一種提高砷化鎵單晶利用率的生長方法

2023-07-08 20:25:36

專利名稱：一種提高砷化鎵單晶利用率的生長方法
技術領域：
本發明涉及一種採用水平溫度梯度法製備方柱狀或平板狀砷化鎵
(GaAs)晶體的一種提高砷化鎵單晶利用率的生長方法，屬於晶體生長領域。
背景技術：
砷化鎵(GaAs)晶體是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，每年以超過35%的速度增長，2005年其產值已超過了 100億 美元。在未來的幾十年內，GaAs產業仍將保持強勁的增長勢頭。GaAs產業 的規模越來越大，前景十分誘人。
1、 CN101063233A、名稱"一種水平摻鉻半絕緣砷化鎵晶體的生長設備"， 它包括一個水平放置的筒形熱場裝置，熱場裝置內對應於保溫層上的視窗在 反應室內反應舟的籽晶腔下部設有一個砷壓腔。該方法簡化了設備，節約了 成本，不足之處在於盛裝砷化鎵原料的石英反應舟截面呈"D"形，因而獲得 的晶體截面亦呈"D"形，當加工成圓片時，材料損失大，利用率低。此外， 石英反應舟在高溫下的承重能力有限，難以獲得大尺寸的砷化鎵晶體。
2、 CN2885891Y、名稱"生長砷化鎵單晶的溫控爐"，其特點是爐體不平 移，爐腔溫度分布場空間分為高溫T,區，中溫T2區，低溫T3區；高溫T1 區由連續IO段組成，從右至左分布；每段與每區均有受計算機控制的獨立
加熱爐絲，獨立溫度測量和各自反饋控制系統；置有砷和鎵的石英舟，放置 在高溫區段，其結晶端處於與中溫區交界的高溫Ti區末端；溫控爐是一個正 方形橫截面的封閉長方體，由超輕氧化鋁保溫材料構成爐襯，用不同規格的
Fe-Cr-Al高溫加熱絲，分別獨立地纏繞在構成溫度場的從第1段直到第12 段的間隔框架內；並設有籽晶的觀察孔，石英封泡和組頸封泡；由溫度傳感 器從腔體引出。利用該技術生長的砷化鎵晶體同樣尺寸較小且截面呈"D"形。
3、目前，GaAs單晶的生長技術主要有水平布裡奇曼法(HB)、液封提 拉法(LEC)、蒸氣控制提拉法(VCZ)、垂直梯度凝固法(VGF)和垂直布裡 奇曼法(VB)。 LEC法可先在高壓單晶爐爐膛內合成多晶料，然後直接原位生 長GaAs晶體，其優點是可製備出高純度、大尺寸的GaAs單晶，但由於固 液界面溫度梯度大，晶體質量略差，位錯密度高，且設備昂貴。VCZ是對 LEC技術的一項改進，它將坩堝-晶體放置在一充滿As氣氛的內生長室中， As蒸氣壓抑制了 GaAs晶體在生長過程中的表面分解和揮發，從而獲得了低 位錯晶體。但該工藝使生長系統更加複雜，生長過程無法觀察，重複性較差， 因而未能用於規模化生產。HB法是較早應用於GaAs晶體的一種生長技術， 其設備較為簡單，技術成熟，可生長低位錯密度的GaAs單晶，它的最大缺 點是所得晶體截面呈"D"形，加工成圓片時材料損失大，利用率低，生長大 尺寸晶體也比較困難。最近，垂直梯度凝固法(VGF)和坩堝下降法(VB) 越來越受到重視，其生長的晶體質量介於提拉法與水平法之間，設備成本也 較低，但VGF法生長的晶體比較短，產能和效率受到限制，VB還不很成熟。

發明內容
設計目的避免背景技術的不足之處，設計一種生長方柱狀和平板狀
GaAs晶體的改進型水平生長方法，以期提高所得晶體的利用率。
設計方案為了實現上述設計目的。本發明採用特殊設計的方形舟坩堝，
既保留了傳統HB方法具有的位錯密度小、設備簡單、容易觀察等優點，又 可有效地提高晶體切片或加工成板狀窗口材料的利用率，同時原位退火方法
的增加，降低了熱應力引起的位錯缺陷，非常適合工業化生產。
技術方案 一種提高砷化鎵單晶利用率的生長方法，採用高純50mo1。/。 的Ga和50 mol。/。的As在密閉反應室內合成GaAs多晶原料，坩堝一端放置 好籽晶，然後將砷化鎵多晶料裝入坩堝，置於水平法晶體生長爐內，升溫到 1250~1290°C，待籽晶前端融化，然後以0.2~2mm/h速率水平移動坩堝，開 始晶體生長，待原料全部結晶後，將坩堝移至恆溫區內，在850 100(TC下保 溫5 8小時時間，以消除晶體內部的熱應力，然後以30 5(TC/h速率緩慢降 溫至室溫，取出晶體。所述的坩堝採用熱解氮化硼坩堝(PBN)，其坩堝的截 面形狀為矩形，坩堝一端放置好籽晶且襯以lmol。/。無水B203。
本發明與背景技術相比， 一是雖然傳統HB方法工藝成熟，所生長的晶 體質量高，但其晶體呈D型或半圓形，切片利用率較低，既使在目前，人們 普遍採用傾斜一定角度的加工方法來提高晶體的利用率，但利用率仍然不高， 而且晶體加工工序複雜；二是計算可知，本發明生長的晶體利用率達到80% 以上，而傳統HB-GaAs利用率只有50%,更重要的是，採用本發明生長相 同直徑的晶體，可以加工出的晶片直徑也要遠遠大於傳統HB生長的晶體； 三是由於傳統HB因為利用率低，生長直徑3英寸晶體只能加工出接近2英 寸的圓片，而採用本發明生長的3英寸GaAs晶體，可直接加工出3英寸晶 圓片，這不僅意味著本發明將突破制約HB法生長大尺寸GaAs晶體的瓶頸， 而且可用於生產3英寸甚至更大尺寸的GaAs晶體。


圖1是本發明生長的GaAs晶體形狀示意圖。
圖2是傳統HB方法生長的GaAs晶體形狀示意圖。
具體實施例方式
實施例l:參照附圖l。 一種提高砷化鎵單晶利用率的生長方法 原料合成採用高純50 moP/。的Ga和50 moP/。的As在密閉反應室內合 成GaAs多晶原料，根據所需生長的晶體要求，配料時可少量富砷或摻入少
量所需雜質，也就是說，通過密閉高溫反應合成GaAs多晶原料時，可以根 據需要在原料合成時添加lmoiy。的As或摻入lmoP/。的Zn或摻入lmolQ/。的 Si或摻入lmol。/。的Te;
坩堝設計採用熱解氮化硼坩堝(PBN)，坩堝形狀設計為矩形(不同於 傳統的圓形)，其截面形狀為矩形的PBN坩堝為正方體形或長方體形。有利 於提高晶體的利用率；
晶體生長坩堝一端放置好籽晶，所述籽晶取向為、或、或 ，或沿其它任意方向，籽晶截面形狀為長方形或正方形。襯以少量無 水8203，目的是為了便於脫模，然後將砷化鎵多晶料裝入PBN坩堝，置於 水平法晶體生長爐內，升溫到1250 129(TC範圍內且包括端值，待籽晶前端 融化，以0.2 2mm/h範圍內的速率且包括端值水平移動坩堝，開始晶體生長。 為了便於觀察晶體的生長，在爐體側面設計一窄縫窗口，安裝攝像頭並隨時 將晶體生長的固液界面情況反饋到監控計算機上，從而有利於實現自動化生 產；
退火處理待原料全部結晶後，將坩堝移至恆溫區內，在850 100(TC下 保溫一定的時間，以消除晶體內部的熱應力，然後以30 50"C/h範圍內的速 率且包括端值緩慢降溫至室溫，取出晶體。
舉例說明如下
例1:將富As的高純GaAs多晶原料6kg，裝入截面邊長為3英寸的PBN 坩堝內，坩堝一端事先放置好取向的籽晶，襯以lmol。/。以內無水B203， 在水平布裡奇曼爐中生長晶體，爐溫控制在128(TC，生長周期為5天，生長 結束後晶體移至爐膛內恆溫區內IOO(TC下退火10小時，緩慢降溫至室溫， 在王水溶液中浸泡，可獲得表面光亮無沾潤的3英寸柱狀GaAs晶體。
例2:採用截面為90mm(寬)x30mm(高)的PBN坩堝，坩堝一端事先放置 好取向的籽晶，襯以111101%以內無水8203，將富As的高純GaAs多晶 原料共4.5kg裝入坩堝內，在水平布裡奇曼爐中生長晶體，爐溫控制在1280°C，生長速率為0.6mm/h。生長結束後晶體移至爐膛內恆溫區內1000°C 下退火10小時，以50°C/h速率緩慢降溫至室溫，在王水溶液中浸泡，可獲 得表面光亮無沾潤的板狀GaAs晶體。
例3:在4.0 kg合成好的富As高純GaAs多晶原料中，加入90 mg高純 矽，混合均勻，裝入截面邊長為3英寸的PBN坩堝內，坩堝一端事先放置好 取向的籽晶，襯以lmoin/。以內無水B203，在水平布裡奇曼爐中生長晶 體，爐溫控制在128(TC，生長速率為0.5mm/h。生長結束後，將晶體移至爐 膛恆溫區內，在1000'C下退火10小時，緩慢降溫至室溫，在王水溶液中浸 泡，可獲得表面光亮無沾潤的重摻Si的三英寸GaAs晶體。
需要理解到的是上述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、一種提高砷化鎵單晶利用率的生長方法，採用高純50mol％的Ga和50mol％的As在密閉反應室內合成GaAs多晶原料，坩堝一端放置好籽晶，然後將砷化鎵多晶料裝入坩堝，置於水平法晶體生長爐內，升溫到1250～1290℃，待籽晶前端融化，然後以0.2～2mm/h速率水平移動坩堝，開始晶體生長，待原料全部結晶後，將坩堝移至恆溫區內，在850～1000℃下保溫5～8時間，以消除晶體內部的熱應力，然後以30～50℃/h速率緩慢降溫至室溫，取出晶體，其特徵是；所述的坩堝採用熱解氮化硼坩堝(PBN)，其坩堝的截面形狀為矩形，坩堝一端放置好籽晶且襯以1mol％無水B2O3。
2、 根據權利要求1所述的提高砷化鎵單晶利用率的生長方法，其特徵在於 通過密閉高溫反應合成GaAs多晶原料時，可以根據需要在原料合成時添加 1 mol。/。的As或摻入1 mol。/。的Zn或摻入1 mol。/。的Si或摻入1 mol。/。的Te。
3、 根據權利要求1所述的提高砷化鎵單晶利用率的生長方法，其特徵在於截面形狀為矩形的PBN坩堝為正方體形或長方體形。
4、 根據權利要求1所述的提高砷化鎵單晶利用率的生長方法，其特徵在於 所述籽晶取向為、或、 或，或沿其它任意方向，籽晶截 面形狀為長方形或正方形。
全文摘要
本發明涉及一種採用水平溫度梯度法製備方柱狀或平板狀砷化鎵(GaAs)晶體的一種提高砷化鎵單晶利用率的生長方法，採用高純50mol％的Ga和50mol％的As在密閉反應室內合成GaAs多晶原料，所述的坩堝採用熱解氮化硼坩堝(PBN)，其坩堝的截面形狀為矩形，坩堝一端放置好籽晶且襯以1mol％無水B2O3，然後將砷化鎵多晶料裝入坩堝，置於水平法晶體生長爐內，升溫到1250～1290℃，待籽晶前端融化，然後以0.2～2mm/h速率水平移動坩堝，開始晶體生長，待原料全部結晶後，將坩堝移至恆溫區內，在850～1000℃下保溫5～8小時時間，以消除晶體內部的熱應力，然後以30～50℃/h的速率緩慢降溫至室溫，取出晶體。
文檔編號C30B29/42GK101348939SQ20081012048
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月8日 優先權日2008年9月8日
發明者何慶波, 徐家躍, 胡同兵, 敏 金 申請人:杭州上晶光電有限公司