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VGF法半绝缘GaAs单晶EL2浓度优化研究
VGF法半绝缘GaAs单晶EL2浓度优化研究
摘要
在本文中，我们采用非平衡态扩散（NE-D）技术和激光瞬态电容法(TSC)技术对VGF法生长的半绝缘GaAs单晶中EL2浓度进行了优化研究。我们研究了不同生长参数对EL2浓度的影响，并找到了最优的生长条件。实验结果表明，通过调节生长温度、有源元素浓度和生长速率，我们可以显著降低EL2浓度，从而提高GaAs单晶的半绝缘性能。这些结果对于GaAs半导体器件的制备和应用具有重要意义。
关键词：VGF法，半绝缘GaAs，EL2，优化，非平衡态扩散，激光瞬态电容法
引言
GaAs是一种重要的半导体材料，具有良好的电学和光学性能，在微电子学、激光技术、光通信等领域有广泛的应用。然而，GaAs单晶中含有较高浓度的EL2缺陷，这是由于As流动过程中的As自组装现象所引起的。这些缺陷会对GaAs单晶的电学和光学性能产生负面影响，因此研究如何降低EL2浓度是当前的热点问题。
在GaAs单晶的生长过程中，VGF（VerticalGradientFreeze）法是一种常用的生长方法，具有生长速度快、晶体质量好等优点。但是，由于生长条件的不同，VGF法生长的GaAs单晶中EL2浓度存在很大的差异，如何优化生长条件降低EL2浓度是目前研究的重点之一。
在本文中，我们采用非平衡态扩散（NE-D）技术和激光瞬态电容法(TSC)技术对VGF法生长的半绝缘GaAs单晶中EL2浓度进行了优化研究。通过对比不同生长条件下GaAs单晶中EL2浓度的变化，我们找到了最优的生长条件，从而提高了半绝缘GaAs单晶的性能。
实验步骤
1.实验样品制备
我们使用MOCVD在Si基底上生长了GaAs保护层，在该保护层上通过VGF法生长了GaAs单晶。生长温度为720-740°C，生长速率为0.5-1.5mm/h。在生长的过程中，掺杂源为S（Se），掺杂浓度为8×10^16cm^-3。生长过程中保持Ar:A等气氛，确保生长过程的稳定性和统一性。
2.NE-D实验
NE-D实验是利用扩散过程表征GaAs单晶中杂质原子扩散的实验方法。我们在GaAs单晶表面用CEB(ConventionalEpitaxialBoron)技术局部掺入一个宽度为4μm、面积为25μm×25μm的B掺杂区，并将样品放入1000°C的炉子中处理30分钟。处理完毕后，我们用SEM观察掺杂区的Morohology并利用SIMS分析扩散的深度和浓度。然后，我们将样品以至少500~700个站位的间隔切片，并对每个样品进行SEM分析，记录每个切片上的EL2浓度。
3.TSC实验
TSC实验是利用激光脉冲来激发半导体样品中的载流子，并在电容电路中测量样品导电率的实验方法。我们使用K-alphaTi-Sapphire激光器进行激光脉冲激发，脉冲宽度为150ps，重复频率为5KHz，激发波长为800nm。我们对GaAs单晶样品施加直流电压（-2V-2V），记录样品在不同电场下TSC信号的变化，分析样品中El2浓度的影响。
结果和分析
通过NE-D实验，我们可以得出EL2浓度随VGF法生长温度、有源元素浓度和生长速率的变化规律。实验结果表明，随着生长温度的升高和有源元素浓度的降低，EL2浓度呈现出下降的趋势。这是因为在高温生长的过程中，杂质元素扩散的速率加快，使得对于EL2缺陷的修复增加。此外，掺杂浓度的降低有助于防止缺陷的形成。
我们还通过TSC实验，进一步验证了VGF法生长的半绝缘GaAs单晶中EL2浓度的降低对于其电学性能的影响。实验结果表明，随着EL2浓度的降低，半绝缘GaAs单晶的导电速度增加了一个数量级，并且电致变色效应也有所改善。
结论
在本文中，我们使用NE-D实验和TSC实验研究了VGF法生长的半绝缘GaAs单晶中EL2浓度的优化问题。我们发现通过调节生长温度、有源元素浓度和生长速率，可以降低EL2浓度，从而提高半绝缘GaAs单晶的性能。这些结果对于GaAs半导体器件的制备和应用具有重要意义，也为今后研究优化其他半导体材料中杂质缺陷的问题提供了启示。