高温退火处理提高半绝缘VGF-GaAs单晶的电学性能.pdf

第２９卷第９期半导体学报犞狅犾．２９犖狅．９
２００８年９月犑犗犝犚犖犃犔犗犉犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犛犛犲狆．，２００８

高温退火处理提高半绝缘犞犌犉犌犪犃狊单晶的电学性能

占荣赵有文于会永高永亮惠峰

（中国科学院半导体研究所，北京１０００８３）

摘要：垂直梯度凝固法（犞犌犉）生长的低位错半绝缘（犛犐）犌犪犃狊单晶存在电阻率和迁移率低、电学补偿度小、均匀性差等问
题．在３种不同温度条件下，对犞犌犉犛犐犌犪犃狊晶片进行了加犃狊压的闭管退火处理．结果表明，经过１１６０℃／１２犺的高温退
火处理后，犞犌犉犛犐犌犪犃狊单晶的电阻率、迁移率和均匀性均得到了显著提高．利用犎犪犾犾、热激电流谱（犜犛犆）、红外吸收法分
别测试分析了原生和退火犞犌犉犛犐犌犪犃狊单晶样品的电学性质、深能级缺陷、犈犔２浓度和犆浓度，并与常规液封直拉法
（犔犈犆）犛犐犌犪犃狊单晶样品进行了比较．原生犞犌犉犛犐犌犪犃狊单晶中的犈犔２浓度明显低于犔犈犆犛犐犌犪犃狊单晶，经过退火处理
后其犈犔２浓度显著增加，电学补偿增强，而且能级较浅的一些缺陷的浓度降低，因而有效提高了其电学性能．

关键词：垂直梯度凝固法；半绝缘砷化镓；电学补偿；缺陷
犘犃犆犆：７３６０犔
中图分类号：犜犖３０４２＋３文献标识码：犃文章编号：０２５３４１７７（２００８）０９１７７００５

得电学性能优异的犛犐犌犪犃狊单晶，成为一项重要的研究
１引言工作．有关原生及退火处理后犞犌犉犌犪犃狊单晶的缺陷
和电学补偿的研究较少，作者对原生以及退火处理后的
砷化镓（犌犪犃狊）单晶已成为一种非常重要的微电子犞犌犉犛犐犌犪犃狊单晶的电学性质、深能级缺陷和电学补
和光电子基础材料，用于制造激光器、探测器、红光偿进行了研究，目的在于了解和掌握犞犌犉犛犐犌犪犃狊单
犔犈犇等光电子器件以及网络光通信用的超高速数字集晶的缺陷及材料的电学补偿情况，通过缺陷控制获得电
成电路和高频微波、毫米波器件．制作光电子器件需要学性能优异的低位错犛犐犌犪犃狊单晶材料．
使用低阻（犛犆）犌犪犃狊单晶片，而制造超高速数字电路和
微波功率器件则需要使用高质量的半绝缘（犛犐）犌犪犃狊晶２实验
片做衬底［１～５］．一方面，犌犪犃狊材料的纯度远不能达到元
素半导体犛犻和犌犲的水平，另一方面犌犪犃狊在高温生长我们利用一台自行研制的犞犌犉单晶炉生长犛犐
过程中存在化学配比偏离，这会导致空位、填隙、反位等犌犪犃狊单晶．犞犌犉生长犌犪犃狊单晶的主要条件为：预先
本征点缺陷及其络合物产生．这些空位与反位缺陷具有合成７犖纯度的多晶料，采用带籽晶槽的犘犅犖坩埚，加

电活性，参与材料的电学补偿并在后续热处理过程中发犅２犗３覆盖，晶体生长方向〈１００〉，直径７５犿犿，投料
生变化，从而影响材料的质量．尽管理想的本征犌犪犃狊２８１５犵，温控采用欧陆３５０８控制，控制精度为０１℃，生
是半绝缘的，但其生产工艺复杂难以实现．因此，几乎所长周期约为１３０犺．晶锭去掉头尾后长约１３犮犿，再将晶
有的犛犐犌犪犃狊都是通过电学补偿得到的．目前微电子用锭切成厚度０８犿犿的薄片，清洗腐蚀后进行加犃狊压闭
的所谓非掺犛犐犌犪犃狊主要是通过控制一个能级位于禁管退火处理．退火工艺为：第一次１０６０℃恒温６犺；第二
带中央的本征深缺陷犈犔２与受主杂质犆的相互补偿来次１１００℃恒温６犺；第三次１１６０℃恒温１２犺．
实现的．因而控制缺陷与电学补偿对于获得高质量犛犐对犞犌犉犌犪犃狊晶片抛光后进行熔融犓犗犎腐蚀，用
犌犪犃狊单晶是至关重要的．显微镜测得的位错密度为３００～１０００犮犿－２．将原生和一
与高压液封直拉法（犔犈犆）相比，虽然垂直梯度凝固次、二次、三次退火的单晶片解理为四分之一大小的晶
法（犞犌犉）生长的犛犐犌犪犃狊单晶的位错密度显著降片样品作红外吸收测试．解理成５犿犿×５犿犿的小块晶
低［６］，可减少由衬底向外延层延伸的位错对微波器件的片样品作犎犪犾犾电学性能测试和热激电流谱（犜犛犆）测
性能和寿命的影响［７］，但作为半绝缘单晶衬底，犞犌犉试．犎犪犾犾测试采用的是常规范德堡方法．
犛犐犌犪犃狊单晶的电学性能也必须满足器件的要求．然
而，这两种方法在生长犌犪犃狊单晶过程中的化学配比偏３结果与讨论
离度、犆掺杂和含量控制等存在很大差异．因而，犞犌犉
犌犪犃狊单晶的深能级缺陷的数量和浓度将不同于犔犈犆
３．１犞犌犉犌犪犃狊单晶补偿与电阻率
犌犪犃狊单晶，材料的电学补偿和性能也相应发生变化．如
何控制犞犌犉犌犪犃狊单晶的深能级缺陷和电学补偿，获原生及退火处理后犛犐犌犪犃狊单晶的电学参数以及

通信作者．犈犿犪犻犾：狕犺犪狀狉狅狀犵＠狔犪犺狅狅．犮狀
２００８０２２９收到，２００８０５１３定稿２００