專利名稱：砷化鎵單晶的生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長領(lǐng)域，特別涉及砷化鎵單晶的生長方法，具體地說，是用雙加熱溫度梯度法(Double-heating Temperature GradientTechnique，DTGT)生長低位錯密度、低熱應(yīng)力和均勻性好的高質(zhì)量砷化鎵(GaAs)晶體。
背景技術(shù)：
砷化鎵(GaAs)是III-V族化合物半導體中最重要、用途最廣的半導體材料，現(xiàn)在公認它的重要性僅次于硅。砷化鎵(GaAs)是由兩種元素組成的化合物，它和單元素的硅、鍺半導體材料有很多不同點，它的最大特點是適于制造高頻、高速和發(fā)光器件。砷化鎵(GaAs)材料具有耐熱、耐輻射及對磁場敏感特性，其電子遷移率比硅高約5倍，因此砷化鎵(GaAs)器件的運算速度也比硅高得多。此外，砷化鎵(GaAs)器件還具備高頻、高速、低噪聲、低工作電壓等功能。砷化鎵(GaAs)材料不但有高遷移率，而且有半絕緣性質(zhì)，容易設(shè)計出隔離性好、高速、高頻、低噪聲、低功率消耗的器件或集成電路，很好地滿足通訊產(chǎn)業(yè)及個人電腦迅速發(fā)展的需求。近年來，砷化鎵(GaAs)材料所具有的獨特性能及其在軍事、民用和產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的廣泛用途，極大地引起各國的高度重視，并投入大量資金進行開發(fā)和研究。
然而，砷化鎵(GaAs)單晶制備的難度大，這是因為不但砷化鎵在其熔點下有較高的分解壓，組分難控制，而且鎵在高溫下化學性質(zhì)活潑，污染嚴重。這些因素導致砷化鎵(GaAs)單晶生長速度慢、材料機械強度弱、位錯密度低、熱應(yīng)力大和完整性差。目前生長砷化鎵單晶的主要方法有液封直拉法(LEC)、水平布里奇曼法(HB)、垂直布里奇曼法(VB)或者垂直梯度凝固法(VGF)和蒸汽壓控制直拉法(VCZ)。液封直拉法(LEC)是生長用于制備高頻、高速器件和電路的準非摻雜半絕緣砷化鎵單晶的基本工藝。(參見D.T.J.Hurle，B.Cockayne著，Handbook of Crystal Growth，vol.2a，1994年，99頁)。水平布里支曼法(HB)是目前大量生產(chǎn)半導體砷化鎵的主要工藝，是一種利用石英舟、管的熱壁生長技術(shù)，在常壓下生長，可靠性好(參見P.Rudolph，F(xiàn).Kiesling著，Crystal Res.Technol.1988年，23期，1207頁)。用該法生長的摻硅或摻鋅砷化鎵材料是制備發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)的主要襯底材料。VB、VGF法是近年開發(fā)的能生長大直徑、高質(zhì)量GaAs單晶的生長方法(參見W.A.Gault，E.M.Monberg，J.E.Clemans著，J.Crystal Growth 1986年，74期，491頁)。此法能生長用于LED和LD的摻雜單晶，也能生長用于IC的半絕緣GaAs單晶。蒸氣壓控制直拉法(VCZ)是在LEC爐內(nèi)設(shè)計一個內(nèi)存V族元素氣氛的密封容器，GaAs融液在B2O3覆蓋下，在密封容器中進行拉制單晶的生長方法(參見P.Rudolph，M.Neubert，S.Arulkumaran，M.Seifert著， Crystal Res.Techno.1997年，32期，35頁)。此法是生長用于GaAs IC的大直徑、高質(zhì)量GaAs單晶的很有前途的方法。
在先技術(shù)中，液封直拉法(LEC)主要缺點是Ga、As易穿過B2O3損失、化學計量控制困難、溫度場是高度非線性的，溫度梯度達100～150k/cm，晶體中位錯密度高達(0.5～1)×105，而且分布不均勻；此外，熔體中存在不穩(wěn)定對流，氣相中也存在著紊流，這些都影響晶體的均勻性和應(yīng)力分布。水平布里支曼法(HB)的缺點是難以生長準非摻雜晶體，所生長晶體截面為D形，加工成器件制備所需的圓片會造成一定浪費。另外，因高溫下石英舟管的承重能力受限，難以生長直徑大于76mm的砷化鎵單晶。垂直梯度凝固法(VB/VGF)不足之處是生長單晶時，溫度梯度雖然較其它方法小，梯度仍然不是非常低。蒸氣壓控制直拉法(VCZ)的缺點是設(shè)備復雜，生產(chǎn)效率較低，如果用于工業(yè)化批量生產(chǎn)其成本壓力較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服在先技術(shù)的不足，提出一種砷化鎵單晶的生長方法，它能生長出位錯密度低、熱應(yīng)力小和均勻性好的高質(zhì)量砷化鎵單晶。
本發(fā)明所用的雙加熱溫度溫梯法生長氟化鈣晶體的裝置稱為雙加熱溫度梯度爐。溫度梯度爐裝置圖見圖1，它包括放置在簡單鐘罩式真空電阻爐內(nèi)的坩堝，發(fā)熱體和屏蔽裝置。
坩堝1通過籽晶槽置于鉬質(zhì)的坩堝定位棒2的圓形凹槽內(nèi)，以防坩堝的傾斜或歪倒。坩堝定位棒穿過氧化鋯保溫環(huán)3的中心孔、置于鉬座4的中心凹槽內(nèi)，氧化鋯保溫環(huán)3下部的凸起置于鉬座4的定位圈內(nèi)。鉬座4下部有坩堝桿托槽正好套在水冷坩堝桿5的頂部。坩堝定位棒2通過鉬座4與水冷坩堝桿5構(gòu)成具有一定熱傳導能力的通道。坩堝桿5可升降以適當調(diào)節(jié)坩堝的位置。氧化鋯保溫環(huán)3上有熱偶孔。兩個水冷電極6的上端裝上一對對稱主電極板7，主電極6穿過主電極板7上的孔，利用螺帽8將電極板壓緊固定。
兩個主電極6上均開對稱的環(huán)狀梯形槽，石墨筒主發(fā)熱體11為標準圓筒狀，置于該環(huán)狀梯形槽內(nèi)，并用壓環(huán)9壓緊。主電極板7上環(huán)形槽內(nèi)放置絕緣環(huán)10，絕緣環(huán)10的作用是托住側(cè)屏蔽筒和上熱擋板并保持溫場穩(wěn)定。下發(fā)熱體(輔發(fā)熱體)12為錐狀，位于坩堝1中下方，安裝在兩個水冷輔電極的上端，利用螺帽將電極板壓緊固定，兩個輔電極板上均開對稱的環(huán)狀梯形槽，石墨筒輔發(fā)熱體12置于該環(huán)狀梯形槽內(nèi)，并用壓環(huán)壓緊。
保溫屏蔽裝置包括下熱擋板、側(cè)屏蔽筒和上熱擋板。下熱擋板有數(shù)層(例如10～22層)鉬片構(gòu)成，放置在主電極板7下方，剛玉絕緣托環(huán)13和坩堝桿5之間。在發(fā)熱體周圍放置了側(cè)屏蔽筒，它由內(nèi)屏蔽筒16、屏蔽筒17和不銹鋼保護筒19組成。其特點在于為了確保內(nèi)屏蔽筒16在石墨碳氣氛的高溫下不被熔化和變形，內(nèi)屏蔽筒是一個內(nèi)層襯有鎢片的鉬筒。屏蔽筒由多層同軸的鉬筒構(gòu)成，鉬筒與鉬筒之間放進鉬質(zhì)的波浪式隔條18，使各鉬筒之間等距離隔開確保溫場均勻?qū)ΨQ，側(cè)屏蔽筒的外層是不銹鋼保護筒19，由螺釘14固定在側(cè)屏蔽筒的底板15上，以利于屏蔽裝置的安裝。上熱擋板置于坩堝1和主發(fā)熱體11的上方，主要由帶有中心孔的鉬片構(gòu)成，其特征在于與發(fā)熱體最接近的第一層上熱擋板20為鎢片，防止鉬片與鉬筒粘結(jié)，為了增加上熱擋板的保溫效果。在上熱擋板中增加一塊保溫性能好的顆粒狀陶瓷材料組成的帶中心孔的隔熱板21，該隔熱板可為空心球剛玉板，或顆粒狀結(jié)構(gòu)的氧化鋯板。在不銹鋼保護筒和上熱擋板的上方有一個不銹鋼保溫罩，以減少屏蔽裝置內(nèi)外的氣體對流。
另外有上下兩對供測溫和控溫用的熱電偶22和23，上熱電偶22位于坩堝上部，穿過上隔熱板中心孔，下熱電偶23伸到坩堝1底部，與鉬座4上開有長方形熱偶槽與熱偶孔相配合，裝上測溫熱電偶23之后利用長方形壓塊壓緊。
本發(fā)明用雙加熱溫度梯度法生長砷化鎵晶體的工藝過程如下步驟一坩堝和生長爐的預燒處理在坩堝未裝原料的情況下，對于氮化硼坩堝和生長爐內(nèi)的裝置進行高溫預燒結(jié)處理，其目的是純化坩堝和除去爐壁和生長裝置所吸附的水分和揮發(fā)性雜質(zhì)。具體做法雙加熱溫度梯度爐抽真空到真空度小于6×10-3Pa、以50-150℃/小時的速率升溫到1300-1500℃，保溫24～48小時，降溫速率為50-150℃/小時，降至室溫后打開爐罩。
步驟二晶體生長過程將定向好的砷化鎵籽晶放入氮化硼坩堝的籽晶槽中，將坩堝置于坩堝定位棒的圓形凹槽內(nèi)，在坩堝中放入按比例混合好的原料，氮化硼坩堝上覆蓋氧化鋁剛玉板以防止原料的揮發(fā)。將爐體的其它組件裝配到位，放下鐘罩；打開真空系統(tǒng)對生長爐抽高真空，當真空度小于6×10-3Pa后，充入高純保護氬氣或氮氣，氣壓為0.01～0.05MP，啟動生長控制程序，升溫速率為10-100℃/小時，升溫至1300-1500℃，恒溫3～12小時，以2～10℃/小時速率降溫至900～1100℃。
步驟三高溫原位退火當砷化鎵晶體結(jié)晶結(jié)束后，爐內(nèi)溫度降至900～1100℃時，保溫1～30小時，通過調(diào)節(jié)雙加熱電源的輸出功率實現(xiàn)晶體的原位退火，退火結(jié)束后以5～20℃/小時降至室溫，晶體生長完畢。
本發(fā)明使用雙加熱溫度梯度法生長砷化鎵晶體的特點是砷化鎵晶體生長時溫度梯度與重力方向相反，并且坩堝、晶體和發(fā)熱體都不移動，這就避免了熱對流和機械運動產(chǎn)生的熔體渦流；砷化鎵晶體生長以后，由熔體包圍，仍處于熱區(qū)?？梢钥刂扑睦鋮s速度，減少熱應(yīng)力。而熱應(yīng)力是產(chǎn)生砷化鎵晶體裂紋和位錯的主要因素；砷化鎵晶體生長時，固液界面處于熔體包圍之中。這樣熔體表面的溫度擾動和機械擾動在到達固液界面以前可被熔體減小以致消除。這對生長高質(zhì)量砷化鎵的晶體起很重要的作用；生長爐的溫度梯度由兩個獨立的發(fā)熱體共同控制，可以使砷化鎵晶體生長時固液界面的溫度梯度非常小，有利于生長低位錯密度的晶體。生長結(jié)束后，通過調(diào)整主、副電源的輸出功率，進一步減小爐內(nèi)溫度梯度。甚至可以將爐內(nèi)溫度梯度調(diào)整為零，即均勻溫度場，因此可以有效地實現(xiàn)“原位退火”，極大地減小晶體的內(nèi)熱應(yīng)力。


圖1是雙加熱溫度梯度法(DTGT)所用的生長爐內(nèi)部裝置結(jié)構(gòu)剖視圖。
具體實施例方式
實施例1步驟一坩堝和生長爐的預燒處理在坩堝中未裝原料的情況下，對于氮化硼坩堝和生長爐內(nèi)的裝置進行高溫預燒結(jié)處理。具體做法雙加熱溫度梯度爐抽真空到真空度為3×10-3Pa、以50℃/小時的速率升溫到1500℃，保溫24小時，降溫速率為50℃/小時，降至室溫后打開爐罩。
步驟二晶體生長過程定向好的砷化鎵籽晶放入尺寸為50×70mm3坩堝1的籽晶槽中，將坩堝1置于坩堝定位棒2的圓形凹槽內(nèi)；在坩堝1中放入砷化鎵原料；爐體的其它組件裝配到位，放下鐘罩；打開真空系統(tǒng)對生長爐抽高真空，當真空度為3×10-3Pa后，充入高純保護氬氣或氮氣，氣壓為0.01MPa，啟動生長控制程序，升溫速率為20℃/小時，升溫至1400℃，恒溫12小時，以2℃/小時速率降溫至900℃。
步驟三高溫原位退火當晶體結(jié)晶結(jié)束后，爐內(nèi)溫度降至900℃時，保溫30小時，通過調(diào)節(jié)雙加熱電源的輸出功率，將生長爐內(nèi)的溫度梯度調(diào)整為零，即溫度均勻的溫場，實現(xiàn)氟化鈣晶體的原位退火，退火結(jié)束后以5～20℃/小時降至室溫，晶體生長完畢。
權(quán)利要求
1.一種砷化鎵單晶的生長方法，其特征在于采用雙加熱溫度溫梯爐進行生長，具體步驟如下①坩堝和生長爐的預燒處理在坩堝未裝原料的情況下，對于氮化硼坩堝和生長爐內(nèi)的裝置進行高溫預燒結(jié)處理，具體做法對雙加熱溫度梯度爐抽真空，真空度小于6×10-3Pa后，以50-150℃/小時的速率升溫到1300-1500℃，保溫24～48小時，降溫速率為50-150℃/小時，降至室溫后打開爐罩；②晶體生長過程將定向好的砷化鎵籽晶放入氮化硼坩堝的籽晶槽中，將坩堝置于坩堝定位棒的圓形凹槽內(nèi)，在坩堝中放入按比例混合好的原料，氮化硼坩堝上覆蓋氧化鋁剛玉板，將爐體的其它組件裝配到位，放下鐘罩；打開真空系統(tǒng)對生長爐抽高真空，當真空度小于6×10-3Pa后，充入高純保護氬氣或氮氣，氣壓為0.01～0.05MP；啟動生長控制程序，升溫速率為10-100℃/小時，升溫至1300-1500℃，恒溫3～12小時，以2～10℃/小時速率降溫至900～1100℃；③高溫原位退火當砷化鎵晶體結(jié)晶結(jié)束后，爐內(nèi)溫度降至900～1100℃時，保溫1～30小時，退火結(jié)束后，以5～20℃/小時降至室溫，晶體生長完畢。
全文摘要
一種砷化鎵單晶的生長方法，其特征在于采用雙加熱溫度溫梯爐進行生長，具體步驟包括①坩堝和生長爐的預燒處理，②晶體生長，③高溫原位退火。采用本發(fā)明方法生長的砷化鎵單晶具有位錯密度低、熱應(yīng)力小和均勻性好的特點。
文檔編號C30B29/42GK1657659SQ20041009302
公開日2005年8月24日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者周國清, 董永軍, 徐軍, 錢曉波, 李曉清, 蘇鳳蓮 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所