[发明专利]半导体晶体的生长装置及方法

说明书

本发明涉及一种半导体晶体的生长装置，该装置包括一炉体，炉体包括一支撑平台、垂直固定于支撑平台上的一支撑杆、一加热室，加热室形成封闭的一圆柱形空腔，支撑杆上开设一架设孔，该装置还包括位于空腔内的一环形加热器、一石英管、一籽晶、一碳帽、一第一PBN坩埚、一第二PBN坩埚以及一石英帽，石英管架设于支撑杆上；石英管包括一石英嘴以及沿石英嘴向上延伸的一石英筒，石英筒包括第一段、第二段以及连接第一段和第二段的过渡段，第一段、第二段呈直筒状且第一段和第二段的中心轴线为同一竖直线，过渡段为弧形状，第二段的直筒半径大于第一段的直筒半径。

技术领域

本发明涉及一种半导体材料制备领域，尤其涉及一种半导体晶体的生长装置及方法。

背景技术

GaAs具有高的电子迁移率、直接带隙、较宽的禁带宽度等优良的电学性能，在光电子和微电子领域得到了广泛的应用。微电子超高速电路需要高电阻（大于107 Ω·cm）的半绝缘GaAs单晶。一般来说，高纯的GaAs本身具有半绝缘性，但由于制备工艺复杂、成本高，工业生产根据补偿机理来制备高电阻的半绝缘GaAs单晶。

液封直拉法（LEC）生长的半绝缘砷化镓（Si-GaAs）单晶被广泛用于微波器件和高频集成电路的衬底材料。随着器件和电路向更大功率、更大集成度方向发展，对材料衬底的均匀性、微区均匀性提出了更高的要求。而非掺LEC法生长的Si-GaAs单晶中的高密度位错，往往形成胞状结构；其他杂质和点缺陷的形成与分布与该结构密切相关，并导致GaAs材料电学和光学特性的不均匀。

而随着GaAs单晶生长工艺的不断发展，所采用的补偿机理在不断变化。在PBN坩埚坩埚取代石英坩埚后，硅沾污大量减少，因此，非掺杂即可获得稳定的半绝缘GaAs单晶。一般研究认为非掺杂半绝缘GaAs单晶的半绝缘特性是由于晶体中的深能级陷阱EL2能级和浅受主杂质C的补偿平衡而造成。因此，控制C浓度成为获得半绝缘GaAs单晶的重要因素，也是其技术难点，要想获得高电阻半绝缘GaAs单晶，C浓度一般要在1-3×10¹⁵cm^-3左右。

如果按照每炉2寸GaAs计算，需要多晶料大约为2Kg，理论C需求量为0.05mg，现在生产中使用的方法是通过高精度的天平称量来实现定量，操作极其不易。而且，C在GaAs中的分凝系数大于1，C倾向于在固态晶体中存在，因此在晶体中C沿轴向分布不均，尾部C浓度低，补偿度不足，载流子浓度急剧增加，易于出现低电阻。

现在常用的VGF法是向GaAs多晶料预先掺C，采用如图1所示的半导体晶体生长装置100，该装置100包括一炉体110，炉体110包括一支撑平台111、垂直固定于支撑平台111上的一支撑杆112、一加热室113，加热室113形成封闭的一圆柱形空腔114，支撑杆112上开设一架设孔112a，该装置100还包括位于空腔114内的一环形加热器120、一石英管130、一籽晶140、一碳帽150、一第一PBN坩埚 160、一第二PBN坩埚 170、一石英圈180以及一石英帽190，石英管130架设于支撑杆112上。加热器120采用多区加热器。

石英管130包括一石英嘴131以及沿石英嘴131向上延伸的一石英筒132，所述石英嘴131插入架设孔112a内，所述石英嘴131下端连接籽晶140，籽晶140悬空位于架设孔112a内，第一PBN坩埚 160、石英圈180、第二PBN坩埚 170、石英帽190均位于石英管130内且第一PBN坩埚 160、石英圈180、第二PBN坩埚 170、石英帽190自下而上依次连接，石英圈180焊接于第一PBN坩埚 160上端且对第二PBN坩埚 170形成支撑，石英帽190焊接于第二PBN坩埚上端。

石英圈180上开设一透过孔181，第二PBN坩埚 170的下端向下贯穿透过孔181使得第一PBN坩埚 160与第二PBN坩埚 170连通。

碳帽150垫设于石英嘴131和架设孔112a之间，碳帽150作为C掺杂的碳源。

第一PBN坩埚 160内盛放有氧化硼固体161。