周春鋒，蘭天平，孫 強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

科技評(píng)論

砷化鎵材料技術(shù)發(fā)展及需求

周春鋒，蘭天平，孫 強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

介紹了 HB、LEC、FEC、VCZ、VB、VGF砷化鎵單晶爐及生長(zhǎng)技術(shù)，分析了各種生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。HB砷化鎵多晶合成和單晶生長(zhǎng)可以同時(shí)完成，生長(zhǎng)溫度梯度小、位錯(cuò)小、應(yīng)力?。黄淙秉c(diǎn)為不易生長(zhǎng)半絕緣砷化鎵單晶材料。LEC法生長(zhǎng)過程可見，成晶情況可控，可生長(zhǎng)大尺寸、長(zhǎng)單晶；其缺點(diǎn)是晶體溫度梯度大、位錯(cuò)密度高、應(yīng)力高、晶體等徑控制差。VB/VGF法生長(zhǎng)出的單晶位錯(cuò)密度和殘留應(yīng)力比LEC法低，晶體等徑好，適合規(guī)模生產(chǎn)；其缺點(diǎn)在于容易產(chǎn)生雙晶、線性缺陷和花晶，過于依賴生長(zhǎng)系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性。

砷化鎵 單晶生長(zhǎng) HB LEC VB VGF

0 引 言

砷化鎵(GaAs)是目前最成熟的化合物半導(dǎo)體材料之一，[1]與硅(Si)相比，具有禁帶寬(1.42,eV)、電子遷移率高(8,500,cm2/V·s)、電子飽和漂移速度高、能帶結(jié)構(gòu)為直接帶隙等特性。這些特性決定了其在高頻、高速、高溫及抗輻照等微電子器件研制中的主要地位。GaAs的直接帶隙特性決定了其也可以制作光電器件和太陽(yáng)能電池。

GaAs材料分為兩類，即半絕緣砷化鎵材料和半導(dǎo)體砷化鎵材料。在半絕緣砷化鎵材料上可制作 MESFET、HEMT和HBT結(jié)構(gòu)的電路，主要用于雷達(dá)、衛(wèi)星電視廣播、微波及毫米波通信、無(wú)線通信(以手機(jī)為代表)及光纖通信等領(lǐng)域。半導(dǎo)體砷化鎵材料主要應(yīng)用于光通信有源器件(LD)、半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)、可見光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器和高效太陽(yáng)能電池等光電子領(lǐng)域。

1 砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)

自然界并不存在砷化鎵晶體，它屬于人工晶體材料的一種。為了生長(zhǎng)砷化鎵單晶，就必須合成砷化鎵多晶。由于砷的蒸汽壓高(砷化鎵熔點(diǎn) 1,511,K 條件下，砷的蒸汽壓為15.3,MPa)，且鎵、砷容易氧化，砷化鎵多晶的合成就變得極不容易。而且砷化鎵材料熱導(dǎo)率(0.55,W/cm·K)比硅材料熱導(dǎo)率(1.5,W/cm·K)低，砷化鎵材料熱膨脹系數(shù)(2.6×10-6/K)比硅材料熱膨脹系數(shù)(2.6×10-6/K)大，造成砷化鎵成晶比硅困難。由于砷化鎵位錯(cuò)臨近切變應(yīng)力(0.4,MPa)比硅位錯(cuò)臨近切變應(yīng)力(1.85,MPa)小，造成砷化鎵單晶生長(zhǎng)不易降低位錯(cuò)密度。由于砷化鎵堆積層錯(cuò)能(4.8×10-6,J/cm2)比硅堆積層錯(cuò)能(7×10-6,J/cm2)小，造成了砷化鎵單晶容易生長(zhǎng)孿晶。

砷化鎵多晶合成和單晶生長(zhǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于單質(zhì)砷、鎵的物理化學(xué)性質(zhì)及砷化鎵的性質(zhì)(見表1)。利用砷的升華溫度(613,℃)可以實(shí)現(xiàn)砷化鎵水平合成和液封砷注入合成，利用砷的三相點(diǎn)溫度(高壓3.6,MPa、溫度819,℃)可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)砷和液態(tài)鎵的高壓合成。由于砷化鎵熔點(diǎn)條件離解蒸汽壓低(0.09,MPa)，才能實(shí)現(xiàn)低壓LEC和石英管密封VB、VGF砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)。

砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)與單晶爐制造技術(shù)密切相關(guān)，單晶生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步也遵循機(jī)械制造和電器控制發(fā)展的規(guī)律。依據(jù)砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展歷程，下面分別介紹 HB、LEC、FEC、VCZ、VB、VGF等砷化鎵單晶爐及生長(zhǎng)技術(shù)。

表1 鎵、砷、砷化鎵的性質(zhì)Tab.1 Properties of gallium，arsenic and gallium arsenide

1.1 水平布里奇曼(Horizontal Bridgman，簡(jiǎn)稱 HB)砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)

圖1 水平布里奇曼砷化鎵多晶合成、單晶生長(zhǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Horizontal Bridgman GaAs polycrystalline synthesis and crystal grow th

水平布里奇曼砷化鎵多晶合成、單晶生長(zhǎng)技術(shù)如圖 1所示。HB單晶爐由最初的兩段加熱器，發(fā)展到成熟的三段加熱器。爐體由內(nèi)向外的結(jié)構(gòu)為：①氧化鋁陶瓷管，使?fàn)t體溫度分布更均勻。②加熱電阻絲，可以是獨(dú)立的三段，也可采用整體電阻絲，在相應(yīng)的位置焊接引出電極。③固定電阻絲陶瓷管。④由保溫磚或保溫棉組成的保溫層。⑤由鐵皮構(gòu)成的爐體外殼。⑥為了增加爐體高溫條件下調(diào)溫靈敏度，可以在最外層增加冷卻水冷繞管。在圖1中T1帶和T2帶之間預(yù)留觀察窗口。

通過調(diào)整設(shè)定各溫帶溫度使實(shí)際溫度達(dá)到理想的分布曲線。圖 1中的 T2帶溫度控制在 1,080～1,220,℃，T1帶溫度控制在 1,245～1,270,℃，T1帶的溫度決定 T3帶的砷蒸汽壓 P1，決定 T3帶總的蒸汽壓 P總(＝P1＋P3)。在 3T-HB單晶爐中，P總≥101,325,Pa(T3≥616,℃)。T3帶溫度控制在605～620,℃。

HB單晶的生長(zhǎng)通過水平移動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以移動(dòng)裝料的安培瓶，也可以移動(dòng)整體加熱爐體，要求水平移動(dòng)速度控制在 0～10,mm/h。也可配備快速自動(dòng)或手動(dòng)移動(dòng)裝置，有利于調(diào)整安培瓶在熱場(chǎng)中的相對(duì)位置。

HB砷化鎵單晶生長(zhǎng)，一般選用〈111〉晶向的籽晶，也可選用與其接近的〈110〉和〈311〉晶向的籽晶。3T-HB單晶爐最大可以生長(zhǎng)直徑85,mm、長(zhǎng)度65,mm、重量8.8,kg的砷化鎵單晶。

水平布里奇曼砷化鎵多晶合成、單晶生長(zhǎng)技術(shù)，首先對(duì)所有部件使用去離子水處理、烘干，對(duì)石英舟經(jīng)噴砂、鎵處理。其次把固態(tài)鎵和籽晶裝入石英舟中，將石英舟推入安培瓶中。再裝上擴(kuò)散擋板，按化學(xué)計(jì)量比計(jì)算砷量，計(jì)算高溫(1,250,℃)條件下密封石英空間在 1,atm下保護(hù)砷壓的砷量，一同裝入安培瓶中。使用氫氧火焰使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 700,℃，砷端溫度控制在 280,℃，在抽真空高于(1.33～6.65)×10-4,Pa條件下，恒溫2,h，去除鎵的氧化硼膜和砷的氧化膜。如果鎵和砷沒有氧化，可以省略脫氧化膜工藝過程。然后用氫氧火焰封閉抽空石英管。將安培瓶放入水平單晶爐中，升溫到 615,℃，砷端恒溫，鎵端升溫到1,250,℃，從砷端升華經(jīng)擴(kuò)散擋板進(jìn)入鎵端實(shí)現(xiàn)砷化鎵多晶合成并熔化成液體，從觀察窗口觀察，微抬高圖 1所示左端，使砷化鎵熔體熔接種晶，熔接成功后將石英管從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動(dòng)，使石英舟中的砷化鎵熔體逐漸結(jié)晶成晶體，根據(jù)固液界面形狀及晶體表面生長(zhǎng)條紋，可以判斷生長(zhǎng)的晶體是否為單晶。如果晶體生長(zhǎng)過程中生長(zhǎng)條紋變亂，則證明單晶已變花晶，可倒車回熔再生長(zhǎng)。

HB砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：HB單晶爐制作簡(jiǎn)單、成本低，砷化鎵多晶合成和單晶生長(zhǎng)可以同時(shí)完成，熔體化學(xué)計(jì)量比控制較好；晶體生長(zhǎng)溫度梯度小，晶體位錯(cuò)小、應(yīng)力小；引晶和晶體生長(zhǎng)可觀察，有利于提高晶體成晶率；采用石英管和石英舟，有利于生長(zhǎng)摻Si低阻砷化鎵單晶。

HB砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的缺點(diǎn)為：晶體截面為 D形，加工成圓形造成一些浪費(fèi)，晶體直徑最大為 7.62,cm，存在硅沾污，不易生長(zhǎng)半絕緣砷化鎵單晶材料，多晶合成容易出現(xiàn)石英管炸管，形成有毒物“砒霜”。

1.2 液封切克勞斯基(Liquid Encapsulating Czochralski，簡(jiǎn)稱LEC)砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)

在 LEC生長(zhǎng)工藝中，為了抑制砷化鎵熔體砷的離解揮發(fā)，使用透明、密度較小的高純氧化硼熔體作為覆蓋劑，只要氧化硼層上惰性氣壓大于砷的蒸汽壓，就能抑制砷的揮發(fā)，實(shí)現(xiàn)砷化鎵多晶原位合成，只有保證氧化硼層上惰性氣壓大于砷化鎵熔體As的離解氣壓，才能實(shí)現(xiàn)LEC單晶生長(zhǎng)。LEC砷化鎵單晶爐最外層為帶水套冷卻結(jié)構(gòu)不銹鋼爐體，可為多晶合成和晶體生長(zhǎng)提供耐壓。向內(nèi)為石墨制作的保溫層，然后為石墨電阻加熱器，每個(gè)加熱器連接一對(duì)電極。由于電極通過的電流較大，容易自身發(fā)熱，破壞電極的絕緣密封結(jié)構(gòu)，因此電極為空心水冷結(jié)構(gòu)。加熱器內(nèi)部為石墨坩堝，坩堝被坩堝桿托起。坩堝桿既可轉(zhuǎn)動(dòng)，又可升降。坩堝桿設(shè)有軸套，軸套內(nèi)設(shè)有 O型密度圈，與坩堝桿密縫，軸套外密封圈與爐壁密封。爐體下方為坩堝桿升降絲杠結(jié)構(gòu)，同時(shí)坩堝可以雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。籽晶桿處于加熱器的正上方，并帶籽晶接砷化鎵熔體，籽晶桿的溫度較高，須采用鉬制籽晶桿，鉬籽晶桿與籽晶桿密封套之間必須隔離，以防止籽晶導(dǎo)熱對(duì)密封軸套 O型圈造成損壞。由于砷化鎵的熱導(dǎo)率較小，砷化鎵結(jié)晶時(shí)，無(wú)需籽晶桿導(dǎo)熱太強(qiáng)。帶水冷結(jié)構(gòu)的不銹鋼籽晶桿須連接較長(zhǎng)的鉬桿，以提高晶體的成晶率。為了便于觀察單晶爐體內(nèi)氧化硼熔化情況和砷化鎵合成情況，判斷引晶溫度是否合適、生長(zhǎng)晶體形貌規(guī)則等情況，爐體上部增加了石英制觀察窗口。窗口與爐體密封，伸入爐體內(nèi)的石英探頭處的溫度須控制在 650～1,100,℃。同時(shí)防止揮發(fā)的砷沉積在石英探頭上。在爐體壁預(yù)留抽真空和充氣管道，管道上制作耐高壓截止閥。在爐體壁側(cè)面和坩堝底部制作熱電偶孔，此孔既能保證熱電偶與爐體絕緣，又能保證爐體密封，使其耐爐內(nèi)高壓。

根據(jù)可承受的壓力，砷化鎵 LEC 單晶爐分為高壓(≥10,MPa)單晶爐(見圖 2)和常壓(≤1.0,MPa)單晶爐(見圖3)。高壓?jiǎn)尉t可以直接裝入原材料鎵、砷、氧化硼。抽真空充氣0.5,MPa，升溫到450～550,℃，恒溫1,h，觀察氧化硼完全熔化覆蓋鎵和砷后增壓到 3.0,MPa以上，快速升溫，當(dāng)溫度達(dá)到 800～1,000,℃范圍內(nèi)某一溫度值時(shí)，爐體內(nèi)壓力大于6.0,MPa，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。升溫使合成的多晶熔化，下降籽晶進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。也可裝預(yù)先合成好的砷化鎵多晶料進(jìn)行單晶生長(zhǎng)。

圖2 單加熱器高壓LEC砷化鎵單晶生長(zhǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high pressure LEC GaAs single crystal grow th heater

圖3 常壓LEC砷化鎵單晶生長(zhǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of normal pressure LEC GaAs crystal grow th

由于常壓?jiǎn)尉t耐壓較小，不能采用高壓原位合成工藝合成砷化鎵多晶，可以采用水平工藝或其他工藝合成的多晶料。如圖 3所示，常壓?jiǎn)尉t采用砷注入合成工藝。在氮化硼坩堝中裝入鎵、脫水氧化硼，在帶機(jī)械手的安培瓶中裝入砷，密封爐體。爐體抽真空，然后充氣 0.15,MPa，爐體主加熱器加熱到1,240,℃以上，使裝砷瓶的下端插入液封氧化硼下部鎵液中，逐漸升溫到 616,℃使安培瓶中砷變成蒸汽與鎵反應(yīng)生成砷化鎵多晶，然后拔出裝砷的安培瓶，熔化多晶下降籽晶進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，為了提高砷化鎵晶體長(zhǎng)度和均勻性，采用多溫區(qū)加熱器取代單溫區(qū)加熱器，使熱場(chǎng)生長(zhǎng)梯度區(qū)可調(diào)，以改善晶體生長(zhǎng)的熱場(chǎng)環(huán)境，減少位錯(cuò)，并增加軸(橫)向磁場(chǎng)，同時(shí)采用一些精細(xì)工藝(如選取無(wú)位錯(cuò)優(yōu)良籽晶、摻雜硬化、細(xì)徑工藝、慢放肩、熔體配比最佳化、全液封技術(shù)、放慢冷卻過程以及最佳退火過程等)，可以獲得完全低位錯(cuò)、均勻性佳且較長(zhǎng)的半絕緣砷化鎵晶體。圖4為三段加熱器LEC單晶爐示意圖，上部加熱器的溫度控制在 600,℃，目的是調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)界面的溫度梯度，彌補(bǔ)晶體生長(zhǎng)中后期露出氧化硼晶體肩部和側(cè)面的熱損失。中部主加熱器的溫度控制在 1,400,℃，目的是維持砷化鎵完全熔融態(tài)，結(jié)合上加熱器，選擇適當(dāng)溫度梯度的晶體生長(zhǎng)界面。通過對(duì)主加熱降溫實(shí)現(xiàn)晶體過冷生長(zhǎng)。下部的加熱器溫度為1,200,℃，目的是維持坩堝中砷化鎵熔體的熔融態(tài)，防止由于主加熱器的降溫造成熔體的過冷結(jié)晶。采用此結(jié)構(gòu)的單晶爐生長(zhǎng)的 7.62,cm單晶可達(dá) 500,mm，生長(zhǎng)的10.16,cm單晶長(zhǎng)度可達(dá)480,mm，生長(zhǎng)的15.24,cm單晶長(zhǎng)度可達(dá)300,mm。

圖4 三段加熱器LEC砷化鎵單晶生長(zhǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of LEC GaAs crystal grow th w ith three sections heater

LEC砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：①提高了單晶爐的安全性能，適合規(guī)模生產(chǎn)；②晶體引晶、放肩、等徑生長(zhǎng)可見，成晶情況可控；③可生長(zhǎng)大尺寸(20.32,cm)、長(zhǎng)單晶；④晶體的碳含量可控，適合半絕緣砷化鎵單晶生長(zhǎng)；⑤能較好地控制晶體軸向電阻率的不均勻性；⑥采用原位合成技術(shù)，單晶生長(zhǎng)方便。

LEC砷化鎵單晶生長(zhǎng)的技術(shù)缺點(diǎn)是：①晶體溫度梯度大，生長(zhǎng)晶體的位錯(cuò)密度高，殘留應(yīng)力高；②晶體的等徑控制差；③晶體的化學(xué)計(jì)量比控制最差；④單晶爐制造成本高，拆爐維護(hù)存在砷粉塵；⑤生產(chǎn)摻硅半導(dǎo)體砷化鎵容易出現(xiàn)浮渣。

1.3 全液封切克勞斯基(Full Encapsulating Czochralski，簡(jiǎn)稱FEC)砷化鎵生長(zhǎng)技術(shù)

FEC砷化鎵生長(zhǎng)技術(shù)(見圖5)是LEC砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的改進(jìn)，使晶體引晶、放肩、收肩、等徑生長(zhǎng)、收尾整個(gè)單晶生長(zhǎng)過程都處于液封氧化硼保護(hù)中，既防止了晶體表面砷的離解，同時(shí)也降低了生長(zhǎng)晶體中和砷化鎵熔體中的溫度梯度，有利于降低位錯(cuò)和殘留應(yīng)力。為了實(shí)現(xiàn)氧化硼全液封，必須縮小坩堝直徑與生長(zhǎng)晶體直徑比，減少氧化硼裝料量，同時(shí)加長(zhǎng)坩堝的長(zhǎng)度和加熱器長(zhǎng)度。但為了防止晶體生長(zhǎng)后期氧化硼上表面溫度變低，必須增加加熱器，這樣也有利于降低晶體生長(zhǎng)熱場(chǎng)軸向溫度梯度。

FEC砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：①晶體生長(zhǎng)可見，成晶情況可控；②晶體的位錯(cuò)密度和殘留應(yīng)力比 LEC低；③晶體的化學(xué)計(jì)量比LEC控制較好。

FEC砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的缺點(diǎn)為：①生長(zhǎng)單晶長(zhǎng)度較短；②晶體碳含量軸向控制差，硼含量高；③晶體的軸向電阻率不均勻性控制差。

圖5 FEC砷化鎵單晶生長(zhǎng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of FEC GaAs single crystal grow th

1.4 蒸汽壓控制(Vaporpressure Controlled Czochralki，簡(jiǎn)稱VCz)砷化鎵生長(zhǎng)技術(shù)

VCz單晶生長(zhǎng)技術(shù)也是LEC技術(shù)的改進(jìn)，晶體生長(zhǎng)可以選擇較低的溫度梯度(15～35,K/cm)生長(zhǎng)。降低了溫度場(chǎng)非線性，減少了位錯(cuò)產(chǎn)生的幾率，增加了晶體軸向和徑向位錯(cuò)分布的均勻性。采用 VCz工藝生長(zhǎng)的砷化鎵晶體具有較低的位錯(cuò)和殘留應(yīng)力。如圖 6所示，在常規(guī) LEC單晶爐內(nèi)增加了由石墨材料制作的保溫內(nèi)罩。在坩堝軸和籽晶桿軸采用高溫密封結(jié)構(gòu)，密封口使用氧化硼或鎵密封，采用固態(tài)準(zhǔn)密封結(jié)構(gòu)，與內(nèi)保溫罩相連提供砷蒸汽的砷源。砷源的溫度控制在 590～630,℃，可以獲得富鎵和近化學(xué)配比的砷化鎵熔體。生長(zhǎng)爐體內(nèi)充 0.5,MPa氬氣或氮?dú)狻？梢圆捎糜醒趸鹨悍夂蜔o(wú)氧化硼液封晶體生長(zhǎng)。

圖6 VCz砷化鎵單晶生長(zhǎng)示意圖Fig.6 Schem atic diagram of VCz GaAs single crystal grow th

VCZ砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：①位錯(cuò)密度和殘留應(yīng)力比LEC和FEC低；②砷蒸汽壓保護(hù)，晶體的化學(xué)計(jì)量比可控；③無(wú)氧化硼生長(zhǎng)減少晶體中的硼雜質(zhì)和砷沉淀。

VCZ砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的缺點(diǎn)為：①單晶爐構(gòu)造復(fù)雜，費(fèi)用高；②工藝操作難度大，工藝運(yùn)行費(fèi)用高；③晶體碳含量不可控制；④晶體長(zhǎng)度短；⑤不適合規(guī)?；a(chǎn)。

1.5 垂直布里奇曼(Vertical Bridgman，VB)或垂直梯度冷凝(Vertical Gradient Freeze，VGF)砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)

VB或 VGF單晶爐的結(jié)構(gòu)有兩大類，[2]第一類單晶爐如圖7所示，此單晶爐加熱器結(jié)構(gòu)與水平單晶爐類似，采用電阻絲加熱方式，成熟的加熱器在六段以上。爐體從內(nèi)向外的結(jié)構(gòu)為：①氧化鋁陶瓷管；②加熱電阻絲可獨(dú)立構(gòu)成，也可采用整體電阻絲，在相應(yīng)位置焊接引出電極；③固定電阻絲陶瓷管；④保溫磚或保溫棉組成的保溫層；⑤由鐵皮構(gòu)成的爐體外殼；⑥每段加熱器中心設(shè)置控溫?zé)犭娕肌?/p>

圖7 電阻絲加熱VB/VGF單晶生長(zhǎng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of VB/VGF single crystal grow th w ith resistance w ire heating

每段加熱采用獨(dú)立的低電壓大電流加熱，通過調(diào)整設(shè)定溫度使實(shí)際溫度達(dá)到理想的溫度分布曲線。為了實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)的垂直方向移動(dòng)，設(shè)備必須配備上下升降裝置和晶體轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。要求移動(dòng)速度控制在 0～10,mm/h。也可配備快速自動(dòng)或手動(dòng)移動(dòng)裝置，以利于調(diào)整安培瓶的相對(duì)位置。裝置必須具有移動(dòng)顯示標(biāo)識(shí)，可以采用簡(jiǎn)單的刻度尺或電子水平尺。為了保證每個(gè)單晶爐體內(nèi)實(shí)際溫度不受環(huán)境溫度的影響，有必要對(duì)每臺(tái)單晶爐制作全保溫隔離層。

電阻絲加熱 VB單晶爐生長(zhǎng)的基本方法為：爐體垂直放置，上部為高溫區(qū)，溫度控制在 1,250,℃以上。中部為生長(zhǎng)梯度區(qū)，溫度控制在 1,250～1,220,℃。下部為低溫區(qū)，溫度控制在 1,150,℃。通過測(cè)試爐體的實(shí)際溫度，確定溫度分布曲線。保持溫度恒定，使裝料的安培瓶從高溫區(qū)向梯度區(qū)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)砷化鎵熔體結(jié)晶為單晶的過程。

電阻絲加熱VGF單晶爐的基本結(jié)構(gòu)與VB單晶相類似，其最大的區(qū)別是熱場(chǎng)溫度分布曲線在垂直方向移動(dòng)，推動(dòng)晶體生長(zhǎng)界面從下向上移動(dòng)，裝料的安培瓶不移動(dòng)。因此相比VB單晶爐，可以縮短低溫區(qū)加熱器和每段加熱器的長(zhǎng)度，以利于溫度梯度的調(diào)節(jié)。VGF工藝中石英安培瓶支撐件無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)，但必須加裝上下平移裝置，以利于調(diào)整裝料安培瓶的相對(duì)位置。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體生長(zhǎng)的控制，在支撐裝置的籽晶處、籽晶井、支撐點(diǎn)增加 3個(gè)監(jiān)控?zé)犭娕?，在晶體等徑生長(zhǎng)不同處增加 3個(gè)以上監(jiān)控?zé)崤迹糜诒O(jiān)控砷化鎵多晶的熔化狀態(tài)、熔體的溫度分布及籽晶熔化情況。為了保證每個(gè)單晶爐體內(nèi)實(shí)際溫度不受環(huán)境溫度的影響，應(yīng)對(duì)每臺(tái)單晶爐制作空調(diào)恒溫室。

電阻絲加熱 VB/VGF砷化鎵單晶工藝實(shí)現(xiàn)的方法為：對(duì)安培瓶、氮化硼坩堝、安培瓶封帽、砷化鎵籽晶進(jìn)行去除有機(jī)物、去除重金屬離子處理，再使用去離子水處理干凈、烘干。把籽晶裝入氮化硼坩堝的籽晶頸處，裝入氧化硼，產(chǎn)生保護(hù)砷氣壓的砷和砷化鎵多晶，使用氫氧火焰把安培瓶和石英帽熔為整體。放入封管爐中，從封帽預(yù)留抽真空管路對(duì)安培瓶?jī)?nèi)進(jìn)行抽真空，同時(shí)放入封管爐中，升溫到 200,℃左右，去除殘留的氧氣。半小時(shí)后熔封抽空管道，再把安培瓶放入單晶爐適當(dāng)位置，根據(jù)預(yù)先確定的溫度曲線，將溫度升溫到設(shè)定值。根據(jù)籽晶頸部監(jiān)控?zé)犭娕紲囟茸兓?，可以判斷砷化鎵多晶的熔化程度。?duì) VB法向下移動(dòng)安培瓶，對(duì) VGF法使溫度梯度區(qū)向上平移，平移速度0～10,mm/h，進(jìn)行晶體結(jié)晶生長(zhǎng)。

另一類 VB或(VGF)單晶爐如圖 8所示，帶循環(huán)冷卻水由不銹鋼構(gòu)成爐體，加熱器采用石墨電阻加熱器，為了實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)，生長(zhǎng)系統(tǒng)必須具備兩段以上加熱器，采用石墨保溫罩，每一個(gè)加熱器具有獨(dú)立的加熱和控溫裝置。加熱器溫度分布上部為高溫區(qū)，下部為低溫區(qū)，中部為溫度梯度區(qū)。爐體的耐壓大于0.2,MPa。爐體側(cè)壁和下壁設(shè)計(jì)有每個(gè)加熱器的電極和對(duì)應(yīng)的熱電偶出口，每個(gè)出口必須密封。電極必須帶水冷結(jié)構(gòu)，以利于電極與爐體的密封和絕緣。在爐體底盤中心設(shè)計(jì)帶密封結(jié)構(gòu)的坩堝桿出口，坩堝桿與爐體通過軸套密封，坩堝桿設(shè)計(jì)成空心水循環(huán)結(jié)構(gòu)。在爐體下部設(shè)計(jì)坩堝升降和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。爐體還設(shè)有抽真空和充氣孔。

圖8 石墨電阻加熱VB/VGF單晶生長(zhǎng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of VB/VGF single crystal grow th w ith graphite resistance heating

石墨加熱器 VB/VGF砷化鎵單晶工藝實(shí)現(xiàn)的方法為：對(duì)爐體抽真空、充壓氣檢測(cè)其氣密性。安裝石墨加熱器、保溫罩、石墨坩堝及坩堝托，保證加熱器與保溫罩、石墨坩堝之間絕緣。安裝熱電偶，使其頭部接觸相應(yīng)加熱器。在處理好的氮化硼坩堝中裝入籽晶、砷化鎵多晶、氧化硼，再一起裝入單晶爐的石墨坩堝中。調(diào)整坩堝的初始位置，使籽晶頸部位于測(cè)溫的1,200,℃處，抽真空，充氣到工藝要求氣壓(0.1～2,MPa)，每段加熱器升溫到測(cè)溫對(duì)應(yīng)的顯示溫度。根據(jù)籽晶頸部檢測(cè)熱電偶溫度變化，判斷砷化鎵多晶的熔化程度。然后對(duì) VB法向下移動(dòng)安培瓶，對(duì) VGF法使溫度梯度區(qū)向上平移，進(jìn)行晶體結(jié)晶生長(zhǎng)。平移速度0～10,mm/h。晶體生長(zhǎng)可加0～10,rpm。

VB/VGF砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：[3-4]①位錯(cuò)密度和殘留應(yīng)力比LEC和FEC法低；②晶體等徑好，材料利用率高；③電阻絲加熱 VB/VGF單晶爐制造成本低，易于生長(zhǎng)摻硅、碲砷化鎵單晶材料，石墨電阻加熱VB/VGF單晶爐與LEC單晶爐相比減少了籽晶桿升降和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，單晶爐制造成本相對(duì)降低，易于生長(zhǎng)半絕緣砷化鎵單晶材料；④對(duì)操作人員要求低，適合規(guī)模生產(chǎn)。

VB/VGF砷化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)的缺點(diǎn)為：①易產(chǎn)生雙晶和花晶；②晶體生長(zhǎng)不可見，依賴生長(zhǎng)系統(tǒng)的重復(fù)性和穩(wěn)定性；③晶體尾部容易被液封的氧化硼粘裂。

2 砷化鎵材料的應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)需求

20世紀(jì)八九十年代，在美國(guó)國(guó)防部“微波和毫米波單片集成電路”計(jì)劃的推動(dòng)下，砷化鎵材料從實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，美國(guó)最早實(shí)現(xiàn)了寬頻譜砷化鎵的器件軍事應(yīng)用。砷化鎵微波器件技術(shù)最初應(yīng)用在國(guó)防、太空科技及人造衛(wèi)星通訊領(lǐng)域，從20世紀(jì)90年代末開始應(yīng)用于無(wú)線通訊領(lǐng)域，如手機(jī)功率放大器、計(jì)算機(jī)產(chǎn)品、工業(yè)應(yīng)用及無(wú)線電通信等方面。

我國(guó)也同期開展了半絕緣砷化鎵材料研制，主要供應(yīng)軍用微波砷化鎵器件的開發(fā)。從 2003年起，我國(guó)啟動(dòng)了半導(dǎo)體照明工程，形成了從襯底、外延片生產(chǎn)、芯片制備、器件封裝集成應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)也推動(dòng)了半導(dǎo)體低阻砷化鎵襯底產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，先后形成了廊坊國(guó)瑞、北京中科鎵英、北京中科晶電、天津晶明、新鄉(xiāng)神舟、大慶佳昌、揚(yáng)州中顯、清遠(yuǎn)先導(dǎo)等砷化鎵襯底材料生產(chǎn)企業(yè)。主要生產(chǎn) LED用 5.08,cm、10.16,cm低阻半導(dǎo)體砷化鎵產(chǎn)品?！?/p>

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GaAs M aterials：A Review of Technological Development and M arket Demands

ZHOU Chunfeng，LAN Tianping，SUN Qiang
(No.46 Research Institute of China Electronic Group Corporation，Tianjin 300220，China)

The paper introduces HB，LEC，F(xiàn)EC，VCZ，VB，VGF GaAs single crystal furnaces and crystal grow th technologies. Both advantages and disadvantages of these grow th technologies were analyzed. HB GaAs polycrystalline synthesis and single crystal grow th can be completed at the same time w ith advantages of small grow th temperature gradient，small dislocation and small stress and disadvantages of difficulties in the grow th of semi-insulating GaAs single crystal materials. LEC-grown process is visible and can grow large and long crystals. The process has drawbacks such as large temperature gradient，high dislocation density，high stress and poor control of crystal size. VB/VGF method can grow single crystals w ith lower dislocation density and residual stress than the LEC method and is suitable for mass production. However，it is prone to tw inning，linear defects and crystal flower and the single crystal grow th highly relies on repeatability and stability of the system.

GaAs；single crystal grow th；HB；LEC；VB；VGF

TN304.2

：A

：1006-8945(2015)03-0011-05

2015-02-05