本发明专利技术公开了一种砷化镓多晶无液封合成方法和装置，该方法在无液封砷化镓多晶合成基础上，又经过了垂直布里奇曼法定向结晶，合成的圆柱形ＧａＡｓ多晶不存在镓团和砷团，且分布及不均匀，可以直接满足垂直布里奇曼法或者垂直梯度冷凝法ＧａＡｓ单晶生长的需求。该装置包括合成炉体和石墨系统，石墨系统包括保温单元、加热单元、合成单元和使合成单元升降转动的运动单元。采用本发明专利技术的方法合成的ＧａＡｓ多晶化学计量比达到了水平布里奇曼法的水平，避免了Ｓｉ杂质的沾污，本发明专利技术所述合成方法与氧化硼液封合成法相比避免了硼杂质沾污。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体单晶材料制备领域，尤其涉及一种砷化镓(GaAs)多晶 合成的方法和装置。
技术介绍
生长GaAs单晶前提，必须先合成GaAs多晶。GaAs多晶合成经历了水平 布里奇曼法，^氐压氧化硼液封As注入合成法、高压氧化硼液封原位合成法。水平布里奇曼法(谢永桂，超高速化合物半导体器件，北京宇航出版社， 1998， 123 - 145 )合成砷化镓是在密封的石英安培瓶中进行，首先对安培瓶、 石英舟、石英扩散挡板、安培瓶封管、砷化镓籽晶进行去除有机物、重金属离 子处理，然后使用去离子水清洗干净后烘干；石英舟在经喷砂、喷镓后，装入 镓和籽晶，推入安培瓶；在石英舟中装上扩散挡板，按化学计量比计算砷量， 将一定量的砷装入安培瓶；使用氢氧火焰将扩散挡板与安培瓶融为一体，再烧 熔安培瓶密封帽，此帽预留抽真空管路；把安培瓶放在封管炉中，镓端的温度 控制在70(TC，砷端温度控制在28(TC,抽真空直至封管炉内的压强到1-5x10 "腿Hg以下时，恒温2小时，去除镓的氧化硼膜和砷的氧化膜；接下来，用氬 氧焰封闭抽空石英管，将安培瓶放入水平单晶炉中升温到615°C，砷端恒温，镓 端继续升温到1250°C，从砷段升华经扩散挡板进入镓端实现砷化镓合成。水平 布里奇曼合成法的优点是合成的多晶的砷、镓的比最好，接近1: 1，合成的 多晶不存在砷团和镓团。该方法的缺点是采用石英安培瓶合成GaAs多晶，容 易造成Si杂质沾污，故合成的GaAs多晶难满足高质量高阻半绝缘单晶的生长要求，而且合成准备和操作过程复杂。低压氧化硼液封As注入合成法(杨树人、王宗昌、王兢，半导体材料，北京科学出版社，2004， 133 ~ 159)的过程如下首先在温度为900 ~ 1000。C的 真空条件下对氧化硼进行脱水，在氮化硼坩埚中装入镓、氧化硼，在带机械手 的石英安培瓶瓶中装入砷，密封合成炉体。在对合成炉体抽真空的条件下，加 热器升温到600~700°C，移动装有砷的石英安培瓶接近氮化硼坩埚上部，去除 砷的氧化膜，然后往合成炉体中充入高纯氩气直至炉内压强为0.15MPa，将装有 砷的石英安培瓶下端的石英管插入液封氧化硼下部的液镓中，逐渐升温使石英 安培瓶中的砷升华为蒸气与镓反应生成砷化镓多晶，然后拔出装有砷的石英安 培瓶，熔化多晶下降籽晶进行晶体生长。低压氧化硼液封As注入合成法的优点 是合成的GaAs多晶的砷、镓的比接近l: 1，合成的GaAs多晶大多处于轻富 As或轻富Ga状态。缺点是合成GaAs多晶时，采用石英安培瓶盛装砷，故容 易造成Si杂质沾污。合成炉体增加了机械手，使合成操作控制过程复杂。合成 石墨系统也易引入碳杂质沾污。采用氧化硼液封液镓，由于氧化硼的原子键能 力较弱，易与碳杂质发生氧化还原反应而引入硼杂质。高压氧化硼液封原位合成法(夏德谦，高压液封原位合成直拉半绝缘砷化 镓单晶的生长，第二届全国半导体学术会议论文集摘要，1982， 26 28)的大 致过程如下在高压单晶炉的石墨系统的氮化硼坩埚中直接装入原材料镓、砷、 氧化硼，密封炉体。对炉体抽真空直至10Pa以下，然后充入高纯氩气直至炉内 压强为0.5MPa，升温至450 550。C,恒温1小时。接下来，从观察窗口观察， 当氧化硼完全熔化覆盖了镓和砷，且炉体内增压到3.0MPa以上时，快速升温， 当温度达到800~ 1000。C范围内某一个温度值，炉体内压力大于6.0MPa，固态 砷变成液态砷与液态镓快速化合反应生成砷化镓多晶。合成是放热反应，可以 从观察窗口看见坩埚中突然变亮，表明合成反应的发生。最后，再升温使合成 的多晶熔化后，下降軒晶进行晶体生长。该方法的优点是合成的GaAs多晶的 砷、镓的比接近l: 1,合成的GaAs多晶处于轻富As或轻富Ga状态，且纯度高，缺点是合成采用了原材料氧化硼，易引入硼杂质沾污，石墨系统也易引入碳杂质沾污。专利200320129499.3中记载的化合物半导体材料多晶合成装置，包括压力 容器，压力容器内设置的PBN(热解氮化硼，是特种陶瓷材料)坩埚和主加热 器。PBN坩埚放置在坩埚托上，直径为130mm，坩埚托下部与坩埚轴相连接。 在蚶埚托下面围绕坩埚轴设置有辅助加热器，辅助加热器与坩埚托和坩埚之间 都保持一定间隙。辅助加热器连接在辅助加热器电极上。主加热器围绕坩埚设 置并与坩埚保持一定间隙，主加热器连接在主加热器电极上。主加热器的外围 设有主环形保温套，主环形保温套的上表面的一部分为向下凹陷的主环形保温 套内圓平台，主环形保温套内圆平台上设置有内保温套，坩埚托的上沿和内保 温环的内圆台阶密合。专利200310121161.8在专利200320129499.3中记载的化合物半导体材料多 晶合成装置的基础上提出了一种无液封合成砷化镓多晶材料的工艺方法，该方 法的大致过程如下在高压合成炉内的氮化硼坩埚中直接装入原材料镓、砷，加氮化硼坩埚盖， 密封炉体。对炉体抽真空直至10Pa以下，然后充入惰性气体直至炉内增压到 3.0MPa左右，快速升温，当温度达到800 ~ 1000"C范围内某一个温度值，炉体 内压力大于6.0MPa，固态砷变成液态砷与液态4家快速化合反应生成砷化4家多晶。 接下来再进一步升温使合成的多晶熔化后，最后降温。无液封合成GaAs多晶材 料的工艺方法的优点是工艺时间短、产量高、纯度有保证，可直接满足LEC GaAs单晶生长的使用而无需再处理，整块GaAs多晶富As量控制士3g,且合成 成本低，可以满足大规模工业化生产的需求。该方法的缺点是每块多晶中存 在As团和Ga团，且分布不均匀；合成过程中的砷损耗较大，多晶的富砷量难 以控制在士lg以内；由于合成炉内的氮化硼坩埚的直径是130mm,而垂直布里 奇曼法和垂直梯度冷凝法GaAs单晶生长时坩埚的直径是50mm，合成的砷化镓 多晶不能直接满足垂直布里奇曼法和垂直梯度冷凝法GaAs单晶生长的使用，还需进行额外的处理。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是，提供一种砷化镓多晶无液封合成方法和装置，克服了无氧化硼液封合成GaAs多晶中存在As团和Ga团，且分布不均匀的缺 陷。本专利技术采用的技术方案是，所述砷化镓多晶无液封合成方法，包括如下步骤步骤一、在氮化硼蚶埚中装入镓和砷，将氮化硼坩埚装入石墨坩埚中，然 后依次盖上石墨坩埚盖和石墨保温罩；步骤二、关闭合成炉体，抽真空直至合成炉体内的压强为10Pa以下，关闭 真空阀门；步骤三、緩慢充入惰性气体，直到合成炉体内的压强为2.8~3.2MPa时， 开炉体冷却循环水，然后经过三次阶段性升温达到化料温度；步骤四、在化料温度保持恒温40分钟，炉体气压慢慢降压到2.0MPa时， 旋转下降石墨坩埚，实现砷化镓熔体从下向上结晶；步骤五、合成炉体经过两次阶段性降温到达900。C时关断加热器，同时停止 旋转石墨坩埚，使合成炉体自然降温；步骤六、当合成炉体内的温度低于4(TC时，给合成炉体放气，取出砷化镓 多晶。一种砷化镓多晶无液封合成装置，包括合成炉体和位于合成炉体内的石墨 系统，石墨系统包括保温单元、加热单元、合成单元和使合成单元升降转动的 运动单元，保温单元包括石墨保温罩和石墨保温桶，加热单元和合成单元位于 保温单元的内部的，位于合成单元外围中下部的加本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种砷化镓多晶无液封合成方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一、在氮化硼坩埚中装入镓和砷，将氮化硼坩埚装入石墨坩埚中，然后依次盖上石墨坩埚盖和石墨保温罩； 步骤二、关闭合成炉体，抽真空直至合成炉体内的压强为１０Ｐａ以下，关闭真 空阀门； 步骤三、缓慢充入惰性气体，直到合成炉体内的压强为２．８～３．２ＭＰａ时，开炉体冷却循环水，然后经过三次阶段性升温达到化料温度； 步骤四、在化料温度保持恒温４０分钟，炉体气压慢慢降压到２．０ＭＰａ时，旋转下降石墨坩埚，实 现砷化镓熔体从下向上结晶； 步骤五、合成炉体经过两次阶段性降温到达９００℃时关断加热器，同时停止旋转石墨坩埚，使合成炉体自然降温。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周春锋，刘晏凤，杨连生，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津晶明电子材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]
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