一種pbn坩堝及利用其進行砷化鎵晶體生長的方法
2023-07-24 11:31:41
專利名稱：一種pbn坩堝及利用其進行砷化鎵晶體生長的方法
技術領域：
本發明涉及一種PBN坩堝及利用其進行砷化鎵(GaAs)晶體生長的方法，屬於晶體生長領域。
背景技術：
GaAs晶體是一種重要的化合物半導體材料，是第二代半導體的典型代表，其地位僅次於Si單晶。與Si相比，GaAs的帶隙較大、電子遷移率和飽和速度高，因此用GaAs製成的電子器件比相應Si器件的工作速度快、工作頻率高且具有更寬的工作溫度範圍。這使得GaAs取代Si成為了製作現代超高速電子器件和電路的最重要半導體材料。近幾年來， GaAs材料及其相關產業發展迅速，其應用領域相當廣泛，如可用於製作無線通訊、光纖通訊、汽車電子等微波器件，可用於製成發光二極體、雷射器和其他一些光電子器件。GaAs材料及相關產業在2010年的產值已超過了 200億美元，未來幾年仍將保持強勁的增長勢頭， 前景十分誘人。為獲得GaAs晶體，科學家經過半個多世紀的努力，至今已開發出多種生長GaAs晶體的方法。比較成功的工業化生長技術主要有液封直拉法(LEC)、水平布裡支曼法(HB)、 垂直梯度凝固法/垂直布裡支曼法(VGF/VB)和蒸氣壓控制直拉法(VCZ)。其中VGF/VB法因其獨特的優勢而成為當今GaAs晶體生長的主流技術，目前已廣泛被國內外生產廠家和研究機構所採用。VGF/VB法的優點主要表現在所使用的設備溫度梯度很小，一般可控制在 2-15°C/cm，因而生長的晶體往往內部熱應力小、位錯密度低。此外，VGF/VB法所長的晶體呈圓柱狀，這極大的降低了晶體在加工過程中的損耗量。還有，VGF/VB法設備成本的低廉更是加強了該技術在市場中的競爭力。VGF/VB法具有諸多優勢，然而，需要注意的是，該方法在生長GaAs晶體的過程中，容易出現多晶或孿晶，這在很大程度上降低了工業化生產的產品合格率。其中造成GaAs晶體易出現多晶或孿晶的重要因素之一是因為現有的氮化硼 (PBN)坩堝具有放肩部位，其結構示意圖如圖1所示，圖中1為現有的放肩PBN坩堝的坩堝體、2為放置化03部位、3為GaAs熔體部位，4為PBN坩堝放肩部分、5為放置GaAs籽晶部位。 由於晶體在放肩部位結晶生長時，PBN坩堝壁附近的熱應力及GaAs晶體本身的極性特徵很容易引起晶體小面的快速生長而最終使GaAs晶體成為多晶或孿晶，影響了晶體的完整性， 最終成品率僅為50-75%。
發明內容
本發明的目的在於，為了克服VGF/VB法中易出現的多晶或孿晶現象，發明一種等直徑坩堝生長GaAs晶體的方法，以提高晶體的成品率。本發明的技術原理
本發明的一種等直徑坩堝生長砷化鎵晶體的方法，採用直筒狀坩堝，籽晶安裝於坩堝底部，在晶體生長過程中，熔體在與坩堝直徑相同的籽晶基礎上析晶，省去了放肩過程，因而在晶體生長過程中消除了由於坩堝放肩引起的熱應力及砷化鎵小面的快速發育，大大降低了晶體中出現多晶或孿晶的機率。本發明的技術方案
一種PBN坩堝，為等直徑圓筒狀，坩堝一端封口，另一端開口，封口的一端為籽晶槽部位所處位置，其結構示意圖如圖2所示，圖中6為等直徑PBN坩堝的坩堝體、7為放置化03部位、8為GaAs熔體部位、9為放置GaAs籽晶部位即籽晶槽。所述的PBN坩堝的直徑大小50-150mm，高度為200-300 mm,所述的籽晶槽的體積佔坩堝總體積的1 :100 150。利用上述的一種PBN坩堝進行砷化鎵晶體生長的方法，其特徵在於包括如下步驟
(1)、晶體生長
將籽晶放置於PBN坩堝的籽晶槽內，將砷化鎵多晶原料裝入PBN坩堝，並襯以100-150g 無水化03，目的是控制砷揮發並便於晶體脫模，將PBN坩堝置入石英坩堝內，用氫氧火焰將其燒結密封，然後將石英坩堝置於VGF/VB爐中，使籽晶頂部與爐內熱電偶處於同一水平高度，以便於控制接種，將爐溫升到1270-U90°C範圍內，待籽晶頂端熔化接種完成後，控制晶體的生長速率為0. 5-5mm/h，優選為1_4 mm/h開始生長，直到熔體全部結晶；
所述籽晶取向為、、、、及其他任意方向，籽晶長度為 20-40mm ；
(2)、退火處理
待步驟(1)中的熔體全部結晶後，將PBN坩堝移至恆溫區域內，在950 1100°C範圍內保溫10h，消除晶體內部熱應力，然後控制降溫速率為30 70°C /h，優選為30 50°C /h 緩慢降至室溫，取出晶體，即為所需的砷化鎵晶體。上述的利用PBN坩堝進行砷化鎵晶體生長的方法，最終所得的砷化鎵晶體用內圓切割機對其尾部進行切割，觀察切割端面形態，晶體中未發現多晶或孿晶現象。砷化鎵晶體的成品率超過了 90%。本發明的有益效果
本發明的利用等直徑圓筒狀的PBN坩堝進行砷化鎵晶體生長的方法，一方面，由於砷化鎵高溫熔體在等直徑圓筒狀的PBN坩堝中逐漸結晶，因此，避免了 VGF/VB法中必須經過的接种放肩生長過程，提高了砷化鎵晶體成品率，最終成品率超過了 90%。另一方面由於保留了 VGF/VB法，因此可獲得高質量高性能砷化鎵晶體的優點。同時，由於本發明所用的籽晶可以多次重複使用，未增加晶體生長成本，因而十分適合砷化鎵晶體工業化生產。
圖1、現有技術中具有的放肩部分即底部為圓錐或漏鬥形的PBN坩堝結構示意圖， 圖中1為現有的放肩PBN坩堝的坩堝體、2為放置化03部位、3為GaAs熔體部位，4為PBN坩堝放肩部位、5為安置GaAs籽晶部位。圖2、本發明採用的等直徑PBN坩堝示意圖，圖中6為等直徑PBN坩堝的坩堝體、7 為放置化03部位、8為GaAs熔體部位、9為放置GaAs籽晶部位即籽晶槽。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明進一步闡述，但並不限制本發明。本發明所用的VGF/VB爐，型號JCHQ-B，系青島精誠華旗有限公司生產。本發明所用的石英坩堝，型號QUAR-5，系上海考斯茂有限公司生產。本發明所用的富As的高純GaAs多晶原料，規格GAAS-1，系中國科學院半導體研究所提供。實施例1
將取向、直徑與PBN坩堝等徑、長度為30mm的GaAs籽晶放置於PBN坩堝的籽晶槽內，將富As的高純GaAs多晶原料2. 5kg裝入PBN坩堝內，並襯以IOOg無水化03 ；
所述的PBN坩堝為直徑50mm，高度為300mm的等直徑圓筒狀，PBN坩堝一端封口，另一端開口 ；
將PBN坩堝置入石英坩堝內並用氫氧火焰燒結密封，再將石英坩堝置於VGF/VB爐中， 爐溫控制在1280°C，待恆溫後開始接種生長，晶體生長速率為4mm/h，生長結束後晶體在恆溫區內1000°C下退火10h，然後爐溫以40°C /h的速率降溫至室溫，最終獲得表面光亮無沾潤的GaAs晶體。將所得的GaAs晶體用內圓切割機對其尾部進行切割，觀察切割端面形態，晶體中未發現多晶或孿晶現象，GaAs晶體的成品率超過了 90%。實施例2
將取向、直徑與PBN坩堝等徑、長度為40mm的GaAs籽晶放置於PBN坩堝的籽晶槽內，將富As的高純GaAs多晶原料5. 0 kg,裝入PBN坩堝內，PBN坩堝內襯以120g無水 B2O3;
所述的PBN坩堝為直徑75mm，高度為250mm的等直徑圓筒狀，PBN坩堝一端封口，另一端開口 ；
將PBN坩堝置入石英坩堝內並用氫氧火焰燒結密封。將石英坩堝置於VGF/VB爐中，爐溫控制在1270°C，待恆溫後開始接種生長，晶體生長速率為3mm/h。生長結束後晶體在恆溫區內950°C下退火10h，然後爐溫以50°C /h的速率降溫至室溫，最終獲得表面光亮無沾潤的 GaAs晶體。將所得的GaAs晶體用內圓切割機對其尾部進行切割，觀察切割端面形態，晶體中未發現多晶或孿晶現象，GaAs晶體的成品率超過了 90%。實施例3
將取向、直徑與PBN坩堝等徑、長度為20mm的GaAs籽晶放置於PBN坩堝的籽晶槽內，將10. 0公斤富As高純GaAs多晶原料裝入PBN坩堝內，PBN坩堝內襯以130g無水 B2O30所述的PBN坩堝為直徑100mm，高度為230mm的等直徑圓筒狀，PBN坩堝一端封口，
另一端開口；
將PBN坩堝置入石英坩堝內並用氫氧火焰燒結密封，將石英坩堝置於VGF/VB爐中，爐溫控制在1290°C，待恆溫後開始接種生長，晶體生長速率為2. 5mm/h,生長結束後晶體在恆溫區內1050°C下退火10h，然後爐溫以30°C /h的速率降溫至室溫，最終獲得表面光亮無沾潤的GaAs晶體。
將所得的GaAs晶體用內圓切割機對其尾部進行切割，觀察切割端面形態，晶體中未發現多晶或孿晶現象，GaAs晶體的成品率超過了 90%。實施例4
將取向、直徑與PBN坩堝等徑、長度為35mm的GaAs籽晶放置於PBN坩堝的籽晶槽內，將20. 0公斤富As高純GaAs多晶原料裝入PBN坩堝內，PBN坩堝內襯以150g無水 B2O3;
所述的PBN坩堝為直徑150mm，高度為200mm的等直徑圓筒狀，PBN坩堝一端封口，另
一端開口 ；
將PBN坩堝置入石英坩堝內並用氫氧火焰燒結密封。將石英坩堝置於VGF/VB爐中，爐溫控制在1285°C，待恆溫後開始接種生長，晶體生長速率為lmm/h。生長結束後晶體在恆溫區內1100°C下退火10h，然後爐溫以45°C /h的速率降溫至室溫，最終獲得表面光亮無沾潤的feiAs晶體。將所得的GaAs晶體用內圓切割機對其尾部進行切割，觀察切割端面形態，晶體中未發現多晶或孿晶現象，GaAs晶體的成品率超過了 90%。上述通過實施例雖然對本發明作了比較詳細的文字描述，但是這些文字描述，只是對本發明設計思路的簡單文字描述，而不是對本發明設計思路的限制，任何不超出本發明設計思路的組合、增加或修改，均落入本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種PBN坩堝，其特徵在於所述的PBN坩堝為等直徑圓筒狀，坩堝一端封口，另一端開口，封口的一端為籽晶槽所處位置。
2.如權利要求1所述的一種PBN坩堝，其特徵在於所述的PBN坩堝的直徑大小為 50-150mm，高度為200-300 mm，所述的籽晶槽的體積佔坩堝總體積的1 :100 150。
3.利用如權利要求1或2所述的PBN坩堝進行砷化鎵晶體生長的方法，其特徵在於包括如下步驟(1)、晶體生長將籽晶放置於PBN坩堝的籽晶槽內，將砷化鎵多晶原料裝入PBN坩堝，並襯入100-150g 無水化03，將PBN坩堝置入石英坩堝內，用氫氧火焰將其燒結密封，然後將石英坩堝置於 VGF/VB爐中，使籽晶頂部與爐內熱電偶處於同一水平高度，將爐溫升到1270-1290°C，待砷化鎵多晶原料全部熔化，籽晶頂端充分接種熔化後，晶體以0. 5-5mm/h生長速率開始生長， 直到熔體全部結晶為砷化鎵晶體；(2)、退火處理待步驟(1)中的熔體全部結晶後，將PBN坩堝移至VGF/VB爐的恆溫區域內，在950 1100°C範圍內保溫10h，消除晶體內部熱應力，然後控制降溫速率為30 70°C/h緩慢降至室溫，取出晶體，即得到砷化鎵晶體。
4.如權利要求3所述的利用PBN坩堝進行砷化鎵晶體生長的方法，其特徵在於步驟 (1)所述的GaAs籽晶直徑與PBN坩堝直徑相同，GaAs籽晶長度為20_40mm。
5.如權利要求3所述的利用PBN坩堝進行砷化鎵晶體生長的方法，其特徵在於步驟 (1)所述的 GaAs 籽晶取向為 、、 或 。
6.如權利要求3所述的利用PBN坩堝進行砷化鎵晶體生長的方法，其特徵在於步驟(1)中所述的晶體生長速率優選控制為1 4mm/h。
7.如權利要求3所述的利用PBN坩堝進行砷化鎵晶體生長的方法，其特徵在於步驟(2)中所述的降溫速率優選為30 50°C/h。
全文摘要
本發明公開了一種PBN坩堝及利用其進行砷化鎵晶體生長的方法，屬於單晶生長領域。其特點是所採用的熱解氮化硼坩堝幾何結構為等直徑圓筒狀，直徑大小為50-150mm，高度為200-300mm。在垂直梯度凝固法/垂直布裡支曼法生長GaAs晶體的過程中，與PBN坩堝直徑相同的GaAs籽晶安裝於坩堝底部，熔體在籽晶的基礎上不斷析晶生長，省去了傳統PBN坩堝生長GaAs晶體必需的放肩過程，因而在晶體生長過程中消除了由於放肩引起的熱應力及GaAs小面的快速發育，大大降低了GaAs晶體中出現多晶或孿晶的機率。
文檔編號C30B11/00GK102363897SQ20111034640
公開日2012年2月29日 申請日期2011年11月7日 優先權日2011年11月7日
發明者何慶波, 徐家躍, 房永徵, 申慧, 金敏 申請人:上海應用技術學院