砷化鎵材料制備工藝

從20世紀50年代開始，已經開發出了多種砷化鎵單晶生長方法。目前主流的工業化生長工藝包括：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。

高純砷

1、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的氬氣環境下進行砷化鎵晶體生長。LEC工藝的主要優點是可靠性高，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。

2、 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，可靠性和穩定性高。HB法的優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。

3、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。

4、 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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