Ein Durchbruch bei der Herstellung hochqualitativer Galliumarsenid-Kristalle

Ein Meilenstein im Wachstum von Galliumarsenid-Kristallen

Kürzlich wurden die Forschungsergebnisse einer Zusammenarbeit von Min Jin, Jiayue Xu, Yongzheng Fang, Hui Shen, Guojian Jiang und Zhanyong Wang von der Shanghaier Universität für Wissenschaft und Technologie sowie Qingbo He von Chowin Photonics in Hangzhou in der Zeitschrift "Advanced Materials Research" veröffentlicht. Der Artikel mit dem Titel "Defects of GaAs Crystals Grown by the Pulling-Down Method" geht auf die Herausforderungen ein, die beim Wachstum von Galliumarsenid (GaAs)-Kristallen mit der Ziehverfahren-Methode, insbesondere das Problem der Kristalldefekte, auftreten, und liefert Lösungen, um die Gesamtqualität dieses Halbleitermaterials zu verbessern.

Galliumarsenid, ein wichtiges III-V-Verbindungshalbleitermaterial, nimmt eine unverzichtbare Position in hochfrequenten, hochgeschwindigkeits-elektronischen und optoelektronischen Geräten ein. Das in dieser Studie verwendete Ziehverfahren konnte erfolgreich GaAs-Einkristalle wachsen, eine Technik, die ursprünglich für das Wachstum von Oxidkristallen verwendet wurde und nun auf das Wachstum von GaAs-Kristallen ausgeweitet wurde, was ihr Potenzial für die Herstellung hochqualitativer Kristalle zeigt.

Beobachtung und Analyse von Kristalldefekten

           Das Forschungsteam beobachtete verschiedene Defekte in den gewachsenen GaAs-Kristallen, darunter Wachstumsstreifung, kleine Facetten, Vertiefungen und Versetzungen. Durch eingehende Analyse wurde die Bildung dieser Defekte auf mehrere Faktoren zurückgeführt, wie z.B. den Feuchtigkeitsgehalt im B2O3-Abdeckstoff und die Verdampfung von Arsen durch die Zersetzung von GaAs. Insbesondere standen die Oberflächenvertiefungen in direkter Beziehung zum Feuchtigkeitsgehalt im B2O3-Abdeckstoff. Obwohl "feuchtes" B2O3 die Benetzbarkeit der Tiegelwand verbessert, führt das Verdampfen der Restfeuchtigkeit bei hohen Temperaturen zur Bildung von Vertiefungen.

Die Schlüsselrolle von PBN-Tiegeln

           Die Experimente verwendeten PBN (pyrolytisches Bornitrid)-Tiegel, um das 6N-reine GaAs-Polykristalin-Ausgangsmaterial und zusätzlichen B2O3-Abdeckstoff zu enthalten. PBN-Tiegel sind in der Kristallzüchtung weit verbreitete Materialien aufgrund ihrer Hochtemperaturbeständigkeit und anderen günstigen Eigenschaften. PBN-Tiegel spielten eine entscheidende Rolle im GaAs-Kristallwachstumsprozess, da sie verhinderten, dass die GaAs-Schmelze direkt mit dem Tiegel in Kontakt kam und so unerwünschte chemische Reaktionen oder Verunreinigungen vermieden wurden.

Bemerkenswert ist, dass die Bildung von Vertiefungen auch mit dem Feuchtigkeitsgehalt im B2O3-Abdeckstoff in Zusammenhang stand. Die Forscher wiesen darauf hin, dass "trockenes" B2O3 mit geringerem Feuchtigkeitsgehalt möglicherweise nicht in der Lage ist, die GaAs-Charge vollständig zu umhüllen, was zu Nukleation an der Tiegelwand und der anschließenden Bildung von Vertiefungen führen kann. Im Gegensatz dazu wird erwartet, dass "feuchtes" B2O3 mit höherem Feuchtigkeitsgehalt eine vollständige Beschichtung bildet, was für die Benetzbarkeit der Tiegelwand vorteilhaft ist, aber das Verdampfen von Restfeuchtigkeit bei hohen Temperaturen kann möglicherweise Blasen und Vertiefungen auf der Kristalloberfläche verursachen.

Wachstumsprozess und Qualitätsbewertung

           Die GaAs-Kristalle wurden in einer Ziehvorrichtung gezüchtet, wobei der PBN-Tiegel in eine Quarzampulle eingeschlossen und vor dem Wachstumsprozess evakuiert wurde. Die gesamte Vorrichtung umfasste drei Temperaturbereiche: eine Hochtemperaturzone zum Schmelzen, eine Temperaturgradienten-Zone für das Kristallwachstum und eine Niedertemperaturzone zum Tempern. Die Forschung verwendete GaAs-Saatkristalle und eine geschlossene Wachstumsumgebung.

Nach KOH-Ätzung der Kristalle betrug die gemessene Ätzgrübchendichte (EPD) weniger als 5000 cm^