CN110257914A - 一种砷化镓多晶合成装置和合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种砷化镓多晶合成装置和合成方法，包括合成炉，合成炉包括圆柱状的炉室；炉室内具有石英棉、加热器、石英管、第一石英舟和第二石英舟；炉室包括高温区和低温区，高温区和低温区均具有加热器，加热器固定在炉室的内壁上；石英管位于炉室内部，第一石英舟和第二石英舟位于石英管内，且第一石英舟位于高温区，用于装载镓材料，第二石英舟位于低温区，用于装载砷材料，以合成砷化镓多晶棒。本发明中，采用石英舟代替原来的PBN舟，形成了杂质和孔洞较少的砷化镓多晶棒，从而提高了砷化镓多晶的纯度，进而提高了砷化镓单晶的性能和成活率。

Description

一种砷化镓多晶合成装置和合成方法

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，更具体地说，涉及一种砷化镓多晶合成装置和合成方法。

背景技术

砷化镓(GaAs)材料是目前生产量最大、应用最广泛，也是最重要的化合物半导体材料，是仅次于硅的最重要的半导体材料。由于其优越的性能和能带结构，使砷化镓材料在微波器件和发光器件等方面具有很大发展潜力。

但是，要获得砷化镓单晶，必须首先合成砷化镓多晶原材料。由于砷化镓是二元化合物，砷的蒸气压较高，且镓和砷容易氧化，因此，合成砷化镓多晶并不容易。此外，砷化镓多晶对镓、砷化学计量比要求严格，成分的偏离将直接影响砷镓单晶生长和单晶性能参数。过去几十年中，先后开发了多种砷化镓多晶合成工艺，主要包括砷注入法、高压直接合成法和水平梯度凝固法等。

目前工业上应用最广泛的是水平梯度凝固法合成的砷化镓多晶，由于水平梯度凝固法所需要的设备简单，合成过程中，密封在石英管内的砷和镓不受外界环境的影响，因此，合成之后，再利用定向凝固对多晶进行提纯，即可得到比原料纯度更高的砷化镓多晶。

但是，水平梯度凝固法合成砷化镓多晶是用氮化硼材质的PBN舟，由于氮化硼形状和成本特性，这种工艺合成的砷化镓多晶棒杂质和孔洞较多，对生长的砷化镓单晶性能和成活率有一定影响，特别是对半绝缘砷化镓单晶，杂质的增加导致半绝缘砷化镓晶体性能变差，成活率也降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种砷化镓多晶合成装置和合成方法，以解决现有的PBN舟合成的砷化镓多晶棒杂质和孔洞较多的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种砷化镓多晶合成装置，包括合成炉，所述合成炉包括圆柱状的炉室；

所述炉室内具有石英棉、加热器、石英管、第一石英舟和第二石英舟；所述石英棉位于所述炉室的炉口处；

所述炉室包括高温区和低温区，所述高温区和所述低温区均具有所述加热器，所述加热器固定在所述炉室的内壁上；

所述石英管位于所述炉室内部，所述第一石英舟和所述第二石英舟位于所述石英管内，且所述第一石英舟位于所述高温区，用于装载镓材料，所述第二石英舟位于所述低温区，用于装载砷材料，以合成砷化镓多晶棒。

可选地，所述炉室内壁上具有通孔，测温控温器位于所述通孔处，所述测温控温器用于测量和控制所述石英管的温度。

可选地，所述第一石英舟的头部具有石英嘴。

可选地，还包括石英帽，所述石英帽和所述石英管焊接后形成密封腔室。

可选地，所述砷化镓多晶棒的形状为D形。

一种砷化镓多晶合成方法，应用于如上任一项所述的砷化镓多晶合成装置，所述方法包括：

将镓材料放入第一石英舟中，将砷材料放入第二石英舟中；

将所述第一石英舟和所述第二石英舟放入石英管中，并对所述石英管进行抽真空和预加热；

将密封后的所述石英管放入合成炉的炉室中，并在所述炉室的炉口处堵上石英棉；

开启加热器，对所述第一石英舟进行高温加热，对所述第二石英舟进行低温加热；

通过控制温度曲线，使所述第一石英舟从头到尾的温度成梯度下降，使合成的砷化镓液体凝固成多晶棒。

可选地，所述砷材料和所述镓材料中砷和镓的比例为1.05:1。

可选地，所述抽真空后的真空度为2Pa～3Pa，所述预加热后的温度为200℃～300℃。

可选地，所述高温加热的温度范围为1250℃～1350℃，所述低温加热的温度范围为630℃～700℃。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的砷化镓多晶合成装置和合成方法，采用石英舟代替原来的PBN舟，形成了杂质和孔洞较少的砷化镓多晶棒，从而提高了砷化镓多晶的纯度，进而提高了砷化镓单晶的性能和成活率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的砷化镓多晶合成装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的砷化镓多晶合成方法的流程图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种砷化镓多晶合成装置，如图1所示，包括合成炉，该合成炉包括圆柱状的炉室1；该炉室1内具有石英棉10、加热器11、石英管12、第一石英舟13和第二石英舟14等。

其中，石英棉10位于炉室1的炉口处，用于堵塞密封炉室1；

炉室1包括高温区和低温区，高温区和低温区均具有加热器11，加热器11固定在炉室1的内壁上；可选地，高温区的加热器11的个数大于低温区的加热器11的个数，以使高温区的温度大于低温区的温度。

石英管12位于炉室1内部，第一石英舟13和第二石英舟14位于石英管12内，且第一石英舟13位于高温区，即第一石英舟13位于石英管12的右侧，用于装载镓材料，第二石英舟14位于低温区，即第二石英舟14位于石英管12的左侧管口处，用于装载砷材料，以合成砷化镓多晶棒。

本发明实施例中，采用石英舟代替原来的PBN舟，可以减少PBN舟带来的Si、S等杂质，形成了杂质和孔洞较少的砷化镓多晶棒，从而提高了砷化镓单晶的性能和成活率。

可选地，本发明实施例中，第一石英舟13和第二石英舟14的尺寸为4寸，用于合成4寸的砷化镓多晶棒。

因为2寸和3寸砷化镓多晶棒的直径小，而晶棒加工的长度和重量是一定的，所以在相同重量的情况下，2寸和3寸的晶棒加工数量要多，则2寸和3寸晶棒切割块数也会更多，切割过程会造成物料损耗，所以切割数量越多，物料浪费越多，锯片或循环水带来的污染也越多。而本发明实施例中，采用4寸的石英舟代替原来的2寸或3寸的PBN舟，形成了4寸的砷化镓多晶棒，从而减少了切割块数，进而减少了后续晶棒加工过程中物料的浪费以及杂质的污染，提高了砷化镓单晶的性能和成活率。

当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，还可以采用6寸的石英舟合成6寸的砷化镓多晶棒，或者，也可以根据实际需要，采用2寸或3寸的石英舟合成2寸或3寸的砷化镓多晶棒。

需要说明的是，本发明实施例中形成的砷化镓多晶棒的形状为D形。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，砷化镓多晶棒的形状还可以是圆柱状等，在此不再赘述。

可选地，本发明实施例中，炉室1内壁上具有通孔，测温控温器15位于所述通孔处，所述测温控温器15用于测量和控制所述石英管12的温度。

虽然实际生产中关注的是测温温度，但是，测温温度需要通过多次调试相邻控温温度，来实现测温达到需求温度。因此，本发明实施例中将测温器和控温器合二为一，解决了由于测温和控温位置不一致而导致的控温温度和测温温度不对应的问题。

可选地，如图1所示，本发明实施例提供的合成装置还包括石英帽16，所述石英帽16和所述石英管12焊接后形成密封腔室，并将第一石英舟和第二石英舟密封在腔室内，以便砷材料和镓材料形成砷化镓多晶棒。

可选地，本发明实施例中，第一石英舟13的头部具有石英嘴17，以通过石英嘴17帮助多晶体散热，得到无孔洞，纯度高的砷化镓多晶棒。

还需要说明的是，本发明实施例中石英管和合成炉的尺寸都为4寸，从而可以一次合成12Kg～15Kg高纯砷化镓多晶棒，从而使得生产效率提高了20％-50％。

此外，现有技术是采用1天时间合成5Kg～6Kg多晶料，而本发明是采用2天时间合成12Kg～15Kg多晶料，因此，现有技术冷凝速度过快，而且PBN舟重复使用会带来杂质，导致杂质分布不均且较高，特别是Si杂质偏高；而本发明的合成的时间长，液体区熔排杂效果好，杂质少。

并且，由于现有技术中合成时间过快，因此，高温下砷和镓反应不够充分，砷气体排不出来，会使得晶棒内部形成气孔，表面也会有坑洼；而本发明中合成时间较长，砷和镓会反应充分，因此，可以形成致密的砷化镓多晶棒，其内部不存在气孔，表面也光滑。

本发明实施例还提供了一种砷化镓多晶合成方法，应用于如上任一实施例提供的砷化镓多晶合成装置，如图2所示，所述方法包括：

S101：将镓材料放入第一石英舟中，将砷材料放入第二石英舟中；

其中，所述砷材料和所述镓材料中砷和镓的比例为1.05:1。也就是说，在合成砷化镓多晶之前，先按1.05:1的比例将6N砷和6N镓分别放入清洗干净的4寸第一石英舟和第二石英舟中，使总重达到12-15Kg。

S102：将所述第一石英舟和所述第二石英舟放入石英管中，并对所述石英管进行抽真空和预加热；

将装有镓的第一石英舟放入石英管底部，讲装有砷的第二石英舟放在石英管的管口位置，启动真空机打开气体阀门抽真空，使得抽真空后的真空度达到2Pa～3Pa时，进行预加热，加热温度为200℃～300℃，保持1小时-2小时。

S103：将密封后的所述石英管放入合成炉的炉室中，并在所述炉室的炉口处堵上石英棉；

用氢氧火焰焊接石英管和石英帽，使两者连接在一起，即使石英管密封，并保持石英管内处在真空状态。之后，将石英管放进合成炉，相应的位置插上测温控温器，在合成炉两端堵上石英棉。

S104：开启加热器，对所述第一石英舟进行高温加热，对所述第二石英舟进行低温加热；

开启加热器，装有砷的第二石英舟处加热到630℃～700℃，将装镓的第一石英舟处加热到1250℃～1350℃，保持4小时～5小时。

S105：通过控制温度曲线，使所述第一石英舟从头到尾的温度成梯度下降，使合成的砷化镓液体凝固成多晶棒。

通过程序控制温度曲线，使镓第一石英舟从头到尾温度成梯度下降，使合成的砷化镓液体凝固成4寸的多晶棒，其中，水平冷凝速率为2cm/h～4cm/h，温度下降梯度为1℃/cm～2℃/cm，合成时间为30小时～40小时。

合成结束后进行冷却，通过控制程序降低温度，当温度下降到600℃，关闭程序冷却到常温后，就会得到孔洞少，表面光亮的多晶棒。

本发明的一个具体实施例中，按1.05:1比例将6N砷和6N镓分别放入清洗干净的4寸石英舟中，使总重达到12Kg；然后将装有镓的4寸石英舟放入石英管底部，装有砷的石英舟放在管口位置，启动真空机打开气体阀门抽真空，真空度达到3Pa时，加热温度到200℃，保持1小时，用氢氧火焰焊接石英管和石英帽，使两者连接在一起，保持石英管内处在真空状态，把石英管放进合成炉，相应的位置插上测温控温器，在合成炉两端堵上石棉，将装有砷的石英舟处加热到630℃，装镓的石英舟处加热到1250℃，保持4小时，通过程序控制温度曲线，使镓石英舟从头到尾温度成梯度下降，使合成的砷化镓液体凝固成4寸多晶棒，水平冷凝速率为4cm/h，温度下降梯度为2℃/cm，合成时间为30小时。合成结束后进行冷却，通过控制程序降低温度，当温度下降到600℃，关闭程序冷却到常温后，就会得到孔洞少，表面光亮的多晶棒。

本发明的另一个具体实施例中，按1.05:1比例将6N砷和6N镓分别放入清洗干净的4寸石英舟，使总重达到13Kg，将装有镓的4寸石英舟放入石英管底部，装有砷的石英舟放在管口位置，启动真空机打开气体阀门抽真空，真空度达到2.5Pa时，加热250℃，保持1.5小时，用氢氧火焰焊接石英管和石英帽，使两者连接在一起，保持石英管内处在真空状态，把装有砷和镓的石英管放进合成炉，相应的位置插上Tc，在合成炉两端堵上石棉，装有砷的石英舟处加热到650℃，装镓的石英舟处加热到1300℃，保持4.5小时，通过程序控制温度曲线，使镓石英舟从头到尾温度成梯度下降，使合成的砷化镓液体凝固成4寸多晶棒，水平冷凝速率为3cm/h，温度下降梯度为1.5℃/cm，合成时间为32小时。合成结束后进行冷却，通过控制程序降低温度，当温度下降到600℃，关闭程序冷却到常温后就会得到孔洞少，表面光亮的多晶棒。

本发明的又一个具体实施例中，按1.05:1比例将6N砷和6N镓分别放入清洗干净的4寸石英舟，使总重达到15Kg，将装有镓的4寸石英舟放入石英管底部，装有砷的石英舟放在管口位置，启动真空机打开气体阀门抽真空，真空度达到2Pa时，加热300℃，保持2小时，用氢氧火焰焊接石英管和石英帽，使两者连接在一起，保持石英管内处在真空状态，把装有砷和镓的石英管放进合成炉，相应的位置插上Tc，在合成炉两端堵上石棉，装有砷的石英舟处加热到700℃，装镓的石英舟处加热到1350℃，保持5小时，通过程序控制温度曲线，使镓石英舟从头到尾温度成梯度下降，使合成的砷化镓液体凝固成4寸多晶棒，水平冷凝速率为2cm/h，温度下降梯度为1℃/cm，合成时间为40小时。合成结束后进行冷却，通过控制程序降低温度，当温度下降到600℃，关闭程序冷却到常温后就会得到孔洞少，表面光亮的多晶棒。

通过上述三个具体实施例，得出以下结果：

由此可知，本发明实施例所提供的砷化镓多晶合成装置和合成方法，采用4寸的石英舟代替原来的2寸或3寸的PBN舟，形成了4寸的砷化镓多晶棒，不仅可以减少了后续晶棒加工过程中物料的浪费以及Si、S等杂质的污染，而且可以减少孔洞率，提高多晶棒的合格率，进而提高砷化镓单晶的性能和成活率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种砷化镓多晶合成装置，其特征在于，包括合成炉，所述合成炉包括圆柱状的炉室；

所述炉室内具有石英棉、加热器、石英管、第一石英舟和第二石英舟；所述石英棉位于所述炉室的炉口处；

所述炉室包括高温区和低温区，所述高温区和所述低温区均具有所述加热器，所述加热器固定在所述炉室的内壁上；

所述石英管位于所述炉室内部，所述第一石英舟和所述第二石英舟位于所述石英管内，且所述第一石英舟位于所述高温区，用于装载镓材料，所述第二石英舟位于所述低温区，用于装载砷材料，以合成砷化镓多晶棒。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述炉室内壁上具有通孔，测温控温器位于所述通孔处，所述测温控温器用于测量和控制所述石英管的温度。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一石英舟的头部具有石英嘴。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括石英帽，所述石英帽和所述石英管焊接后形成密封腔室。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述砷化镓多晶棒的形状为D形。

6.一种砷化镓多晶合成方法，其特征在于，应用于权利要求1～5任一项所述的砷化镓多晶合成装置，所述方法包括：

将镓材料放入第一石英舟中，将砷材料放入第二石英舟中；

将所述第一石英舟和所述第二石英舟放入石英管中，并对所述石英管进行抽真空和预加热；

将密封后的所述石英管放入合成炉的炉室中，并在所述炉室的炉口处堵上石英棉；

开启加热器，对所述第一石英舟进行高温加热，对所述第二石英舟进行低温加热；

通过控制温度曲线，使所述第一石英舟从头到尾的温度成梯度下降，使合成的砷化镓液体凝固成多晶棒。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述砷材料和所述镓材料中砷和镓的比例为1.05:1。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述抽真空后的真空度为2Pa～3Pa，所述预加热后的温度为200℃～300℃。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高温加热的温度范围为1250℃～1350℃，所述低温加热的温度范围为630℃～700℃。