砷化鎵（GaAs）材料與砷化鎵單晶制備方法及原理的介紹

　　（二）砷化鎵單晶制備方法及原理

　　從20世紀50年代開始，已經開發(fā)出了多種砷化鎵單晶生長方法。目前主流的工業(yè)化生長工藝包括：液封直拉法（LEC）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。

　?。?）液封直拉法（Liquid Encapsulated Czochralski，簡稱LEC）

　　LEC法是生長非摻半絕緣砷化鎵單晶（SI GaAs）的主要工藝，目前市場上80%以上的半絕緣砷化鎵單晶是采用LEC法生長的。LEC法采用石墨加熱器和PBN坩堝，以B2O3作為液封劑，在2MPa的氬氣環(huán)境下進行砷化鎵晶體生長。LEC工藝的主要優(yōu)點是可靠性高，容易生長較長的大直徑單晶，晶體碳含量可控，晶體的半絕緣特性好。其主要缺點是：化學劑量比較難控制、熱場的溫度梯度大（100~150 K/cm）、晶體的位錯密度高達104以上且分布不均勻。日本日立電線公司于1998年首先建立了6英寸LEC砷化鎵單晶生產線，該公司安裝了當時世界上最大的砷化鎵單晶爐，坩堝直徑400mm，投料量50公斤，生長的6英寸單晶長度達到350 mm。德國Freiberger公司于2000年報道了世界上第一顆采用LEC工藝研制的8英寸砷化鎵單晶。

　?。?）水平布里其曼法（Horizontal Bridgman，簡稱HB）

　　HB法是曾經是大量生產半導體（低阻）砷化鎵單晶（SC GaAs）的主要工藝，使用石英舟和石英管在常壓下生長，可靠性和穩(wěn)定性高。HB法的優(yōu)點是可利用砷蒸汽精確控制晶體的化學劑量比，溫度梯度小從而達到降低位錯的目的。HB砷化鎵單晶的位錯密度比LEC砷化鎵單晶的位錯密度低一個數量級以上。主要缺點是難以生長非摻雜的半絕緣砷化鎵單晶，所生長的晶體界面為D形，在加工成晶片過程中將造成較大的材料浪費。同時，由于高溫下石英舟的承重力所限，難以生長大直徑的晶體。目前采用HB工藝工業(yè)化大量生產的主要是2英寸和3英寸晶體，報道的HB法砷化鎵最大晶體直徑為4英寸。目前采用HB工藝進行砷化鎵材料生產的公司已經不多，隨著VB和VGF工藝的日漸成熟，HB工藝有被逐漸取代的趨勢。

　?。?） 垂直布里其曼法（Vertical Bridgman，簡稱VB）

　　VB法是上世紀80年代末開始發(fā)展起來的一種晶體生長工藝，將合成好的砷化鎵多晶、B2O3以及籽晶裝入PBN坩堝并密封在抽真空的石英瓶中，爐體垂直放置，采用電阻絲加熱，石英瓶垂直放入爐體中間。高溫下將砷化鎵多晶熔化后與籽晶進行熔接，然后通過機械傳動機構由支撐桿帶動石英瓶與坩堝向下移動，在一定的溫度梯度下，單晶從籽晶端開始緩慢向上生長。VB法即可以生長低阻砷化鎵單晶，也可以生長高阻半絕緣砷化鎵單晶。晶體的平均EPD在5 000個/cm-2以下。

　?。?）垂直梯度凝固法（Vertical Gradient Freeze，簡稱VGF）

　　VGF工藝與VB工藝的原理和應用領域基本類似。其最大區(qū)別在于VGF法取消了晶體下降走車機構和旋轉機構，由計算機精確控制熱場進行緩慢降溫，生長界面由熔體下端逐漸向上移動，完成晶體生長。這種工藝由于取消了機械傳動機構，使晶體生長界面更加穩(wěn)定，適合生長超低位錯的砷化鎵單晶。VB與VGF工藝的缺點是晶體生長過程中無法觀察與判斷晶體的生長情況，同時晶體的生長周期較長。目前國際上商用水平已經可以批量生產6英寸的VB/VGF砷化鎵晶體，Freiberger公司在2002年報道了世界上第一顆采用VGF工藝研制的8英寸砷化鎵單晶。

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　　砷化嫁作為第二代半導體材料的代表，在高能對撞物理實驗、航天科技和核放射性廢料檢測等輻照環(huán)境下有著重要的應用。為此，對砷化嫁材料的輻照效應及其抗輻照能力進行研究是很有意義的。但目前我國還未見有一種簡單、快速且完全非破壞性的技術來對其抗輻射能力進行評估。低頻噪聲在表征硅器件的輻照損傷時取得了極大的成功，而且它的技術特點也符合對砷化嫁材料輻照損傷進行表征的技術要求。

　?。ㄋ模┥榛壊牧系挠猛竞?a href='http://srfitnesspt.com/v/tag/773/' target='_blank' class='arckwlink_none'>工作原理

　　（1）用途：廣泛應用于高頻及無線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應用于無線通信、光纖通信、移動通信、GPS全球導航等領域。除在I C產品應用以外，砷化鎵材料也可加入其它元素改變其能帶結構使其產生光電效應，制成半導體發(fā)光器件，還可以制做砷化鎵太陽能電池。

　?。?）工作原理：砷化鎵（GaAs）材料與傳統的硅半導體材料相比，它具電子遷移率高、禁帶寬度大、直接帶隙、消耗功率低等特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。砷化鎵是典型的直接躍遷型能帶結構，導帶極小值與價帶極大值均處于布里淵區(qū)中心，即K=0處，這使其具有較高的電光轉換效率，是制備光電器件的優(yōu)良材料。

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