本申请涉及晶体生长技术领域，具体公开了一种GaAs单晶生长设备及GaAs单晶生长工艺。一种GaAs单晶生长设备，包括：晶体生长炉，所述晶体生长炉内设置有高温区、梯度区以及低温区；单晶坩埚，所述单晶坩埚位于所述单晶炉的中部，用以容纳砷化镓多晶，且所述单晶坩埚覆盖所述高温区、梯度区以及低温区；加热自动控制组件，所述加热自动控制组件包括用以构成高温区、梯度区以及低温区的多个第一加热元件，相邻所述第一加热元件之间设置有测温热电偶，所述晶体长炉的中部设置有第二加热元件，且各个所述第一加热元件和第二加热元件分别通过控制器进行独立控制。本申请具有提升砷化镓单晶的结晶质量，降低其位错密度的优点。降低其位错密度的优点。降低其位错密度的优点。
【技术实现步骤摘要】
一种GaAs单晶生长设备及GaAs单晶生长工艺
[0001]本申请涉及晶体生长
，更具体地说，它涉及一种GaAs单晶生长设备及GaAs单晶生长工艺。
技术介绍
[0002]化合物半导体是指两种或两种以上元素形成的半导体材料，按照元素数量可以分为二元化合物、三元化合物、四元化合物等，二元化合物半导体按照组成元素在化学元素周期表中的位置还可分为III
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V族、IV
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IV族、II
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VI族等。目前，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的化合物半导体材料已经成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。
[0003]从20世纪50年代开始，就已经开发出了多种砷化镓单晶生长方法。目前主流的工业化生长工艺包括：液封直拉法（LEC）、水平布里奇曼法（HB）、垂直布里奇曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。HB法设备较为简单，可生长低位错密度的GaAs单晶，但该工艺生长周期长，所得晶体截面呈“D”形，加工成圆片时，造成材料损失，因此利用率低。LEC是首先在高压单晶炉内原位合成GaAs后，再以此为籽晶拉制单晶，该方法的优点是可制备出高纯度大尺寸的GaAs单晶，适合规模生产，但其结晶质量略差，位错密度高，而且设备十分昂贵。VGF和VB技术近几年被广泛采用，它们兼具了以上几种方法的优点，可生长出高质量大直径的GaAs单晶，并且设备成本低很多，因而倍受青睐。
[0004]但采用上述生长方法制备砷化镓单晶时，由于砷化镓单晶的热导率小，且产生位错的临界剪切应力比较小，在单晶生长过程中晶体内的热量难以散发，容易产生热应力，导致位错的产生，从而使得采用上述生长方法制备的砷化镓单晶结晶质量略差，位错密度高，有待改进。
技术实现思路
[0005]为了提升砷化镓单晶的结晶质量，降低其位错密度，本申请提供一种GaAs单晶生长设备及GaAs单晶生长工艺。
[0006]第一方面，本申请提供一种GaAs单晶生长设备，采用如下的技术方案：一种GaAs单晶生长设备，包括：晶体生长炉，所述晶体生长炉内设置有高温区、梯度区以及低温区；单晶坩埚，所述单晶坩埚位于所述单晶炉的中部，用以容纳砷化镓多晶，且所述单晶坩埚覆盖所述高温区、梯度区以及低温区；加热自动控制组件，所述加热自动控制组件包括用以构成高温区、梯度区以及低温区的多个第一加热元件，相邻所述第一加热元件之间设置有测温热电偶，所述晶体长炉的中部设置有第二加热元件，且各个所述第一加热元件和第二加热元件分别通过控制器进行独立控制；所述控制器通过控制所述第一加热元件和第二加热元件的温度，使得所述高温区、梯度区以及低温区依次出现。
[0007]通过采用上述技术方案，晶体生长炉内通过加热元件的特殊布置，使得生长炉内设置有高温区、梯度区以及低温区，分别承担化料、生长和保温功能，上述三个区域内的加热组件联动，保持一定的温差，再配合生长炉设置有多个测温热电偶，通过测温热电偶的反馈，控制实现炉内温度场的调控，并且在晶体生长炉内设置有第二加热元件，第二加热元件与第一加热元件之间的控制形成联动，两者之间误差小于某一数值时，第二加热元件启动，保证温度场内温度，使得精准的温度场控制，通过温度场的精准控制，从而提升砷化镓单晶的结晶质量，降低其位错密度。
[0008]优选的，所述控制器使用基于单片机的控制系统、基于微处理器以ARM为核心的控制系统或基于PLC的控制系统。
[0009]优选的，所述控制器基于PLC的控制系统。
[0010]通过采用上述技术方案，PLC程序简单，采集到的监测和分析数据可以简单处理或通过串口通信将数据传送给上位机处理，性能稳定，维护费用低；应用到晶体生长炉中可对单晶坩埚进行精密温度控制，并可使得炉温瞬间波动小于0.5℃，抗干扰力强。
[0011]优选的，所述测温热电偶为NiCr
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NiSi电偶，所述第一加热元件和第二加热元件皆为电磁感应线圈。
[0012]通过采用上述技术方案，NiCr
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NiSi电偶的测温精确度较高，且使用过程中较为稳定。电磁感应线圈升温和降温速率较为快速，便于控制器进行温度的调控，从而使得晶体生长炉内的温度可控度较高。
[0013]优选的，所述控制系统控制所述高温区的温度范围为1250～1260℃，所述梯度区的温度范围为1150～1250℃，所述低温区的温度范围为1100～1150℃。
[0014]通过采用上述技术方案，高温区用以融化砷化镓多晶（砷化镓的熔点为1238℃）；梯度区属于温度缓冲区，可以在高温区和低温区之间形成扩散势垒；低温区用以释放砷化镓单晶的热应力，从而降低砷化镓单晶的位错。
[0015]优选的，所述高温区、梯度区以及低温区的降温冷却速率为0.3～10.0℃/小时。
[0016]在一个具体的实施方案中，所述高温区、梯度区以及低温区的降温冷却速率为0.5℃/小时、0.7℃/小时、1.5℃/小时、6.5℃/小时。
[0017]在一些具体的实施方案中，所述高温区、梯度区以及低温区的降温冷却速率为0.3～0.5℃/小时、0.3～0.7℃/小时、0.3～1.5℃/小时、0.3～6.5℃/小时、0.5～0.7℃/小时、0.5～1.5℃/小时、0.5～6.5℃/小时、0.5～10.0℃/小时、0.7～1.5℃/小时、0.7～6.5℃/小时、0.7～10.0℃/小时、6.5～10.0℃/小时。
[0018]优选的，所述GaAs单晶生长的结晶温度梯度为0.3～10.0℃/cm。
[0019]在一个具体的实施方案中，所述GaAs单晶生长的结晶温度梯度为1.3℃/cm、1.5℃/cm、1.7℃/cm、3.5℃/cm、6.5℃/cm。
[0020]在一些具体的实施方案中，所述GaAs单晶生长的结晶温度梯度为0.3～1.3℃/cm、0.3～1.5℃/cm、0.3～1.7℃/cm、0.3～3.5℃/cm、0.3～6.5℃/cm、1.3～1.5℃/cm、1.3～1.7℃/cm、1.3～3.5℃/cm、1.3～6.5℃/cm、1.3～10.0℃/cm、1.5～1.7℃/cm、1.5～3.5℃/cm、1.5～6.5℃/cm、1.5～10.0℃/cm、1.7～3.5℃/cm、1.7～6.5℃/cm、1.7～10.0℃/cm、3.5～6.5℃/cm、3.5～10.0℃/cm、6.5～10.0℃/cm。
[0021]通过对晶体生长炉降温冷却速率和结晶温度梯度进行优化，使得单晶生长界面的
温度梯度较低，从而生成位错密度也较低的单晶。虽然结晶前沿尽可能低的温度梯度有助于抑制位错的产生，但是过低的维度梯度对结晶不利，甚至会引起其他晶体缺陷。采用本申请所限定的结晶温度梯度可有效的降低砷化镓单晶的位错密度，同时可使得砷化镓单晶具备较高的霍尔迁移率。
[0022]优选的，所述单晶坩埚的底部为漏斗形，并在单晶坩埚漏斗形的末端向下延伸有用以放置籽晶的籽晶井，所述晶体本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种GaAs单晶生长设备，其特征在于，包括：晶体生长炉(1)，所述晶体生长炉(1)内设置有高温区、梯度区以及低温区；单晶坩埚(4)，所述单晶坩埚(4)位于所述单晶炉的中部，用以容纳砷化镓多晶，且所述单晶坩埚(4)覆盖所述高温区、梯度区以及低温区；加热自动控制组件，所述加热自动控制组件包括用以构成高温区、梯度区以及低温区的多个第一加热元件(6)，相邻所述第一加热元件(6)之间设置有测温热电偶(7)，所述晶体长炉的中部设置有第二加热元件(8)，且各个所述第一加热元件(6)和第二加热元件(8)分别通过控制器进行独立控制；所述控制器通过控制所述第一加热元件和第二加热元件的温度，使得所述高温区、梯度区以及低温区依次出现。2.根据权利要求1所述的GaAs单晶生长设备，其特征在于：所述控制系统控制所述高温区的温度范围为1250～1260℃，所述梯度区的温度范围为1150～1250℃，所述低温区的温度范围为1100～1150℃。3.根据权利要求2所述的GaAs单晶生长设备，其特征在于：所述高温区、梯度区以及低温区的降温冷却速率为0.3～10.0℃/小时。4.根据权利要求3所述的GaAs单晶生长设备，其特征在于：所述GaAs单晶生长的结晶温度梯度为0.3～10.0℃/cm。5.根据权利要求1
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4任一项所述的GaAs单晶生长设备，其特征在于：所述单晶坩埚(4)的底部为漏斗形，并在单晶坩埚(4)漏斗形的末端向下延伸有用以放置籽晶的籽晶井(5)，所述晶体生长炉(1)内放置有用以支撑单晶坩埚(4)的支撑座(2)，所述支撑座(2)朝向单晶坩埚(4)的端部与单晶坩埚(4)的锥形侧壁相适配，并在支撑座(2)与单晶坩埚(4)接触的锥形侧壁之间安装有第一加热元件(6)。6.根据权利要求5所述的GaAs单晶生长设备，其特征在于：所述支撑座(2)的中部开设有用以容纳籽晶井(5)的中空孔道(21)，所述中空孔道(21)内放置有玻璃棒(22)。7.根据权利要求6所述的GaAs单晶生长设备，其特征在于：所述支撑座(2)与所述单晶坩埚(4)接触处还设置有冷却管道(23)，所述冷却管道(...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏浩胜，
申请(专利权)人：北京通美晶体技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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