一种用于n型低阻砷化镓单晶生长的新掺杂工艺及其设备

摘要

本发明公开了一种用于n型低阻砷化镓单晶生长的新掺杂工艺及其设备，在砷化镓单晶生长时，在所用的砷化镓原材料中加入固体三碲化二镓。所需三碲化二镓的用量可以根据所用的原材料的数量与需要的砷化镓单晶掺杂浓度进行计算。对生长后的砷化镓单晶进行相应的电学测量，然后再根椐测量结果对掺杂量进行适当调整。最后可获得电学性能完全达到要求的砷化镓单晶。用该掺杂工艺后，生长的砷化镓单晶掺杂量能精确控制。同时生长的n型低阻砷化镓单晶具有良好的电学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于n型低阻砷化镓单晶生长的新掺杂工艺及其设备。

背景技术

n型低阻砷化镓单晶是制备各种砷化镓光电器件和若干砷化镓微波器件所需外延材料的衬底。衬底材料的性能影响外延材料的质量，从而影响器件的参数、可靠性、寿命。而且某些材料参数还直接对器件性能有很大影响。所以高质量的砷化镓衬底材料是提高器件性能、可靠性、寿命的一个必需条件。通常该材料是用垂直梯度冷凝法(VGF)或液封直拉法(LEC)生长的。在生长时在原材料中还需加入适当的掺杂剂以控制材料的电学性能。对于生长n型低阻砷化镓单晶，常用的掺杂剂是单质硅和单质碲。但是，前者是二性杂质，而且与熔体中的三氧化二硼反应，后者是易挥发性杂质，因此都造成砷化镓单晶中杂质量难以精确控制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于n型低阻砷化镓单晶生长的新掺杂工艺，采用该掺杂工艺后，生长的砷化镓单晶掺杂量能精确控制，同时生长的n型低阻砷化镓单晶具有良好的电学性能。本发明的另一目的是提供一种用于n型低阻砷化镓单晶生长的设备。

为实现上述目的，本发明一种用于n型低阻砷化镓单晶生长的新掺杂工艺，具体为：在制备n型低阻砷化镓单晶时，在原材料中加入固体碲镓化合物作为掺杂剂，加入碲镓化合物的数量根据所用的原材料的数量与砷化镓单晶需要的掺杂浓度用下计算式进行计算：

  G_GaxTey= Gn M_GaxTey/3rAK

式中：G_GaxTey为添加的碲镓化合物的重量， G为原材料的重量，n 为掺碲砷化镓单晶载流子浓度，M_GaxTey为碲镓化合物的分子量，r为原材料的密度，A为阿佛加德罗常数，K为碲在原材料中的分凝系数。

进一步，所述原材料为砷化镓或者单质砷与单质镓。

进一步，所述碲镓化合物为三碲化二镓Ga₂Te₃。

进一步，所述计算式为：G_Ga2Te3= G_GaAsn M _Ga2Te3/3r_GaAsAK，式中：G_Ga2Te3为添加的三碲化二镓的重量，G_GaAs为砷化镓原材料的重量，n为掺碲砷化镓单晶载流子浓度，M _Ga2Te3为三碲化二镓的分子量，r_GaAs为砷化镓的密度，A为阿佛加德罗常数，K为碲在砷化镓中的分凝系数。

一种实施上述方法的用于n型低阻砷化镓单晶生长的设备，包括形状相适配的石墨坩埚和热解氮化硼坩埚，热解氮化硼坩埚套装在石墨坩埚的内部，在热解氮化硼坩埚的下部设置有籽晶，籽晶上部设置有B₂O₃，热解氮化硼坩埚的中部设置有原材料，原材料的上部设置有B₂O₃，原材料内设置有若干个容置槽，容置槽内设置有掺杂剂，容置槽的端口设置有密封塞将其密封。

进一步，所述原材料为砷化镓。

进一步，所述掺杂剂为三碲化二镓。

进一步，所述密封塞采用砷化镓制成。

本发明中，采用了新掺杂工艺后，生长的砷化镓单晶掺杂量能精确控制，同时生长的n型低阻砷化镓单晶具有良好的电学性能。

附图说明

图1为本发明设备结构示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

本发明一种用于n型低阻砷化镓单晶生长的新掺杂工艺，具体为：在制备n型低阻砷化镓单晶时，在原材料中加入固体碲镓化合物作为掺杂剂，加入碲镓化合物的数量根据所用的原材料的数量与砷化镓单晶需要的掺杂浓度用下计算式进行计算：

  G_GaxTey= Gn M_GaxTey/3rAK

式中：G_GaxTey为添加的碲镓化合物的重量， G为原材料的重量，n 为掺碲砷化镓单晶载流子浓度，M_GaxTey为碲镓化合物的分子量，r为原材料的密度，A为阿佛加德罗常数，K为碲在原材料中的分凝系数。

本发明掺杂工艺，适用于一切砷化镓单晶的生长方法。在实际应用中，适用于原材料为砷化镓外，也适用于原材料为单质砷和单质镓的砷化镓单晶的生长方法。碲镓化合物可为三碲化二镓Ga₂Te₃，除三碲化二镓外，其他一切碲和镓的化合物均具有同样的掺杂功能。

实际应用中的具体工艺为：

在砷化镓原材料中加入固体三碲化二镓。加入三碲化二镓的数量可根据所用的原材料的数量与砷化镓单晶需要的掺杂浓度用下式进行计算：

G_Ga2Te3= G_GaAsn M _Ga2Te3/3r_GaAsAK

式中：G_Ga2Te3为添加的三碲化二镓的重量(g)，G_GaAs为砷化镓原材料的重量(g)，n为掺碲砷化镓单晶载流子浓度(cm^-3)，M _Ga2Te3为三碲化二镓的分子量(522.24 g/摩尔)，r_GaAs为砷化镓的密度(5.32g/cm³)，A为阿佛加德罗常数（6.023×10²³/摩尔），K为碲在砷化镓中的分凝系数（平均值为0.038，随掺杂量增加而增加。可参考实施例，适当增减。）。

对生长后的砷化镓单晶进行相应的电学测量，然后再根椐测量结果对掺杂量进行适当调整。最后可获得电学性能完全达到要求的砷化镓单晶。

如图1所示，一种用于n型低阻砷化镓单晶生长的设备，包括形状相适配的石墨坩埚1和热解氮化硼坩埚2，热解氮化硼坩埚2套装在石墨坩埚1的内部，在热解氮化硼坩埚2的下部设置有籽晶3，籽晶3上部设置有B₂O₃4，热解氮化硼坩埚2的中部设置有原材料5，原材料5的上部设置有B₂O₃4，原材料5内设置有若干个容置槽6，容置槽6内设置有掺杂剂8，容置槽6的端口设置有密封塞7将其密封。

其中，原材料5为砷化镓多晶料，容置槽6为在块状的原材料5中钻孔而形成，密封塞7也采用砷化镓制成。掺杂剂8为三碲化二镓，掺杂剂8放置到容置槽6内后，通过密封塞7将其密封在原材料5的内部，防止其在高温分解而影响掺杂效率。通过在籽晶3上部设置有B₂O₃4，B₂O₃4融化后将包覆在籽晶3外表面，防止籽晶3无覆盖剂保护而导致其高温离解，同时导致熔融的多晶料淹没籽晶3。通过在原材料5的上部设置有B₂O₃4，B₂O₃4融化后将覆盖在原材料5上，防止原材料5分解。实际应用中，可根据晶体生长的晶锭长度要求，来增减原材料5的多少，如图1中在原材料5的上方还设置有一块多晶料9。

工作时，将称量好的三碲化二镓放置在砷化镓原材料中。装有三碲化二镓的砷化镓原材料5、籽晶3及B₂O₃4顺序放置在热解氮化硼坩埚2，石墨坩埚1中，然后将放有物料的石墨坩埚放入单晶炉中进行单晶生长。

实际应用时，按照上述方法和设备，用冷壁VGF工艺生长了3英寸n型掺碲低阻砷化镓单晶。在下表中给出了掺杂量与生长的砷化镓单晶电学参数的关系：

其中，所用的砷化镓多晶料(原材料)纯度为6“9”，所用的三碲化二镓纯度为5“9”，所用的三氧化二硼含水量200ppm，砷化镓单晶生长时炉内压力为0.3MP，生长区温度梯度为5℃/cm，晶体生长速度为2-3mm/小时。