專利名稱：一種生長低熔點半導(dǎo)體材料用的滑動石英舟的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體材料生長用的生長舟，具體是對生長舟的結(jié)構(gòu)的改 進(jìn)，用該生長舟能生長低熔點的半導(dǎo)體材料，并能在外延層與襯底之間晶格失配 度>5%的情況下，生長出高質(zhì)量的異質(zhì)外延單晶材料。
背景技術(shù)：
m— v族半導(dǎo)體是制作光電器件的重要材料，具有相對成熟的材料制備和器件工藝技術(shù)。InAsSb (銦砷銻)三元合金材料在常規(guī)的III一V族化合物中具 有最小的禁帶寬度(O.leV)，其室溫截止波長能達(dá)到12pm。 8-12pm波長范圍 是一個重要的紅外大氣窗口，工作在這一波段的紅外探測器在紅外制導(dǎo)、紅外 遙感、氣象衛(wèi)星、及資源探測等方面都有著非常重要而廣闊的應(yīng)用前景。因此， 生長這一波段的紅外材料，研制紅外探測器無論在民用上還是在軍用上都有著 十分重要的意義。但是，由于InAsSb外延層與二元化合物襯底材料之間的晶 格失配度較大(例如與InAs襯底之間的晶格失配度>6%，與GaAs襯底之間的 晶格失配度>14%)，因此用常規(guī)的生長技術(shù)很難生長出波長8-12nm的高質(zhì)量 的InAsSb單晶材料。中國發(fā)明專利2004100990258公開了一種半導(dǎo)體材料生長系統(tǒng)的滑動機 構(gòu)，其中的生長舟是用高純石墨制成，.舟的液槽上開有多個井，用于放置生長 溶液。生長外延層時，使生長溶液與襯底接觸，然后使生長系統(tǒng)的溫度下降， 使溶質(zhì)從生長溶液中析出，結(jié)晶在襯底上，形成外延層。外延層生長結(jié)束后， 把所有的生長溶液從襯底上推走，生長后襯底上不能殘留溶液。這種多井的石 墨液槽適于生長外延層與襯底之間晶格匹配的外延材料(晶格失配度<0.3%)， 為獲得結(jié)晶質(zhì)量好的多層外延半導(dǎo)體材料作出了貢獻(xiàn)。但是不適用于生長外延 層與襯底材料之間晶格失配度大的材料，在外延層與襯底之間晶格失配度>5% 的情況下，很難生長出高質(zhì)量的異質(zhì)外延單晶材料。另外，由于石墨由碳元素 構(gòu)成，導(dǎo)致在材料的生長過程中引入了碳沾污，還有石墨的多孔性易吸附雜質(zhì)， 這些都影響了材料的電學(xué)性能。近年來，國外用分子束外延(MBE)、金屬有機化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、 及液相外延(LPE)技術(shù)生長出了截止波長8-12pm的InAsSb外延層，外延層 的厚度約為2-10阿，由于受晶格失配的影響，在這些外延層中觀察到的位錯密 度高達(dá)107-109cm—2，影響了器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、使用簡便的用于生長低熔點半導(dǎo)體材料 的滑動石英舟，用本發(fā)明的滑動石英舟可實現(xiàn)在外延層與襯底之間晶格失配度較 大(>5%)的情況下生長出高質(zhì)量的異質(zhì)外延單晶材料。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過對8-12pim波段的InAsSb外延層生長的研 究發(fā)現(xiàn)，InAsSb外延層與InAs襯底之間的晶格失配度>6%，與GaAs襯底之間 的晶格失配度>14%，用現(xiàn)有的生長舟在InAs及GaAs襯底上生長出截止波長為 10-12pm的高質(zhì)量的InAsSb單晶材料是不可能的，為此對生長舟的結(jié)構(gòu)與材料 進(jìn)行了改進(jìn)，成功獲得了如下結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的滑動石英舟，它包括下面的底板， 底板上開設(shè)有一個凹槽，凹槽內(nèi)放置襯底，特點是全部采用高純石英原料制作， 底板上面裝有壓塊，兩者互相匹配，且壓塊按需要在底板上沿水平方向移動或停 留；壓塊一端固結(jié)一石英推桿，中部設(shè)有2個垂直方向貫通壓塊的井，井內(nèi)放置 生長溶液，底部(除2個井外)其余部分是平底，平底部分與外延層表面直接接 觸，為了使生長出的外延層表面光滑，平底部分的底面被拋光至鏡面級光滑。
本發(fā)明的優(yōu)點如下
1. 本發(fā)明的石英舟是用高純石英原料制成，避免了材料生長過程中的碳沾 污，并且石英材料致密，不吸附雜質(zhì)，因此進(jìn)一步提高了材料的電學(xué)性能。
2. 用本發(fā)明的石英舟能在外延層與襯底之間晶格失配度較大(>5%)的情 況下，實現(xiàn)外延單晶的生長。而且，外延層的厚度可達(dá)100pm，此厚度足以消除 外延層與襯底之間晶格失配的影響，導(dǎo)致外延層的位錯密度(接近lxl04cm—2) 明顯低于用其它方法生長的材料(107-109cm-2)。
3. 用本發(fā)明的石英舟在液相外延系統(tǒng)中己經(jīng)成功地生長出了截止波長為 10-12pm的高純度InAsSb單晶，材料的電學(xué)指標(biāo)及結(jié)晶質(zhì)量均好于用常規(guī)技術(shù) 生長的材料。4. 由于本發(fā)明是把襯底上殘留的一層溶液結(jié)晶成外延層，因此，在外延層 的生長過程中，沒有發(fā)生溶質(zhì)分凝現(xiàn)象，這使得外延層的組份與溶液的組份基本 相同，且外延層的組分分布均勻，外延層的截止波長不隨外延層的厚度變化。5. 用本發(fā)明的滑動石英舟生長的材料，由于是在一定重量的石英壓塊下結(jié) 晶的，結(jié)晶過程中其晶格受到了應(yīng)力，使外延材料的禁帶寬度明顯變窄，因此 特別適合于生長窄禁帶材料。例如用本發(fā)明在InAs及GaAs襯底上生長的截止 波長8-12jum的InAsSb單晶、在GaAs襯底上生長的截止波長7-8nm的InGaSb 單晶，其禁帶寬度都比用常規(guī)技術(shù)生長的相同組份的材料窄。6. 由于本發(fā)明的滑動石英舟是利用液相外延生長系統(tǒng)，先在襯底上殘留 一層溶液，然后使這部分殘留的溶液在壓塊的平底部分下結(jié)晶，在襯底上生成 外延層，因此，既具有系統(tǒng)本身的設(shè)備簡單、運行成本低的優(yōu)點，而且與現(xiàn)有 的其它生長系統(tǒng)相比，該石英舟具有節(jié)省能源，使用簡便的優(yōu)點。


圖l為本發(fā)明的石英舟的俯視圖。圖2為本發(fā)明的生長溶液與襯底接觸之前的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明的生長溶液與襯底接觸時的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的將襯底上殘留的一層溶液置于壓塊的平底部分之下降溫結(jié) 晶的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為用本發(fā)明生長的InAsSb外延層的室溫透射光譜圖。圖中l(wèi)一底板；2—生長溶液；3—石英推桿；4一壓塊；5—襯底。
具體實施方式
請參閱圖1~4。本發(fā)明的滑動石英舟采用高純石英原料制作。舟的上半部分 為壓塊4。壓塊4的中部設(shè)有2個垂直方向貫通壓塊4的井(LK L2)，壓塊4 的底部除2個井外的其余部分是平底，且被拋光成鏡面級光滑，以便使生長出的 外延層表面光滑。舟的下半部分為底板l，底板l上開設(shè)一個凹槽，凹槽內(nèi)放置 襯底5。開有井的壓塊4安裝在底板1上，并且與底板l匹配，通過石英推桿3 推動壓塊4在底板1上移動，完成材料生長。工作原理用本發(fā)明生長材料是利用常規(guī)液相外延系統(tǒng)，但具有不同于液相外延等常規(guī)晶體生長方法的特殊生長工藝。本發(fā)明生長材料之前，如圖2所示，把生長溶 液2的原料放入壓塊4的L2井中，把襯底5放入底板1的凹槽內(nèi)，而Ll井中 為空，并使L1井位于襯底5的上方，組成了本發(fā)明的滑動石英舟，然后把該滑 動石英舟放入液相外延系統(tǒng)。在一定的溫度下，使原料溶化成生長溶液2 (例如 InAsSb為700°C)。然后，使系統(tǒng)的溫度以TC/分鐘的降溫速率下降至生長溫度。 生長時，在生長溫度下(例如InAsSb為570°C)，如圖3所示，用推桿3推動 壓塊4，使L2井位于襯底5的凹槽的上方，也就是使生長溶液2與襯底5接觸， 接著，用推桿3推動壓塊4，把多余的生長溶液從襯底5上推走，但此時需在襯 底5的表面殘留一層溶液。然后，如圖4所示，把壓塊4的平底部分推到襯底5 的上方，以0.5。C/分鐘的降溫速率，降溫10。C，使這層殘留的溶液在壓塊4的平 底部分下結(jié)晶，在襯底5上生成外延層。由于溶液的結(jié)晶過程在壓塊4的平底部 分下進(jìn)行，抑制了溶液2的自由膨脹。外延層的厚度取決于襯底5的厚度與底板 1的凹槽的深度之差，通常外延層的厚度達(dá)100nm。這是用LPE、MBE及MOCVD 技術(shù)無法得到的，此厚度足以消除外延層與襯底之間晶格失配的影響，導(dǎo)致用該 石英舟生長的InAsSb外延層的位錯密度(接近1x104ci^2)明顯低于用上述技術(shù) 生長的InAsSb材料(107-109cm-2)。我們用該石英舟，在InAs及GaAs襯底上生長出了截止波長為10-12pm的 InAsSb (銦砷銻)單晶。圖5給出InAsao4Sbo.96外延層在300K下的透射光譜。 通常，材料的截止波長定義在透過率最大值的一半處。如圖5所示，InAsao4Sb096 的截止波長達(dá)到12^un，即300K禁帶寬度為0.1033eV。而不用這種石英舟，用 常規(guī)生長技術(shù)在相同的InAsq.Q4Sba96組份下生長的材料，300K禁帶寬度為 0.1591eV ，對應(yīng)的截止波長為7.8pm，無法達(dá)到前述的截止波長指標(biāo)。用本發(fā)明的石英舟生長的8-12nm波段的InAsSb材料的X-射線衍射(XRD) 光譜的半高寬(FWHM)為147.6arcsec。而不用這種石英舟，用常規(guī)液相外延 技術(shù)生長的相同波段的InAsSb材料的X-射線衍射光譜的半高寬為1400arcsec， 無法達(dá)到上述指標(biāo)。更小的X-射線衍射半高寬指示了用該石英舟生長的InAsSb 材料具有更好的結(jié)晶質(zhì)量。由于壓塊4的平底部分的底面是外延層表面的直接接觸面，而石英塊的表面 可以拋光成鏡面級光滑，因此用這種石英舟生長的InAsSb外延層的表面平整、 光滑。而在石墨塊下結(jié)晶得到的InAsSb材料的表面粗糙且不光滑，須進(jìn)行磨、 拋處理。用本發(fā)明的石英舟生長的InAsSb材料的77K電子遷移率〉50000cm々Vs。77K 下，電離雜質(zhì)散射是影響電子遷移率的主要因素。這顯然是由于石英舟中生長的 樣品基本上排除了碳沾污，從而使得此樣品具有較高的低溫電子遷移率。而用石 墨舟生長的InAsSb材料，由于材料的生長過程中引入了碳沾污，材料的77K電 子遷移率〈30000cmVVs，無法達(dá)到上述電學(xué)指標(biāo)。本滑動石英舟使用簡便，可廣泛用于生長低熔點的半導(dǎo)體材料，特別適合于 生長外延層與襯底之間晶格失配度較大的材料。我們的實驗結(jié)果表明，在壓塊4下結(jié)晶的InAsSb單晶及InGaSb單晶， 其禁帶寬度都比用常規(guī)技術(shù)生長的相同組份的材料窄，因此該石英舟也適于生 長窄禁帶材料。
權(quán)利要求
1.一種生長低熔點半導(dǎo)體材料用的滑動石英舟，包括下面的底板(1)，底板(1)上開設(shè)有一個凹槽，凹槽內(nèi)放置襯底(5)，其特征在于該滑動石英舟采用高純石英原料制作，底板(1)上安裝有壓塊(4)，壓塊(4)與底板(1)互相匹配且壓塊(4)按需要在底板(1)上沿水平方向移動或停留；壓塊(4)一端固結(jié)一石英推桿(3)，壓塊(4)中部設(shè)有兩個垂直方向貫通壓塊(4)的井(L1、L2)，井內(nèi)放置生長溶液(2)，壓塊(4)底部其余部分是平底，該平底部分的底面的光滑度達(dá)到鏡面級，以便使生長出的外延層表面光滑。
全文摘要
一種生長低熔點半導(dǎo)體材料用的滑動石英舟，涉及一種生長低熔點半導(dǎo)體材料用的生長舟。采用高純石英制作，由上面的壓塊(4)，下面的底板(1)及壓塊(4)上固結(jié)的石英推桿(3)組成，底板(1)上設(shè)有一個凹槽，凹槽內(nèi)放置襯底(5)；壓塊(4)中部設(shè)有兩個垂直方向貫通壓塊(4)的井(L1、L2)，井內(nèi)放置生長溶液(2)，其平底部分的底面被拋光，光滑度達(dá)到鏡面級，以便使生長出的外延層表面光滑；壓塊(4)與底板(1)匹配且壓塊(4)按需要沿底板(1)水平移動。本發(fā)明實現(xiàn)了在外延層與襯底之間晶格失配度＞5％下的異質(zhì)外延單晶材料的生長；石英不吸附雜質(zhì)，電學(xué)性能好；外延層的截止波長不隨外延層厚度變化，特別適合生長窄禁帶材料。
文檔編號C30B19/00GK101250749SQ20071017172
公開日2008年8月27日 申請日期2007年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月4日
發(fā)明者高玉竹, 龔秀英 申請人:同濟(jì)大學(xué)