一种掺铁磷化铟单晶片的退火方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种掺铁磷化铟单晶片的退火方法。

背景技术：

由于半导体晶片在电子、通讯及能源等多种领域中的应用，使得半导体晶片的发展受到越来越多的关注。半绝缘磷化铟(inp)晶体是重要的化合物半导体材料，与砷化镓(gaas)相比，其优越性主要在于饱和电子漂移速度高、导热性好及抗辐射性能强等，因此，磷化铟晶片通常用于制造高频、高速和大功率微波器件和电路。inp作为衬底材料已在多个领域得到广泛应用，毫米波异质结双极晶体管(hbt)、高电子迁移率晶体管(hemt)和单片电路等。这些器件将是区域电子对抗、预警系统、高性能雷达、卫星系统和精确制导武器等的关键部件。

半绝缘inp单晶通常是通过掺杂铁(fe)来实现的，铁在磷化铟中通过占据铟(in)位，产生位于禁带中央附近的深受主能级，通过俘获电子补偿材料中的施主杂质，从而降低载流子浓度赋予磷化铟半绝缘性质。通过垂直梯度凝固法(vgf，verticalgradientfreezemethod)生长制备的掺铁inp材料，fe的替位激活主要通过填隙-跳跃机制，但fe原子易在位错周围聚集，与空位形成复合体缺陷、占据填隙位等，从而减低fe的激活率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种掺铁磷化铟单晶片的退火方法，对掺铁磷化铟单晶片进行退火处理，降低铁的掺杂浓度，提高铁占铟位，来提高铁的激活效率，从而提高掺铁磷化铟的均匀性及热稳定性，降低材料缺陷密度，提高材料电阻率。

为了实现上述目的，本发明的目的是提供一种掺铁磷化铟单晶片的退火方法，包括以下步骤：

s1选用掺铁磷化铟单晶片；

s2将所述掺铁磷化铟单晶片以及红磷间隔放入石英管中；

s3将所述石英管抽真空并封闭；

s4将封闭的石英管放入退火炉中退火。

优选地，步骤s1包括以下处理步骤：

切割掺铁磷化铟晶体得到掺铁磷化铟单晶片；

清洁切割成的掺铁磷化铟单晶片，清洁后的掺铁磷化铟单晶片即选用的掺铁磷化铟单晶片。

进一步地，优选地，清洁切割成的所述掺铁磷化铟单晶片包括如下步骤：

s11用腐蚀液腐蚀切割成的掺铁磷化铟单晶片；

s12用去离子水清洗经过腐蚀的掺铁磷化铟单晶片；

s13用氮气吹干经过清洗的掺铁磷化铟单晶片。

进一步地，通过垂直梯度凝固法制备所述掺铁磷化铟晶体，所述掺铁磷化铟晶体的铁掺杂浓度大于或等于3×10¹⁶cm^-3，位错密度小于或等于1000cm^-2。

进一步地，步骤s11中，所述腐蚀液包括盐酸和硝酸，所述盐酸和所述硝酸的体积比为3:1，腐蚀时间为2分钟。

优选地，所述红磷的纯度大于6n，所述红磷的使用量按照理想气体方程，根据红磷的蒸汽压10⁵帕、所述石英管的有效容积、退火温度进行计算。

优选地，步骤s2中，将所述掺铁磷化铟单晶片间隔放置在所述石英管中的石英样品架上。

优选地，步骤s2中，所述红磷放入石英容器中，将所述石英容器放入所述石英管中。

优选地，步骤s3中，所述石英管的真空度小于或等于10^-1帕。

优选地，步骤s4中，退火温度为850～900℃，恒温时间为60小时，升温速率为5℃/分钟，降温速率为0.5℃/分钟。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明通过对掺铁磷化铟单晶片进行高温退火处理，可有效地去除掺铁磷化铟单晶材料中的杂质聚集，降低复合体缺陷，通过fe原子扩散过程中的“踢出-替位”机制，增加fe占据in位，提高fe的激活效率，降低材料缺陷密度，增大材料电阻率，克服掺铁磷化铟材料掺铁浓度高，均匀性和热稳定性差的缺点，从而有效提高掺铁磷化铟单晶材料的半绝缘特性和稳定性。

附图说明

图1是本发明所述掺铁磷化铟单晶片的退火方法的流程示意图；

图2是本发明对所述掺铁磷化铟单晶片清洁的流程示意图；

图3是本发明退火装置示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

下面结合图1-图3来详细说明本发明。

图1是本发明所述掺铁磷化铟单晶片的退火方法的流程示意图，图3是本发明退火装置示意图，如图1和图3所示，该退火方法包括以下步骤：

s1选用掺铁磷化铟单晶片1；

s2将所述掺铁磷化铟单晶片1以及红磷2间隔放入石英管3中；

s3将所述石英管3抽真空并封闭；

s4将封闭的石英管3放入退火炉中退火。

对掺铁磷化铟单晶片进行退火处理，可有效去除掺铁磷化铟单晶材料中的杂质聚集，降低复合体缺陷，克服掺铁磷化铟晶体材料掺铁浓度高、均匀性和稳定性差等缺点，有效提高铁的激活效率，提高材料电阻率，从而提高掺铁磷化铟单晶材料的半绝缘性和稳定性。

优选地，步骤s1中，选用的所述掺铁磷化铟单晶片的铁掺杂浓度大于或等于3×10¹⁶cm^-3，位错密度小于或等于1000cm^-2。

优选地，步骤s1中，对掺铁磷化铟单晶材料进行处理，使得选用的掺铁磷化铟单晶片1便于放置于石英管3中，具体地，包括以下处理步骤：首先，切割掺铁磷化铟晶体得到掺铁磷化铟单晶片，然后，清洁切割成的掺铁磷化铟单晶片，清洁后的掺铁磷化铟单晶片即选用的掺铁磷化铟单晶片。优选地，通过垂直梯度凝固法制备所述掺铁磷化铟晶体，掺铁磷化铟晶体的铁掺杂浓度大于或等于3×10¹⁶cm^-3，位错密度小于或等于1000cm^-2。

进一步地，图2是本发明对所述掺铁磷化铟单晶片清洁的流程示意图，如图2所示，清洁切割成的所述掺铁磷化铟单晶片包括以下处理步骤：

s11用腐蚀液腐蚀切割成的掺铁磷化铟单晶片；

s12用去离子水清洗经过腐蚀的掺铁磷化铟单晶片；

s13用氮气吹干经过清洗的掺铁磷化铟单晶片。

其中，步骤s11中，腐蚀液腐蚀掺铁磷化铟单晶片，以便去除切割后在掺铁磷化铟单晶片表面形成的机械损伤和应力层，清洁单晶片表面。优选地，腐蚀液包括盐酸和硝酸，盐酸和硝酸的体积比为3:1，腐蚀时间为2分钟。

本发明对于切割成的掺铁磷化铟单晶片的清洁方法有多种，而不限于此。

对于经过处理的掺铁磷化铟单晶片1可以间隔放置于石英样品架5上，将掺铁磷化铟单晶片1以及石英样品架5一同放入石英管3中，使得每个掺铁磷化铟单晶片1彼此隔开，以保证退火的均匀性。

步骤s2中，在石英管3中放入一定量的红磷2，以保证石英管3中一定的磷蒸汽压，抑制磷化铟单晶片1的解离，优选地，选用的红磷2的纯度大于6n(99.9999％)，红磷2的使用量按照理想气体方程，根据红磷的蒸汽压10⁵帕(pa)、石英管3的有效容积以及退火温度进行估算，以避免退火时石英管内的磷蒸汽压过大或过小。优选地，红磷可以选用块状红磷或者磷粉，将红磷放入石英容器中，将红磷连同石英容器一起放入石英管3中。

步骤s3中，将石英管3抽真空并封闭，优选地，使用机械泵将石英管3抽真空，使得石英管3的真空度小于或等于10^-1帕，并使用石英封泡4密封石英管3。

步骤s4中，将封闭的石英管3放入退火炉中退火，优选地，退火温度为850～900℃，恒温时间为60小时，升温速率为5℃/分钟，降温速率为0.5℃/分钟。

实施例：

本发明对掺铁磷化铟单晶片进行退火处理，具体步骤如下：

首先，选用vgf法制备的掺铁磷化铟材料，铁掺杂浓度大于或等于3×10¹⁶cm^-3，位错密度小于或等于1000cm^-2，将上述掺铁磷化铟材料切割成片，经过体积比为3:1的盐酸和硝酸配制而成的腐蚀液进行化学腐蚀2分钟，用去离子水清洗后，用氮气吹干以备后续使用。

其次，选择纯度大于6n的块状红磷，估算红磷使用量，将块状红磷放入石英容器中，将石英容器放入石英管中；将经过处理的掺铁磷化铟单晶片放于石英样品架上，将石英样品架连同掺铁磷化铟单晶片一起放入石英管中。

然后，通过机械泵将石英管抽真空，使得石英管的真空度小于或等于10^-1帕，并使用石英封泡密封石英管。

最后，将封闭的石英管放入水平退火炉中退火，其中，退火温度为850～900℃，恒温时间为60小时，升温速率为5℃/分钟，降温速率为0.5℃/分钟，经过退火处理的掺铁磷化铟单晶片，铁的激活效率提高，掺铁磷化铟材料的电阻率提高10％左右。

本发明适用于vgf法制备的掺铁磷化铟材料，而不限于此，也可用于其它方法制备的掺铁磷化铟材料。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。