[发明专利]一种化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种化合物半导体砷化镓单晶的改进型坩埚下降法生长方 法，属于晶体生长领域。

背景技术

砷化镓(GaAs)是典型的化合物半导体，其地位仅次于Si单晶。与Si 相比，GaAs的带隙较大、电子迁移率和饱和速度高，因此用GaAs制成的电 子器件比相应Si器件工作速度快、工作频率高且具有更宽的工作温度范围。 这使得GaAs取代Si成为了制作现代超高速电子器件和电路的最重要半导体 材料。近几年来，GaAs材料及其相关产业发展迅速，每年以超过35％的速 度增长，2005年其产值已超过了100亿美元。在未来的几十年内，GaAs产 业仍将保持强劲的增长势头。GaAs产业的规模越来越大，前景十分诱人。

1、授权公告号CN1249271C、名称“砷化镓单晶的生长方法”，采用双加 热温度温梯炉进行生长，具体步骤如下：①坩埚和生长炉的预烧处理：在坩 埚未装原料的情况下，对氮化硼坩埚和生长炉内的装置进行高温预烧结处理， 具体做法：对双加热温度梯度炉抽真空，真空度小于6×10³Pa后，以50～ 150℃/小时的速率升温到1300～1500℃，保温24～48小时，降温速率为50～ 150℃/小时，降至室温后打开炉罩；②晶体生长过程：将定向好的砷化镓 籽晶放入氮化硼坩埚的籽晶槽中，将坩埚置于定位棒的圆形凹槽内，在坩埚 中放入按比例混合好的原料，氮化硼坩埚上覆盖氧化铝刚玉板，将炉体的其 它组件装配到位，放下钟罩；打开真空系统对生长炉抽高真空，当真空度小 于6×10³Pa后，充入高纯保护氢气或氮气，气压为0.01～0.05MPa；启动生 长控制程序，升温速率为10～100℃/小时，升温至130～1500℃，恒温3～ 12小时，以2～10℃/小时速率降温至900～1100℃；③高温原位退火：当 砷化镓晶体结晶结束后，炉内温度降至900～1100℃时，保温1～30小时， 退火结束后，以5～20℃/小时降至室温，晶体生长完毕。

2、目前，生长GaAs单晶的技术主要有水平布里奇曼法(HB)、液封直 拉法(LEC)、蒸气控制直拉法(VCZ)、垂直梯度凝固法(VGF)和垂直布里 奇曼法(VB)。HB法设备较为简单，可生长低位错密度的GaAs单晶，但该工 艺生长周期长，所得晶体截面呈“D”形，加工成圆片时，造成材料损失，因 此利用率低。LEC是首先在高压单晶炉内原位合成GaAs后，再以此为籽晶 拉制单晶，该方法的优点是可制备出高纯度大尺寸的GaAs单晶，适合规模 生产，但其结晶质量略差，位错密度高，而且设备十分昂贵。VCZ是对LEC 技术的一项改进，它将坩埚-晶体放置在一充满As气氛的内生长室中，As蒸 气压抑制了GaAs晶体在生长过程中的表面解离，从而获得了低位错晶体。 但该工艺使生长系统复杂化了，生长过程无法观察，重复性较差，因而未能 用于规模化生产。VGF和VB技术近几年被广泛采用，它们兼具了以上几种 方法的优点，可生长出高质量大直径的GaAs单晶，并且设备成本低很多， 因而倍受青睐。总体上讲，以上各生长方法各具特色，但它们有一个共同的 缺点：每台生长设备在一个生长周期内只能获得一根晶体，生产效率不高。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种三温区炉膛可调节、 一炉同时生长多根晶体的多坩埚、原位退火的一种化合物半导体GaAs单晶 的改进型坩埚下降法生长方法，以期实现GaAs晶体的低成本、批量化、自 动化生产。

设计方案：为了实现上述设计目的。本发明将预先合成好的高纯富砷多 晶GaAs原料，装入底部有种井和籽晶的PBN坩埚内，放置于三温区的坩埚 下降炉内，炉温控制在1250～1290℃，下降速率为0.2～3mm/h，并且在同一 炉内可放置多个坩埚，同时生长多根晶体。晶体生长结束后，通过调整适当 的坩埚位置和控制炉温，可对晶体实行原位退火消除热应力，减少晶体开裂。