專利名稱：一種提高砷化鎵單晶利用率的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用水平溫度梯度法制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(zhǎng)方法，屬于晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
砷化鎵(GaAs)晶體是重要的化合物半導(dǎo)體材料，是第二代半導(dǎo)體的典 型代表，其地位僅次于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(lái)，GaAs材料及其相關(guān) 產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，每年以超過(guò)35%的速度增長(zhǎng)，2005年其產(chǎn)值已超過(guò)了 100億 美元。在未來(lái)的幾十年內(nèi)，GaAs產(chǎn)業(yè)仍將保持強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。GaAs產(chǎn)業(yè) 的規(guī)模越來(lái)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(zhǎng)設(shè)備"， 它包括一個(gè)水平放置的筒形熱場(chǎng)裝置，熱場(chǎng)裝置內(nèi)對(duì)應(yīng)于保溫層上的視窗在 反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)舟的籽晶腔下部設(shè)有一個(gè)砷壓腔。該方法簡(jiǎn)化了設(shè)備，節(jié)約了 成本，不足之處在于盛裝砷化鎵原料的石英反應(yīng)舟截面呈"D"形，因而獲得 的晶體截面亦呈"D"形，當(dāng)加工成圓片時(shí)，材料損失大，利用率低。此外， 石英反應(yīng)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(zhǎng)砷化鎵單晶的溫控爐"，其特點(diǎn)是爐體不平 移，爐腔溫度分布場(chǎng)空間分為高溫T,區(qū)，中溫T2區(qū)，低溫T3區(qū)；高溫T1 區(qū)由連續(xù)IO段組成，從右至左分布；每段與每區(qū)均有受計(jì)算機(jī)控制的獨(dú)立
加熱爐絲，獨(dú)立溫度測(cè)量和各自反饋控制系統(tǒng)；置有砷和鎵的石英舟，放置 在高溫區(qū)段，其結(jié)晶端處于與中溫區(qū)交界的高溫Ti區(qū)末端；溫控爐是一個(gè)正 方形橫截面的封閉長(zhǎng)方體，由超輕氧化鋁保溫材料構(gòu)成爐襯，用不同規(guī)格的
Fe-Cr-Al高溫加熱絲，分別獨(dú)立地纏繞在構(gòu)成溫度場(chǎng)的從第1段直到第12 段的間隔框架內(nèi)；并設(shè)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(shù)生長(zhǎng)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(zhǎng)技術(shù)主要有水平布里奇曼法(HB)、液封提 拉法(LEC)、蒸氣控制提拉法(VCZ)、垂直梯度凝固法(VGF)和垂直布里 奇曼法(VB)。 LEC法可先在高壓?jiǎn)尉t爐膛內(nèi)合成多晶料，然后直接原位生 長(zhǎng)GaAs晶體，其優(yōu)點(diǎn)是可制備出高純度、大尺寸的GaAs單晶，但由于固 液界面溫度梯度大，晶體質(zhì)量略差，位錯(cuò)密度高，且設(shè)備昂貴。VCZ是對(duì) 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(zhǎng)室中， As蒸氣壓抑制了 GaAs晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中的表面分解和揮發(fā)，從而獲得了低 位錯(cuò)晶體。但該工藝使生長(zhǎng)系統(tǒng)更加復(fù)雜，生長(zhǎng)過(guò)程無(wú)法觀察，重復(fù)性較差， 因而未能用于規(guī)?；a(chǎn)。HB法是較早應(yīng)用于GaAs晶體的一種生長(zhǎng)技術(shù)， 其設(shè)備較為簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，可生長(zhǎng)低位錯(cuò)密度的GaAs單晶，它的最大缺 點(diǎn)是所得晶體截面呈"D"形，加工成圓片時(shí)材料損失大，利用率低，生長(zhǎng)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(lái)越受到重視，其生長(zhǎng)的晶體質(zhì)量介于提拉法與水平法之間，設(shè)備成本也 較低，但VGF法生長(zhǎng)的晶體比較短，產(chǎn)能和效率受到限制，VB還不很成熟。

發(fā)明內(nèi)容
設(shè)計(jì)目的避免背景技術(shù)的不足之處，設(shè)計(jì)一種生長(zhǎng)方柱狀和平板狀
GaAs晶體的改進(jìn)型水平生長(zhǎng)方法，以期提高所得晶體的利用率。
設(shè)計(jì)方案為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目的。本發(fā)明采用特殊設(shè)計(jì)的方形舟坩堝，
既保留了傳統(tǒng)HB方法具有的位錯(cuò)密度小、設(shè)備簡(jiǎn)單、容易觀察等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)原位退火方法
的增加，降低了熱應(yīng)力引起的位錯(cuò)缺陷，非常適合工業(yè)化生產(chǎn)。
技術(shù)方案 一種提高砷化鎵單晶利用率的生長(zhǎng)方法，采用高純50mo1。/。 的Ga和50 mol。/。的As在密閉反應(yīng)室內(nèi)合成GaAs多晶原料，坩堝一端放置 好籽晶，然后將砷化鎵多晶料裝入坩堝，置于水平法晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)，升溫到 1250~1290°C，待籽晶前端融化，然后以0.2~2mm/h速率水平移動(dòng)坩堝，開(kāi) 始晶體生長(zhǎng)，待原料全部結(jié)晶后，將坩堝移至恒溫區(qū)內(nèi)，在850 100(TC下保 溫5 8小時(shí)時(shí)間，以消除晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力，然后以30 5(TC/h速率緩慢降 溫至室溫，取出晶體。所述的坩堝采用熱解氮化硼坩堝(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(wú)水B203。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比， 一是雖然傳統(tǒng)HB方法工藝成熟，所生長(zhǎng)的晶 體質(zhì)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 普遍采用傾斜一定角度的加工方法來(lái)提高晶體的利用率，但利用率仍然不高， 而且晶體加工工序復(fù)雜；二是計(jì)算可知，本發(fā)明生長(zhǎng)的晶體利用率達(dá)到80% 以上，而傳統(tǒng)HB-GaAs利用率只有50%,更重要的是，采用本發(fā)明生長(zhǎng)相 同直徑的晶體，可以加工出的晶片直徑也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)HB生長(zhǎng)的晶體； 三是由于傳統(tǒng)HB因?yàn)槔寐实?，生長(zhǎng)直徑3英寸晶體只能加工出接近2英 寸的圓片，而采用本發(fā)明生長(zhǎng)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(fā)明將突破制約HB法生長(zhǎng)大尺寸GaAs晶體的瓶頸， 而且可用于生產(chǎn)3英寸甚至更大尺寸的GaAs晶體。


圖1是本發(fā)明生長(zhǎng)的GaAs晶體形狀示意圖。
圖2是傳統(tǒng)HB方法生長(zhǎng)的GaAs晶體形狀示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:參照附圖l。 一種提高砷化鎵單晶利用率的生長(zhǎng)方法 原料合成采用高純50 moP/。的Ga和50 moP/。的As在密閉反應(yīng)室內(nèi)合 成GaAs多晶原料，根據(jù)所需生長(zhǎng)的晶體要求，配料時(shí)可少量富砷或摻入少
量所需雜質(zhì)，也就是說(shuō)，通過(guò)密閉高溫反應(yīng)合成GaAs多晶原料時(shí)，可以根 據(jù)需要在原料合成時(shí)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(shè)計(jì)采用熱解氮化硼坩堝(PBN)，坩堝形狀設(shè)計(jì)為矩形(不同于 傳統(tǒng)的圓形)，其截面形狀為矩形的PBN坩堝為正方體形或長(zhǎng)方體形。有利 于提高晶體的利用率；
晶體生長(zhǎng)坩堝一端放置好籽晶，所述籽晶取向?yàn)?lt;010>、或<100>、或 <001>，或沿其它任意方向，籽晶截面形狀為長(zhǎng)方形或正方形。襯以少量無(wú) 水8203，目的是為了便于脫模，然后將砷化鎵多晶料裝入PBN坩堝，置于 水平法晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)，升溫到1250 129(TC范圍內(nèi)且包括端值，待籽晶前端 融化，以0.2 2mm/h范圍內(nèi)的速率且包括端值水平移動(dòng)坩堝，開(kāi)始晶體生長(zhǎng)。 為了便于觀察晶體的生長(zhǎng)，在爐體側(cè)面設(shè)計(jì)一窄縫窗口，安裝攝像頭并隨時(shí) 將晶體生長(zhǎng)的固液界面情況反饋到監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，從而有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生 產(chǎn)；
退火處理待原料全部結(jié)晶后，將坩堝移至恒溫區(qū)內(nèi)，在850 100(TC下 保溫一定的時(shí)間，以消除晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力，然后以30 50"C/h范圍內(nèi)的速 率且包括端值緩慢降溫至室溫，取出晶體。
舉例說(shuō)明如下
例1:將富As的高純GaAs多晶原料6kg，裝入截面邊長(zhǎng)為3英寸的PBN 坩堝內(nèi)，坩堝一端事先放置好<001>取向的籽晶，襯以lmol。/。以內(nèi)無(wú)水B203， 在水平布里奇曼爐中生長(zhǎng)晶體，爐溫控制在128(TC，生長(zhǎng)周期為5天，生長(zhǎng) 結(jié)束后晶體移至爐膛內(nèi)恒溫區(qū)內(nèi)IOO(TC下退火10小時(shí)，緩慢降溫至室溫， 在王水溶液中浸泡，可獲得表面光亮無(wú)沾潤(rùn)的3英寸柱狀GaAs晶體。
例2:采用截面為90mm(寬)x30mm(高)的PBN坩堝，坩堝一端事先放置 好<001>取向的籽晶，襯以111101%以內(nèi)無(wú)水8203，將富As的高純GaAs多晶 原料共4.5kg裝入坩堝內(nèi)，在水平布里奇曼爐中生長(zhǎng)晶體，爐溫控制在1280°C，生長(zhǎng)速率為0.6mm/h。生長(zhǎng)結(jié)束后晶體移至爐膛內(nèi)恒溫區(qū)內(nèi)1000°C 下退火10小時(shí)，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(wú)沾潤(rùn)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 硅，混合均勻，裝入截面邊長(zhǎng)為3英寸的PBN坩堝內(nèi)，坩堝一端事先放置好 <001>取向的籽晶，襯以lmoin/。以內(nèi)無(wú)水B203，在水平布里奇曼爐中生長(zhǎng)晶 體，爐溫控制在128(TC，生長(zhǎng)速率為0.5mm/h。生長(zhǎng)結(jié)束后，將晶體移至爐 膛恒溫區(qū)內(nèi)，在1000'C下退火10小時(shí)，緩慢降溫至室溫，在王水溶液中浸 泡，可獲得表面光亮無(wú)沾潤(rùn)的重?fù)絊i的三英寸GaAs晶體。
需要理解到的是上述實(shí)施例雖然對(duì)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(duì)本發(fā)明設(shè)計(jì)思路的簡(jiǎn)單文字描述，而不是對(duì)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、一種提高砷化鎵單晶利用率的生長(zhǎng)方法，采用高純50mol％的Ga和50mol％的As在密閉反應(yīng)室內(nèi)合成GaAs多晶原料，坩堝一端放置好籽晶，然后將砷化鎵多晶料裝入坩堝，置于水平法晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)，升溫到1250～1290℃，待籽晶前端融化，然后以0.2～2mm/h速率水平移動(dòng)坩堝，開(kāi)始晶體生長(zhǎng)，待原料全部結(jié)晶后，將坩堝移至恒溫區(qū)內(nèi)，在850～1000℃下保溫5～8時(shí)間，以消除晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力，然后以30～50℃/h速率緩慢降溫至室溫，取出晶體，其特征是；所述的坩堝采用熱解氮化硼坩堝(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(wú)水B2O3。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高砷化鎵單晶利用率的生長(zhǎng)方法，其特征在于 通過(guò)密閉高溫反應(yīng)合成GaAs多晶原料時(shí)，可以根據(jù)需要在原料合成時(shí)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(jù)權(quán)利要求1所述的提高砷化鎵單晶利用率的生長(zhǎng)方法，其特征在于截面形狀為矩形的PBN坩堝為正方體形或長(zhǎng)方體形。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高砷化鎵單晶利用率的生長(zhǎng)方法，其特征在于 所述籽晶取向?yàn)?lt;010 >、或<100>、 或<001>，或沿其它任意方向，籽晶截 面形狀為長(zhǎng)方形或正方形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用水平溫度梯度法制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(zhǎng)方法，采用高純50mol％的Ga和50mol％的As在密閉反應(yīng)室內(nèi)合成GaAs多晶原料，所述的坩堝采用熱解氮化硼坩堝(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(wú)水B₂O₃，然后將砷化鎵多晶料裝入坩堝，置于水平法晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)，升溫到1250～1290℃，待籽晶前端融化，然后以0.2～2mm/h速率水平移動(dòng)坩堝，開(kāi)始晶體生長(zhǎng)，待原料全部結(jié)晶后，將坩堝移至恒溫區(qū)內(nèi)，在850～1000℃下保溫5～8小時(shí)時(shí)間，以消除晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力，然后以30～50℃/h的速率緩慢降溫至室溫，取出晶體。
文檔編號(hào)C30B29/42GK101348939SQ20081012048
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日
發(fā)明者何慶波, 徐家躍, 胡同兵, 敏 金 申請(qǐng)人:杭州上晶光電有限公司