本發(fā)明涉及單晶生長(zhǎng)領(lǐng)域，具體涉及一種砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
砷化鎵(GaAs)是繼Ge、Si之后的第二代半導(dǎo)體材料。用于大量生產(chǎn)GaAs晶體的方法有傳統(tǒng)的液封直拉法(LEC法)和水平舟生產(chǎn)法(HB法)。同時(shí)目前也開(kāi)發(fā)了兼具以上2種方法優(yōu)點(diǎn)的垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和蒸汽壓控制直拉法(VCG法)，并成功制備出4～6英寸大直徑的GaAs晶體。
目前成熟的VGF法GaAs單晶生長(zhǎng)技術(shù)是將GaAs多晶料裝入熱解氮化硼(PBN)坩堝中，再通過(guò)抽真空等方法將GaAs多晶料進(jìn)行密封，并通過(guò)加入B2O3做為液封劑和浸潤(rùn)劑，以形成滿足GaAs單晶生長(zhǎng)所需要的邊界條件，同時(shí)PBN坩堝還需要在高溫下進(jìn)行烘烤氧化處理，這樣就不可避免的在GaAs單晶內(nèi)部存在B元素的污染。尤其是在用于LED的半導(dǎo)體襯底中使用摻Si型GaAs單晶，由于液封劑B2O3與摻雜劑Si在長(zhǎng)時(shí)間高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)所謂的“吃硅”效應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)際在熔體中溶解的Si量減少，同時(shí)造成熔體中溶解的B元素增加。摻Si濃度越高，GaAs單晶中B元素污染就越高，雜質(zhì)B的含量甚至可達(dá)1018量級(jí)。
2009年12月24日申請(qǐng)的中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朇N200910243510.0公開(kāi)了一種砷化鎵晶體生長(zhǎng)方法，該方法采用PBN坩堝并對(duì)PBN坩堝進(jìn)行了砂紙修平、清洗、烘烤氧化等，之后裝入多晶料完成單晶生長(zhǎng)。但是由于使用的仍為PBN坩堝，仍然無(wú)法從根本上避免B元素的污染，只是將單晶中B元素的含量降低，這無(wú)疑制約了高亮度LED的發(fā)展和應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
鑒于背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種砷化鎵單晶的 生長(zhǎng)方法，本發(fā)明既沒(méi)有使用PBN坩堝，也沒(méi)有使用液封劑B2O3，因此從源頭上確保了GaAs單晶不受額外引入的B元素的污染。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法，包括步驟：(1)將石英坩堝用砂紙打磨至表面光滑無(wú)明顯臺(tái)階，之后用去離子水清洗，隨后用堿清洗，之后再用去離子水清洗，最后用熱水清洗；(2)將清洗并干燥后的石英坩堝放入裝有高純鎵的石英管內(nèi)，石英管內(nèi)的高純鎵的量為使融化后的鎵將石英坩堝完全浸泡，之后將石英管放入垂直的加熱爐體中，對(duì)石英管抽真空，待真空度穩(wěn)定到10-1Pa后，停止抽真空并向石英管內(nèi)充入惰性氣體或氮?dú)?，待石英管?nèi)壓力達(dá)到1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓后，停止充入惰性氣體或氮?dú)?，并再次抽真空，之后重?fù)上述充氣和抽真空操作，最后充入惰性氣體或氮?dú)猓?3)對(duì)石英管進(jìn)行加熱，直至石英管內(nèi)溫度達(dá)到1240℃以上并進(jìn)行保溫，之后關(guān)閉加熱爐體使其冷卻至室溫；(4)將石英坩堝從石英管內(nèi)取出，用酸浸泡，隨后用去離子水清洗，再用無(wú)水乙醇進(jìn)行脫水處理，最后放入干燥箱內(nèi)待用；(5)按裝料要求向石英坩堝依次裝入籽晶、多晶料、余砷，之后將石英坩堝放入石英安培瓶?jī)?nèi)并進(jìn)行抽真空、烘烤、封焊處理；(6)將裝有石英坩堝的石英安培瓶置于VGF單晶爐內(nèi)，按傳統(tǒng)的VGF法完成砷化鎵單晶的生長(zhǎng)。
本發(fā)明的有益效果如下：
在本發(fā)明的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，通過(guò)對(duì)石英坩堝的表面進(jìn)行處理，形成良好的邊界條件，解決了GaAs不與石英坩堝浸潤(rùn)的問(wèn)題，進(jìn)而解決了VGF法GaAs單晶生長(zhǎng)成晶率低的問(wèn)題，從而降低了生產(chǎn)成本。此外，由于本發(fā)明既沒(méi)有使用PBN坩堝，也沒(méi)有使用液封劑B2O3，因此從源頭上確保了GaAs單晶不受額外引入的B元素的污染，因此能夠滿足高亮度LED芯片的制備要求。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法以及實(shí)施例。
首先說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法，包括步驟：(1)將石英坩堝用砂紙打磨至表面光滑無(wú)明顯臺(tái)階，之后用去離子水清洗，隨后用堿 清洗，之后再用去離子水清洗，最后用熱水清洗；(2)將清洗并干燥后的石英坩堝放入裝有高純鎵的石英管內(nèi)，石英管內(nèi)的高純鎵的量為使融化后的鎵將石英坩堝完全浸泡，之后將石英管放入垂直的加熱爐體中，對(duì)石英管抽真空，待真空度穩(wěn)定到10-1Pa后，停止抽真空并向石英管內(nèi)充入惰性氣體或氮?dú)猓⒐軆?nèi)壓力達(dá)到1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓后，停止充入惰性氣體或氮?dú)?，并再次抽真空，之后重?fù)上述充氣和抽真空操作，最后充入惰性氣體或氮?dú)猓?3)對(duì)石英管進(jìn)行加熱，直至石英管內(nèi)溫度達(dá)到1240℃以上并進(jìn)行保溫，之后關(guān)閉加熱爐體使其冷卻至室溫；(4)將石英坩堝從石英管內(nèi)取出，用酸浸泡，隨后用去離子水清洗，再用無(wú)水乙醇進(jìn)行脫水處理，最后放入干燥箱內(nèi)待用；(5)按裝料要求向石英坩堝依次裝入籽晶、多晶料、余砷，之后將石英坩堝放入石英安培瓶?jī)?nèi)并進(jìn)行抽真空、烘烤、封焊處理；(6)將裝有石英坩堝的石英安培瓶置于VGF單晶爐內(nèi)，按傳統(tǒng)的VGF法完成砷化鎵單晶的生長(zhǎng)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，PBN坩堝中存在B元素，而石英坩堝不與GaAs多晶料浸潤(rùn)，沒(méi)有較好的邊界條件，使石英坩堝的內(nèi)表面容易形成新的成核中心，造成GaAs單晶生長(zhǎng)的成晶率非常低。而在本發(fā)明的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，通過(guò)對(duì)石英坩堝的表面進(jìn)行處理，形成良好的邊界條件，解決了GaAs不與石英坩堝浸潤(rùn)的問(wèn)題，進(jìn)而解決了VGF法GaAs單晶生長(zhǎng)成晶率低的問(wèn)題，從而降低了生產(chǎn)成本。此外，由于本發(fā)明既沒(méi)有使用PBN坩堝，也沒(méi)有使用液封劑B2O3，因此從源頭上確保了GaAs單晶不受額外引入的B元素的污染，因此能夠滿足高亮度LED芯片的制備要求。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(1)中，砂紙可為20～200目的金剛石砂紙。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(1)中，堿可為10～40％的NaOH溶液。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(1)中，堿清洗時(shí)間可為10～20min。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(1)中，熱水的溫度可為50℃～80℃。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(1) 中，在對(duì)石英坩堝的表面進(jìn)行處理時(shí)，堿洗以及后續(xù)熱水清洗可使石英坩堝的表面形成易于鎵反應(yīng)一致的表面狀態(tài)，使石英坩堝與砷化鎵形成浸潤(rùn)的邊界條件。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(2)中，惰性氣體可選自氬氣。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(3)中，加熱溫度可為1240～1260℃。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(3)中，保溫時(shí)間可為3～5h。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(4)中，酸可為10～40％的稀硝酸。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(4)中，酸浸泡時(shí)間可為5～10min。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(4)中，酸洗可將表面未反應(yīng)的鎵清洗干凈，防止砷化鎵單晶富鎵；乙醇脫水的目的是使石英坩堝易于干燥。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法中，在步驟(5)中，還可向石英坩堝中裝入硅片，以得到摻硅砷化鎵單晶，進(jìn)而可用于高亮度LED芯片的制備。
其次說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的摻硅砷化鎵單晶的生長(zhǎng)方法的實(shí)施例。
實(shí)施例1
(1)將4支(編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#)2英寸石英坩堝用100目金剛石砂紙打磨至表面光滑無(wú)明顯臺(tái)階，之后用去離子水清洗，隨后用10％的稀NaOH溶液清洗15min，之后再用去離子水清洗，最后用60℃的熱水清洗；
(2)將清洗并干燥后的石英坩堝放入裝有高純鎵的石英管內(nèi)，其中，石英管內(nèi)的高純鎵的量為使融化后的鎵將石英坩堝完全浸泡為準(zhǔn)，之后將石英管放入垂直的加熱爐體中，對(duì)石英管上抽真空卡具，打開(kāi)真空泵進(jìn)行抽真空，待真空度穩(wěn)定到10-1Pa后，關(guān)真空泵停止抽真空并向石英管內(nèi)充入氬氣， 待石英管內(nèi)壓力達(dá)到一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓后，關(guān)閉氣體閥門(mén)停止充入氬氣，并再次開(kāi)啟真空泵進(jìn)行抽真空，之后重復(fù)上述充氣和抽真空操作，最后充入氬氣，以確保石英管內(nèi)的氧氣已經(jīng)去除干凈；
(3)對(duì)石英管進(jìn)行加熱，直至石英管內(nèi)溫度達(dá)到1245℃并保溫3h，之后關(guān)閉加熱爐體使其冷卻至室溫；
(4)將石英坩堝從石英管內(nèi)取出，用10％的稀硝酸浸泡5min，隨后用去離子水清洗，再用無(wú)水乙醇進(jìn)行脫水處理后，最后放入干燥箱內(nèi)待用；
(5)按裝料要求向石英坩堝依次裝入砷化鎵單晶籽晶、合成的砷化鎵多晶料、硅片、余砷，之后將石英坩堝放入石英安培瓶?jī)?nèi)并進(jìn)行抽真空、烘烤、封焊等處理；
(6)裝料完成后，將裝有石英坩堝的石英安培瓶置于VGF單晶爐內(nèi)，按照設(shè)定的程序進(jìn)行加熱、VGF生長(zhǎng)、降溫等工藝進(jìn)行4管2英寸的摻硅砷化鎵單晶的生長(zhǎng)。
將生長(zhǎng)完成后的2英寸晶棒在晶棒的頭尾部取片進(jìn)行GDMS全元素分析，具體的分析數(shù)據(jù)如下：
以B元素的濃度為5ppb為例，5ppb表示1kg砷化鎵中含B為5微克。則B的摩爾數(shù)為0.000005/10.8＝0.00000046摩爾，換算成原子數(shù)為0.00000046*6.02E23＝2.8E17。而一般說(shuō)的原子數(shù)是以每立方厘米為單位，1kg砷化鎵的體積為＝1000/5.31＝188立方厘米，則每立方厘米砷化鎵中的B元素濃度為＝2.8E17/188＝1.5E15。即B元素濃度已經(jīng)達(dá)到1015量級(jí)。
從以上測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，晶棒頭部硅的濃度在1018量級(jí)，晶棒 尾部硅的濃度在1019量級(jí)，生長(zhǎng)的摻硅砷化鎵單晶中的B元素濃度不受摻硅的濃度的影響，晶體中的B元素濃度非常的低，已經(jīng)達(dá)到1015量級(jí)，其中微量的B元素可能來(lái)自砷和鎵原料以及砷化鎵多晶料中存在的微量B，從而除主摻雜Si元素外，GaAs晶體的純度可以達(dá)到6N級(jí)以上，完全可以滿足高亮度LED產(chǎn)品對(duì)GaAs襯底的要求。