不同偏角度砷化镓籽晶加工及砷化镓单晶的制备方法与流程

1.本发明涉及半导体晶体生长领域，尤其是一种砷化镓单晶的制备技术。


背景技术：

2.对于gaas单晶，主要研究(100)、(110)、(111)三个晶面。在gaas led 光电器件的制作过程中,常采用(100)to(111)偏15
°
后的晶向《511》。〈511〉晶向 gaas晶片在半导体产品中使用越来越多。〈100〉晶向gaas单晶四周存在相对的两个as面和两个ga面,头部截面和尾部截面的晶格结构完全相同,而〈111〉晶向gaas单晶的头部截面和尾部截面的晶格结构不同,由ⅲ族ga原子组成的(111)晶面,称为a 面；由
ⅴ
族as原子组成的(111)晶面,称为b面,(111)a面的ga原子和(111)b面的as 原子交替分层排列,两面有不同的极性。由于(100)晶面的原子面密度最小,表面态密度减少,在器件的制作过程中,可以减少表面态的影响,而且由于gaas的(110)面是由相同数目的ga、as原子组成,其解理面沿(110)面。(111)晶面的gaas不具备这两个优点,因此一般砷化镓外延是在(100)晶面基板上生长起来的。但是在(100)晶面上进行外延生长时,其外延生长速率较慢,且外延层表面质量也不好,在实际生产中采用偏离(100)晶面一定角度的抛光片进行外延,外延淀积速率高,外延层表面质量也较好, 外延层的生长参数也易于控制。比如在激光芯片中，常使用(110)晶面作为解离面，解离面比较光滑，具有较高的反射率，因此即便是不镀减反膜和高反膜芯片端面也有大概30％的反射率。
3.晶体生长中常用的偏离角度有0
°
、2
°
、6
°
、10
°
和15。较大偏角的有偏35.2
°
和54.7
°
的。不同的偏角度和对应的晶面：(100)0
°
、(100)to(111)2
°
、(100) to(111)6
°
(100)to(111)10
°
、(100)to(111)15
°
，其对应的晶面分别是(100)、 (40 11)、(13 11)、(811)、(511)。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种4英寸砷化镓晶面(100)到(111)不同偏角度的晶向进行单晶生长的工艺。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.不同偏度砷化镓籽晶加工方法，其特征在于包括以下步骤：
7.步骤1，籽晶定向：切下一片1mm的样片，标明进刀口为x1，将样片瓣成四方形，每个边平整，放在x光机上检测出xy的数值；根据标准参数值来确定刻度盘需调度数；
8.不同偏角度和要求，以及晶种胚角度如下：
9.a、(100)to(111)0
°±
0.2
°
，xy值：33
°
05
′
，(100)0
°
面，方向为晶向[100] 没有与任何其他晶向形成夹角；
[0010]
b、(100)to(111)2
°±
0.2
°
，x：31
°
/35
°
y:33
°
x:33
°
y：31
°
/35
°
，(100) 面的晶向朝(111)面，晶向[111]方向倾斜，倾斜后与原来[100]形成的夹角为2
°
，倾斜后的晶向就是(100)to(111)2
°
；
[0011]
c、(100)to(111)6
°±
0.2
°
，x1：27
°
x2:39
°
y:33
°
，(100)面的晶向朝(111) 面，晶向[111]方向倾斜，倾斜后与原来[100]形成的夹角为2
°
，倾斜后的晶向就是(100) to(111)6
°
；
[0012]
d、(100)to(111)10
°±
0.2
°
，x1：23
°
/43
°
y:33
°
，(100)面的晶向朝(111) 面，晶向[111]方向倾斜，倾斜后与原来[100]形成的夹角为10
°
，倾斜后的晶向就是(100) to(111)10
°
；
[0013]
e、(100)to(111)15
°±
0.2
°
，x1：18
°
/48
°
y:33
°
，(100)面的晶向朝(111) 面，晶向[111]方向倾斜，倾斜后与原来[100]形成的夹角为15
°
，倾斜后的晶向就是(100) to(111)15
°
；
[0014]
步骤2，籽晶胚的抛光清洗：采用溴素和乙醇的混合液，按体积比，溴素：乙醇＝2：1-1：4；籽晶胚大小比种子小嘴内径大0.025mm-0.76mm，抛光后籽晶胚大小小于pbn小嘴内径 0.070mm-0.089mm。
[0015]
不同偏度砷化镓单晶制备方法，其特征在于包括以下步骤：
[0016]
gaas多晶料9.5-10kg,掺砷7.2g-13.3g,掺硅0.4g-2.7g,氧化硼36g或90g,(100)到 (111)偏0
°
、2
°
、6
°
、10
°
和15
°
的籽晶，放入pbn坩埚中，装入石英管，用氢氧焰封焊，装入vgf单晶炉中，首先升温化料，然后接种，单晶生长，最后冷却，取出晶体脱模获得砷化镓单晶。
[0017]
(100)到(111)偏θ，导致的界面晶向(hkl)是(1,tanθ/√2,tanθ/√2)，即 (100)到(111)偏0
°
、2
°
、6
°
、10
°
和15
°
的籽晶对应的晶面是(100)、(40 11)、 (13 11)、(811)、(511)。
[0018]
本发明的优点是不同偏角度(100)到(111)偏0
°
、2
°
、6
°
、10
°
和15
°
的籽晶生长的砷化镓单晶体与国家标准(gb/t 30856-2014)对位错的要求：4寸≤5000个/cm2，6寸≤10000 个/cm2相比，其位错低、结晶度高(主要表现于平均为错和最大点位错低)。最主要的是晶圆抛光后进行外延，外延淀积速率高,外延层表面质量也较好,外延层的生长参数也易于控制。
附图说明
[0019]
图1为砷化镓立体晶向关系示意图；
[0020]
图中，(100)向(111)偏θ
°
，导致的界面晶向(hkl)是(1,tanθ/√2,tanθ/√2)。
[0021]
图2为(100)到(111)偏15
°
的x射线衍射测晶棒角度原理示意图；
[0022]
其中，波程差＝2dsinθ。
[0023]
图3为(100)to(111)偏转2
°
、6
°
、10
°
、15
°
晶面结构示意图。
[0024]
图4为《100》to《111》偏转2
°
、6
°
、10
°
、15
°
的晶向结构示意图。
[0025]
图5为砷化镓晶面和晶向立体示意图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0027]
实施例1：不同偏度4英寸砷化镓籽晶加工及砷化镓单晶的制备方法，具体制备方法如下：
[0028]
步骤1，籽晶胚的加工和定向：
[0029]
s1-1，籽晶胚选用晶体的头部，表面无夹晶、无空洞、无明显条纹和表面无缺口，位错小于100-200个/cm2。
[0030]
s1-2,(100)到(111)偏0
°
晶体x光标准衍射度数x为33
°
05
′
，按加工角度要求，确定加工目标角，晶向偏移方向，可根据α角度来确定加工方向目标起点(主定位方向为α＝0
°
)，将需要加工的晶体主定位面朝上装入卡具，做到主定位面与晶体操作面平行，切割面与锯片平行；然后开动机器进刀口，刀口能够切在x光机上测量的样片，以进刀口切割方向在样片上做一标记箭头作为测量起点：从起点开始顺时针以90
°
为测量点，依次测量样片切割面，将测量结果按顺序x1﹑y1﹑x2﹑y2,将测量值与目标值比较后进行计算。
[0031]
s1-3，(100)to(111)15
°
的籽晶胚应先定向，(100)面的晶向朝(111)面，晶向[111]方向倾斜，倾斜后与原来[100]形成的夹角为15
°
；倾斜后的晶向就是(100)to (111)15
°
，按具体的α角的要求做角度加工；
[0032]
s1-4，检查调节角度的刻度盘是否归零。
[0033]
s1-5，切下一片1mm的样片，画一个箭头指向进刀口，标明进刀口为x1，将样片瓣成四方形，每个边平整，放在x光机上检测出xy的数值；根据标准参数值来确定刻度盘需调度数； (100)到(111)晶面偏15
°
的x1：18
°
/48
°
y:33
°
xy数值的定义如图2所示，通过x光机打出激光，激光首先与样片平面形成18
°
夹角，激光穿过样片到(100)晶面反射，入射激光线与(100)晶面形成33
°
角，反射激光与(100)晶面形成48
°
角；
[0034]
如图4所示，〈511〉晶向gaas是由〈100〉晶向的gaas向〈111〉a方向偏15
°
而形成的。在使用x光定向仪和x光衍射法进行测量时,平行主参考面方向为正的〈511〉晶向,布拉格衍射角理论值为45
°
07
′
,垂直主参考面方向为〈100〉晶向偏〈111〉a方向15
°
,依据〈100〉晶向的布拉格衍射角进行测试,其布拉格衍射角理论值为33
°
03
′
,偏15
°
后两个方向的理论值分别为18
°
03
′
和48
°
03
′
，如图2所示；
[0035]
不同偏角度的要求，以及晶种胚xy的数值如下：
[0036]
a、(100)to(111)0
°±
0.2
°
；xy值：33
°
05
′
；
[0037]
b、(100)to(111)2
°±
0.2
°
；x：33
°
/35
°
y:33
°
/x:33
°
y：31
°
/35
°
；
[0038]
c、(100)to(111)6
°±
0.2
°
；x1：27
°
x2:39
°
y:33
°
；
[0039]
d、(100)to(111)10
°±
0.2
°
；x1：23
°
/43
°
y:33
°
；
[0040]
e、(100)to(111)15
°±
0.2
°
；x1：18
°
/48
°
y:33
°
；
[0041]
砷化镓晶片的主次参考面是采用顺时针标准加工的，使晶体的轴向平行于主参考面(0 1-1)向(011)面斜15.79
°
就得到(511)面，然后再加工《5ll》籽晶；在(100)晶面主参考面选定的基础上,(100)晶面以通过圆心平行主参考面的直线为轴,向(111)a面的方向偏转0
°
、 2
°
、6
°
、10
°
和15
°
，其晶面分别是(100)、(40 11)、(13 11)、(811)和(511)，如图3所示；然后粘住晶锭头部或尾部，平行于主次参考面，把晶体钻成圆柱形，尺寸大于所需要尺寸1mm左右，直径为6mm；
[0042]
籽晶胚角度加工完成后，标识籽晶胚头尾、角度、掺杂及头部基准面；头部用h标识，尾部用t标识，并注明角度。
[0043]
步骤2，籽晶抛光和清洗：
[0044]
s2-1，选取籽晶胚：确认种子表面无明显条纹，表面无缺口、籽晶胚大小比种子小嘴内径大0.025mm-0.76mm之间，以保证抛光时控制其大小。
[0045]
s2-2，配置溴素：将溴素沿着玻璃棒慢慢倒入玻璃杯中，再加入乙醇，按体积比，溴素：乙醇＝2：1-1：4之间，用玻璃棒轻轻搅拌均匀。
[0046]
s2-3，抛光:将种子沿着玻璃杯壁放入，顺、逆方向均匀摇晃一分钟，取出种子立即放入无水乙醇中浸泡至少20s，再用水冲洗掉表面溴素，如果有轻微划伤用1000-2000目水砂纸打磨光滑，并用千分尺测量直径，知果不符合，将种子放入溴素中重复上一步骤，直到种子符合尺寸为止，种子尺寸要求小于pbn小嘴内径0.070mm-0.089mm。
[0047]
s2-3，将符合要求的种子用乙醇冲洗后，用无尘砂纸擦拭干净，在灯光下查看种子表面光滑且无规则反光，种子侧表面无缺口，再用无尘纸包好放入对应种子盒内。
[0048]
步骤3，单晶生长：
[0049]
s3-1，取gaas多晶料10kg,掺砷7.2g,掺硅0.4g,氧化硼36g,(100)0
°
籽晶，放入4 英寸pbn坩埚中，装入石英管，用氢氧焰封焊，装入vgf单晶炉中，首先升温化料，然后接种，单晶生长，最后冷却，取出晶体脱模，测试epd和电学参数，如表1所示。与国家标准gb/t30856—2014相比，电阻率﹑迁移率和载流子浓度均为较优水平，特别是位错密度非常低，仅为国家标准的2％左右。
[0050]
实施例2，步骤1和2同实施例1，取gaas多晶料9.5kg，掺砷7.2g，掺硅1.66g，氧化硼36g,(100)偏(111)2
°
籽晶，放入4英寸pbn坩埚中，装入石英管，用氢氧焰封焊，装入vgf单晶炉中，首先升温化料，然后接种，单晶生长，最后冷却。取出晶体脱模，晶棒加工，测试epd和电学参数，如表1所示。与国家标准gb/t30856—2014相比，电阻率﹑迁移率和载流子浓度均为较优水平，特别是位错密度非常低，仅为国家标准的1.5-％，，非常利于高端器件制备。
[0051]
实施例3，步骤1和2同实施例1，取gaas多晶料9.5kg,掺砷7.2g,掺硅1.68g,氧化硼 36g,(100)偏(111)2
°
籽晶，氧化硼36g,放入4英寸pbn坩埚中，装入石英管，用氢氧焰封焊，装入vgf单晶炉中，首先升温化料，然后接种，单晶生长，最后冷却。取出晶体脱模，晶棒加工，测试epd和电学参数，如表1所示。与国家标准gb/t30856—2014相比，电阻率﹑迁移率和载流子浓度均为较优水平，特别是位错密度非常低，仅为国家标准的1.5-2％，，非常利于高端器件制备。
[0052]
实施例4，步骤1和2同实施例1，取gaas多晶料17kg,掺砷13.3g,掺硅2.7g,氧化硼90g,(100)偏(111)6
°
籽晶，放入6英寸pbn坩埚中，装入石英管，用氢氧焰封焊，装入vgf单晶炉中，首先升温化料，然后接种，单晶生长，最后冷却。取出晶体脱模，晶棒加工，测试epd和电学参数，如表1所示。与国家标准gb/t30856—2014相比，电阻率﹑迁移率和载流子浓度均为较优水平，特别是位错密度非常低，仅为国家标准的3.57％，非常利于国内外高端器件制备，同时更利于芯片产出效率。
[0053]
实施例5，步骤1和2同实施例1，取gaas多晶料9.5kg,掺砷7.2g,掺硅1.8g,氧化硼 36g,(100)偏(111)10
°
籽晶，放入4英寸pbn坩埚中，装入石英管，用氢氧焰封焊，装入vgf单晶炉中，首先升温化料，然后接种，单晶生长，最后冷却。取出晶体脱模，晶棒加工，测试epd和电学参数，如表1所示。与国家标准gb/t30856—2014相比，电阻率﹑迁移率和载流子浓度均为较优水平，特别是位错密度非常低，接近零位错，非常利于国内外高端芯片制备。
[0054]
实施例6，步骤1和2同实施例1，取gaas多晶料9.5kg,掺砷7.2g,掺硅2.0g,氧化硼 36g,(100)偏(111)15
°
籽晶,放入4英寸pbn坩埚中，装入石英管，用氢氧焰封焊，装入 vgf单晶炉中，首先升温化料，然后接种，单晶生长，最后冷却。取出晶体脱模，晶棒加工，测试epd
和电学参数，如表1所示。与国家标准gb/t30856—2014相比，电阻率﹑迁移率和
[0055]
载流子浓度均为较优水平，特别是位错密度非常低，接近零位错，非常利于国内外高端激光器件制备。
[0056]
表1
[0057]