一种晶体生长方法与流程

本发明涉及电子晶体生长领域，特别是涉及一种晶体生长方法。

背景技术：

磷化铟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。随着磷化铟基器件的广泛应用，磷化铟单晶制备工艺就显得尤为重要，现在普遍使用的磷化铟晶体生长方法是vgf法(垂直温度梯度法)，也成为温度梯度凝固发，这种生长方法可以抑制在晶体生长中位错缺陷的产生，从而得到低位错密度缺陷的磷化铟衬底，晶体表面不离解，无需复杂的等径控制系统就可自然得到直径均匀的晶体(由坩埚形状所决定)，便于大规模生产。

磷化铟基半导体器件的质量与衬底材料的优劣有着紧密联系，而磷化铟晶体整体均匀性、晶格完整性和材料的稳定性等都会受到材料缺陷的影响。由于磷化铟单晶作为窗口材料在红外光学仪器、光学测试及科学研究等领域的应用需求，这就要求磷化铟作为窗口材料必须具备良好的透光率，而影响磷化铟单晶的透光率的因素有本底自由载流子浓度、残留杂质及缺陷等。因此，如何在磷化铟单晶生长过程中充分减少缺陷密度、避免杂质沾污、保持其化学配比、减少晶体中的颗粒缺陷等，以获得透光率良好的窗口材料是一个重点也是难点。

传统的晶体生长方法，仅仅在对石英管进行清洗就投入使用，具体的清洗过程包括王水浸泡、丙酮浸泡、盐酸浸泡、去离子水冲洗等工序；但仅仅采用清洗的方法，还是会有大量的羟基和其它有害杂质的残留，会影响生长的晶体的透光率。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种晶体生长方法，能够获得高透光率的磷化铟单晶材料。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种晶体生长方法，其特征在于包括以下工艺流程：

s1：对石英管、石英封帽、pnb坩埚均采用如下方式清洗：

首先采用有机溶剂擦洗，并用去离子水冲洗，接着用酸或王水进行浸泡清洗，最后用去离子水冲洗干净，并烘干备用；

s2：对石英管、石英封帽和pnb坩埚进行真空退火；

s3：pnb坩埚放在石英管内，将所需原材料装入pnb坩埚内部，然后对石英管进行抽真空，当真空度达到设计要求，盖上石英封帽，对石英管进行封管处理；

s4：将封闭的石英管放入生长炉内，控制石英管的升温温度梯度、恒温过程以及降温速率，在pnb坩埚内完成晶体生长；

s5：晶体生长后的退火处理。

作为具体的技术方案，s1中所述有机溶剂为丙酮或酒精；所述用酸或王水进行浸泡时间为8-12小时。

作为具体的技术方案，s2中对石英管、石英封帽和pnb坩埚的真空退火温度为1200℃，退火时间为30小时，真空度为10^-4mmhg以上。

作为具体的技术方案，s3中在pnb坩埚内所装入的原材料为：覆盖剂氧化硼、红磷、磷化铟多晶以及掺杂剂铁。

作为具体的技术方案，s3中覆盖剂氧化硼的含水量在300ppm以下，纯度为6n；红磷的含量为保证晶体生长时石英管内的红磷蒸气压不低于2.8mp；磷化铟多晶的浓度低于5x10¹⁵/cm³，迁移率高于4000cm²/vs，无包裹铟等夹杂物；掺杂剂铁的浓度范围(3-10)x10¹⁵/cm³。

作为具体的技术方案，s5中晶体生长后的退火处理具体为以下方式：对生长的晶体棒进行切片处理，石英管内放入晶体切片与红磷，盖上石英封帽，进行退火处理，退火温度为950℃，退火时间为60小时±10小时。

作为具体的技术方案，s3中对石英管进行的封管处理为用氢氧焰烧结封口。

本发明的有益技术效果是，通过对石英管、石英封帽以及pnb坩埚进行清洗与真空退火的双重清洁，能够充分去除包含羟基在内的有害杂质；采用本发明所公开的晶体生长方法能显著的消除磷化铟晶片的微缺陷，消除磷化铟晶片的残留施主缺陷，降低晶片的残留应力，获得低位错，低缺陷及杂质沾污少的磷化铟单晶材料。

附图说明

图1是本发明的生长方法所用生长炉的结构示意图。

图中：1-炉体、21-第一加热器、22-第二加热器、23-第三加热器、3-石墨坩埚托、4-石英管、5-pnb坩埚、6-测温热电偶。

具体实施方式

为了更加清楚地理解本发明的技术方案，以下结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的生长法所采用的生长炉如图1所示，该生长炉为晶体生长常规用生长炉，包括炉体1、加热器2、石墨坩埚托3；装好原材料的pnb坩埚5放入石英管4内，石英管4(属于常规部件，图中石英管4的构造没有表示完整)顶部盖上石英封帽(常规部件，图中未示)，然后放入石墨坩埚托3内；石墨坩埚托3位于炉体1的炉腔内，用于支撑石英管4；加热器设置在石墨坩埚托3的周围，晶体生长过程中，晶体生长的温区此处采用三个温区，用三个加热器分别控制三个温区的温度，第一加热器21控制第一温区的温度、第二加热器22控制第二温区的温度、第三加热器23控制第三温区的温度；每一个加热器分别连接一测温热电偶6。

实施例一

一种晶体生长方法，包括以下工艺流程：

s1：对石英管4、石英封帽、pnb坩埚5均采用如下方式清洗：

首先用有机溶剂丙酮或酒精进行擦洗，并用去离子水冲洗，然后采用酸或王水中浸泡8-12个小时，最后用去离子水冲洗干净并烘干待用，去掉表面的沾污或残留物；

s2：石英管4、石英封帽、pnb坩埚5的有害杂质去除：

对石英管4、石英封帽和pnb坩埚5真空退火，充分去除其中的羟基和其它有害杂质；真空退火温度为1200℃，退火时间为30小时，真空度为10^-4mmhg以上，本实施例中，真空度优选为2*10^-4mmhg；

s3：装料并抽真空、封闭石英管4

pnb坩埚5放入石英管4内，将覆盖剂氧化硼、高纯红磷、高纯度配比的磷化铟多晶以及掺杂剂铁装入pnb坩埚5内部，然后对石英管4进行抽真空，当真空度达到设计要求，盖上石英封帽，用氢氧焰对石英管4烧结封口；

各原材料的放入顺序为覆盖剂氧化硼-红磷-磷化铟多晶-掺杂剂铁，优选的覆盖剂氧化硼的含水量在300ppm以下，纯度为6n；红磷的含量为保证晶体生长时石英管4内的磷蒸气压不低于2.8mp为宜，使得石英管4内生长条件为微富磷状态；磷化铟多晶的浓度低于5x10¹⁵/cm³，迁移率高于4000cm²/vs，无包裹铟等夹杂物；掺杂剂铁的浓度范围(3-10)x10¹⁵/cm³，使其能够充分占据铟位并激活成为受主，从而对晶体中的残留施主杂质进行补偿，达到降低本底载流子浓度的目的；

本实施例中覆盖剂氧化硼的含水量为200ppm，红磷的含量为保证晶体生长时石英管4内的磷蒸气压为2.8mp，磷化铟多晶的浓度为2x10¹⁵/cm³、迁移率为5000cm²/vs，掺杂剂铁的浓度为5x10¹⁵/cm³；

s4：晶体生长

将封闭的石英管4放入生长炉内，通过控制三个加热器的温度来控制石英管4的升温温度梯度、恒温过程以及降温速率，在pnb坩埚5内完成晶体生长；以保证晶体生长的速率保持在2-3mm/h；本实施例中晶体生长的速率控制为2.5mm/h，缓慢的生长速度有效的避免颗粒微缺陷的产生；

s5：晶体生长后的退火处理

对生长的晶体棒进行切片处理，石英管4内放入晶体切片与红磷，盖上石英封帽，对石英管4封管后进行退火处理，退火温度为950℃，退火时间为60小时，可以进一步消除晶体中的残留施主缺陷，降低残留应力。

通过对石英管4、石英封帽以及pnb坩埚5进行清洗与真空退火的双重清洁，能够充分去除其中的羟基和其它有害杂质；采用本发明所公开的晶体生长方法能显著的消除磷化铟晶片的微缺陷，消除磷化铟晶片的残留施主缺陷，降低晶片的残留应力，获得低位错，低缺陷及杂质沾污少的磷化铟单晶材料。

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。