一種III?V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置及生長方法與流程

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置及生長方法。

背景技術(shù)：

隨著光纖通信、高速電子器件、高效太陽能電池以及激光二極管的快速發(fā)展，III-V族半導(dǎo)體晶體，例如砷化鎵、磷化鎵、砷化銦、磷化銦及它們的固溶體單晶的應(yīng)用越來越廣泛，極大地促進(jìn)了III-V族半導(dǎo)體晶體生長技術(shù)的發(fā)展。目前，III-V族半導(dǎo)體晶體的生長方法主要包括液封直拉法(LEC)，垂直下降法(VB)，水平布里奇曼法(HB)與垂直梯度凝固法(VGF)等。其中，VGF法因?yàn)樵侠寐矢?、位錯(cuò)密度小、生長設(shè)備簡單，生長方法容易等，逐漸成為高品質(zhì)III-V族半導(dǎo)體晶體的主流生長方法。

傳統(tǒng)的VGF法，需要采用預(yù)先合成的III-V族半導(dǎo)體多晶料作為原料。多晶料經(jīng)過合成、切割、清洗之后，裝入晶體生長爐內(nèi)完成晶體生長。整個(gè)流程較長，而且容易造成原料的污染和損耗，不利于晶體品質(zhì)的控制。日本住友電氣工業(yè)株式會社公布的專利JPH02283690A、JPS605093A、JPH06219885A中，提出了一種原位合成III-V族半導(dǎo)體晶體的方法及裝置。采用該裝置及晶體生長方法，可以采用III族元素和V族元素為原料，直接合成多晶并原位完成半導(dǎo)體晶體的生長。這三篇專利中，均采用III族元素在上，V族元素在下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅爐體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長晶控制穩(wěn)定性也會受到影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置及生長方法，本發(fā)明提供的生長裝置爐體結(jié)構(gòu)簡單，并且得到的晶體穩(wěn)定性較好。

本發(fā)明提供了一種III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置，包括：

石英管(1)，所述石英管包括上部的圓柱等徑區(qū)(1-1)、中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(1-2)以及底部的圓柱籽晶區(qū)(1-3)；

設(shè)置于所述石英管內(nèi)部的坩堝(2)，所述坩堝包括上部的圓柱等徑區(qū)(2-1)、中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)以及底部的錐形籽晶區(qū)(2-3)；

設(shè)置于所述石英管的圓柱等徑區(qū)的上方內(nèi)側(cè)壁的石英支撐環(huán)(4)；

設(shè)置于所述石英支撐環(huán)上的石英槽(3)，所述石英槽(3)的中心位置設(shè)置有開口。

優(yōu)選的，所述坩堝的圓柱等徑區(qū)(2-1)的外壁與所述石英管的圓柱等徑區(qū)(1-1)的內(nèi)壁貼合，所述坩堝的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)的外壁與所述石英管的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)的內(nèi)壁貼合(1-2)。

優(yōu)選的，所述石英管(1)與所述坩堝(2)同軸設(shè)置。

優(yōu)選的，所述石英管(1)上邊沿與所述石英支撐環(huán)(4)的垂直距離為50mm～200mm；所述坩堝(2)上邊沿與所述石英支撐環(huán)的垂直距離為15～25mm。

優(yōu)選的，所述石英管(1)的壁厚為2～5mm；

所述石英管的圓柱等徑區(qū)(1-1)的內(nèi)徑為55～260mm，所述石英管的圓柱等徑區(qū)(1-1)的高度為150～500mm；

所述石英管的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(1-2)的側(cè)壁與垂直方向的夾角為30～60度，所述石英管的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(1-2)的高度為20～200mm；

所述石英管的圓柱籽晶區(qū)(1-3)的內(nèi)徑為6～12mm，所述石英管的圓柱籽晶區(qū)(1-3)的高度為30～60mm。

優(yōu)選的，所述坩堝(2)壁厚為0.5～1.5mm；

所述坩堝的圓柱等徑區(qū)(2-1)的內(nèi)徑為50～250mm，所述坩堝的圓柱等徑區(qū)(2-1)的高度為100～300mm；

所述坩堝的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)的側(cè)壁與垂直方向的夾角為30～60度，所述坩堝的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)的高度為20～200mm；

所述坩堝的錐形籽晶區(qū)(2-3)的頂部內(nèi)徑為2～6mm，所述坩堝的錐形籽晶區(qū)(2-3)的底部內(nèi)徑為4～8mm，坩堝的錐形籽晶區(qū)(2-3)的高度為25～55mm。

優(yōu)選的，所述石英支撐環(huán)(4)的厚度為2～5mm，所述石英支撐環(huán)(4)的寬度為5～20mm。

優(yōu)選的，所述石英槽(3)的厚度為2～5mm，所述石英槽(3)的側(cè)壁的高度為20～100mm，所述開口的內(nèi)徑為10～50mm。

本發(fā)明還提供了一種上述生長裝置生長III-V族半導(dǎo)體晶體的方法，包括以下步驟：

A)將錐形籽晶置于坩堝底部的錐形籽晶區(qū)(2-3)，將第III主族元素置于坩堝上部的圓柱等徑區(qū)(2-1)以及中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)，將第V主族元素置于石英槽(3)中，得到裝有原料的III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置；

B)將上述生長裝置抽真空后密封，置于長晶爐中升溫長晶，得到III-V族半導(dǎo)體晶體。

優(yōu)選的，所述錐形籽晶頂端與所述坩堝底部的錐形籽晶區(qū)的頂端的垂直距離為5～15mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置，包括：石英管(1)，所述石英管包括上部的圓柱等徑區(qū)(1-1)、中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(1-2)以及底部的圓柱籽晶區(qū)(1-3)；設(shè)置于所述石英管內(nèi)部的坩堝(2)，所述坩堝包括上部的圓柱等徑區(qū)(2-1)、中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)以及底部的錐形籽晶區(qū)(2-3)；設(shè)置于所述石英管的圓柱等徑區(qū)的上方內(nèi)側(cè)壁的石英支撐環(huán)(4)；設(shè)置于所述石英支撐環(huán)上的石英槽(3)，所述石英槽(3)的中心位置設(shè)置有開口。本發(fā)明提供的III-V族半導(dǎo)體晶體生長裝置，采用III族元素在下，V族元素在上的設(shè)計(jì)模式。將V族元素放在石英管內(nèi)，坩堝的上方，不僅可以節(jié)省空間、簡化爐體結(jié)構(gòu)，而且有助于更好的控制晶體生長。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的III-V族半導(dǎo)體晶體長晶時(shí)與III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置對應(yīng)的溫度梯度分布圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置，包括：

石英管(1)，所述石英管包括上部的圓柱等徑區(qū)(1-1)、中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(1-2)以及底部的圓柱籽晶區(qū)(1-3)；

設(shè)置于所述石英管內(nèi)部的坩堝(2)，所述坩堝包括上部的圓柱等徑區(qū)(2-1)、中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)以及底部的錐形籽晶區(qū)(2-3)；

設(shè)置于所述石英管的圓柱等徑區(qū)的上方內(nèi)側(cè)壁的石英支撐環(huán)(4)；

設(shè)置于所述石英支撐環(huán)上的石英槽(3)，所述石英槽(3)的中心位置設(shè)置有開口。

參見圖1，圖1為本發(fā)明提供的III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置示意圖，圖1中，1為石英管，1-1為石英管的圓柱等徑區(qū)，1-2為石英管的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)，1-3為石英管的圓柱籽晶區(qū)，2為坩堝，2-1為坩堝的圓柱等徑區(qū)，2-2為坩堝的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)，2-3為坩堝的錐形籽晶區(qū)，3為石英槽，4為石英支撐環(huán)，5為第V主族元素，6為第III主族元素，7為錐形籽晶。

本發(fā)明提供的III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置包括石英管(1)，所述石英管包括上部的圓柱等徑區(qū)(1-1)、中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(1-2)以及底部的圓柱籽晶區(qū)(1-3)。

在本發(fā)明的一些具體實(shí)施方式中，所述石英管(1)的壁厚優(yōu)選為2～5mm；

所述石英管的圓柱等徑區(qū)(1-1)的內(nèi)徑優(yōu)選為55～260mm，所述石英管的圓柱等徑區(qū)(1-1)的高度優(yōu)選為150～500mm；

所述石英管的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(1-2)的側(cè)壁與垂直方向的夾角優(yōu)選為30～60度，所述石英管的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(1-2)的高度優(yōu)選為20～200mm；

所述石英管的圓柱籽晶區(qū)(1-3)的內(nèi)徑優(yōu)選為6～12mm，所述石英管的圓柱籽晶區(qū)(1-3)的高度優(yōu)選為30～60mm。

本發(fā)明提供的生長裝置還包括設(shè)置于所述石英管內(nèi)部的坩堝(2)，所述坩堝包括上部的圓柱等徑區(qū)(2-1)、中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)以及底部的錐形籽晶區(qū)(2-3)。在本發(fā)明中，所述坩堝的圓柱等徑區(qū)(2-1)和倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)用于放置第III主族元素。所述坩堝的錐形籽晶區(qū)(2-3)用于放置籽晶。

在本發(fā)明的一些具體實(shí)施方式中，所述坩堝(2)壁厚優(yōu)選為0.5～1.5mm；

所述坩堝的圓柱等徑區(qū)(2-1)的內(nèi)徑優(yōu)選為50～250mm，所述坩堝的圓柱等徑區(qū)(2-1)的高度優(yōu)選為100～300mm；

所述坩堝的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)的側(cè)壁與垂直方向的夾角優(yōu)選為30～60度，所述坩堝的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)的高度優(yōu)選為20～200mm；

所述坩堝的錐形籽晶區(qū)(2-3)的頂部內(nèi)徑優(yōu)選為2～6mm，所述坩堝的錐形籽晶區(qū)(2-3)的底部內(nèi)徑優(yōu)選為4～8mm，坩堝的錐形籽晶區(qū)(2-3)的高度優(yōu)選為25～55mm。

優(yōu)選的，所述坩堝的圓柱等徑區(qū)(2-1)的外壁與所述石英管的圓柱等徑區(qū)(1-1)的內(nèi)壁貼合，所述坩堝的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)的外壁與所述石英管的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)的內(nèi)壁貼合(1-2)。所述坩堝的錐形籽晶區(qū)(2-3)置于所述石英管的圓柱籽晶區(qū)(1-3)內(nèi)部。

在本發(fā)明的一些優(yōu)選的方案中，所述石英管(1)與所述坩堝(2)同軸設(shè)置。

本發(fā)明提供的生長裝置還包括設(shè)置于所述石英管的圓柱等徑區(qū)的上方內(nèi)側(cè)壁的石英支撐環(huán)(4)，優(yōu)選的，所述石英管(1)上邊沿與所述石英支撐環(huán)(4)的垂直距離為50mm～200mm；所述坩堝(2)上邊沿與所述石英支撐環(huán)的垂直距離為15～25mm。

在本發(fā)明的一些具體實(shí)施方式中，所述石英支撐環(huán)(4)的厚度為2～5mm，所述石英支撐環(huán)(4)的寬度為5～20mm。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述石英支撐環(huán)焊接與所述石英管內(nèi)。

本發(fā)明提供的生長裝置還包括設(shè)置于所述石英支撐環(huán)上的石英槽(3)，所述石英槽(3)的中心位置設(shè)置有開口。優(yōu)選的，所述石英槽(3)為U型石英槽，所述石英槽中心開設(shè)的開口用于第V主族元素蒸汽可以進(jìn)入下方的坩堝內(nèi)部。

在本發(fā)明中，所述石英槽(3)的厚度為2～5mm，所述石英槽(3)的側(cè)壁的高度為20～100mm，所述開口的內(nèi)徑為10～50mm。

在本發(fā)明中，所述石英管和石英槽所用的石英材料的純度優(yōu)選為4N以上，所述坩堝的材質(zhì)優(yōu)選為pBN。

本發(fā)明還提供了一種采用上述生長裝置生長III-V族半導(dǎo)體晶體的方法，包括以下步驟：

A)將錐形籽晶置于坩堝底部的錐形籽晶區(qū)(2-3)，將第III主族元素置于坩堝上部的圓柱等徑區(qū)(2-1)以及中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)，將第V主族元素置于石英槽(3)中，得到裝有原料的III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置；

B)將上述生長裝置抽真空后密封，置于長晶爐中升溫長晶，得到III-V族半導(dǎo)體晶體。

本發(fā)明首先將錐形籽晶(上細(xì)下粗)放入坩堝底部的錐形籽晶區(qū)(2-3)中，確保籽晶緊密貼合坩堝籽晶區(qū)，籽晶底端與坩鍋的錐形籽晶區(qū)底部平齊。所述籽晶頂端距離坩堝底部的錐形籽晶區(qū)(2-3)頂部的垂直距離優(yōu)選為5～15mm之間。本發(fā)明選用錐形的籽晶，一方面可以避免第III主元素熔體的浮力作用，使籽晶從籽晶槽中脫離，另一方面可以起到縮頸的作用，有利于減少晶體位錯(cuò)密度，提高晶體質(zhì)量。

接著，將坩堝(2)垂直放置于石英管(1)內(nèi)，確保二者同軸放置。

然后，在石英管(1)內(nèi)壁、坩堝(2)頂端上方的位置焊接石英支撐環(huán)(4)，將第III主族元素置于坩堝上部的圓柱等徑區(qū)(2-1)以及中部的倒錐形擴(kuò)肩區(qū)(2-2)。其中，第III主族元素的純度為5N～7N。

將石英槽(3)放置在石英支撐環(huán)(4)上，然后將第V主族元素置于石英槽(3)中，所述第V主族元素的純度為5N～7N。

所述生長裝置和原料安置組裝好后，將上述生長裝置抽真空后密封，置于長晶爐中升溫長晶，得到III-V族半導(dǎo)體晶體。

在本發(fā)明中，通過長晶爐爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制，在進(jìn)行升溫長晶時(shí)，實(shí)現(xiàn)溫度梯度，具體參見圖2，圖2為本發(fā)明提供的III-V族半導(dǎo)體晶體長晶時(shí)與III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置對應(yīng)的溫度梯度分布圖。

其中，石英槽(3)之上為第一溫區(qū)，所述第一溫區(qū)的溫度低于石英槽溫度，溫度梯度在50～200℃/cm，其中，℃/cm是指每cm溫度上升或下降的溫度值。

石英槽(3)所在的區(qū)域?yàn)榈诙貐^(qū)，溫度恒定，且可以保證石英槽區(qū)域的蒸汽壓與III-V族半導(dǎo)體晶體熔點(diǎn)附近的蒸汽壓相同。

石英槽底部到III-V族半導(dǎo)體晶體尾端區(qū)域?yàn)榈谌郎貐^(qū)，溫度上升，溫度梯度在100～300℃/cm。III-V族半導(dǎo)體晶體尾端達(dá)到溫場的最高值，溫度在III-V族半導(dǎo)體晶體熔點(diǎn)之上50-100℃之間。所述III-V族半導(dǎo)體晶體尾端區(qū)域是指生長得到的III-V族半導(dǎo)體晶體的尾端的中心位置。

之后溫度開始降低，由III-V族半導(dǎo)體晶體尾端區(qū)域到籽晶中部為第四溫區(qū)，溫度梯度在1-10℃/cm之間。籽晶中部區(qū)域的溫度降到III-V族半導(dǎo)體晶體熔點(diǎn)附近，溫度范圍為上下5℃之間。

籽晶中部之下的區(qū)域?yàn)榈谖鍦貐^(qū)，溫度快速下降，溫度梯度不小于50℃/cm。

長晶時(shí)，首先將石英管內(nèi)的溫度升至需要的溫度梯度，靜置50～100h，完成第III主族元素熔體與第V主族元素蒸氣的化合過程。之后維持第一溫區(qū)、第二溫區(qū)溫度不變，以恒定的降溫速率下降第四溫區(qū)的溫度，降低第三溫區(qū)和第五溫區(qū)高溫點(diǎn)溫度。第四溫區(qū)降溫速率為0.1-2℃/h。待第四溫區(qū)溫度最高點(diǎn)降至晶體熔點(diǎn)以下10-20℃時(shí)，同時(shí)下降五個(gè)溫區(qū)的溫度，直至室溫，完成III-V族半導(dǎo)體晶體的生長。

本發(fā)明取代了傳統(tǒng)VGF法使用III-V族半導(dǎo)體多晶作為原料的方法，直接采用III族元素與V族元素作為原料，合成多晶并原位生長單晶。本發(fā)明采用五溫區(qū)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合特殊設(shè)計(jì)的生長裝置及生長工藝，完成晶體生長。

本發(fā)明提供的III-V族半導(dǎo)體晶體生長裝置，采用III族元素在下，V族元素在上的設(shè)計(jì)模式。將V族元素放在石英管內(nèi)，坩堝的上方，不僅可以節(jié)省空間、簡化爐體結(jié)構(gòu)，而且有助于更好的控制晶體生長。

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的III-V族半導(dǎo)體晶體的生長裝置及生長方法進(jìn)行說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。

實(shí)施例1

晶體的生長裝置，包括石英管、坩堝、U型石英槽、石英支撐環(huán)組成。其中，4N石英管壁厚2mm，分為三部分：上部為圓柱等徑區(qū)，內(nèi)徑105mm，高度為300mm；中部為倒錐形擴(kuò)肩區(qū)，與垂直方向成45°角，高度為46mm；底部為圓柱籽晶區(qū)，內(nèi)徑為10mm，高度為50mm；pBN坩堝，壁厚1mm，分為三部分，上部為圓柱等徑區(qū)，內(nèi)徑為101mm，高度100mm；中部為倒錐形擴(kuò)肩區(qū)，與垂直方向成45°角，高度為45mm；底部為錐形籽晶區(qū)，頂部內(nèi)徑為3mm，底部內(nèi)徑為6mm，高度為40mm。

將長度為30mm的錐形籽晶放入坩堝的錐形籽晶區(qū)中，籽晶緊密貼合坩堝的錐形籽晶區(qū)，籽晶底端與坩鍋的錐形籽晶區(qū)底部平齊，籽晶頂部距離坩堝的錐形籽晶區(qū)頂部為10mm。將坩堝垂直放入石英管內(nèi)，確保兩者同軸。4N石英支撐環(huán)厚度為2mm，寬度為10mm，支撐環(huán)焊接在石英管內(nèi)，距離石英管頂端180mm。

將2kg6N鎵單質(zhì)裝入pBN坩堝內(nèi)。將U型石英槽放在石英支撐環(huán)上。U型石英槽厚度為2mm，高度為50mm，外徑為100mm，中心開口內(nèi)徑為50mm。將2.2kg6N砷單質(zhì)放入U(xiǎn)型石英槽內(nèi)。之后將石英管抽真空后密封，放入長晶爐內(nèi)開始升溫長晶。

通過長晶爐爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制，實(shí)現(xiàn)溫度梯度，具體的：

U型石英槽之上為第一溫區(qū)，溫度低于U型石英槽溫度，溫度梯度在50℃/cm。U型石英槽區(qū)域?yàn)榈诙貐^(qū)，溫區(qū)高度為50mm，溫度恒定在630℃。U型石英槽到砷化鎵半導(dǎo)體晶體尾端區(qū)域?yàn)榈谌郎貐^(qū)，溫度上升，溫度梯度為300℃/cm。砷化鎵半導(dǎo)體晶體尾端達(dá)到溫場的最高值1300℃。之后溫度開始降低，到籽晶中部為第四溫區(qū)，溫度梯度為3.6℃/cm。籽晶中部區(qū)域的溫度降到1238℃。籽晶中部之下的區(qū)域?yàn)榈谖鍦貐^(qū)，溫度快速下降，溫度梯度為300℃/cm。

長晶時(shí)，首先將石英管內(nèi)的溫度升至上述溫度，靜置72h，完成鎵熔體與砷蒸氣的化合反應(yīng)。之后維持第一溫區(qū)、第二溫區(qū)溫度不變，以1℃/h降溫速率下降第四溫區(qū)的溫度，降低第三溫區(qū)和第五溫區(qū)高溫點(diǎn)溫度。待第四溫區(qū)溫度最高點(diǎn)降至1225℃時(shí)，同時(shí)下降五個(gè)溫區(qū)的溫度，直至室溫。

本實(shí)施例得到的晶體直徑100mm；按照GB/T 8760的要求測試的晶體平均位錯(cuò)密度在3000/cm²左右，局部位錯(cuò)密度在500/cm²以下；按照國標(biāo)GB/T4326的要求測試得到的霍耳電阻率≥10⁷Ω·cm；遷移率5000cm²/Vs左右；晶體平均成晶率約為80％；晶體切片拋光后，晶片質(zhì)量良好，無生長紋。

實(shí)施例2

晶體的生長裝置，包括石英管、坩堝、U型石英槽、石英支撐環(huán)組成。其中，4N石英管壁厚2mm，分為三部分：上部為圓柱等徑區(qū)，內(nèi)徑105mm，高度為300mm；中部為倒錐形擴(kuò)肩區(qū)，與垂直方向成60°角，高度為27mm；底部為圓柱籽晶區(qū)，內(nèi)徑為12mm，高度為50mm；pBN坩堝，壁厚1mm，分為三部分，上部為圓柱等徑區(qū)，內(nèi)徑為101mm，長度100mm；中部為倒錐形擴(kuò)肩區(qū)，與垂直方向成60°角，高度為27mm；底部為錐形籽晶區(qū)，頂部內(nèi)徑為5mm，底部內(nèi)徑為8mm，長度為40mm。

將長度為30mm的錐形籽晶放入坩堝的錐形籽晶區(qū)中，籽晶緊密貼合坩堝的錐形籽晶區(qū)，籽晶底端與坩鍋的錐形籽晶區(qū)底部平齊，籽晶頂部距離坩堝籽晶區(qū)頂部為5mm。將坩堝垂直放入石英管內(nèi)，確保兩者同軸。4N石英支撐環(huán)厚度為2mm，寬度為10mm，支撐環(huán)焊接在石英管內(nèi)，距離石英管頂端175mm。

將2.81kg6.5N銦單質(zhì)裝入pBN坩堝內(nèi)。將U型石英槽放在石英支撐環(huán)上。U型石英槽厚度為2mm，高度為30mm，外徑為100mm，中心開口內(nèi)徑為50mm。將0.81kg6.5N紅磷單質(zhì)放入U(xiǎn)型石英槽內(nèi)。之后將石英管抽真空后密封，放入長晶爐內(nèi)開始升溫長晶。

通過長晶爐爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制，實(shí)現(xiàn)溫度梯度，具體的：

U型石英槽之上為第一溫區(qū)，溫度低于U型石英槽溫度，溫度梯度在50℃/cm。U型石英槽區(qū)域?yàn)榈诙貐^(qū)，溫區(qū)高度為30mm，溫度恒定在550℃。U型石英槽到磷化銦半導(dǎo)體晶體尾端區(qū)域?yàn)榈谌郎貐^(qū)，溫度上升，溫度梯度為160℃/cm。磷化銦半導(dǎo)體晶體尾端達(dá)到溫場的最高值1150℃。之后溫度開始降低，到籽晶中部為第四溫區(qū)，溫度梯度為6℃/cm。籽晶中部區(qū)域的溫度降到1062℃。籽晶中部之下的區(qū)域?yàn)榈谖鍦貐^(qū)，溫度快速下降，溫度梯度為200℃/cm。

長晶時(shí)，首先將石英管內(nèi)的溫度升至上述溫度，靜置72h，完成銦熔體與磷蒸氣的化合反應(yīng)。之后維持第一溫區(qū)、第二溫區(qū)溫度不變，以1.5℃/h降溫速率下降第四溫區(qū)的溫度，降低第三溫區(qū)和第五溫區(qū)高溫點(diǎn)溫度。待第四溫區(qū)溫度最高點(diǎn)降至1050℃時(shí)，同時(shí)下降五個(gè)溫區(qū)的溫度，直至室溫。

本實(shí)施例得到的磷化銦單晶晶體結(jié)晶情況良好；按照SJ/T 3245的要求，測得的晶體平均位錯(cuò)密度為4000/cm²，局部位錯(cuò)密度在500/cm²以下；按照國標(biāo)SJ/T 3244的要求測試得到的載流子濃度<10¹⁶/cm³，遷移率3000cm²/Vs；晶體平均成晶率約為30％。

實(shí)施例3

晶體的生長裝置，包括石英管、坩堝、U型石英槽、石英支撐環(huán)組成。其中，4N石英管壁厚2mm，分為三部分：上部為圓柱等徑區(qū)，內(nèi)徑155mm，高度為300mm；中部為倒錐形擴(kuò)肩區(qū)，與垂直方向成30°角，高度為125mm；底部為圓柱籽晶區(qū)，內(nèi)徑為12mm，長度為50mm；pBN坩堝，壁厚1mm，分為三部分，上部為圓柱等徑區(qū)，內(nèi)徑為151mm，長度100mm；中部為倒錐形擴(kuò)肩區(qū)，與垂直方向成30°角，高度為123mm；底部為錐形籽晶區(qū)，頂部內(nèi)徑為5mm，底部內(nèi)徑為6mm，高度為40mm。

將長度為30mm的錐形籽晶放入坩堝的錐形籽晶區(qū)中，籽晶緊密貼合坩堝的錐形籽晶區(qū)，籽晶底端與坩鍋的錐形籽晶區(qū)底部平齊，籽晶頂部距離坩堝的錐形籽晶區(qū)頂部為10mm。將坩堝垂直放入石英管內(nèi)，確保兩者同軸。4N石英支撐環(huán)厚度為2mm，寬度為10mm，支撐環(huán)焊接在石英管內(nèi)，距離石英管頂端175mm。

將5.1kg6N鎵單質(zhì)裝入pBN坩堝內(nèi)。將U型石英槽放在石英支撐環(huán)上。U型石英槽厚度為2mm，高度為50mm，外徑為100mm，中心開口內(nèi)徑為50mm。將2.3kg6N磷單質(zhì)放入U(xiǎn)型石英槽內(nèi)。之后將石英管抽真空后密封，放入長晶爐內(nèi)開始升溫長晶。

通過長晶爐爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制，實(shí)現(xiàn)溫度梯度，具體的：

U型石英槽之上為第一溫區(qū)，溫度低于U型石英槽溫度，溫度梯度在50℃/cm。U型石英槽區(qū)域?yàn)榈诙貐^(qū)，溫區(qū)高度為50mm，溫度恒定在580℃。U型石英槽到砷化鎵半導(dǎo)體晶體尾端區(qū)域?yàn)榈谌郎貐^(qū)，溫度上升，溫度梯度為390℃/cm。砷化鎵半導(dǎo)體晶體尾端達(dá)到溫場的最高值1550℃。之后溫度開始降低，到籽晶中部為第四溫區(qū)，溫度梯度為3.4℃/cm。籽晶中部區(qū)域的溫度降到1467℃。籽晶中部之下的區(qū)域?yàn)榈谖鍦貐^(qū)，溫度快速下降，溫度梯度為300℃/cm。

長晶時(shí)，首先將石英管內(nèi)的溫度升至上述溫度，靜置72h，完成鎵熔體與磷蒸氣的化合反應(yīng)。之后維持第一溫區(qū)、第二溫區(qū)溫度不變，以2℃/h降溫速率下降第四溫區(qū)的溫度，降低第三溫區(qū)和第五溫區(qū)高溫點(diǎn)溫度。待第四溫區(qū)溫度最高點(diǎn)降至1450℃時(shí)，同時(shí)下降五個(gè)溫區(qū)的溫度，直至室溫。

本實(shí)施例得到的晶體直徑150mm；按照國標(biāo)GB 20229-2006的要求測試得到的載流子濃度1×10¹⁷/cm³；遷移率150cm²/Vs左右；晶體平均成晶率約為80％；晶體切片拋光后，晶片質(zhì)量良好，無生長紋。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。