[发明专利]一种制备Si、Cu双掺N型高阻GaAs单晶材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备光导开关用Si、Cu双掺N型高阻GaAs单晶材料的方法。具体地，本发明涉及一种制备Si、Cu双掺N型高阻GaAs单晶材料的方法，通过生长Si、Cu双掺单晶结合晶片退火，来达到N型高阻GaAs单晶材料的要求。

背景技术

光通信技术、快速信息处理技术及微波技术的发展，促进了高速电子器件、光电子器件及高速集成电路的广泛应用。作为其中重要的器件，在高功率通信系统、脉冲功率系统、雷达等方面有着广泛应用的光控半导体开关得到了高度重视。

考虑到开关速度的高速要求，砷化镓比硅更适合作为半导体开关材料，因为GaAs材料具有比硅材料复合系数大、载流子寿命短、禁带宽度宽等优点。

掺硅补偿铜砷化镓单晶材料可得到较理想的开关特性，他能够在1μs或更短时间内准确闭合或断开，而且在闭合态不需补充光能即可保持光导率在一定值。

光导开关在军事领域有着非常重要的用途，对于制备光导开关用的材料国外对中国是禁运的，所以自主研发此种材料意义很大。

目前，据报道国外主要采用通过Cu在掺Si GaAs单晶片中的扩散来实现，但是由于Cu在GaAs中属于快扩散杂质，扩散行为较复杂，且扩散中Cu量不易控制，致使工艺稳定性较差，难度较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高设备利用率和产品质量稳定性、降低生产成本和工艺难度，而且易于大规模生产的制备Si、Cu双掺N型高阻GaAs单晶材料的方法。

本发明的技术方案是：制备Si、Cu双掺N型高阻GaAs单晶材料的方法，其特征是包括下列步骤：

(1)、选择高纯多晶，多晶的迁移率在4500cm²/v.s以上，浓度小于等于3.5×10¹⁵cm^-3，以保证高阻单晶材料的迁移率和背景纯度；

(2)计算掺Si、掺Cu的重量，按单晶备料的程序将料备好；

(3)单晶生长，以保证然Si、Cu在单晶各部位的合理分布；

(4)晶片退火。

优选地，所述高纯度多晶的迁移率在5000cm²/v.s以上，浓度小于等于3×10¹⁵cm^-3。

优选地，所述高纯度多晶是在HGF九段加热炉中制造的。

根据小熔区浓度分布公式C_s＝C₀[1-(1-K)exp(-K*x/L)]与单晶生长重量比掺杂公式m/W＝C₀*A/N₀*d，计算出掺Si、Cu的重量，其中，公式中各参数的含义为：C_s为单晶在长度为x的浓度、C₀为熔体掺杂平均浓度、K为掺杂元素的分凝系数、x为单晶头部测试部位、L为拉晶时熔区长度，m/W为重量比、m为掺杂元素总重量、W为拉晶总重量、C₀为熔体掺杂平均浓度、A为掺杂元素原子摩尔量、N₀为阿佛加德罗常数、d为GaAs的固体密度。

所述的晶体中铜的掺杂量为2.95×10¹⁵/cm³-3.05×10¹⁵/cm³，硅的掺杂量约为0.95×10¹⁶-1.05×10¹⁶/cm³。

所述单晶生长采用HB法，在水平单晶炉中进行，生长过程中要严格控制熔区的长度为195-205mm。

所述晶片退火过程包括单晶切片、确定退火时间和退火温度和退火三个步骤。

所述单晶切片时，单晶片按顺序10-15片分组。

确定退火时间和退火温度时，将单晶片每组头尾做霍尔测试，根据测试结果结合试验数据决定退火时间和退火温度，即如果前后都为P型，退火温度为640-660℃，退火时间14.75-15.25小时，如前后度为N型，退火温度650-670℃，退火29.75-30.25小时；前N后P或前P后N，退火温度640-660℃，退火19.75-20.25小时。

所述单晶退火时，将晶片放入石英管内密封，石英管内压强小于等于10^-5mmHg。

所述单晶退火时，根据石英管容积在其内部放入余砷，余砷与石英管容积的比例为1.9-2.2mg/cm^-3，以防止晶片表面发生离解。