專利名稱：一種制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備光導(dǎo)開關(guān)用Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法。具體地，本發(fā)明涉及一種制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，通過生長Si、Cu雙摻單晶結(jié)合晶片退火，來達(dá)到N型高阻GaAs單晶材料的要求。

背景技術(shù)：
光通信技術(shù)、快速信息處理技術(shù)及微波技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了高速電子器件、光電子器件及高速集成電路的廣泛應(yīng)用。作為其中重要的器件，在高功率通信系統(tǒng)、脈沖功率系統(tǒng)、雷達(dá)等方面有著廣泛應(yīng)用的光控半導(dǎo)體開關(guān)得到了高度重視。
考慮到開關(guān)速度的高速要求，砷化鎵比硅更適合作為半導(dǎo)體開關(guān)材料，因?yàn)镚aAs材料具有比硅材料復(fù)合系數(shù)大、載流子壽命短、禁帶寬度寬等優(yōu)點(diǎn)。
摻硅補(bǔ)償銅砷化鎵單晶材料可得到較理想的開關(guān)特性，他能夠在1μs或更短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確閉合或斷開，而且在閉合態(tài)不需補(bǔ)充光能即可保持光導(dǎo)率在一定值。
光導(dǎo)開關(guān)在軍事領(lǐng)域有著非常重要的用途，對(duì)于制備光導(dǎo)開關(guān)用的材料國外對(duì)中國是禁運(yùn)的，所以自主研發(fā)此種材料意義很大。
目前，據(jù)報(bào)道國外主要采用通過Cu在摻Si GaAs單晶片中的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，但是由于Cu在GaAs中屬于快擴(kuò)散雜質(zhì)，擴(kuò)散行為較復(fù)雜，且擴(kuò)散中Cu量不易控制，致使工藝穩(wěn)定性較差，難度較大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高設(shè)備利用率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、降低生產(chǎn)成本和工藝難度，而且易于大規(guī)模生產(chǎn)的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是包括下列步驟 (1)、選擇高純多晶，多晶的遷移率在4500cm2/v.s以上，濃度小于等于3.5×1015cm-3，以保證高阻單晶材料的遷移率和背景純度； (2)計(jì)算摻Si、摻Cu的重量，按單晶備料的程序?qū)⒘蟼浜茫? (3)單晶生長，以保證然Si、Cu在單晶各部位的合理分布； (4)晶片退火。
優(yōu)選地，所述高純度多晶的遷移率在5000cm2/v.s以上，濃度小于等于3×1015cm-3。
優(yōu)選地，所述高純度多晶是在HGF九段加熱爐中制造的。
根據(jù)小熔區(qū)濃度分布公式Cs＝C0[1-(1-K)exp(-K*x/L)]與單晶生長重量比摻雜公式m/W＝C0*A/N0*d，計(jì)算出摻Si、Cu的重量，其中，公式中各參數(shù)的含義為Cs為單晶在長度為x的濃度、C0為熔體摻雜平均濃度、K為摻雜元素的分凝系數(shù)、x為單晶頭部測(cè)試部位、L為拉晶時(shí)熔區(qū)長度，m/W為重量比、m為摻雜元素總重量、W為拉晶總重量、C0為熔體摻雜平均濃度、A為摻雜元素原子摩爾量、N0為阿佛加德羅常數(shù)、d為GaAs的固體密度。
所述的晶體中銅的摻雜量為2.95×1015/cm3-3.05×1015/cm3，硅的摻雜量約為0.95×1016-1.05×1016/cm3。
所述單晶生長采用HB法，在水平單晶爐中進(jìn)行，生長過程中要嚴(yán)格控制熔區(qū)的長度為195-205mm。
所述晶片退火過程包括單晶切片、確定退火時(shí)間和退火溫度和退火三個(gè)步驟。
所述單晶切片時(shí)，單晶片按順序10-15片分組。
確定退火時(shí)間和退火溫度時(shí)，將單晶片每組頭尾做霍爾測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)決定退火時(shí)間和退火溫度，即如果前后都為P型，退火溫度為640-660℃，退火時(shí)間14.75-15.25小時(shí)，如前后度為N型，退火溫度650-670℃，退火29.75-30.25小時(shí)；前N后P或前P后N，退火溫度640-660℃，退火19.75-20.25小時(shí)。
所述單晶退火時(shí)，將晶片放入石英管內(nèi)密封，石英管內(nèi)壓強(qiáng)小于等于10-5mmHg。
所述單晶退火時(shí)，根據(jù)石英管容積在其內(nèi)部放入余砷，余砷與石英管容積的比例為1.9-2.2mg/cm-3，以防止晶片表面發(fā)生離解。
本發(fā)明的效果是本發(fā)明的方法是通過生長單晶結(jié)合晶片退火來實(shí)現(xiàn)的。首先，選擇高純多晶，以保證高阻單晶材料的遷移率和背景純度，通過熔區(qū)濃度分布公式結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出摻Si、摻Cu的重量，按單晶備料的程序?qū)⒘蟼浜谩Ｔ谒絾尉t中進(jìn)行單晶生長，生長過程中應(yīng)嚴(yán)格控制熔區(qū)的長度，以保證然Si、Cu在單晶各部位的合理分布。然后將單晶切片，晶片在加熱爐中退火。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有一下特點(diǎn) 1、晶體生長和晶片退火都可以在單晶爐中進(jìn)行，提高了設(shè)備的利用率，降低了生產(chǎn)成本；2、將復(fù)雜的擴(kuò)散過程轉(zhuǎn)化為晶體生長結(jié)合晶片退火，降低了工藝難度，易于大規(guī)模的生產(chǎn)；3、生產(chǎn)過程中既有精確的計(jì)算又有成熟的晶體生長工藝保障，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1 制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是包括下列步驟 1、制備多晶。多晶合成在HGF九段加熱爐中進(jìn)行。對(duì)多晶進(jìn)行嚴(yán)格的霍爾測(cè)試，要求多晶的遷移率在5000cm2/v.s以上，濃度不大于3×1015cm-3，以此來保證晶體的背景純度。
2、計(jì)算Si、Cu的摻雜量。為了獲得高阻的特性，摻Si和摻Cu的重量相近。根據(jù)小熔區(qū)濃度分布公式Cs＝C0[1-(1-K)exp(-K*x/L)]與單晶生長重量比摻雜公式m/W＝C0*A/N0*d，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出摻Si、Cu的重量。晶體中銅的摻雜量約為3×1015/cm3。硅的摻雜量約為1×1016/cm3。
3、生長單晶單晶生長采用HB法，在我公司自主研制的十二段加熱區(qū)水平單晶爐中進(jìn)行，生長過程中要嚴(yán)格控制熔區(qū)的長度為200mm，保證Si、Cu在單晶中合理的分布。
4、晶片退火將單晶切片，單晶片按順序15片分組，每組頭尾做霍爾測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)決定退火時(shí)間和退火溫度。即如果前后都為P型，退火溫度為650℃，十五小時(shí)，如前后度為N型，退火溫度660℃，三十小時(shí)；前N后P，退火溫度650℃，二十小時(shí)。將晶片放入石英管內(nèi)密封，石英管內(nèi)壓強(qiáng)不大于10-5mmHg，根據(jù)石英管容積，在其內(nèi)部放入一定量的余砷，余砷與石英管容積的關(guān)系為2.1mg/cm-3，以防止晶片表面發(fā)生離解。
權(quán)利要求
1.一種制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是包括下列步驟
(1)、選擇高純多晶，多晶的遷移率在4500cm2/v.s以上，濃度小于等于3.5×1015cm-3，以保證高阻單晶材料的遷移率和背景純度；
(2)計(jì)算摻Si、摻Cu的重量，按單晶備料的程序?qū)⒘蟼浜茫?br> (3)單晶生長，以保證然Si、Cu在單晶各部位的合理分布；
(4)晶片退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是優(yōu)選地，所述高純度多晶的遷移率在5000cm2/v.s以上，濃度小于等于3×1015cm-3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是優(yōu)選地，所述高純度多晶是在HGF九段加熱爐中制造的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是根據(jù)小熔區(qū)濃度分布公式
Cs＝C0[1-(1-K)exp(-K*x/L)]與單晶生長重量比摻雜公式m/W＝C0*A/N0*d，計(jì)算出摻Si、Cu的重量，其中，公式中各參數(shù)的含義為Cs為單晶在長度為x的濃度、C0為熔體摻雜平均濃度、K為摻雜元素的分凝系數(shù)、x為單晶頭部測(cè)試部位、L為拉晶時(shí)熔區(qū)長度，m/W為重量比、m為摻雜元素總重量、W為拉晶總重量、C0為熔體摻雜平均濃度、A為摻雜元素原子摩爾量、N0為阿佛加德羅常數(shù)、d為GaAs的固體密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是所述的晶體中銅的摻雜量為2.95×1015/cm3-3.05×1015/cm3，硅的摻雜量約為0.95×1016-1.05×1016/cm3。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是所述單晶生長采用HB法，在水平單晶爐中進(jìn)行，生長過程中要嚴(yán)格控制熔區(qū)的長度為195-205mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是所述晶片退火過程包括單晶切片、確定退火時(shí)間和退火溫度和退火三個(gè)步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是所述單晶切片時(shí)，單晶片按順序10-15片分組。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是確定退火時(shí)間和退火溫度時(shí)，將單晶片每組頭尾做霍爾測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)決定退火時(shí)間和退火溫度，即如果前后都為P型，退火溫度為640-660℃，退火時(shí)間14.75-15.25小時(shí)，如前后度為N型，退火溫度650-670℃，退火29.75-30.25小時(shí)；前N后P或前P后N，退火溫度640-660℃，退火19.75-20.25小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是所述單晶退火時(shí)，將晶片放入石英管內(nèi)密封，石英管內(nèi)壓強(qiáng)小于等于10-5mmHg。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法，其特征是所述單晶退火時(shí)，根據(jù)石英管容積在其內(nèi)部放入余砷，余砷與石英管容積的比例為1.9-2.2mg/cm-3，以防止晶片表面發(fā)生離解。
全文摘要
一種能夠提高設(shè)備利用率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、降低生產(chǎn)成本和工藝難度，而且易于大規(guī)模生產(chǎn)的制備Si、Cu雙摻N型高阻GaAs單晶材料的方法。技術(shù)方案是包括下列步驟(1)選擇高純多晶，多晶的遷移率在3000cm2/v.s以上，濃度小于等于5×1015cm-3，以保證高阻單晶材料的遷移率和背景純度；(2)確定摻Si、摻Cu的重量，按單晶備料的程序?qū)⒘蟼浜茫?3)單晶生長，以保證然Si、Cu在單晶各部位的合理分布；(4)晶片退火。
文檔編號(hào)C30B29/42GK101220512SQ20071017539
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日
發(fā)明者于洪國, 武壯文, 王繼榮, 袁澤海, 張海濤, 趙靜敏 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院, 國瑞電子材料有限責(zé)任公司