VGF 法生长半导体晶体的研究进展

VGF法生长半导体晶体的研究进展

范叶霞

【摘 要】摘 要:VGF法可实现晶体生长条件可控，晶体重复性好，所生长晶体尺寸大、位错密度低、应力小，是一种很有前景的晶体生长方法。本文综述了VGF法生长半导体晶体、数值模拟和磁场应用的国内外研究进展。 【期刊名称】激光与红外 【年(卷),期】2015(000)005 【总页数】7

【关键词】关键词:VGF法;半导体晶体;晶体生长

1 引言

VGF(vertical gradient freeze，VGF)法即垂直梯度冷凝法是由美国学者Sonnenberg等人开放的一项专利技术［1］，近年来，国内外的科研人员对VGF法生长单晶进行了大量的实验研究，并取得了诸多的成果。20世纪80年代中后期，美国贝尔实验室的Monberg等人［2－3］利用VGF法生长了磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)晶体，首次将VGF技术应用于半导体化合物单晶生长。随着VGF技术的不断改进，更多的半导体单晶被生长出来，如碲镉汞(HgCdTe)单晶［4］，SI GaAs单晶等。如今该方法已经被成功应用于GaAs晶体、InP晶体、Ge单晶等半导体单质及化合物的单晶生长。与此同时，一些商业公司也采用VGF法技术开发和生产了GaAs、Ge和CdZnTe等单晶。

VGF法与垂直布里奇曼(vertical Bridgman，VB)法的生长原理是相似的，熔体在坩埚中自下而上冷却，实现晶体的结晶和定向生长，且晶体的尺寸是固定不变的，无需考虑晶体直径控制问题。两种技术的不同之处是，在VB法晶体生

长过程中，生长炉的温度是固定不变的，利用机械的作用使坩埚或是炉体产生移动，当固－液界面经过温度梯度区结晶成核，实现晶体生长;而在VGF法晶体生长过程中，坩埚和炉体位置均是固定不动的，改变的是温度，晶体生长时进行缓慢降温，晶体形核。VGF法可实现晶体生长过程中温场的人为设定，实现预先设计的温度梯度和降温速度，使固液界面以一定的速度由下而上移动，完成晶体的自下而上生长。相对于VB法，VGF法具有如下优点:无机械误差和机械振动;炉体内温度分布可精确控制;生长的晶体应力较小并具有低的位错密度;可通过合适的后处理工艺，如退火、改变冷却速率等降低晶体析出物的浓度等。

2 晶体生长的进展

2.1 半导体晶体GaAs的生长

美国贝尔实验室在20世纪80年代早期就开始研究VGF技术，之后VGF法生长半导体晶体开始进入快速发展时期。1996年德国研究者C.Frank等人［5］采用自制的15段加热VGF炉，同时利用As源温度的不同控制晶体的化学计量比，生长了＜100＞取向的GaAs晶体，研究发现，As源温度从620℃降至607℃时，导致了晶体中本征缺陷浓度减小到0.6×1016 cm－3;同年德国的J.Amon等［6］利用VGF法分别生长InP和GaAs单晶，炉体为22段独立加热单元，每个加热单元高2cm，由于每个加热单元都可单独升降温，因此可调节炉体内温场的非线性分布;1999年C.Hannig报道了［7］利用VGF法生长掺杂13C的半绝缘GaAs(SI GaAs)单晶，炉体是15段控温，其中上部的12段用于晶体形核和生长，下部的3段为As源的控温段，温度控制为617℃，晶体内EPD为103 cm－1。国内对于III－V族半导体晶体的研究近年来也取得了一定的成果［8］，中科院上海冶金研究所的赵福川和谈惠祖等人［9－10］

利用国产的三温区VGF炉，籽晶法生长了非掺半绝缘GaAs半导体单晶，晶体生长速度为5 mm/h。2008年中科院半导体所于会永等［11］利用VGF法生长了掺杂Si的GaAs单晶，实验中采用自制的VGF生长炉生长出了直径50 mm和70 mm的单晶。通过三十多年的技术发展，VGF法单晶生长技术已是生长GaAs和Ge等半导体单晶的成熟技术，可生长直径150 mm以上的III－V族单晶体。

工业生产方面，虽然III－V族半导体晶体有着许多不利的单晶生长性质，以及VGF技术生长条件的精密要求，但是VGF法生长大尺寸工业可用的III－V族半导体晶体时代已经到来。在世界范围内美国晶体技术集团公司(AXT)已率先采用VGF技术实现了GaAs、Ge和InP等半导体单晶衬底材料商业化规模生产。 2.2 半导体晶体CdZnTe的生长

CdTe、Cd1－x Znx Te(CdZnTe，CZT)和ZnTe等IIVI族单晶，是重要的红外和辐射探测器和Hg1－x Cd x Te外延衬底材料，并可用于制作太阳能电池［12－19］。近几十年来，国内外的研究者在VGF法生长CdZnTe单晶研究中不断地进行探索，首先获得大尺寸单晶，并获得满意的单晶重复率的是日本能源公司(Japan Energy Corporation)。据最近的文献报道，日本能源公司正在突破6 inch.单晶的生长技术。日本能源公司一直在致力于生长大尺寸CdZnTe单晶的研究，20世纪90年代T.Asahi等［13－14］设计了VGF法使用的多温区炉体，并利用该晶体炉生长了大尺寸的CdZnTe晶体。CdZnTe晶体生长时分别采用熏碳的石英坩埚和高温热解的pBN坩埚生长晶体，晶体生长装置如图1所示。实验进行了6次晶体生长，其中4次获得整块单晶，晶体单晶重复率为66.67%，Zn分凝系数约为1.35。在实验中还进行了晶体加Cd源的原位