CN109280978A - 一种低位错锑化铟<111>方向单晶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低位错锑化铟<111>方向单晶的制备方法，属于光电材料技术领域。所述方法主要对拉晶过程中温度、籽晶提拉速度以及放肩角度进行调控，实现直拉法生长锑化铟<111>方向单晶，拉晶结束对形成的锑化铟<111>方向单晶进行原位的退火处理，能够大大降低所制备的锑化铟<111>方向单晶的位错，使直径为50mm左右的大尺寸锑化铟<111>方向单晶的位错低密度于30个/cm2。采用锑化铟<111>方向低位错单晶制备的红外探测器的性能更稳定，所述方法大大拓宽了锑化铟<111>方向单晶在红外探测器上的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种低位错锑化铟<111>方向单晶的制备方法，属于光电材料技术领域。
背景技术
锑化铟是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中禁带宽度最窄，迁移率最大的材料，其物理、化学性能稳定，被广泛应用于红外探测器及霍尔器件等方面。红外探测器的量子效率与选用的红外敏感材料密切相关，而锑化铟在3μm～5μm波段具有很高的量子效率，加上锑化铟在制备红外探测器上成本低，锑化铟红外探测器以其在军事方面的重要应用及在民用方面的广泛前景，引起了越来越广泛的关注。另外，为了适应锑化铟红外焦平面列阵器件向大规模发展的趋势，同时，为了降低红外探测器器件研制成本并提高生产效率，国内外一直在研究发展大尺寸锑化铟单晶生长的技术。
目前锑化铟单晶生长主要采用常规的Czochralski(切克劳斯基)法生长，这是一种制备半导体块状单晶材料的重要手段。该方法可以不受坩埚约束而生长晶体，晶体的外形尺寸在一定范围内可选择，同时，所制备的晶体有较高的完整性。Czochralski法生长单晶的设备主要包括加热器、石英管、坩埚以及提拉杆，加热器对放置坩埚的石英管区域加热，使坩埚内部的多晶材料熔融，通过提拉杆使籽晶插入熔体中，随后再将籽晶慢慢提起，新的晶体在籽晶下部不断生长，在单晶生长的过程中石英管内部充入保护气体。
对于晶体生长而言，生长的主要目的是使晶体按照设定的直径生长，对晶体放肩形状和直径的控制主要是通过改变加热功率和提拉速度等方法来实现的。当结晶加快时，晶体直径会变粗，加快提拉速度可以使直径变细，升高温度也能抑制结晶速度；反之若结晶变慢直径会变细，则需要通过降低拉速或降温来控制。为了保证晶体质量，防止在晶体生长过程中产生多晶，生长前沿的温度变化应越小越好。从宏观上考虑，放肩控制会限制晶体根据生长习性、温场分布和工艺特性等因数自然生长，因此，如果放肩控制策略使用不当，就必然会引起多晶出现。
锑化铟<111>方向单晶是较为普遍的，而且制备工艺也比较成熟，与锗、硅的拉晶方法相同，许多锗、硅的生产经验可以借鉴。然而，制备锑化铟单晶的难点是降位错，器件工艺对材料的要求是低位错或无位错，用普通方法制备的锑化铟单晶位错密度每平方厘米至少几百个，目前对于锑化铟<111>方向低位错单晶的研究比较少，而且对于锑化铟<111>方向低位错单晶的拉晶方法未见报道，主要是因为<111>方向单晶本身结构的影响，拉晶过程中容易出现多晶，<111>方向完整的低位错单晶很难拉成。
发明内容
针对现有技术中制备锑化铟<111>方向单晶存在的不足，本发明的目的在于提供一种低位错锑化铟<111>方向单晶的制备方法，所述方法主要通过对直拉法生长晶体过程中温度的控制以及放肩角度的严格调控，实现对锑化铟<111>方向低位错单晶的制备。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种低位错锑化铟<111>方向单晶的制备方法，所述方法步骤如下：
(1)将按化学计量比配制的铟和锑的混合物加热至完全熔化后，再进行凝固，得到锑化铟多晶材料；
(2)对锑化铟多晶材料进行不低于30次的区域提纯后，截取锭条中载流子浓度N≤1×1014cm-3(77K)，电子迁移率u≥6×105/V·S(77K)的部分，即为高纯度的锑化铟多晶材料；
(3)对高纯度的锑化铟多晶材料表面进行清洁处理后，装入石英坩埚中，随后再转移至充有氢气且密封的石英管中，并对放置石英坩埚的石英管区域进行加热，使石英坩埚内高纯度的锑化铟多晶材料完全熔化成液体；
(4)降低加热功率，待液体表面区域形成晶核后，将<111>方向的锑化铟籽晶插入液体中，待液体表面的温度与液体表面上方空气之间的温差为55℃～80℃时，再以21r/min～30r/min的转速和30mm/h～40mm/h的上升速度提拉籽晶，并在提拉过程中以35mW/min～50mW/min速率逐渐降低加热功率，形成放肩角度为10°～25°的放肩段；之后均匀降低加热功率，形成直径保持不变的等径段；最后增加加热功率，形成锥形收尾段，即得到一根锑化铟<111>方向单晶；
(5)将步骤(4)得到的锑化铟<111>方向单晶降温至250℃～300℃，并保温30h～48h，再以35℃/h～50℃/h的降温速率降温至室温后，再放置12h以上取出，得到低位错锑化铟<111>方向单晶。
进一步的，优选籽晶插入液体液面以下4mm～6mm；提拉过程中，坩埚以16r/min～25r/min的转速进行旋转，使坩埚内的液体受热均匀。另外，锑化铟<111>方向单晶中放肩段、等径段以及收尾的锥形收尾段的长度根据实际需要进行调整。
有益效果
本发明提供了一种低位错锑化铟<111>方向单晶的制备方法，所述方法提供了一种能够成功制备出锑化铟<111>方向低位错单晶的具体工艺操作，弥补了锑化铟<111>方向低位错单晶制备领域的空白，主要通过对拉晶过程中温度、籽晶提拉速度以及放肩角度进行调控，实现直拉法生长锑化铟<111>方向单晶，拉晶结束对形成的锑化铟<111>方向单晶进行原位的退火处理，能够大大降低所制备的锑化铟<111>方向单晶的位错，使直径为50mm左右的大尺寸锑化铟<111>方向单晶的位错低密度于30个/cm2；采用锑化铟<111>方向低位错单晶制备的红外探测器的性能更稳定，大大拓宽了锑化铟<111>方向单晶在红外探测器上的应用。
具体实施方式
下面具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。
对比例1
一种锑化铟<111>方向单晶的制备步骤如下：
(1)将纯度为6N的铟和锑按照1:1的摩尔比进行配料，将二者的混合物放在石英舟内，再转移至充有氢气且密封的石英管中，加热使石英舟内的固体完全熔化，并保温6h确保锑和铟混合均匀，再进行凝固，得到锑化铟多晶材料；
(2)对锑化铟多晶材料进行31次的区域提纯后，利用霍尔效应对区域提纯后的锭条进行测试，截取锭条中载流子浓度N≤1×1014cm-3(77K)，电子迁移率u≥6×105/V·S(77K)的部分，即为高纯度的锑化铟多晶材料；
(3)对高纯度的锑化铟多晶材料表面进行打磨清洗，并采用CP4腐蚀剂(由体积比为5:3:3的硝酸、氢氟酸和冰乙酸组成)进行腐蚀处理，然后装入清洁干燥的石英坩埚中，并将石英坩埚转移至充有氢气且密封的石英管中，并对放置石英坩埚的石英管区域进行加热，使石英坩埚内高纯度的锑化铟多晶材料完全熔化成液体；
(4)降低加热功率，待液体表面区域形成晶核后，通过提拉杆将<111>方向的锑化铟籽晶插入液体液面以下6mm，待液体表面的温度与液体表面上方空气之间的温差为80℃时，再以21r/min的转速和30mm/h的上升速度提拉籽晶，同时石英坩埚以25r/min的转速进行旋转，并在提拉过程中以40mW/min～50mW/min速率逐渐降低加热功率，形成放肩角度为10°的放肩段；之后均匀降低加热功率，形成直径为50mm的等径段；最后增加加热功率，形成直径逐渐变小的锥形收尾段，即得到一根锑化铟<111>方向单晶。
将所制备的锑化铟<111>方向单晶进行切片，定向测得切片的2θ＝76°15’，说明所制备的锑化铟是<111>方向单晶。对所制备的锑化铟<111>方向单晶等径段进行切片，并采用CP4腐蚀剂对等径段切片进行腐蚀处理，之后放在光学显微镜下观察并统计得到位错密度为2000个/cm2。
实施例1
采用与对比例1相同的步骤及工艺条件制备锑化铟<111>方向单晶，锥形收尾段的拉晶过程结束后，停止坩埚的旋转、籽晶的旋转以及对籽晶的提拉，并降低加热功率，使锑化铟<111>方向单晶表面的温度降至300℃，并在300℃下保温48h，之后继续降低加热功率确保以35℃/h的降温速率对锑化铟<111>方向单晶进行降温，降至室温后，再放置18h后取出，得到低位错锑化铟<111>方向单晶。
对所制备的低位错锑化铟<111>方向单晶等径段进行切片，并采用CP4腐蚀剂对等径段切片进行腐蚀处理，之后放在光学显微镜下观察并统计得到位错密度为28个/cm2。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种低位错锑化铟<111>方向单晶的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)将按化学计量比配制的铟和锑的混合物加热至完全熔化后，再进行凝固，得到锑化铟多晶材料；
(2)对锑化铟多晶材料进行不低于30次的区域提纯后，在77K下截取锭条中载流子浓度小于等于1×1014cm-3，电子迁移率大于等于6×105/V·S的部分，即为高纯度的锑化铟多晶材料；
(3)对高纯度的锑化铟多晶材料表面进行清洁处理后，装入石英坩埚中，随后再转移至充有氢气且密封的石英管中，并对放置石英坩埚的石英管区域进行加热，使石英坩埚内高纯度的锑化铟多晶材料完全熔化成液体；
(4)降低加热功率，待液体表面区域形成晶核后，将<111>方向的锑化铟籽晶插入液体中，待液体表面的温度与液体表面上方空气之间的温差为55℃～80℃时，再以21r/min～30r/min的转速和30mm/h～40mm/h的上升速度提拉籽晶，并在提拉过程中以35mW/min～50mW/min速率逐渐降低加热功率，形成放肩角度为10°～25°的放肩段；之后均匀降低加热功率，形成直径保持不变的等径段；最后增加加热功率，形成锥形收尾段，即得到一根锑化铟<111>方向单晶；
(5)将锑化铟<111>方向单晶降温至250℃～300℃，并保温30h～48h，再以35℃/h～50℃/h的降温速率降温至室温后，再放置12h以上取出，得到一种低位错锑化铟<111>方向单晶。
2.根据权利要求1所述的一种低位错锑化铟<111>方向单晶的制备方法，其特征在于：籽晶插入液体液面以下4mm～6mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种低位错锑化铟<111>方向单晶的制备方法，其特征在于：提拉过程中，坩埚以16r/min～25r/min的转速进行旋转。
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