[发明专利]制备具有低光学吸收系数的掺杂型砷化镓衬底晶片的方法

说明书

发明领域

本发明涉及通过使用与待制备的半导体单晶相同的半导体材料籽晶凝固该半导体材料的熔体来制备砷化镓单晶的方法。

背景技术

对于砷化镓衬底晶片用于制备发光器件如半导体激光器和发光二极管的用途而言，通常需要该衬底晶片的高电导率。在特定器件中，在衬底晶片中自身产生光辐射，或者光辐射平行于或垂直于晶片表面而通过该晶片。在所述器件中，通常出现高的电和光能量密度。在高能量密度下，通过该器件的活性层的位错可能导致该器件的退化和失效。

在[14]中，描述了借助于垂直布里奇曼(Vertical Bridgman)方法(VB)或者垂直梯度冷凝(Vertical Gradient Freeze)方法(VGF)制备硅掺杂的砷化镓单晶的方法。所声称的由该晶体制得的衬底晶片的特征包括(0.1-5.0)·10¹⁸cm^-3的载流子浓度和5000cm^-2或更低的位错密度。对于具有高的电和光能量密度的器件，需要实质上更低的位错密度。

半导体晶体的位错密度可以通过添加致使晶格硬化的掺杂物质来降低。在[15]中，描述了这样的方法：以该方法通过额外地用硅掺杂，使得p-型导电的锌掺杂的砷化镓晶体的位错密度能降低到低于500cm^-2的数值。在[16]中描述了进一步降低位错密度的方法。通过另外采用元素(其被等电子地结合到砷化镓晶格中，例如铟)来掺杂晶体，使得p-型导电的砷化镓晶体中的位错密度降低到低于100cm^-2的数值。

室温下，砷化镓单晶对于在具有的光子能量低于带隙能量的近红外中的电磁辐射而言是透明的。为此，电磁辐射的波长必须高于870nm。对于在900nm到4μm之间的波长，透射度通过入射电磁辐射的光子与砷化镓单晶的电子的两个相互作用过程来确定。第一个过程中，通过吸收光子，电子从导带的低能级激发到更高能级(参见[1])。对于给定波长，分配于该过程的吸收系数α_ib与导带中的电子浓度成比例。在具有n型电传导性的晶体中，这对应于载流子浓度n。比例因子取决于波长λ，且例如对于λ＝2μm具有6·10^-18cm²的值[2]，[3]。因此，常规的对于高载流子浓度的要求与实现低吸收系数的目的背道而驰。

第二个过程在于电子从能级EL2到导带的光致激发[4]。EL2-能级通过砷结构反位缺陷(Antistrukturdefekten)As_Ga产生[5]，[6]，由此人们也称这种缺陷为EL2-缺陷。所属的吸收系数α_EL2与晶体中As_Ga浓度成比例。比例因子取决于波长λ且在具有高n型传导性的晶体中对应于中性传递状态(Ladungszustand)下EL2-缺陷的光学吸收横截面σ_n°。[7]中公开了对于吸收横截面σ_n°的实验值。

砷化镓单晶中EL2-缺陷的浓度主要通过砷化镓熔体的组成来确定，通过凝固该熔体制得单晶。由按化学计量的或砷富集的熔体凝固的晶体含有浓度范围为(1-2)·10¹⁶cm^-3的EL2-缺陷。在仅含低浓度的杂物质和微小过量的受体缺陷的晶体中，EL2-缺陷以这样的浓度范围存在导致极低的电导率[8]。因此，为了制备这些晶体，通常使用其中砷摩尔比例χ_As/(χ_As+χ_Ga)为至少0.5的熔体。在[9]中，所追求的目的旨在在晶体的整个轴向分布中获得在0.8-1.4x10¹⁶cm^-3范围内的尽可能均匀的EL2-浓度。将由具有不同砷摩尔比的熔体制得的晶体进行对比时发现，在熔体的砷摩尔比例稳定地为0.5时，实现所期望的EL2-均匀性。[10]中的实验数据显示了对于依据LEC工艺制得的晶体而言EL2-浓度取决于砷摩尔比例。

当采用产生高n型传导性的掺杂物质来掺杂晶体时，可以大大降低EL2-缺陷的浓度(参见[11])。热动力学计算显示，砷摩尔比例的大小影响EL2-缺陷的浓度(参见[12])。