gaas单晶制备方法

砷化镓材料制备工艺从20世纪50年代开始，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）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。

3.1液封直拉法（Liquid Encapsulated Czochralski，简称LEC）LEC法是生长非掺半绝缘砷化镓单晶（SI GaAs）的主要工艺，目前市场上80%以上的半绝缘砷化镓单晶是采用LEC法生长的。

LEC法采用石墨加热器和PBN坩埚，以B2O3作为液封剂，在2MPa的氩气环境下进行砷化镓晶体生长。

LEC工艺的主要优点是可靠性高，容易生长较长的大直径单晶，晶体碳含量可控，晶体的半绝缘特性好。

其主要缺点是：化学剂量比较难控制、热场的温度梯度大（100~150 K/cm）、晶体的位错密度高达104以上且分布不均匀。

日本日立电线公司于1998年首先建立了6英寸LEC砷化镓单晶生产线，该公司安装了当时世界上最大的砷化镓单晶炉，坩埚直径400mm，投料量50公斤，生长的6英寸单晶长度达到350 mm。

德国Freiberger公司于2000年报道了世界上第一颗采用LEC工艺研制的8英寸砷化镓单晶。

3.2 水平布里其曼法（Horizontal Bridgman，简称HB）HB法是曾经是大量生产半导体（低阻）砷化镓单晶（SC GaAs）的主要工艺，使用石英舟和石英管在常压下生长，可靠性和稳定性高。

HB法的优点是可利用砷蒸汽精确控制晶体的化学剂量比，温度梯度小从而达到降低位错的目的。

HB砷化镓单晶的位错密度比LEC 砷化镓单晶的位错密度低一个数量级以上。

主要缺点是难以生长非掺杂的半绝缘砷化镓单晶，所生长的晶体界面为D形，在加工成晶片过程中将造成较大的材料浪费。

同时，由于高温下石英舟的承重力所限，难以生长大直径的晶体。

目前采用HB工艺工业化大量生产的主要是2英寸和3英寸晶体，报道的HB法砷化镓最大晶体直径为4英寸。

砷化镓单晶的制备及应用李卫学号24101901672 序号38摘要随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代.作为信息领域的命脉，光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。

砷化镓作为第二代III-V族化合物半导体材料，现在虽然还没有硅材料应用的普及，但它凭借着工作速度和频率上的优势也在迅速地扩大着它的使用领域。

为了能让大家更好地了解砷化镓这个具有无限潜力和广阔前景的半导体单晶,我决定对砷化镓的制备工艺过程及其应用做一些介绍。

一、砷化镓的制备过程随着对砷化镓使用的愈加广泛，人类对砷化镓的制备工艺也在进行着不断地研究和完善，到目前为止已经有多种砷化镓的制备工艺技术，其中最主要的要属水平布里奇曼法和液态密封法。

下面我将对液态密封法制备砷化镓工艺全过程做一些介绍。

液态密封法也称LEP法或LEC法，它是目前拉制大直径III—V族化合物晶体的最重要的方法。

它的大概过程是再高压炉内，将欲拉制的化合物材料盛于石英坩埚中，上面覆盖一层透明而黏滞的惰性熔体，将整个化合物熔体密封起来，然后再在惰性熔体上充以一定压力的惰性气体，用此法来抑制化合物材料的离解。

LEC法制备砷化镓单晶的工艺流程如下：1.装料：一石英杯装Ga，一石英安瓶装As，石英坩埚中装B2O3.2。

抽真空下,B2O3加热脱水（900—1000度），Ga杯，As瓶烘烤除去氧化膜。

3。

降温至600—700度，将Ga倒入坩埚内沉没在B2O3下，充Ar气。

3．降温至600-700度，将Ga倒入坩埚内沉没在B2O3下，充Ar气。

4.As安瓶下端的毛细管尖插入Ga夜中,升温至合成温度，As受热气化溶入Ga内生长GaAs。

5。

拔出安瓶管，并按Si直拉法拉晶程序，引晶-缩颈-放肩-等径生长—收尾拉光等步骤拉制GaAs单晶.下面对整个制备工艺过程的几个方面加以详细介绍：(一）、密封化合物熔体的惰性熔体应具备以下条件:1.密度比化合物材料小,熔化后能浮在化合物熔体上面。

半导体GaAs太阳能电池制备一：GaAs材料简介1：GaAs材料做太阳能电池的优势：GaAs材料有良好的吸收系数，在波长0.85μm一下，GaAs的光吸收系数急剧升高，达到104 cm-1以上，比硅材料要高一个数量级，而这正是太阳光谱中最强的部分。

因此，对于GaAs太阳能电池而言，只要厚度达到3μm，就可以吸收太阳光谱中约95％的能量。

GaAs太阳能电池的抗辐射能力强，有研究指出，经过1×1015cm-2的1MeV的高能电子辐射，高效空间硅太阳能嗲吃的效率降低为原来的66％，而GaAs太阳能电池的效率仍保持在75％以上。

显然，GaAs太阳能电池在辐射强度大的空间飞行器上有更明显的优势。

2：GaAs材料的能带结构：图1.11GaAs的能带结构由图1.1可以看出，它的导带的极小值位于K=0处，等能面是球型等能面。

导带底电子有效质量是各向同性的。

3：GaAs材料具有负阻特性。

这是因为，GaAs的[100]方向上具有双能谷能带结构，除K=0处导带有极小值外，在[100]方向边缘上存在另一个比中心极小值仅高0.36eV的导带极小值，因此电子可处于主，次两个能谷。

在室温下，主能谷的电子很难跃迁到次能谷中去，因为室温时电子的平均热能约为0.026eV。

但电子在主能谷中有效质量较小，迁移率大，而在次能谷中有效质量大，迁移率小，且次能谷中的状态密度又比主能谷大。

一旦外电场超过一定的阈值，电子就能由迁移率大的主能谷转移到迁移率小的次能谷，从而出现电场增大，电流减小的负阻现象。

【1】4：GaAs材料特征。

GaAs材料在室温下呈暗灰色，有金属光泽，较硬，性脆，相对分子质量为144.64；在空气或水蒸气中能稳定存在；但在空气中，高温600 度时可以发生氧化反应，高温800度以上可以产生化学离解，常温下化学性质也很稳定，不溶于盐酸，但溶于硝酸和王水。

【2】和其他三五族化合物半导体能带结构的一些共同特征。

因为闪锌矿和金刚石型结构类似，所以第一布里渊区也是截角八面体的形式。

lec砷化镓单晶生长技术
砷化镓（GaAs）单晶生长技术是一项关键的半导体制备技术，
用于制造高性能光电子器件和集成电路。

砷化镓单晶生长技术通常
采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）等方法。

MOCVD是一种常用的砷化镓单晶生长技术，它利用金属有机化
合物和气相的反应来沉积单晶薄膜。

在MOCVD过程中，砷化镓单晶
通常在高温下（约600-700摄氏度）通过热分解金属有机化合物来
实现。

通过控制反应条件和衬底表面的结构，可以实现高质量、均
匀性好的砷化镓单晶生长。

另一种常见的生长技术是分子束外延（MBE），它是一种高真空
技术，通过分子束的热蒸发来沉积单晶薄膜。

在MBE过程中，砷化
镓单晶通常在超高真空环境下通过热蒸发金属源和砷源来实现。

MBE
技术能够实现非常精确的控制，因此在制备复杂结构和多层异质结
的器件时具有优势。

除了MOCVD和MBE，还有其他一些砷化镓单晶生长技术，如气
相外延（VPE）、液相外延（LPE）等。

这些技术各有优缺点，适用
于不同的应用场景和器件制备要求。

总的来说，砷化镓单晶生长技术是一个复杂而关键的领域，需要充分考虑材料的纯度、均匀性、晶格匹配等因素，以实现高质量的砷化镓单晶生长。

随着半导体器件的不断发展和应用需求的不断变化，砷化镓单晶生长技术也在不断创新和进步。

无机半导体材料GaAs的结构、制备及应用摘要砷化镓(GaAs)是Ⅲ-Ⅴ组化合物半导体中最重要、用途最广的半导体材料。

本文综述了GaAs材料的结构性质、主要制备方法及其典型应用。

关键词GaAs 结构性质制备应用1. 前言化合物半导体材料砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是微电子和光电子的基础材料,而GaAs则是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料,也是目前研究得最成熟、生产量大的化合物半导体材料。

由于GaAs具有电子迁移率高、禁带宽度大且为直接带隙,容易制成半绝缘材料、本征载流子浓度低、光电特性好、以及具有耐热、抗辐射性能好和对磁场敏感等优良特性。

用GaAs材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高,能满足集成光电子的需要。

它是目前最重要的光电子材料,也是继硅材料之后最重要的微电子材料,它适合于制造高频、高速的器件和电路。

2. 结构性质[1]GaAs是一种无机非线性光学材料，它的导带极小值位于k=0处，等能面是球形等能面。

导带底电子有效质量是各向同性的。

m e*=0.068m0。

由于这一导带底对应的能量水平较低，故相应的极值能谷称为下能谷。

与此同时，在[100]方向还存在另一极小值，能量比k=0的极小值高0.36eV。

由于它的能带曲率小，故对应的电子有效质量大，m e*=1.2m0，该导带的底部能量水平高，故称为上能谷。

GaAs的价带极值位于k=0处，而且也有两支在k=0重合。

有一支重空穴，一支轻空穴。

重空穴所在能带，空穴有效质量为(m p)h=0.45m0；轻空穴所在能带，空穴有效质量为(m p)l=0.082m0。

GaAs的能带结构有下述特点：①GaAs导带极小值k=0处，价带极大值也在k=0处，为直接带隙型。

对GaAs来说，Eg=1.34eV, 因此GaAs中电子跃迁产生或吸收的光子波长λ=9×102nm，光子的波失大致是q=7×104cm-1,而电子的波失k=2л/a。

砷化镓的化学式砷化镓是一种重要的半导体材料，其化学式为GaAs。

它由镓和砷两种元素组成，具有优异的电学性能和光学性能，被广泛应用于光电子学、电子学、通信、计算机等领域。

本文将介绍砷化镓的化学式、物理性质、制备方法、应用及安全性等方面的内容。

一、砷化镓的化学式及物理性质砷化镓的化学式为GaAs，其中Ga表示镓元素，As表示砷元素。

它的相对分子质量为144.64，密度为5.31 g/cm，熔点为1238℃，沸点为？。

砷化镓具有非常高的电子迁移率和热导率，同时也具有良好的光学性能。

它是一种直接能隙半导体，其带隙宽度为1.42 eV，在可见光范围内有很好的吸收性能。

此外，砷化镓还具有高的硬度和化学稳定性，不易受到氧化、腐蚀等影响。

二、砷化镓的制备方法砷化镓的制备方法主要有以下几种：1. 气相外延法气相外延法是一种常用的制备砷化镓晶体的方法。

它通过将镓和砷的气态前驱物输送到基片表面，使其在基片上形成砷化镓晶体。

这种方法可以制备出高质量、大尺寸的砷化镓单晶，并且可以控制其形貌和结构。

2. 分子束外延法分子束外延法是一种高温高真空下的制备方法，它通过将分子束照射到基片表面，使其在基片上形成砷化镓晶体。

这种方法可以制备出高质量、低缺陷密度的砷化镓薄膜，并且可以控制其厚度和结构。

3. 液相外延法液相外延法是一种制备砷化镓晶体的传统方法，它通过在高温下将砷和镓的液态前驱物混合，使其在基片上形成砷化镓晶体。

这种方法可以制备出大尺寸的砷化镓晶体，但是晶体质量较差，缺陷密度较高。

三、砷化镓的应用砷化镓作为一种重要的半导体材料，具有广泛的应用前景。

它被广泛应用于光电子学、电子学、通信、计算机等领域，主要包括以下几个方面：1. 光电子学砷化镓具有优异的光学性能，可以用于制备高效的光电器件，如光电探测器、太阳能电池、激光器等。

2. 电子学砷化镓具有高的电子迁移率和热导率，可以用于制备高速、高频的电子器件，如高速场效应晶体管、微波集成电路等。

GaAs和AlGaAs半导体材料的制备及其电学性能研究GaAs 和 AlGaAs 半导体材料是当前广泛应用于光电子与微电子领域的重要半导体材料。

本文将介绍这两种材料的制备方法及其电学性能研究。

一、GaAs半导体材料制备方法1.分子束外延法（MBE）分子束外延法是目前制备GaAs薄膜的主要方法之一。

该方法的步骤如下：首先，在高真空条件下，将Ga和As分子通过热源加热并喷射到基片表面上，形成一个薄膜。

在此过程中，基片表面会先被As覆盖，然后再加入Ga原子，使其与As原子反应生成GaAs晶体。

此外，在该过程中，可以通过控制加热器的温度和压强来调节Ga和As的流速和比例，从而得到不同形态和组成的薄膜。

2.金属有机气相沉积法（MOCVD）金属有机气相沉积法也是制备GaAs半导体材料的主要方法之一。

该方法的步骤与MBE法类似，但是使用的是金属有机化合物和气态源材料。

在此过程中，液态有机金属化合物通过加热分解生成金属原子和有机气态物质。

Ga和As源材料也以气态形式加入，控制金属源和As源的蒸发速率，使它们分子间相遇反应生成GaAs晶体。

3.分别生长法分别生长法是指先在基片上生长一层厚度较大的相应衬底层，然后在衬底层上沉积半导体薄膜。

衬底层可以选择Si、Ge等单晶材料，以保证晶体与基片的匹配度和质量。

GaAs的制备中，一般采用Ge衬底，因为GaAs的晶格参数与Ge较接近，容易获得高质量的GaAs晶体。

二、AlGaAs半导体材料制备方法AlGaAs的制备方法基本上和GaAs相同，只是在加入As源材料的同时，还加入Al原子和As原子的混合源材料。

Al和Ga原子相互掺杂，生成含有不同Al含量的AlGaAs晶体。

三、 GaAs和AlGaAs半导体材料的电学性能研究1.电性能特点GaAs半导体材料具有较高的电子迁移率、较快的载流子寿命和较小的激子激子复合系数等特点，从而表现出良好的高频性能和高速性能。

AlGaAs半导体材料中，Al含量的增加可以降低禁带宽度，从而改变电学性能。

第53卷第3期2024年3月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.53㊀No.3March,20248英寸半导电型GaAs 单晶衬底的制备与性能表征任殿胜,王志珍,张舒惠,王元立(北京通美晶体技术股份有限公司,北京㊀101113)摘要:本文使用垂直梯度凝固(VGF)法制备了直径超过200mm 的Si 掺杂GaAs 单晶㊂通过多线切割㊁磨边㊁研磨㊁化学机械抛光和湿法化学清洗等加工工序制备出8英寸半导电型GaAs 单晶衬底㊂使用X 射线衍射㊁位错密度检测㊁霍尔测试㊁非接触式表面电阻率测试㊁光致发光测试和晶圆表面缺陷检测等对8英寸GaAs 衬底的晶体质量㊁位错㊁电学性能和表面质量等特性进行了测试分析㊂结果表明:衬底(400)衍射峰半峰全宽低于0.009ʎ;平均位错密度低于30cm -2,其中,晶体头部平均位错密度为1.7cm -2,且有98.87%的面积位错密度为0;衬底面内电阻率标准差小于6%,面内光致发光强度标准差小于4%,ȡ0.2μm 的表面光点缺陷(LPD)个数小于10㊂上述结果表明,所制备的8英寸GaAs 衬底质量优异,满足外延器件对高质量衬底的要求㊂关键词:GaAs;垂直梯度凝固;8英寸;单晶衬底;位错密度中图分类号:O785㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2024)03-0487-10Fabrication and Characterization of 8Inch Semiconducting GaAs Single Crystal SubstrateREN Diansheng ,WANG Zhizhen ,ZHANG Shuhui ,WANG Yuanli (Beijing Tongmei Xtal Technology Co.,Ltd.,Beijing 101113,China)Abstract :Si doped GaAs single crystal with diameter over 200mm was prepared by vertical gradient freeze (VGF)method.The 8inch GaAs single crystal substrate was obtained through multi-line cutting,edging,grinding,chemical mechanical polishing and wet cleaning.The crystal quality,dislocation density,electrical properties and surface quality of 8inch GaAs substrate were characterized by X-ray diffraction,dislocation density inspection,Hall measurement,non-contact surface resistivity measurement,photoluminescence and wafer surface defect inspection.The results show that the full width of half maximum (FWHM)of substrate (400)diffraction peak is smaller than 0.009ʎ,the average dislocation density is lower than 30cm -2,the lowest dislocation density is 1.7cm -2and 98.87%area are zero dislocation.Moreover,the standard deviationof surface resistivity and photoluminescence intensity are smaller than 6%and 4%,respectively.The number of the spot with light point defect (LPD)ȡ0.2μm is less than 10.The results show that the 8inch semiconducting GaAs single crystal substrate with excellent performance is developed and can be used as the high quality substrate for epitaxial growth and devices fabrication.Key words :GaAs;vertical gradient freeze;8inch;single crystal substrate;dislocation density ㊀㊀收稿日期:2023-11-02㊀㊀作者简介:任殿胜(1966 ),男,山西省人,博士,高级工程师㊂E-mail:diansheng.ren@ ㊀㊀通信作者:王志珍,博士㊂E-mail:zhizhen.wang@ 0㊀引㊀㊀言砷化镓(GaAs)是目前最重要㊁最成熟的化合物半导体材料之一,其具有电子迁移率高㊁禁带宽度大和发光效率高等特性,被广泛应用于半导体激光器㊁LED㊁Micro-LED 等光电器件领域[1-3]㊂随着半导体产业的高速发展,新技术新产品对衬底质量要求越来越高(更低的位错密度㊁更高的均匀性等)㊂同时,对大尺寸衬底的需求也越来越强烈㊂高质量㊁大尺寸的GaAs 衬底可以有效降低单个器件的成本㊂国内外学者对GaAs 晶体进行了相关研究㊂1956年,Gremmelmeier 使用一个热场装置成功生长了GaAs488㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷单晶[4]㊂目前,GaAs单晶的生长方式主要有液封直拉法(liquid-encapsulation Czochralski,LEC)㊁垂直布里奇曼(vertical Bridgman,VB)和垂直梯度凝固(vertical gradient freezing method,VGF)方法㊂LEC方法生长的晶体具有圆形截面,非常适合生产,但是由于生长过程中晶体存在较高的热应力和热塑性弛豫,使得LEC方法生长的晶体位错密度很高[5]㊂相比而言,VB和VGF方法制备的晶体位错密度会显著降低[6]㊂Hoshikawa 等[7]采用VB方法合成了直径为80mm的半绝缘GaAs单晶,其位错密度可达LEC方法合成晶体的五分之一㊂Gault等[8]使用VGF方法获得了头部EPD为214cm-2的50mm GaAs单晶㊂路淑娟等[9]使用VGF方法制备了位错密度小于1000cm-2的3英寸(1英寸=2.54cm)GaAs单晶㊂Sonnenberg等[10]使用VB法并引入石英坩埚生长出位错密度小于1000cm-2的4英寸GaAs单晶㊂美国AXT公司是全球首家将VGF技术用于大规模生产的厂家,为产业界提供了不同尺寸㊁低位错密度的高质量衬底㊂目前6英寸GaAs衬底是主流产品,8英寸已经开始产业化[11-13]㊂国际上,美国AXT(北京通美)㊁德国FREIBERGER及日本住友(SUMITOMO)都可以提供8英寸GaAs衬底㊂FREIBERGER提供的8英寸GaAs衬底主要以半绝缘型为主,其应用场景与半导电型衬底有差异㊂SUMITOM的8英寸半导电型GaAs衬底位错密度最低可达1cm-2,其载流子浓度在(1.20~3.13)ˑ1018cm-3,面内载流子浓度均匀性最佳可达1.2%㊂国内主要以小尺寸产品为主㊂本文采用VGF方法生长了8英寸GaAs单晶,通过一系列工艺获得了8英寸GaAs衬底,并系统地表征了衬底的质量㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀单晶衬底制备使用VGF方法生长8英寸GaAs单晶,生长温度1238ħ㊂使用多线切割方式对GaAs晶体进行切割,切割厚度为800μm㊂对衬底依次进行磨边㊁研磨㊁抛光及湿法化学清洗,最后获得满足要求的8英寸GaAs 单晶衬底㊂1.2㊀性能测试与表征使用X射线衍射(X-Ray diffraction,XRD)仪对GaAs衬底进行高分辨X射线衍射测试,Cu靶,Kα1为1.5406Å,测试电压和电流分别为40kV和40mA㊂使用位错密度(etch pit density,EPD)检测系统对GaAs 的位错密度进行分析统计,单视场大小为1.25mmˑ1.0mm,共分析25928个区域㊂使用美国AXT搭建的霍尔(Hall)测试系统,对8英寸单晶衬底距边缘5mm处㊁1/2半径处以及中心三个区域进行电学性能测试,取样尺寸为8.0mmˑ8.0mm㊂使用MRES-2000非接触式表面面电阻率分布系统(contactless resistivity measurement system,Res Mapping)对GaAs单晶衬底电阻率分布进行检测,检测105个区域㊂使用RPM2000荧光光谱(photoluminescence,PL)分析GaAs的缺陷及晶体质量,激光波长为532.0nm,激光功率为4.87mW,狭缝宽度为0.1mm,光谱扫描分辨率为1.02nm㊂使用辉光放电质谱(glow discharge mass spectrometry,GDMS)对GaAs中痕量元素进行检测㊂使用Tropel®FlatMaster200对8英寸衬底的平整度进行测量,分割网格大小为20.0mmˑ20.0mm㊂使用Tencor Surfscan6220对衬底的光点缺陷(light point defect,LPD)进行检测,边缘去除8.0mm㊂使用Nanosurf C3000原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)对清洗后的GaAs衬底表面粗糙度进行测试,探针型号为Atespa-10,扫描范围5.0μmˑ5.0μm,扫描速度为0.78s/line㊂2㊀结果与讨论2.1㊀8英寸GaAs单晶衬底的晶体质量使用VGF方法生长的8英寸的GaAs单晶照片如图1(a)所示,晶体直径达到了203mm㊂晶体为规则的圆柱形,表面呈现金属光泽㊂使用多线切割方法对GaAs单晶进行切割,切割后的衬底依次进行磨边㊁研磨㊁抛光及湿法化学清洗,最后获得8英寸GaAs单晶衬底,衬底照片如图1(b)所示㊂为了表征晶体质量,在晶体头部和尾部各选取一片衬底,样片编号为PO381-Head及PO381-Tail㊂对每一片衬底距边缘5mm位置㊁1/2ˑR处以及中心进行XRD测试,测试结果如图1(c)和(d)所示㊂由测试结果可以看出,不同测试位置的㊀第3期任殿胜等:8英寸半导电型GaAs单晶衬底的制备与性能表征489㊀衍射峰角度是不完全一致的,衍射角度在32.96ʎ~33.05ʎ㊂XRD中衍射峰的位置由布拉格公式决定㊂2d sinθ=nλ(1)式中:d为晶面间距,λ为Cu靶X射线衍射波长㊂图1㊀8英寸GaAs单晶㊁衬底及XRD图谱㊂(a)8英寸GaAs单晶照片;(b)8英寸GaAs单晶衬底照片;PO381-Head(c)及PO381-Tail(d)在边缘㊁1/2ˑR处以及中心三个区域的高分辨XRD图谱Fig.1㊀Single crystal,substrate and XRD patterns of8inch GaAs.(a)Photo of8inch GaAs single crystal;(b)photo of8inch GaAs single crystal substrate;XRD patterns of PO381-Head(c)and PO381-Tail(d)at edge,1/2ˑR and central regions 图1(c)和(d)中θ处于32.96ʎ~33.05ʎ的三个衍射峰均为GaAs的(400)衍射峰㊂同一个衬底上不同测试位置的衍射峰角度有偏移,这主要是由于不同区域的GaAs组分不完全一致㊂从图中可以看出,(400)衍射峰是单一衍射峰,无其他肩峰出现,说明衬底为单一晶体,无小角度晶界等㊂衍射峰参数如表1所示,由表可见,不同位置的衍射峰半峰全宽(full width at half maximum,FWHM)均低于0.009ʎ,表明单晶衬底具有良好的晶体质量㊂表1㊀单晶衬底的XRD(400)衍射峰位置和FWHMTable1㊀XRD(400)diffraction peak position and FWHM of single crystal substratesParameter PO381-Head PO381-TailEdge1/2ˑR Central Edge1/2ˑR Central θ/(ʎ)33.031033.024632.980933.017233.023533.0308 FWHM/(ʎ)0.007210.007840.004720.004750.008900.00457为了进一步表征晶体不同位置的衬底质量,在晶体中部进行了取样,样品编号PO381-Middle㊂随后,使用熔融的KOH对三个样片进行腐蚀处理㊂KOH对GaAs的腐蚀具有各向异性,因此腐蚀后显示的缺陷具有特定的形态,这些缺陷一般称为腐蚀坑(etch pit),其在显微镜下的形貌为规则的六边形㊂参考SEMI M83-0820标准,使用69点模板对三个样片进行腐蚀坑密度(etch pits density,EPD)测试,显微镜放大倍数为50倍,单个视场方块面积为0.024cm2,测试结果如图2所示㊂PO381-Head平均EPD为14cm-2,最大EPD 为250cm-2;PO381-Middle平均EPD为21cm-2,最大EPD为500cm-2;PO381-Tail平均EPD为31cm-2,最大EPD为708cm-2,具体数值如表2所示㊂490㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷图2㊀衬底的69点EPD 测试图Fig.2㊀69points EPD maps of substrates表2㊀三个衬底片的69点EPD 测试结果Table 2㊀69points EPD measurement results of the three substratesSample ID Average EPD /cm -2Max EPD /cm -2PO381-Head14250PO381-Middle21500PO381-Tail 31708模板法可以较好地表征衬底上腐蚀坑的分布,但是仍然有一些区域是未被检测的㊂使用位错密度检测系统可以获得8英寸衬底完整的腐蚀坑分布㊂图3(a)㊁(c)和(e)分别为PO381-Head㊁PO381-Middle 和PO381-Tail 的显微镜扫描图像,由图可以看出,衬底在Notch 角顺时针约45ʎ的靠近边缘区域有腐蚀坑聚集,其他区域无明显腐蚀坑,这说明衬底质量是良好的㊂此外,对腐蚀坑进行了数值统计,获得了衬底表面完整的㊁具体的EPD 分布,如图3(b)㊁(d)和(f)所示㊂统计结果显示,PO381-Head 的平均位错密度为1.7cm -2,PO381-Middle 的平均位错密度为10.4cm -2,PO381-Tail 的平均位错密度为24.5cm -2,同时,三个衬底分别有98.87%㊁96.76%和91.54%的面积EPD 为0;99.58%㊁98.35%和94.91%的面积EPD <100cm -2㊂这一结果已经接近6英寸单晶衬底的水平,与目前已经报道的8英寸GaAs 衬底水平相当,处于行业先进水平[13]㊂光致发光是指材料受到光的激发进而发射光的现象㊂光致发光在半导体材料的结构㊁组分和性能表征方面有重要应用㊂材料的本征发光波长与其带隙有直接关联,GaAs 是直接带隙半导体材料,发射波长λ0可以由以下公式计算㊂λ0=2πħc E g (2)式中:E g 为带隙宽度,λ0为本征发射波长,c 为真空中的光速,ħ=h /2π,h 为普朗克常数㊂GaAs 在室温下的带隙宽度为1.43eV,因此发光波长约为860nm㊂如图4(a)所示,PO381-Head 的发射波长在858~865nm,标准差为0.15%,这表明衬底上各个位置的带隙宽度接近,PO381-Head 衬底晶体组分比较均匀㊂图4(b)㊁(c)为PO381-Head 的发光强度分布图,可以发现该PL 强度分布图与EPD 分布图有很好的对应关系,EPD 高的区域对应的发光强度高,EPD 低的区域对应的发光强度低㊂这说明EPD 高的区域缺陷较多,载流子浓度高,发光强度得到了提高㊂图4(d)为PO381-Head 的发射峰半峰全宽分布图,其半峰全宽为46.5~52.6nm,平均标准差为2.041%,无环状晶体生长纹㊂为了便于比较晶体中不同位置衬底的质量,将三个样片的PL 结果进行比对说明㊂图5(a)为PO381-Head㊁PO381-Middle 及PO381-Tail 的发光波长㊁发光强度及半峰全宽平均值结果㊂由图可见,发光波长从晶体头部到尾部逐渐减小,发光强度及半峰全宽逐渐增大㊂发光波长减小表明晶体头部至尾部的晶体带隙逐渐增大,晶体组分发生变化㊂发光强度增大表明晶体头部至尾部的载流子浓度逐渐增大,在后文中也会进行讨论㊂图5(b)为PO381-Head㊁PO381-Middle 及PO381-Tail 的发光波长㊁发光强度及半峰全宽平均值的标准㊀第3期任殿胜等:8英寸半导电型GaAs单晶衬底的制备与性能表征491㊀差㊂PO381-Middle发光波长标准差为0.17%,发光强度标准差为2.16%,发射峰半峰全宽标准差为2.13%; PO381-Tail发射波长标准差为0.17%,发光强度标准差为3.38%,发射峰半峰全宽标准差为0.30%㊂可以看出三个样片所述参数的标准差很小,表明衬底内部的发光均匀性良好,侧面反应了衬底具有优良的晶体质量㊂图3㊀衬底的EPD扫描及测试结果㊂PO381-Head(a)㊁PO381-Middle(c)及PO381-Tail(e)的显微镜扫描图;PO381-Head(b)㊁PO381-Middle(d)及PO381-Tail(f)的EPD分布图;(g)<100>晶向8英寸GaAs的腐蚀坑显微镜照片;(h)PO381-Head㊁PO381-Middle及PO381-Tail的平均EPD检测结果Fig.3㊀EPD scanning and testing results of substrates.Microscope mapping images of PO381-Head(a),PO381-Middle(c)and PO381-Tail(e);EPD inspection maps of PO381-Head(b),PO381-Middle(d)and PO381-Tail(f),respectively;(g)typical etch pits pattern of[100]crystal orientation8inch GaAs;(h)average EPD inspection results of PO381-Head,PO381-Middle and PO381-Tail2.2㊀电学性能为了表征8英寸GaAs衬底的电学性能,对三个样片进行霍尔测试㊂取样位置为距离边缘5mm处㊁1/2ˑR处及中心位置,测试结果如图6所示㊂其中,PO381-Head的平均载流子浓度为1.03ˑ1018cm-3,标准偏差为1.6%,平均电子迁移率为2.43ˑ103m2/(V㊃s),标准偏差为5.4%;PO381-Middle的平均载流子浓度为1.32ˑ1018cm-3,标准偏差为0.9%,平均电子迁移率为2.32ˑ103m2/(V㊃s),标准偏差为1.6%; PO381-Tail的平均载流子浓度为1.60ˑ1018cm-3,标准偏差为1.2%,平均电子迁移率为2.21ˑ103m2/(V㊃s),标准偏差为5.4%㊂由此可见,晶体头部至尾部的载流子浓度逐渐增大,这与PL结果是相一致的㊂三个样片电学参数的标准偏差数值均较小,说明晶体中不同位置衬底内部的电学参数一致性良好㊂随后,使用面电阻率分布测试系统对样片进行面电阻率测试,如图7所示㊂PO381-Head的电阻率在0.0027~0.0033Ω㊃cm,其标准差为5.66%;PO381-Middle的电阻率在0.0023~0.0027Ω㊃cm,其标准差为5.18%,PO381-Tail的电阻率在0.002~0.0023Ω㊃cm,其标准差为3.05%㊂该测试结果进一步说明衬底具有优异的电学一致性㊂此外,可以发现样片的平均电阻率从晶体头部至尾部逐渐降低,说明其载流子浓度逐渐增大,这与霍尔测试及光致发光测试结果是相符合㊂492㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷图4㊀PO381-Head的PL Mapping结果Fig.4㊀PL Mapping results of PO381-Head图5㊀衬底的光致发光测试结果㊂(a)PO381-Head㊁PO381-Middle及PO381-Tail发射光谱峰位㊁发射光谱峰值强度(以电压计数)及发射光谱发射半峰全宽的对比结果;(b)对应参数的标准差结果Fig.5㊀PL results of the substrates.(a)PL emission peak wavelength,PL emission intensity(volt as unit)and PL FWHM of PO381-Head,PO381-Middle and PO381-Tail;(b)standard deviation of the three parameters,respectively2.3㊀化学纯度为了表征单晶衬底的纯度,使用辉光放电质谱(GDMS)对三个样片中的痕量元素进行测试㊂测试结果如图8和表3所示㊂由结果可知,三个样片中大部分元素含量接近仪器检测限,如:碱土金属Li㊁Na㊁K及Ca,过渡金属Ni㊁Mn,特别是金属元素Cu㊁Ag等均接近设备检测限,Cu元素含量小于1ˑ10-9,Ag元素含量㊀第3期任殿胜等:8英寸半导电型GaAs单晶衬底的制备与性能表征493㊀小于50ˑ10-9㊂此外,Mg及Fe元素的含量均在2ˑ10-9以下,S元素含量为(3~7)ˑ10-9,Al元素含量为(7~20)ˑ10-9,Zn元素含量为(40~70)ˑ10-9㊂如上所述的元素含量均为10-9级别,说明衬底的纯度非常高,这为高质量外延器件的制备奠定了良好基础㊂另外可以看出,三个样片的B元素含量约为12ˑ10-6,这与GaAs晶体的生长过程有关,生长过程中需要B2O3提供作用,因此,B元素的存在是不可避免的㊂Si元素作为掺杂元素,在n型半导体中属于施主杂质,提供电子能级,其含量在晶体中存在一定的趋势,即:头部Si元素含量低,尾部Si元素含量高㊂高浓度的Si会引入更多的缺陷能级,其载流子浓度高,电阻率小㊂这与本文霍尔测试结果是一致的㊂图6㊀PO381-Head㊁PO381-Middle和PO381-Tail的载流浓度(a)和对应的电子迁移率(b) Fig.6㊀Carrier concentration(a)and mobility(b)of PO381-Head,PO381-Middle and PO381-Tail,respectively图7㊀PO381-Head(a)㊁PO381-Middle(b)及PO381-Tail(c)的电阻率Mapping图及衬底电阻率结果对比(d) Fig.7㊀Resistivity Mapping of PO381-Head(a),PO381-Middle(b),PO381-Tail(c),and resistivity results of the substrates(d)494㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷图8㊀PO381-Head㊁PO381-Middle及PO381-Tail的GDMS检测结果Fig.8㊀GDMS results of PO381-Head,PO381-Middle and PO381-Tail,respectively表3㊀三个衬底片的GMDS检测结果Table3㊀GDMS results of three substrates/10-9 Sample ID Li Be F Na P Cl K Ca Ti Cr Mn Ni Cu Ge Ag In Sn Sb Te PO381-Head<0.5<0.5<5<0.531<5<2<1<0.5<0.5<1<1<10<50<10<1<1<1 PO381-Middle<0.5<0.5<5<0.5<0.51<5<2<1<0.5<0.5<1<1<10<50<10<1<1<1 PO381-Tail<0.5<0.5<5<0.5<0.5<1<5<2<1<0.5<0.5<1<1<10<50<10<1<1<12.4㊀表面平整度及缺陷检测对单晶衬底的晶体质量及纯度进行表征后,对衬底进行化学机械抛光并对抛光后的衬底进行表面平整度测量,测量结果如图9所示㊂结果显示,衬底的总厚度变化(total thickness variation,TTV)为2.99μm,3点翘曲度(Warp)值为3.744μm㊂为了表征衬底表面微粗糙程度,使用AFM对表面粗糙度进行测试,如图10所示,测试显示衬底表面的均方根粗糙度R q=0.156nm㊂㊀图9㊀衬底的表面平整度Fig.9㊀Surface flatness of the substrate㊀第3期任殿胜等:8英寸半导电型GaAs单晶衬底的制备与性能表征495㊀衬底制备的最后工序为表面清洗㊂使用1号标准清洗液(SC-1)以及2号标准清洗液(SC-2)清洗溶液,依照一定工序在Class10的洁净室中进行清洗,清洗完成甩干后使用强光灯进行检查,无可见亮点㊂随后,使用Surfscan6220对8英寸衬底进行表面缺陷检测,设置检测最小颗粒为0.2μm,边缘去除8.0mm,检测结果如图11所示,LPD总数为6个,即:0.024个/cm2㊂以上结果表明,8英寸GaAs衬底具有很好的表面质量,可满足客户的外延要求㊂图10㊀用于表面粗糙度表征的衬底AFM照片Fig.10㊀AFM images of the substrate for surface roughness characterization图11㊀衬底的表面光点缺陷检测结果Fig.11㊀Surface LPD inspection result3㊀结㊀㊀论本文使用VGF方法生长了8英寸GaAs单晶,通过磨边㊁研磨㊁抛光及湿法化学清洗工艺,获得了8英寸GaAs单晶衬底㊂XRD测试表明,衬底(400)衍射峰半峰全宽低于0.009ʎ,晶体头㊁中和尾部衬底的平均位错密度分别为1.7㊁10.4和24.5cm-2,且有99.58%㊁98.35%和94.91%的面积EPD<100cm-2㊂Hall测试㊁面电阻率分布以及PL结果显示衬底具有良好的均匀性㊂GDMS显示衬底纯度高,杂质元素含量水平低㊂衬底Warp<4μm㊁均方根粗糙度R q=0.156nm且ȡ0.2μm的LPD小于10个㊂上述结果表明所制备的8英寸GaAs衬底质量优异,可有效提升外延器件的性能㊂参考文献[1]㊀ANWAR A R,SAJJAD M T,ALI JOHAR M,et al.Recent progress in micro-LED-based display technologies[J].Laser&Photonics Reviews,2022,16(6):2100427.[2]㊀HORNG R H,CHIEN H Y,TARNTAIR F G,et al.Fabrication and study on red light micro-LED displays[J].IEEE Journal of the ElectronDevices Society,2018,6:1064-1069.[3]㊀TELEGIN K Y,LADUGIN M A,ANDREEV A Y,et al.The influence of waveguide doping on the output characteristics of AlGaAs/GaAs lasers[J].496㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷Quantum Electronics,2020,50(5):489-492.[4]㊀GREMMELMAIER R.Notizen:herstellung von InAs-und GaAs-einkristallen[J].Zeitschrift Für Naturforschung 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