本發(fā)明涉及晶體元器件的制作方法。

背景技術(shù)：

硒化鎵(GaSe)晶體具有非線性系數(shù)大、透光波段寬、雙折射率大、激光損傷閾值較高和垂直于光軸方向熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，是產(chǎn)生8-10μm中遠(yuǎn)紅外激光的最重要和最好的材料之一。GaSe晶體可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的功率輸出，其在0.1–10.0THz波段線性光學(xué)吸收系數(shù)是目前太赫茲波段非線性光學(xué)晶體吸收最小的。GaSe為六方晶系層狀晶體，空間群晶格常數(shù)a＝0.375nm，c＝1.595nm，每一層按Se-Ga-Ga-Se的順序由共價(jià)鍵相結(jié)合，其中Ga-Ga鍵平行于c軸，層與層之間通過(guò)范德華力相結(jié)合。GaSe晶體在垂直于c軸方向極易劈裂，相對(duì)硬度幾乎為零，因此其在使用過(guò)程中極易變形。另外該晶體在合成多晶原料階段和單晶生長(zhǎng)階段，由于組分揮發(fā)引起的非化學(xué)計(jì)量比，易形成點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)和包裹體等，降低該晶體的透過(guò)率，降低了使用性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的GaSe晶體透過(guò)率低及其在使用時(shí)易變形、劈裂的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種非線性晶體GaSe元器件的制作方法。

本發(fā)明的非線性晶體GaSe元器件的制作方法，按以下步驟進(jìn)行：

一、采用體積比HCl：HNO₃＝1:(3～3.5)的混酸對(duì)GaSe晶錠表面刻蝕1～2分鐘，以除去晶體表面氧化物等雜質(zhì)，然后用超純水清洗、烘干；

二、將GaSe晶錠放入石英小舟或氮化硼(PBN)小舟中，再把小舟放于石英管中部；在小舟兩端放置GaSe多晶粉末，晶錠與多晶粉末的質(zhì)量比為10:(1～2)；或在小舟的一端放GaSe多晶粉末，另一端放單質(zhì)Se，晶錠與多晶粉末的質(zhì)量比為10:(0.5～1)，晶錠與Se的質(zhì)量比為10:(0.05～0.1)；然后對(duì)石英管抽真空至10-4～10-6Pa，用氫氧火焰熔封石英管，放入單溫區(qū)電阻爐中；

三、電阻爐升溫至450℃～500℃，保溫100h～150h，然后以20℃～25℃/h降溫速率降溫至室溫，得到退火晶錠；

四、將退火晶錠沿垂直于c軸(光軸)方向解離成自然光滑平面，并將此自然光滑平面固定在切割機(jī)支架面板上，然后切割成正方形塊，最后再沿垂直于c軸方向修整成GaSe晶體塊；

五、準(zhǔn)備好底座、上蓋、聚四氟乙烯外套和固定螺母，其中底座和上蓋的材料為金屬，在底座與上蓋中間設(shè)置孔洞，將GaSe晶體塊用膠固定在底座的孔洞的位置，套上聚四氟乙烯外套，加上上蓋，再用固定螺母將底座與上蓋連接起來(lái)，得到非線性晶體GaSe元器件。

本發(fā)明的GaSe元器件所用的GaSe晶體塊在切割前進(jìn)行退火處理，通過(guò)退火不但可以消除在單晶生長(zhǎng)時(shí)形成的熱應(yīng)力，而且當(dāng)退火晶體處于GaSe的蒸汽氣氛中并保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，部分Ga和Se原子可以通過(guò)晶體表面擴(kuò)散到晶體內(nèi)部，補(bǔ)償晶格中缺失的原子，消除點(diǎn)缺陷，同時(shí)糾正位錯(cuò)，降低晶體缺陷密度，提高透過(guò)率。本發(fā)明的GaSe元器件借助金屬鋁(或銅)以及聚四氟乙烯等材料制成外殼，不但可以有效的固定晶體，保護(hù)晶體不受到外力的損害，而且直接接觸晶體上、下表面的金屬底座和上蓋可以增加晶體在使用過(guò)程中的散熱面積，降低熱透鏡效應(yīng)，提高晶體使用性能、穩(wěn)定性和壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1中步驟二中GaSe晶錠放入石英管中的位置示意圖；圖中1為GaSe晶錠，2為小舟，3為石英管，4為GaSe多晶粉末或Se原料；

圖2為實(shí)施例1中GaSe元器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中5為硒化鎵晶體片，6為金屬上蓋，8為聚四氟乙烯外套，9為固定螺母；

圖3為實(shí)施例1中GaSe元器件的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖中7為底座；

圖4為實(shí)施例1中GaSe元器件的照片；

圖5為實(shí)施例1中GaSe晶體塊退火前后透過(guò)率譜；

圖6為實(shí)施例1中GaSe元器件的太赫茲波段吸收系數(shù)譜圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的非線性晶體GaSe元器件的制作方法，按以下步驟進(jìn)行：

一、采用體積比HCl：HNO₃＝1:(3～3.5)的混酸對(duì)GaSe晶錠表面刻蝕1～2分鐘，以除去晶體表面氧化物等雜質(zhì)，然后用超純水清洗、烘干；

二、將GaSe晶錠放入石英小舟或氮化硼(PBN)小舟中，再把小舟放于石英管中部；在小舟兩端放置GaSe多晶粉末，晶錠與多晶粉末的質(zhì)量比為10:(1～2)；或在小舟的一端放GaSe多晶粉末，另一端放單質(zhì)Se，晶錠與多晶粉末的質(zhì)量比為10:(0.5～1)，晶錠與Se的質(zhì)量比為10:(0.05～0.1)；然后對(duì)石英管抽真空至10-4～10-6Pa，用氫氧火焰熔封石英管，放入單溫區(qū)電阻爐中；

三、電阻爐升溫至450℃～500℃，保溫100h～150h，然后以20℃～25℃/h降溫速率降溫至室溫，得到退火晶錠；

四、將退火晶錠沿垂直于c軸(光軸)方向解離成自然光滑平面，并將此自然光滑平面固定在切割機(jī)支架面板上，然后切割成正方形塊，最后再沿垂直于c軸方向修整成GaSe晶體塊；

五、準(zhǔn)備好底座7、上蓋6、聚四氟乙烯外套8和固定螺母9，其中底座7和上蓋6的材料為金屬，在底座7與上蓋6中間設(shè)置孔洞，將GaSe晶體塊用膠固定在底座的孔洞的位置，套上聚四氟乙烯外套8，加上上蓋6，用用固定螺母9將底座7與上蓋6連接起來(lái)，得到非線性晶體GaSe元器件。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是步驟一中的烘干溫度為50℃～60℃。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是步驟一中的石英管抽真空至10^-4～10^-6Pa。其它與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是步驟三中電阻爐的升溫速率為40～60℃/h。其它與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是步驟三中退火溫度為470℃～480℃。其它與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是步驟三中電阻爐的降溫速率為20℃～25℃/h。其它與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是步驟四中GaSe晶體塊的厚度為10mm～15mm。其它與具體實(shí)施方式一至六之一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是步驟五中，固定用的膠為熱熔膠或UV膠。其它與具體實(shí)施方式一至七之一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同的是步驟五中，底座和上蓋的材料為鋁或銅。其它與具體實(shí)施方式一至八之一相同。

用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例1、本實(shí)施例的非線性晶體硒化鎵元器件的制作方法，按以下步驟進(jìn)行：

一、采用體積比HCl：HNO₃＝1∶3的混酸對(duì)GaSe晶錠表面刻蝕1分鐘，以除去晶體表面氧化物等雜質(zhì)，然后用超純水清洗，于50℃烘干；

二、將GaSe晶錠1放入PBN小舟2中，再把小舟放于石英管3中部，在小舟兩端放置GaSe多晶粉末4，晶錠1與多晶粉末4的質(zhì)量比為10∶2；對(duì)石英管3抽真空至10^-5Pa，用氫氧火焰熔封石英管3，放入單溫區(qū)電阻爐中；該步驟GaSe晶錠放入石英管中的位置示意圖如圖1所示；

三、電阻爐以50℃/h升溫速率升溫至480℃，保溫120h，然后以25℃/h降溫速率降溫至室溫，得到的退火晶錠；

四、將退火晶錠沿垂直于c軸方向解離成自然光滑平面，并將此自然光滑平面固定在切割機(jī)支架面板上，然后切割成13mm×13mm正方形塊，最后再沿垂直于c軸方向修整成厚度為10mm的GaSe晶體片；由于該晶體力學(xué)性能較差，不適宜進(jìn)行拋光處理，所以在修整晶體厚度時(shí)，需要保證透光面(解離面)為自然光滑平面；

五、GaSe元器件由GaSe晶體片5、上蓋6、底座7、聚四氟乙烯外套8和固定螺母9組成，其中底座7和上蓋6均為直徑50mm，厚度2mm圓形鋁片，在底座與上蓋中間設(shè)置直徑為12mm的圓孔，底座與上蓋的側(cè)面車有外螺紋，螺紋寬度1mm；聚四氟乙烯外套是內(nèi)徑為50mm，壁厚度1mm，高度14mm的圓柱體；GaSe晶體片放于底座的圓孔之上，晶體c軸垂直于鋁片，透光面與鋁片平行，光線可以沿垂直于晶體層方向，從鋁片中間圓孔通過(guò)，晶體片5周圍用熱熔膠固定于底座上，底座與上蓋之間用固定螺母連接。該GaSe元器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，剖面圖如圖3所示。

本實(shí)施例制備的GaSe元器件的照片如圖4所示，器件直徑50mm，中心孔直徑12mm。

圖5為10mm厚GaSe晶體塊退火前后透過(guò)率譜，圖中數(shù)據(jù)顯示退火后晶體透過(guò)率相比退火前透過(guò)率明顯提高。

圖6為用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測(cè)試的室溫GaSe太赫茲波段吸收系數(shù)譜，可以看到在0.1～1.5THz波段，除在0.6THz處有一尖銳吸收峰，其余波段太赫茲吸收較弱，小于5cm^-1。