專利名稱：水平三溫區(qū)梯度凝固法生長(zhǎng)砷化鎵單晶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
屬砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域，確切地說是一種用凝固法生長(zhǎng)砷化鎵單晶的技術(shù)。
背景技術(shù)：
砷化鎵材料其性能優(yōu)越，具有發(fā)光受光等多種特性，它的用途是多種多樣。主要用于(光電子器件(如LED IRED LD太陽能電池等)和微電子器件(各種微波二極管FETHEMT HBT MMICK等)。將會(huì)實(shí)現(xiàn)光電子器件與微電子器件相組合光電子集成(OEIG)。砷化鎵材料是很有前途的化合物半導(dǎo)體材料。
砷化鎵單晶的傳統(tǒng)生長(zhǎng)方法之一是水平法。水平法是將鎵和砷真空密封在石英容器中，放入水平爐的熱場(chǎng)中生長(zhǎng)單晶。水平法是生產(chǎn)砷化鎵單晶的主要方法。水平法生長(zhǎng)砷化鎵單晶典型方法有兩溫區(qū)布里支曼法(2T-HB)、三溫區(qū)布里支曼法(3T-HB)和梯度凝固法(GF)。各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
2T-HB法中，在溫度與位置的函數(shù)關(guān)系顯示單晶生長(zhǎng)過程圖中，二個(gè)均近水平狀直線的溫度場(chǎng)，靠左邊位置的為高溫T1區(qū)，T1溫度保持在砷化鎵熔點(diǎn)以上，右邊為低溫T3區(qū)，T3的溫度是用來控制砷的蒸汽壓，以保持砷化鎵熔體分解壓平衡。在T1與T3之間存在溫度梯度，當(dāng)整個(gè)爐體由機(jī)械傳動(dòng)裝置帶動(dòng)從右向左移動(dòng)，砷化鎵熔體沿固體砷化鎵籽晶慢慢結(jié)晶，從而生長(zhǎng)成單晶。此法缺點(diǎn)較多，如要有復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，單晶生長(zhǎng)過程中會(huì)出現(xiàn)硅污染，生長(zhǎng)的單晶缺陷多所以基本不采用了。
3T-HB法是在2T-HB法的基礎(chǔ)上發(fā)展的，它是在T1區(qū)T3區(qū)之間增加一個(gè)T2區(qū)，稱為中溫區(qū)，T2區(qū)的存在，防止了鎵和石英舟的反應(yīng)；即防止和減少了砷化鎵單晶生長(zhǎng)過程中硅污染；同時(shí)避免了砷化鎵錠料與石英舟的沾潤(rùn)；減小了爐子固液交界面處溫度梯度，從而減少單晶生長(zhǎng)缺陷；生長(zhǎng)出來的單晶長(zhǎng)時(shí)間停留在T2區(qū)，起了退火的作用，改善單晶性能?？傊琓2區(qū)的存在提高了單晶成晶率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。但該法是用SiC來支撐石英反應(yīng)管，整個(gè)爐子沿著SiC管從右向左移動(dòng)，爐子的加熱源必須透過SiC輻射到石英反應(yīng)管，由于爐子的內(nèi)徑比石英反應(yīng)管的外徑大一倍，當(dāng)生長(zhǎng)φ50或更大的晶體時(shí)，其生長(zhǎng)介面很不理想，為了較好地控制生長(zhǎng)介面的形狀，在其部位(T1區(qū)T2區(qū)之間)增加一個(gè)四分區(qū)爐段，用以調(diào)節(jié)上下左右溫度，以達(dá)到理想的生長(zhǎng)介面。為了提高成晶率，工藝上把一步法改為二步法，即合成與生長(zhǎng)單晶分兩步進(jìn)行。因此該法的缺點(diǎn)為要精密的傳動(dòng)裝置和溫度控制裝置；四分區(qū)爐段的設(shè)置也比較復(fù)雜；且爐子的功率大；需要價(jià)格昂貴的SiC管；工藝上增加了工序。因此該法工藝復(fù)雜，設(shè)備投資大，生產(chǎn)成本高。GF法，該法類似兩溫區(qū)法，而T1區(qū)有很大的不同，T1區(qū)的分布是斜的，溫度在1238°～1260℃之間。爐體不移動(dòng)。生長(zhǎng)單晶的過程是T1逐漸降溫，使T1區(qū)平行下移，當(dāng)尾部到1238℃以下，熔體全部凝固完成生長(zhǎng)過程。此法的特點(diǎn)不需傳動(dòng)裝置；不需要SiC管；爐子直徑小，加熱源直接輻射到石英反應(yīng)管，爐子封閉，溫度穩(wěn)定，因此爐子的功率小。該法的缺點(diǎn)是T1區(qū)的溫成高，石英管易軟化；沒有T2區(qū)的設(shè)置；生長(zhǎng)的單晶較短。可見傳統(tǒng)的水平法生長(zhǎng)單晶，要有讓爐子在溫度場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)的裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，代價(jià)高；或者將高溫區(qū)整個(gè)溫度場(chǎng)溫度下降來形成單晶，但生成單晶不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種讓爐體不移動(dòng)，由爐溫構(gòu)成的溫度場(chǎng)T1，按結(jié)晶生長(zhǎng)所需溫度和生成速率，逐段下降溫度，滿足結(jié)晶所需溫度的一種水平三溫區(qū)梯度凝固法生長(zhǎng)砷化鎵單晶的方法。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案內(nèi)置有鎵和砷的石英舟，放置在密封的管式石英容器內(nèi)，置于水平爐的溫度場(chǎng)中，水平爐在一個(gè)可控制傾斜角度的架子上，現(xiàn)有技術(shù)中要有使?fàn)t體在溫度場(chǎng)中平移的機(jī)械傳動(dòng)裝置，本方案不要平移機(jī)械傳動(dòng)裝置，即爐體不平移；溫度場(chǎng)高溫區(qū)T1溫度，按單晶成形點(diǎn)的溫度逐段下降，下降速率與單晶生長(zhǎng)速率相吻合；并按以下步驟操作1)置有鎵和砷的石英反應(yīng)管，裝入爐內(nèi)預(yù)定位置，2)運(yùn)行升溫與合成程序，
3)升溫速率為5～10℃/分；當(dāng)各溫度段升至T1區(qū)為1240℃、T2區(qū)為1120℃、T3區(qū)為615℃，保持40分鐘鎵和砷合成時(shí)間。
4)用爐體的傾斜裝置控制GaAs熔體的液面，使GaAs熔體與籽晶相接。
5)待T1為1250℃、T2為1220℃、T3為800℃(也可用1100℃時(shí)，)升溫與合成階段完畢。
6)進(jìn)入單晶生長(zhǎng)階段，運(yùn)行T1區(qū)的各段溫度，溫度場(chǎng)逐段下降移動(dòng)，從第10段開始，依次按第9段、第8段、…第2段、第1段順序，從高溫區(qū)的溫度T1降至中溫區(qū)的溫度T2；降溫間隔時(shí)間與單晶生長(zhǎng)時(shí)間吻合；降溫速率為0.1～1℃/分；7)當(dāng)T1的第1段溫度降到1220℃時(shí)，生長(zhǎng)單晶階段結(jié)束；8)最后進(jìn)入降溫階段，運(yùn)行降溫程序，按每分鐘0.1～1℃速率降溫；實(shí)施本發(fā)明后的積極效果是因高溫區(qū)T1采用多段結(jié)構(gòu)加熱方式，保持同一溫度，按程序控制逐段逐漸降溫，隨溫度場(chǎng)溫度下降移動(dòng)而生長(zhǎng)單晶，使能生長(zhǎng)較長(zhǎng)的單晶；在高溫T1低溫T3之間設(shè)置中溫區(qū)T2，T2區(qū)的設(shè)置可短一些，因程序運(yùn)行過程中T2區(qū)逐漸增長(zhǎng)，發(fā)揮了中溫區(qū)作用，阻止了鎵和石英舟的污染反應(yīng)及潤(rùn)濕反應(yīng)，減小固液交界面的溫度梯度，用來生長(zhǎng)高純單晶；本發(fā)明不需要機(jī)械傳動(dòng)裝置，也不需要SiC支撐管，生長(zhǎng)單晶全過程所需的溫度全部由計(jì)算機(jī)程序控制運(yùn)行來完成。采用本發(fā)明生長(zhǎng)單晶，可減少50％固定資產(chǎn)投資。而且自動(dòng)化程度很高。
本發(fā)明所用爐子的內(nèi)徑與3T-HB法相比可減小30％，其耗電功率相比減少60％。本發(fā)明采用合成與生長(zhǎng)單晶一次完成，因此簡(jiǎn)化了工序，節(jié)省材料，電力及人工，可降低單晶生產(chǎn)成本10～12％.
本發(fā)明主要采用合成與生長(zhǎng)單晶一步法的方案。也可用來合成高純砷化鎵多晶，為2MT-HB VGF VB等提供高純砷化鎵多晶。亦可用多晶為原料生長(zhǎng)單晶。本發(fā)明有專門制造的控溫裝置、控溫爐和XX型計(jì)算機(jī)程序控制裝置相配合，其升溫、合成、單晶生長(zhǎng)、降溫過程全按程序控制，不僅自動(dòng)化程度很高，且安全率很高，幾乎達(dá)99.99％安全。


圖1為水平三溫區(qū)梯度凝固法(3T-HGF)示意2控溫爐結(jié)構(gòu)剖面示意3水平三溫區(qū)梯度溫度分布示意圖
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明內(nèi)置有鎵和砷的石英舟放置在密封的管式石英容器內(nèi)，置于水平爐的溫度場(chǎng)中，水平爐在一個(gè)可控制傾斜角度的架子上。本爐體不用平移；溫度場(chǎng)高溫區(qū)T1溫度，按單晶成形點(diǎn)的溫度逐段下降，下降速率與單晶生長(zhǎng)速率相吻合；并按以下步驟操作1)置有鎵和砷的石英反應(yīng)管，裝入爐內(nèi)預(yù)定位置，2)運(yùn)行升溫與合成程序，3)升溫速率為5～10℃/分；當(dāng)各溫度段升至T1區(qū)為1240℃、T2區(qū)為1120℃、T3區(qū)為615℃，保持40分鐘鎵和砷合成時(shí)間；4)用爐體的傾斜裝置控制GaAs熔體的液面，使GaAs熔體與籽晶相接。
5)當(dāng)溫升到T1為1250℃、T2為1220℃、T3為800℃升溫與合成階段結(jié)束。
6)進(jìn)入單晶生長(zhǎng)階段，運(yùn)行T1區(qū)的各段溫度，溫度場(chǎng)逐段下降移動(dòng)，從第10段開始，依次按第9段、第8段、…第2段、第1段順序，從高溫區(qū)的溫度T1降至中溫區(qū)的溫度T2；降溫間隔時(shí)間與單晶生長(zhǎng)時(shí)間吻合；降溫速率為0.1～1℃/分；7)當(dāng)T1的第1段溫度到1220℃時(shí)，生長(zhǎng)單晶階段結(jié)束；8)最后進(jìn)入降溫階段，運(yùn)行降溫程序，按每分鐘。
爐腔溫度分布場(chǎng)空間分為高溫T1區(qū)，中溫T2區(qū)，低溫T3區(qū)；高溫T1區(qū)有連續(xù)10段組成，從右至左分布，分別是第10段，第9段，第8段.......第2段，第1段；第11段是中溫區(qū)；第12段是低溫區(qū)；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，結(jié)晶端處于與中溫區(qū)交界的高溫T1區(qū)末端；溫控爐是一個(gè)正方形橫截面的封閉長(zhǎng)方體1，分別由超輕高溫氧化鋁保溫材料2和低溫氧化鋁保溫材料14構(gòu)成爐襯，按不同的溫升要求，采用不同規(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)；在T1末端接近T2部位設(shè)有籽晶的觀察孔9；石英反應(yīng)管6安置在爐腔內(nèi)的墊片4上，在石英舟7內(nèi)的砷化鎵XX熔體8，處在由高溫爐管爐絲3纏繞的高溫區(qū)T1空間，籽晶端10處于接近中溫區(qū)的高溫區(qū)T1第10段；砷12處在由低溫爐管爐絲13纏繞的低溫區(qū)第12段空間內(nèi)，反應(yīng)管內(nèi)設(shè)置石英封泡5和組頸封泡11；并由溫度傳感器15從腔體引出。
實(shí)施例實(shí)例一非摻高純GaAs單晶生長(zhǎng)，石英舟內(nèi)尺寸D51×31×300(寬×深×長(zhǎng))，6N鎵946g，6N砷1037g。高純GaAs籽晶8g。得非摻高純GaAs單晶2.01kg。晶錠表底光亮，毫無沾潤(rùn)。測(cè)試結(jié)果，載流子濃度1.1×1015～2.6×1015/cm3，遷移率5200～5860cm2/v.s位錯(cuò)密度8500/cm2。
實(shí)例二低摻Si-GaAs單晶生長(zhǎng)，石英舟內(nèi)尺寸D51×31×450(寬×深×長(zhǎng))，6N鎵1542.4g，6N砷1657.6g。摻雜劑Si48mg。摻Si-GaAs籽晶8g。得摻Si-GaAs單晶3208g。晶錠表底光亮，毫無沾潤(rùn)。測(cè)試結(jié)果，載流子濃度2.2～8.1×1017/cm3，遷移率2700～3600cm2/v.s位錯(cuò)密度6500/cm2。
實(shí)例三中摻Si-GaAs單晶生長(zhǎng)，石英舟內(nèi)尺寸D51×31×400(寬×深×長(zhǎng))，6N鎵1346.8g，6N砷1448.8g。摻雜劑Si92mg。摻Si-GaAs籽晶8g。得摻Si-GaAs單晶2793g。晶錠表底光亮，毫無沾潤(rùn)。測(cè)試結(jié)果，載流子濃度5.3×1017～2.2×1018/cm，遷移率1800～2780cm2/v.s位錯(cuò)密度5200/cm2。
實(shí)例四高摻Si-GaAs單晶生長(zhǎng)，石英舟內(nèi)尺寸D51×31×400(寬×深×長(zhǎng))。摻Si-GaAs多晶2808g。摻雜劑Si196mg。摻Si-GaAs籽晶8g。得摻Si-GaAs單晶2816g。晶錠表底光亮，毫無沾潤(rùn)。測(cè)試結(jié)果，載流子濃度9.6×1017～3.8×1018/cm，遷移率1680～2500cm2/v.s位錯(cuò)密度600～2000/cm2。
權(quán)利要求
1.水平三溫區(qū)梯度凝固法生長(zhǎng)砷化鎵單晶的方法，包含內(nèi)置有鎵和砷的石英舟放置在密封的管式石英容器內(nèi)，置于水平爐的溫度場(chǎng)中，水平爐在一個(gè)可控制傾斜角度的架子上，有使?fàn)t體在溫度場(chǎng)中平移的機(jī)械傳動(dòng)裝置，其特征是爐體不平移；溫度場(chǎng)高溫區(qū)T1溫度，按單晶成形點(diǎn)的溫度逐段下降，下降速率與單晶生長(zhǎng)速率相吻合；并按以下步驟操作1)置有鎵和砷的石英反應(yīng)管，裝入爐內(nèi)預(yù)定位置，2)運(yùn)行升溫與合成程序，3)升溫速率為5～10℃/分；當(dāng)各溫度段升至T1區(qū)為1240℃、T2區(qū)為1120℃、T3區(qū)為615℃，保持40分鐘鎵和砷合成時(shí)間；4)用爐體的傾斜裝置控制GaAs熔體的液面，使GaAs熔體與籽晶相接；5)當(dāng)溫升到T1為1250℃、T2為1220℃、T3為800℃，升溫與合成階段結(jié)束；6)進(jìn)入單晶生長(zhǎng)階段，運(yùn)行T1區(qū)的各段溫度，溫度場(chǎng)逐段下降移動(dòng)，從第10段開始，依次按第9段、第8段、…第2段、第1段順序，從高溫區(qū)的溫度T1降至中溫區(qū)的溫度T2；降溫間隔時(shí)間與單晶生長(zhǎng)時(shí)間吻合；降溫速率為0.1～1℃/分；7)當(dāng)T1的第1段溫度降到1220℃時(shí)，生長(zhǎng)單晶階段結(jié)束；8)最后進(jìn)入降溫階段，運(yùn)行降溫程序，按每分鐘降溫速率為0.1～1℃降溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平三溫區(qū)梯度凝固法生長(zhǎng)砷化鎵單晶的方法，其特征是所述的T3為800℃也可以是1100℃。
全文摘要
水平三溫區(qū)梯度凝固法生長(zhǎng)砷化鎵單晶的方法屬砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域，其特點(diǎn)是生長(zhǎng)單晶的爐體不平移；溫度場(chǎng)高溫區(qū)T1溫度，按單晶成形點(diǎn)的溫度逐段下降，下降速率與單晶生長(zhǎng)速率相吻合；不僅保證了單晶生長(zhǎng)質(zhì)量，還省去了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，降低了能耗，簡(jiǎn)化了工藝，降低了成本，是一個(gè)很有前途的發(fā)明。
文檔編號(hào)C30B29/42GK1844487SQ20061002380
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月9日
發(fā)明者尹慶民, 姚榮華 申請(qǐng)人:尹慶民, 姚榮華