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1、第20卷第4期 半 导 体 学 报 Vol.20,No.41999年4月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSApr.,1999中国首根太空砷化镓单晶的表面形貌和某些设计考虑周伯骏 王占国(中国科学院半导体研究所 北京 100083)摘要 本文展示了我国首根太空砷化镓单晶所具有的火炬头状单晶并有8个小平面的表面形貌.在石英容器设计中考虑了既能经受大的加速度又可避免容器和砷化镓锭条因热膨胀系数不同可能引起的损坏,还介绍了熔区建立后防止熔体
2、和容器内壁接触的办法.考虑到供电仅限于90min,所设计的温控曲线非常好,使空间生长GaAs单晶获得成功.PACC:6150C,6150J1 引言从1987年8月5日发射的回地卫星上我国首根太空砷化镓单晶一次生长成功至今已[1～3]11年,虽然对单晶的生长和测量分析有多篇文章报道,但从未详述单晶表面形貌,为此本文作一介绍.另外,从开始升温算起炉子供电仅90min的苟刻条件下为何能顺利生长直径1cm,长分别为1cm和7mm的两块单晶,从而一举达到当时世界先进水平?不少学者对生长容器的设计和温控曲线的设
3、计很感兴趣,为此本文一并介绍.2 单晶外貌为在有限时间内取得最佳结果,我们采用地面生长好的〈100〉方向掺Te的GaAs单晶圆棒,使其中部在空间重熔后再结晶[1]生长出太空单晶.由于设计中考虑到为避免因表面张力造成熔体缩成一团并与管壁接触的问题,在单晶圆棒近两端处有扁圆孔,在石英容器中有插销.从生长结果可断定在开始生长图1 生长后的晶体和石英容器(部分切开)时熔体两端粗中间细,似两个相对而顶部相连的火炬头,两端晶体圆棒似火炬把.我们将生长后的石英容器部分切开,如图1照片所示.左边的火矩头状单晶称作É
4、号单晶,右边的为Ê号单晶.Ê号单晶被多晶所包围,这周伯骏 男,1939年生,研究员,从事地面、空间和超重条件下的砷化镓单晶生长和光电子器件耦合工艺1998210222收到,1998212204定稿4期 周伯骏等: 中国首根太空砷化镓单晶的表面形貌和某些设计考虑 325是由于断电使容器管壁冷却,砷就从熔体快速逸出造成熔体断裂回缩所致.Ê号单晶剖开后[1,3]的形状已报道过,故本文只介绍É号单晶形状.由于单晶表面反光而本身颜色深、各部分反差小,因而从照片难以看清某些特征.为此借助光学工
5、具将它仔细画下来.为清楚起见所画4张图皆按绕轴方向差90°,如图2(a)、(b)、(c)和(d)所示.从上述各图可看到标号1～8的8个小平面,还可看到细的斜线条.另外可看到单晶尖端部为多晶,它是由于停电时熔体断裂剩余的一小部分熔体造成的.单晶表面还有A、B两滴小溅料.在左侧圆柱状籽晶上还可看到有纵向缺损.3 生长容器石英容器全长13cm,直径117cm.籽晶锭条长10cm,直径019cm.封管前籽晶锭条两端由两个石英座套定位.容器内壁大部打毛以防与熔体沾润.两个石英座套上都有圆孔并带有石英插销.插销
6、穿过锭条上的孔,此孔沿锭条轴向略长.封好的生长容器籽晶锭条长度比两个石英座套图2É号单晶和部分籽晶的表面状况内平端面的间距短011～012mm.图3所示的是生长容器一部分的示意图,也是结构设计的关键.为了空间生长时能提供一个大气压力的砷[1]压,容器内封入了定量砷.4 温控曲线因客观原因这次生长炉子供电仅90min,选择好适当的温控曲线才能既得到单晶而且又使其尽量长.我们采用最初尽快升温到适当温度后慢升温,保证了熔区的建立而且温度没有过冲,45min后可开始生长.温控曲线如图4所示.开始生长时经地面
7、模拟为013℃ömin,以后增至016℃ömin.5 讨论在熔区无支托时,在太空失重情况才能形成两图3 空间生长容器结构的关键个相对并连接的火炬头状熔体,它的形状与晶体直径、温度分布和表面张力等因素有关.若在地面情况则完全不同:要是晶棒横放,熔体因重力原因其中部会严重下垂弯曲,熔区稍长即断;要是晶棒垂直放,熔区会上小下大,熔区稍长也会断掉.由于我们实验室后容器和空间生长单晶皆完整,故可切并实测,扣除晶棒上长条孔与插销的间隙得到熔区长度和晶棒直径比为311～312.关于这类长度比值目前世界各国学326
8、 半 导 体 学 报 20卷者众说纷纭,但根据我们的实验结果此比值如此之大可证明我们的结构设计和温控设计是极佳的.通常以〈100〉方向生长的柱状GaAs单晶表面有4条棱由{111}小平面组成,而本文生长的是略呈球形的火矩头状单晶,故而出现了8个小平面.单晶表面的线条是{111}面与单晶表面的交线.单晶表面A、B两个小滴溅料是熔体断裂时造成的.籽晶上的纵向缺损是熔图4 温控曲线图区形成前造成的,因而空间生长单晶上没有痕迹.由于火箭发射时大的加
