CN102363897A - 一种pbn坩埚及利用其进行砷化镓晶体生长的方法 - Google Patents

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徐家跃
房永征
何庆波
申慧
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Abstract

本发明公开了一种PBN坩埚及利用其进行砷化镓晶体生长的方法，属于单晶生长领域。其特点是所采用的热解氮化硼坩埚几何结构为等直径圆筒状，直径大小为50-150mm，高度为200-300mm。在垂直梯度凝固法/垂直布里支曼法生长GaAs晶体的过程中，与PBN坩埚直径相同的GaAs籽晶安装于坩埚底部，熔体在籽晶的基础上不断析晶生长，省去了传统PBN坩埚生长GaAs晶体必需的放肩过程，因而在晶体生长过程中消除了由于放肩引起的热应力及GaAs小面的快速发育，大大降低了GaAs晶体中出现多晶或孪晶的几率。

Description

一种PBN坩埚及利用其进行砷化镓晶体生长的方法
技术领域
本发明涉及一种PBN坩埚及利用其进行砷化镓（GaAs）晶体生长的方法，属于晶体生长领域。
背景技术
GaAs晶体是一种重要的化合物半导体材料，是第二代半导体的典型代表，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器件的工作速度快、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，其应用领域相当广泛，如可用于制作无线通讯、光纤通讯、汽车电子等微波器件，可用于制成发光二极管、激光器和其他一些光电子器件。GaAs材料及相关产业在2010年的产值已超过了200亿美元，未来几年仍将保持强劲的增长势头，前景十分诱人。 
为获得GaAs晶体，科学家经过半个多世纪的努力，至今已开发出多种生长GaAs晶体的方法。比较成功的工业化生长技术主要有液封直拉法(LEC) 、水平布里支曼法(HB)、垂直梯度凝固法/垂直布里支曼法(VGF/VB)和蒸气压控制直拉法(VCZ)。其中VGF/VB法因其独特的优势而成为当今GaAs晶体生长的主流技术，目前已广泛被国内外生产厂家和研究机构所采用。VGF/VB法的优点主要表现在所使用的设备温度梯度很小，一般可控制在2-15℃/cm，因而生长的晶体往往内部热应力小、位错密度低。此外，VGF/VB法所长的晶体呈圆柱状，这极大的降低了晶体在加工过程中的损耗量。还有，VGF/VB法设备成本的低廉更是加强了该技术在市场中的竞争力。VGF/VB法具有诸多优势，然而，需要注意的是，该方法在生长GaAs晶体的过程中，容易出现多晶或孪晶，这在很大程度上降低了工业化生产的产品合格率。其中造成GaAs晶体易出现多晶或孪晶的重要因素之一是因为现有的氮化硼（PBN）坩埚具有放肩部位，其结构示意图如图1所示，图中1为现有的放肩PBN坩埚的坩埚体、2为放置B2O3部位、3为GaAs熔体部位，4为PBN坩埚放肩部分、5为放置GaAs籽晶部位。由于晶体在放肩部位结晶生长时，PBN坩埚壁附近的热应力及GaAs晶体本身的极性特征很容易引起晶体小面的快速生长而最终使GaAs晶体成为多晶或孪晶，影响了晶体的完整性，最终成品率仅为50-75%。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服VGF/VB法中易出现的多晶或孪晶现象，发明一种等直径坩埚生长GaAs晶体的方法，以提高晶体的成品率。
本发明的技术原理
本发明的一种等直径坩埚生长砷化镓晶体的方法，采用直筒状坩埚，籽晶安装于坩埚底部，在晶体生长过程中，熔体在与坩埚直径相同的籽晶基础上析晶，省去了放肩过程，因而在晶体生长过程中消除了由于坩埚放肩引起的热应力及砷化镓小面的快速发育，大大降低了晶体中出现多晶或孪晶的几率。
本发明的技术方案
一种PBN坩埚，为等直径圆筒状，坩埚一端封口，另一端开口，封口的一端为籽晶槽部位所处位置，其结构示意图如图2所示，图中6为等直径PBN坩埚的坩埚体、7为放置B2O3部位、8为GaAs熔体部位、9为放置GaAs籽晶部位即籽晶槽。
所述的PBN坩埚的直径大小50-150mm，高度为200-300 mm，所述的籽晶槽的体积占坩埚总体积的1：100～150。
利用上述的一种PBN坩埚进行砷化镓晶体生长的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）、晶体生长
将籽晶放置于PBN坩埚的籽晶槽内，将砷化镓多晶原料装入PBN坩埚，并衬以100-150g无水B2O3，目的是控制砷挥发并便于晶体脱模，将PBN坩埚置入石英坩埚内，用氢氧火焰将其烧结密封，然后将石英坩埚置于VGF/VB炉中，使籽晶顶部与炉内热电偶处于同一水平高度，以便于控制接种，将炉温升到1270-1290℃范围内，待籽晶顶端熔化接种完成后，控制晶体的生长速率为0.5-5mm/h，优选为1-4 mm/h开始生长，直到熔体全部结晶；
所述籽晶取向为<010>、<100>、<001>、<111>、<511>及其他任意方向，籽晶长度为20-40mm；
（2）、退火处理
待步骤（1）中的熔体全部结晶后，将PBN坩埚移至恒温区域内，在950～1100℃范围内保温10h，消除晶体内部热应力，然后控制降温速率为30～70℃/h，优选为30～50℃/h缓慢降至室温，取出晶体，即为所需的砷化镓晶体。
上述的利用PBN坩埚进行砷化镓晶体生长的方法，最终所得的砷化镓晶体用内圆切割机对其尾部进行切割，观察切割端面形态，晶体中未发现多晶或孪晶现象。砷化镓晶体的成品率超过了90%。
本发明的有益效果
本发明的利用等直径圆筒状的PBN坩埚进行砷化镓晶体生长的方法，一方面，由于砷化镓高温熔体在等直径圆筒状的PBN坩埚中逐渐结晶，因此，避免了VGF/VB法中必须经过的接种放肩生长过程，提高了砷化镓晶体成品率，最终成品率超过了90%。
另一方面由于保留了VGF/VB法，因此可获得高质量高性能砷化镓晶体的优点。
同时，由于本发明所用的籽晶可以多次重复使用，未增加晶体生长成本，因而十分适合砷化镓晶体工业化生产。
附图说明
图1、现有技术中具有的放肩部分即底部为圆锥或漏斗形的PBN坩埚结构示意图，图中1为现有的放肩PBN坩埚的坩埚体、2为放置B2O3部位、3为GaAs熔体部位，4为PBN坩埚放肩部位、5为安置GaAs籽晶部位。 
图2、本发明采用的等直径PBN坩埚示意图，图中6为等直径PBN坩埚的坩埚体、7为放置B2O3部位、8为GaAs熔体部位、9为放置GaAs籽晶部位即籽晶槽。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
本发明所用的VGF/VB炉，型号JCHQ-B，系青岛精诚华旗有限公司生产。
本发明所用的石英坩埚，型号QUAR-5，系上海考斯茂有限公司生产。
本发明所用的富As的高纯GaAs多晶原料，规格GAAS-1，系中国科学院半导体研究所提供。
实施例1
将<001>取向、直径与PBN坩埚等径、长度为30mm的GaAs籽晶放置于PBN坩埚的籽晶槽内，将富As的高纯GaAs多晶原料2.5kg装入PBN坩埚内，并衬以100g无水B2O3；
所述的PBN坩埚为直径50mm，高度为300mm的等直径圆筒状，PBN坩埚一端封口，另一端开口；
将PBN坩埚置入石英坩埚内并用氢氧火焰烧结密封，再将石英坩埚置于VGF/VB炉中，炉温控制在1280℃，待恒温后开始接种生长，晶体生长速率为4mm/h，生长结束后晶体在恒温区内1000℃下退火10h，然后炉温以40℃/h的速率降温至室温，最终获得表面光亮无沾润的GaAs晶体。
将所得的GaAs晶体用内圆切割机对其尾部进行切割，观察切割端面形态，晶体中未发现多晶或孪晶现象，GaAs晶体的成品率超过了90%。
实施例2
将<111>取向、直径与PBN坩埚等径、长度为40mm的GaAs籽晶放置于PBN坩埚的籽晶槽内，将富As的高纯GaAs多晶原料5.0 kg，装入PBN坩埚内，PBN坩埚内衬以120g无水B2O3；
所述的PBN坩埚为直径75mm，高度为250mm的等直径圆筒状，PBN坩埚一端封口，另一端开口；
将PBN坩埚置入石英坩埚内并用氢氧火焰烧结密封。将石英坩埚置于VGF/VB炉中，炉温控制在1270℃，待恒温后开始接种生长，晶体生长速率为3mm/h。生长结束后晶体在恒温区内950℃下退火10h，然后炉温以50℃/h的速率降温至室温，最终获得表面光亮无沾润的GaAs晶体。
将所得的GaAs晶体用内圆切割机对其尾部进行切割，观察切割端面形态，晶体中未发现多晶或孪晶现象，GaAs晶体的成品率超过了90%。
实施例3
将<511>取向、直径与PBN坩埚等径、长度为20mm的GaAs籽晶放置于PBN坩埚的籽晶槽内，将10.0公斤富As高纯GaAs多晶原料装入PBN坩埚内，PBN坩埚内衬以130g无水B2O3。
所述的PBN坩埚为直径100mm，高度为230mm的等直径圆筒状，PBN坩埚一端封口，另一端开口；
将PBN坩埚置入石英坩埚内并用氢氧火焰烧结密封，将石英坩埚置于VGF/VB炉中，炉温控制在1290℃，待恒温后开始接种生长，晶体生长速率为2.5mm/h，生长结束后晶体在恒温区内1050℃下退火10h，然后炉温以30℃/h的速率降温至室温，最终获得表面光亮无沾润的GaAs晶体。
将所得的GaAs晶体用内圆切割机对其尾部进行切割，观察切割端面形态，晶体中未发现多晶或孪晶现象，GaAs晶体的成品率超过了90%。
实施例4
将<010>取向、直径与PBN坩埚等径、长度为35mm的GaAs籽晶放置于PBN坩埚的籽晶槽内，将20.0公斤富As高纯GaAs多晶原料装入PBN坩埚内，PBN坩埚内衬以150g无水B2O3；
所述的PBN坩埚为直径150mm, 高度为200mm的等直径圆筒状，PBN坩埚一端封口，另一端开口；
将PBN坩埚置入石英坩埚内并用氢氧火焰烧结密封。将石英坩埚置于VGF/VB炉中，炉温控制在1285℃，待恒温后开始接种生长，晶体生长速率为1mm/h。生长结束后晶体在恒温区内1100℃下退火10h，然后炉温以45℃/h的速率降温至室温，最终获得表面光亮无沾润的GaAs晶体。
将所得的GaAs晶体用内圆切割机对其尾部进行切割，观察切割端面形态，晶体中未发现多晶或孪晶现象，GaAs晶体的成品率超过了90%。
上述通过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。

Claims (7)

1.一种PBN坩埚，其特征在于所述的PBN坩埚为等直径圆筒状，坩埚一端封口，另一端开口，封口的一端为籽晶槽所处位置。
2.如权利要求1所述的一种PBN坩埚，其特征在于所述的PBN坩埚的直径大小为50-150mm，高度为200-300 mm，所述的籽晶槽的体积占坩埚总体积的1：100～150。
3.利用如权利要求1或2所述的PBN坩埚进行砷化镓晶体生长的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）、晶体生长
将籽晶放置于PBN坩埚的籽晶槽内，将砷化镓多晶原料装入PBN坩埚，并衬入100-150g无水B2O3，将PBN坩埚置入石英坩埚内，用氢氧火焰将其烧结密封，然后将石英坩埚置于VGF/VB炉中，使籽晶顶部与炉内热电偶处于同一水平高度，将炉温升到1270-1290℃，待砷化镓多晶原料全部熔化，籽晶顶端充分接种熔化后，晶体以0.5-5mm/h生长速率开始生长，直到熔体全部结晶为砷化镓晶体；
（2）、退火处理
待步骤（1）中的熔体全部结晶后，将PBN坩埚移至VGF/VB炉的恒温区域内，在950～1100℃范围内保温10h，消除晶体内部热应力，然后控制降温速率为30～70℃/h缓慢降至室温，取出晶体，即得到砷化镓晶体。
4.如权利要求3所述的利用PBN坩埚进行砷化镓晶体生长的方法，其特征在于步骤（1）所述的GaAs籽晶直径与PBN坩埚直径相同，GaAs籽晶长度为20-40mm。
5.如权利要求3所述的利用PBN坩埚进行砷化镓晶体生长的方法，其特征在于步骤（1）所述的GaAs籽晶取向为<010>、<100>、<111>或<511>。
6.如权利要求3所述的利用PBN坩埚进行砷化镓晶体生长的方法，其特征在于步骤（1）中所述的晶体生长速率优选控制为1～4mm/h。
7.如权利要求3所述的利用PBN坩埚进行砷化镓晶体生长的方法，其特征在于步骤（2）中所述的降温速率优选为30～50℃/h。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013143018A1 (zh) * 2012-03-26 2013-10-03 北京通美晶体技术有限公司 一种iiiα-va族半导体单晶衬底及其制备方法
CN105133019A (zh) * 2015-10-14 2015-12-09 云南鑫耀半导体材料有限公司 多室砷化镓单晶生长炉及其生长方法
CN106400101A (zh) * 2016-10-11 2017-02-15 广东先导先进材料股份有限公司 一种化合物半导体单晶生长装置及方法
CN113981523A (zh) * 2021-10-09 2022-01-28 云南鑫耀半导体材料有限公司 不同偏角度砷化镓籽晶加工及砷化镓单晶的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1657659A (zh) * 2004-12-15 2005-08-24 中国科学院上海光学精密机械研究所 砷化镓单晶的生长方法
CN1784514A (zh) * 2003-05-07 2006-06-07 住友电气工业株式会社 磷化铟基板、磷化铟单晶及其制造方法
CN101348940A (zh) * 2008-09-08 2009-01-21 杭州上晶光电有限公司 一种化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1784514A (zh) * 2003-05-07 2006-06-07 住友电气工业株式会社 磷化铟基板、磷化铟单晶及其制造方法
CN1657659A (zh) * 2004-12-15 2005-08-24 中国科学院上海光学精密机械研究所 砷化镓单晶的生长方法
CN101348940A (zh) * 2008-09-08 2009-01-21 杭州上晶光电有限公司 一种化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
P.RUDOLPH等: "Studies on interface curvature during vertical Bridgman growth of InP in a flat-bottom container", 《JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH》, vol. 158, 31 December 1996 (1996-12-31) *
王建利等: "VB法生长低位错GaAs单晶", 《人工晶体学报》, vol. 36, no. 1, 28 February 2007 (2007-02-28) *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013143018A1 (zh) * 2012-03-26 2013-10-03 北京通美晶体技术有限公司 一种iiiα-va族半导体单晶衬底及其制备方法
CN105133019A (zh) * 2015-10-14 2015-12-09 云南鑫耀半导体材料有限公司 多室砷化镓单晶生长炉及其生长方法
CN106400101A (zh) * 2016-10-11 2017-02-15 广东先导先进材料股份有限公司 一种化合物半导体单晶生长装置及方法
CN113981523A (zh) * 2021-10-09 2022-01-28 云南鑫耀半导体材料有限公司 不同偏角度砷化镓籽晶加工及砷化镓单晶的制备方法
CN113981523B (zh) * 2021-10-09 2024-03-12 云南鑫耀半导体材料有限公司 不同偏角度砷化镓籽晶加工及砷化镓单晶的制备方法

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