[发明专利]一种大尺寸GaSb单晶的快速生长方法

说明书

本发明公开了一种大尺寸GaSb单晶的快速生长方法。本方法选用直径大于或等于所要制备的GaSb晶锭尺寸的GaAs晶锭制作籽晶；该籽晶结构包括细颈部分以及直径不小于所要制备的GaSb晶锭直径的宽颈部分；将细颈部位固定于籽晶固定支架上，并连接于提拉装置上；宽颈部位在GaSb晶体生长过程中用于引晶；在GaSb晶体生长过程中，宽颈部位的1‑2cm部分进入GaSb熔体完成引晶过程。采用本方法可在GaSb单晶生长过程中免除晶体放肩过程，可提高大尺寸GaSb单晶的制备效率和成晶率。该工艺中GaAs籽晶可反复多次使用，对单晶生长设备无特殊要求。

技术领域

本发明涉及单晶制备，尤其是涉及一种大尺寸GaSb单晶的快速生长方法。

背景技术

液封直拉法（Liquid Encapsulated Czochralski Crystal Growth, LEC晶体生长法）是在传统提拉法技术基础上增加覆盖剂的一种改进的技术，是一种工业化的半导体单晶生长技术。在传统的LEC法生长GaSb晶体过程中，首先将GaSb多晶原料放在坩埚中加热熔化，获得一定的过热度。将固定于拉晶杆上的GaSb籽晶从熔体表面浸入熔体中，发生部分熔化后，缓慢向上提拉籽晶杆，并通过籽晶杆散热。与籽晶接触的熔体首先获得一定的过冷度，而发生结晶。不断提拉籽晶杆，使结晶过程连续进行，从而实现连续的GaSb晶体生长。

如图1所示，在GaSb单晶的LEC生长工艺中，从小尺寸的籽晶1过渡到大尺寸的晶锭的过程称为“放肩”，即晶体直径变大部位定义为肩部2，后续等直径生长部位定义为等径3。该过程中晶体直径的变化是通过热流和提拉速率控制的。放肩过程需要实时调整晶体的提拉速率和加热功率。如图1所示，单晶生长示意图中定义了放肩角度α这一参量。在III-V族化合物半导体单晶生长过程中，放肩角度为35.26°或74.21°时，容易导致孪晶的形成。为避开上述角度，通常采用小角度放肩工艺，放肩角度α一般小于35.26°。此外，针对GaSb这种材料，其晶体的热导率约为7.81W•m^-1•K^-1，熔体的热导率约为17.1W•m^-1•K^-1，该材料导热能力稍显不足。为了能够将结晶潜热顺利从晶锭导出，也要求晶体的生长速率不能太快。这是采用小角度放肩和慢速生长的第二个原因。

但是，传统的采用小角度放肩的工艺也存在几个不利的效果：首先，为获得大尺寸晶锭，通常放肩时间需要较长，则生长一炉单晶所消耗的总时间更长，即降低了生产效率；其次，由于放肩时间较长，则出现双晶、多晶、孪晶等缺陷的几率更高，即一定程度降低了单晶成晶率。

发明内容

鉴于LEC法GaSb单晶生长工艺中，小角度放肩工艺对GaSb单晶生长效率和成晶率等指标的不利影响，本发明提出一种无放肩过程的大尺寸GaSb单晶的快速生长方法。本方法直接选用大尺寸的单晶锭作为籽晶进行晶体生长。因此可跳过拉晶工艺中的放肩过程，即经过引晶阶段后，直接进行等径生长。在一般思路下，可使用大尺寸GaSb单晶锭做籽晶。但是，由于GaSb籽晶在GaSb晶体中存在回熔的过程，因此大尺寸GaSb晶锭的厚度在每次单晶制备过程都有损耗。并且在拉晶过程中可能存在回熔过量的情况，易导致晶体生长失败。为避免上述不利情况，本发明借鉴异质外延工艺思路，采用大尺寸GaAs单晶锭为籽晶，生长同等尺寸的GaSb晶体。

本发明采取的技术方案是：一种大尺寸GaSb单晶的快速生长方法，其特征在于，选用直径大于或等于所要制备的GaSb晶锭尺寸的GaAs晶锭制作籽晶；该籽晶结构包括细颈部分以及直径不小于所要制备的GaSb晶锭直径的宽颈部分；将细颈部位固定于籽晶固定支架上，并连接于提拉装置上；宽颈部位在GaSb晶体生长过程中用于引晶；在GaSb晶体生长过程中，宽颈部位的1-2cm部分进入GaSb熔体完成引晶过程。

本发明所述在制备籽晶之前，首先对GaAs晶锭底部进行抛光处理，以保证其表面粗糙度Ra<1nm。

本发明所述抛光处理后对GaAs晶锭进行表面清洗，以保证籽晶的清洁度。