【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体，尤其涉及一种制备砷化镓单晶的设备和砷化镓单晶的制备方法。
技术介绍
1、近年来，移动通讯、网络技术以及电子产业的迅速发展带动了砷化镓(gaas)产业的发展。目前，gaas单晶材料已成为一种重要的微电子和光电子基础材料，已广泛用于微波大功率器件、低噪声器件、微波毫米波单片集成电路、超高速数字电路等电子器件的制造。
2、但是，gaas单晶晶体生长工艺复杂，在高温生长过程中存在化学配比失衡的问题，导致gaas单晶产生应力聚集缺陷，进而使得其电学参数不满足使用要求。产生化学配比失衡问题的主要原因有：1)在生长gaas单晶时往往需要使用氧化硼作为密封剂以防止高温下gaas分解或gaas熔体直接接触氮化硼坩埚内壁形成孪晶，但氧化硼是氮化硼坩埚通过加热通氧反应生成的，反应后将所述氮化硼坩埚冷却至常温再进行装料，在氮化硼坩埚冷却过程中，由于不是密封性环境，坩埚内壁形成的氧化硼层容易吸收水分，进而会分解出b杂质，因此氧化硼的使用引入了大量b杂质，在gaas单晶生长过程中，b杂质占据ga位，使ga的化学配比偏低，出现富砷现场；2)gaas内部fe、ca、al、zn、cu等金属杂质离子会与as、si、o形成的金属化合物，进一步加重gaas的化学配比失衡；3)gaas单晶生长需要加入小量的单质as放在密封的石英管里，利用单质as在高温状态下形成as蒸汽保持石英管内气压平衡，避免因气压不足使gaas分解或石英管压缩破裂现象，但是单质as的加入常常会加剧富砷现象，进而造成gaas单晶化学配比失衡。
3、由于化学
4、因此，研究开发一种新的gaas单晶制备方法用于改善富砷现象、氧化硼层吸水分解b杂质现象进而减少位错密度缺陷、提高gaas单晶的质量具有重要意义。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种制备砷化镓单晶的设备和砷化镓单晶的制备方法。采用本专利技术所述设备、方法制备得到的砷化镓单晶，具有成晶率高、位错密度缺陷低的优点。
2、为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、本专利技术提供了一种制备砷化镓单晶的设备，包括单晶合成炉和设置在其内部的阶梯状石英管，以及与单晶合成炉底部连接的超声波平板；
4、其中，所述单晶合成炉内设置有磁铁；
5、所述阶梯状石英管包括管体，所述管体的一端设置有可拆卸的密封装置，所述密封装置上设置有氮气入口，另一端设有y型输气管，用于输送氢气和氧气；
6、所述管体由所述y型输气管至所述开口的方向包括两个同轴设置的下管体单元和上管体单元，所述上管体单元和下管体单元独立地为圆管状，且所述下管体单元的直径小于上管体单元的直径；
7、上管体单元设置有底部为锥形且开口的第一氮化硼坩埚；
8、下管体单元设置有底部为锥形的第二氮化硼坩埚，所述第二氮化硼坩埚还包括与所述锥形底部相连通的物料腔；
9、所述物料腔与所述y型输气管的出气口相连通。
10、本专利技术优选的，所述第一氮化硼坩埚的顶部直径为100-200mm，底部开口直径为10-20mm；更优选的，所述第一氮化硼坩埚的顶部直径为150mm，底部开口直径为15mm；
11、优选的，所述第二氮化硼坩埚的顶部直径为50-150mm，所述物料腔的直径为5-15mm；更优选的，所述第二氮化硼坩埚的顶部直径为100mm，所述物料腔的直径为8mm。
12、本专利技术优选的，所述单晶合成炉内的顶部和底部各含有两块磁铁，且顶部两块磁铁成90°-100°夹角，底部两块磁铁成90°-100°夹角；更优选为顶部两块磁铁成90°或100°，底部两块磁铁成90°或100°。
13、上述磁铁的夹角通过单晶合成炉的设计来控制磁铁的夹角角度。比如，顶部两块磁铁需要成90°则单晶合成炉的顶板必须设计成夹角为90°的顶板。
14、本专利技术优选的，所述石英帽顶部的输气管和y型输气管均含有排气阀，用于控制气体输送量。
15、本专利技术还提供了一种砷化镓单晶的制备方法，采用上述的设备进行制备，包括以下步骤：
16、1)向所述单晶合成炉中的密封的阶梯状石英管中通入氧气并加热，直至所述氮化硼坩埚内壁形成一层致密的氧化硼，然后通入氮气，保持阶梯状石英管内部气压为1atm以上；
17、所述阶梯状石英管中所述第一氮化硼坩埚装有砷化镓多晶，所述物料腔中装有砷化镓籽晶，所述单晶合成炉的内部设置有磁铁；
18、2)在磁场的作用下，向内部气压为1atm以上的阶梯状石英管中持续通入氢气并加热和超声波振动，使砷化镓多晶融化滴落至砷化镓籽晶表面；
19、3)通过垂直梯度冷凝法控制温度梯度，使得砷化镓固液界面从籽晶部垂直往上移动，制备得到砷化镓单晶。
20、上述制备方法中，所述步骤1)向密封后的阶梯状石英管通氧气并加热，使得第一和第二氮化硼坩埚内壁形成一层致密的氧化硼，该氧化硼层可以有效避免高温下砷化镓多晶熔体(由砷化镓多晶融化得到)直接接触氮化硼坩埚内壁形成孪晶，同时避免引入b杂质占据ga位，进而可以保持砷化镓的化学配比平衡。
21、接着，在上述氧化硼层形成后快速通入氮气让表面含有氧化硼层的氮化硼坩埚冷却至常温，冷却过程氧化硼层不会与空气中的水分接触，减少了氧化硼层的水含量，从而减少b杂质的含量，降低了sias等的浓度，有助于降低自补偿，提高si的掺杂激活效率，从而减少杂质沉积缺陷，提高砷化镓单晶的成晶率。因为b杂质会与掺杂物si、本证物质as和ga的化合物sias等形成混合物，如果b杂质高了，与sias等的混合物浓度就会增加，从而集聚成核，容易产生孪晶和位错密度。
22、上述步骤1)通过氮气维持阶梯状石英管内部稳定气压，避免了高温下砷化镓分解，同时也代替了传统砷化镓生长方法加入单质as的手段，减少了富砷现象。
23、然后，向内部气压为1atm以上的阶梯状石英管中持续通入氢气并加热，一方面，砷化镓多晶融化滴落至砷化镓籽晶表面；另一方面，通入的氢气将砷化镓多晶中的金属杂质进行还原成金属单质，由于金属杂质的分凝作用，单质状态的金属杂质更容易偏向液相(砷化镓多晶融化后的液体，即砷化镓多晶熔体)，因此，采用步骤3)所述的垂直梯度冷凝法生长砷化镓单晶，金属杂质会向晶体尾部集中。氢气的加入使得砷化镓单晶内部纯度更佳，进而减少金属离子杂质形成的空穴，降低单晶的应力聚集和位错缺陷。
24、另外，本专利技术步骤2)所述的超声波振动使得砷化镓颗粒更加分散，进而通过分凝作用更易于将被氢气还原后生成的金属杂质单质聚集在尾部，进而提高砷化镓单晶的内部纯度。
25、此外，本专利技术采用上述的设备进行砷化镓单晶的制备，所述设备在单晶合成炉内含有磁铁。
26、所述磁铁产生的磁场可以控制单晶合成炉的温场本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种制备砷化镓单晶的设备，其特征在于，包括单晶合成炉和设置在其内部的阶梯状石英管，以及与单晶合成炉底部连接的超声波平板；
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述单晶合成炉内的顶部和底部各含有两块磁铁，且顶部两块磁铁成90°-100°夹角，底部两块磁铁成90°-100°夹角。
3.一种砷化镓单晶的制备方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的设备进行制备，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述3)中垂直梯度冷凝法的固液界面冷凝速率为0.8-1.2mm/h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中砷化镓多晶和砷化镓多晶含有的掺杂物硅单质的质量比为(10000-15000)：1。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中氧气的流量为50-100mL/min；
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中加热的温度为1240℃-1245℃；
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中超声的频
9.一种砷化镓单晶，其特征在于，由权利要求3-8任一项所述的制备方法制备得到；
10.一种材料，其特征在于，包括权利要求9所述的砷化镓单晶。
...【技术特征摘要】
1.一种制备砷化镓单晶的设备，其特征在于，包括单晶合成炉和设置在其内部的阶梯状石英管，以及与单晶合成炉底部连接的超声波平板；
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述单晶合成炉内的顶部和底部各含有两块磁铁，且顶部两块磁铁成90°-100°夹角，底部两块磁铁成90°-100°夹角。
3.一种砷化镓单晶的制备方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的设备进行制备，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述3)中垂直梯度冷凝法的固液界面冷凝速率为0.8-1.2mm/h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：王金灵，易明辉，罗小龙，
申请(专利权)人：广东先导微电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。