VGF法生长n—GaAs基板缺陷及测试方法概述

刘芸

摘要：本文从VGF-n-GaAs的晶体生长及加工出发，综合分析了可能引入的缺陷类型和缺陷形成机理，指出了目前的较为成熟和普遍测试方法，对于晶体结构的双晶摇摆曲线测试，表面杂质的TXRF测试，以及体相杂质和能级表征的GDMS、PL测试方法，为半导体从业人员提供参考。

关键词：砷化镓；缺陷；测试

1、砷化镓晶片介绍

砷化镓是目前应用较为广泛的一类直接带隙半导体材料，其导带最低点与价带最高点在同一k空间，电子和空穴能够有效地符合二发光。用其制做LED发光二极管，具有耗电量小、寿命长、发热量少、反应速率快、体积小、耐碰撞、适合多种环境等许多优点。

2、砷化镓的制备工艺

20世纪80年代中后期GaAs体单晶生长技术趋于成熟，1986年Clemans和Gault等人初次报告了利用垂直梯度凝固法（VGF）生长出低位错密度的GaAs单晶的信息，其基本生长方式是通过控制加热器的加热功率，生成一定梯度的温场来驱动晶体生长，晶体在惰性气体氛围下生长使用PBN坩埚作为容器，原料为非掺杂的富As砷化镓多晶，使用脱水B2O3作为脱水剂，通过精准控温得到低位错晶棒。

砷化镓单晶本身导电性能较差，禁带宽度大，本征激发困难，需要在单晶生长时加入掺杂剂改善其性能，在制备n型砷化镓考虑到衬底与外延层的晶格匹配，采用掺杂Si的衬底，实践证明掺Si砷化镓经过工艺调试产物较为理想，位错、析出物等问题得到有效控制。

3、基板成品缺陷及测试方法概述

晶片基板缺陷主要分为单晶晶体结构以及杂质残留的影响两大类，其中由衬底引入的杂质又可分为表面杂质和体相杂质两种：

（1）单晶晶体结构的影响。

理论上，纯静的砷化镓单晶应是完整无缺的，但在砷化镓晶体生长时，由于生长条件的控制能力有限的客观因素存在、使用富As多晶、人为加入掺杂剂等因素，难以做到晶体中Ga、As比例为1：1，容易产生镓空位（VGa）或者砷空位（VAs），或者存在间隙原子Ga或者As，以及反结构原子等。在而为了改善砷化镓单晶导电性能而添加的掺杂剂在一定程度上破坏了晶格结构的完整性，同时考虑到掺杂剂的纯度等因素，本身也是多种杂质引入源。高纯度籽晶基本不会导致杂质的引入，但如籽晶存在位错、在晶体生长时位错会在晶体上延伸，导致晶体结构不良。晶体生长过程中产生的热应力也是位错来源之一。晶体生长的承载体PBN坩埚如在放肩部位或等径部位内表面存在凹凸不平的非均匀区域或微小杂质颗粒则易导致B2O3不能完全包覆，造成异相成核导致孪晶。上述多种问题均能破坏了晶体完整性、周期性。

晶棒的后期加工，即经切割、研磨腐蚀、抛光、清洗包装，得到开盒即用的洁净晶片成品，而在晶加过程中，在对表面的加工过程中造成对表面的应力，晶片会存在不同深度的损伤，这种损伤将最终也将导致器件性能不良

一般采用双晶衍射摇摆曲线半峰宽（即FWHM）来表征晶体缺陷。FWHM不仅与晶片亚表层损伤层有关，也受到晶体自身本征缺陷的影响。[1]当晶体尺寸趋于无穷大时，衍射峰的宽度趋于零。真实衍射峰不可能为零。双晶衍射条件下单晶材料的理论衍射峰最大强度一半位置的全宽度，简称理论半高度，又称为材料本征半高度。实际晶体中的各种缺陷，会使衍射峰加宽，因此可以利用衍射峰的半高度来判断半导体的结晶质量。[2]

（2）杂质残留-表面杂质残留的影响。

表层残留的杂质成分，主要是在晶片切、磨、抛、洗加工过程中源于加工试剂、工具、环境等在晶片表面的造成杂质残留，含量一般在ppm级以下，这种残留一般较难通过强光灯目检检出，但在外延磊晶时会带入过渡层中，导致过渡层产生杂质能级，影响发光效率，降低器件品质。

可采用TXRF測试表面元素扫描测试。TXRF背景低，峰背比高。元素分析检出限可达pg级，表面分析的检出限可达109～11原子cm-2，穿透深度浅，基体效应基本消除，准确率较高，分析范围可从原子序数11（Na）到92（U）。TXRF可显示被测试表面元素在基板上的位置，对于充分解析晶体加工过程的不同工序对晶片污染的影响有深远意义。[3]

（3）杂质残留-体相杂质残留的影响。

体相杂质一般在晶体生长过程中引入的，通常分为两类，一类是因工艺所需主动引入的掺杂剂Si、覆盖剂B2O3；另一类是在生长中无意引入的其他杂质。

从这些杂质原子起到的作用看，主要分为四种：杂质做施主原子，如Ⅵ族元素Se、S、Te在砷化镓中通常替代V族元素As原子，成为浅施主杂质，这些原子比起替代的原子多一个或以上电子，多出来的电子在晶体中自由移动可形成电流；杂质做受主原子，如Ⅱ族元素Zn、Be、Mg、Cd、Hg在砷化镓中取代Ⅲ族元素Ga的晶格位置，成为浅受主杂质，这些原子比其替代的原子少一个或以上的电子，捕获晶体中的自由电子；两性杂质既可做施主也可做受主，如Ⅳ族元素杂质Si、Ge、Sn、Pb等，可取代Ga，也可取代As，或同时取代两者，此类杂质起到施主作用还是受主作用，取决于施主或受主的相对数量；中性杂质，Ⅲ族元素B、Al、In和Ⅴ族元素P、Sb在砷化镓中通常分别替代Ga和As，这类杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电子也不复活电子而显电中性，对砷化镓的电学性质没有明显影响。

目前工艺普遍采用6N或7N的原材料，除B、Si两种元素外，其他元素的引入量较少，影响较低。结合VGF法生长Si-GaAs的材料及条件，生长过程中主要采用B2O3作为覆盖剂，否则在生长中GaAs熔体与PBN坩埚直接接触，易造成异相成核二形成孪晶、同时抑制表面As分解。B在砷化镓中倾向于占镓位，与硅施主存在占位竞争，降低了硅施主的掺入效率，增加自补偿，需增加掺硅的量以达到所需电参数，而在生长中发现， B2O3与掺杂剂Si在高温下起化学反应，导致熔体中溶解的Si量减少，导致载流子浓度降低，因此通常掺杂时使用过量Si掺杂，然而当掺Si达到一定浓度时，载流子浓度并不随Si浓度成比例增加，Si含量过高容易增加与B2O3反应几率，生成杂质沉淀，沉淀物随机分布严重影响器件性能，因此掺杂量的控制尤为关键。[4]：

通常采用GDMS法测试体相元素含量从而计算激活率的方式表征、同时也可进行PL光谱扫描观察衬底的能级情况。

①GDMS测试体相元素含量、计算激活率。GDMS即高解析-辉光放电质谱可应用于测试固体物质，检测时样品持续的受到离子撞击侵蚀，溅射出的样品原子被离子化为离子态，辉光放电离子源稳定、不受样品属性影响，可均匀的溅射到样品表面下数10um，对元素的灵敏度稳定，不受组成元素或实验条件的影响，适合半导体体相杂质含量的监测，测试后使用激活率和样品中硅含量比值计算实际硅的激活率表征掺杂的效率。

②PL光譜扫描衬底能级情况进行测试。PL Mapping是在固定激发光下，样品表面的发光强度的变化可直观反应样品发光浓度的变化，当激光照射到测试样品表面时，材料出现本征吸收，在材料表面产生大量的空穴电子对。通过不同的复合机理进行复合，产生光发射。发射光在逸出表面前会受到样品本身的自吸收。逸出表面的发射光经探测器接收，得到发光强度按光谱能量分布的曲线，经处理后还可得到样品任意直径上发光峰发光强度变化曲线[5]。

4、总结

从上述概述上可以看到目前对基本主要的影响集中在单晶完整性和表面、体相杂质引入上，通过较为成熟的双晶衍射、TXRF表面测试、GDMS体相杂质分析以及PL光谱能级测试可对基片做较为全面的测试表征。

参考文献：

[1]曹福年.卜俊鹏.吴让元.郑红军.惠峰.白玉珂.刘明焦.何宏家 X射线回摆曲线定量检测Si-GaAs抛光晶片的亚表面损伤层厚度[期刊论文]半导体学报 1998（8）

[2]MaYong-qiang.Wu yi-bin etal.Analysis on 4H？SiC（004）plane by double crystal diffrication.Semiconducotor Technoloy Vol.32 No.7

[3]陈远盘.全反射X-射线荧光光谱的原理和应用[期刊论文]分析化学1994，22（4）

[4] 牛沈军.常玉璟.丰梅霞.王建利.兰天平 VB-GaAs晶体生长技术中掺硅浓度的控制[期刊论文]第十三届全国化合物半导体材料、微波器件和光电器件学术会议 2004（8）

[5] 赵彦桥 大直径Si-GaAs中缺陷的微观特性及其分布[学术论文]2007