第 二代半导体晶体-砷化镓晶体精品参考资料.doc

第二代半导体晶体——磷化镓单晶 砷化钾单晶是目前技术最成熟、应用最广泛的最主要的半导体材料之一。广泛用于光电子和微电子领域。在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体晶体中，砷化镓的电子迁移率比硅大4～5倍，用其制作集成电路时，工作速率比硅更快，且禁带宽度也较宽，因此它的热稳定性和耐辐射性也较好。砷化镓是直接跃迁型能带结构，它的发光效率较高，并可用来制作激光器。 1.生长方法 1.2 直拉法 (1)生长装置 直拉法生长装置如图11-2所示。 (a)磁拉法装置 (b)镓封法示意 图11-2 晶体直拉法生长装置示意 1-石墨坩埚；2，9-射频线圈；3，8-辅助熔炉；4-磁铁；5-高居里点合金； 6-封闭的Si02容器；7-用于密封的液态镓 (2)生长过程与条件 在GaAs晶体生长的过程中，应始终保持一定的蒸汽压力。 坩埚中放人合成的GaAs多晶锭料，在低温端放砷，并保持610℃，在容器中保持压力为9.1×l04 Pa的砷蒸气。磁拉法的磁铁也是处在610℃的温度下，因此在反应器内的磁性材料必须是高居里点温度的合金，用纯铁也可以。外部磁铁可用电磁铁或固定磁铁。 镓封法是因为温度在610℃时镓中溶入的As量很少，也不会结晶并且镓液的蒸气压也 很低可以用来拉制GaAs单晶。 1.2.1.2液体覆盖直拉法(LEC) 用LEC法拉制GaAs单晶，可以像Si 一样将GaAs多晶料放在坩埚中，上面放一定量经脱水的B203，加热后拉制GaAs单晶，炉内气氛为Ar或N2，气压为(1.5～2)×105Pa。这种方法所用的多晶料仍需在石英管内合成。为了降低单晶的成本可用原位合成，即在单品炉内合成GaAs并拉制单晶。原位合成还可分为两种：一种称为注入法；另一种为高压原位合成法。注入法是将除去氧化膜的Ga和脱去水分的B203装于坩埚，单晶炉内充入N2或Ar，使其气压为(1.5～2)×105Pa再加热到1237℃，将细颈的装As的石英管插入Ga液中，使As管和Ga管连通，加热As管（也可利用单晶炉的辐照热），使As蒸气通入Ga合成GaAs熔体，合成过程要保持气压和温度稳定，防止熔体吸人As管，使其结晶并堵塞As蒸气出口引起As管爆炸。待As全部溶人Ga液完成GaAs的合成，即可拉制单晶。 1.2.1.3 GaAs液相外延生长(LPE-GaAs)法 LPE-GaAs生长是基于Ga-As体系的相图，在一定温度下已经饱和的溶液随着温度下降产生过饱和结晶。在饱和溶液中放人GaAs单晶片作为衬底，当达到过饱和结晶时以单晶的方式沉积在GaAs衬底上，这种晶体生长的方式称为液相外延。这里的溶液是Ga，溶质是As，为了控制导电类型和载流子浓度也可掺入一定量的杂质。液相外延生长的温度低，可以获得纯度较高、缺陷较少的GaAs。用液相外延生长的薄膜广泛地用于光电子器件上，这是由于无辐照复合较少，兆量子效率也较高。这种方法是目前制作红外发光管、p-n结注入式的半导体激光器以及大面积GaAs太阳能电池等光电器件的主要手段。 1.2.1.4 GaAs晶体气相外延生长(VPE-GaAs)法 (1)生长装置 GaAs晶体气相外延生长法生长装置如图11-3所示。 图11-3 GaAs晶体气相外延生长装置示意 1-流量计；2-反应管；3-衬底；4-镓舟；5，6-加热炉；7-恒温器 (2)生长过程 Ga在H2气氛下脱氧(870℃)，将温度控制在850℃，通人AsCl3，使Ga源饱和，也可采用在Ga液中放入GaAs。在不通AsCl3的情况下，将GaAs衬底移到高温区，当温度达到800℃时处理10～15min，随后将衬底温度降至750℃，进行气相外延生长。在Ga-AsCI3 -H2系中，除了生长GaAs的反应以外还与石英器皿反应引起硅沾污。载气换成N2或Ar，可避免生成HC1，可以避免硅沾污，提高GaAs外延层的纯度。 (3)生长条件 典型生长条件：Ga源温度为816℃，衬底温度为640～760℃，沉积区温度梯度为8.5℃/cm，通过鼓泡瓶的N2或Ar为70～120mL/min，衬底取向(100)偏(110)6°。利用Ga-AsCl3 -N2或Ga-AsCl3 -Ar系已生长出电学参数n77≈1013～1014 cm-3、μ77=(1.7×2.2)×105 cm-3／(V．s)的高质量的气相外延GaAs层。 (4)特点 VPE-GaAs生长的温度较低，沾污较少，可以进行掺杂并能获得完整性均匀性好的GaAs薄膜。载气可以用纯H2、纯N2或纯Ar，携带一定量的AsCI3蒸气进入系统，镓源区和沉积区分别用两个炉子控制温