[发明专利]一种PBN坩埚及利用其进行砷化镓晶体生长的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种PBN坩埚及利用其进行砷化镓（GaAs）晶体生长的方法，属于晶体生长领域。

背景技术

GaAs晶体是一种重要的化合物半导体材料，是第二代半导体的典型代表，其地位仅次于Si单晶。与Si相比，GaAs的带隙较大、电子迁移率和饱和速度高，因此用GaAs制成的电子器件比相应Si器件的工作速度快、工作频率高且具有更宽的工作温度范围。这使得GaAs取代Si成为了制作现代超高速电子器件和电路的最重要半导体材料。近几年来，GaAs材料及其相关产业发展迅速，其应用领域相当广泛，如可用于制作无线通讯、光纤通讯、汽车电子等微波器件，可用于制成发光二极管、激光器和其他一些光电子器件。GaAs材料及相关产业在2010年的产值已超过了200亿美元，未来几年仍将保持强劲的增长势头，前景十分诱人。 

为获得GaAs晶体，科学家经过半个多世纪的努力，至今已开发出多种生长GaAs晶体的方法。比较成功的工业化生长技术主要有液封直拉法(LEC) 、水平布里支曼法(HB)、垂直梯度凝固法/垂直布里支曼法(VGF/VB)和蒸气压控制直拉法(VCZ)。其中VGF/VB法因其独特的优势而成为当今GaAs晶体生长的主流技术，目前已广泛被国内外生产厂家和研究机构所采用。VGF/VB法的优点主要表现在所使用的设备温度梯度很小，一般可控制在2-15℃/cm，因而生长的晶体往往内部热应力小、位错密度低。此外，VGF/VB法所长的晶体呈圆柱状，这极大的降低了晶体在加工过程中的损耗量。还有，VGF/VB法设备成本的低廉更是加强了该技术在市场中的竞争力。VGF/VB法具有诸多优势，然而，需要注意的是，该方法在生长GaAs晶体的过程中，容易出现多晶或孪晶，这在很大程度上降低了工业化生产的产品合格率。其中造成GaAs晶体易出现多晶或孪晶的重要因素之一是因为现有的氮化硼（PBN）坩埚具有放肩部位，其结构示意图如图1所示，图中1为现有的放肩PBN坩埚的坩埚体、2为放置B₂O₃部位、3为GaAs熔体部位，4为PBN坩埚放肩部分、5为放置GaAs籽晶部位。由于晶体在放肩部位结晶生长时，PBN坩埚壁附近的热应力及GaAs晶体本身的极性特征很容易引起晶体小面的快速生长而最终使GaAs晶体成为多晶或孪晶，影响了晶体的完整性，最终成品率仅为50-75%。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服VGF/VB法中易出现的多晶或孪晶现象，发明一种等直径坩埚生长GaAs晶体的方法，以提高晶体的成品率。

本发明的技术原理

本发明的一种等直径坩埚生长砷化镓晶体的方法，采用直筒状坩埚，籽晶安装于坩埚底部，在晶体生长过程中，熔体在与坩埚直径相同的籽晶基础上析晶，省去了放肩过程，因而在晶体生长过程中消除了由于坩埚放肩引起的热应力及砷化镓小面的快速发育，大大降低了晶体中出现多晶或孪晶的几率。

本发明的技术方案

一种PBN坩埚，为等直径圆筒状，坩埚一端封口，另一端开口，封口的一端为籽晶槽部位所处位置，其结构示意图如图2所示，图中6为等直径PBN坩埚的坩埚体、7为放置B₂O₃部位、8为GaAs熔体部位、9为放置GaAs籽晶部位即籽晶槽。

所述的PBN坩埚的直径大小50-150mm，高度为200-300 mm，所述的籽晶槽的体积占坩埚总体积的1：100～150。

利用上述的一种PBN坩埚进行砷化镓晶体生长的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）、晶体生长

将籽晶放置于PBN坩埚的籽晶槽内，将砷化镓多晶原料装入PBN坩埚，并衬以100-150g无水B₂O₃，目的是控制砷挥发并便于晶体脱模，将PBN坩埚置入石英坩埚内，用氢氧火焰将其烧结密封，然后将石英坩埚置于VGF/VB炉中，使籽晶顶部与炉内热电偶处于同一水平高度，以便于控制接种，将炉温升到1270-1290℃范围内，待籽晶顶端熔化接种完成后，控制晶体的生长速率为0.5-5mm/h，优选为1-4 mm/h开始生长，直到熔体全部结晶；

所述籽晶取向为<010>、<100>、<001>、<111>、<511>及其他任意方向，籽晶长度为20-40mm；

（2）、退火处理