VGF法SI-GaAs单晶生长工艺与固液界面形状的研究

边义午

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

垂直梯度凝固(VGF)法以其工艺简单、重复性好，整个生长过程可以完全实现程序自动化控制，生长过程中具备较小的温度梯度，生长出的晶体热应力小、缺陷少等优点而被广泛应用于砷化镓(GaAs)单晶生长中。在掺C 半绝缘(SI)GaAs 单晶生长过程中，溶质分凝效应使得单晶长度随着生长进行而增加，晶体中C 浓度逐渐降低，生长过程中非平坦的固液界面形状使晶体生长结束后，单晶中同一等径面出现C 的径向不均匀分布，继而造成靠近晶体尾部中心位置电阻率偏低，改变了单晶的半绝缘特性。因此，每棵单晶至少需要切除掉尾部约25%低阻的部分，这就大幅降低了半绝缘单晶的有效长度和产品的可利用率。

本文通过对VGF 工艺的研究和改进，优化了生长过程中固液界面形状，降低了C 在晶体中的径向不均匀分布，增加了单晶有效长度和可利用率。

1 固液界面形状对C浓度分布的影响

1.1 半绝缘GaAs单晶电阻率与C浓度的关系

SI-GaAs 是浅受主杂质与深施主EL2 相互补偿的材料，其中C 是GaAs 材料中最为重要的一种浅受主杂质，在单晶生长过程中通过增加GaAs 晶体中浅受主杂质C 的含量，同时降低晶体中深施主EL2 能级，使得浅受主杂质C 与深施主EL2 及Si 相互补偿，可以有效提高GaAs 单晶电阻率和半绝缘特性。图1 给出了C 浓度对GaAs 单晶电阻率的影响。

由图1[1]可以看出，掺C SI-GaAs 单晶电阻率大小直接取决于晶体中C 的掺杂浓度。常见的SI-GaAs衬底材料要求其电阻率大于107Ω·cm，随着器件的发展，市场需求对SI-GaAs 衬底材料提出更高的要求，即电阻率达到108Ω·cm。

图1 掺碳SI-GaAs单晶C浓度与电阻率的关系Fig.1 Relationship between the C concentration and resistivity of C-doped SI-GaAs

1.2 固液界面形状对C浓度分布的影响

研究表明[2]，在VGF 法单晶生长过程中，随着生长的进行、晶体长度的增加，溶质分凝效应[3]使得SIGaAs 单晶中C 浓度逐渐降低，电阻率也随之较低，即生长出的晶体具有电阻率轴向不均匀特性。在生长过程中，固液界面总是非平坦的，这使后续切片加工出的晶片存在电阻率径向不均匀性。如图2 所示，固液界面可以视为一个等势面，C 浓度为C1，即处于此面的晶体其C 浓度及电阻率相同。因此，经一段时间t生长后，出现了第2 个等势面，C 浓度为C2，凹形固液界面和溶质分凝效应使得C1＜C2。这也是为何晶片中存在电阻率径向不均匀性的原因。

图2 掺碳SI-GaAs 单晶生长固液界面形状与C 浓度分布的关系Fig.2 Relationship between the shape of solid-liquid interface and the C concentration distribution of Cdoped SI-GaAs

2 VGF法SI-GaAs单晶生长工艺的改进

2.1 VGF生长工艺改进实验

普通的VGF 法SI-GaAs 单晶生长，即通过控制温度的下降实现熔体的凝固和单晶的生长。但是，由于生长具备不可观测的缺点，无法测定具体的生长速度，只能通过6 根测温热偶来估测晶体的生长进度，继而估测生长速度，误差较大。在生长过程中，固液界面的熔体通过沿晶体向下导热(QC)和沿坩埚壁向外导热(QR)，实现结晶潜热的释放和晶体的生长。如图3 所示，由于GaAs 热导率较低，随着晶体长度的增加，固液界面处结晶潜热沿晶体散逸能力逐渐减弱(QR＞QC)，此处生长速度较慢，继而导致生长界面呈现凹向晶体的现状。

图3 晶体生长过程中固液界面处结晶潜热的释放Fig.3 Release of latent heat of crystallization at solidliquid interface during crystal growth

为精确控制晶体生长速度，我们在等径生长阶段引入垂直布里奇曼(VB)工艺，即在恒温场下，通过马达控制器控制支撑结构匀速下降，由此实现整个生长系统的匀速下降，保证了晶体生长具备精确和稳定的生长速率。同时，随着支撑结构和生长系统向低温区的移动，加快了固液界面处熔体凝固时沿晶体方向结晶潜热QC的释放，有助于改善固液界面的平坦性。

2.2 VGF工艺改进实验结果

2.2.1 成品率的提升

表1 给出了工艺改进前后成晶率和成品率的开炉对比，2018年4 in SI-GaAs 共开炉84 炉，单晶49 颗，其中有27 颗头尾电阻率均在108Ω·cm 的量级，占单晶总数的55.1%，相比于2017年的49.3%提高了近6 个百分点。

表1 工艺改进前后成晶率和成品率的对比Tab.1 Comparison of crystallization rate and final products rate before and after process improvement

2.2.2 单晶长度的增加

表2 给出了工艺改进前后单晶长度的对比，对比结果不难看出工艺的改进使得单晶平均长度比上一年增加了13 mm。

表2 工艺改进前后单晶长度对比Tab.2 Comparison of single crystal length rate before and after process improvement

2.2.3 晶片不均匀性测试

表3 给出了工艺改进后，尾部单晶片电阻率不均匀性测试结果。不难看出，工艺改进后，晶体尾部电阻率及其均匀性都有了明显的改善和提升。

表3 工艺改进后尾部晶片电学参数测试结果Tab.3 Test results of electrical parameters of the tail wafer after process improvement

3 讨 论

改进VGF 工艺，在等径生长阶段引入VB 走车工艺，由于精确地控制晶体生长的速度，增加了固液界面凝固结晶潜热沿晶体方向的释放能力，不仅有效地改善了固液界面的平坦性和晶体尾部电阻率不均匀性，而且提升了SI-GaAs 单晶可利用的长度。