降低半絕緣GaAs單晶片亮點缺陷的熱處理工藝研究

楊 藝，周春鋒，蘭天平

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

基礎研究

降低半絕緣GaAs單晶片亮點缺陷的熱處理工藝研究

楊 藝，周春鋒，蘭天平

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

GaAs單晶材料已成為一種重要的微電子和光電子基礎材料，應用廣泛。為了降低半絕緣砷化鎵單晶片表面的亮點缺陷，對砷化鎵晶片在不同溫度和不同砷蒸汽壓條件下進行了熱處理，研究了熱處理對砷化鎵中砷的存在形式轉換的影響及其機理。

GaAs單晶片 熱處理 亮點缺陷 EL2

0 引 言

近年來，移動通訊、網絡技術以及電子產業的迅速發展帶動了砷化鎵(GaAs)產業的發展。目前，GaAs單晶材料已成為一種重要的微電子和光電子基礎材料，已廣泛用于微波大功率器件、低噪聲器件、微波毫米波單片集成電路、超高速數字電路等電子器件的制造。但 GaAs生產工藝復雜，在高溫生長過程中存在化學配比偏離的問題，這會產生亮點缺陷，以及電學參數不滿足要求等問題。由于亮點缺陷會影響器件參數，因此對亮點缺陷密度的研究顯得尤其重要。[1]本文利用 VGF法生長 C摻雜的半絕緣 GaAs單晶片，研究了熱處理對GaAs單晶片亮點缺陷和電學參數尤其是 EL2的影響，同時對其機理進行了討論。

1 實驗過程

本文采用的樣品為 VGF法生長的 C摻雜10.15,cm半絕緣GaAs單晶片：預先合成7,N純度的GaAs多晶料，生長＜100＞方向的 GaAs單晶錠，單晶錠經滾圓、切片、倒角、化拋、清洗后，進行晶片閉管熱處理。單晶切片的厚度為740±15,μm。

將GaAs單晶片做閉管熱處理，裝入熱處理溫度下產生工藝要求蒸汽壓的保護砷，計算保護砷的量。

保護砷量計算公式：

W＝PVMAs/RT；

V＝Πr2,L－MGaAs/ρ。

式中，W為保護砷的質量，g；MAs為 As4分子摩爾量300,g/mol；T為熱處理絕對溫度 K；P為石英內砷的蒸汽壓 atm；V為密封石英管內的凈容積；R為常數0.082,atm L/(K mol)；r為石英管內半徑；L為封管實際長度；MGaAs為晶片質量；ρ為 GaAs密度5.32,g/cm3。

裝入保護砷后，抽真空，當真空度達10-4,Pa數量級時，封管、裝爐，裝爐要保證放置晶片位置處在爐體恒溫區中。準備工序完成后，開始退火。退火工藝參數包括：4±0.1,h從室溫升至實際退火溫度，恒溫12±0.1,h后降溫，6±0.1,h降至室溫。

退火后的 GaAs晶片經過拋光、清洗，到規定厚度 625±20,μm 時，測試晶片的 EL2濃度及亮點缺陷。

實驗的具體工藝參數如表 1所示，實驗1、2、3、4分別對應樣品1、2、3、4。

表1 工藝參數Tab.1 Technological parameters

2 結果與討論

GaAs中的固液同組分點不在理想配比處，而是偏向富As區，當GaAs固相區擴展到一定范圍后，向理想配比處回縮。因此，用 GaAs熔體生長富 As的GaAs單晶，在生長完成后的冷卻過程中，As的溶解度逐漸降低，出現過飽和。此時的 As原子主要有兩種存在方式：①當過飽和的 As達到 As沉淀成核的臨界值，且達到該值時的溫度高于過量 As的凍結溫度時，開始產生As沉淀；②過飽和的As以本征點缺陷的形式擴散到 GaAs晶體中，這種本征點缺陷是As間隙原子。As沉淀宏觀表現既為亮點缺陷，會對后續的器件加工產生不利的影響，希望能減少亮點缺陷；As間隙原子在高溫后的冷卻過程中，會與VGa結合生成AsGa，并俘獲VGa，生成EL2，因此As間隙原子的存在有利于EL2的形成。EL2是半絕緣GaAs晶體中的施主雜質，與殘留受主的補償作用可形成半絕緣特性，其濃度的變化也會影響GaAs晶體的電學特性。而EL2濃度強烈依賴于GaAs晶體中As的原子百分比，因此，EL2的濃度與熱處理過程中砷蒸汽壓的大小和熱處理溫度有關。

將樣品在不同退火條件下進行熱處理，測試樣品原生態和退火后的 EL2濃度及亮點缺陷，EL2濃度測試結果見表2。

表2 EL2濃度的測試結果Tab.2 Test result of EL2concentrations

樣品1在真空條件下，經950,℃退火12,h得到。由表 1可看出，經熱處理后的晶片 EL2濃度略微增加，但是熱處理后的亮點缺陷與原生態相比不僅沒有減少，反而略微增多。理論上，在高溫低壓條件下，晶片表面的 As原子蒸發，由于濃度梯度使晶片內部的As原子向晶片表面擴散，從而減少了砷沉淀的存在。實際上，雖然晶片表面的砷蒸發造成晶片表面離解，但根據文獻[2]所述，在 950,℃熱處理時會促進本征點缺陷(主要是As間隙原子)轉化為EL2和As沉淀，而此溫度又不足以使原有的 EL2分解，所以退火后晶片的 EL2和 As沉淀都略微增加，As間隙原子減少。

樣品 2是在砷蒸汽壓 1.0,atm 的條件下，經1,070,℃退火12,h得到。退火后樣品的EL2濃度有較大增加，但同樣，亮點缺陷也沒有減少。由于過高的退火溫度(1,100,℃以上)容易使 EL2分解，會造成半絕緣砷化鎵由 N型半絕緣轉變為 P型半導體，所以退火溫度需在 1,100,℃以下。在高溫(本實驗所用溫度為1,070,℃)高砷壓(本實驗所用砷壓為1.0,atm)條件下，GaAs晶體與環境氣象 As相互作用使樣品發生了 As間隙原子從晶片表面向內部擴散，化學配比向富As方向移動，As間隙原子大量增加。高溫過程后的冷卻過程中，一部分As間隙原子生成EL2；另一部分As間隙原子在冷卻過程中隨溶解度的降低逐漸析出，轉化為砷沉淀；其余 As間隙原子依然以本征點缺陷的形式存在于晶體中。[3]所以此時的 EL2濃度有較大的增加，砷沉淀并沒有減少，主要是因為砷的環境蒸汽壓過大。

樣品 3是在砷壓 0.8,atm條件下，經 1,070,℃退火12,h得到。退火后樣品的EL2濃度增加，此時亮點缺陷有所減少。在高溫退火條件下，1,070,℃有利于砷沉淀的溶解，溶解的砷沉淀轉化為砷間隙原子。此時的環境砷蒸汽壓略小，晶片表面的 As原子蒸發，由于濃度梯度的存在使表面產生 VAs并從表面向內部擴散，與外擴散的As間隙原子相遇，消耗了一部分As間隙原子，另一部分As間隙原子轉化為EL2，剩下的 As間隙原子在退火后的降溫過程中轉化為砷沉淀。砷沉淀雖然有所減少，但還是可以觀察到。

樣品 4是在砷蒸汽壓 0.6,atm 的條件下，經1,070,℃退火12,h得到。退火后樣品的EL2濃度略微增加，此時亮點缺陷消失。其原因是進一步降低了砷蒸汽壓，使晶片表面更多的As原子蒸發產生VAs，由于濃度梯度的存在，使 As間隙原子向晶片表面擴散。剩下較少的As間隙原子生成EL2。As間隙原子的減少，促進了砷沉淀繼續轉化為 As間隙原子，As間隙原子的消耗使晶片中的過量砷減少，在冷卻過程中不足以達到砷沉淀成核的臨界值，因此不會形成砷沉淀，或者說所形成的砷沉淀較小以至于無法觀察到。

圖1 為不同熱處理條件下，樣品在Yamada燈下的砷沉淀圖。從圖1中可看出，a、b、c、d分別對應熱處理后樣品1、樣品2、樣品3、樣品4。可明顯看出，樣品 1在 950,℃熱處理后，亮點缺陷密度最大。在1,070,℃熱處理后，隨砷蒸汽壓的減小，亮點缺陷密度逐漸減小，直至消失，達到較好的效果。

圖1 樣品在熱處理后砷的亮點缺陷圖Fig.1 Light point defect figure of samples after thermal treatment

3 結 論

對半絕緣 GaAs晶片進行了不同條件的熱處理研究。當熱處理溫度為 950,℃，真空條件時，雖然環境砷蒸汽壓很低，但有利于 As間隙原子向 As沉淀和 EL2的轉化；當熱處理溫度為 1,070,℃時，隨環境砷蒸汽壓的增加，晶片內的As間隙原子增加，EL2濃度增加，在冷卻的過程中，砷沉淀也會增加。即半絕緣 GaAs熱處理后，在高溫冷卻的過程中，過量砷主要有 3種存在形式：砷沉淀、砷間隙原子和 EL2，經過適當溫度、適當砷蒸汽壓熱處理時，砷的 3種存在形式會相互轉換。為減少砷沉淀，又不會造成晶片表面的離解，因此在熱處理溫度下，保持適量的砷蒸汽壓可大量減少砷沉淀，同時保持EL2濃度不降低。■

［1］ 劉紅艷，孫衛忠，王娜，等. 半絕緣砷化鎵中本征缺陷的光學顯微研究[J]. 現代儀器，2008(3)：38-40.

［2］ 楊瑞霞. 熱處理改善未摻雜LEC GaAs中EL2分布均勻性機理的研究[J]. 固體電子學研究與進展，1994，14(1)：85-90.

［3］ 劉力鋒，楊瑞霞，郭惠. 熱處理和淬火影響 GaAs中EL2濃度機理的研究[J]. 紅外技術，2002，24(1)：30-33.

On Thermal Treatment for Reducing Light Point Defect of GaAs Monocrystal Wafer

YANG Yi，ZHOU Chunfeng，LAN Tianping
(No.46 Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Tianjin 300220，China)

GaAs monocrystal material has already become one of the important fundamental materials in microelectronics and optics-electronics and has been widely applied in these fields. Thermal treatment was carried out under different temperatures and different arsenic vapor pressures for GaAs monocrystal wafers in order to reduce the light point defect. Meanwhile, the existence form of As in GaAs and its mechanism during the thermal treatment were studied in detail.

GaAs monocrystal wafer；thermal treatment；light point defect；EL2

G312

A

1006-8945(2016)02-0019-03

2016-01-11