[实用新型]一种硅掺杂砷化镓单晶直拉炉

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种砷化镓单晶直拉炉，特别是一种硅掺杂砷化镓单晶直拉炉，属于砷化镓单晶拉制装置技术领域。

背景技术

LEC法（Liquid-Encapsulated Czochralski法，即液封CZ提拉法）是生长半导体GaAs单晶最重要的方法之一。目前，市场上92%的半绝缘(SI)GaAs单晶是采用LEC法生长的。LEC法是在提拉法(即Czochralski法，简称CZ法)的基础上为防止组分挥发(在熔化的GaAs上面砷分压是三分之一大气压)而加了一层液封(如B₂O₃)的晶体生长方法，它具有便于观察与操作，精密控制生长条件；能快速拉制大直径单晶，可在炉内进行合成与拉晶，所得单晶的截面为圆形，与器件工艺配套；使用定向籽晶，选择不同取向的籽晶可以得到不同取向的单晶体等优点。

通常LEC法生长微波器件用的GaAs衬底，是非掺杂的半绝缘材料，光电器件用的衬底，则需要掺杂，常规的掺杂元素为(碲)Te 和(硅)Si。掺杂主要有二个目的：一是提供光电器件直接在衬底上做欧姆接触所需的高浓度, 二是通过杂质硬化起到降低位错的作用，即通过大大增加临界切应力(critically resolved shear stress)有效地减少位错。

据Pfann方程，晶体中溶质的轴向分布取决于有效分凝系数k_eff的值。硅原子在砷化镓熔体中的有效分凝系数k_eff小于1，因此随着晶体的生长，熔体中固液界面附近掺杂物硅的浓度增高，从晶体顶部到底部，掺杂物硅的浓度逐渐增大，最末端晶体中掺杂物硅的浓度最大。当凝固熔体的分额x超过某一值时，生成晶体中的掺杂物硅的浓度将超过掺杂极限(precipitation threshold)，一方面导致轴向应力不均匀，位错增加，另一方面导致晶体底部电阻系数急剧下降，不再具有半绝缘性质。因此掺杂物分凝效应的存在将严重降低砷化镓单晶的质量，影响其光、电特性。而溶质分凝是LEC法(包括CZ法)晶体生长中的一种典型现象，当有效分凝系数k_eff不等于1时，溶质分凝就会发生。

到目前为止，对分凝效应产生的晶体中掺杂不均匀还没有一个好的解决办法。在实际生长过程中通常在晶体掺杂物浓度到达一定的极限之前便中断生长，一部分生长熔体滞留在坩埚中，生长成晶体尺寸较小，从而导致熔体的成晶率和生产效率较低。

因此，寻找减少乃至消除分凝效应的不利影响的有效方法，是LEC法生长掺杂GaAs晶体要解决的关键问题。

发明内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种用于硅掺杂砷化镓单晶直拉炉，这种直拉炉能够有效的减少乃至消除LEC法生长掺杂晶体中分凝效应的不利影响，在保证熔体的成晶率和生产效率的同时，提高掺杂砷化镓单晶拉制的质量。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种硅掺杂砷化镓单晶直拉炉，包括炉体和设置于炉体内的提拉杆，所述提拉杆的下方设置有内坩埚，内坩埚下方还设置有可升降的外坩埚，所述外坩埚直径大于内坩埚直径，且内坩埚设置有穿透埚体并延伸至外坩埚的连通管道，所述连通管道将内坩埚和外坩埚连通。

进一步的，所述连通管道位于内坩埚底部位置。

进一步的，所述连通管道的内径为4mm-6mm。

进一步的，所述连通管道位于外坩埚段的长度大于2cm。

进一步的，所述连通管道位于外坩埚段的长度为5cm。

进一步的，所述提拉杆、内坩埚、外坩埚和连通管道共轴心设置。

进一步的，所述内坩埚可旋转设置于炉体内。

本实用新型的硅掺杂砷化镓单晶直拉炉，所述炉体内与传统的砷化镓单晶直拉炉不同，设置有上下两个直径不同的内坩埚和外坩埚，且内、外坩埚之间同过设置于内坩埚的连通管道连通，所述的穿透埚体是指通过连通管道将内外坩埚连通，连通管道向外坩埚底部方向延生，内坩埚装掺杂浓度为C的生长熔体，内坩埚位置固定或在可旋转，外坩埚可升降，装有和晶体具有同样掺杂浓度的补充熔体,在晶体生长拉制过程中外坩埚以一定的速度向上移动以向内坩埚连续地补充熔体，保证内坩埚熔体高度和掺杂浓度维持恒定。本实用新型的硅掺杂砷化镓单晶直拉炉能够有效的降低溶质分凝效应引起的晶体掺杂不均匀现象，保证熔体的成晶率和生产效率的同时，提高掺杂单晶拉制的质量。