專(zhuān)利名稱(chēng)：一種砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體單晶材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種砷化鎵(GaAs)多晶 合成的方法和裝置。
背景技術(shù)：
生長(zhǎng)GaAs單晶前提，必須先合成GaAs多晶。GaAs多晶合成經(jīng)歷了水平 布里奇曼法，^氐壓氧化硼液封As注入合成法、高壓氧化硼液封原位合成法。
水平布里奇曼法(謝永桂，超高速化合物半導(dǎo)體器件，北京宇航出版社， 1998， 123 - 145 )合成砷化鎵是在密封的石英安培瓶中進(jìn)行，首先對(duì)安培瓶、 石英舟、石英擴(kuò)散擋板、安培瓶封管、砷化鎵籽晶進(jìn)行去除有機(jī)物、重金屬離 子處理，然后使用去離子水清洗干凈后烘干；石英舟在經(jīng)噴砂、噴鎵后，裝入 鎵和籽晶，推入安培瓶；在石英舟中裝上擴(kuò)散擋板，按化學(xué)計(jì)量比計(jì)算砷量， 將一定量的砷裝入安培瓶；使用氫氧火焰將擴(kuò)散擋板與安培瓶融為一體，再燒 熔安培瓶密封帽，此帽預(yù)留抽真空管路；把安培瓶放在封管爐中，鎵端的溫度 控制在70(TC，砷端溫度控制在28(TC,抽真空直至封管爐內(nèi)的壓強(qiáng)到1-5x10 "腿Hg以下時(shí)，恒溫2小時(shí)，去除鎵的氧化硼膜和砷的氧化膜；接下來(lái)，用氬 氧焰封閉抽空石英管，將安培瓶放入水平單晶爐中升溫到615°C，砷端恒溫，鎵 端繼續(xù)升溫到1250°C，從砷段升華經(jīng)擴(kuò)散擋板進(jìn)入鎵端實(shí)現(xiàn)砷化鎵合成。水平 布里奇曼合成法的優(yōu)點(diǎn)是合成的多晶的砷、鎵的比最好，接近1: 1，合成的 多晶不存在砷團(tuán)和鎵團(tuán)。該方法的缺點(diǎn)是采用石英安培瓶合成GaAs多晶，容 易造成Si雜質(zhì)沾污，故合成的GaAs多晶難滿(mǎn)足高質(zhì)量高阻半絕緣單晶的生長(zhǎng)要求，而且合成準(zhǔn)備和操作過(guò)程復(fù)雜。
低壓氧化硼液封As注入合成法(楊樹(shù)人、王宗昌、王兢，半導(dǎo)體材料，北
京科學(xué)出版社，2004， 133 ~ 159)的過(guò)程如下首先在溫度為900 ~ 1000。C的 真空條件下對(duì)氧化硼進(jìn)行脫水，在氮化硼坩堝中裝入鎵、氧化硼，在帶機(jī)械手 的石英安培瓶瓶中裝入砷，密封合成爐體。在對(duì)合成爐體抽真空的條件下，加 熱器升溫到600~700°C，移動(dòng)裝有砷的石英安培瓶接近氮化硼坩堝上部，去除 砷的氧化膜，然后往合成爐體中充入高純氬氣直至爐內(nèi)壓強(qiáng)為0.15MPa，將裝有 砷的石英安培瓶下端的石英管插入液封氧化硼下部的液鎵中，逐漸升溫使石英 安培瓶中的砷升華為蒸氣與鎵反應(yīng)生成砷化鎵多晶，然后拔出裝有砷的石英安 培瓶，熔化多晶下降籽晶進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。低壓氧化硼液封As注入合成法的優(yōu)點(diǎn) 是合成的GaAs多晶的砷、鎵的比接近l: 1，合成的GaAs多晶大多處于輕富 As或輕富Ga狀態(tài)。缺點(diǎn)是合成GaAs多晶時(shí)，采用石英安培瓶盛裝砷，故容 易造成Si雜質(zhì)沾污。合成爐體增加了機(jī)械手，使合成操作控制過(guò)程復(fù)雜。合成 石墨系統(tǒng)也易引入碳雜質(zhì)沾污。采用氧化硼液封液鎵，由于氧化硼的原子鍵能 力較弱，易與碳雜質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引入硼雜質(zhì)。
高壓氧化硼液封原位合成法(夏德謙，高壓液封原位合成直拉半絕緣砷化 鎵單晶的生長(zhǎng)，第二屆全國(guó)半導(dǎo)體學(xué)術(shù)會(huì)議論文集摘要，1982， 26 28)的大 致過(guò)程如下在高壓?jiǎn)尉t的石墨系統(tǒng)的氮化硼坩堝中直接裝入原材料鎵、砷、 氧化硼，密封爐體。對(duì)爐體抽真空直至10Pa以下，然后充入高純氬氣直至爐內(nèi) 壓強(qiáng)為0.5MPa，升溫至450 550。C,恒溫1小時(shí)。接下來(lái)，從觀(guān)察窗口觀(guān)察， 當(dāng)氧化硼完全熔化覆蓋了鎵和砷，且爐體內(nèi)增壓到3.0MPa以上時(shí)，快速升溫， 當(dāng)溫度達(dá)到800~ 1000。C范圍內(nèi)某一個(gè)溫度值，爐體內(nèi)壓力大于6.0MPa，固態(tài) 砷變成液態(tài)砷與液態(tài)鎵快速化合反應(yīng)生成砷化鎵多晶。合成是放熱反應(yīng)，可以 從觀(guān)察窗口看見(jiàn)坩堝中突然變亮，表明合成反應(yīng)的發(fā)生。最后，再升溫使合成 的多晶熔化后，下降軒晶進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是合成的GaAs多晶的 砷、鎵的比接近l: 1,合成的GaAs多晶處于輕富As或輕富Ga狀態(tài)，且純度高，缺點(diǎn)是合成采用了原材料氧化硼，易引入硼雜質(zhì)沾污，石墨系統(tǒng)也易引
入碳雜質(zhì)沾污。
專(zhuān)利200320129499.3中記載的化合物半導(dǎo)體材料多晶合成裝置，包括壓力 容器，壓力容器內(nèi)設(shè)置的PBN(熱解氮化硼，是特種陶瓷材料)坩堝和主加熱 器。PBN坩堝放置在坩堝托上，直徑為130mm，坩堝托下部與坩堝軸相連接。 在蚶堝托下面圍繞坩堝軸設(shè)置有輔助加熱器，輔助加熱器與坩堝托和坩堝之間 都保持一定間隙。輔助加熱器連接在輔助加熱器電極上。主加熱器圍繞坩堝設(shè) 置并與坩堝保持一定間隙，主加熱器連接在主加熱器電極上。主加熱器的外圍 設(shè)有主環(huán)形保溫套，主環(huán)形保溫套的上表面的一部分為向下凹陷的主環(huán)形保溫 套內(nèi)圓平臺(tái)，主環(huán)形保溫套內(nèi)圓平臺(tái)上設(shè)置有內(nèi)保溫套，坩堝托的上沿和內(nèi)保 溫環(huán)的內(nèi)圓臺(tái)階密合。
專(zhuān)利200310121161.8在專(zhuān)利200320129499.3中記載的化合物半導(dǎo)體材料多 晶合成裝置的基礎(chǔ)上提出了一種無(wú)液封合成砷化鎵多晶材料的工藝方法，該方 法的大致過(guò)程如下
在高壓合成爐內(nèi)的氮化硼坩堝中直接裝入原材料鎵、砷，加氮化硼坩堝蓋， 密封爐體。對(duì)爐體抽真空直至10Pa以下，然后充入惰性氣體直至爐內(nèi)增壓到 3.0MPa左右，快速升溫，當(dāng)溫度達(dá)到800 ~ 1000"C范圍內(nèi)某一個(gè)溫度值，爐體 內(nèi)壓力大于6.0MPa，固態(tài)砷變成液態(tài)砷與液態(tài)4家快速化合反應(yīng)生成砷化4家多晶。 接下來(lái)再進(jìn)一步升溫使合成的多晶熔化后，最后降溫。無(wú)液封合成GaAs多晶材 料的工藝方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝時(shí)間短、產(chǎn)量高、純度有保證，可直接滿(mǎn)足LEC GaAs單晶生長(zhǎng)的使用而無(wú)需再處理，整塊GaAs多晶富As量控制士3g,且合成 成本低，可以滿(mǎn)足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。該方法的缺點(diǎn)是每塊多晶中存 在As團(tuán)和Ga團(tuán)，且分布不均勻；合成過(guò)程中的砷損耗較大，多晶的富砷量難 以控制在士lg以?xún)?nèi)；由于合成爐內(nèi)的氮化硼坩堝的直徑是130mm,而垂直布里 奇曼法和垂直梯度冷凝法GaAs單晶生長(zhǎng)時(shí)坩堝的直徑是50mm，合成的砷化鎵 多晶不能直接滿(mǎn)足垂直布里奇曼法和垂直梯度冷凝法GaAs單晶生長(zhǎng)的使用，還需進(jìn)行額外的處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法和裝置，
克服了無(wú)氧化硼液封合成GaAs多晶中存在As團(tuán)和Ga團(tuán)，且分布不均勻的缺 陷。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法，包括如下步
驟
步驟一、在氮化硼蚶堝中裝入鎵和砷，將氮化硼坩堝裝入石墨坩堝中，然 后依次蓋上石墨坩堝蓋和石墨保溫罩；
步驟二、關(guān)閉合成爐體，抽真空直至合成爐體內(nèi)的壓強(qiáng)為10Pa以下，關(guān)閉 真空閥門(mén)；
步驟三、緩慢充入惰性氣體，直到合成爐體內(nèi)的壓強(qiáng)為2.8~3.2MPa時(shí)， 開(kāi)爐體冷卻循環(huán)水，然后經(jīng)過(guò)三次階段性升溫達(dá)到化料溫度；
步驟四、在化料溫度保持恒溫40分鐘，爐體氣壓慢慢降壓到2.0MPa時(shí)， 旋轉(zhuǎn)下降石墨坩堝，實(shí)現(xiàn)砷化鎵熔體從下向上結(jié)晶；
步驟五、合成爐體經(jīng)過(guò)兩次階段性降溫到達(dá)900。C時(shí)關(guān)斷加熱器，同時(shí)停止 旋轉(zhuǎn)石墨坩堝，使合成爐體自然降溫；
步驟六、當(dāng)合成爐體內(nèi)的溫度低于4(TC時(shí)，給合成爐體放氣，取出砷化鎵 多晶。
一種砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置，包括合成爐體和位于合成爐體內(nèi)的石墨 系統(tǒng)，石墨系統(tǒng)包括保溫單元、加熱單元、合成單元和使合成單元升降轉(zhuǎn)動(dòng)的 運(yùn)動(dòng)單元，保溫單元包括石墨保溫罩和石墨保溫桶，加熱單元和合成單元位于 保溫單元的內(nèi)部的，位于合成單元外圍中下部的加熱單元包括電極、加熱器和 外圍溫控電路，合成單元包括石墨坩堝蓋、石墨坩堝和氮化硼蚶堝，運(yùn)動(dòng)單元 與合成單元、合成爐體相連接。作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，為了避免石墨系統(tǒng)造成的碳雜質(zhì)沾污，在石墨 坩堝蓋內(nèi)和石墨坩堝內(nèi)鍍膜氮化硼。
采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有下列優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明在無(wú)液封砷化鎵多晶合成基礎(chǔ)上，又經(jīng)過(guò)了垂直布里奇曼法定向結(jié) 晶，合成的圓柱形GaAs多晶不存在鎵團(tuán)和砷團(tuán)，可以直接滿(mǎn)足垂直布里奇曼法 或者垂直梯度冷凝法GaAs單晶生長(zhǎng)的需求，同時(shí)減少合成過(guò)程中砷的損耗。采 用本發(fā)明的方法合成的GaAs多晶化學(xué)計(jì)量比達(dá)到了水平布里奇曼法的水平，由 于沒(méi)有使用石英安培瓶，避免了Si雜質(zhì)的沾污，因此合成的GaAs多晶既可用 于半絕緣GaAs單晶的生長(zhǎng)，又可用于低阻摻雜砷化鎵單晶生長(zhǎng)。本發(fā)明所述砷 化鎵多晶無(wú)液封合成方法與氧化硼液封合成法相比避免了硼雜質(zhì)沾污。在本發(fā) 明所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置中的石墨坩堝蓋內(nèi)和石墨坩堝內(nèi)鍍膜氮化 硼，還可避免石墨系統(tǒng)造成的碳雜質(zhì)沾污。


圖1是本發(fā)明砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置示意圖2 (a)、 (b)是石墨坩堝和石墨坩堝蓋的俯-現(xiàn)圖3 (a)、 (b)是石墨坩堝和石墨坩堝蓋的橫截面示意圖4是氮化硼坩堝示意圖5是加熱單元電路連接示意圖。
具體實(shí)施例方式
為進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提出的所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法和裝置，詳細(xì) i兌明力口下。
本發(fā)明第一實(shí)施例如圖1所示， 一種砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置，包括 帶冷卻循環(huán)水套的不銹鋼合成爐體1和石墨系統(tǒng)，合成爐體1可以耐高壓的極限為lOMPa,耐高溫的極限為150°C。該裝置的石墨系統(tǒng)包括保溫單元、加熱單 元、合成單元和可使合成單元升降轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單元，保溫單元由石墨保溫罩2 和石墨保溫桶8構(gòu)成，保溫單元的外層由高純石墨制成，內(nèi)層填有石墨保溫氈 12。加熱單元由電極11、加熱器6、加熱器延長(zhǎng)片9和外圍溫控電路構(gòu)成。合 成單元由石墨坩堝蓋3、石墨坩堝5和氮化硼坩堝4構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)單元可以由石墨 坩堝桿7和不銹鋼坩堝桿10構(gòu)成。
保溫單元中的石墨保溫罩2的外徑為300mm，內(nèi)徑為180mm,高度為10mm, 頂端厚度為40mm，石墨保溫桶8的外徑為300mm，內(nèi)徑為210mm，高度為 300mm。石墨保溫桶8上表面和石墨保溫罩2接觸處的形狀和面積與石墨保溫 罩2下表面相同，即石墨保溫桶8的上表面是一個(gè)內(nèi)徑為180mm、外徑為300 mm、高10mm的環(huán)形臺(tái)階。該環(huán)形臺(tái)階比石墨保溫桶8多出來(lái)的面積的下方設(shè) 有加熱器6。保溫單元在不銹鋼合成爐體1內(nèi)，與合成爐體1的內(nèi)壁留有一定的 縫隙，兩者的底部相接觸。
合成單元中的氮化硼坩堝4的直徑為50mm,深130mm，用于盛裝原材料 鎵和砷。石墨坩堝蓋3位于石墨坩堝5的上方，兩者構(gòu)成準(zhǔn)密封合成環(huán)境，防 止砷蒸氣逸出。石墨坩堝蓋3的外徑為170mm，內(nèi)徑為150mm，頂端厚度為 10mm。石墨坩堝5的高度為130mm,直徑為170mm。如圖2所示，石墨坩堝5 中最多可以同時(shí)均勻設(shè)置6個(gè)2英寸的氮化硼坩堝4，當(dāng)然，石墨坩堝5中也可 以同時(shí)均勾設(shè)置2~5個(gè)2英寸的氮化硼坩堝。石墨蚶堝5和石墨坩堝蓋3如圖3 (a)、 (b)所示，兩者在連接處設(shè)計(jì)臺(tái)階形狀相吻合，使石墨坩堝密封效果更 好。如圖4所示，氮化硼坩堝4的厚度為lmm，直徑為50mm,高度為130mm， 底部為圓弧形。優(yōu)選地，在石墨坩堝蓋3內(nèi)和石墨坩堝5內(nèi)鍍膜氮化硼，以避 免石墨系統(tǒng)造成的碳雜質(zhì)沾污。石墨坩堝5與石墨坩堝桿7固定連接，在石墨 坩堝5的下面有一環(huán)形凸起18，內(nèi)徑為50mm，外徑為70mm，該環(huán)形凸起18 的內(nèi)徑與石墨坩堝桿7的直徑相等，起到較好地固定作用。
在運(yùn)動(dòng)單元中，石墨坩堝桿7的直徑為50mm，石墨坩堝桿7和不銹鋼坩堝桿10相連接，可以是固定連接，不銹鋼坩堝桿10和合成爐體1之間采用可升
降轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)連接，合成爐體1外部的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)不銹鋼坩堝桿io升降和轉(zhuǎn) 動(dòng)通過(guò)第一轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，以此推動(dòng)不銹鋼坩堝桿IO上下移動(dòng)； 通過(guò)第二轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)不銹鋼坩堝桿10轉(zhuǎn)動(dòng)， 實(shí)驗(yàn)操作人員可以通過(guò)電路板控制轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)不銹鋼坩堝桿IO升降和轉(zhuǎn)動(dòng)， 這一內(nèi)容采用成熟的電機(jī)控制電路，故此處不詳述。這種連接方式的目的是使 石墨坩堝5既可以轉(zhuǎn)動(dòng)，又可以上下移動(dòng)。不銹鋼坩堝桿IO通過(guò)密封軸套與合 成爐體l密封，在現(xiàn)有技術(shù)中，高壓合成爐體具有成熟的軸套與坩堝密封技術(shù)， 軸套通常采用銅或者不銹鋼材料制成，不銹鋼坩堝桿IO制作成空心循環(huán)水冷結(jié) 構(gòu)。石墨坩堝5的轉(zhuǎn)動(dòng)同心度控制在2mm以?xún)?nèi)。通過(guò)調(diào)節(jié)石墨坩堝5的同心， 保證石墨坩堝5與加熱器6之間存在的間隙，以使石墨坩堝5與加熱器6絕緣。 安裝石墨保溫桶8時(shí)，保證石墨保溫桶8與加熱器6存在間隙并相互絕緣。
在加熱單元中，加熱延長(zhǎng)片9連接電極11和加熱器6，便于靈活調(diào)節(jié)加熱 器6的高度，加熱單元中也可以不包含加熱延長(zhǎng)片9,這樣加熱器6的高度就固 定而不易調(diào)節(jié)了，但仍然能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。電極11分別與合成爐體1、石 墨保溫桶8保持絕緣，電極11和加熱器延長(zhǎng)片9的總長(zhǎng)度為100mm，制作電極 11的材料可以是銅等金屬。加熱單元的電路連接情況如圖5所示，外圍溫控電 路由輸入電壓為380V的變壓器14、晶閘管15、輸入電壓為220V的調(diào)壓器16、 溫控器17、熱耦連接線(xiàn)和熱電耦13串聯(lián)組成，變壓器14的輸出端與合成爐體 l上的電極ll相連，熱電偶13放置在陶乾套中，陶資套穿過(guò)合成爐體1與加熱 器6接觸，必須保證陶瓷套與合成爐體1既要密封耐高壓，且熱電偶13的兩條 導(dǎo)線(xiàn)保持絕緣，同時(shí)其與石墨系統(tǒng)絕緣，與合成爐體1之間也要絕緣。熱電偶 13用于探測(cè)加熱器6的溫度，溫控器17 —方面顯示熱電耦13探測(cè)到的溫度， 一方面將熱電耦13探測(cè)到的溫度與溫控器中的參考溫度進(jìn)行比較后，輸出控制 信號(hào)對(duì)調(diào)壓器16的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制晶閘管15的輸出電流，通過(guò) 改變晶閘管15的輸出電流，控制變壓器14的輸入功率以達(dá)到控制加熱器加熱
10功率的目的，此回路實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器6溫度的控制。
本發(fā)明的第二實(shí)施例，在進(jìn)行砷化鎵多晶無(wú)液封合成之前，需要進(jìn)行如下
準(zhǔn)備工作
清潔合成爐體1的爐壁
關(guān)閉合成爐體1，抽真空至其內(nèi)部壓強(qiáng)為10Pa以下時(shí)，升溫到130(TC恒溫， 焙燒石墨系統(tǒng)處理4h以上，斷電降溫充氣，當(dāng)合成爐體內(nèi)的溫度降到室溫開(kāi)爐 體，清潔爐體內(nèi)壁的沉積物，重復(fù)上述過(guò)程，直到合成爐體1的爐壁基本沒(méi)有 沉積物。
確定化料溫度T:
首先，在石墨坩堝5中對(duì)稱(chēng)位置的2個(gè)氮化硼坩堝4中裝入砷化鎵多晶， 調(diào)整石墨坩堝中的砷化鎵多晶熔化時(shí)的上沿高度與加熱器上沿齊平，蓋上石墨 坩堝蓋3，裝上石墨保溫罩2。然后合爐，抽真空至合成爐體l內(nèi)的壓強(qiáng)為10Pa 以下，關(guān)閉真空閥門(mén)，緩慢充入惰性氣體直到合成爐體1內(nèi)的壓強(qiáng)為3.0MPa時(shí)， 開(kāi)爐體冷卻循環(huán)水，10分鐘內(nèi)升溫到500 ~ 550°C ,再經(jīng)過(guò)10分鐘升溫到850 ~ 1000。C ，再經(jīng)過(guò)5分鐘升溫到化料溫度T,恒溫40分鐘后，經(jīng)過(guò)10分鐘降溫到 1100。C左右，再經(jīng)過(guò)l(T分鐘降溫到950- 1000。C時(shí)，斷電降溫。當(dāng)降到室溫開(kāi) 爐體，取出帶多晶料的坩堝，如果多晶料沒(méi)有熔化或部分熔化，調(diào)高溫度T，重 復(fù)以上試驗(yàn)步驟直到找到化料溫度T。
經(jīng)過(guò)多次上述試驗(yàn)，找到了適合于本發(fā)明所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置 的化料溫度T的范圍為1220~ 1500°C,最佳取值為1420°C。所述砷化鎵多晶無(wú) 液封合成方法，包括如下步驟
步驟一、在每個(gè)氮化硼坩堝4中裝入質(zhì)量為Ml的^^家和質(zhì)量為M2的砷， Ml可以為500g, M2可以為540g。將帶有原材料的氮化硼坩堝4裝入石墨坩堝 5中，蓋上石墨坩堝蓋3實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)密封，然后蓋上石墨保溫罩2;
步驟二、關(guān)閉合成爐體l，抽真空直至合成爐體1內(nèi)的壓強(qiáng)為10Pa以下， 關(guān)閉真空閥門(mén)；
ii步驟三、緩慢充入惰性氣體，直到合成爐體1內(nèi)的壓強(qiáng)為2.8-3.2MPa時(shí)， 開(kāi)爐體冷卻循環(huán)水，然后經(jīng)過(guò)10分鐘升溫，使合成爐體1內(nèi)的溫度達(dá)到500~ 550°C ，再經(jīng)過(guò)10分鐘升溫達(dá)到800 ~ IOO(TC ，緊接著經(jīng)過(guò)5分鐘升溫達(dá)到化料 溫度T時(shí)保持恒溫，此時(shí)爐體內(nèi)壓力大于6.0MPa，固態(tài)砷變成液態(tài)砷與液態(tài)鎵 快速化合反應(yīng)生成砷化鎵多晶；
步驟四、在化料溫度T恒溫40分鐘，爐體氣壓慢慢降壓到2.0MPa時(shí)，給 石墨坩堝5加上4 ~ 8rpm的轉(zhuǎn)速，并以5 ~ 10mm/h的速度下降，向下行程80 ~ 120mm,實(shí)現(xiàn)砷化4家熔體從下向上結(jié)晶；
步驟五、以20。C/h速度使合成爐體1內(nèi)降溫到IIOO'C，接著以400。C/h速 度降溫到900。C，此時(shí)關(guān)斷加熱器，同時(shí)停蚶堝轉(zhuǎn)速，使合成爐體自然降溫；
步驟六、當(dāng)合成爐體1內(nèi)的溫度低于40。C時(shí)，給合成爐體l放氣，取出氮 化硼坩堝4，倒出合成的砷化鎵多晶，稱(chēng)量GaAs多晶的質(zhì)量M3。若由公式M3-(Ml x 1.0746+M1 ) =M4計(jì)算得到M4大于0，表示此塊料富As量為M4克， M4小于0，表示此塊料富Ga量為M4克。
采用本發(fā)明所述方法合成GaAs多晶的過(guò)程中，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化步驟三中 的升溫溫度曲線(xiàn)，降低合成過(guò)程中的砷損耗。同時(shí)檢驗(yàn)合成的GaAs多晶的尾部 中心是否富鎵有空洞。通過(guò)調(diào)節(jié)損耗砷量，使合成的多晶的富砷量控制士lg以 內(nèi)。
本發(fā)明在無(wú)液封砷化鎵多晶合成基礎(chǔ)上，又經(jīng)過(guò)了垂直布里奇曼法定向結(jié) 晶，即通過(guò)調(diào)整石墨坩堝5的位置和坩堝向下移動(dòng)的速度，控制砷化鎵熔體在 定向生長(zhǎng)過(guò)程中結(jié)晶，而不是降溫過(guò)程中才結(jié)晶。釆用這種方法合成的圓柱形 GaAs多晶不存在鎵團(tuán)和砷團(tuán)，可以直接滿(mǎn)足2英寸垂直布里奇曼法或者垂直梯 度冷凝法GaAs單晶生長(zhǎng)的需求，而且采用本發(fā)明的方法合成的GaAs多晶化學(xué) 計(jì)量比達(dá)到了水平布里奇曼法的水平。由于沒(méi)有使用石英安培瓶，避免了Si雜 質(zhì)的沾污，合成的GaAs多晶既可用于半絕緣GaAs單晶的生長(zhǎng)，又可用于低阻 摻雜砷化鎵單晶生長(zhǎng)。本發(fā)明所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法與氧化硼液封合
12成法相比避免了硼雜質(zhì)沾污。
通過(guò)具體實(shí)施方式
的說(shuō)明，當(dāng)可對(duì)本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所釆取的技術(shù)手 段及功效得以更加深入且具體的了解，然而所附圖示僅是提供參考與說(shuō)明之用， 并非用來(lái)對(duì)本發(fā)明加以限制。
權(quán)利要求
1、一種砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、在氮化硼坩堝中裝入鎵和砷，將氮化硼坩堝裝入石墨坩堝中，然后依次蓋上石墨坩堝蓋和石墨保溫罩；步驟二、關(guān)閉合成爐體，抽真空直至合成爐體內(nèi)的壓強(qiáng)為10Pa以下，關(guān)閉真空閥門(mén)；步驟三、緩慢充入惰性氣體，直到合成爐體內(nèi)的壓強(qiáng)為2.8～3.2MPa時(shí)，開(kāi)爐體冷卻循環(huán)水，然后經(jīng)過(guò)三次階段性升溫達(dá)到化料溫度；步驟四、在化料溫度保持恒溫40分鐘，爐體氣壓慢慢降壓到2.0MPa時(shí)，旋轉(zhuǎn)下降石墨坩堝，實(shí)現(xiàn)砷化鎵熔體從下向上結(jié)晶；步驟五、合成爐體經(jīng)過(guò)兩次階段性降溫到達(dá)900℃時(shí)關(guān)斷加熱器，同時(shí)停止旋轉(zhuǎn)石墨坩堝，使合成爐體自然降溫。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法，其特征在于，步驟三 中三次階段性升溫達(dá)到化料溫度的過(guò)程是經(jīng)過(guò)10分鐘升溫，使合成爐體內(nèi)的 溫度達(dá)到500 ~ 55(TC，再經(jīng)過(guò)10分鐘升溫達(dá)到800 ~ IOO(TC,緊4矣著經(jīng)過(guò)5分 鐘升溫達(dá)到化料溫度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法，其特征在于，步 驟四中石墨坩堝旋轉(zhuǎn)下降的過(guò)程是給石墨蚶堝加上4 8rpm的轉(zhuǎn)速，并以5 ~ 10mm/h的速度下降，向下行程80 ~ 120mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法，其特征在于， 步驟五中兩次階段性降溫到達(dá)900。C的過(guò)程是以20。C/h速度使合成爐體內(nèi)降溫到IIOO'C，接著以400。C/h速度降溫到900°C。
5、 一種砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置，包括合成爐體和位于合成爐體內(nèi)的石 墨系統(tǒng)，石墨系統(tǒng)包括保溫單元、加熱單元和合成單元，保溫單元包括石墨保 溫罩和石墨保溫桶，加熱單元和合成單元位于保溫單元的內(nèi)部的，位于合成單元外圍中下部的加熱單元包括電極、加熱器和外圍溫控電路，合成單元包括石 墨蚶堝蓋、石墨坩堝和氮化硼坩堝，其特征在于，所述石墨系統(tǒng)還包括使合成 單元升降轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單元，運(yùn)動(dòng)單元與合成單元、合成爐體相連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置，其特征在于所述運(yùn)動(dòng)單元包括石墨蚶堝桿和不銹鋼坩堝桿，石墨坩堝桿和不銹鋼坩堝桿相連接，不 銹鋼坩堝桿和合成爐體之間采用可升降轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)連接，合成爐體外部的轉(zhuǎn)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)不銹鋼坩堝桿升降和轉(zhuǎn)動(dòng)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置，其特征在于在所述石 墨坩堝蓋內(nèi)和石墨坩堝內(nèi)鍍膜氮化硼。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置，其特征在于石墨坩堝 中均勻設(shè)置2 6個(gè)2英寸的氮化硼坩堝。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5或6或7或8所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置，其特征 在于所述保溫單元外層由高純石墨制成，內(nèi)層填有石墨保溫氈。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述砷化鎵多晶無(wú)液封合成裝置，其特征在于所述外 圍溫控電路由變壓器、晶閘管、調(diào)壓器、溫控器、熱耦連接線(xiàn)和熱電耦串聯(lián)組 成，變壓器的輸出端與合成爐體上的電極相連，熱電偶放置在陶資套中，陶瓷 套穿過(guò)合成爐體與加熱器接觸，保證陶瓷套與合成爐體既要密封耐高壓，又要 分別與石墨系統(tǒng)絕緣、合成爐體絕緣；熱電偶用于探測(cè)加熱器的溫度，溫控器一方面顯示熱電耦探測(cè)到的溫度，號(hào)對(duì)調(diào)壓器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制晶閘管的輸出電流，通過(guò)改變晶閘 管的輸出電流，控制變壓器的輸入功率以達(dá)到控制加熱器加熱功率的目的。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種砷化鎵多晶無(wú)液封合成方法和裝置，該方法在無(wú)液封砷化鎵多晶合成基礎(chǔ)上，又經(jīng)過(guò)了垂直布里奇曼法定向結(jié)晶，合成的圓柱形GaAs多晶不存在鎵團(tuán)和砷團(tuán)，且分布及不均勻，可以直接滿(mǎn)足垂直布里奇曼法或者垂直梯度冷凝法GaAs單晶生長(zhǎng)的需求。該裝置包括合成爐體和石墨系統(tǒng)，石墨系統(tǒng)包括保溫單元、加熱單元、合成單元和使合成單元升降轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單元。采用本發(fā)明的方法合成的GaAs多晶化學(xué)計(jì)量比達(dá)到了水平布里奇曼法的水平，避免了Si雜質(zhì)的沾污，本發(fā)明所述合成方法與氧化硼液封合成法相比避免了硼雜質(zhì)沾污。
文檔編號(hào)C30B29/10GK101498047SQ20091000093
公開(kāi)日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者劉晏鳳, 周春鋒, 楊連生 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所;天津晶明電子材料有限責(zé)任公司