半导体材料论文

砷化镓单晶的制备及应用

摘要

随着全球科技的快速发展，当今世界已经进入了信息时代。作为信息领域的命脉，光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。砷化镓作为第二代III-V族化合物半导体材料，现在虽然还没有硅材料应用的普及，但它凭借着工作速度和频率上的优势也在迅速地扩大着它的使用领域。为了能让大家更好地了解砷化镓这个具有无限潜力和广阔前景的半导体单晶，我决定对砷化镓的制备工艺过程及其应用做一些介绍。

Summary

As the global technologe developes fast,the world has entered the information age.To be the lifeblood of the field of information,optoelectronics and microelectronics technology undoubtedly become the focus of scientific and technological development.As the second generation of III-V compound semiconductor,Though GaAs is not as universal as Si,with the superiority of its work speed and frequency,it is expanding its field of use fast.In order to let you know GaAs better,I decide to introduce something about GaAs's preparation process and application

关键词：制备密封熔体直拉法热传递缺陷性能发展动态应用领域一、砷化镓的制备过程

随着对砷化镓使用的愈加广泛，人类对砷化镓的制备工艺也在进行着不断地研究和完善，到目前为止已经有多种砷化镓的制备工艺技术，其中最主要的要属水平布里奇曼法和液态密封法。下面我将对液态密封法制备砷化镓工艺全过程做一些介绍。

液态密封法也称LEP法或LEC法，它是目前拉制大直径III-V族化合物晶体的最重要的方法。它的大概过程是再高压炉内，将欲拉制的化合物材料盛于石英坩埚中，上面覆盖一层透明而黏滞的惰性熔体，将整个化合物熔体密封起来，然后再在惰性熔体上充以一定压力的惰性气体，用此法来抑制化合物材料的离解。

LEC法制备砷化镓单晶的工艺流程如下:

1.装料：一石英杯装Ga，一石英安瓶装As，石英坩埚中装B2O3。

2.抽真空下，B2O3加热脱水（900-1000度），Ga杯，As瓶烘烤除去氧化膜。

3.降温至600-700度，将Ga倒入坩埚内沉没在B2O3下，充Ar气。

4.As安瓶下端的毛细管尖插入Ga夜中，升温至合成温度，As受热气化溶入Ga内生长GaAs。

5.拔出安瓶管，并按Si直拉法拉晶程序，引晶-缩颈-放肩-等径生长-收尾拉光等步骤拉制GaAs单晶。

下面对整个制备工艺过程的几个方面加以详细介绍：

（一）、密封化合物熔体的惰性熔体应具备以下条件：1.密度比化合物材料小，熔化后能浮在化合物熔体上面。2.透明，便于观察晶体生长的情况。3.不与化合物级及石英坩埚反应，而且在化合物及其组分中溶解度小。4.易提纯，蒸汽压低，易熔化，易去掉。

（二）、直拉法拉制单晶

直拉法简称CZ法，它是生长半导体单晶的主要方法。该法是在直拉单晶炉内，向盛有熔融的半导体材料坩埚中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并

缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。其具体工艺流程为当熔体温度稳

定在稍高于熔点，将籽晶放在上面烘烤几分钟后将籽晶与熔体熔接，这一步叫做润景

或下种；为了消除位错要将籽晶拉细一段叫缩颈；之后要把晶体放粗到要求的直径叫

放肩；有了正常粗细后就保持此直径生长，最后将熔体全部拉光。在晶体生长过程中，为了保持单晶等径生长，控制的参数主要是拉制和加热功率。提高拉速，加热功率则

晶体变细；反之降低拉速和加热功率则使晶体加粗。

（三）、制备过程中的热传递

在制备砷化镓单晶的熔体中同时存在两种类型的液流，一种是在重力场中由于温差照

成的自然对流，另一种是由于晶体和坩埚旋转造成的强迫对流。它们对熔体中热分布，固-夜界面形状，杂质分布的均与性等都有很大的影响。

自然对流是在重力场中，以流体密度的差异产生的浮力为驱动力，浮力克服了黏滞力

而形成的对流。自然对流受容器的形状，重力场方向以及热源的位置等因素的影响。

自然对流会产生湍流和温度振荡，这种振荡直接影响杂质在生长界面上的微分凝，在

晶体中产生细微的杂质条纹，影响杂质分布的均匀性。为了消除自然对流温度振荡的

不良影响，我们可以采用以下方法：1.减小纵向温度梯度。2.正确选择容器的纵横比，可以在熔体中加入一钢板，以减小h/d比。3.用强迫对流和加磁场来控制自然对流。4.在失重状态下生长单晶。

强迫对流是人为地为了加快热量和溶质的输运，改善均匀性，常常对熔体进行搅拌，

在直拉单晶中是通过晶体和坩埚旋转来完成的。其中晶体旋转引起的强迫对流，晶体

旋转产生离心力。迫使液流离开中心向外流，坩埚底部流体沿晶体旋转中心形成中心

留旋转而上。坩埚旋转引起的强迫对流，液流与热对流相似，只是液流呈螺旋状，并

有被停滞层分开的内外分层现象。

（四）、砷化镓单晶的缺陷控制

在制备砷化镓晶体时，很难得到化学比为1:1的化合物，单晶中往往会产生某些缺陷

而影响器件的功能，因此在制备过程中我们需要对单晶的缺陷进行控制。砷化镓晶体

中的位错对器件有明显的影响。它能引起器件电击穿，使发光器件发光不均匀，寿命短。但它也能与点缺陷作用，减少缺陷-杂质络合物的形成。砷化镓晶体中引入位错的原因可分为应力引入位错和生长时引入位错。为了控制这些位错，目前我们可以通过

选择合适的籽晶，防止粘舟，调整单晶炉热场，稳定生长条件，以及采取缩颈等措施，这样可以生长出无位错或低位错的砷化镓单晶。砷化镓中的微沉淀对器件的性能有很

大的影响，往往会影响器件的发光效率和寿命，为了解决这一问题，我们可以用掺硅

的砷化镓作为衬底，它产生的沉淀较少。再者，对砷化镓单晶进行热处理，可以消除

或降低深能级电子陷阱。我们有两种砷化镓单晶热处理方法，一种是长单晶后不打开

石英管，在原气氛下降温退火。另一种是取出单晶，在流动的氢气下热处理，温度为700-850度，时间12h，热处理后，一般都能使其电阻率下降，迁移率升高，电阻率

温度系数变正。

二、砷化镓的特性及性能

砷化镓是III-V族化合物半导体，它大多以共价键结合，也有一定的离子键成分，为深灰色的立方晶体，立方晶系闪锌矿结构。导带为双能谷结构，为直接带隙半导体，禁

带宽度比元素半导体锗及硅大。制成的器件有较好的耐高温特性及频率特性，发光性

能好及电子转换率高。是制备高频、高温、高辐射、低噪声器件的材料，也是制备近

红外发光、激光器件和光电阴极的材料，利用其双能谷结构可制作耿氏器件。

三、砷化镓的近期发展动态

在上个世纪90年代，砷化镓半导体微电子学就已经达到了成熟规模化水平，可以将其引入到市场进行规模化生产。为了更好地迎合市场，较低的生产成本是器件发展的主

要驱动力，现在LEC法生长的砷化镓晶体约占市场的50%，但由于外延工艺优选低位错密度的GaAs,预期LEC砷化镓的市场份额将进一步减少。近几年砷化镓单晶的生产

技术正在快速发展，各项技术正逐渐趋于完善，应用领域也在不断地增大，具有很好

的发展前景。

四、砷化镓的应用领域