一種硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種砷化鎵單晶直拉爐,特別是一種硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，屬于砷化鎵單晶拉制裝置【技術(shù)領(lǐng)域】；所述硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐包括爐體和設(shè)置于爐體內(nèi)的提拉桿，所述提拉桿的下方設(shè)置有內(nèi)坩堝，內(nèi)坩堝下方還設(shè)置有可升降的外坩堝，所述外坩堝直徑大于內(nèi)坩堝直徑，且內(nèi)坩堝設(shè)置有穿透堝體并延伸至外坩堝的連通管道，所述連通管道將內(nèi)坩堝和外坩堝連通；本實用新型的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)合理，在砷化鎵單晶拉制過程中外坩堝能夠有效的向內(nèi)坩堝補充低摻雜濃度的熔體，以保證內(nèi)坩堝熔體高度和摻雜濃度維持恒定，能夠有效的降低溶質(zhì)分凝效應(yīng)引起的晶體摻雜不均勻現(xiàn)象。
【專利說明】一種硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種砷化鎵單晶直拉爐，特別是一種硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，屬于砷化鎵單晶拉制裝置【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]LEC 法(Liquid-Encapsulated Czochralski 法，即液封 CZ 提拉法)是生長半導(dǎo)體GaAs單晶最重要的方法之一。目前，市場上92%的半絕緣(SI)GaAs單晶是采用LEC法生長的。LEC法是在提拉法(即Czochralski法，簡稱CZ法)的基礎(chǔ)上為防止組分揮發(fā)(在熔化的GaAs上面砷分壓是三分之一大氣壓)而加了一層液封(如B2O3)的晶體生長方法，它具有便于觀察與操作，精密控制生長條件；能快速拉制大直徑單晶，可在爐內(nèi)進行合成與拉晶，所得單晶的截面為圓形，與器件工藝配套；使用定向籽晶，選擇不同取向的籽晶可以得到不同取向的單晶體等優(yōu)點。
[0003]通常LEC法生長微波器件用的GaAs襯底，是非摻雜的半絕緣材料，光電器件用的襯底，則需要摻雜，常規(guī)的摻雜元素為(碲)Te和(硅)Si。摻雜主要有二個目的:一是提供光電器件直接在襯底上做歐姆接觸所需的高濃度，二是通過雜質(zhì)硬化起到降低位錯的作用，即通過大大增加臨界切應(yīng)力(critically resolved shear stress)有效地減少位錯。
[0004]據(jù)Pfann方程，晶體中溶質(zhì)的軸向分布取決于有效分凝系數(shù)keff的值。硅原子在砷化鎵熔體中的有效分凝系數(shù)keff小于1，因此隨著晶體的生長，熔體中固液界面附近摻雜物硅的濃度增高，從晶體頂部到底部，摻雜物硅的濃度逐漸增大，最末端晶體中摻雜物硅的濃度最大。當(dāng)凝固熔體的分額X超過某一值時，生成晶體中的摻雜物硅的濃度將超過摻雜極限(precipitat1n threshold),—方面導(dǎo)致軸向應(yīng)力不均勻,位錯增加，另一方面導(dǎo)致晶體底部電阻系數(shù)急劇下降，不再具有半絕緣性質(zhì)。因此摻雜物分凝效應(yīng)的存在將嚴(yán)重降低砷化鎵單晶的質(zhì)量，影響其光、電特性。而溶質(zhì)分凝是LEC法(包括CZ法)晶體生長中的一種典型現(xiàn)象，當(dāng)有效分凝系數(shù)krff不等于I時，溶質(zhì)分凝就會發(fā)生。
[0005]到目前為止，對分凝效應(yīng)產(chǎn)生的晶體中摻雜不均勻還沒有一個好的解決辦法。在實際生長過程中通常在晶體摻雜物濃度到達一定的極限之前便中斷生長，一部分生長熔體滯留在坩堝中，生長成晶體尺寸較小，從而導(dǎo)致熔體的成晶率和生產(chǎn)效率較低。
[0006]因此，尋找減少乃至消除分凝效應(yīng)的不利影響的有效方法，是LEC法生長摻雜GaAs晶體要解決的關(guān)鍵問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型的發(fā)明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種用于硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，這種直拉爐能夠有效的減少乃至消除LEC法生長摻雜晶體中分凝效應(yīng)的不利影響，在保證熔體的成晶率和生產(chǎn)效率的同時，提高摻雜砷化鎵單晶拉制的質(zhì)量。
[0008]本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0009]一種硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，包括爐體和設(shè)置于爐體內(nèi)的提拉桿，所述提拉桿的下方設(shè)置有內(nèi)坩堝，內(nèi)坩堝下方還設(shè)置有可升降的外坩堝，所述外坩堝直徑大于內(nèi)坩堝直徑，且內(nèi)坩堝設(shè)置有穿透堝體并延伸至外坩堝的連通管道，所述連通管道將內(nèi)坩堝和外坩堝連通。
[0010]進一步的，所述連通管道位于內(nèi)坩堝底部位置。
[0011]進一步的,所述連通管道的內(nèi)徑為4mm-6mm。
[0012]進一步的，所述連通管道位于外坩堝段的長度大于2cm。
[0013]進一步的，所述連通管道位于外坩堝段的長度為5cm。
[0014]進一步的，所述提拉桿、內(nèi)坩堝、外坩堝和連通管道共軸心設(shè)置。
[0015]進一步的，所述內(nèi)坩堝可旋轉(zhuǎn)設(shè)置于爐體內(nèi)。
[0016]本實用新型的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，所述爐體內(nèi)與傳統(tǒng)的砷化鎵單晶直拉爐不同，設(shè)置有上下兩個直徑不同的內(nèi)坩堝和外坩堝，且內(nèi)、外坩堝之間同過設(shè)置于內(nèi)坩堝的連通管道連通，所述的穿透堝體是指通過連通管道將內(nèi)外坩堝連通，連通管道向外坩堝底部方向延生，內(nèi)坩堝裝摻雜濃度為C的生長熔體，內(nèi)坩堝位置固定或在可旋轉(zhuǎn)，外坩堝可升降，裝有和晶體具有同樣摻雜濃度的補充熔體，在晶體生長拉制過程中外坩堝以一定的速度向上移動以向內(nèi)坩堝連續(xù)地補充熔體，保證內(nèi)坩堝熔體高度和摻雜濃度維持恒定。本實用新型的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐能夠有效的降低溶質(zhì)分凝效應(yīng)引起的晶體摻雜不均勻現(xiàn)象，保證熔體的成晶率和生產(chǎn)效率的同時，提高摻雜單晶拉制的質(zhì)量。
[0017]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型的有益效果是:所述硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)合理，在砷化鎵單晶拉制過程中外坩堝能夠有效的向內(nèi)坩堝補充低摻雜濃度的熔體，以保證內(nèi)坩堝熔體高度和摻雜濃度維持恒定，能夠有效的降低溶質(zhì)分凝效應(yīng)引起的晶體摻雜不均勻現(xiàn)象；所述硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐還采用了連通管道的設(shè)計方案，降低了連通管道內(nèi)徑選擇的難度，使得連通管道既不容易堵塞，又不會使內(nèi)外坩堝之間熔體易被自然混合，而起到消除分凝引起的生長熔體內(nèi)摻雜物濃度升高的作用；保證熔體的成晶率和生產(chǎn)效率的同時，提高摻雜單晶拉制的質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是界面監(jiān)測點處Si濃度-時間對比實驗圖；
[0020]圖3是界面監(jiān)測點處Si濃度沿任一直徑的分布對比實驗圖。
[0021]圖中標(biāo)記:1_提拉桿、2-內(nèi)坩堝、3-外坩堝、4-連通管道。

【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖，對本實用新型作詳細的說明。
[0023]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
實施例
[0024]本實用新型的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，包括帶加熱裝置的爐體和設(shè)置于爐體內(nèi)的提拉桿1，所述爐體未在圖中示意出，但并不會對本領(lǐng)域技術(shù)人員造成理解上的困惑，所述提拉桿I的下方設(shè)置有內(nèi)坩堝2，內(nèi)坩堝2下方還設(shè)置有可升降的外坩堝3，所述外坩堝3直徑大于內(nèi)坩堝2直徑，且內(nèi)坩堝2設(shè)置有穿透堝體并延伸至外坩堝3的連通管道4，所述連通管道4將內(nèi)坩堝2和外坩堝3連通，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0025]本實施例中，內(nèi)坩堝2內(nèi)徑為150mm，外徑為153mm，外坩堝3內(nèi)徑為200mm，外徑為203mm,所述連通管道4位于內(nèi)i甘禍2底部位置,連通管道4的內(nèi)徑選者范圍為而連通管道4位于外坩堝3段的長度應(yīng)大于2cm，優(yōu)選的為5cm，以保證長度上能夠有效的避開初始B2O3封層厚度。本實用新型中連通管道4位于內(nèi)坩堝2段的高度不做要求，可以與內(nèi)坩堝2底平面齊平，也可以根據(jù)需要伸出一截，其高度以不超過熔體液位上線為原則。
[0026]本實施例中，所述提拉桿1、內(nèi)坩堝2、外坩堝3和連通管道4共軸心設(shè)置，所述內(nèi)坩堝2可繞軸心旋轉(zhuǎn)設(shè)置于爐體內(nèi)。
[0027]本實用新型的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，具體的操作程序為:(1)熔化內(nèi)外坩堝中的B2O3封層和外坩堝內(nèi)的GaAs固體；(2)提升外坩堝，使補充熔體通過連通管道進入內(nèi)坩堝，一直到內(nèi)坩堝熔體達到所需高度，內(nèi)外坩堝熔體液面高度相同；(3)將籽晶侵入生長熔體，使籽晶底端空腔中的硅和熔體混合，獲得生長熔體所需的摻雜濃度C ； (4)提拉開始，以一定速度提升外坩堝，使生長熔體高度保持恒定，當(dāng)補充熔體不足以使生長熔體高度保持恒定時，提拉結(jié)束。
[0028]本實用新型的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，其實驗結(jié)果如圖2所示:兩對比實驗中生長熔體初始濃度相同，沒有進行熔體補充和采用上述連通管道進行熔體補充時界面附近監(jiān)測點處Si濃度在晶體提拉開始后2小時內(nèi)的變化情況，從圖2中可看出，沒有熔體補充時，因摻雜物Si的分凝效應(yīng)，監(jiān)測點處Si濃度隨時間增加而增加；而有熔體補充時，忽略計算初期熔體靜止的影響，監(jiān)測點處的摻雜物Si濃度隨時間增加幾乎保持不變，可見改進后的雙坩堝熔體補充方法能有效地抵消摻雜物Si的分凝效應(yīng)，提高晶體軸向摻雜均勻性。
[0029]圖3是沒有進行熔體補充和采用上述連通管道進行熔體補充時Si濃度沿界面附近處任一直徑的分布情況，從圖3中可以看出，沒有熔體補充時，溶質(zhì)徑向分布最大值為
1.676 X 10_4，最小值為1.66Χ10Λ兩者相差1% ;采用連通管道進行熔體補充時Si濃度沿該半徑分布最大值為1.615 X 10_4，最小值為1.6Χ10Λ兩者也僅差0.9%，可見采用連通管道進行熔體補充在提高硅摻雜物軸向分布均勻性的同時，也不改變生長界面摻雜物硅濃度的徑向分布均勻性。
[0030]本實用新型的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，改進后的雙坩堝熔體補充方法能有效地抵消摻雜物Si的分凝效應(yīng)，提高晶體軸向摻雜均勻性，同時保證摻雜物Si的徑向分布也仍較為均勻；在保證連通管道出口與生長界面保持一定的距離，而進口在外坩堝中的熔體引進內(nèi)坩堝之前的初始位置位于外坩堝熔體/封層界面以下的情況下，可將連通管道出口設(shè)在生長熔體中任意高度位置，進行熔體補充均能得到均勻的硅摻雜物軸向分布和徑向分布；在流動為軸對稱流動的晶體轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可任意地選取晶體轉(zhuǎn)速，可保證晶體/熔體界面處Si濃度隨晶體提拉保持恒定，而且在徑向方向分布均勻，即保證生成砷化鎵晶體中摻雜物Si在軸向和徑向分布均勻。由于采用雙坩堝熔體補充時，晶體中Si摻雜濃度可保持恒定的所需的濃度，不會超過沉淀極限，可將數(shù)倍生長熔體質(zhì)量的熔體拉出。所以，采用改進后的雙坩堝熔體補充還可以提高晶體的成晶率和尺寸，在保證熔體的成晶率和生產(chǎn)效率的同時，提高摻雜單晶拉制的質(zhì)量。
[0031]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，包括爐體和設(shè)置于爐體內(nèi)的提拉桿(1)，其特征在于:所述提拉桿(I)的下方設(shè)置有內(nèi)坩堝(2)，內(nèi)坩堝(2)下方還設(shè)置有可升降的外坩堝(3)，所述外坩堝(3)直徑大于內(nèi)坩堝(2)直徑，且內(nèi)坩堝(2)設(shè)置有穿透堝體并延伸至外坩堝(3)的連通管道(4)，所述連通管道(4)將內(nèi)坩堝(2)和外坩堝(3)連通。
2.如權(quán)利要求1所述的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，其特征在于:所述連通管道(4)位于內(nèi)坩堝(2)底部位置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，其特征在于:所述連通管道(4)的內(nèi)徑為4mm-6mm。
4.如權(quán)利要求1或2所述的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，其特征在于:所述連通管道(4)位于外i甘禍(3)段的長度大于2cm。
5.如權(quán)利要求4所述的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，其特征在于:所述連通管道(4)位于外坩堝(3)段的長度為5cm。
6.如權(quán)利要求1或2或5所述的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，其特征在于:所述提拉桿(I)、內(nèi)坩堝(2)、外坩堝(3)和連通管道(4)共軸心設(shè)置。
7.如權(quán)利要求5所述的硅摻雜砷化鎵單晶直拉爐，其特征在于:所述內(nèi)坩堝(2)可旋轉(zhuǎn)設(shè)置于爐體內(nèi)。
【文檔編號】C30B15/00GK203923443SQ201420358308
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】陳淑仙 申請人:陳淑仙