CN101603208A - 生长半绝缘砷化镓的石英管及在砷化镓中掺碳的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用生长半绝缘砷化镓的石英管在砷化镓中掺碳的方法，包括如下步骤：步骤1：将7N Ga和7N As进行多晶合成，形成GaAs多晶；步骤2：将合成好的GaAs多晶、籽晶和B₂O₃放入PBN坩埚；步骤3：将PBN坩埚放入石英管的石英体中；步骤4：将纯石墨固定在石英管的石英帽上的石英槽内；步骤5：将石英体和石英帽盖合，抽真空，用氢氧焰焊接石英管的石英体和石英帽；步骤6：将焊接后的石英管放入VGF单晶炉，进行气氛掺杂，单晶生长；步骤7：将晶体生长后的PBN坩埚放入甲醇内浸泡，得到GaAs单晶，完成GaAs单晶的制备。

Description

生长半绝缘砷化镓的石英管及在砷化镓中掺碳的方法

技术领域

本发明涉及高性能化合物半导体SI-GaAs单晶的VGF(垂直梯度凝固)技术。该材料主要在高速微电子领域有广泛的应用，比如射频电路中的功率放大器，微波单片集成电路(MMICs)等。

背景技术

GaAs具有高的电子迁移率、直接带隙、较宽的禁带宽度等优良的电学性能，在光电子和微电子领域得到了广泛的应用。作微电子超高速电路用需要半绝缘性的SI-GaAs单晶，即具有高电阻(大于10⁷Ω·cm)。一般来说，高纯的GaAs本身具有半绝缘性，但由于制备工艺复杂，成本高，工业生产采用补偿原理来实现高阻。

随着GaAs单晶生长工艺的不断发展，材料中的补偿机理在不断变化。在PBN坩埚取代石英坩埚后，硅沾污大量减少，因此，已可以非特意掺杂即获得稳定的半绝缘性能。一般研究认为非掺杂SI-GaAs晶体的半绝缘特性是由于晶体中的深能级陷阱EL₂能级和浅受主杂质C的补偿平衡而造成。

根据Martin的三能级模型，

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\∝\frac{\left[\mathrm{EL}2\right]}{\left[C\right]-\left[\mathrm{SD}\right]}-1---\left(1\right)$

ρ是电阻率，[EL2]是EL2缺陷浓度，[C]是C浓度，[SD]是浅施主浓度。由式(1)可以看出，单晶电阻率取决于材料的补偿度：[EL2]/([C]-[SD])。EL2为GaAs中的一种生能级陷阱，与点缺陷AsGa(砷占镓位)有关，其浓度主要通过控制GaAs多晶组分及生长条件来控制，在工艺中，其均匀性相对比较容易控制，一般其浓度在10¹⁶cm^-3。其次，现在常规的多晶料纯度至少有6N，，所以浅施主的浓度控制也相对容易，可使其浓度低于10¹⁵cm^-3。因此，控制C浓度成为获得半绝缘GaAs单晶的重要因素，也是其技术难点，要想获得高阻，C浓度一般要在1-3×10¹⁵cm^-3左右。

现在常用的方法是向GaAs多晶预先掺C。如果按照每炉2寸GaAs，需要多晶料大约为2Kg，理论C需求量为0.05mg，现在生产中使用的方法是通过高精度的天平称量来实现定量，极其不易操作。其次，C在GaAs中的分凝系数大于1，倾向于在固态晶体中存在，因此在晶体中C沿轴向为指数分布分布不均，尾部C浓度低，补偿度不足，载流子浓度急剧增加，易于出现低阻。

气氛掺杂是一种控制C浓度的方式。但在目前采用的石英管-PBN***地垂直梯度凝固工艺下，很难实现气氛掺杂。一是，整个生长***中没有与℃接触，其次是当前使用的石英管的主要是为晶体生长提供一个高真空环境而设计的，石英管结构无法满足气氛掺杂的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决称量和控制微量C的难题，同时，使晶体中的C浓度分布均匀，提高整体电学性能。本发明的基本原理是通过控制气氛中的浓度来控制掺C量，从而来实现GaAs的半绝缘性。

本发明一种生长半绝缘砷化镓的石英管，包括：一石英体以及与之盖合的石英帽，其特征在于，其中所述石英帽的内侧顶部固定有一石英槽，盖石英槽的高度小于石英帽的深度。

其中所述的石英槽为圆筒形或方筒形或夹子形。

本发明一种使用如权利要求1所述的生长半绝缘砷化镓的石英管在砷化镓中掺碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将7N Ga和7N As进行多晶合成，形成GaAs多晶；

步骤2：将合成好的GaAs多晶、籽晶和B₂O₃放入PBN坩埚；

步骤3：将PBN坩埚放入石英管的石英体中；

步骤4：将纯石墨固定在石英管的石英帽上的石英槽内；

步骤5：将石英体和石英帽盖合，抽真空，用氢氧焰焊接石英管的石英体和石英帽；

步骤6：将焊接后的石英管放入VGF单晶炉，进行气氛掺杂，单晶生长；

步骤7：将晶体生长后的PBN坩埚放入甲醇内浸泡，得到GaAs单晶，完成GaAs单晶的制备。

其中所述的单晶生长，其生长温度为1220℃-1245℃。

其中所述的单晶生长，其生长的时间为110小时-130小时。

其中所述的甲醇浸泡，其是在超声波氛围内进行。

其中所述的甲醇浸泡的时间为8小时-12小时，浸泡的温度为常温。

其中所述B₂O₃用量为15克。

附图说明：

为进一步揭示本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1适合作气氛掺杂的石英管结构示意图。

其中：1为石英体，2为石英帽，3为石英槽。

具体实施方式

本发明的目的在于为石英管-PBN***垂直梯度凝固技术生长半绝缘砷化镓提供一种气氛掺C方法，其优点在于能使C浓度控制更容易，材料电学均匀性更好。

为了实现上述目的，本发明提供了一种新的石英管结构，请参阅图1所示，包括：一石英体1以及与之盖合的石英帽2，其中所述石英帽2的内侧顶部固定有一石英槽3；其特征在于：

盖石英槽3的高度小于石英帽2的深度；这样可以避免在焊接石英管石将石墨氧化；可以通过石英槽3的深度来定量石墨在石英管中的位置，通过加核实的温场来实现加热温度。

其中所述的石英槽3为圆筒形或方筒形或夹子形；石英槽3的作用是固定石墨，保证石英槽3和石墨之间有足够的摩擦力，不让石墨落入砷化镓多晶；这种石英帽2的结构可以通过设模具来实现。

本发明一种使用如图1所示的石英管的在砷化镓中掺碳的方法，包括如下步骤：

步骤1：将7N Ga和7N As进行多晶合成，形成GaAs多晶；化合物半导体在材料纯度上不及元素半导体硅、锗等，采用较高纯度的镓和砷可以避免杂质元素对电学性能的影响，同时杜绝原材料中的C；

步骤2：将合成好的GaAs多晶、籽晶和B₂O₃放入PBN坩埚；籽晶的作用是引导晶体生长，使生长出的晶体具有确定的晶向；B₂O₃是非常非常重要的液封剂，能够阻止熔体与坩埚的直接接触，提高成晶率；同时可以吸杂和防止砷挥发。B₂O₃的含水量既要保证B₂O₃与PBN坩埚具有一定的浸润性，又不能太高，以免产生气泡，使晶体表面有麻坑；

步骤3：将PBN坩埚放入石英管的石英体2中；石英管的主要作用是作用是提供高真空的生长环境，其基本结构是石英体1和石英帽2；

步骤4：将纯石墨固定在石英管的石英帽2上的石英槽3内；实现气氛掺杂，必须有C源，在石英帽上添加一个石英槽就可以外加C源，从而实现气氛掺杂，气氛掺杂的好处是可以有更好的自由度去控制C浓度在晶体内的分布，从而使材料的整体性能更均匀；

步骤5：将石英体1和石英帽2盖合，抽真空，用氢氧焰焊接石英管的石英体1和石英帽2；晶体生长必须在无氧及其它杂质的气不过况下生长，一来是氧会使砷氧化，生成三氧化二砷，二是会将杂质带入材料内，改变材料性质；

步骤6：将焊接后的石英管放入VGF单晶炉，进行气氛掺杂，单晶生长，其生长温度为1220℃-1245℃，其生长的时间为110小时-130小时；在垂直梯度凝固技术中，晶体生长是通过温度梯度来驱动的，一般通过设计合适的温场来达到；

气氛掺杂的方式如下：

C掺入GaAs的途径是：

GaAs中的游离Ga与气氛中的CO和CO₂发生上述化学反应，将C引入GaAs，维持CO和CO₂相等的压力，即可使掺入的C沿轴向均匀，维持CO和CO₂等压的途径为其生成与析出的均衡。

CO和CO₂的生成途径为：

O₂和H₂O来源于石墨，通过调整合适的含量来控制其生成速率。

C的析出途径：

晶体中的C会和B₂O₃及其中的H₂O反应，将C析出，降低C含量；同时会增加气氛中的CO浓度。

步骤7：将晶体生长后的PBN坩埚放入甲醇内浸泡，所述的甲醇浸泡是在超声波氛围内进行，甲醇浸泡的时间为8小时-12小时，浸泡的温度为常温，得到GaAs单晶，完成GaAs单晶的制备。

PBN坩埚非常昂贵，且较脆，易裂，一般需要回收反复利用已降低生产成本。一般在室温下，生长出的晶体与坩埚壁结合的很紧密，当取出晶体时容易造成坩埚损坏。采用化学方法，可以通过甲醇与B₂O₃的化学反应来溶解B₂O₃，取出晶体。

本发明所揭示的，乃较佳实施例的一种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱本发明的权利要求范畴。

Claims (8)

1、一种生长半绝缘砷化镓的石英管，包括：一石英体以及与之盖合的石英帽，其特征在于，其中所述石英帽的内侧顶部固定有一石英槽，盖石英槽的高度小于石英帽的深度。

2、根据权利要求1所述的生长半绝缘砷化镓的石英管，其特征在于，其中所述的石英槽为圆筒形或方筒形或夹子形。

3、一种使用如权利要求1所述的生长半绝缘砷化镓的石英管在砷化镓中掺碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将7N Ga和7N As进行多晶合成，形成GaAs多晶；

步骤2：将合成好的GaAs多晶、籽晶和B₂O₃放入PBN坩埚；

步骤3：将PBN坩埚放入石英管的石英体中；

步骤4：将纯石墨固定在石英管的石英帽上的石英槽内；

步骤5：将石英体和石英帽盖合，抽真空，用氢氧焰焊接石英管的石英体和石英帽；

步骤6：将焊接后的石英管放入VGF单晶炉，进行气氛掺杂，单晶生长；

步骤7：将晶体生长后的PBN坩埚放入甲醇内浸泡，得到GaAs单晶，完成GaAs单晶的制备。

4、根据权利要求3所述的在砷化镓中掺碳的方法，其特征在于，其中所述的单晶生长，其生长温度为1220℃-1245℃。

5、根据权利要求3所述的在砷化镓中掺碳的方法，其特征在于，其中所述的单晶生长，其生长的时间为110小时-130小时。

6、根据权利要求3所述的在砷化镓中掺碳的方法，其特征在于，其中所述的甲醇浸泡，其是在超声波氛围内进行。

7、根据权利要求3所述的在砷化镓中掺碳的方法，其特征在于，其中所述的甲醇浸泡的时间为8小时-12小时，浸泡的温度为常温。

8、根据权利要求3所述的在砷化镓中掺碳的方法，其特征在于，其中所述B₂O₃用量为15克。

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