[发明专利]一种半绝缘砷化镓单晶体及其制备方法和生长装置

说明书

本申请公开了一种半绝缘砷化镓单晶体及其制备方法和生长装置，制备方法包括：S1:将晶体原料放入PBN坩埚并转移至石英坩埚内；将石墨放入石英帽，然后与石英坩埚密封连接；S2:密封连接后装载至VGF单晶炉，且石英帽与石英坩埚位于不同温区；S3:使石英坩埚所在温区升温至化料温度，同时控制石英帽所在温区升温至1000±50℃；S4:石英坩埚所在温区于化料温度下保温化料，控制石英帽所在温区升温至1200±50℃并保温4～50h；S5:控制石英帽所在温区降温至1000℃±50℃并保温，进行气氛掺杂，晶体生长；S6:降温出料。本申请的方法可有效改善砷化镓晶体内部掺碳量及电性能的均匀性。

技术领域

本申请涉及单晶化合物领域，尤其是涉及一种半绝缘砷化镓单晶体及其制备方法和生长装置。

背景技术

砷化镓(GaAs)材料是继硅单晶之后第二代新型化合物半导体中最重要的材料。其性能优异，电子迁移率和光电转化效率高，在微电子和光电子领域应用广泛，尤其在5G商用化进程中，将发挥无可替代的作用。

电阻率和迁移率是半绝缘砷化镓(GaAs)晶体的主要性能参数，晶体中的碳浓度对电阻率和迁移率具有重要影响。现有的VGF法生长半绝缘砷化镓晶体中，多采用高纯石墨与石英中释放的氧（石英及氧化硼分解产生）或高纯石墨与水（石墨或石英吸附的微量水）的反应来控制碳掺杂量。

上述VGF法中，石墨与石英在高温下氧的释放较为缓慢，导致空间气氛中CO浓度的提高和扩散极为缓慢，致使砷化镓晶体内部的碳含量存在梯度差异，晶体内部纵向头尾差异尤为明显。最终得到的产品，其电阻率分布于10⁷～10⁸Ω•cm之间，电性能一致性较差，商业化使用存在较大的局限性。

发明内容

为提高砷化镓晶体内碳浓度的均匀性，改善其电阻率、迁移率等性能，本申请提供一种半绝缘砷化镓单晶体及其制备方法和生长装置。

第一方面，本申请提供一种半绝缘砷化镓单晶体，所述半绝缘砷化镓单晶体的电阻率为0.1×10⁸～5×10⁸Ω•cm，晶体内径向电阻率变化小于8%，Si的浓度为1.14×10¹³～4.5×10¹⁵ Atoms•cm^-3，C的浓度为6×10¹⁵～2.0×10¹⁶ Atoms•cm^-3。

该半绝缘砷化镓单晶体具有优异的电阻率和迁移率等电性能，且其电性能的均匀性较为突出。

第二方面，本申请提供一种半绝缘砷化镓单晶体的制备方法，其包括如下步骤：

S1：将GaAs多晶、晶种与氧化硼放入PBN坩埚中，将PBN坩埚转移至石英坩埚内；将石墨放置于石英帽内，将石英帽与石英坩埚密封连接；

S2：将步骤S1中密封连接的石英帽与石英坩埚装载至VGF单晶炉中，且石英帽与石英坩埚位于不同温区；

S3：控制石英坩埚所在温区升温至化料温度，同时控制石英帽所在温区升温至1000±50℃；

S4：石英坩埚所在温区达到化料温度后，进行保温化料，并控制石英帽所在温区升温至1200±50℃并保温4～50h；

S5：化料完成后，控制石英帽所在温区降温至1000℃±50℃并保温，进行气氛掺杂，晶体生长；

S6：降温出料。

上述技术方案提供了一种新的掺碳量的控制方法，通过将装有石墨的石英帽与石英坩埚设置在不同温区，并控制石英帽所在温区达到合适温度，促使石墨与石英发生如下反应：

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