专利名称：：一种化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法
技术领域：
：本发明涉及一种化合物半导体砷化镓单晶的改进型坩埚下降法生长方法，属于晶体生长领域。
背景技术：
：砷化镓(GaAs)是典型的化合物半导体，其地位仅次于Si单晶。与Si相比，GaAs的带隙较大、电子迁移率和饱和速度高，因此用GaAs制成的电子器件比相应Si器件工作速度快、工作频率高且具有更宽的工作温度范围。这使得GaAs取代Si成为了制作现代超高速电子器件和电路的最重要半导体材料。近几年来，GaAs材料及其相关产业发展迅速，每年以超过35%的速度增长，2005年其产值已超过了IOO亿美元。在未来的几十年内，GaAs产业仍将保持强劲的增长势头。GaAs产业的规模越来越大，前景十分诱人。1、授权公告号CN1249271C、名称"砷化镓单晶的生长方法"，采用双加热温度温梯炉进行生长，具体步骤如下①坩埚和生长炉的预烧处理在坩埚未装原料的情况下，对氮化硼坩埚和生长炉内的装置进行高温预烧结处理，具体做法对双加热温度梯度炉抽真空，真空度小于6x103Pa后，以50150°C/小时的速率升温到13001500。C，保温2448小时，降温速率为5015(TC/小时，降至室温后打开炉罩；②晶体生长过程将定向好的砷化镓籽晶放入氮化硼坩埚的籽晶槽中，将坩埚置于定位棒的圆形凹槽内，在坩埚中放入按比例混合好的原料，氮化硼坩埚上覆盖氧化铝刚玉板，将炉体的其它组件装配到位，放下钟罩；打开真空系统对生长炉抽高真空，当真空度小于6xl(^Pa后，充入高纯保护氢气或氮气，气压为0.010.05MPa;启动生长控制程序，升温速率为10100°C/小时，升温至1301500°C，恒温312小时，以210°C/小时速率降温至900110(TC;③高温原位退火当砷化镓晶体结晶结束后，炉内温度降至9001100°C时，保温130小时，退火结束后，以520°C/小时降至室温，晶体生长完毕。2、目前，生长GaAs单晶的技术主要有水平布里奇曼法(HB)、液封直拉法(LEC)、蒸气控制直拉法(VCZ)、垂直梯度凝固法(VGF)和垂直布里奇曼法(VB)。HB法设备较为简单，可生长低位错密度的GaAs单晶，但该工艺生长周期长，所得晶体截面呈"D"形，加工成圆片时，造成材料损失，因此利用率低。LEC是首先在高压单晶炉内原位合成GaAs后，再以此为籽晶拉制单晶，该方法的优点是可制备出高纯度大尺寸的GaAs单晶，M规模生产，但其结晶质量略差，位错密度高，而且设备十分昂贵。VCZ是对LEC技术的一项改进，它将坩埚-晶体放置在一充满As气氛的内生长室中，As蒸气压抑制了GaAs晶体在生长过程中的表面解离，从而获得了低位错晶体。但该工艺使生长系统复杂化了，生长过程无法观察，重复性较差，因而未能用于规模化生产。VGF和VB技术近几年被广泛采用，它们兼具了以上几种方法的优点，可生长出高质量大直径的GaAs单晶，并且设备成本低很多，因而倍受青睐。总体上讲，以上各生长方法各具特色，但它们有一个共同的缺点每台生长设备在一个生长周期内只能获得一根晶体，生产效率不高。
发明内容设计目的避免
背景技术：
中的不足之处，设计一种三温区炉膛可调节、一炉同时生长多根晶体的多坩埚、原位退火的一种化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法，以期实现GaAs晶体的低成本、批量化、自动化生产。设计方案为了实现上述设计目的。本发明将预先合成好的高纯富砷多晶GaAs原料，装入底部有种井和籽晶的PBN坩埚内，放置于三温区的坩埚下降炉内，炉温控制在12501290°C，下降速率为0.2~3mm/h，并且在同一炉内可放置多个坩埚，同时生长多根晶体。晶体生长结束后，通过调整适当的柑埚位置和控制炉温，可对晶体实行原位退火消除热应力，减少晶体开裂。技术方案一种化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法，(1)将多工位柑埚下降炉用于化合物半导体GaAs单晶的生长，其炉内设计有多个工位，可同时生长多根晶体；(2)先合成好高纯富砷多晶GaAs原料，一般富砷量不多于lmol%，将原料装入底部有种井和籽晶的PBN坩埚内，置于静态稳定坩埚下降炉内；(3)下降炉设计有三个温度区，高温区T,，梯度区T2以及低温区T3，分别承担化料、生长和保温功能；(4)炉温控制在1250~1290°C，调整坩埚位置使籽晶顶部融化，然后以0.23mm/h速率下降，开始晶体生长；(5)晶体生长结束后，通过调整坩埚位置和控制炉温，对晶体实行原位退火。本发明与
背景技术：
相比，一是融合了现有VB方法和VGF法的优点，增加了多坩埚，以提高晶体产率，增加了原位退火方法，以降低热应力引起的位错缺陷；二是生长炉结构简单，操作方便，而且可以调节炉膛内部温度梯度，非常适合规模生产，其改进型坩埚下降法(MPM)与现有生长方法的比较见表l:表1GaAs单晶各生长方法的特点<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>具体实施例方式实施例1:化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法-下降炉选择将多工位坩埚下降炉用于化合物半导体GaAs单晶的生长；原料配制采用高纯As和Ga原料，在密闭条件下通过化学反应合成GaAs多晶料。根据实验需要在配料时特意添加过量的As，砷过量一般控制在小于lmol%，而多晶原料中掺入的Si或Zn或Te杂质不多于lmol%;生长准备选择高质量GaAs晶体，经X射线定向仪精确定向，切割、研磨成所需要形状，清洗干净后装入PBN坩埚的种井位置，然后装入多晶料，置于下降炉内适当位置；晶体生长炉温控制在12501290'C范围内调节且包括端值，恒温后保温数小时，待原料全部充分熔化后，调整坩埚位置使籽晶顶部融化，启动机械系统，开始晶体生长。界面温度梯度为2035"/cm范围内任选且包括端值，生长速度为0.25mm/h范围内任选且包括端值。多个坩埚同时进行上述相同操作，以确保每个晶体都能接种成功并实现同步生长；退火处理待原料全部结晶后，将坩埚移至恒温区域内，在卯0110(TC范围内且包括端值下保温10h，消除晶体内部热应力，然后以307(TC/h范围内的速率且包括端值缓慢降温至室温，取出晶体，即为所需的GaAs晶体。本发明所述的种井是指装籽晶的槽。举例说明例l:将富As的高纯GaAs多晶原料4.0kg，装入直径3英寸的PBN坩埚内，坩埚底部事先放置有<001>取向、直径10mm的籽晶。然后把坩埚置于下降法晶体生长炉中，炉温控制在1280。C，待恒温后开始接种生长。生长周期为5天，生长结束后在恒温区内IOOO'C下退火10小时，缓慢降温至室温，可获得表面光亮无沾润的GaAs晶体。例2:将富As的高纯GaAs多晶原料16.0kg，分别装入4只直径3英寸的PBN坩埚内，坩埚底部事先分别放置了<001>取向、直径10mm的籽晶。然后把4只坩埚置于多工位的下降法晶体生长炉中，炉温控制在128(TC，待恒温后开始接种生长。生长周期为5天，生长结束后在恒温区内IOO(TC下退火10小时，缓慢降温至室温，可获得4根相同长度的表面光亮无沾润的GaAs晶体。例3:将4.0kg合成好的富As的高纯GaAs多晶原料中，加入60mg高纯硅，混合均匀，装入直径4英寸的PBN坩埚内，坩埚底部事先放置有<001>取向、直径15mm的籽晶。然后把坩埚置于下降法晶体生长炉中，炉温控制在1280'C，待恒温后开始接种生长。生长周期为4天，生长结束后在恒温区内IOO(TC下退火12小时，缓慢降温至室温，可获得表面光亮无沾润的4英寸Si掺杂GaAs晶体。例4:将20.0kg合成好的富As的高纯GaAs多晶原料中，加入500mg高纯硅，混合均匀，装入直径5只直径2英寸的PBN坩埚内，坩埚底部事先放置有<111>取向、直径10mm的籽晶。然后把坩埚置于多工位下降法晶体生长炉中，炉温控制在127(TC，待恒温后开始接种生长。生长周期为7天，生长结束后在恒温区内90(TC下退火10小时，缓慢降温至室温，可获得表面光亮无沾润的5根直径2英寸的重Si掺杂的GaAs晶体。需要理解到的是上述实施例虽然对本发明作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。权利要求1、一种化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法，其特征是(1)将多工位坩埚下降炉用于化合物半导体GaAs单晶的生长，其炉内设计有多个工位，可同时生长多根晶体；(2)先合成好高纯富砷多晶GaAs原料，一般富砷量不多于1mol％；将原料装入底部有种井和籽晶的PBN坩埚内，置于静态稳定坩埚下降炉内；(3)下降炉设计有三个温度区，高温区T1，梯度区T2以及低温区T3，分别承担化料、生长和保温功能；(4)炉温控制在1250～1290℃，调整坩埚位置使籽晶顶部融化，然后以0.2～3mm/h速率下降，开始晶体生长；(5)晶体生长结束后，通过调整坩埚位置和控制炉温，对晶体实行原位退火。2、根据权利要求1所述的化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法，其特征是下降炉内设计有多个工位，可同时放置多支PBN坩埚，用于生长多根晶体。3、根据权利要求1所述的化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法，其特征是多晶原料中掺入富砷量不多于lmol%。4、根据权利要求1所述的化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法，其特征是多晶原料中掺入Si或Zn或Te杂质不多于lmol%。全文摘要本发明涉及一种化合物半导体砷化镓单晶的改进型坩埚下降法生长方法，将多工位坩埚下降炉用于化合物半导体GaAs单晶的生长，其炉内设计有多个工位，可同时生长多根晶体；先合成好高纯富砷多晶GaAs原料，一般富砷量不多于1mol％；将原料装入底部有种井和籽晶的PBN坩埚内，置于静态稳定坩埚下降炉内；下降炉设计有三个温度区，高温区T<sub>1</sub>，梯度区T<sub>2</sub>以及低温区T<sub>3</sub>，分别承担化料、生长和保温功能；炉温控制在1250～1290℃，调整坩埚位置使籽晶顶部融化，然后以0.2～3mm/h速率下降，开始晶体生长；晶体生长结束后，通过调整坩埚位置和控制炉温，对晶体实行原位退火。优点融合了现有VB法和VGF法的优点，增加了多坩埚，以提高晶体产率，增加了原位退火方法，以降低热应力引起的位错缺陷。文档编号C30B29/10GK101348940SQ20081012048公开日2009年1月21日申请日期2008年9月8日优先权日2008年9月8日发明者何庆波,徐家跃,胡同兵,敏金申请人:杭州上晶光电有限公司