一種III‑V族半導體晶體的生長裝置及生長方法與流程

2023-05-13 23:24:51

技術領域

本發明屬於半導體材料技術領域，具體涉及一種III-V族半導體晶體的生長裝置及生長方法。

背景技術：

隨著光纖通信、高速電子器件、高效太陽能電池以及雷射二極體的快速發展，III-V族半導體晶體，例如砷化鎵、磷化鎵、砷化銦、磷化銦及它們的固溶體單晶的應用越來越廣泛，極大地促進了III-V族半導體晶體生長技術的發展。目前，III-V族半導體晶體的生長方法主要包括液封直拉法(LEC)，垂直下降法(VB)，水平布裡奇曼法(HB)與垂直梯度凝固法(VGF)等。其中，VGF法因為原料利用率高、位錯密度小、生長設備簡單，生長方法容易等，逐漸成為高品質III-V族半導體晶體的主流生長方法。

傳統的VGF法，需要採用預先合成的III-V族半導體多晶料作為原料。多晶料經過合成、切割、清洗之後，裝入晶體生長爐內完成晶體生長。整個流程較長，而且容易造成原料的汙染和損耗，不利於晶體品質的控制。日本住友電氣工業株式會社公布的專利JPH02283690A、JPS605093A、JPH06219885A中，提出了一種原位合成III-V族半導體晶體的方法及裝置。採用該裝置及晶體生長方法，可以採用III族元素和V族元素為原料，直接合成多晶並原位完成半導體晶體的生長。這三篇專利中，均採用III族元素在上，V族元素在下的結構。這種結構設計，不僅爐體結構複雜，長晶控制穩定性也會受到影響。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明要解決的技術問題在於提供一種III-V族半導體晶體的生長裝置及生長方法，本發明提供的生長裝置爐體結構簡單，並且得到的晶體穩定性較好。

本發明提供了一種III-V族半導體晶體的生長裝置，包括：

石英管(1)，所述石英管包括上部的圓柱等徑區(1-1)、中部的倒錐形擴肩區(1-2)以及底部的圓柱籽晶區(1-3)；

設置於所述石英管內部的坩堝(2)，所述坩堝包括上部的圓柱等徑區(2-1)、中部的倒錐形擴肩區(2-2)以及底部的錐形籽晶區(2-3)；

設置於所述石英管的圓柱等徑區的上方內側壁的石英支撐環(4)；

設置於所述石英支撐環上的石英槽(3)，所述石英槽(3)的中心位置設置有開口。

優選的，所述坩堝的圓柱等徑區(2-1)的外壁與所述石英管的圓柱等徑區(1-1)的內壁貼合，所述坩堝的倒錐形擴肩區(2-2)的外壁與所述石英管的倒錐形擴肩區的內壁貼合(1-2)。

優選的，所述石英管(1)與所述坩堝(2)同軸設置。

優選的，所述石英管(1)上邊沿與所述石英支撐環(4)的垂直距離為50mm～200mm；所述坩堝(2)上邊沿與所述石英支撐環的垂直距離為15～25mm。

優選的，所述石英管(1)的壁厚為2～5mm；

所述石英管的圓柱等徑區(1-1)的內徑為55～260mm，所述石英管的圓柱等徑區(1-1)的高度為150～500mm；

所述石英管的倒錐形擴肩區(1-2)的側壁與垂直方向的夾角為30～60度，所述石英管的倒錐形擴肩區(1-2)的高度為20～200mm；

所述石英管的圓柱籽晶區(1-3)的內徑為6～12mm，所述石英管的圓柱籽晶區(1-3)的高度為30～60mm。

優選的，所述坩堝(2)壁厚為0.5～1.5mm；

所述坩堝的圓柱等徑區(2-1)的內徑為50～250mm，所述坩堝的圓柱等徑區(2-1)的高度為100～300mm；

所述坩堝的倒錐形擴肩區(2-2)的側壁與垂直方向的夾角為30～60度，所述坩堝的倒錐形擴肩區(2-2)的高度為20～200mm；

所述坩堝的錐形籽晶區(2-3)的頂部內徑為2～6mm，所述坩堝的錐形籽晶區(2-3)的底部內徑為4～8mm，坩堝的錐形籽晶區(2-3)的高度為25～55mm。

優選的，所述石英支撐環(4)的厚度為2～5mm，所述石英支撐環(4)的寬度為5～20mm。

優選的，所述石英槽(3)的厚度為2～5mm，所述石英槽(3)的側壁的高度為20～100mm，所述開口的內徑為10～50mm。

本發明還提供了一種上述生長裝置生長III-V族半導體晶體的方法，包括以下步驟：

A)將錐形籽晶置於坩堝底部的錐形籽晶區(2-3)，將第III主族元素置於坩堝上部的圓柱等徑區(2-1)以及中部的倒錐形擴肩區(2-2)，將第V主族元素置於石英槽(3)中，得到裝有原料的III-V族半導體晶體的生長裝置；

B)將上述生長裝置抽真空後密封，置於長晶爐中升溫長晶，得到III-V族半導體晶體。

優選的，所述錐形籽晶頂端與所述坩堝底部的錐形籽晶區的頂端的垂直距離為5～15mm。

與現有技術相比，本發明提供了一種III-V族半導體晶體的生長裝置，包括：石英管(1)，所述石英管包括上部的圓柱等徑區(1-1)、中部的倒錐形擴肩區(1-2)以及底部的圓柱籽晶區(1-3)；設置於所述石英管內部的坩堝(2)，所述坩堝包括上部的圓柱等徑區(2-1)、中部的倒錐形擴肩區(2-2)以及底部的錐形籽晶區(2-3)；設置於所述石英管的圓柱等徑區的上方內側壁的石英支撐環(4)；設置於所述石英支撐環上的石英槽(3)，所述石英槽(3)的中心位置設置有開口。本發明提供的III-V族半導體晶體生長裝置，採用III族元素在下，V族元素在上的設計模式。將V族元素放在石英管內，坩堝的上方，不僅可以節省空間、簡化爐體結構，而且有助於更好的控制晶體生長。

附圖說明

圖1為本發明提供的III-V族半導體晶體的生長裝置示意圖；

圖2為本發明提供的III-V族半導體晶體長晶時與III-V族半導體晶體的生長裝置對應的溫度梯度分布圖。

具體實施方式

本發明提供了一種III-V族半導體晶體的生長裝置，包括：

石英管(1)，所述石英管包括上部的圓柱等徑區(1-1)、中部的倒錐形擴肩區(1-2)以及底部的圓柱籽晶區(1-3)；

設置於所述石英管內部的坩堝(2)，所述坩堝包括上部的圓柱等徑區(2-1)、中部的倒錐形擴肩區(2-2)以及底部的錐形籽晶區(2-3)；

設置於所述石英管的圓柱等徑區的上方內側壁的石英支撐環(4)；

設置於所述石英支撐環上的石英槽(3)，所述石英槽(3)的中心位置設置有開口。

參見圖1，圖1為本發明提供的III-V族半導體晶體的生長裝置示意圖，圖1中，1為石英管，1-1為石英管的圓柱等徑區，1-2為石英管的倒錐形擴肩區，1-3為石英管的圓柱籽晶區，2為坩堝，2-1為坩堝的圓柱等徑區，2-2為坩堝的倒錐形擴肩區，2-3為坩堝的錐形籽晶區，3為石英槽，4為石英支撐環，5為第V主族元素，6為第III主族元素，7為錐形籽晶。

本發明提供的III-V族半導體晶體的生長裝置包括石英管(1)，所述石英管包括上部的圓柱等徑區(1-1)、中部的倒錐形擴肩區(1-2)以及底部的圓柱籽晶區(1-3)。

在本發明的一些具體實施方式中，所述石英管(1)的壁厚優選為2～5mm；

所述石英管的圓柱等徑區(1-1)的內徑優選為55～260mm，所述石英管的圓柱等徑區(1-1)的高度優選為150～500mm；

所述石英管的倒錐形擴肩區(1-2)的側壁與垂直方向的夾角優選為30～60度，所述石英管的倒錐形擴肩區(1-2)的高度優選為20～200mm；

所述石英管的圓柱籽晶區(1-3)的內徑優選為6～12mm，所述石英管的圓柱籽晶區(1-3)的高度優選為30～60mm。

本發明提供的生長裝置還包括設置於所述石英管內部的坩堝(2)，所述坩堝包括上部的圓柱等徑區(2-1)、中部的倒錐形擴肩區(2-2)以及底部的錐形籽晶區(2-3)。在本發明中，所述坩堝的圓柱等徑區(2-1)和倒錐形擴肩區(2-2)用於放置第III主族元素。所述坩堝的錐形籽晶區(2-3)用於放置籽晶。

在本發明的一些具體實施方式中，所述坩堝(2)壁厚優選為0.5～1.5mm；

所述坩堝的圓柱等徑區(2-1)的內徑優選為50～250mm，所述坩堝的圓柱等徑區(2-1)的高度優選為100～300mm；

所述坩堝的倒錐形擴肩區(2-2)的側壁與垂直方向的夾角優選為30～60度，所述坩堝的倒錐形擴肩區(2-2)的高度優選為20～200mm；

所述坩堝的錐形籽晶區(2-3)的頂部內徑優選為2～6mm，所述坩堝的錐形籽晶區(2-3)的底部內徑優選為4～8mm，坩堝的錐形籽晶區(2-3)的高度優選為25～55mm。

優選的，所述坩堝的圓柱等徑區(2-1)的外壁與所述石英管的圓柱等徑區(1-1)的內壁貼合，所述坩堝的倒錐形擴肩區(2-2)的外壁與所述石英管的倒錐形擴肩區的內壁貼合(1-2)。所述坩堝的錐形籽晶區(2-3)置於所述石英管的圓柱籽晶區(1-3)內部。

在本發明的一些優選的方案中，所述石英管(1)與所述坩堝(2)同軸設置。

本發明提供的生長裝置還包括設置於所述石英管的圓柱等徑區的上方內側壁的石英支撐環(4)，優選的，所述石英管(1)上邊沿與所述石英支撐環(4)的垂直距離為50mm～200mm；所述坩堝(2)上邊沿與所述石英支撐環的垂直距離為15～25mm。

在本發明的一些具體實施方式中，所述石英支撐環(4)的厚度為2～5mm，所述石英支撐環(4)的寬度為5～20mm。

作為進一步優選，所述石英支撐環焊接與所述石英管內。

本發明提供的生長裝置還包括設置於所述石英支撐環上的石英槽(3)，所述石英槽(3)的中心位置設置有開口。優選的，所述石英槽(3)為U型石英槽，所述石英槽中心開設的開口用於第V主族元素蒸汽可以進入下方的坩堝內部。

在本發明中，所述石英槽(3)的厚度為2～5mm，所述石英槽(3)的側壁的高度為20～100mm，所述開口的內徑為10～50mm。

在本發明中，所述石英管和石英槽所用的石英材料的純度優選為4N以上，所述坩堝的材質優選為pBN。

本發明還提供了一種採用上述生長裝置生長III-V族半導體晶體的方法，包括以下步驟：

A)將錐形籽晶置於坩堝底部的錐形籽晶區(2-3)，將第III主族元素置於坩堝上部的圓柱等徑區(2-1)以及中部的倒錐形擴肩區(2-2)，將第V主族元素置於石英槽(3)中，得到裝有原料的III-V族半導體晶體的生長裝置；

B)將上述生長裝置抽真空後密封，置於長晶爐中升溫長晶，得到III-V族半導體晶體。

本發明首先將錐形籽晶(上細下粗)放入坩堝底部的錐形籽晶區(2-3)中，確保籽晶緊密貼合坩堝籽晶區，籽晶底端與坩鍋的錐形籽晶區底部平齊。所述籽晶頂端距離坩堝底部的錐形籽晶區(2-3)頂部的垂直距離優選為5～15mm之間。本發明選用錐形的籽晶，一方面可以避免第III主元素熔體的浮力作用，使籽晶從籽晶槽中脫離，另一方面可以起到縮頸的作用，有利於減少晶體位錯密度，提高晶體質量。

接著，將坩堝(2)垂直放置於石英管(1)內，確保二者同軸放置。

然後，在石英管(1)內壁、坩堝(2)頂端上方的位置焊接石英支撐環(4)，將第III主族元素置於坩堝上部的圓柱等徑區(2-1)以及中部的倒錐形擴肩區(2-2)。其中，第III主族元素的純度為5N～7N。

將石英槽(3)放置在石英支撐環(4)上，然後將第V主族元素置於石英槽(3)中，所述第V主族元素的純度為5N～7N。

所述生長裝置和原料安置組裝好後，將上述生長裝置抽真空後密封，置於長晶爐中升溫長晶，得到III-V族半導體晶體。

在本發明中，通過長晶爐爐體結構設計與控制，在進行升溫長晶時，實現溫度梯度，具體參見圖2，圖2為本發明提供的III-V族半導體晶體長晶時與III-V族半導體晶體的生長裝置對應的溫度梯度分布圖。

其中，石英槽(3)之上為第一溫區，所述第一溫區的溫度低於石英槽溫度，溫度梯度在50～200℃/cm，其中，℃/cm是指每cm溫度上升或下降的溫度值。

石英槽(3)所在的區域為第二溫區，溫度恆定，且可以保證石英槽區域的蒸汽壓與III-V族半導體晶體熔點附近的蒸汽壓相同。

石英槽底部到III-V族半導體晶體尾端區域為第三溫區，溫度上升，溫度梯度在100～300℃/cm。III-V族半導體晶體尾端達到溫場的最高值，溫度在III-V族半導體晶體熔點之上50-100℃之間。所述III-V族半導體晶體尾端區域是指生長得到的III-V族半導體晶體的尾端的中心位置。

之後溫度開始降低，由III-V族半導體晶體尾端區域到籽晶中部為第四溫區，溫度梯度在1-10℃/cm之間。籽晶中部區域的溫度降到III-V族半導體晶體熔點附近，溫度範圍為上下5℃之間。

籽晶中部之下的區域為第五溫區，溫度快速下降，溫度梯度不小於50℃/cm。

長晶時，首先將石英管內的溫度升至需要的溫度梯度，靜置50～100h，完成第III主族元素熔體與第V主族元素蒸氣的化合過程。之後維持第一溫區、第二溫區溫度不變，以恆定的降溫速率下降第四溫區的溫度，降低第三溫區和第五溫區高溫點溫度。第四溫區降溫速率為0.1-2℃/h。待第四溫區溫度最高點降至晶體熔點以下10-20℃時，同時下降五個溫區的溫度，直至室溫，完成III-V族半導體晶體的生長。

本發明取代了傳統VGF法使用III-V族半導體多晶作為原料的方法，直接採用III族元素與V族元素作為原料，合成多晶並原位生長單晶。本發明採用五溫區設計方案，結合特殊設計的生長裝置及生長工藝，完成晶體生長。

本發明提供的III-V族半導體晶體生長裝置，採用III族元素在下，V族元素在上的設計模式。將V族元素放在石英管內，坩堝的上方，不僅可以節省空間、簡化爐體結構，而且有助於更好的控制晶體生長。

為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明提供的III-V族半導體晶體的生長裝置及生長方法進行說明，本發明的保護範圍不受以下實施例的限制。

實施例1

晶體的生長裝置，包括石英管、坩堝、U型石英槽、石英支撐環組成。其中，4N石英管壁厚2mm，分為三部分：上部為圓柱等徑區，內徑105mm，高度為300mm；中部為倒錐形擴肩區，與垂直方向成45°角，高度為46mm；底部為圓柱籽晶區，內徑為10mm，高度為50mm；pBN坩堝，壁厚1mm，分為三部分，上部為圓柱等徑區，內徑為101mm，高度100mm；中部為倒錐形擴肩區，與垂直方向成45°角，高度為45mm；底部為錐形籽晶區，頂部內徑為3mm，底部內徑為6mm，高度為40mm。

將長度為30mm的錐形籽晶放入坩堝的錐形籽晶區中，籽晶緊密貼合坩堝的錐形籽晶區，籽晶底端與坩鍋的錐形籽晶區底部平齊，籽晶頂部距離坩堝的錐形籽晶區頂部為10mm。將坩堝垂直放入石英管內，確保兩者同軸。4N石英支撐環厚度為2mm，寬度為10mm，支撐環焊接在石英管內，距離石英管頂端180mm。

將2kg6N鎵單質裝入pBN坩堝內。將U型石英槽放在石英支撐環上。U型石英槽厚度為2mm，高度為50mm，外徑為100mm，中心開口內徑為50mm。將2.2kg6N砷單質放入U型石英槽內。之後將石英管抽真空後密封，放入長晶爐內開始升溫長晶。

通過長晶爐爐體結構設計與控制，實現溫度梯度，具體的：

U型石英槽之上為第一溫區，溫度低於U型石英槽溫度，溫度梯度在50℃/cm。U型石英槽區域為第二溫區，溫區高度為50mm，溫度恆定在630℃。U型石英槽到砷化鎵半導體晶體尾端區域為第三溫區，溫度上升，溫度梯度為300℃/cm。砷化鎵半導體晶體尾端達到溫場的最高值1300℃。之後溫度開始降低，到籽晶中部為第四溫區，溫度梯度為3.6℃/cm。籽晶中部區域的溫度降到1238℃。籽晶中部之下的區域為第五溫區，溫度快速下降，溫度梯度為300℃/cm。

長晶時，首先將石英管內的溫度升至上述溫度，靜置72h，完成鎵熔體與砷蒸氣的化合反應。之後維持第一溫區、第二溫區溫度不變，以1℃/h降溫速率下降第四溫區的溫度，降低第三溫區和第五溫區高溫點溫度。待第四溫區溫度最高點降至1225℃時，同時下降五個溫區的溫度，直至室溫。

本實施例得到的晶體直徑100mm；按照GB/T 8760的要求測試的晶體平均位錯密度在3000/cm2左右，局部位錯密度在500/cm2以下；按照國標GB/T4326的要求測試得到的霍耳電阻率≥107Ω·cm；遷移率5000cm2/Vs左右；晶體平均成晶率約為80％；晶體切片拋光後，晶片質量良好，無生長紋。

實施例2

晶體的生長裝置，包括石英管、坩堝、U型石英槽、石英支撐環組成。其中，4N石英管壁厚2mm，分為三部分：上部為圓柱等徑區，內徑105mm，高度為300mm；中部為倒錐形擴肩區，與垂直方向成60°角，高度為27mm；底部為圓柱籽晶區，內徑為12mm，高度為50mm；pBN坩堝，壁厚1mm，分為三部分，上部為圓柱等徑區，內徑為101mm，長度100mm；中部為倒錐形擴肩區，與垂直方向成60°角，高度為27mm；底部為錐形籽晶區，頂部內徑為5mm，底部內徑為8mm，長度為40mm。

將長度為30mm的錐形籽晶放入坩堝的錐形籽晶區中，籽晶緊密貼合坩堝的錐形籽晶區，籽晶底端與坩鍋的錐形籽晶區底部平齊，籽晶頂部距離坩堝籽晶區頂部為5mm。將坩堝垂直放入石英管內，確保兩者同軸。4N石英支撐環厚度為2mm，寬度為10mm，支撐環焊接在石英管內，距離石英管頂端175mm。

將2.81kg6.5N銦單質裝入pBN坩堝內。將U型石英槽放在石英支撐環上。U型石英槽厚度為2mm，高度為30mm，外徑為100mm，中心開口內徑為50mm。將0.81kg6.5N紅磷單質放入U型石英槽內。之後將石英管抽真空後密封，放入長晶爐內開始升溫長晶。

通過長晶爐爐體結構設計與控制，實現溫度梯度，具體的：

U型石英槽之上為第一溫區，溫度低於U型石英槽溫度，溫度梯度在50℃/cm。U型石英槽區域為第二溫區，溫區高度為30mm，溫度恆定在550℃。U型石英槽到磷化銦半導體晶體尾端區域為第三溫區，溫度上升，溫度梯度為160℃/cm。磷化銦半導體晶體尾端達到溫場的最高值1150℃。之後溫度開始降低，到籽晶中部為第四溫區，溫度梯度為6℃/cm。籽晶中部區域的溫度降到1062℃。籽晶中部之下的區域為第五溫區，溫度快速下降，溫度梯度為200℃/cm。

長晶時，首先將石英管內的溫度升至上述溫度，靜置72h，完成銦熔體與磷蒸氣的化合反應。之後維持第一溫區、第二溫區溫度不變，以1.5℃/h降溫速率下降第四溫區的溫度，降低第三溫區和第五溫區高溫點溫度。待第四溫區溫度最高點降至1050℃時，同時下降五個溫區的溫度，直至室溫。

本實施例得到的磷化銦單晶晶體結晶情況良好；按照SJ/T 3245的要求，測得的晶體平均位錯密度為4000/cm2，局部位錯密度在500/cm2以下；按照國標SJ/T 3244的要求測試得到的載流子濃度<1016/cm3，遷移率3000cm2/Vs；晶體平均成晶率約為30％。

實施例3

晶體的生長裝置，包括石英管、坩堝、U型石英槽、石英支撐環組成。其中，4N石英管壁厚2mm，分為三部分：上部為圓柱等徑區，內徑155mm，高度為300mm；中部為倒錐形擴肩區，與垂直方向成30°角，高度為125mm；底部為圓柱籽晶區，內徑為12mm，長度為50mm；pBN坩堝，壁厚1mm，分為三部分，上部為圓柱等徑區，內徑為151mm，長度100mm；中部為倒錐形擴肩區，與垂直方向成30°角，高度為123mm；底部為錐形籽晶區，頂部內徑為5mm，底部內徑為6mm，高度為40mm。

將長度為30mm的錐形籽晶放入坩堝的錐形籽晶區中，籽晶緊密貼合坩堝的錐形籽晶區，籽晶底端與坩鍋的錐形籽晶區底部平齊，籽晶頂部距離坩堝的錐形籽晶區頂部為10mm。將坩堝垂直放入石英管內，確保兩者同軸。4N石英支撐環厚度為2mm，寬度為10mm，支撐環焊接在石英管內，距離石英管頂端175mm。

將5.1kg6N鎵單質裝入pBN坩堝內。將U型石英槽放在石英支撐環上。U型石英槽厚度為2mm，高度為50mm，外徑為100mm，中心開口內徑為50mm。將2.3kg6N磷單質放入U型石英槽內。之後將石英管抽真空後密封，放入長晶爐內開始升溫長晶。

通過長晶爐爐體結構設計與控制，實現溫度梯度，具體的：

U型石英槽之上為第一溫區，溫度低於U型石英槽溫度，溫度梯度在50℃/cm。U型石英槽區域為第二溫區，溫區高度為50mm，溫度恆定在580℃。U型石英槽到砷化鎵半導體晶體尾端區域為第三溫區，溫度上升，溫度梯度為390℃/cm。砷化鎵半導體晶體尾端達到溫場的最高值1550℃。之後溫度開始降低，到籽晶中部為第四溫區，溫度梯度為3.4℃/cm。籽晶中部區域的溫度降到1467℃。籽晶中部之下的區域為第五溫區，溫度快速下降，溫度梯度為300℃/cm。

長晶時，首先將石英管內的溫度升至上述溫度，靜置72h，完成鎵熔體與磷蒸氣的化合反應。之後維持第一溫區、第二溫區溫度不變，以2℃/h降溫速率下降第四溫區的溫度，降低第三溫區和第五溫區高溫點溫度。待第四溫區溫度最高點降至1450℃時，同時下降五個溫區的溫度，直至室溫。

本實施例得到的晶體直徑150mm；按照國標GB 20229-2006的要求測試得到的載流子濃度1×1017/cm3；遷移率150cm2/Vs左右；晶體平均成晶率約為80％；晶體切片拋光後，晶片質量良好，無生長紋。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。