晶体生长用双层坩埚及晶体生长工艺的制作方法

本发明涉及晶体生长技术领域，特别是涉及一种晶体生长用双层坩埚及晶体生长工艺。

背景技术：

磷化铟inp是极具战略性的重要半导体材料之一，在光通信、毫米波高频、低噪声、宽带微电子集成等领域具有重要的应用。

随着近些年红外探测器技术的发展，开始了以gaas系列、inp系列为中心的ⅲ-ⅴ族半导体多量子阱材料的设计技术，对量子阱等超晶格结构的红外探测器的研究也正在广泛开展。其原理就是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。磷化铟材料在电学特性及材料特性上都非常适合作为光探测器的核心材料。

目前磷化铟单晶生长方法主要是vgf法(垂直梯度凝固法)和vb法(垂直布里奇曼法)。传统的vb法磷化铟单晶生长是将磷化铟原料与掺杂剂“硫”直接混合到一起装入氮化硼坩埚，然后进行晶体生长工艺，为磷化铟单晶衬底制备提供了重要原材料-掺硫磷化铟单晶材料s-inp。

这样的话就会带来一些问题，由于硫(s)作为一ⅵ族元素，它在磷化铟晶体中的分凝系数较小，在磷化铟单晶制备时直接与磷化铟多晶原料混合到一起后，开始晶体生长，这样会造成大量的硫(s)沉积在晶体尾部，造成掺杂浓度不均匀，头部载流子浓度低，尾部载流子浓度则较高等问题，目前采用传统的单坩埚vb法晶体生长工艺，其整根晶体的纵向载流子浓度会在(2-8)x10¹⁸/cm³,这样一个范围，可以看出整个浓度分布的范围较大；并且对s-inp单晶生长率会产生较大影响，特别是其掺杂浓度的偏差及整片均匀性都会对器件的发光波长均匀性等有重大影响。

技术实现要素：

本发明的第一目的是，在使用vb法进行s-inp晶体生长过程中提供一种双层坩埚。本发明的第一目的由以下技术方案实现：

一种晶体生长用双层坩埚，其特征在于，包括用于放置原材料的上坩埚与用于晶体生长的下坩埚；所述上坩埚设置在所述下坩埚的上方，上坩埚底部外周与下坩埚开口外周密封连接；所述上坩埚底面设置有通向所述下坩埚的漏料孔；所述上坩埚与下坩埚均为热解氮化硼坩埚。

作为改进的技术方案，所述上坩埚底部为平底或者向下突出的弧形底。

作为改进的技术方案，所述上坩埚底部的漏料孔的数量为一个或者多个。

作为改进的技术方案，所述下坩埚下部为锥形，底部设置有籽晶腔。

本发明第二目的是，基于上述双层坩埚，提供一种晶体生长工艺，使磷化铟多晶原材料同掺杂剂硫均匀的混合，从而生长出高质量、高均匀性的s-inp单晶体。本发明的第二目的由以下技术方案实现：

一种晶体生长工艺，使用上述晶体生长用双层坩埚，其特征在于，包括以下步骤：

s1：双层坩埚放入一石英管内，将多晶原料以及掺杂剂放入上坩埚内；

s2：将一石英封帽盖在石英管顶部，然后对石英管抽真空，焊接石英封帽，完成石英管的密封；

s3：双层坩埚的温度控制：

上坩埚的温度控制：逐渐升温至多晶原料的融点，然后维持恒温；随着温度的升高多晶原料以及掺杂剂融化后通过上坩埚底部的漏料孔缓慢滴入下坩埚；当所有原材料滴入下坩埚后，上坩埚继续保持恒温，持续时间为t；

下坩埚的温度控制：对下坩埚的温度始终进行恒温控制，温度控制在多晶原料的融点；当所有原材料滴入下坩埚后，下坩埚继续保持恒温，持续时间为t。

s4：双层坩埚的冷却，在下坩埚完成晶体生长。

作为改进的技术方案，所述多晶原料为磷化铟多晶原料，所述掺杂剂为硫。

作为改进的技术方案，步骤s3中，所述对上坩埚的温度控制及对下坩埚的温度控制，其时间温度曲线预先设定在程序中，通过程序分别对上坩埚和下坩埚进行温度控制。

作为改进的技术方案，步骤s3中，所述上坩埚的温度控制为分阶段控制，具体包括以下阶段：

第一阶段，升温开始，持续2h，升温至600℃；

第二阶段：持续1.5h，升温至850℃；

第三阶段：持续2h，升温至950℃～1050℃；

第四阶段：持续1h，升温至1000℃～1070℃；

第五阶段：持续时间40h±1h，恒温1000℃～1070℃；第五阶段包含时间t；

所述下坩埚的温度控制为恒温1000℃～1070℃，持续时间46.5h±1h，包含时间t。

作为改进的技术方案，当所有原材料滴入下坩埚后，上坩埚与下坩埚继续保持恒温的持续时间t为3～5h。

本发明所产生的有益的技术效果是：用vb法生长s-inp单晶体材料过程中，采用双层坩埚结构，以及使用此双层坩埚采用的晶体生长工艺，能够使磷化铟多晶原料与掺杂剂s均匀的混合，缩小了s-inp单晶体径向的载流子浓度偏差，晶体纵向载流子浓度偏差可以控制在(3-6)x10¹⁸/cm³，获得了高质量、高均匀性的晶体，并且晶体的出片率提高了5％。

附图说明

图1是本发明实施例提供的双层坩埚的纵剖面构造图。

图2是本法明实施例提供的温度控制过程中上坩埚的时间温度曲线图。

图3是本法明实施例提供的温度控制过程中下坩埚的时间温度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，晶体生长用双层坩埚，该双层坩埚包括上坩埚10与下坩埚20；上坩埚10设置在下坩埚20上方，上坩埚10底部外周与下坩埚20开口外周密封连接；上坩埚10底部为平底或者向下突出的弧形底，上坩埚10底面设置有通向下坩埚20的漏料孔11，上坩埚10用于放置晶体生长所需原材料；下坩埚20下部为锥形，底部设置有籽晶腔21，下坩埚20用于晶体生长；上坩埚10与下坩埚20均为氮化硼坩埚。

使用时，将双层坩埚放入一石英管(常规部件，图中未示)，将磷化铟多晶块状原料与掺杂剂硫放入上坩埚10，此时的硫元素是以固态颗粒状添加到上坩埚10内，硫的掺杂量是以所需晶体的载流子浓度为依据的，并充分考虑到其在磷化铟材料中的分凝系数，经过科学的计算得到的。然后将一石英封帽(常规部件，图中未示)盖在石英管顶部，然后对石英管进行抽真空，达到合适的真空度后，对石英封帽进行焊接，然后对石英管进行加热、恒温以及冷却等过程，随着温度的升高，磷化铟多晶块状原料与掺杂剂硫在上坩埚10融化后，通过上坩埚10底面的漏料孔11缓慢的滴入下坩埚20内，在下坩埚20内完成晶体生长。

基于上述的双层坩埚，本实施例还公开了一种s-inp晶体生长工艺，包括以下步骤：

s1：双层坩埚放入一石英管内，磷化铟多晶块状原料与掺杂剂硫放入上坩埚10内；

s2：将一石英封帽盖在石英管顶部，然后对石英管抽真空，焊接石英封帽，完成石英管的密封；

s3：双层坩埚的升温及恒温控制

上坩埚10的升温及恒温控制：

逐渐升温至磷化铟多晶的融点，然后维持恒温；随着温度的升高磷化铟多晶原料与掺杂剂硫融化后通过上坩埚10底面的漏料孔11缓慢滴入下坩埚20；当所有原材料滴入下坩埚20后，上坩埚10继续保持恒温，持续时间为t；

如图2所示，对上坩埚10的升温及恒温控制为分阶段的温度控制，包括以下阶段：

第一阶段，升温开始，持续2h，升温至600℃；

第二阶段：持续1.5h，升温至850℃；

第三阶段：持续2h，升温至950℃～1050℃；

第四阶段：持续1h，升温至1000℃～1070℃；

第五阶段：持续时间40h±1h，恒温1000℃～1070℃；第五阶段包含时间t；

下坩埚20的恒温控制：如图3所示，对下坩埚20的温度始终进行恒温控制，温度控制在磷化铟多晶原料的融点；当所有原材料滴入下坩埚20后，下坩埚20继续保持恒温，持续时间为t。其中恒温温度1000℃～1070℃，持续时间46.5h±1h，包含时间t；

s4：双层坩埚冷却，在下坩埚20完成晶体生长。

上坩埚10的升温及恒温控制及对下坩埚的恒温控制，其时间温度曲线预先设定在程序中，通过程序进行控制。

随着温度的升高磷化铟多晶原料以及掺杂剂融化后通过上坩埚10底部的漏料孔11缓慢的滴入下坩埚20，对上坩埚10分阶段的温度控制能够确保在上坩埚10内硫充分均匀的溶解到磷化铟原料中；下坩埚20的温度始终保持在1070℃，使磷化铟多晶与掺杂剂硫滴入下坩埚后，始终处于融化状态，使硫元素在磷化铟料中更加充分、均匀的溶解混合；当上坩埚10内所有的原料均滴入下坩埚20后，继续恒温时间t，时间t约为3～5h(上坩埚10的升温及恒温控制的第五阶段以及下坩埚20的恒温控制时间包含此时间)。

上坩埚10的漏料孔11根据需要设置一个或者多个，但是要保证上坩埚10内的原料融化后滴入下坩埚20的速度适中，不能过快，否则会造成s-inp混合不均匀，影响最终s-inp晶体的头片与尾片的载流子浓度偏差。本实施例中使用漏料孔11的数量为一个，位于上坩埚10底面中间位置。

双层坩埚的升温及恒温控制完成后，进行冷却处理，在下坩埚20内进行s-inp单晶的生长。对生长出的晶体棒进行切片，测得头片与尾片的各项指标，其中对于载流子浓度测得头片3.31x10¹⁸/cm³，尾片5.13x10¹⁸/cm³，可以看出经过本发明所公开的双层坩埚以及晶体生长工艺，整根晶体头部和尾部的载流子浓度偏差非常小，能够控制在(3～6)x10¹⁸/cm³之间，不仅获得了高质量、高均匀性的晶体，还进一步提高了晶体的出片率，出片率能够提高5％左右。

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，不经创造性所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。