CN112048770B - 由原料的熔体制造晶体的装置的方法及由此获得的晶片 - Google Patents

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Abstract

用于由原料的熔体制造晶体的装置，包括：用于接收熔体的坩埚，坩埚具有包含第一横截面面积的第一部分且具有用于接收籽晶且包含第二横截面面积的第二部分，第二横截面面积小于第一横截面面积，第一部分和第二部分直接地彼此连接或经由从第一部分至第二部分渐缩的第三部分而彼此连接，以便容许在定向温度场内进行从籽晶开始至熔体固化的结晶，坩埚的第一部分具有中心轴线，第二部分被布置成从第一部分的中心轴线侧向地偏移。本申请还涉及一种由原料的熔体(16)制造晶体(14)的方法，以利用该方法所获得的晶片。依据本申请的技术方案，在制造具有增加的电功率密度和/或光功率密度的构件时的良品率显著地提高，并因此提高构件生产的经济效率。

Description

由原料的熔体制造晶体的装置的方法及由此获得的晶片
技术领域
本发明涉及用于制造没有残余应力和位错的AIII-BV-单晶以及特别地砷化镓或磷化铟单晶的装置和方法，并且进一步涉及使用由与待制造的半导体单晶相同的半导体材料形成的籽晶通过冻结或固化半导体材料的熔体而由所述单晶制造的晶片。
背景技术
关于砷化镓或磷化铟衬底晶片在制造具有增加的功率密度的发光构件(例如边缘发射半导体激光器或垂直腔表面发射半导体激光器)中的应用，位错充当不发光的复合中心并且因此充当分别影响良品率和寿命的缺陷。因此，如今在这样的应用中使用位错低的AIII-BV衬底晶片。AIII-BV单晶或晶片在本文中表示选自元素周期系统的III族和V族的化合物的晶体。位错的产生基于材料的弹性和塑性特征以及温度场的曲率的存在，所述温度场的曲率在晶体的冷却(在它固化之后)期间导致应力。作为生长方法，由于温度场的相对小的曲率，大致上可能仅仅考虑Vertical Bridgeman(VB)或Vertical Gradient Freeze(VGF)方法，或者以类似的方式用热方法执行的方法(例如，参见M.Jurisch等人在Handbookof Crystal Growth Bulk Crystal Growth：Basic Techniques第二卷，A部分，第二版，第9章中的“Vertical Bridgman Growth of Binary Compound Semiconductors”，2015年)。
DE 199 12 486A1描述一种用于生长砷化镓晶体的设备。所述设备包括：坩埚，所述坩埚布置于炉中并且被构造成在第一部分和第二部分内接收原料熔体，所述第一部分包含具有较大直径的第一横截面面积，所述较大直径大致对应于最终制造的单晶的直径，所述第二部分具体地接收充当所述熔体的结晶的起点的籽晶，所述第二部分具有相对较小的直径并且被表示为籽晶通道。所述籽晶本身具有大约40mm的长度，以及对应于籽晶通道的直径的大约8mm的直径。由于文件中所提出的措施-籽晶自由地站立于籽晶通道中并且在籽晶通道的部分中籽晶与坩埚之间的空间被填充以液态三氧化二硼(B2O3)-在已经生长的晶体的横截面区域中获得1000cm-2至10000cm-2的位错密度。
可以通过添加所谓的晶格硬化掺杂剂(例如硼、硅、锌、硫)来阻止位错的形成，例如参见A.G.Elliot等人的Journal of Crystal Growth 70(1984)169-178或B.Pichaud等人的Journal of Crystal Growth 71(1985)648-654。例如，US 2006/0081306A1或US 7,214,269B2描述依照Vertical Bridgeman(VB)方法-或Vertical Gradient Freeze(VGF)方法对硅掺杂的砷化镓单晶的制造。因此，所使用的坩埚由pBN(热解氮化硼)形成并且具有80mm的直径以及300mm的长度，其中籽晶通道具有10mm的直径。通过添加硅，在晶体的横截面区域中获得5000cm-2的平均位错密度。
现今，关于硅掺杂的GaAs的制造，对于具有100mm或150mm的直径的晶片，通常获得小于100cm-2的平均位错密度，或者对于具有200mm的直径的晶片，通常获得小于5000cm-2的平均位错密度(例如，M.Morishita等人在“Development of Si-doped 8-inch GaAssubstrates”中的Conference Proceedings CS MANTECH 2018，其从http://csmantech20 18.conferencespot.org/65967-gmi-1.4165182/t0017-1.4165620/f0017-1.4165621/ 0128-0199-000053-1.4165656/ap074-1.4165657下载；或者日本东京DOWA电子材料有限公司的产品目录，其中从http://www.dowa-electronics.co.jp/semicon/e/gaas/ gaas.html#semi下载；加拿大弗里蒙特市AXT股份有限公司或者日本大阪Sumitomo电子工业有限公司)。在不添加晶格硬化掺杂剂的情况下，对于具有100mm和150mm的直径的晶片，可以获得1500cm-2至10000cm-2的平均位错密度，或者对于具有200mm的直径的晶片，可以获得小于12000cm-2的平均位错密度(参见上面的参考文献)。
为了确定位错密度，存在标准化测量方法(SEMI M83：用于确定III-V化合物半导体的单晶中的位错蚀刻坑密度的测试方法，SEMI M36-用于测量低位错密度的砷化镓晶片中的蚀刻坑密度(EPD)的测试方法)。关于表面取向与晶体学取向{100}相差不超过15°的晶片，通过选择性蚀刻而使位错可见。因此，形成具有大约30–60μm的延伸的蚀刻坑，可以使用光学显微镜(放大倍数为大约50倍至200倍)对所述蚀刻坑进行计数。对于具有低位错密度的材料，通常施加具有0.25mm2至1mm2的面积的测量场-其中分析考虑例如1mm的边缘排除的整个晶片表面。作为针对每个测量场测量的量，各自获得局部蚀刻坑密度EPDL。局部蚀刻坑密度的算术平均值产生晶片的平均蚀刻坑密度EPDav。此外，与测量场的总数量相比，可以将具有等于或小于预定极限值的EPDL的值的测量场的数量的相对量指定为具有0cm-2的局部蚀刻坑密度的测量场(没有位错的测量场)的相对量，例如P(EPDL＝0cm-2)。关于具有非常低的位错的材料，将包含于测量场中的位错蚀刻坑的总数量指定为EPC(蚀刻坑计数)也可能是有意义的。如果测量场覆盖整个晶片表面，则可以获得包含于晶片中的位错的总数量EPCtotal(总蚀刻坑计数)。为了确定单晶的位错密度，在开始时(晶体的被首先冻结或固化的区域)以及在结束时(晶体的最后被冻结或固化的区域)测量多个晶片、无论如何至少一个晶片。
在US 2006/0081306 A1或US 7,214,269 B2中，由晶体制造的衬底晶片的所公开的特性在5000cm-2或更小的位错密度下包含(0.1–5.0)×1018cm-3的载流子浓度。然而，对于具有高电功率密度和光功率密度的电气和/或光学构件，需要甚至显著地更低的位错密度。
通过添加影响晶格的硬化的掺杂剂，可以减小半导体晶体的位错密度。在JP2000-086398 A中公开一种方法，其中通过另外掺杂以硅和硼，可以将p-导电的、锌掺杂的砷化镓晶体的位错密度减小至低于500cm-2的值。
在US 2004/0187768 A1中公开一种进一步减小位错密度的方法。由于为晶体另外掺杂被以等电子方式包含至砷化镓的晶格中的元素，例如除了硅(Si)、锌(Zn)以及硼(B)之外的铟，如果遵照具体的且相互协调的掺杂剂原子浓度，则甚至可以将p-导电砷化镓晶体中的位错密度减小至低于100cm-2的值。如此得到的单晶的载流子浓度达1.0×1017cm-3至6.0×1018cm-3。
在US 2004/0187768 A1中依照VB-方法根据一个实施例制造的单晶(参见其中的图4)具有大约3″(75mm)的直径以及180mm的长度(圆筒形区域)。为了测量局部位错密度，已经从GaAs单晶分离晶片，并且使它的表面经历KOH-蚀刻溶液。相对于在磨边期间形成的蚀刻坑的数量，在大小为1×1mm2的每个测量场中对表面进行测量，所述测量场定位于具有5mm的网格宽度的矩形测量网格中。在大小为1×1mm2的177个测量场中的134个中，没有检测到位错。平均位错密度达28cm-2。在没有添加铟作为掺杂剂的对比示例(参见其中的图5)中，在大小为1×1mm2的177个测量场中的仅仅58个中检测到没有位错的测量场。因此，平均位错密度达428cm-2。
然而，反映文献中所描述的值的这些晶体以及由其制造的晶片仍然显示出如将在下文中证明的可感知的量的残余应力，所述残余应力可能是由于位错所造成的并且可能进一步与自然的或固有的缺陷相互作用，以使得它们继而可能会对所生产的相应的电气构件和/或光学构件的特性产生影响。因此，还期望显著地减小残余应力的量。例如，在Geiler，H.D.等人在“半导体加工中的材料科学”(Materials Science in SemiconductorProcessing)9(2006)S.345-350中的“砷化镓晶片中的残余应力的光弹性特征”(“Photoelastic characterization of residual stress in GaAs-wafers”)中公开一种用于量化由半导体晶体形成的晶片的残余应力的量的灵敏的且有效的方法，并且所述方法通常被表示为SIRD-方法(SIRD：快速扫描红外透射旋光计)。
借助于SIRD-方法，可以获得分别具有100μm的典型的侧向分辨率的晶体或晶片的全表面剪切应力图像。红外波长范围(1.3μm)内的线偏振激光束被垂直地引导至表面上并且穿过晶体/晶片。由于晶体/晶片中的应力诱发的双折射，电场矢量被分成彼此正交的两个分量：普通射线和非常射线。测量在离开晶体/晶片之后存在于两个射线分量之间的与材料和厚度有关的相移。所测得的相移可以被用来通过与表面有关的给定的物理关系而评估剪切应力。借助于合适的装置，可以根据需要将激光束引导至晶体/晶片的表面上的尽可能多的点，以使得可以在每个位置处确定剪切应力。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于制造单晶、优选地GaAs单晶的装置和方法，利用所述装置和方法(使用或不使用晶格硬化掺杂剂，例如硼、硅、锌、硫、铟等等)可以实现单晶以及由其制造的晶片的质量的进一步的显著的提高。本发明的另一个目的是提供一种单晶，优选地AIII-BV-单晶，更优选地GaAs单晶，其形成用于制造具有改进的电功率密度和/或光功率密度的构件的基础。
所述目的通过根据本申请限定的由原料的熔体制造晶体的装置以及通过本申请所限定的用于制造晶体的方法来解决。通过本申请的其他方面所限定的单晶或衬底晶片进一步解决所述目的。
本发明基于这样的认知：局部靠近晶体或晶片的外边缘定位的位错以及定位于晶体或晶片的中心(围绕对称轴线)的那些可能源于两种不同的影响。在晶体的边缘处，位错由于在晶体学上优选的平面上的滑动而形成，因为在那里由于与坩埚接触而出现热应力和接触应力。通常，这些位错延伸至晶体中几毫米(在这方面，比较在图7中示意性地示出的单晶14b的横截面区域)。中心的位错源于籽晶位置(在这方面，比较在图8中示意性地示出的单晶14a的横截面区域)，在所述籽晶位置处，在籽晶与熔体之间发生接触时，发生热冲击，所述热冲击继而导致位错的形成。这些位错中的某些被定向成使得随着结晶或固化前沿的进展，这些位错分别延伸至圆锥形区域中并且随后延伸至晶体的相邻的圆筒形区域中。
根据本发明的第一实施例，一种用于由原料的熔体制造晶体的装置包括：坩埚，所述坩埚被构造成接收所述熔体并且包含具有第一横截面面积的第一部分以及被构造成接收籽晶并且具有第二横截面面积的第二部分，其中所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，并且所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分而彼此连接，以便容许在定向温度场中从所述籽晶开始的至冻结的或固化的熔体中的结晶。所述第二部分还被表示为籽晶通道。所述坩埚的第一部分包含中心轴线，并且所述第二部分相对于所述第一部分的中心轴线偏移地侧向地布置。
在该实施例中，定位于所述第二部分或籽晶通道中的籽晶与所述熔体之间的每个接触区域(亦即籽晶位置)围绕所述坩埚的中心轴线从中心位置朝向边缘区域(优选地坩埚横截面的最外边缘)偏移。因此，维持冻结或固化成单晶的熔体的相对大的量的横截面区域大致上没有位错。例如可以通过磨削、抛光、切割或经由替代的材料移除方法来移除可能因此受到位错的更强的影响的边缘区域。总之，通过所述装置可以获得几乎没有或完全没有位错的单晶。如果除了上述措施之外还为熔体添加晶格硬化掺杂剂，例如各自单独的或组合的硼、硅、锌、硫、铟(用于砷化镓)、镓(用于磷化铟)等等，则甚至可以提高所期望的效果。
根据本发明的第二实施例，如在第一实施例中一样，一种用于由原料的熔体制造晶体的装置包括坩埚，所述坩埚被构造成接收熔体并且包含具有第一横截面面积的第一部分以及被构造成接收籽晶并且具有第二横截面面积的第二部分，其中所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，并且所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分而彼此连接，以便容许在定向温度场中从所述籽晶开始的至所述冻结的或固化的熔体中的结晶。
所述装置由此(如在半导体制造中常见的)被构造成制造具有公称直径的单晶，将在完成这样的生长过程之后在后处理中获得所述公称直径。现在，在该实施例中，所述第一部分具有内径，所述内径与所述第一部分的垂直于所述中心轴线的横截面面积相关联，并且所述内径比所述公称直径大2mm或更大、优选地大3mm或更大、甚至更优选地大5mm或更大。同时，该内径还可以可选地比所述公称直径大至多10mm或至多20mm。
该实施例的一个优点是，在待制造的单晶的给定的公称直径下，这样的已生长的晶体最初形成有例如2-10mm、3-10mm或5-10mm的过度的尺寸。可以在适当的生长步骤之后的过程(比如钻孔、抛光、磨削、研磨或类似的方法步骤)中移除这样的过度的尺寸，以便获得所述公称直径。
如上所述，由于大多数位错位于单晶的随后被移除的边缘区域内，因此可以获得具有所述公称直径并且几乎没有或完全没有位错的剩余的单晶。在现有技术中，可能已知在后处理之前仅仅达1mm、无论如何明显地低于2mm的过度的尺寸。当然，由于较大的直径，后处理中的工作量大大地增加。然而，在达到所述公称直径时几乎没有或完全没有位错的单晶使这样的增加的工作量以及由其产生的成本变得合理。
本发明的特别地有利的实施例涉及前两个实施例的组合。由此，源于坩埚壁与结晶熔体之间的相互作用的位错以及源于籽晶位置的位错在已生长的单晶的该边缘区域中形成，考虑到过度的尺寸，可以在之后的过程中移除所述边缘区域，以便达到所述公称直径。
根据本发明的第三实施例，如在前述实施例中一样，一种用于由原料的熔体制造晶体的装置包括坩埚，所述坩埚被构造成接收熔体并且包含具有第一横截面面积的第一部分以及被构造成接收籽晶并且具有第二横截面面积的第二部分，其中所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，并且所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分而彼此连接，以便容许在定向温度场中从所述籽晶开始至熔体固化的结晶。
在该实施例中，所述第二部分具有沿着或平行于所述中心轴线的方向的长度，所述长度达10mm至100mm、优选地20mm至75mm、以及甚至更优选地30mm至50mm，每个范围包含边界值。
该实施例的优点在于，与现有技术中已知的籽晶通道相比，所述第二部分或所述籽晶通道包含大大地延长的长度。因此，布置于其中的籽晶(考虑到类似的大小或延伸范围)被更深地定位于所述籽晶通道中并且因此更加远离所述坩埚的第一部分，在所述第一部分中在生长期间获得具有所述公称直径加任何过度的尺寸的单晶的经济可用的部分。
这是因为已经发现，晶体中的位错相对于所述中心轴线以一定角度从所述籽晶位置开始延伸。由于籽晶通道的长度扩大，所以相对于(在这里：籽晶通道的)所述中心轴线包含增大的角度的至少较大的部分的位错终止于仍然位于所述籽晶通道内的坩埚壁上，并且因此不沿朝向所述坩埚的第一部分的方向进一步延伸，所述第一部分代表已生长的单晶的经济可用的部分。
进一步的有利实施例由各自与用于制造单晶的装置中的一个相关联的方法产生。
所述装置还可以包括一个或多个加热装置，通过所述加热装置生成定向温度场，所述坩埚布置于所述定向温度场中，这继而容许所述熔体的从籽晶开始的随后的结晶。本发明不限于所述加热装置的特定布置。所述加热装置可以包括例如基于热辐射的加热元件、磁场加热器形式的高频发生器，等等。然而，所述温度场应当被布置成使得在晶体生长期间形成大致平坦的(或者仅仅稍微地弯曲的)相界。
所描述的装置可以被构造成通过应用采用可移动的坩埚或炉的VerticalBridgeman(VB)方法或应用Vertical Gradient Freeze(VGF)方法而执行生长。然而，本发明不限于这些特定方法。例如，也可以在浮区技术(Float Zone-technique)等等的情况下应用本发明。
所述坩埚可以由石墨、氮化硼或热解沉积的氮化硼形成，或者由任何其它通常应用的材料形成，针对熔体的种类以及相对应的熔融温度选择和调整每一种材料。所述坩埚和/或加热装置可以包括例如由石英玻璃制成的进一步的衬里、护套或外壳。
此外，实施例不限于砷化镓或铟单晶的制造。例如，也包括(GaP-，GaSb-，InSb-，InAs-等等)单晶。所述装置的实施例通常涉及制造AIII-BV-单晶的能力。
根据本发明的另一个实施例，提供籽晶的使用，所述籽晶具有的位错没有或几乎没有沿朝向所述坩埚的第一部分的方向传播，并且因此没有或几乎没有传播至已生长的单晶的经济可用的部分中。
由于位错密度与包含掺杂剂浓度的杂质浓度密切相关，因此在不添加这些材料的情况下，结合本方法中所描述的其它可能性，只能将其减小至有条件的程度。然而，已经发现，如果存在小于等于5×1016原子/cm3的掺杂剂浓度，则可以获得小于等于500cm-2的位错密度。
根据本发明的另一个实施例，提供一种单晶，特别地AIII-BV-单晶以及更特别地砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)单晶，所述单晶包含晶格硬化掺杂剂，所述单晶具有从所述单晶的垂直于它的中心轴线的横截面区域内的平均蚀刻坑密度(EPDav)确定的平均位错密度，所述平均位错密度为10cm-2或更小、优选地为5cm-2或更小、更优选地为3cm-2或更小、甚至更优选地为1cm-2或更小、或者甚至更优选地完全没有位错。例如，对于具有150mm的直径的晶片，蚀刻坑的总数量EPCtotal可以小于2000或优选地小于900或甚至更优选地小于360，或甚至为零。
根据本发明的另一个实施例，提供一种单晶，所述单晶特别地为AIII-BV-单晶以及更特别地包括砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)而不包含晶格硬化掺杂剂，并且在晶体的原子晶格中具有平均位错密度，所述平均位错密度被确定为所述单晶的垂直于它的中心轴线的横截面区域内的平均蚀刻坑密度(EPDav)，所述平均位错密度为700cm-2或更小、优选地500cm-2或更小、更优选地200cm-2或更小。
如果所述单晶的位错密度特别地低，则垂直于所述单晶的中心轴线的横截面区域的部分保持完全没有位错。可以依照SEMI M83根据标准化测量方法确定该部分：在单晶的横截面区域内，测量网格内的大小为0.25mm2的测量场的部分P(EPDL＝0cm-2)达所述横截面区域的总面积的95％或更大，优选地为97％或更大，然而特别地优选地为99％或更大，所述测量场完全地覆盖所述横截面区域，所述测量场完全没有位错。
结果，在制造具有增加的电功率密度和/或光功率密度的构件(比如边缘发射半导体激光器或垂直腔表面发射半导体激光器)时的良品率显著地提高，并且因此提高构件生产的经济效率。
所述单晶可以但不必须包含晶格硬化掺杂剂。在砷化镓(GaAs)的情况下，可以考虑将少量的掺杂剂(比如硅(Si)、硫(S)、碲(Te)、锡(Sn)、硒(Se)、锌(Zn)、碳(C)、铍(Be)、镉(Cd)、锂(Li)、锗(Ge)、镁(Mg)、锰(Mn)、硼(B)、铝(Al)、锑(Sb)、磷(P)以及铟(In)等等)单独地或以子组合等等添加至原料熔体，比如在例如US 2004/0187768A1中描述的，参见其中的第10和11段。
附图说明
下面将通过结合附图对与优选实施例有关的非限制性实施例的描述更详细地描述进一步的特征、优点以及目的性实施例。其中：
图1示出根据本发明的用于由原料熔体制造单晶的装置的第一实施例的示意图，其中坩埚的籽晶通道被延长或加长(顶部：侧视剖视图，底部：顶视图)；
图2示出根据本发明的用于由原料熔体制造单晶的装置的第二实施例的示意图，其中所述籽晶通道朝向直径的外边缘偏移(顶部：侧视剖视图，底部：顶视图)；
图3示出根据本发明的用于由原料熔体制造单晶的装置的第三实施例的示意图，该图中的装置始自于第二实施例(具有短的籽晶通道)，旨在朝向公称直径不对称地减小过度的尺寸(顶部：侧视剖视图，底部：顶视图)；
图4示出根据本发明的用于由原料熔体制造单晶的装置的第四实施例的示意图，其中，该图中的装置始自于第三实施例，籽晶通道类似于第一实施例被延长或加长(顶部：侧视剖视图，底部：顶视图)；
图5示出由图3中所示的三个装置组成的多坩埚布置的实施例的示意图，所述多坩埚布置具有朝向共同的中心轴线Z的方向偏移的籽晶通道；
图6示出与图5中的多坩埚布置相似的、但是由图3中所示的五个装置组成的多坩埚布置的实施例的示意图；
图7示出单晶的横截面区域的示意图，其展现边缘位错；
图8示出单晶的横截面区域的示意图，其展现从布置于坩埚的中心轴线上的籽晶通道延伸或传播的位错；
图9以灰度图像针对依照常规的已生长的单晶或晶片的对比示例示出晶体的原子晶格中的位置的密度的值的分布，从晶片的垂直于它的中心轴线M的横截面区域内的空间分辨的测量确定所述位置的密度的值，所述单晶或晶片分别具有150mm的直径；
图10以灰度图像示出相应的剪切应力的值的分布，从图9的对比示例的空间分辨的测量确定所述相应的剪切应力的值；
图11如在图9中一样但是针对本发明的相对应的实施例以灰度图像示出晶体的原子晶格中的位错的密度的值的分布，从空间分辨的测量确定所述位错的密度的值；
图12如在图10中一样但是针对图11的本发明的相对应的实施例示出灰度图像，所述灰度图像具有从空间分辨的测量确定的相应的剪切应力的值的分布；
图13以图表示出示例，所述示例作为分别基于SIRD方法针对根据如在Geiler，H.D.；Karge，H.；Wagner,M.；Eichler,St.；Jurisch,M.；Kretzer U.Scheffer-Czygan,M.在“半导体加工中的材料科学”(Materials Science in Semi-conductor Processing)9(2006),S.345-350)中的“砷化镓晶片中的残余应力的光弹性特征”(“Photoelasticcharacterization of residual stress in GaAs-wafers”)中所公开的现有技术的3个对比示例(“晶片22”、“晶片27”、“晶片37”)测量的剪切应力的示例分布(每个晶片所发生的剪切应力T的值的每个间隔的频率PW)；以及
图14如在图13中一样但是针对图12和13的根据本发明生长的单晶的实施例或者与所述单晶分离的晶片的实施例示出图表。
具体实施方式
在图1中描绘依照本发明的用于由原料熔体制造单晶的装置的第一实施例。装置1包括坩埚2以及加热装置10，所述加热装置10具有包围坩埚的环形地布置的加热元件。在图1的上部部分中，示出剖视图，而底部部分示出省略加热装置10的坩埚2的顶视图。坩埚可以接收于石英玻璃容器(未示出)中并且相对于它的外部环境封闭。所述布置可能对应于用于依照Vertical Gradient Freeze(VGF)-方法生长晶体的装置。
坩埚2由氮化硼或热解沉积的氮化硼(pBN)形成，并且包括圆筒形第一部分4，其接收原料熔体16(在这里由砷化镓GaAs组成)以及被形成为籽晶通道的第二部分6，以及第三部分8，所述第三部分8形成第一部分4与第二部分6之间的过渡部并且连接这些部分。在坩埚的第二部分的区域中，坩埚2具有至少152mm的内径，所述内径由150mm的公称直径d(其要针对成品单晶精密地产生或获得)以及多达2mm的过度的尺寸组成，所述过度的尺寸通常在生长过程中被添加，并且导致随后被应用至待制造的单晶的外部圆柱壳部分的磨削步骤(并且在该步骤中被舍弃)。该磨削步骤用于为晶体提供与随后分离的晶片有关的随后的对准步骤所需的位置精确的、高质量的圆柱表面。
在该特定实施例中，籽晶通道或第二部分6分别也被成形为圆筒形并且具有例如10mm的直径以及100mm的长度k‘。根据本发明的籽晶通道还可能需要不同于圆筒形的空间形状，并且本发明不限于特定形状。籽晶通道也可以为长方体形状，或者可以具有多边形或椭圆形横截面等等。
在第二部分6中接收籽晶12(在这里由GaAs形成)，所述第二部分6具有20mm的长度以及略小于10mm(例如，8mm或9mm)的直径，以便确保在籽晶通道内存在距坩埚壁的距离。籽晶通道中的间隙可以被填充以液态三氧化二硼(B2O3)，以使得熔体和晶体在结晶期间漂浮在液体中。由于籽晶12的长度与籽晶通道的长度k‘之间的显著的差异，籽晶12在第二部分6中被深深地布置于底部处。籽晶的顶面或籽晶面因此与第二部分6或籽晶通道的上端相距80mm。因此，未被籽晶占据的自由空间部分的长度与内径之比为8：1。
在图1中所示的状态中，已经将由砷化镓组成的原料熔体16提供至坩埚2，所述原料熔体16已经结晶成掺杂的GaAs单晶14，所述掺杂的GaAs单晶14从籽晶通道内的籽晶12处的籽晶面或籽晶位置开始，分别超过圆锥形过渡部或第三部分8，并且分别进入圆筒形第二部分6中。进一步，已经向熔体添加晶格硬化掺杂剂，例如硅、硼、铟、锌、硫等等。
在相对应的方法(VGF)中，在加热熔体之前或之后将例如一定量的硅添加至熔体(或者添加至它的致密的或颗粒状的前体)。由于三氧化二硼(B2O3)的密度较低，液态(熔化的)三氧化二硼(B2O3)层18存在于原料熔体16上方以及晶体与坩埚壁之间，如上所述，所述层18用来保护下面的GaAs熔体。借助于加热装置，使用未示出的控制装置生成定向温度场T(图1中的箭头远离籽晶12向上指向更高的温度)。当籽晶12开始熔化时，开始对原料熔体16进行冷却(通过进一步控制加热装置10)，从而维持温度梯度，以使得单晶14开始从籽晶12的籽晶面开始向上生长(首先仍然相应地位于第二部分6或籽晶通道内)。
由于朝向结晶开放的自由长度与狭窄的籽晶通道的内径之间的较大的比率，因此如图8中所示的中心位错101(其本身由于籽晶工艺而可能难以避免)在结晶过程中相对于坩埚的中心轴线M(其在此实施例中还与籽晶通道的中心轴线重合)以锐角传播，以使得它在单晶14与原料熔体16之间的结晶前沿到达籽晶通道(第二部分6)的上端之前撞击坩埚壁。结果，由此生成的位错不会对进一步的生长产生任何进一步的影响。通常，位错垂直于相界传播，所述相界本身为略微地弯曲的。
在位错101在仍然处于坩埚2的第二部分6(籽晶通道)内的单晶的横截面区域中消失之后，当结晶前沿进一步传播时，单晶14生长，在考虑排除边缘区域(80cm2)的情况下，所述单晶14基本上没有位错。在表1中示出几个样品的相关参数的列表。其中，样品1a为使用具有常规的籽晶通道的坩埚制造的GaAs单晶，样品1a充当对比示例，而在如图1中所示的坩埚中根据本发明的方法制造样品2-5(也为GaAs)。表1中所列出的参数EPDav和EPCtotal的值是从与已生长的单晶分离之后的晶片获得的。样品的直径达150mm。
表1：
在图2中示出根据本发明的装置1‘的第二实施例。为了避免重复，与图1中相同的附图标记表示相同的或相似的特征，并且在下文中仅仅将它称为相对于第一实施例对所述装置的相关修改。相对于第一实施例描述的其它特性对于第二以及随后的实施例也是有效的。
与第一实施例类似，第二实施例的坩埚2‘包含：用于接收原料熔体16的第一部分4‘，充当籽晶通道的第二部分6‘，以及充当籽晶通道与第一部分4‘之间的过渡区域的第三部分8‘。第二部分6‘如在第一实施例中一样具有10mm的直径，然而，它的长度k如在常规的晶体生长装置中一样达30mm，例如，以使得被插入至籽晶通道中并且具有20mm的长度的籽晶12的籽晶面距籽晶通道的上端具有仅仅10mm的距离。在没有一般限制的情况下，籽晶通道在该实施例中也仅仅被作为示例形成为圆筒形。鉴于第二部分6‘的相对于第一部分4‘的偏移v，第三部分不再具有旋转对称性，而是在从具有较大的内径的圆筒形的第一部分4‘朝向具有较小的直径的第二部分6‘观察时以不对称的方式侧向向外渐窄。
相反，第二部分6‘相对于第一部分的中心轴线M侧向偏移地布置。换句话说，基于两者之间的相互偏移v，第二部分的中心轴线M‘平行于第一部分4‘的中心轴线M。在该实施例中，偏移v具有足够的尺寸，以使得第二部分6‘或籽晶通道的中心轴线M‘相应地在该中心轴线M‘延伸至第一部分4‘中时延伸通过第一部分4‘的横截面区域的边缘排除区域。
在第二实施例中，第一部分具有172mm的内径d“‘。然而，待制造的单晶14的公称直径d在本实施例中也仅仅达152mm。因此，与第一实施例的坩埚2相比而且相对于常规的坩埚，坩埚2‘具有显著地较大的直径d“‘，使用所述常规的坩埚制造具有给定的公称直径的单晶。因此，在该第二实施例中，第二部分6‘或籽晶通道的(延长的)中心轴线M‘如图2中所示相应地延伸通过横截面区域的边缘区域，所述边缘区域处于待制造的单晶14的公称直径d外部并且超过待制造的单晶14的公称直径d(中心轴线M‘处于距坩埚壁达5mm的距离处，因为籽晶通道具有10mm的内径，并且如果沿着中心轴线M突出(参见图2的底部)，则完全地延伸穿过坩埚的横截面区域，以便沿实际方向确保不受阻碍的生长)。在该实施例中，侧向偏移v为80mm。
用于制造单晶的方法类似于先前实施例中的方法(例如包含向熔体添加一种或多种晶格硬化掺杂剂)。然而，通过另一个步骤补充或甚至替换根据现有技术的用于对可选地掺杂的GaAs单晶14的圆柱表面进行平滑和最后加工的后处理的随后的磨削步骤，其中通过钻削或能够从单晶的圆柱形表面更强烈地移除材料的另一个步骤减小或移除在这里直径为20mm(或者在这里半径为10mm)的过度的尺寸。由此，在第二实施例中，围绕单晶14的中心轴线(其与坩埚2‘的第一部分的中心轴线M重合)以对称方式从单晶的圆柱形表面移除材料。有利地，移除单晶14的边缘区域，所述边缘区域在生长期间靠近壁并且因此(如图7中所示)经受相对较大的位错密度制造条件。特别地，与此相关地，移除通过示意性地示出的单晶14b在图7中示出的边缘位错102。
此外，分别由于特定的布置或偏移v，在后处理步骤中移除源于籽晶工艺中传播至边缘区域中的位错101(参见图8)，获得没有位错或至少基本上没有位错的单晶14。在表2中示出几个样品的相关参数的列表。其中，样品1b为使用具有常规的籽晶通道的坩埚制造的GaAs单晶，并且充当对比示例，而使用如图2中所示的坩埚根据本发明的方法制造样品6-9(也为GaAs)。表2中所列出的参数EPDav和EPCtotal的值是从与已生长的单晶分离之后的晶片获得的。样品的直径达150mm。
表2：
在图3中示出根据本发明的装置1“的第三实施例。所述装置的结构以及单晶的制造与第二实施例的装置的结构以及单晶的制造相似。不同之处仅仅在于坩埚2“的第一部分4“的直径d“。如从图3中的顶视图的底视图可以得出的，在构成第三实施例的基础的方法中，在坩埚2“中的适当的生长之后，在后处理步骤中执行对过度的尺寸的不对称的减小，以便获得单晶14的为152mm的公称直径d。该作用线容许大致上仅仅排除在图3中在右侧在底部处示出的该边缘区域，亦即容许在后处理步骤中特定地移除受籽晶工艺所引起的位错101的影响的该边缘区域，以使得因此可以为坩埚2“的内径d“选择总体上较小的过度的尺寸。在所述实施例中，内径d“达162mm，亦即，比单晶的公称直径d大10mm，所述单晶的制造装置1“被针对所述公称直径d构造(d＝152mm)。如从图3变得显而易见的，相应地突出至坩埚2“的第一部分4“的横截面区域中的籽晶通道或第二部分6“的横截面完全地在待制造的单晶14的横截面区域的边缘区域内延伸，所述边缘区域将在后处理步骤中被移除。在该实施例中，籽晶通道的中心轴线M‘的相对于第一部分4“的中心轴线M的偏移v达仅仅75mm。
在该实施例中，认可的是，即使在后处理步骤之后，特别地定位于图3中的左侧的底部处的边缘位错102也可能保留于单晶14中，所述边缘位错102可能源于在生长期间与内坩埚壁的接触。然而，与第二实施例相比，在后处理步骤中待根据需要移除的材料的量被显著地降低，这从经济的角度以及最佳成本收益比率带来效益。而且，对于为10cm-2或更小、或者为5cm-2或更小的平均位错密度，以及关于根据SEMI-M83依照标准化测量方法完全没有位错的测量场的具有为97％或更大、或者甚至为99％或更大的值的部分P(EPDL＝0cm-2)，仍然获得优异的值。在表3中列出两个样品的相关参数。其中，样品1c为使用具有常规的籽晶通道的坩埚制造的GaAs单晶并且充当对比示例，而使用如图3中所示的坩埚根据本发明的方法制造样品10(也为GaAs)。表3中所列出的参数EPDav和EPCtotal的值是从与已生长的晶体分离之后的晶片获得的。样品的直径达150mm。
表3：
样品1c(对比示例) 样品10
EPDav 56cm-2 7cm-2
EPCtotal 8400 1000
在图4中示出根据本发明的装置1“‘的第四实施例。所述实施例包含第一和第三实施例的特征并且将它们组合。因此，装置1“‘包括由氮化硼或热解氮化硼形成的坩埚2“‘并且具有圆筒形的第一部分4“，所述第一部分4“相对于公称直径(在该实施例中为10mm)具有2mm或更大的过度的尺寸，其中坩埚2“‘接收原料熔体16(在这里由砷化镓形成)。装置1“‘进一步包括被形成为籽晶通道并且延伸达长度k‘(其中k‘＝100mm)的第二部分6，以及不对称的第三部分8‘，所述第三部分8‘在第一部分4“与第二部分6之间形成过渡部并且与二者均彼此连接。
优点和效果与以上参考第一至第三实施例所描述的那些优点和效果相同，其中优点被累积。在表4中提供使用所述装置制造的单晶14的样品的相关参数。其中，样品1d为使用具有常规的籽晶通道的坩埚制造的GaAs单晶，并且充当对比示例，而使用如图4中所示的坩埚制造样品11(也为GaAs)。表4中所列出的参数EPDav和EPCtotal的值是从与已生长的晶体分离之后的晶片获得的。样品的直径达150mm。应当注意的是，样本1b至1d为相同的。
表4：
样品1d(对比示例) 样品11
EPDav 56cm-2 0cm-2
EPCtotal 8400 0
在图5和6中分别示出分别包括包含如图3中所示的3个或5个坩埚2“的多坩埚布置的装置1““或1““‘的实施例。具有一个或多个加热元件(例如磁场加热器)的加热装置10包围并且加热坩埚布置。例如石墨的填充体(未示出)可以布置于坩埚2“之间，所述填充体除了磁场加热器之外通过非均质地传导热量而为温度场T的主组织提供特殊贡献。例如在US9,368,585 B2中描述一种这样的特别有利的布置，并且在其中的图1-3和11-12中所描绘的布置的特征被通过引用与相对应的描述一同并入本文中。所述专利中所描述的多坩埚布置由于蚀刻坑密度(亦即，特别地均匀的位错密度)的改进的分布而为杰出的。
在这两个实施例中，坩埚布置具有对称轴线Z，对称轴线Z平行于坩埚2“的相对应的中心轴线M延伸通过所述布置的中心。当从相应的中心轴线观察时，偏移v的方向精确地朝向对称轴线Z定向。换句话说，坩埚2“的相对应的第二部分6‘朝向所述布置的中心偏移。
这样的多坩埚布置容许特别地沿朝向它的中心的方向生成优异的、稳定的且均匀的温度场。通过以相同的方式提供籽晶通道的偏移，每个坩埚中的结晶条件为相同的。由于使图3中所示的根据本发明的装置1“的(以及此外根据图1、2以及4的其它实施例的)特征与多坩埚布置组合，因此特别地利用协同作用。
上述实施例涉及被构造成执行VGF-方法的装置。然而，本发明不限于特定装置，并且所考虑的装置例如也可以基于Vertical Bridgeman方法。
上述坩埚在第一部分中包含圆筒形形状。然而，注意地，还可以使用其它形状，比如具有正方形或矩形横截面区域的长方体形坩埚，或者其中圆弧段与大致圆形横截面区域分离的那些形状(例如，用于形成扁平物)。
在所附权利要求的范围内可以对上述实施例进行修改。而且，如在第四实施例中一样，实施例的单个元件可以与其它实施例的那些元件组合。例如，可以想到并且可以付诸实践的是，在具有对称地布置的籽晶通道的第一实施例中布置这样的第一坩埚部分：该第一坩埚部分根据本发明的方面在直径方面扩大，亦即，具有增大的内径(例如，d“‘＝172mm)，以便也在其中执行后处理步骤(钻孔、抛光、研磨或磨削等等)，从而相对应地移除单晶14的圆筒壁形或管状壁形边缘区域中的材料。
对于后处理步骤，在以上实施例中作为示例引用钻削、抛光、研磨或磨削。然而，对于本领域技术人员而言，理所当然的是，还可以注意地应用材料科学技术领域中已知的用于移除材料的其它方法。
还令人惊讶地发现，位错密度在所述范围内相对于参考值的降低与晶体以及由其制造的晶片的剪切应力的量的进一步的显著的降低有关。为此目的，已经采用如上所述的SIRD的测量方法。
为了获得实际的单晶/晶片的统一的参数，记录针对晶片的表面上的每个位置获得的剪切应力的值(在考虑符号的情况下频率对剪切应力)(例如，参见Geiler等人的文献中的图4)，并且对于拟合至这些数据的洛伦兹曲线，例如，以kPa为单位确定该曲线的半最大值全宽的值。
图13针对三个对比示例(“晶片22”、“晶片27”、“晶片37”)示出如在Geiler等人的文献(2006)中基于根据SIRD方法测量的剪切应力获得的分布函数。在所述图中，显示在相应的剪切应力间隔中获得的测量值的部分PW(每个晶片的所发生的剪切应力T的值的每个间隔的相对频率)。Geiler等人(2006)由此相对于依照现有技术的所有三个对比示例提供大约100kPa的半最大值全宽FWHM。所述值也被近似地导出为所测量的剪切应力的最大值(然而，在这里为绝对值)，所述最大值可以在左侧和/或右侧在曲线的底部处读出。
如图14中所示，在分别为单晶或晶片的情况下，当根据本发明制造时，残余应力或剪切应力的相对应的值被分别成功地减小至+/-40kPa或更小、部分地至+/-30kPa或更小、或者甚至至+/-25kPa，超出如在图9中相对于依照Geiler等人(2006)的三个对比示例示出的残余应力或剪切应力的值。如此获得的洛伦兹曲线特别地窄。
这意味着与根据SIRD方法在Geiler等人(2006)中研究的晶片相比，在根据实施例的、从参考晶体获得的晶片处执行的测量展现显著地减小的残余应力，在这方面还参见在表5中示出的对比示例与实施例之间的比较。
表5：
在表5的对比示例中，涉及具有150mm的直径并且与相对应的GaAs单晶分离的常规地制造的GaAs晶片(如在Geiler等人的文献(2006)中所描述的)。图9以灰度级示出所测得的局部蚀刻密度EPDL的分布，并且图10以灰度级示出所测得的残余应力或剪切应力的分布。
在表5中特别地针对对比示例以及实施例示出最大剪切应力的相对应的值。在图11和12中，必须考虑右上角的灰度的等级，所述灰度的等级反映在本文中所描述的相对应的值的范围。
应当注意的是，在实践中，直至今天，尚未达到剪切应力的值的消失，亦即，剪切应力的大约0kPa的最大值(在整个分析中，仅仅给出剪切应力的绝对量，如果没有注明的话)。该值(为等于0.1kPa或更小的那些，或者进一步地甚至为等于或小于1kPa的那些)因此可以被可选地排除或否认。
在前述内容的不同方面和实施例中，所述第二部分包含纵向轴线，当所述纵向轴线延伸至所述第一部分的区域中时，所述纵向轴线在所述第一部分内延伸而距所述坩埚的内壁15mm或更小的距离，优选地以10mm或更小的距离，更优选地以5mm或更小的距离。
此外，针对本申请的这些方法和实施例，所述第二部分6‘被至少部分地形成为圆筒形形状并且具有的内径为15mm或更小、特别地在10mm至15mm的范围内、或者在5mm至10mm的范围内。
在前述内容的不同方面和实施例中，所述装置1被构造成用于制造具有公称直径的晶体，将在生长晶体的步骤之后的后处理步骤中获得所述公称直径，其中，所述第一部分具有内径，所述内径与所述第一部分的垂直于所述中心轴线的横截面面积相关联，并且所述内径比所述公称直径大等于或大于2mm、优选地等于或大于3mm、更优选地等于或大于5mm，并且所述内径比所述公称直径大至多10mm。
在前述内容的不同方面和实施例中，所述第二部分6、6‘沿着它的中心轴线M的方向具有长度k‘，其中所述长度达40mm至120mm、优选地50mm至90mm、更优选地60mm至80mm，每个范围包含边界值。
在前述内容的不同方面和实施例涉及AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，特别涉及半导体复合材料，所述半导体复合材料特别包括，例如包括砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)，等等。
在前述内容的不同方面和实施例中，在所制作的单晶中包括晶格硬化掺杂剂。在此情况下，所述晶格硬化掺杂剂可以是从由硼、硅、锌、硫、铟所构成的组中选择出的至少一种，但是也可涵盖其他合适的元素，本申请实施例及各个方面并不限于上面所列举的具体的掺杂剂。
本申请内容总结如下：
1.一种用于由原料的熔体制造晶体的装置，包括：
用于接收所述熔体的坩埚，所述坩埚具有包含第一横截面面积的第一部分并且具有用于接收籽晶且包含第二横截面面积的第二部分，其中，所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，并且所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分而彼此连接，以便容许在定向温度场内进行从所述籽晶开始至熔体固化的结晶，其中所述坩埚的第一部分具有中心轴线，并且所述第二部分被布置成从所述第一部分的中心轴线侧向地偏移。
2.根据第1方面所述的装置，其中，所述第二部分包含纵向轴线，当所述纵向轴线延伸至所述第一部分的区域中时，所述纵向轴线在所述第一部分内延伸并且距所述坩埚的内壁15mm或更小的距离。
3.根据第2方面所述的装置，
其中，所述第二部分被至少部分地形成为圆筒形形状并且具有的内径为15mm或更小。
4.根据第1至3方面中的任一方面所述的装置，
其中，所述第一部分被至少部分地形成为圆筒形形状，并且具有的内径大于52mm至60mm、或大于82mm至90mm、或大于102mm至110mm、或大于127mm至145mm、或大于152mm至172mm、或大于202mm至220mm。
5.根据第1至3方面中的任一方面所述的装置，
其中，所述装置被构造成用于制造具有公称直径的晶体，所述公称直径将在生长所述晶体的步骤之后的后处理步骤中获得，
其中，所述第一部分具有内径，所述内径与所述第一部分的垂直于所述中心轴线的横截面面积相关联，并且所述内径比所述公称直径大2mm或所述内径比所述公称直径大超出2mm，并且所述内径比所述公称直径大至多10mm。
6.根据第5方面所述的装置，
其中，所述公称直径达50mm或2″、80mm或3″、100mm、125mm、150mm或200mm。
7.根据第1至3方面中的任一方面所述的装置，
其中，所述第二部分沿着它的中心轴线的方向具有长度，其中所述长度达40mm至120mm，40mm至120mm的范围包含边界值。
8.根据第1至3方面中的任一方面所述的装置，
进一步包括加热装置，所述加热装置包含一个或多个加热元件，所述加热装置被构造成生成具有温度梯度的定向温度场，其中所述坩埚布置于所述温度场中。
9.根据第1至3方面中的任一方面所述的装置，
其中，所述坩埚由适合于接收由砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)形成的熔体的材料形成。
10.根据第1至3方面中的任一方面所述的装置，
其中，除了所述坩埚之外，设置另外的相同的坩埚，这些坩埚对称地且平行地并且以相同的高度布置，并且所述第二部分从所述中心轴线的偏移的方向朝向这些坩埚的布置的对称轴线定向。
11.一种用于由原料的熔体制造晶体的装置，包括：
用于接收所述熔体的坩埚，所述坩埚具有包含第一横截面面积的第一部分，并且具有用于接收籽晶且包含第二横截面面积的第二部分，其中所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分彼此连接，以便容许在定向温度场内进行从所述籽晶开始至熔体固化的结晶，
其中，所述装置被构造成用于制造具有公称直径的晶体，所述公称直径将在生长所述晶体的步骤之后的后处理步骤中获得，
其中，所述第一部分具有内径，所述内径与所述第一部分的垂直于所述中心轴线的横截面面积相关联，并且所述内径比所述公称直径大2mm或比所述公称直径大多于2mm，并且所述内径比所述公称直径大至多20mm。
12.根据第11方面所述的装置，
其中，所述内径比所述公称直径大3mm或比所述公称直径大多于3mm。
13.根据第11方面所述的装置，
其中，所述内径比所述公称直径大5mm或比所述公称直径大多于5mm。
14.根据第11方面所述的装置，
其中，所述第一部分被至少部分地形成为圆筒形形状并且具有的内径大于52mm至60mm、或大于82mm至90mm、或大于102mm至110mm、或大于127mm至145mm、或大于152mm至172mm、或大于202mm至220mm。
15.根据第11方面所述的装置，
其中，所述公称直径达50mm或2″、80mm或3″、100mm、125mm、150mm或200mm。
16.一种用于由原料的熔体制造晶体的装置，包括：
用于接收所述熔体的坩埚，所述坩埚具有包含第一横截面面积的第一部分，并且具有用于接收籽晶且包含第二横截面面积的第二部分，其中所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分而彼此连接，以便容许在定向温度场内进行从所述籽晶开始至熔体固化的结晶，
其中，所述第二部分沿着它的中心轴线的方向具有长度，其中所述长度达40mm至120mm，所述40mm至120mm的范围包含边界值。
17.根据第16方面所述的装置，
其中，所述长度达50mm至90mm，所述50mm至90mm的范围包含边界值。
18.根据第16方面所述的装置，
其中，所述长度达60mm至80mm，所述60mm至80mm的范围包含边界值。
19.一种由原料的熔体制造晶体的方法，其中：使用用于接收所述熔体的坩埚，所述坩埚具有包含第一横截面面积的第一部分，并且具有用于接收籽晶且包含第二横截面面积的第二部分，
其中，所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，并且所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分而彼此连接，以便容许在定向温度场内进行从所述籽晶开始至熔体固化的结晶，
其中：
所述坩埚的第一部分具有中心轴线，并且所述第二部分被布置成从所述第一部分的中心轴线侧向地偏移，或者
其中所述第二部分沿着其中心轴线的方向具有长度，其中所述长度达40mm至120mm，该40mm至120mm的范围包含边界值。
20.根据第19方面所述的方法，其中，在通过在所述定向温度场中冷却所述熔体而生长所述晶体之后，对经过冷却的所述晶体应用后处理步骤，其中所述后处理步骤包含如下步骤：移除所述晶体的圆筒壁状边缘部分或管状边缘部分或者不对称的圆筒壁状边缘部分或管状边缘部分，以使得经过后处理的晶体的横截面区域具有直径，所述直径比在所述生长之后冷却但是尚未经历所述后处理步骤的晶体的直径小的差在2mm至20mm并且包含2mm、20mm的范围内。
21.一种由原料的熔体制造晶体的方法，其中：使用用于接收所述熔体的坩埚，所述坩埚具有包含第一横截面面积的第一部分，并且具有用于接收籽晶且包含第二横截面面积的第二部分，
其中所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，并且所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分而彼此连接，以便容许在定向温度场T内进行从所述籽晶开始至熔体固化的结晶，
其中：
在通过在所述定向温度场中冷却所述熔体而使所述晶体生长之后，对经过冷却的所述晶体应用后处理步骤，其中所述后处理步骤包含如下步骤：移除所述晶体的圆筒壁状边缘部分或管状边缘部分或者不对称的圆筒壁状边缘部分或管状边缘部分，以使得经过后处理的晶体的横截面区域具有直径，所述直径比在所述生长之后冷却但是尚未经历所述后处理步骤的晶体的直径小的差在2mm至20mm并且包含2mm、20mm的范围内。
22.根据第20或21方面所述的方法，其中，所述后处理步骤包含钻孔、抛光、研磨和/或磨削。
23.一种通过根据第19至22方面中的任一方面的方法获得的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片。
24.一种AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，所述AIII-BV-单晶或所述晶片在晶体的晶格中包括被确定为所述AIII-BV-单晶的垂直于它的中心轴线的横截面区域内的平均边缘坑密度(EPDav)的平均位错密度，所述平均位错密度为10cm-2或更小。
25.根据第24方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，所述AIII-BV-单晶或所述晶片的直径达150mm或更大。
26.根据第24方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶14分离而获得的晶片，其中，将从由硼、硅、锌、硫、铟所构成的至少一组中选择出的晶格硬化掺杂剂单独地或组合地包含于所述AIII-BV-单晶的晶格中。
27.根据第24方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，所述AIII-BV-单晶或所述晶片在所述AIII-BV-单晶或所述晶片的横截面区域上包括最大+/-30kPa或更小的残余应力分布，通过根据快速扫描红外透射旋光计方法的空间分辨的测量获得所述残余应力分布，其中所述空间分辨的测量的侧向分辨率达100μm。
28.根据第24方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，所述AIII-BV-单晶或所述晶片在所述AIII-BV-单晶或所述晶片的横截面区域上包括最大+/-25kPa或更小的残余应力分布，通过根据快速扫描红外透射旋光计方法的空间分辨的测量获得所述残余应力分布，其中所述空间分辨的测量的侧向分辨率达100μm。
29.根据第24至27方面中的任一方面所述的AIII-BV-单晶或通过与所述AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，在所述AIII-BV-AIII-BV-单晶或所述晶片的横截面区域内，测量网格内的大小为0.25mm2的测量场的一部分达所述横截面区域的总面积的99％或更大，所有测量场完全地覆盖所述横截面区域，所述一部分的测量场完全没有位错。
30.一种AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，所述AIII-BV-单晶或所述晶片在所述AIII-BV-单晶或所述晶片的横截面区域上包括最大+/-30kPa的残余应力分布，通过根据快速扫描红外透射旋光计方法的空间分辨的测量获得所述残余应力分布。
31.根据第30方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，所述AIII-BV-单晶或所述晶片在所述AIII-BV-单晶或所述晶片的横截面区域上包括最大+/-25kPa或更小的残余应力分布，通过根据快速扫描红外透射旋光计方法的空间分辨的测量获得所述残余应力分布。
32.根据第30方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，所述空间分辨的测量的侧向分辨率达100μm。
33.根据第30或32方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，所述AIII-BV-单晶或晶片的直径达150mm或更大。
34.一种AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，所述AIII-BV-单晶或所述晶片在晶体的晶格中包括被确定为所述AIII-BV-单晶的垂直于它的中心轴线M的横截面区域内的平均边缘坑密度(EPDav)的平均位错密度，所述平均位错密度为1000cm-2或更小，其中包含晶格硬化掺杂剂的载流子浓度达7×1016原子/cm3或更小。
35.根据第34方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，包含晶格硬化掺杂剂的载流子浓度达1×1016原子/cm3或更小，所述晶格硬化掺杂剂为从硼、硅、锌、硫、铟所构成的组中的至少一种选择出的，在所述组中，硼、硅、锌、硫、铟是单独的或相组合的。
36.一种AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，所述AIII-BV-单晶的原子晶格中的平均位错密度达700cm-2或更小，并且总载流子浓度达7×1016原子/cm3或更小。
37.根据第36方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，所述AIII-BV-单晶的原子晶格中的平均位错密度达500cm-2或更小。
38.根据第36方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其中，所述AIII-BV-单晶的原子晶格中的平均位错密度达200cm-2或更小。
39.根据第36方面所述的AIII-BV-单晶或通过与AIII-BV-单晶分离而获得的晶片，其特征在于，总载流子浓度达1×1016原子/cm3或更小。

Claims (32)

1.一种用于由原料的熔体（16）制造晶体（14）的装置（1，1‘‘，1‘‘‘），包括：
用于接收所述熔体（16）的坩埚（2‘，2‘‘，2‘‘‘），所述坩埚（2‘，2‘‘，2‘‘‘）具有包含第一横截面面积的第一部分（4‘，4‘‘）并且具有用于接收籽晶（12）且包含第二横截面面积的第二部分（6‘），其中，所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，并且所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分（8，8‘）而彼此连接，以便容许在定向温度场（T）内进行从所述籽晶（12）开始至熔体固化的结晶，其中所述坩埚（2‘，2‘‘，2‘‘‘）的第一部分（4‘，4‘‘）具有中心轴线（M），并且所述第二部分（6‘）被布置成从所述第一部分（4‘，4‘‘）的中心轴线（M）侧向地偏移（v）,
其中所述第二部分（6，6‘）沿着它的中心轴线（M‘）的方向具有长度（k‘），其中所述长度达50 mm至90 mm，所述50 mm至90 mm的范围包含边界值，并且其中所述第二部分（6‘）被至少部分地形成为圆筒形形状并且具有的内径为15mm或更小。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，所述第二部分包含纵向轴线，当所述纵向轴线延伸至所述第一部分的区域中时，所述纵向轴线在所述第一部分内延伸并且距所述坩埚的内壁15 mm或更小的距离。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的装置，
其特征在于，所述第一部分被至少部分地形成为圆筒形形状，并且具有的内径（d‘‘，d‘‘‘）大于52 mm至60 mm、或大于82 mm至90 mm、或大于102 mm至110 mm、或大于127 mm至145 mm、或大于152 mm至172 mm、或大于202 mm至220 mm。
4.根据权利要求1至2中的任一项所述的装置，
其特征在于，所述装置（1）被构造成用于制造具有公称直径的晶体，所述公称直径将在生长所述晶体的步骤之后的后处理步骤中获得，
其中，所述第一部分具有内径，所述内径与所述第一部分的垂直于所述中心轴线的横截面面积相关联，并且所述内径比所述公称直径大2mm或所述内径比所述公称直径大超出2mm，并且所述内径比所述公称直径大至多10 mm。
5.根据权利要求4所述的装置，
其特征在于，所述公称直径达50 mm或2″、80 mm或3″、100 mm、125 mm、150 mm或200mm。
6.根据权利要求1至2中的任一项所述的装置，
进一步包括加热装置，所述加热装置包含一个或多个加热元件（20，21），所述加热装置被构造成生成具有温度梯度的定向温度场（T），其中所述坩埚布置于所述温度场中。
7.根据权利要求1至2中的任一项所述的装置，
其特征在于，所述坩埚由适合于接收由砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）形成的熔体的材料形成。
8.根据权利要求1至2中的任一项所述的装置（1‘‘‘‘，1‘‘‘‘‘），
其特征在于，除了所述坩埚（2‘‘）之外，设置另外的相同的坩埚，这些坩埚对称地且平行地并且以相同的高度布置，并且所述第二部分（6‘）从所述中心轴线（M）偏移的方向朝向这些坩埚的布置的对称轴线（Z）定向。
9.一种用于由原料的熔体（16）制造晶体（14）的装置（1），包括：
用于接收所述熔体（16）的坩埚（2‘，2‘‘，2‘‘‘），所述坩埚（2‘，2‘‘，2‘‘‘）具有包含第一横截面面积的第一部分（4‘，4‘‘），并且具有用于接收籽晶（12）且包含第二横截面面积的第二部分（6‘），其中所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分（8‘）彼此连接，以便容许在定向温度场（T）内进行从所述籽晶（12）开始至熔体（16）固化的结晶，
其中，所述装置（1）被构造成用于制造具有公称直径的晶体（14），所述公称直径将在生长所述晶体（14）的步骤之后的后处理步骤中获得，
其中，所述第一部分（4‘，4‘‘）具有中心轴线（M）和内径（d‘‘，d‘‘‘），所述内径（d‘‘，d‘‘‘）与所述第一部分（4‘，4‘‘）的垂直于所述中心轴线（M）的横截面面积相关联，并且所述内径（d‘‘，d‘‘‘）比所述公称直径（d）大2mm或比所述公称直径大多于2 mm，并且所述内径比所述公称直径（d）大至多20 mm，
其中所述第二部分（6，6‘）沿着它的中心轴线（M‘）的方向具有长度（k‘），其中所述长度达50 mm至90 mm，所述50 mm至90 mm的范围包含边界值，并且其中所述第二部分（6‘）被至少部分地形成为圆筒形形状并且具有的内径为15mm或更小。
10.根据权利要求9所述的装置，
其特征在于，所述第一部分的内径（d‘‘，d‘‘‘）比所述公称直径（d）大3mm或比所述公称直径大多于3 mm。
11.根据权利要求9所述的装置，
其特征在于，所述第一部分的内径（d‘‘，d‘‘‘）比所述公称直径（d）大5mm或比所述公称直径大多于5 mm。
12.根据权利要求9所述的装置，
其特征在于，所述第一部分被至少部分地形成为圆筒形形状并且具有的内径（d‘‘，d‘‘‘）大于52 mm至60 mm、或大于82 mm至90 mm、或大于102 mm至110 mm、或大于127 mm至145 mm、或大于152 mm至172 mm、或大于202 mm至220 mm。
13.根据权利要求10所述的装置，
其特征在于，所述公称直径达50 mm或2″、80 mm或3″、100 mm、125 mm、150 mm或200mm。
14.一种由原料的熔体（16）制造晶体（14）的方法，其特征在于：使用用于接收所述熔体（16）的坩埚（2，2‘‘‘），所述坩埚（2，2‘‘‘）具有包含第一横截面面积的第一部分（4，4‘‘），并且具有用于接收籽晶（12）且包含第二横截面面积的第二部分（6‘），
其中，所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，并且所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分（8，8‘）而彼此连接，以便容许在定向温度场（T）内进行从所述籽晶（12）开始至熔体（16）固化的结晶，
其中：
所述坩埚（2，2‘‘‘）的第一部分（4，4‘‘）具有中心轴线（M），并且所述第二部分（6，6‘）被布置成从所述第一部分（4，4‘‘）的中心轴线（M）侧向地偏移，或者
其中所述第二部分（6）沿着其中心轴线（M‘）的方向具有长度（k‘），其中所述长度（k‘）达50 mm至90 mm，该50 mm至90 mm的范围包含边界值，并且其中所述第二部分（6‘）被至少部分地形成为圆筒形形状并且具有的内径为15mm或更小。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在通过在所述定向温度场（T）中冷却所述熔体而生长所述晶体之后，对经过冷却的所述晶体应用后处理步骤，其中所述后处理步骤包含如下步骤：移除所述晶体（14）的圆筒壁状边缘部分或管状边缘部分或者不对称的圆筒壁状边缘部分或管状边缘部分，以使得经过后处理的晶体的横截面区域具有直径（d），所述直径（d）比在所述生长之后冷却但是尚未经历所述后处理步骤的晶体的直径（d‘‘，d‘‘‘）小的差在2 mm至20 mm并且包含2mm、20 mm的范围内。
16.一种由原料的熔体（16）制造晶体（14）的方法，其特征在于：使用用于接收所述熔体（16）的坩埚（2‘，2‘‘，2‘‘‘），所述坩埚（2‘，2‘‘，2‘‘‘）具有包含第一横截面面积的第一部分（4‘，4‘‘），并且具有用于接收籽晶且包含第二横截面面积的第二部分（6‘），
其中所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积，并且所述第一部分和所述第二部分直接地彼此连接或经由从所述第一部分至所述第二部分渐缩的第三部分（8‘）而彼此连接，以便容许在定向温度场（T）内进行从所述籽晶（12）开始至熔体（16）固化的结晶，
其中所述第二部分（6，6‘）沿着它的中心轴线（M‘）的方向具有长度（k‘），其中所述长度达50 mm至90 mm，并且50 mm至90 mm的范围包含边界值，并且其中所述第二部分（6‘）被至少部分地形成为圆筒形形状并且具有的内径为15mm或更小，
其中：
在通过在所述定向温度场（T）中冷却所述熔体而使所述晶体生长之后，对经过冷却的所述晶体（14）应用后处理步骤，其中所述后处理步骤包含如下步骤：移除所述晶体（14）的圆筒壁状边缘部分或管状边缘部分或者不对称的圆筒壁状边缘部分或管状边缘部分，以使得经过后处理的晶体的横截面区域具有直径（d），所述直径（d）比在所述生长之后冷却但是尚未经历所述后处理步骤的晶体的直径（d‘‘，d‘‘‘）小的差在2 mm至20 mm并且包含2mm、20mm的范围内。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述后处理步骤包含钻孔、抛光、研磨和/或磨削。
18.一种通过根据权利要求14至17中的任一项的方法获得的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片。
19.一种通过根据权利要求14至17中的任一项的方法获得的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片在晶体的晶格中包括被确定为所述AIII-BV-单晶（14）的垂直于它的中心轴线（M）的横截面区域内的平均边缘坑密度（EPDav）的平均位错密度，所述平均位错密度为5 cm-2或更小，其中所述单晶或所述晶片的直径达150 mm或更大。
20.根据权利要求19所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，将从由硼、硅、锌、硫、铟所构成的至少一组中选择出的晶格硬化掺杂剂单独地或组合地包含于所述AIII-BV-单晶的晶格中。
21.根据权利要求19所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片在所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片的横截面区域上包括+/- 30 kPa或更小的残余应力分布，通过根据快速扫描红外透射旋光计方法的空间分辨的测量获得所述残余应力分布，其中所述空间分辨的测量的侧向分辨率达100 μm。
22.根据权利要求19所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片在所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片的横截面区域上包括+/- 25 kPa或更小的残余应力分布，通过根据快速扫描红外透射旋光计方法的空间分辨的测量获得所述残余应力分布，其中所述空间分辨的测量的侧向分辨率达100 μm。
23.根据权利要求19至21中的任一项所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与所述AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，在所述AIII-BV-单晶或所述晶片的横截面区域内，测量网格内的大小为0.25 mm2的测量场的一部分达所述横截面区域的总面积的99%或更大，所有测量场完全地覆盖所述横截面区域，所述一部分的测量场完全没有位错。
24.一种通过根据权利要求14至17中的任一项的方法获得的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片在所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片的横截面区域上包括+/- 30 kPa或更小的残余应力分布，通过根据快速扫描红外透射旋光计方法的空间分辨的测量获得所述残余应力分布，其中所述AIII-BV-单晶在晶体的晶格中包括被确定为所述单晶（14）的垂直于它的中心轴线（M）的横截面区域内的平均边缘坑密度(EPDav)的平均位错密度，所述平均位错密度为10cm-2或更小，其中所述单晶或所述晶片的直径达150 mm或更大。
25.根据权利要求24所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片在所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片的横截面区域上包括+/- 25 kPa或更小的残余应力分布，通过根据快速扫描红外透射旋光计方法的空间分辨的测量获得所述残余应力分布。
26.根据权利要求24所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，所述空间分辨的测量的侧向分辨率达100 μm。
27.一种通过根据权利要求14至17中的任一项的方法获得的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，所述AIII-BV-单晶（14）或所述晶片在晶体的晶格中包括被确定为所述AIII-BV-单晶（14）的垂直于它的中心轴线（M）的横截面区域内的平均边缘坑密度（EPDav）的平均位错密度，所述平均位错密度为1000 cm-2或更小，其中包含晶格硬化掺杂剂的载流子浓度达7×1016原子/cm3或更小，所述单晶或所述晶片的直径达150 mm或更大。
28.根据权利要求27所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，包含晶格硬化掺杂剂的载流子浓度达1×1016原子/cm3或更小，并且所述晶格硬化掺杂剂为从硼、硅、锌、硫、铟所构成的组中的至少一种选择出的，在所述组中，硼、硅、锌、硫、铟是单独的或相组合的。
29.一种通过根据权利要求14至17中的任一项的方法获得的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，所述AIII-BV-单晶的原子晶格中的平均位错密度达700 cm-2或更小，并且总载流子浓度达7×1016原子/cm3或更小，所述单晶或所述晶片的直径达150 mm或更大。
30.根据权利要求29所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，所述AIII-BV-单晶的原子晶格中的平均位错密度达500 cm-2或更小。
31.根据权利要求29所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，所述AIII-BV-单晶的原子晶格中的平均位错密度达200 cm-2或更小。
32.根据权利要求29所述的AIII-BV-单晶（14）或通过与AIII-BV-单晶（14）分离而获得的晶片，其特征在于，总载流子浓度达1×1016原子/cm3或更小。
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