CN1844487A - 水平三温区梯度凝固法生长砷化镓单晶的方法 - Google Patents

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水平三温区梯度凝固法生长砷化镓单晶的方法属砷化镓单晶生长技术领域，其特点是：生长单晶的炉体不平移；温度场高温区T1温度，按单晶成形点的温度逐段下降，下降速率与单晶生长速率相吻合；不仅保证了单晶生长质量，还省去了复杂的机械传动装置，降低了能耗，简化了工艺，降低了成本，是一个很有前途的发明。

Description

水平三温区梯度凝固法生长砷化镓单晶的方法
技术领域：
属砷化镓单晶生长技术领域，确切地说是一种用凝固法生长砷化镓单晶的技术。
背景技术：
砷化镓材料其性能优越，具有发光受光等多种特性，它的用途是多种多样。主要用于(光电子器件(如LED IRED LD太阳能电池等)和微电子器件(各种微波二极管FETHEMT HBT MMICK等)。将会实现光电子器件与微电子器件相组合光电子集成(OEIG)。砷化镓材料是很有前途的化合物半导体材料。
砷化镓单晶的传统生长方法之一是水平法。水平法是将镓和砷真空密封在石英容器中，放入水平炉的热场中生长单晶。水平法是生产砷化镓单晶的主要方法。水平法生长砷化镓单晶典型方法有：两温区布里支曼法(2T-HB)、三温区布里支曼法(3T-HB)和梯度凝固法(GF)。各有其优缺点。
2T-HB法中，在温度与位置的函数关系显示单晶生长过程图中，二个均近水平状直线的温度场，靠左边位置的为高温T1区，T1温度保持在砷化镓熔点以上，右边为低温T3区，T3的温度是用来控制砷的蒸汽压，以保持砷化镓熔体分解压平衡。在T1与T3之间存在温度梯度，当整个炉体由机械传动装置带动从右向左移动，砷化镓熔体沿固体砷化镓籽晶慢慢结晶，从而生长成单晶。此法缺点较多，如要有复杂的机械传动装置，单晶生长过程中会出现硅污染，生长的单晶缺陷多所以基本不采用了。
3T-HB法是在2T-HB法的基础上发展的，它是在T1区T3区之间增加一个T2区，称为中温区，T2区的存在，防止了镓和石英舟的反应；即防止和减少了砷化镓单晶生长过程中硅污染；同时避免了砷化镓锭料与石英舟的沾润；减小了炉子固液交界面处温度梯度，从而减少单晶生长缺陷；生长出来的单晶长时间停留在T2区，起了退火的作用，改善单晶性能。总之，T2区的存在提高了单晶成晶率，提高了产品质量。但该法是用SiC来支撑石英反应管，整个炉子沿着SiC管从右向左移动，炉子的加热源必须透过SiC辐射到石英反应管，由于炉子的内径比石英反应管的外径大一倍，当生长φ50或更大的晶体时，其生长介面很不理想，为了较好地控制生长介面的形状，在其部位(T1区T2区之间)增加一个四分区炉段，用以调节上下左右温度，以达到理想的生长介面。为了提高成晶率，工艺上把一步法改为二步法，即合成与生长单晶分两步进行。因此该法的缺点为：要精密的传动装置和温度控制装置；四分区炉段的设置也比较复杂；且炉子的功率大；需要价格昂贵的SiC管；工艺上增加了工序。因此该法工艺复杂，设备投资大，生产成本高。GF法，该法类似两温区法，而T1区有很大的不同，T1区的分布是斜的，温度在1238°～1260℃之间。炉体不移动。生长单晶的过程是T1逐渐降温，使T1区平行下移，当尾部到1238℃以下，熔体全部凝固完成生长过程。此法的特点不需传动装置；不需要SiC管；炉子直径小，加热源直接辐射到石英反应管，炉子封闭，温度稳定，因此炉子的功率小。该法的缺点是T1区的温成高，石英管易软化；没有T2区的设置；生长的单晶较短。可见传统的水平法生长单晶，要有让炉子在温度场内移动的装置，结构复杂，代价高；或者将高温区整个温度场温度下降来形成单晶，但生成单晶不理想。
发明内容：
本发明提供一种让炉体不移动，由炉温构成的温度场T1，按结晶生长所需温度和生成速率，逐段下降温度，满足结晶所需温度的一种水平三温区梯度凝固法生长砷化镓单晶的方法。
本发明采取的技术方案：
内置有镓和砷的石英舟，放置在密封的管式石英容器内，置于水平炉的温度场中，水平炉在一个可控制倾斜角度的架子上，现有技术中要有使炉体在温度场中平移的机械传动装置，本方案不要平移机械传动装置，即炉体不平移；温度场高温区T1温度，按单晶成形点的温度逐段下降，下降速率与单晶生长速率相吻合；
并按以下步骤操作
1)置有镓和砷的石英反应管，装入炉内预定位置，
2)运行升温与合成程序，
3)升温速率为5～10℃/分；当各温度段升至T1区为1240℃、T2区为1120℃、T3区为615℃，保持40分钟镓和砷合成时间。
4)用炉体的倾斜装置控制GaAs熔体的液面，使GaAs熔体与籽晶相接。
5)待T1为1250℃、T2为1220℃、T3为800℃(也可用1100℃时，)升温与合成阶段完毕。
6)进入单晶生长阶段，运行T1区的各段温度，温度场逐段下降移动，从第10段开始，依次按第9段、第8段、…第2段、第1段顺序，从高温区的温度T1降至中温区的温度T2；降温间隔时间与单晶生长时间吻合；降温速率为0.1～1℃/分；
7)当T1的第1段温度降到1220℃时，生长单晶阶段结束；
8)最后进入降温阶段，运行降温程序，按每分钟0.1～1℃速率降温；
实施本发明后的积极效果是：
因高温区T1采用多段结构加热方式，保持同一温度，按程序控制逐段逐渐降温，随温度场温度下降移动而生长单晶，使能生长较长的单晶；在高温T1低温T3之间设置中温区T2，T2区的设置可短一些，因程序运行过程中T2区逐渐增长，发挥了中温区作用，阻止了镓和石英舟的污染反应及润湿反应，减小固液交界面的温度梯度，用来生长高纯单晶；
本发明不需要机械传动装置，也不需要SiC支撑管，生长单晶全过程所需的温度全部由计算机程序控制运行来完成。采用本发明生长单晶，可减少50％固定资产投资。而且自动化程度很高。
本发明所用炉子的内径与3T-HB法相比可减小30％，其耗电功率相比减少60％。本发明采用合成与生长单晶一次完成，因此简化了工序，节省材料，电力及人工，可降低单晶生产成本10～12％.
本发明主要采用合成与生长单晶一步法的方案。也可用来合成高纯砷化镓多晶，为2MT-HB VGF VB等提供高纯砷化镓多晶。亦可用多晶为原料生长单晶。本发明有专门制造的控温装置、控温炉和XX型计算机程序控制装置相配合，其升温、合成、单晶生长、降温过程全按程序控制，不仅自动化程度很高，且安全率很高，几乎达99.99％安全。
附图说明：
图1为水平三温区梯度凝固法(3T-HGF)示意图
图2控温炉结构剖面示意图
图3水平三温区梯度温度分布示意图
具体实施方式：现结合附图对本发明作进一步说明
内置有镓和砷的石英舟放置在密封的管式石英容器内，置于水平炉的温度场中，水平炉在一个可控制倾斜角度的架子上。本炉体不用平移；温度场高温区T1温度，按单晶成形点的温度逐段下降，下降速率与单晶生长速率相吻合；
并按以下步骤操作
1)置有镓和砷的石英反应管，装入炉内预定位置，
2)运行升温与合成程序，
3)升温速率为5～10℃/分；当各温度段升至T1区为1240℃、T2区为1120℃、T3区为615℃，保持40分钟镓和砷合成时间；
4)用炉体的倾斜装置控制GaAs熔体的液面，使GaAs熔体与籽晶相接。
5)当温升到T1为1250℃、T2为1220℃、T3为800℃升温与合成阶段结束。
6)进入单晶生长阶段，运行T1区的各段温度，温度场逐段下降移动，从第10段开始，依次按第9段、第8段、…第2段、第1段顺序，从高温区的温度T1降至中温区的温度T2；降温间隔时间与单晶生长时间吻合；降温速率为0.1～1℃/分；
7)当T1的第1段温度到1220℃时，生长单晶阶段结束；
8)最后进入降温阶段，运行降温程序，按每分钟。
炉腔温度分布场空间分为高温T1区，中温T2区，低温T3区；高温T1区有连续10段组成，从右至左分布，分别是第10段，第9段，第8段.......第2段，第1段；第11段是中温区；第12段是低温区；每段与每区均有受计算机控制的独立加热炉丝，独立温度测量和各自反馈控制系统；置有砷和镓的石英舟，放置在高温区段，结晶端处于与中温区交界的高温T1区末端；
温控炉是一个正方形横截面的封闭长方体1，分别由超轻高温氧化铝保温材料2和低温氧化铝保温材料14构成炉衬，按不同的温升要求，采用不同规格的Fe-Cr-Al高温加热丝，分别独立地缠绕在构成温度场的从第1段直到第12段的间隔框架内；在T1末端接近T2部位设有籽晶的观察孔9；石英反应管6安置在炉腔内的垫片4上，在石英舟7内的砷化镓XX熔体8，处在由高温炉管炉丝3缠绕的高温区T1空间，籽晶端10处于接近中温区的高温区T1第10段；砷12处在由低温炉管炉丝13缠绕的低温区第12段空间内，反应管内设置石英封泡5和组颈封泡11；并由温度传感器15从腔体引出。
实施例
实例一：非掺高纯GaAs单晶生长，石英舟内尺寸D51×31×300(宽×深×长)，6N镓946g，6N砷1037g。高纯GaAs籽晶8g。得非掺高纯GaAs单晶2.01kg。晶锭表底光亮，毫无沾润。测试结果，载流子浓度1.1×1015～2.6×1015/cm3，迁移率5200～5860cm2/v.s位错密度8500/cm2。
实例二：低掺Si-GaAs单晶生长，石英舟内尺寸D51×31×450(宽×深×长)，6N镓1542.4g，6N砷1657.6g。掺杂剂Si48mg。掺Si-GaAs籽晶8g。得掺Si-GaAs单晶3208g。晶锭表底光亮，毫无沾润。测试结果，载流子浓度2.2～8.1×1017/cm3，迁移率2700～3600cm2/v.s位错密度6500/cm2。
实例三：中掺Si-GaAs单晶生长，石英舟内尺寸D51×31×400(宽×深×长)，6N镓1346.8g，6N砷1448.8g。掺杂剂Si92mg。掺Si-GaAs籽晶8g。得掺Si-GaAs单晶2793g。晶锭表底光亮，毫无沾润。测试结果，载流子浓度5.3×1017～2.2×1018/cm，迁移率1800～2780cm2/v.s位错密度5200/cm2。
实例四：高掺Si-GaAs单晶生长，石英舟内尺寸D51×31×400(宽×深×长)。掺Si-GaAs多晶2808g。掺杂剂Si196mg。掺Si-GaAs籽晶8g。得掺Si-GaAs单晶2816g。晶锭表底光亮，毫无沾润。测试结果，载流子浓度9.6×1017～3.8×1018/cm，迁移率1680～2500cm2/v.s位错密度600～2000/cm2。

Claims (2)

1.水平三温区梯度凝固法生长砷化镓单晶的方法，包含内置有镓和砷的石英舟放置在密封的管式石英容器内，置于水平炉的温度场中，水平炉在一个可控制倾斜角度的架子上，有使炉体在温度场中平移的机械传动装置，其特征是：
炉体不平移；温度场高温区T1温度，按单晶成形点的温度逐段下降，下降速率与单晶生长速率相吻合；
并按以下步骤操作：
1)置有镓和砷的石英反应管，装入炉内预定位置，
2)运行升温与合成程序，
3)升温速率为5～10℃/分；当各温度段升至T1区为1240℃、T2区为1120℃、T3区为615℃，保持40分钟镓和砷合成时间；
4)用炉体的倾斜装置控制GaAs熔体的液面，使GaAs熔体与籽晶相接；
5)当温升到T1为1250℃、T2为1220℃、T3为800℃，升温与合成阶段结束；
6)进入单晶生长阶段，运行T1区的各段温度，温度场逐段下降移动，从第10段开始，依次按第9段、第8段、…第2段、第1段顺序，从高温区的温度T1降至中温区的温度T2；降温间隔时间与单晶生长时间吻合；降温速率为0.1～1℃/分；
7)当T1的第1段温度降到1220℃时，生长单晶阶段结束；
8)最后进入降温阶段，运行降温程序，按每分钟降温速率为0.1～1℃降温。
2.根据权利要求1所述的水平三温区梯度凝固法生长砷化镓单晶的方法，其特征是：所述的T3为800℃也可以是1100℃。
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