專利名稱：導電GaAs的晶體和襯底及它們的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導電GaAs晶體和襯底，更特別地，涉及導電GaAs晶體和襯底中所包含的析出物尺寸和密度的下降。
背景技術(shù)：
在半絕緣GaAs襯底表面上的微小凹凸易于造成在所述襯底上形成的外延層或半導體器件的結(jié)構(gòu)缺陷。因此，在進行光學檢驗篩選期間，將在其表面上具有許多微小凹凸的襯底確定為不合格且所述襯底不利地影響了產(chǎn)品的收率。在某些情況中，在光學檢驗期間檢測到的微小凹凸是由在襯底的晶片加工期間所產(chǎn)生的細小粒子的附著而造成的，在其他情況中，所述微小凹凸是由晶體自身引起的。據(jù)認為，錨定到位錯上的砷析出物是在半絕緣GaAs襯底上產(chǎn)生微小凹凸的主要原因，所述微小凹凸是由晶體自身引起的，已知的是，可通過在iioo°c下(在晶體生長爐中)后退火幾個小時來對集中在位錯上的析出進行抑制(參考Journal of Crystal Growth, 155，(1995)，第 171-178 頁(非專利文獻 1))。另一方面，在制造導電GaAs單晶的情況中，添加Si、Zn等以作為用于控制晶體電導率的雜質(zhì)(摻雜劑)。與半絕緣GaAs襯底相比，從導電GaAs晶體切出的襯底在其拋光表面上通常包括更少的微小凹凸，因此很少引發(fā)問題。然而，在激光器件用導電GaAs襯底、特別是與因制造技術(shù)革新而導致器件微型化且收率提高有關(guān)的激光器件用導電GaAs襯底的情況中，在襯底表面上的微小凹凸導致半導體器件的結(jié)構(gòu)缺陷并經(jīng)常易于引發(fā)問題。然而， 根據(jù)與半絕緣GaAs襯底相比，從導電GaAs晶體切割的襯底在其拋光表面上通常包括更少的微小凹凸的事實和即使當以與半絕緣襯底情況類似的方式實施后處理時仍幾乎不能降低在導電襯底上的微小凹凸的密度的事實，根本不能確定造成導電GaAs襯底上的微小凹凸的原因。順便提及，專利文獻1(日本特開平5-43400號公報)嘗試了一種在通過水平舟法制造的Cr摻雜的GaAs晶體中減少析出物的方法。引用列表專利文獻專利文獻1 日本特開平5-43400號公報非專利文獻非專利文獻1 Journal of Crystal Growth, 155, (1995)，第 171-178 頁

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明人對如下事實的原因進行了研究即使當以與半絕緣晶體的情況類似的方式在1100°C下實施后退火幾個小時時，從導電GaAs晶體切出的襯底的拋光表面上的微小缺陷密度仍幾乎不能降低。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在半絕緣和導電GaAs晶體之間造成微小表面凹凸的原因是不同的。
例如，當η型導電GaAs晶體含有太多Si原子時，可認為部分Si原子不會置換地配置在Ga位或As位，而是以單體或與另一種元素的化合物的狀態(tài)析出。在這種情況下，在 GaAs晶體中的析出物具有與母體不同的物理性能。因此，當將GaAs晶體加工成襯底時，在襯底表面上易于形成因析出物而造成的微小凹凸。下文中，將這些微小凹凸也稱作微小缺陷。析出物自身不僅分布在襯底表面中也分布在襯底內(nèi)部。因此，在半導體器件包括電流通過的導電GaAs襯底的情況中，認為襯底中的析出物不利地影響了半導體器件的性能和可靠性。換言之，如果在導電GaAs晶體的晶體生長期間以單體或與另一種元素的化合物的狀態(tài)析出的所添加摻雜劑如Si大于一定尺寸，則認為在將晶體加工成襯底期間在襯底表面中的析出物在襯底表面上造成微小凹凸，由此降低了表面品質(zhì)，且襯底內(nèi)部的析出物導致在所述襯底上形成的器件的性能發(fā)生劣化。根據(jù)上述考慮，作為即使在1100°C下進行后退火之后仍不能降低在導電GaAs晶體的襯底表面中的微小缺陷的事實的原因，可認為導電襯底中的析出物不是As單體的狀態(tài)，與半絕緣晶體的情況不同?；诒景l(fā)明人的上述考慮，本發(fā)明的目的是為了降低導電GaAs晶體中所包含的析出物的尺寸和密度。本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有拋光鏡面的導電GaAs襯底，在所述表面上通過表面粒子檢驗對微小凹凸的更小密度進行檢測。從在高收率下制造微型化器件如激光器件的觀點來看，這種襯底是期望的。解決問題的手段根據(jù)本發(fā)明的導電GaAs晶體具有超過1 X IO17個/cm3的Si原子濃度，其中在晶體中包含的尺寸為至少30nm的析出物的密度為至多400個/cm2。在這種情況下，所述導電GaAs晶體優(yōu)選具有至多5 X IO2個/cm2或至少1 X IO3個 /cm2的位錯密度，更優(yōu)選具有至多2X102個/cm2的位錯密度。另外優(yōu)選的是，在晶體生長爐中生長導電GaAs晶體，然后在至少1130°C的溫度下退火至少10小時。所述退火溫度優(yōu)選為至少1160°C，更優(yōu)選至少1200°C。順便提及，優(yōu)選的是，在生長爐中進行晶體生長之后并在退火之前，未將爐溫降至600°C以下。從導電GaAs晶體切出然后經(jīng)拋光的導電GaAs晶體襯底能夠具有鏡面，其中通過表面粒子檢驗裝置測量的尺寸為至少0. 265 μ m的微小缺陷的密度為至多0. 5個/cm2。順便提及，缺陷密度在更好的襯底制造條件下能夠為至多0. 3個/cm2，且在進一步更好的制造條件下為至多0.1個/cm2。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，可得到降低了其中包含的析出物的尺寸和密度的導電GaAs晶體和襯底。


圖1是可用于制造根據(jù)本發(fā)明的導電GaAs晶體的垂直布里奇曼法(vertical Bridgman method)中的晶體生長裝置的示意性垂直橫斷面圖。圖2是顯示在圖1的晶體生長裝置中進行晶體生長期間的溫度分布的示意圖。圖3是顯示在圖1的晶體生長裝置中進行晶體生長之后在后退火期間的溫度分布的示意圖。
具體實施例方式在下文中，利用具體實施例和比較例之間的比較對根據(jù)本發(fā)明制造導電GaAs晶體和襯底的方法進行說明。在圖1中，將根據(jù)本發(fā)明制造導電GaAs晶體的垂直布里奇曼法中所使用的晶體生長裝置示于示意性垂直橫斷面圖中。在這種晶體生長裝置中，在爐體1內(nèi)部設(shè)置多個加熱器2?？煞謩e控制這些加熱器2的溫度。在加熱器2的內(nèi)部容納熱電偶3和由熱解氮化硼 (pBN)制成的坩堝4。照這樣，在坩堝4中生長GaAs單晶。具體地，圖1中所示的坩堝4內(nèi)部存在GaAs 熔融物5，且在GaAs熔融物5下存在由晶種7生長的GaAs單晶6。將坩堝4保持在可在上下方向上移動的支持臺8上，且所述坩堝4可借助于可移動軸9繞其軸旋轉(zhuǎn)。在晶體生長期間，在爐體1內(nèi)在上部高溫區(qū)域與下部低溫區(qū)域之間的溫度梯度區(qū)域中將坩堝4相對于加熱器2逐漸向下移動，由此由熔融物5逐漸生長晶體取向與晶種7相同的GaAs單晶6。通過使用如圖1中所示的晶體生長裝置，已經(jīng)制造了本發(fā)明各種實施例和比較例的GaAs單晶。在實施例和比較例的各個中，首先在pBN坩堝4底部的小直徑部分中插入 GaAs晶種7，所述pBN坩堝4具有直徑為約4英寸的主體部分。將純度為99. 9999%的GaAs 多晶用作用于待生長的GaAs單晶的原料。將約IOkg的GaAs多晶和高純Si裝入坩堝4中， 然后將坩堝放在爐體1中。圖2的示意圖顯示了在圖1的晶體生長裝置中進行晶體生長期間的溫度分布。具體地，圖2中的圖的橫軸表示溫度，縱軸表示在爐內(nèi)在上下方向上的位置。在該圖中，在高溫區(qū)域A中坩堝4中的多晶GaAs原料完全熔化。其后，通過相對于加熱器2向下移動坩堝 4，在具有溫度梯度的區(qū)域Bl中將GaAs熔融物5冷卻至低于其熔點，由此由熔融物5在晶種7上生長GaAs單晶6。 在某些實施例和某些比較例中，在GaAs單晶的生長之后實施后退火(在生長爐內(nèi)進行退火)。在這種情況下，在全部量的GaAs熔融物5結(jié)晶成單晶之后，在指定時間內(nèi)爐體1中的溫度分布從圖2中所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D3中所示的狀態(tài)。然后，在圖3的圖中所示的區(qū)域B2中在指定溫度下在均勻溫度區(qū)域內(nèi)對生長的GaAs單晶進行后退火。其后，在約20°C /小時的冷卻速率下將GaAs單晶從后退火溫度冷卻至900°C，并進一步在約50°C / 小時的冷卻速率下從900°C冷卻至500°C。順便提及，均勻溫度區(qū)域B2并不是必需的。在將晶體存在的區(qū)域保持在至少1130°C的溫度的條件下，即使不將區(qū)域B2設(shè)定為均勻溫度仍能夠獲得相同的結(jié)果。在生長爐內(nèi)進行晶體生長之后，實施根據(jù)本發(fā)明的后退火。如果將生長的晶體先冷卻至室溫，然后通過將其再次加熱至更高的溫度來實施退火，則幾乎不能獲得本發(fā)明的后退火效果。即使在晶體生長之后將晶體溫度降下來的情況中，也優(yōu)選將晶體溫度保持為大于60(TC。所述后退火溫度優(yōu)選為至少1130°C，更優(yōu)選至少1160°C，最優(yōu)選至少1200°C。 在至少1130°C的任意溫度條件下，退火時間應(yīng)至少為10小時，優(yōu)選至少20小時，更優(yōu)選至少40小時。在實施例和比較例的各種情況中，對得到的GaAs單晶進行外周研削，然后將其切片成襯底。通過機械化學拋光對襯底的主表面進行鏡面拋光，從而最終得到4英寸直徑或 6英寸直徑的成形襯底。在所述成形襯底的表面上，通過使用商購獲得的表面粒子檢查裝置(KLA-Tencor Corporation, Surfscan 6220)對尺寸為至少0. 265 μ m的微小缺陷的總數(shù)進行計數(shù)，并通過將所述數(shù)除以測量面積來計算微小缺陷的平均密度。順便提及，因與母體不同的微小析出物的硬度或因析出物所造成的應(yīng)變而機械或化學地形成微小缺陷，因此，微小缺陷的尺寸比微小析出物的尺寸大。為了首先對4英寸直徑的襯底進行說明，在KOH熔融物中對襯底進行腐蝕以產(chǎn)生與位錯相對應(yīng)的蝕坑。在除了從襯底外周向內(nèi)3mm的區(qū)域之外的整個區(qū)域中在5mm間隔下對每個Imm2面積內(nèi)的蝕坑數(shù)進行計數(shù)，然后對單位面積上的計數(shù)數(shù)目求平均來計算平均位錯密度。可清晰地區(qū)別由位錯造成的蝕坑與由微小析出物造成的微小缺陷。另外，在所述襯底中，通過Hall(霍爾)測量對載流子濃度進行了測量并通過 SIMS (次級離子-微探針質(zhì)譜法)測量了 Si的濃度。對從襯底中心區(qū)域和距所述中心46mm 的在<110>方向上的四個區(qū)域的五個區(qū)域切出的10個芯片進行Hall測量，并利用由測量值獲得的平均值。SIMS數(shù)據(jù)是僅關(guān)于作為襯底中心區(qū)域的一個區(qū)域的分析結(jié)果。此處，在 GaAs晶體中所有摻雜的Si原子都不充當載流子源。例如，在析出物中包含的Si原子不充當載流子源。此外，沿與其OF(取向平面)垂直的中心軸將襯底劈開，并在垂直于襯底劈開表面的方向上照射1.06μπι波長的YAG激光。此時，激光的斑直徑為約5 μ m。移動激光，以在襯底徑向上進行掃描，并通過紅外攝像機對由晶體內(nèi)部的析出物散射并在襯底鏡面上的Imm2 區(qū)域向上排出的光進行檢測，從而了解析出物的數(shù)目和尺寸。沿劈開的中心軸在8mm的節(jié)距下在10個位置處實施測量，并對尺寸為至少30nm的析出物的總數(shù)進行了計數(shù)。盡管與通過紅外線散射所檢測的析出密度相比，在襯底鏡面上計數(shù)的微小缺陷的密度通常更小，但是在所述密度之間存在關(guān)系。據(jù)認為，造成這種情況的原因在于，從因紅外線散射得到的析出物圖像對存在于襯底特定深度范圍內(nèi)(與在劈開表面上入射的激光尺寸相對應(yīng))的所有析出物都進行計數(shù)，而通過在拋光的襯底表面上浮現(xiàn)的析出物而在拋光期間造成由表面粒子檢驗所檢測到的凹凸。此外，通過在按上述評價的各個襯底上堆疊外延層來形成激光器結(jié)構(gòu)。然后，對得到的激光器芯片的收率進行檢查以研究其與襯底表面上微小缺陷的密度的關(guān)系。表1總結(jié)了關(guān)于各種實施例和各種比較例的在晶體生長之后的退火條件和按上
述進行測量的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種導電GaAs晶體，其具有超過1 X IO17個/cm3的Si原子濃度，其中在所述晶體中包含的尺寸為至少30nm的析出物的密度為至多400個/cm2。
2.如權(quán)利要求1所述的導電GaAs晶體，其具有至多5X IO2個/cm2或至少1 X IO3個/ cm2的位錯密度。
3.如權(quán)利要求1所述的導電GaAs晶體，所述晶體在晶體生長爐中生長后，在至少 1130°C的溫度下退火至少10小時。
4.一種導電GaAs晶體襯底，其從權(quán)利要求1的導電GaAs晶體切出，并具有經(jīng)拋光的鏡
5.如權(quán)利要求4所述的導電GaAs晶體襯底，其中在所述鏡面中，通過表面粒子檢查裝置測得的尺寸為至少0. 265 μ m的微小缺陷的密度為至多0. 5個/cm2。
6.一種制造權(quán)利要求1的導電GaAs晶體的方法，其中生長所述導電GaAs晶體，然后在至少1130°C的溫度下將所述導電GaAs晶體退火至少10小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種導電GaAs晶體，其具有超過1×1017個/cm3的Si原子濃度，其中在所述晶體中包含的尺寸為至少30nm的析出物的密度為400個/cm2以下。在這種情況下，優(yōu)選的是，所述導電GaAs晶體具有至多2×102個/cm2或至少1×103個/cm2的位錯密度。
文檔編號C30B29/42GK102292477SQ20108000505
公開日2011年12月21日 申請日期2010年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者川瀨智博, 櫻田隆 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社