lec法砷化镓晶体生长中熔体流动与传热传质数值模拟

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1、重庆人学硕士学位论文1绪论1．1．1砷化镓晶体与溶质分凝效应①半导体GaAs单晶．自从晶体管问世以来，硅半导体材料长期在微电子技术中占据着统治地位，然而，后来它受到了砷化镓等IⅡ．V族化合物半导体材料咄咄逼人的挑战。Ⅲ．V族化合物半导体材料是继Si之后的新一代电子功能材料，具有Si等元素半导体材料所不具备的优越特性。比较表1．1所列Si及GaAs基本性质，可见m—V族化合物半导体材料砷化镓单晶具有电子迁移率高(为si的5～6倍)、禁带宽度大(为1．43eV，Si为1．1ev)且为直接带隙、易于制成半绝缘材料(电阻率107～109Q．cm)、本征载流子浓度低、光电特性好等优良特性。用

2、砷化镓材料制作的器件频率响应表1．1Si和GaAs单晶基本性质比较!垒垒!呈!：!gQ坐巳垒堕!竺璺Q!!皇曼巳!Q巳曼盟i曼!鱼!墨i垒翌垒至!垒垒!竺!Y!!璺!材料特性SiGaAs好、速度快、工作温度高、噪声低，能满足集成光电子的需要。砷化镓单晶是目前最重要的光电子材料，也是继硅材料之后最重要的微电子材料。随着无线通讯、2重庆人学硕士学位论文1绪论汽车电子等产业的迅猛发展，砷化镓半导体产业进入前所未有的快速发展时期。作为各类光电子和微电子器件的基础材料，GaAs单晶衬底的性质对器件的性能及退化有着重大的影响，各种器件的发展总是伴随着单晶材料生长工艺的改进及其质量的提高而发展的

3、。另一方面，器件和市场的需要对G姐s单晶材料提出了越来越高的要求，要求它在增大单晶直径的同时，还要减少晶体中的缺陷，不断提高各项物理参数及其均匀性，同时还要求实现工业化大规模生产。国际上，GaAs单晶材料正向大直径(晶体直径由75肌n，loomm快速向150蛐过渡：据说，直径200mm单晶早已在德国研制成功【3】，2003年我国生长的砷化镓单晶已可以达到直径150mm)、高质量、大批量生产化发展。国内目前GaAs单晶年产量约500妇，晶体直径50～75mm，loomm的晶片只有样品，所有晶片均未达到“开盒即用”(Epi—ready)水平，与国际水平差距甚大，“加强研究、发展生产”实

4、属刻不容缓【4】。②溶质分凝效应G以s材料的两个主要应用领域是微波器件和光电器件。通常LEC法生长微波器件用的GaAs衬底，是非掺杂的半绝缘材料；光电器件用的衬底，则需要掺杂。掺杂主要有二个目的：一是提供光电器件直接在衬底上做欧姆接触所需的高浓度，二是通过杂质硬化起到降低位错的作用，即通过大大增加临界切应力(criticalresolvedshearstress)有效地减少位错。在目Ij{『光电器件衬底采用较多的n型GaAs材料里，常规的掺杂元素为碲(Te)和硅(Si)。LEc法工艺掺杂Te相对较容易，而掺杂Si难度大一些【5】，但实验发现，Te的杂质硬化效果比Si小得多，掺TeL

5、EC法GaAs单晶的位错密度与非掺杂单晶接近，3英寸单晶做到小于1×104／cm2难度很大，所以LEC法GaAs晶体常常以Si作为掺杂物。如果将GaAs熔体看作溶剂，则掺杂物Si为溶质。溶质分凝是LEC法(包括直拉法)晶体生长中的一种典型现象，当有效分凝系数疋，不等于1时，溶质分凝就会发生。据Pfann方程，生长着的晶体中的溶质浓度为：e=％‰(1一工)眯扩¨，其中‰是熔体中溶质的初始浓度，工是已经凝固的熔体分额，因此晶体中溶质的轴向分布取决于有效分凝系数丘伊的值。硅原子在砷化镓熔体中的有效分凝系数刚、于l(为o．11)№】，因此随着晶体的生长，熔体中固液界面附近掺杂物硅的浓度增高

6、，从晶体顶部到底部，掺杂物硅的浓度逐渐增大，最末端晶体中掺杂物硅的浓度最大。当凝固熔体的分额工超过某一值时，生成晶体中的掺杂物硅的浓度将超过掺杂极限(precipitationthreshold)5×1018cm’3【71。一方面导致轴向应力不均匀，位错增加；另一方面导致晶体底部电阻系数急剧下降，不再具有半绝缘性质。因此掺杂物分凝效应的存在将严重降低砷化镓单晶的质量，影响其光、电特性。所以研究分凝效应下熔体的流动、传热及溶质的分布规律与能够消除分凝效应的双坩埚内熔体的输运特性，是本课题要解决的关键问题。重庆人学硕士学位论文l绪论1．1．2液封直拉法(LEC法)液封直拉法(Liqui

7、dEncapsulantCzocIlrals心，LEC)是生长半导体GaAs单晶最重要的方法之一。目前，市场上92％的半绝缘(SI)GaAs单晶是采用LEC法生长的。提拉法晶体生长技术已被广泛地应用于半导体晶体、激光器件中的人工宝石的商业化生产。LEC法是针对Ⅲ一V族金属键化合物半导体的易分解性、易挥发性，在晶体直拉法的基础上发展起来的。它具有便于观察与操作，精密控制生长条件；能快速拉制大直径单晶，可在炉内进行合成与拉晶，所得单晶的截面为圆形，与器件工艺配套；使用定向