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砷化镓(GaAs)材料与砷化镓单晶制备方法及原理的介绍

2017-09-27 | rar | 0.04 MB | 次下载 | 免费

资料介绍

  (二)砷化镓单晶制备方法及原理

  从20世纪50年代开始,已经开发出了多种砷化镓单晶生长方法。目前主流的工业化生长工艺包括:液封直拉法(LEC)、水平布里其曼法(HB)、垂直布里其曼法(VB)以及垂直梯度凝固法(VGF)等。

  (1)液封直拉法(Liquid Encapsulated Czochralski,简称LEC)

  LEC法是生长非掺半绝缘砷化镓单晶(SI GaAs)的主要工艺,目前市场上80%以上的半绝缘砷化镓单晶是采用LEC法生长的。LEC法采用石墨加热器和PBN坩埚,以B2O3作为液封剂,在2MPa的氩气环境下进行砷化镓晶体生长。LEC工艺的主要优点是可靠性高,容易生长较长的大直径单晶,晶体碳含量可控,晶体的半绝缘特性好。其主要缺点是:化学剂量比较难控制、热场的温度梯度大(100~150 K/cm)、晶体的位错密度高达104以上且分布不均匀。日本日立电线公司于1998年首先建立了6英寸LEC砷化镓单晶生产线,该公司安装了当时世界上最大的砷化镓单晶炉,坩埚直径400mm,投料量50公斤,生长的6英寸单晶长度达到350 mm。德国Freiberger公司于2000年报道了世界上第一颗采用LEC工艺研制的8英寸砷化镓单晶。

  (2)水平布里其曼法(Horizontal Bridgman,简称HB)

  HB法是曾经是大量生产半导体(低阻)砷化镓单晶(SC GaAs)的主要工艺,使用石英舟和石英管在常压下生长,可靠性和稳定性高。HB法的优点是可利用砷蒸汽精确控制晶体的化学剂量比,温度梯度小从而达到降低位错的目的。HB砷化镓单晶的位错密度比LEC砷化镓单晶的位错密度低一个数量级以上。主要缺点是难以生长非掺杂的半绝缘砷化镓单晶,所生长的晶体界面为D形,在加工成晶片过程中将造成较大的材料浪费。同时,由于高温下石英舟的承重力所限,难以生长大直径的晶体。目前采用HB工艺工业化大量生产的主要是2英寸和3英寸晶体,报道的HB法砷化镓最大晶体直径为4英寸。目前采用HB工艺进行砷化镓材料生产的公司已经不多,随着VB和VGF工艺的日渐成熟,HB工艺有被逐渐取代的趋势。

  (3) 垂直布里其曼法(Vertical Bridgman,简称VB)

  VB法是上世纪80年代末开始发展起来的一种晶体生长工艺,将合成好的砷化镓多晶、B2O3以及籽晶装入PBN坩埚并密封在抽真空的石英瓶中,炉体垂直放置,采用电阻丝加热,石英瓶垂直放入炉体中间。高温下将砷化镓多晶熔化后与籽晶进行熔接,然后通过机械传动机构由支撑杆带动石英瓶与坩埚向下移动,在一定的温度梯度下,单晶从籽晶端开始缓慢向上生长。VB法即可以生长低阻砷化镓单晶,也可以生长高阻半绝缘砷化镓单晶。晶体的平均EPD在5 000个/cm-2以下。

  (4)垂直梯度凝固法(Vertical Gradient Freeze,简称VGF)

  VGF工艺与VB工艺的原理和应用领域基本类似。其最大区别在于VGF法取消了晶体下降走车机构和旋转机构,由计算机精确控制热场进行缓慢降温,生长界面由熔体下端逐渐向上移动,完成晶体生长。这种工艺由于取消了机械传动机构,使晶体生长界面更加稳定,适合生长超低位错的砷化镓单晶。VB与VGF工艺的缺点是晶体生长过程中无法观察与判断晶体的生长情况,同时晶体的生长周期较长。目前国际上商用水平已经可以批量生产6英寸的VB/VGF砷化镓晶体,Freiberger公司在2002年报道了世界上第一颗采用VGF工艺研制的8英寸砷化镓单晶。

  (三)砷化镓材料的表征威廉希尔官方网站

  砷化嫁作为第二代半导体材料的代表,在高能对撞物理实验、航天科技和核放射性废料检测等辐照环境下有着重要的应用。为此,对砷化嫁材料的辐照效应及其抗辐照能力进行研究是很有意义的。但目前我国还未见有一种简单、快速且完全非破坏性的威廉希尔官方网站 来对其抗辐射能力进行评估。低频噪声在表征硅器件的辐照损伤时取得了极大的成功,而且它的威廉希尔官方网站 特点也符合对砷化嫁材料辐照损伤进行表征的威廉希尔官方网站 要求。

  (四)砷化镓材料的用途和工作原理

  (1)用途:广泛应用于高频及无线通讯中制做IC器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件,通常应用于无线通信、光纤通信、移动通信、GPS全球导航等领域。除在I C产品应用以外,砷化镓材料也可加入其它元素改变其能带结构使其产生光电效应,制成半导体发光器件,还可以制做砷化镓太阳能电池。

  (2)工作原理:砷化镓(GaAs)材料与传统的硅半导体材料相比,它具电子迁移率高、禁带宽度大、直接带隙、消耗功率低等特性,电子迁移率约为硅材料的5.7倍。砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构,导带极小值与价带极大值均处于布里渊区中心,即K=0处,这使其具有较高的电光转换效率,是制备光电器件的优良材料。

 

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