[發明專利]一種基于水平梯度凝固法生長化合物半導體單晶的氣相摻雜方法

在審

• 申請號: 202210279110.0
• 申請日: 2022-03-21
• 公開（公告）號: CN114855261A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 鄭丹;王濤
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C30B11/06
• 分類號: C30B11/06;C30B29/48;C30B29/46;C30B33/02
• 代理公司: 西安匠星互智知識產權代理有限公司 61291
• 代理人: 屠沛

本發明提供了一種基于水平梯度凝固法生長化合物半導體單晶的氣相摻雜方法基于化合物半導體晶體生長技術，解決了化合物半導體生長過程中存在的本征缺陷和電學性能不均勻的問題。該方法將生長原料和摻雜劑分離開，通過多段控溫的晶體生長爐進行溫度控制，在同一個容器中同時實現多晶料的合成、晶體生長與退火工藝。按照溫度設計，嚴格控制摻雜劑的溫度來調控摻雜劑在不同生長階段的氣體壓力，使氣態摻雜元素在晶體生長過程中摻入晶體內部格點位置，能夠保證摻雜劑在生長全過程中的摻雜均勻性和晶格完整性，從而實現對缺陷補償和電學性質均勻調控，獲得在徑向和軸向均勻的半導體晶體，提高了半導體晶體的結晶質量和性能。

技術領域

本發明屬于半導體晶體制備技術領域，具體涉及一種基于水平梯度凝固法生長化合物半導體單晶的氣相摻雜方法。

背景技術

隨著半導體器件和集成電路的電子材料的發展，目前對于半導體單晶的研究已經發展到第三代。化合物半導體的電子遷移率較第一代的硅半導體快許多，適用于高頻傳輸，在無線電通訊如手機、基地臺、無線區域網絡、衛星通訊、衛星定位等皆有應用；同時由于化合物半導體具有直接帶隙，可適用發光領域，如發光二極管(LED)、激光二極管(LD)、光接收器(PIN)及太陽能電池等產品；因此，化合物半導體可用于制造超高速集成電路、微波器件、激光器、光電以及抗輻射、耐高溫等器件，對國防、航天和高技術研究具有重要意義。

目前，生長化合物半導體單晶主要有垂直布里奇曼法、移動加熱器法、直拉法、垂直梯度凝固法和水平梯度凝固法。不同于硅、鍺這類單一元素體系的晶體，通常化合物半導體在高溫下會產生分壓，不適用于開放體系的直拉法生長。為了防止化合物半導體晶體生長過程中由于分壓產生化學計量比偏離，因此選擇坩堝為封閉體系的晶體生長方法，即便如此，生長的化合物半導體單晶也還是會出現本征缺陷，本征的半導體材料電學性能通常無法滿足器件使用要求，因此，為了調節、控制半導體的本征缺陷和電學性質，通常在采用以下兩種方式：

一、在生長過程中的摻雜，比如：在文獻“Terterian S,Chu M,Ting D,etal.Uniformity and reproducibility studies of low-pressure-grown Cd_0.90Zn_0.10Tecrystalline materials for radiation detectors[J].Journal of electronicmaterials,2003,32(7):796-802.”中對使用垂直布里奇曼法生長的6-英寸長的Cd_0.9Zn_0.1Te:In晶體徑向和軸向的Zn、In含量進行測量，然而，由于偏析系數的影響，沿著軸向和徑向方向Zn、In含量分布不均勻，導致電阻率在徑向上和軸向上有1～2個數量級的差異。

同樣在文獻“Zhang J,Wang L,Min J,et al.Characterization of CdMnTecrystal grown with vertical Bridgman method under Te-rich conditions[J].Physica Status Solidi,2014,11(7-8):1174-1177.”中，對垂直布里奇曼法生長CdMnTe:In中的In成分進行分析，主摻雜劑In在CdMnTe中的偏析系數較小，導致了晶體中In含量相差一個數量級，導致了電阻率的不均勻性。

二、在半導體單晶材料工藝完成以后，常常還通過擴散、離子注入、合金化工藝，將特定元素摻入半導體材料體內，得到所需電學性能的半導體單晶材料；其中，采用擴散工藝制備的半導體材料，擴散濃度隨深度變化明顯，其摻雜均勻性不好，對工藝的控制精度要求較高；而離子注入工藝設備昂貴而復雜，注入過程中由于入射離子的碰撞易導致晶體結構的損傷；合金化摻雜時，將摻雜劑和原料混合，由于熔體傳質不均勻易產生分凝，導致摻雜劑分布不均勻甚至析出到晶錠尾端，在大尺寸單晶生長時，由于晶錠直徑和長度的增加，在徑向及生長方向上引起的不均勻現象更加明顯，降低了晶體利用率，增加了產業化生產成本。