4基本一致，不同点在于S2。
具体为：将步骤S1中石英舟置于石英管中段，将石英管置于加热器中，向石英管中通入5N氮气置换石英管中的空气，保持20min时间后，再向石英管内通入5N氢气，控制氢气浓度为10%。
本对比例最后所得碲化镓经去头尾后分析，产品纯度为5.5N，其中As、Pb元素含量偏高，无气孔、裂纹等缺陷。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。
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