一種改進(jìn)型梯度凝固GaAs單晶生長方法
【專利摘要】本發(fā)明專利提供了一種改進(jìn)型梯度凝固GaAs單晶生長方法，它對傳統(tǒng)垂直梯度凝固法(VGF)或垂直布里奇曼法(VB)晶體生長裝置進(jìn)行了改造。其特征在于加熱系統(tǒng)被安裝在晶體生長爐頂部，加熱元件為一組串聯(lián)的U型硅鉬棒。爐體內(nèi)溫度分布曲線通過隔熱板形成。GaAs原料在隔熱板以上的高溫區(qū)熔化，熔體在隔熱板形成的溫度梯度區(qū)結(jié)晶生長。獲得的晶體通過下降裝置移至隔熱板以下，高溫原位退火釋放熱應(yīng)力。采用該工藝生長的GaAs單晶具有低位錯、大尺寸以及熱應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種改進(jìn)型梯度凝固GaAs單晶生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種改進(jìn)型梯度凝固GaAs單晶生長方法，屬于晶體生長領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]GaAs化合物屬于II1- V族第二代半導(dǎo)體，其地位僅次于Si材料。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制成的電子器件比相應(yīng)Si器件工作速度快、工作頻率高且具有更寬的工作溫度范圍。這使得GaAs取代Si成為了制作現(xiàn)代超高速電子器件和電路的最重要半導(dǎo)體材料。近幾年來，GaAs材料及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，每年以超過20%的速度增長，2010年其產(chǎn)值已超過了 100億美元。在未來的幾十年內(nèi)，GaAs產(chǎn)業(yè)仍將保持強(qiáng)勁的增長勢頭。GaAs產(chǎn)業(yè)的規(guī)模越來越大，前景十分誘人。
[0003]GaAs單晶材料處于GaAs產(chǎn)業(yè)鏈的上流。目前生長GaAs單晶的技術(shù)主要有水平布里奇曼法(HB)、液封直拉法(LEC)、蒸氣控制直拉法(VCZ)，垂直梯度凝固法(VGF)和垂直布里奇曼法(VB)。HB法設(shè)備較為簡單，可生長低位錯密度的GaAs單晶，但該工藝生長周期長，所得晶體截面呈“D”形，加工成圓片時，造成材料損失，因此利用率低。LEC是首先在高壓單晶爐內(nèi)原位合成GaAs后，再以此為籽晶拉制單晶，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可制備出高純度大尺寸的GaAs單晶，適合規(guī)模生產(chǎn)，但其結(jié)晶質(zhì)量略差，位錯密度高，而且設(shè)備十分昂貴。VCZ是對LEC技術(shù)的一項(xiàng)改進(jìn)，它將坩堝-晶體放置在一充滿As氣氛的內(nèi)生長室中，As蒸氣壓抑制了 GaAs晶體在生長過程中的表面解離，從而獲得了低位錯晶體。但該工藝使生長系統(tǒng)復(fù)雜化了，生長過程無法觀察， 重復(fù)性較差，因而未能用于規(guī)?；a(chǎn)。VGF和VB技術(shù)近幾年被廣泛采用，它們兼具了以上幾種方法的優(yōu)點(diǎn)，可生長出高質(zhì)量大直徑的GaAs單晶，并且設(shè)備成本低很多，因而倍受青睞。
[0004]圖1是常用的VGF (VB)法晶體生長爐結(jié)構(gòu)示意圖。爐子加熱器由多段加熱系統(tǒng)構(gòu)成。程序控制各加熱系統(tǒng)，爐體自下而上被分成多個溫區(qū)(如五、七以及十溫區(qū))，即形成了溫度梯度。GaAs單晶生長是由溫度梯度的作用而完成的。合適的溫度梯度是獲得優(yōu)質(zhì)GaAs單晶的關(guān)鍵。如果溫度梯度太大，晶體中將很容易形成缺陷(如多晶、孿晶、位錯等);如果梯度太小了，熔體則較難結(jié)晶。因此必須對各加熱系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)協(xié)調(diào)，較為煩瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了一種改進(jìn)型梯度凝固GaAs單晶生長方法，簡化了加熱系統(tǒng)。圖2a是新工藝晶體生長爐的結(jié)構(gòu)示意圖，它是對傳統(tǒng)VGF (VB)生長爐的一種改造。
[0006]本發(fā)明的主要內(nèi)容如下:
加熱系統(tǒng)I由一組U型硅鑰棒加熱元件串聯(lián)而成并安裝在爐子7的頂部，它們與外部控溫儀接通。爐子7中央處設(shè)置了隔熱板3，它將爐體分成三個溫區(qū):其上稱為高溫區(qū)T1,其下為低溫區(qū)T3，其間即為溫度梯度區(qū)T2。爐體中的溫度分布曲線與隔熱板3的厚度密切相關(guān)，調(diào)節(jié)隔熱板厚度使T2區(qū)的溫梯在3-20°C /cm之間(圖2b)。熱解氮化硼(PBN)坩堝9通過籽晶槽4固定在鑰質(zhì)定位棒12的凹槽上，防止其歪倒或傾斜。GaAs籽晶鑲嵌在籽晶槽4中，高純GaAs原料填入坩堝9且表面用B2O3覆蓋劑2覆蓋。坩堝系統(tǒng)與As源5 —同裝入反應(yīng)管8中。鑰坐13托住反應(yīng)管8并與下降桿6相連。設(shè)定加熱溫度，GaAs原料在高溫區(qū)熔化，籽晶處于溫度梯度區(qū)，其頂端部分熔融與高溫熔體接觸。熔體隨下降系統(tǒng)移動而在梯度區(qū)內(nèi)逐漸結(jié)晶生長。As源5在低溫區(qū)(溫度始終高于As的氣化點(diǎn))升華以維持系統(tǒng)的蒸汽壓平衡。已生長好的晶體隨下降系統(tǒng)被移至T3區(qū)，進(jìn)行高溫原位退火，釋放熱應(yīng)力。生長結(jié)束，降低溫度取出晶體。
[0007]本發(fā)明與VGF(VB)法生長晶體的原理類似，都是通過溫度梯度的作用使熔體結(jié)晶。它們的區(qū)別在于，本發(fā)明將VGF (VB)法的加熱系統(tǒng)由多段程序控制溫區(qū)簡化成一組串聯(lián)的U型硅鑰棒加熱元件，不需要對晶體生長過程中的加熱功率進(jìn)行程序化調(diào)節(jié)，恒定即可。爐體中的溫度梯度通過隔熱板而形成，重復(fù)性和可靠性都非常高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1 VGF (VB)生長裝置示意圖
圖2改進(jìn)型生長裝置示意圖(a)及溫度分布曲線(b)
圖中:1、加熱系統(tǒng)2、B2O3覆蓋劑 3、隔熱板4、籽晶槽 5、As源6、下降桿7、爐體8、反應(yīng)管9、PBN坩堝10、熔體IUGaAs晶體12、鑰定位棒13、鑰坐
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面結(jié)合GaAs單晶的生長過程對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0010]本發(fā)明中的加熱系統(tǒng) I由一組U型硅鑰棒元件串聯(lián)構(gòu)成，它們安裝在晶體生長爐頂部，其加熱功率在晶體生長過程中保持恒定。調(diào)節(jié)隔熱板3的厚度，控制溫度梯度在3-200C /cm之間。該發(fā)明方法生長GaAs單晶的過程如下:
1、籽晶制備及安裝。對小塊GaAs單晶進(jìn)行定向，確定(001)面，將晶體磨制成圓柱狀籽晶并安裝在PBN坩堝9的籽晶槽4內(nèi)。
[0011]2、原料封裝。將高純原料倒入坩堝9中，同時加入少量B2O3覆蓋劑掩蓋住原料表面。坩堝9通過籽晶槽4被固定于鑰定位棒12上。坩堝系統(tǒng)同As源5 —起裝入反應(yīng)管8中，抽真空后將反應(yīng)管8密封。鑰坐13托住反應(yīng)管8并與下降桿6相連。
[0012]3、晶體生長。爐子程序溫度設(shè)定為1250_1265°C，高溫區(qū)T1的溫度范圍為1250-1265°C，梯度區(qū)T2的溫度范圍為1200_1240°C。GaAs籽晶處于梯度區(qū)，頂部部分熔融與高溫熔體相接觸。下降系統(tǒng)開始工作，GaAs熔體逐漸結(jié)晶。長大后的GaAs晶體隨下降系統(tǒng)移至匕低溫區(qū)，/^是/^的延續(xù)，溫度在1200°C以下。晶體在此區(qū)域被高溫原位退火，釋放了熱應(yīng)力。生長結(jié)束后，降低溫度取出晶體。
[0013]以下為本工藝方法生長GaAs晶體的幾個具體實(shí)施例:
實(shí)施例1
無摻雜GaAs單晶的生長。將4.0 kg高純GaAs多晶原料裝入直徑4英寸的PBN坩堝內(nèi)，坩堝底部事先放置有〈001〉取向、直徑IOmm的籽晶。然后把坩堝置于晶體生長爐中，爐溫控制在1255°C，待恒溫12小時后開始接種生長。晶體生長溫度梯度為7V /cm,生長周期為7天。生長結(jié)束后在恒溫區(qū)內(nèi)850°C下退火10小時，緩慢降溫至室溫，獲得表面光亮無沾潤的GaAs晶體。[0014]實(shí)施例2
低Si摻雜GaAs單晶的生長。3.8 kg高純GaAs多晶原料與55 mg Si混合裝入直徑4英寸的PBN坩堝中，坩堝底部放置有直徑12mm、〈511>取向的籽晶。將PBN坩堝放入晶體生長爐中，爐溫控制在1255°C，待恒溫12小時后開始接種生長。晶體生長溫度梯度為10°C /cm，生長周期為7天。生長結(jié)束后在恒溫區(qū)內(nèi)900°C下退火12小時，緩慢降溫至室溫，可獲得表面光亮無沾潤的4英寸低Si摻雜GaAs晶體。
[0015]實(shí)施例3
重Si摻雜GaAs單晶的生長。高純GaAs多晶原料3.5 kg與80 mg Si—起混合后置于直徑4英寸的PBN坩堝中，坩堝底部事先放置有〈001〉取向、直徑IOmm的籽晶。將PBN坩堝放入晶體生長爐中，爐溫控制在1260°C，待恒溫12小時后開始接種生長。晶體生長溫度梯度為15°C /cm,生長周期為7天。生長結(jié)束后在恒溫區(qū)內(nèi)950°C下退火12小時，緩慢降溫至室溫，可獲得表面光亮無沾潤的4英寸重Si摻雜GaAs晶體。
[0016]需要理解到的是:上述實(shí)施例雖然對本發(fā)明作了比較詳細(xì)的文字描述，但是這些文字描述，只是對本發(fā)明設(shè)計(jì)思路的簡單文字描述，而不是對本發(fā)明設(shè)計(jì)思路的限制，任何不超出本發(fā)明設(shè)計(jì)思路 的組合、增加或修改，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.化合物半導(dǎo)體GaAs單晶采用改進(jìn)型梯度凝固方法進(jìn)行生長，其特征在于: (1)加熱系統(tǒng)安裝在晶體生長爐的頂部，加熱元件為一組串聯(lián)的U型硅鑰棒； (2)晶體生長爐中央設(shè)置有隔熱板，隔熱板將爐體從上至下劃分為三個溫區(qū):高溫區(qū)T1，梯度區(qū)T2以及低溫區(qū)T3; (3)爐子程序溫度設(shè)定為1250-1265°C，高溫區(qū)T1的溫度范圍為1250_1265°C，原料在此區(qū)域熔化；梯度區(qū)T2的溫度范圍為1200-1240°C，熔體在該區(qū)間結(jié)晶生長； 低溫區(qū)T3是T2的延續(xù)，溫度在1200°C以下； (4)籽晶處于溫度梯度區(qū)，頂端部分熔融與高溫熔體接觸；坩堝下降，GaAs單晶以籽晶為基礎(chǔ)生長；已生長好的晶體隨下降系統(tǒng)移至T3區(qū)，晶體在高溫下進(jìn)行原位退火。
2.按權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型梯度凝固GaAs單晶生長工藝，其特征在于加熱系統(tǒng)簡單，晶體生長過程中的加熱功率恒定。
3.按權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型梯度凝固GaAs單晶生長工藝，其特征在于爐體內(nèi)溫度分布曲線與隔熱板厚度密切相關(guān)，調(diào)節(jié)隔熱板厚度使T2區(qū)溫度梯度在3-20°C /cm之間。
4.按權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型梯度凝固GaAs單晶生長工藝，其特征在于晶體在隔熱板以下(T3區(qū))被高溫原 位退火，釋放了熱應(yīng)力，不需要專門另設(shè)加熱系統(tǒng)進(jìn)行退火處理。
【文檔編號】C30B29/42GK103789835SQ201410075134
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】金敏, 徐家躍, 何慶波 申請人:昆山鼎晶鎵業(yè)晶體材料有限公司