砷化镓材料制备工艺

日期:2021-03-09 来源:搜狐网阅读:501
核心提示:从20世纪50年代开始,已经开发出了多种砷化镓单晶生长方法。目前主流的工业化生长工艺包括:液封直拉法(LEC)、水平布里其曼法
 从20世纪50年代开始,已经开发出了多种砷化镓单晶生长方法。目前主流的工业化生长工艺包括:液封直拉法(LEC)、水平布里其曼法(HB)、垂直布里其曼法(VB)以及垂直梯度凝固法(VGF)等。

1、液封直拉法(Liquid Encapsulated Czochralski,简称LEC)

LEC法是生长非掺半绝缘砷化镓单晶(SI GaAs)的主要工艺,目前市场上80%以上的半绝缘砷化镓单晶是采用LEC法生长的。LEC法采用石墨加热器和PBN坩埚,以B2O3作为液封剂,在2MPa的氩气环境下进行砷化镓晶体生长。LEC工艺的主要优点是可靠性高,容易生长较长的大直径单晶,晶体碳含量可控,晶体的半绝缘特性好。其主要缺点是:化学剂量比较难控制、热场的温度梯度大(100~150 K/cm)、晶体的位错密度高达104以上且分布不均匀。日本日立电线公司于1998年首先建立了6英寸LEC砷化镓单晶生产线,该公司安装了当时世界上最大的砷化镓单晶炉,坩埚直径400mm,投料量50公斤,生长的6英寸单晶长度达到350 mm。德国Freiberger公司于2000年报道了世界上第一颗采用LEC工艺研制的8英寸砷化镓单晶。

2、 水平布里其曼法(Horizontal Bridgman,简称HB)

HB法是曾经是大量生产半导体(低阻)砷化镓单晶(SC GaAs)的主要工艺,使用石英舟和石英管在常压下生长,可靠性和稳定性高。HB法的优点是可利用砷蒸汽精确控制晶体的化学剂量比,温度梯度小从而达到降低位错的目的。HB砷化镓单晶的位错密度比LEC砷化镓单晶的位错密度低一个数量级以上。主要缺点是难以生长非掺杂的半绝缘砷化镓单晶,所生长的晶体界面为D形,在加工成晶片过程中将造成较大的材料浪费。同时,由于高温下石英舟的承重力所限,难以生长大直径的晶体。目前采用HB工艺工业化大量生产的主要是2英寸和3英寸晶体,报道的HB法砷化镓最大晶体直径为4英寸。目前采用HB工艺进行砷化镓材料生产的公司已经不多,随着VB和VGF工艺的日渐成熟,HB工艺有被逐渐取代的趋势。

3、垂直布里其曼法(Vertical Bridgman,简称VB)

VB法是上世纪80年代末开始发展起来的一种晶体生长工艺,将合成好的砷化镓多晶、B2O3以及籽晶装入PBN坩埚并密封在抽真空的石英瓶中,炉体垂直放置,采用电阻丝加热,石英瓶垂直放入炉体中间。高温下将砷化镓多晶熔化后与籽晶进行熔接,然后通过机械传动机构由支撑杆带动石英瓶与坩埚向下移动,在一定的温度梯度下,单晶从籽晶端开始缓慢向上生长。VB法即可以生长低阻砷化镓单晶,也可以生长高阻半绝缘砷化镓单晶。晶体的平均EPD在5 000个/cm-2以下。

4、 垂直梯度凝固法(Vertical Gradient Freeze,简称VGF)

VGF工艺与VB工艺的原理和应用领域基本类似。其最大区别在于VGF法取消了晶体下降走车机构和旋转机构,由计算机精确控制热场进行缓慢降温,生长界面由熔体下端逐渐向上移动,完成晶体生长。这种工艺由于取消了机械传动机构,使晶体生长界面更加稳定,适合生长超低位错的砷化镓单晶。VB与VGF工艺的缺点是晶体生长过程中无法观察与判断晶体的生长情况,同时晶体的生长周期较长。目前国际上商用水平已经可以批量生产6英寸的VB/VGF砷化镓晶体,Freiberger公司在2002年报道了世界上第一颗采用VGF工艺研制的8英寸砷化镓单晶。

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