Ⅲ-Ⅴ族半导体材料项目应用技术方案.pdf

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1、WWW.100BAOGAO.COM第九章Ⅲ-Ⅴ族半导体材料项目应用技术方案报告分析主要产品：砷化镓、磷化镓、磷化铟本节选以：砷化镓工艺为例分析如下：第二节生产技术方案三、技术参数和工艺流程比较4．1．1各种砷化镓单晶制备工艺法概述为了提高GAAS材料的质量、降低成本，科研工作者在晶体生长工艺方面作了很多研究和改良，使材料质量有了较大的提高。初期的GAAS晶体生长的工艺方法主要有液封直拉法（LEC法）和水平布里支曼法（HB法）。LEC法是在高压单晶炉内原位合成砷化镓后用籽晶引晶拉制单晶。该工艺的优点是可生长适用于直接离子注人的高纯非掺杂半绝缘单

2、晶，单晶纯度高，尺寸大，适于规模生产。其主要缺点是结晶质量略差，位错密度较高，生长工艺复杂，工艺设备昂贵，成本高。HB法亦称舟生长法，该工艺的特点是单晶的结晶质量高，工艺设备较简单，但晶锭尺寸和形状受石英舟形状的限制，生长周期长，同时熔体与石英舟反应引入硅的沾污，无法得到直接离子注入用高纯GAAS单晶，常用于制各低阻低位错掺杂晶体和掺杂半绝缘单晶衬底。近几年，为进一步提高单晶质量，又发展了许多新工艺。国内外开发了兼具以上二者优点的VGF法(垂直梯度凝固法)，VB法(垂直布里支曼法)和VCZ法(蒸气压控制直拉法)，成功制备出大直径砷化镓单晶。各

3、种砷化镓生长方法的优缺点如表5：图表GAAS单晶各种生长工艺方法优缺点的比较WWW.100BAOGAO.COM资料来源：中国调查报告网WWW.100BAOGAO.COM4．1．2水平布里奇曼法（HB）水平布里奇曼法（HORIZONTALBRIDGMANMETHOD，HB）该法于1925年由P．W．BRIDGMAN所建立，1957年由J．F．EDMUND应用于GAAS单晶生长。方法的特点是使熔体通过具有一定梯度的温区而获得单晶生长。以3温区布曼（3THB法）为例，其设备和炉温分布如图2所示。GA被置于已打毛的石英舟内，而AS置于反应管的低温端。

4、在镓与砷合成为GAAS熔体之后，将晶向为＜111＞的籽晶少量回熔，而后开始单晶生长。在单晶生长过程中，由高温区T1与中温区T2之间，即生长前沿固——液界面处的纵向与横向温度梯度为1～3℃／CM，生长速度为2～5MM／H。此法所获掺CR半绝缘GAAS单晶电阻率一般为L0Ω·CM。图2HB法设各及炉温分布示意图WWW.100BAOGAO.COM资料来源：中国调查报告网WWW.100BAOGAO.COM4．1．3液封直拉法（LEC）液封直拉法（LIQUIDENCAPSULATE-CZOCHRALSKI，LEC）该法于1962年首先由E．P．A．ME

5、TZ用于化合物半导体PBTE-晶长生。1965年由J．B．MULLIN应用于GAAS常压下的单晶生长。1970年前后，国际市场上相继出现了操作压力为100×L01325PA，工作温度为1500℃，并带有等径控制系统的标准高压单晶炉。我国于七十年代后半期也相继研制出不带等径控制系统的高压单晶炉。LEC工艺是为了抑制砷化镓在高温下的离解在常规切克劳斯基（CZ）工艺基础上增加了液封剂和保护压力而成。典型的高压LEC工艺是在一密闭的高压容器内设计好的热系统中，放置一热解氮化硼（PBN）坩埚，坩埚中装入化学计量比的元素砷、镓和液封剂B2O3，升温至砷的

6、三相点后，砷液化和镓发生反应，生成砷化镓多晶，将砷化镓多晶熔化后，将一棵籽晶与砷化镓熔体相接，通过调整温度，使砷化镓熔体按一定晶向凝固到籽晶上，实现晶体生长。LEC法单晶生长示意图见图3。图3LEC法单晶生长示意图WWW.100BAOGAO.COM资料来源：中国调查报告网WWW.100BAOGAO.COM4．1．4温度梯度凝固法（VGF）温度梯度凝固法（VGF）温度梯度凝固技术是用程序冷却而产生的温度梯度使熔体沿籽晶方向而生长GAAS单晶的方法。此法有水平与垂直之分。水平温度梯度凝固法（HGF法）与HB法同样可获得低位错（位错密度＜3000C

7、M2）和无位错（位错密度＜500CM2）GAAS单晶，但所获单晶的截面均为“D”形。为制各大直径圆形GAAS单晶，近年来发展了垂直温度梯度凝固法（VGF法），装置如图4所示。其生长工艺过程：（1）熔化多晶料；（2）开始生长时坩埚底部＜100＞方向的籽晶处于慢速降温的温度梯度中；（3）为调节化学计量比在熔体上方保持一定的AS压；（4）生长完毕时晶体慢速冷却到室温。此法所获Φ75MM单晶的位错密度平均为2500CM2。其轴向和径向位错分布较均匀。典型的电子迁移率近7000CM2／V．S。电阻率为2×10Ω·CM。电子能级EL浓度为7×L0～1．2

8、×1016CM2。此外，近年来也同时发展了垂直布里曼法（VB法）。亦可获得低位错、高纯半绝缘GAAS单晶。VB（垂直布里奇曼法）类似于VGF法。图4VGF法装置示意