[发明专利]一种旋转磁场制备高质量晶体的方法

说明书

本发明公开了一种利用旋转磁场制备高质量锑铟镓晶体的方法。将高纯镓(Ga)、高纯铟(In)和高纯锑(Sb)按照一定的摩尔配比装入高纯石英坩埚内，经真空封管处理后置于多晶合成炉内预合成GaInSb多晶锭。将GaInSb多晶料置于具有五段独立加热控温装置的旋转磁场晶体生长炉内进行GaInSb晶体生长。制备的GaInSb晶体中In元素的偏析较小、分布较为均匀，晶体中位错等缺陷较少。本发明使用旋转磁场(RMF)‑移动加热器法(THM)制备GaInSb晶体，操作简单、成本较低，能有效抑制GaInSb晶体中In元素的偏析并且削减晶体中的位错，可用于制备高质量的GaInSb晶体。

技术领域

本发明属于属于半导体单晶材料及其制备技术领域，具体涉及到低偏析、低位错密度的GaInSb晶体制备方法。

背景技术

半导体材料是是指电阻率在10⁷Ω·cm～10^-3Ω·cm之间的材料。半导体材料主要分为两类，一类是以硅单晶为代表的元素半导体材料，另一类是化合物半导体材料。现阶段，化合物半导体材料主要包括了III-V族化合物半导体材料和II-VI族化合物半导体材料。GaInSb属于典型的III-V族化合物半导体材料，其可以看做是由GaSb和InSb形成的伪二元固溶体材料。

GaInSb晶体的优势在于其禁带宽度Eg和晶格常数可以随着In组分浓度的改变而变化，进而能够更好地与其他三元或四元固溶体材料的晶格常数相匹配，从而减小其作为衬底材料的晶格失配度，这使得GaInSb晶体材料可以更好地满足不同器件的性能要求。

虽然GaInSb晶体材料有着其他III-V族化合物半导体材料无法取代的优势，目前，GaInSb晶体的制备还存在以下难点：

(1)对于三元固溶体材料，GaInSb晶体中In组分存在较大的偏析倾向。根据GaSb-InSb的相图可以看出，GaSb和InSb在反应过程中存在一个不相容的成分区，并使得GaInSb晶体中的成分非均匀分布。目前，GaInSb晶体中In的平衡分凝系数为0.2左右。在晶体生长过程中In元素的非均匀分布会在固液界面处形成成分过冷，进而影响晶体的质量。

(2)GaInSb晶体中的位错密度较大。位错主要是由晶体生长过程中的热应力引起的，在热应力的作用下，位错会发生运动和增殖。然而在实际的晶体生长过程中，固液界面的形状很难控制，一旦在生长界面处发生形貌失稳，就会在晶体中引入应力，从而使晶体中位错等缺陷的数量急剧攀升。

目前，制备GaInSb晶体的工艺主要有垂直布里奇曼法(Vertical BridgmanMethod)、提拉法(Czochralski)、移动加热器法(Travelling Heater Method)和垂直梯度凝固法(Vertical Gradient Freezing)。由于凹陷的固液界面通常会在熔体定向凝固结晶的过程引入较大的热应力，而热应力又是晶体中位错、孪晶、微裂纹等缺陷产生的主要原因。因此，在晶体生长过程中，固液界面的形貌及稳定性直接影响着晶体的质量。然而在使用上述四种传统工艺制备GaInSb晶体的过程中，高温熔体中由于浓度差和温度差引起的自然对流是一直存在的，很难将固液界面的形貌维持为平坦或者略凸的形状。因此，使用传统晶体生长方法制备的GaInSb晶体中In元素的偏析较大且位错等缺陷较多。

发明内容

本发明的目的本发明的目的是针对传统晶体生长工艺中普遍存在的问题提供一种高质量GaInSb晶体的制备方法。采用此方法制备的GaInSb晶体中In组分的偏析较低且位错等缺陷较少。

一种旋转磁场制备低偏析、低位错密度GaInSb晶体的方法，包括以下步骤：将晶体生长所用的高纯原料按照一定的配比装入高纯石英坩埚内，抽真空封管处理后进行GaInSb多晶锭合成。将预合成的多晶科置于旋转磁场晶体生长炉内，调节旋转磁场的频率和强度后进行GaInSb的晶体生长。