CN103789835A - 一种改进型梯度凝固GaAs单晶生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供了一种改进型梯度凝固GaAs单晶生长方法，它对传统垂直梯度凝固法(VGF)或垂直布里奇曼法(VB)晶体生长装置进行了改造。其特征在于加热***被安装在晶体生长炉顶部，加热元件为一组串联的U型硅钼棒。炉体内温度分布曲线通过隔热板形成。GaAs原料在隔热板以上的高温区熔化，熔体在隔热板形成的温度梯度区结晶生长。获得的晶体通过下降装置移至隔热板以下，高温原位退火释放热应力。采用该工艺生长的GaAs单晶具有低位错、大尺寸以及热应力小等优点。

Description

一种改进型梯度凝固GaAs单晶生长方法

技术领域

本发明涉及一种改进型梯度凝固GaAs单晶生长方法，属于晶体生长领域。

背景技术

GaAs化合物属于Ⅲ-Ⅴ族第二代半导体，其地位仅次于Si材料。与Si相比，GaAs的带隙较大、电子迁移率和饱和速度高，因此用GaAs制成的电子器件比相应Si器件工作速度快、工作频率高且具有更宽的工作温度范围。这使得GaAs取代Si成为了制作现代超高速电子器件和电路的最重要半导体材料。近几年来，GaAs材料及其相关产业发展迅速，每年以超过20%的速度增长，2010年其产值已超过了100亿美元。在未来的几十年内，GaAs产业仍将保持强劲的增长势头。GaAs产业的规模越来越大，前景十分诱人。

GaAs单晶材料处于GaAs产业链的上流。目前生长GaAs单晶的技术主要有水平布里奇曼法（HB）、液封直拉法（LEC）、蒸气控制直拉法（VCZ），垂直梯度凝固法(VGF)和垂直布里奇曼法(VB)。HB法设备较为简单，可生长低位错密度的GaAs单晶，但该工艺生长周期长，所得晶体截面呈“D”形，加工成圆片时，造成材料损失，因此利用率低。LEC是首先在高压单晶炉内原位合成GaAs后，再以此为籽晶拉制单晶，该方法的优点是可制备出高纯度大尺寸的GaAs单晶，适合规模生产，但其结晶质量略差，位错密度高，而且设备十分昂贵。VCZ 是对LEC技术的一项改进，它将坩埚-晶体放置在一充满As气氛的内生长室中，As蒸气压抑制了GaAs晶体在生长过程中的表面解离，从而获得了低位错晶体。但该工艺使生长***复杂化了，生长过程无法观察，重复性较差，因而未能用于规模化生产。VGF和VB技术近几年被广泛采用，它们兼具了以上几种方法的优点，可生长出高质量大直径的GaAs单晶，并且设备成本低很多，因而倍受青睐。

图1是常用的VGF（VB）法晶体生长炉结构示意图。炉子加热器由多段加热***构成。程序控制各加热***，炉体自下而上被分成多个温区（如五、七以及十温区），即形成了温度梯度。GaAs单晶生长是由温度梯度的作用而完成的。合适的温度梯度是获得优质GaAs单晶的关键。如果温度梯度太大，晶体中将很容易形成缺陷（如多晶、孪晶、位错等）；如果梯度太小了，熔体则较难结晶。因此必须对各加热***进行仔细协调，较为烦琐。

发明内容

本发明提出了一种改进型梯度凝固GaAs单晶生长方法，简化了加热***。图2a是新工艺晶体生长炉的结构示意图，它是对传统VGF（VB）生长炉的一种改造。

本发明的主要内容如下：

加热***1由一组U型硅钼棒加热元件串联而成并安装在炉子7的顶部，它们与外部控温仪接通。炉子7中央处设置了隔热板3，它将炉体分成三个温区：其上称为高温区T₁，其下为低温区T₃，其间即为温度梯度区T₂。炉体中的温度分布曲线与隔热板3的厚度密切相关，调节隔热板厚度使T₂区的温梯在3-20℃/cm之间（图2b）。热解氮化硼（PBN）坩埚9通过籽晶槽4固定在钼质定位棒12的凹槽上，防止其歪倒或倾斜。GaAs籽晶镶嵌在籽晶槽4中，高纯GaAs原料填入坩埚9且表面用B₂O₃覆盖剂2覆盖。坩埚***与As源5一同装入反应管8中。钼坐13托住反应管8并与下降杆6相连。设定加热温度，GaAs原料在高温区熔化，籽晶处于温度梯度区，其顶端部分熔融与高温熔体接触。熔体随下降***移动而在梯度区内逐渐结晶生长。As源5在低温区（温度始终高于As的气化点）升华以维持***的蒸汽压平衡。已生长好的晶体随下降***被移至T₃区，进行高温原位退火，释放热应力。生长结束，降低温度取出晶体。

本发明与VGF（VB）法生长晶体的原理类似，都是通过温度梯度的作用使熔体结晶。它们的区别在于，本发明将VGF（VB）法的加热***由多段程序控制温区简化成一组串联的U型硅钼棒加热元件，不需要对晶体生长过程中的加热功率进行程序化调节，恒定即可。炉体中的温度梯度通过隔热板而形成，重复性和可靠性都非常高。

附图说明

图1  VGF（VB）生长装置示意图

图2  改进型生长装置示意图（a）及温度分布曲线（b）

图中：1、加热***  2、B₂O₃覆盖剂   3、隔热板  4、籽晶槽    5、As源  6、下降杆  7、炉体  8、反应管  9、PBN坩埚  10、熔体  11、GaAs晶体  12、钼定位棒  13、钼坐

具体实施方式

下面结合GaAs单晶的生长过程对本发明作进一步描述。

本发明中的加热***1由一组U型硅钼棒元件串联构成，它们安装在晶体生长炉顶部，其加热功率在晶体生长过程中保持恒定。调节隔热板3的厚度，控制温度梯度在3-20℃/cm之间。该发明方法生长GaAs单晶的过程如下：

1、籽晶制备及安装。对小块GaAs单晶进行定向，确定（001）面，将晶体磨制成圆柱状籽晶并安装在PBN坩埚9的籽晶槽4内。

2、原料封装。将高纯原料倒入坩埚9中，同时加入少量B₂O₃覆盖剂掩盖住原料表面。坩埚9通过籽晶槽4被固定于钼定位棒12上。坩埚***同As源5一起装入反应管8中，抽真空后将反应管8密封。钼坐13托住反应管8并与下降杆6相连。

3、晶体生长。炉子程序温度设定为1250-1265℃, 高温区T ₁的温度范围为1250-1265℃, 梯度区T ₂的温度范围为1200-1240℃。GaAs籽晶处于梯度区，顶部部分熔融与高温熔体相接触。下降***开始工作，GaAs熔体逐渐结晶。长大后的GaAs晶体随下降***移至T ₃低温区，T ₃是T ₂的延续，温度在1200℃以下。晶体在此区域被高温原位退火，释放了热应力。生长结束后，降低温度取出晶体。

 

以下为本工艺方法生长GaAs晶体的几个具体实施例：

实施例1

无掺杂GaAs单晶的生长。将4.0 kg高纯GaAs多晶原料装入直径4英寸的PBN坩埚内，坩埚底部事先放置有<001>取向、直径10mm的籽晶。然后把坩埚置于晶体生长炉中，炉温控制在1255℃，待恒温12小时后开始接种生长。晶体生长温度梯度为7℃/cm，生长周期为7天。生长结束后在恒温区内850℃下退火10小时，缓慢降温至室温，获得表面光亮无沾润的GaAs晶体。

实施例2

低Si掺杂GaAs单晶的生长。3.8 kg高纯GaAs多晶原料与55 mg Si混合装入直径4英寸的PBN坩埚中，坩埚底部放置有直径12mm、<511>取向的籽晶。将PBN坩埚放入晶体生长炉中，炉温控制在1255℃，待恒温12小时后开始接种生长。晶体生长温度梯度为10℃/cm，生长周期为7天。生长结束后在恒温区内900℃下退火12小时，缓慢降温至室温，可获得表面光亮无沾润的4英寸低Si掺杂GaAs晶体。

实施例3

重Si掺杂GaAs单晶的生长。高纯GaAs多晶原料3.5 kg与80 mg Si一起混合后置于直径4英寸的PBN坩埚中, 坩埚底部事先放置有<001>取向、直径10mm的籽晶。将PBN坩埚放入晶体生长炉中，炉温控制在1260℃，待恒温12小时后开始接种生长。晶体生长温度梯度为15℃/cm，生长周期为7天。生长结束后在恒温区内950℃下退火12小时，缓慢降温至室温，可获得表面光亮无沾润的4英寸重Si掺杂GaAs晶体。 

 

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.化合物半导体GaAs单晶采用改进型梯度凝固方法进行生长，其特征在于：

（1）加热***安装在晶体生长炉的顶部，加热元件为一组串联的U型硅钼棒；

（2）晶体生长炉中央设置有隔热板，隔热板将炉体从上至下划分为三个温区：高温区T₁，梯度区T₂以及低温区T₃；

（3）炉子程序温度设定为1250-1265℃, 高温区T₁的温度范围为1250-1265℃, 原料在此区域熔化；梯度区T₂的温度范围为1200-1240℃，熔体在该区间结晶生长；

低温区T₃是T₂的延续，温度在1200℃以下；

（4）籽晶处于温度梯度区，顶端部分熔融与高温熔体接触；坩埚下降，GaAs单晶以籽晶为基础生长；已生长好的晶体随下降***移至T₃区，晶体在高温下进行原位退火。

2. 按权利要求1所述的改进型梯度凝固GaAs单晶生长工艺，其特征在于加热***简单，晶体生长过程中的加热功率恒定。

3.按权利要求1所述的改进型梯度凝固GaAs单晶生长工艺，其特征在于炉体内温度分布曲线与隔热板厚度密切相关，调节隔热板厚度使T₂区温度梯度在3-20℃/cm之间。

4.按权利要求1所述的改进型梯度凝固GaAs单晶生长工艺，其特征在于晶体在隔热板以下（T₃区）被高温原位退火，释放了热应力，不需要专门另设加热***进行退火处理。

Images