專利名稱：直拉法生長銻化鎵單晶的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是雙坩堝法直拉GaSb單晶的改進(jìn)，屬于從熔體提拉單晶的雙坩堝方法。
隨著光纖通訊的發(fā)展，GaInAsP、GaInAsSb等四元系Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體激光器和光探測器，由于它們的發(fā)射或接收波長大于1.5μ，能很好地與氟化物玻璃光纖匹配，損耗小，可用于長距離光通訊，因此，近年來得到了迅速發(fā)展。為了制造這類四元系器件，襯底材料的晶格常數(shù)必須與這類Ⅲ-Ⅴ族化合物固溶體的晶格常數(shù)一致或相近。GaSb晶體滿足這一基本要求，因而對GaSb單晶的需求增長，對GaSb單晶生長的研究也越來越受到重視。
直拉法生長GaSb單晶，最大的困難是熔體表面容易生成氧化物浮渣，使得用通常的直拉方法只能生長出多晶或?qū)\晶。為了解決這一困難，早期采用雙坩堝方法(CompoundSemiconductorsVol1，pp187-193，1962;Jap.J.ApplPhys19pp753，1980)，該方法采用內(nèi)、外二個坩堝，當(dāng)GaSb原料在外坩堝熔化后，再將固定在操作桿上的底部帶小孔的內(nèi)坩堝插入熔體，熔體從小孔注入內(nèi)坩堝時，排除了表面浮渣。該方法具有方法簡單，生長方便的優(yōu)點，但由于內(nèi)坩堝不能轉(zhuǎn)動，軸向溫度梯度大，造成晶體孿生和高位錯(Cryst.Res.Techmol24pp275，1989)，因此，1980年以后就沒有這種方法的報導(dǎo)。八十年代初期發(fā)展的復(fù)蓋劑方法(J.Cryst.Growth56pp39，1982and60pp79，1982)是在GaSb熔體表面復(fù)蓋一層低熔點(645℃)的KCl-NaCl共晶組分熔鹽或復(fù)蓋加入了氟化物(如Na3AlF6)的熔融B2O3，以保持熔體表面的清潔。該方法雖然能抑制GaSb表面氧化物浮渣的生成，但卻增加了由復(fù)蓋劑引起的玷污。目前，二步生長法(Jap.J Appl Phys 21 pp 956，1982;Cryst.Res.Technol 24 pp 275，1989)被認(rèn)為是生長GaSb較好的方法。該法將高純Ga、Sb在單晶爐內(nèi)合成，經(jīng)一次晶體生長得到多晶GaSb，然后磨去或噴砂清除多晶GaSb表面的氧化層，經(jīng)腐蝕和清潔處理后作為第二次晶體生長的原料。二步生長過程均在純氫氣氛下進(jìn)行，它既排除了復(fù)蓋劑引入的玷污，也避免了雙坩堝法內(nèi)坩堝不能轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致的熱場分布不均。但二步生長法盡管在氫氣氣氛下合成和生長抑制了生長過程中氧化膜的生成，卻不能去除原料中引入的氧化物，而且分成二次生長晶體，工藝流程長，生長效率低，成本高。
GaSb晶體生長可采用<111>和<100>晶向，但<100>晶向生長單晶時難以控制晶體直徑，容易產(chǎn)生孿晶(Cryst.Res.Technol24pp275，1989)，這是Ⅲ-Ⅴ族化合物晶體結(jié)構(gòu)本身的原因，但如控制好晶體生長的熱場分布及生長工藝，也能生長出質(zhì)量高的單晶。
本發(fā)明的目的在于改進(jìn)生長GaSb單晶的雙坩堝方法，既保留了雙坩堝法能得到無浮渣的熔體的特點，又能解決雙坩堝法的內(nèi)坩堝不能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致熱場分布不均的問題，使生長的單晶質(zhì)量能達(dá)到二步生長法同樣的水平，同時克服了二步生長法工藝復(fù)雜，成本高的缺點。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于設(shè)計一套用于GaSb晶體生長的雙坩堝及其操縱系統(tǒng)，使底部帶孔的內(nèi)坩堝能固定在外坩堝上并隨外坩堝同步旋轉(zhuǎn)，這樣，既可使熔體從底部小孔進(jìn)入內(nèi)坩堝，排除了熔體的浮渣，又改善了晶體生長時的熱場分布。
本發(fā)明直拉法生長GaSb單晶方法的專用裝置包括單晶爐及石英雙坩堝，本發(fā)明的特征在于雙坩堝的石英外坩堝上部開有三個或三個以上沿圓周對稱分布的L形或反L形的槽，石英內(nèi)坩堝的上沿有三個或三個以上沿圓周對稱分布的掛鉤，其底部有小孔，在單晶爐的摻雜用機(jī)械手上安裝石英蓋板和石英撥棒。
本發(fā)明生長GaSb單晶的方法包括裝料、加熱、拉晶等通常的雙坩堝直拉單晶方法，其特征在于降下籽晶前將GaSb多晶料或Ga、Sb原料裝入外坩堝后，將內(nèi)坩堝掛在外坩堝上沿并在單晶爐摻雜用機(jī)械手上裝好石英蓋板和石英撥棒，當(dāng)關(guān)閉爐門并加熱使原料在外坩堝中熔化和均勻化后，用機(jī)械手上的石英撥棒將內(nèi)坩堝上沿的掛鉤置于外坩堝的L形或反L形槽內(nèi)，降下石英壓板，使內(nèi)坩堝下沉。熔體通過底部小孔進(jìn)入內(nèi)坩堝，當(dāng)內(nèi)坩堝上的掛鉤被壓到外坩堝槽的底邊時，用石英撥棒將內(nèi)坩堝掛鉤撥入外坩堝L形或反L形槽的橫槽內(nèi)，提起石英蓋板，移開機(jī)械手。然后即以通常方法在純氫氣氛下生長GaSb單晶。
使用本發(fā)明的方法和裝置，用GaSb多晶料或元素Ga、Sb原位合成料均可得到內(nèi)坩堝無浮渣的熔體。由于內(nèi)坩堝的掛鉤置于外坩堝的L或反L形槽內(nèi)(L或反L形視單晶爐坩堝旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向而定)，使內(nèi)坩堝可與外坩堝同步旋轉(zhuǎn)，大大改善了普通雙坩堝法的熱場分布，即使采用<100>晶向，也能得到無孿生的圓形GaSb單晶。用本方法生長的GaSb單晶的技術(shù)參數(shù)為直徑50mm，滲Te、n型，n＝1.7-11×1017cm-3，μ＝2800-3300cm2/V·S，位錯密度小于103cm-3。這些參數(shù)與國外得到的典型GaSb單晶相當(dāng)(見Specifications ofSumitomoⅢ-ⅤSemiconductors，pp28，1986)。本發(fā)明的坩堝加工方便易行，生長方法簡單、實用，效率高，成本低，得到的大直徑、低位錯GaSb單晶完全能滿足長波長光電器件和太陽能電池襯底材料的要求。


圖1-3是本發(fā)明裝置的實施例。
圖1是本發(fā)明的石英內(nèi)坩堝，圖中1是下部為半球形而上部為圓柱形的石英坩堝，2是底部小孔，3是沿圓周呈120°對稱分布的三個掛鉤。
圖2是本發(fā)明的石英外坩堝，圖中4是下部為半球形而上部為圓柱形的石英坩堝，5是沿圓周呈120°對稱分布的反L形槽。
圖3是本發(fā)明的內(nèi)外坩堝套合前的坩堝、單晶爐上的機(jī)械手和坩堝套合裝置示意圖。此時，內(nèi)坩堝的掛鉤置于外坩堝上沿。圖中6是機(jī)械手，7是石英撥棒，8是石英壓板，9是內(nèi)坩堝，10是外坩堝。
本發(fā)明實施例的石英內(nèi)坩堝上部直徑75mm，高55mm，底部小孔直徑6mm，掛鉤呈
形，長邊長10mm，短邊長5mm，截面為圓形，直徑4.5mm。外坩堝上部直徑90mm，高100mm，反L形槽寬5mm，深45mm，短邊為15mm。石英壓板為長方形，長度各為75mm與22mm。
將GaSb多單晶料或元素Ga、Sb料置于外坩堝中，將外坩堝裝入單晶爐，將內(nèi)坩堝掛在外坩堝上沿，在摻雜用機(jī)械手上安裝好石英撥棒和石英蓋板，關(guān)上單晶爐門，抽真空后，充入超純氫氣，加熱。
待GaSb熔化并均勻化后下降機(jī)械手，用石英撥棒將內(nèi)坩堝上的掛鉤撥入外坩堝的反L形槽內(nèi)，降下石英壓板，將內(nèi)坩堝浸入外坩堝熔體中，熔體通過底部小孔流入內(nèi)坩堝，當(dāng)內(nèi)坩堝掛鉤被壓入反L形槽底部時，再用石英撥棒將掛鉤撥至外坩堝L形槽的橫槽內(nèi)，將機(jī)械手提起并移至爐壁，完成內(nèi)外坩堝套合。
反方向旋轉(zhuǎn)坩堝，降下籽晶，在純氫氣氛下按常規(guī)直拉方法生長GaSb單晶。
權(quán)利要求
1.一種直拉法生長銻化鎵單晶的方法，包括裝料、加熱、拉晶等通常的雙坩堝法直拉銻化鎵單晶的方法，其特征在于在降下籽晶前Ⅰ.在GaSb多晶料或元素Ga、Sb料裝入外坩堝后，將內(nèi)坩堝掛在外坩堝上沿，并在機(jī)械手上安裝好石英蓋板和石英撥棒，Ⅱ.當(dāng)關(guān)閉單晶爐門并加熱使外坩堝中的原料熔化及均勻化后，用機(jī)械手上的石英撥棒將內(nèi)坩堝上的掛鉤撥入外坩堝的L或反L形槽內(nèi)，Ⅲ.降下機(jī)械手上的石英壓板，使內(nèi)坩堝下沉，熔體通過底部小孔進(jìn)入內(nèi)坩堝，Ⅳ.當(dāng)內(nèi)坩堝上的掛鉤被壓到外坩堝L或反L形槽的底邊時，用石英撥棒將內(nèi)坩堝掛鉤撥入外坩堝L形或反L形槽的橫槽內(nèi)，Ⅴ.提起石英蓋板，移開機(jī)械手。
2.一種如權(quán)利要求1所述的直拉法生長銻化鎵單晶方法的裝置，包括單晶爐及石英雙坩堝，其內(nèi)坩堝的底部有小孔，本發(fā)明的特征在于石英外坩堝上部開有三個或三個以上沿圓周對稱分布的L形或反L形的槽，石英內(nèi)坩堝的上沿有三個或三個以上沿圓周對稱分布的掛鉤，在單晶爐的摻雜用機(jī)械手上安裝有石英蓋板和石英撥棒。
3.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所說的外坩堝的L或反L形槽和內(nèi)坩堝的掛鉤都是三個，且都沿圓周呈120°對稱分布。
4.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所說的石英內(nèi)坩堝上的掛鉤為
形。
全文摘要
本發(fā)明是雙坩堝法直拉GaSb單晶的改進(jìn)，屬于從熔體中直拉單晶的雙坩堝法，其特征在于在外坩堝上沿有L形或反L形槽，內(nèi)坩堝上裝有掛鉤，單晶爐機(jī)械手上有壓板和撥棒，在下降籽晶拉晶前，使內(nèi)坩堝的掛鉤置于外坩堝槽的橫槽內(nèi)，從而使內(nèi)外坩堝同步旋轉(zhuǎn)，改進(jìn)了雙坩堝法生長單晶的熱場分布。本發(fā)明的坩堝加工方便易行，生長方法簡單、實用，效率高，成本低，能生長大直徑、低位錯、滿足器件需要的單晶GaSb襯底材料。
文檔編號C30B15/12GK1070009SQ9110748
公開日1993年3月17日 申請日期1991年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月3日
發(fā)明者莫培根, 談惠祖, 杜立新, 范向群, 吳巨 申請人:中國科學(xué)院上海冶金研究所