專利名稱：生長半絕緣砷化鎵的石英管及在砷化鎵中摻碳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能化合物半導(dǎo)體SI-GaAs單晶的VGF(垂直梯度凝固)技術(shù)。該材料主要在高速微電子領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，比如射頻電路中的功率放大器，微波單片集成電路(MMICs)等。

背景技術(shù)：
GaAs具有高的電子遷移率、直接帶隙、較寬的禁帶寬度等優(yōu)良的電學(xué)性能，在光電子和微電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作微電子超高速電路用需要半絕緣性的SI-GaAs單晶，即具有高電阻(大于107Ω·cm)。一般來說，高純的GaAs本身具有半絕緣性，但由于制備工藝復(fù)雜，成本高，工業(yè)生產(chǎn)采用補償原理來實現(xiàn)高阻。
隨著GaAs單晶生長工藝的不斷發(fā)展，材料中的補償機理在不斷變化。在PBN坩堝取代石英坩堝后，硅沾污大量減少，因此，已可以非特意摻雜即獲得穩(wěn)定的半絕緣性能。一般研究認(rèn)為非摻雜SI-GaAs晶體的半絕緣特性是由于晶體中的深能級陷阱EL2能級和淺受主雜質(zhì)C的補償平衡而造成。
根據(jù)Martin的三能級模型， ρ是電阻率，[EL2]是EL2缺陷濃度，[C]是C濃度，[SD]是淺施主濃度。由式(1)可以看出，單晶電阻率取決于材料的補償度[EL2]/([C]-[SD])。EL2為GaAs中的一種生能級陷阱，與點缺陷AsGa(砷占鎵位)有關(guān)，其濃度主要通過控制GaAs多晶組分及生長條件來控制，在工藝中，其均勻性相對比較容易控制，一般其濃度在1016cm-3。其次，現(xiàn)在常規(guī)的多晶料純度至少有6N，，所以淺施主的濃度控制也相對容易，可使其濃度低于1015cm-3。因此，控制C濃度成為獲得半絕緣GaAs單晶的重要因素，也是其技術(shù)難點，要想獲得高阻，C濃度一般要在1-3×1015cm-3左右。
現(xiàn)在常用的方法是向GaAs多晶預(yù)先摻C。如果按照每爐2寸GaAs，需要多晶料大約為2Kg，理論C需求量為0.05mg，現(xiàn)在生產(chǎn)中使用的方法是通過高精度的天平稱量來實現(xiàn)定量，極其不易操作。其次，C在GaAs中的分凝系數(shù)大于1，傾向于在固態(tài)晶體中存在，因此在晶體中C沿軸向為指數(shù)分布分布不均，尾部C濃度低，補償度不足，載流子濃度急劇增加，易于出現(xiàn)低阻。
氣氛摻雜是一種控制C濃度的方式。但在目前采用的石英管-PBN系統(tǒng)地垂直梯度凝固工藝下，很難實現(xiàn)氣氛摻雜。一是，整個生長系統(tǒng)中沒有與℃接觸，其次是當(dāng)前使用的石英管的主要是為晶體生長提供一個高真空環(huán)境而設(shè)計的，石英管結(jié)構(gòu)無法滿足氣氛摻雜的要求。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決稱量和控制微量C的難題，同時，使晶體中的C濃度分布均勻，提高整體電學(xué)性能。本發(fā)明的基本原理是通過控制氣氛中的濃度來控制摻C量，從而來實現(xiàn)GaAs的半絕緣性。
本發(fā)明一種生長半絕緣砷化鎵的石英管，包括一石英體以及與之蓋合的石英帽，其特征在于，其中所述石英帽的內(nèi)側(cè)頂部固定有一石英槽，蓋石英槽的高度小于石英帽的深度。
其中所述的石英槽為圓筒形或方筒形或夾子形。
本發(fā)明一種使用如權(quán)利要求1所述的生長半絕緣砷化鎵的石英管在砷化鎵中摻碳的方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1將7N Ga和7N As進(jìn)行多晶合成，形成GaAs多晶； 步驟2將合成好的GaAs多晶、籽晶和B2O3放入PBN坩堝； 步驟3將PBN坩堝放入石英管的石英體中； 步驟4將純石墨固定在石英管的石英帽上的石英槽內(nèi)； 步驟5將石英體和石英帽蓋合，抽真空，用氫氧焰焊接石英管的石英體和石英帽； 步驟6將焊接后的石英管放入VGF單晶爐，進(jìn)行氣氛摻雜，單晶生長； 步驟7將晶體生長后的PBN坩堝放入甲醇內(nèi)浸泡，得到GaAs單晶，完成GaAs單晶的制備。
其中所述的單晶生長，其生長溫度為1220℃-1245℃。
其中所述的單晶生長，其生長的時間為110小時-130小時。
其中所述的甲醇浸泡，其是在超聲波氛圍內(nèi)進(jìn)行。
其中所述的甲醇浸泡的時間為8小時-12小時，浸泡的溫度為常溫。
其中所述B2O3用量為15克。



為進(jìn)一步揭示本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中 圖1適合作氣氛摻雜的石英管結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1為石英體，2為石英帽，3為石英槽。

具體實施例方式 本發(fā)明的目的在于為石英管-PBN系統(tǒng)垂直梯度凝固技術(shù)生長半絕緣砷化鎵提供一種氣氛摻C方法，其優(yōu)點在于能使C濃度控制更容易，材料電學(xué)均勻性更好。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種新的石英管結(jié)構(gòu)，請參閱圖1所示，包括一石英體1以及與之蓋合的石英帽2，其中所述石英帽2的內(nèi)側(cè)頂部固定有一石英槽3；其特征在于 蓋石英槽3的高度小于石英帽2的深度；這樣可以避免在焊接石英管石將石墨氧化；可以通過石英槽3的深度來定量石墨在石英管中的位置，通過加核實的溫場來實現(xiàn)加熱溫度。
其中所述的石英槽3為圓筒形或方筒形或夾子形；石英槽3的作用是固定石墨，保證石英槽3和石墨之間有足夠的摩擦力，不讓石墨落入砷化鎵多晶；這種石英帽2的結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)模具來實現(xiàn)。
本發(fā)明一種使用如圖1所示的石英管的在砷化鎵中摻碳的方法，包括如下步驟 步驟1將7N Ga和7N As進(jìn)行多晶合成，形成GaAs多晶；化合物半導(dǎo)體在材料純度上不及元素半導(dǎo)體硅、鍺等，采用較高純度的鎵和砷可以避免雜質(zhì)元素對電學(xué)性能的影響，同時杜絕原材料中的C； 步驟2將合成好的GaAs多晶、籽晶和B2O3放入PBN坩堝；籽晶的作用是引導(dǎo)晶體生長，使生長出的晶體具有確定的晶向；B2O3是非常非常重要的液封劑，能夠阻止熔體與坩堝的直接接觸，提高成晶率；同時可以吸雜和防止砷揮發(fā)。B2O3的含水量既要保證B2O3與PBN坩堝具有一定的浸潤性，又不能太高，以免產(chǎn)生氣泡，使晶體表面有麻坑； 步驟3將PBN坩堝放入石英管的石英體2中；石英管的主要作用是作用是提供高真空的生長環(huán)境，其基本結(jié)構(gòu)是石英體1和石英帽2； 步驟4將純石墨固定在石英管的石英帽2上的石英槽3內(nèi)；實現(xiàn)氣氛摻雜，必須有C源，在石英帽上添加一個石英槽就可以外加C源，從而實現(xiàn)氣氛摻雜，氣氛摻雜的好處是可以有更好的自由度去控制C濃度在晶體內(nèi)的分布，從而使材料的整體性能更均勻； 步驟5將石英體1和石英帽2蓋合，抽真空，用氫氧焰焊接石英管的石英體1和石英帽2；晶體生長必須在無氧及其它雜質(zhì)的氣不過況下生長，一來是氧會使砷氧化，生成三氧化二砷，二是會將雜質(zhì)帶入材料內(nèi)，改變材料性質(zhì)； 步驟6將焊接后的石英管放入VGF單晶爐，進(jìn)行氣氛摻雜，單晶生長，其生長溫度為1220℃-1245℃，其生長的時間為110小時-130小時；在垂直梯度凝固技術(shù)中，晶體生長是通過溫度梯度來驅(qū)動的，一般通過設(shè)計合適的溫場來達(dá)到； 氣氛摻雜的方式如下 C摻入GaAs的途徑是

GaAs中的游離Ga與氣氛中的CO和CO2發(fā)生上述化學(xué)反應(yīng)，將C引入GaAs，維持CO和CO2相等的壓力，即可使摻入的C沿軸向均勻，維持CO和CO2等壓的途徑為其生成與析出的均衡。
CO和CO2的生成途徑為


O2和H2O來源于石墨，通過調(diào)整合適的含量來控制其生成速率。
C的析出途徑

晶體中的C會和B2O3及其中的H2O反應(yīng)，將C析出，降低C含量；同時會增加氣氛中的CO濃度。
步驟7將晶體生長后的PBN坩堝放入甲醇內(nèi)浸泡，所述的甲醇浸泡是在超聲波氛圍內(nèi)進(jìn)行，甲醇浸泡的時間為8小時-12小時，浸泡的溫度為常溫，得到GaAs單晶，完成GaAs單晶的制備。
PBN坩堝非常昂貴，且較脆，易裂，一般需要回收反復(fù)利用已降低生產(chǎn)成本。一般在室溫下，生長出的晶體與坩堝壁結(jié)合的很緊密，當(dāng)取出晶體時容易造成坩堝損壞。采用化學(xué)方法，可以通過甲醇與B2O3的化學(xué)反應(yīng)來溶解B2O3，取出晶體。
本發(fā)明所揭示的，乃較佳實施例的一種，凡是局部的變更或修飾而源于本發(fā)明的技術(shù)思想而為熟習(xí)該項技術(shù)的人所易于推知的，俱不脫本發(fā)明的權(quán)利要求范疇。
權(quán)利要求
1、一種生長半絕緣砷化鎵的石英管，包括一石英體以及與之蓋合的石英帽，其特征在于，其中所述石英帽的內(nèi)側(cè)頂部固定有一石英槽，蓋石英槽的高度小于石英帽的深度。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長半絕緣砷化鎵的石英管，其特征在于，其中所述的石英槽為圓筒形或方筒形或夾子形。
3、一種使用如權(quán)利要求1所述的生長半絕緣砷化鎵的石英管在砷化鎵中摻碳的方法，其特征在于，包括如下步驟
步驟1將7N Ga和7N As進(jìn)行多晶合成，形成GaAs多晶；
步驟2將合成好的GaAs多晶、籽晶和B2O3放入PBN坩堝；
步驟3將PBN坩堝放入石英管的石英體中；
步驟4將純石墨固定在石英管的石英帽上的石英槽內(nèi)；
步驟5將石英體和石英帽蓋合，抽真空，用氫氧焰焊接石英管的石英體和石英帽；
步驟6將焊接后的石英管放入VGF單晶爐，進(jìn)行氣氛摻雜，單晶生長；
步驟7將晶體生長后的PBN坩堝放入甲醇內(nèi)浸泡，得到GaAs單晶，完成GaAs單晶的制備。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的在砷化鎵中摻碳的方法，其特征在于，其中所述的單晶生長，其生長溫度為1220℃-1245℃。
5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的在砷化鎵中摻碳的方法，其特征在于，其中所述的單晶生長，其生長的時間為110小時-130小時。
6、根據(jù)權(quán)利要求3所述的在砷化鎵中摻碳的方法，其特征在于，其中所述的甲醇浸泡，其是在超聲波氛圍內(nèi)進(jìn)行。
7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的在砷化鎵中摻碳的方法，其特征在于，其中所述的甲醇浸泡的時間為8小時-12小時，浸泡的溫度為常溫。
8、根據(jù)權(quán)利要求3所述的在砷化鎵中摻碳的方法，其特征在于，其中所述B2O3用量為15克。
全文摘要
一種使用生長半絕緣砷化鎵的石英管在砷化鎵中摻碳的方法，包括如下步驟步驟1將7N Ga和7N As進(jìn)行多晶合成，形成GaAs多晶；步驟2將合成好的GaAs多晶、籽晶和B2O3放入PBN坩堝；步驟3將PBN坩堝放入石英管的石英體中；步驟4將純石墨固定在石英管的石英帽上的石英槽內(nèi)；步驟5將石英體和石英帽蓋合，抽真空，用氫氧焰焊接石英管的石英體和石英帽；步驟6將焊接后的石英管放入VGF單晶爐，進(jìn)行氣氛摻雜，單晶生長；步驟7將晶體生長后的PBN坩堝放入甲醇內(nèi)浸泡，得到GaAs單晶，完成GaAs單晶的制備。
文檔編號C30B29/10GK101603208SQ20081011479
公開日2009年12月16日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
發(fā)明者榮 占, 峰 惠, 趙有文 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所