（二）砷化鎵單晶制備方法及原理

　　從20世紀(jì)50年代開始，已經(jīng)開發(fā)出了多種砷化鎵單晶生長(zhǎng)方法。目前主流的工業(yè)化生長(zhǎng)工藝包括：液封直拉法（LEC）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。

　　（1）液封直拉法（Liquid Encapsulated Czochralski，簡(jiǎn)稱LEC）

　　LEC法是生長(zhǎng)非摻半絕緣砷化鎵單晶（SI GaAs）的主要工藝，目前市場(chǎng)上80%以上的半絕緣砷化鎵單晶是采用LEC法生長(zhǎng)的。LEC法采用石墨加熱器和PBN坩堝，以B2O3作為液封劑，在2MPa的氬氣環(huán)境下進(jìn)行砷化鎵晶體生長(zhǎng)。LEC工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，容易生長(zhǎng)較長(zhǎng)的大直徑單晶，晶體碳含量可控，晶體的半絕緣特性好。其主要缺點(diǎn)是：化學(xué)劑量比較難控制、熱場(chǎng)的溫度梯度大（100~150 K/cm）、晶體的位錯(cuò)密度高達(dá)104以上且分布不均勻。日本日立電線公司于1998年首先建立了6英寸LEC砷化鎵單晶生產(chǎn)線，該公司安裝了當(dāng)時(shí)世界上最大的砷化鎵單晶爐，坩堝直徑400mm，投料量50公斤，生長(zhǎng)的6英寸單晶長(zhǎng)度達(dá)到350 mm。德國(guó)Freiberger公司于2000年報(bào)道了世界上第一顆采用LEC工藝研制的8英寸砷化鎵單晶。

　　（2）水平布里其曼法（Horizontal Bridgman，簡(jiǎn)稱HB）

　　HB法是曾經(jīng)是大量生產(chǎn)半導(dǎo)體（低阻）砷化鎵單晶（SC GaAs）的主要工藝，使用石英舟和石英管在常壓下生長(zhǎng)，可靠性和穩(wěn)定性高。HB法的優(yōu)點(diǎn)是可利用砷蒸汽精確控制晶體的化學(xué)劑量比，溫度梯度小從而達(dá)到降低位錯(cuò)的目的。HB砷化鎵單晶的位錯(cuò)密度比LEC砷化鎵單晶的位錯(cuò)密度低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。主要缺點(diǎn)是難以生長(zhǎng)非摻雜的半絕緣砷化鎵單晶，所生長(zhǎng)的晶體界面為D形，在加工成晶片過(guò)程中將造成較大的材料浪費(fèi)。同時(shí)，由于高溫下石英舟的承重力所限，難以生長(zhǎng)大直徑的晶體。目前采用HB工藝工業(yè)化大量生產(chǎn)的主要是2英寸和3英寸晶體，報(bào)道的HB法砷化鎵最大晶體直徑為4英寸。目前采用HB工藝進(jìn)行砷化鎵材料生產(chǎn)的公司已經(jīng)不多，隨著VB和VGF工藝的日漸成熟，HB工藝有被逐漸取代的趨勢(shì)。

　　（3） 垂直布里其曼法（Vertical Bridgman，簡(jiǎn)稱VB）

　　VB法是上世紀(jì)80年代末開始發(fā)展起來(lái)的一種晶體生長(zhǎng)工藝，將合成好的砷化鎵多晶、B2O3以及籽晶裝入PBN坩堝并密封在抽真空的石英瓶中，爐體垂直放置，采用電阻絲加熱，石英瓶垂直放入爐體中間。高溫下將砷化鎵多晶熔化后與籽晶進(jìn)行熔接，然后通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由支撐桿帶動(dòng)石英瓶與坩堝向下移動(dòng)，在一定的溫度梯度下，單晶從籽晶端開始緩慢向上生長(zhǎng)。VB法即可以生長(zhǎng)低阻砷化鎵單晶，也可以生長(zhǎng)高阻半絕緣砷化鎵單晶。晶體的平均EPD在5 000個(gè)/cm-2以下。

　　（4）垂直梯度凝固法（Vertical Gradient Freeze，簡(jiǎn)稱VGF）

　　VGF工藝與VB工藝的原理和應(yīng)用領(lǐng)域基本類似。其最大區(qū)別在于VGF法取消了晶體下降走車機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由計(jì)算機(jī)精確控制熱場(chǎng)進(jìn)行緩慢降溫，生長(zhǎng)界面由熔體下端逐漸向上移動(dòng)，完成晶體生長(zhǎng)。這種工藝由于取消了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使晶體生長(zhǎng)界面更加穩(wěn)定，適合生長(zhǎng)超低位錯(cuò)的砷化鎵單晶。VB與VGF工藝的缺點(diǎn)是晶體生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)法觀察與判斷晶體的生長(zhǎng)情況，同時(shí)晶體的生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)。目前國(guó)際上商用水平已經(jīng)可以批量生產(chǎn)6英寸的VB/VGF砷化鎵晶體，F(xiàn)reiberger公司在2002年報(bào)道了世界上第一顆采用VGF工藝研制的8英寸砷化鎵單晶。

　　（三）砷化鎵材料的表征技術(shù)

　　砷化嫁作為第二代半導(dǎo)體材料的代表，在高能對(duì)撞物理實(shí)驗(yàn)、航天科技和核放射性廢料檢測(cè)等輻照環(huán)境下有著重要的應(yīng)用。為此，對(duì)砷化嫁材料的輻照效應(yīng)及其抗輻照能力進(jìn)行研究是很有意義的。但目前我國(guó)還未見有一種簡(jiǎn)單、快速且完全非破壞性的技術(shù)來(lái)對(duì)其抗輻射能力進(jìn)行評(píng)估。低頻噪聲在表征硅器件的輻照損傷時(shí)取得了極大的成功，而且它的技術(shù)特點(diǎn)也符合對(duì)砷化嫁材料輻照損傷進(jìn)行表征的技術(shù)要求。

　　（四）砷化鎵材料的用途和工作原理

　　（1）用途：廣泛應(yīng)用于高頻及無(wú)線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于無(wú)線通信、光纖通信、移動(dòng)通信、GPS全球?qū)Ш降阮I(lǐng)域。除在I C產(chǎn)品應(yīng)用以外，砷化鎵材料也可加入其它元素改變其能帶結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生光電效應(yīng)，制成半導(dǎo)體發(fā)光器件，還可以制做砷化鎵太陽(yáng)能電池。

　　（2）工作原理：砷化鎵（GaAs）材料與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體材料相比，它具電子遷移率高、禁帶寬度大、直接帶隙、消耗功率低等特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。砷化鎵是典型的直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值均處于布里淵區(qū)中心，即K=0處，這使其具有較高的電光轉(zhuǎn)換效率，是制備光電器件的優(yōu)良材料。

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