稀有金属 2004,(03),547-550 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.027

半绝缘砷化镓 (SI-GaAs) 单晶中的微缺陷的研究

张春玲 唐蕾 刘彩池 申玉田 徐岳生 覃道志

河北工业大学材料学院信息功能材料研究所,河北工业大学材料学院信息功能材料研究所,河北工业大学材料学院信息功能材料研究所,河北工业大学材料学院信息功能材料研究所,河北工业大学材料学院信息功能材料研究所,河北工业大学材料学院信息功能材料研究所,空军天津航空装备技术训练基地 天津300130 ,天津300130 ,天津300130 ,天津300130 ,天津300130 ,天津300130 ,天津300131

摘 要：

砷化镓 (GaAs) 为第二代半导体材料 , GaAs衬底质量直接影响器件性能。利用JEM 2 0 0 2透射电子显微镜 (TEM) 及其主要附件X射线能量散射谱仪 (EDXA) , 对半绝缘砷化镓 (SI GaAs) 单晶中微缺陷进行了研究。发现SI GaAs单晶中的微缺陷包含有富镓沉淀、富砷沉淀、砷沉淀、GaAs多晶颗粒和小位错回线等。还分析了微缺陷的形成机制。

关键词：

SI-GaAs;微缺陷;小位错回线;沉淀成核中心;

中图分类号： TN304

收稿日期：2003-09-18

基金：国家自然科学基金 ( 60 2 760 0 9);中国人民解放军总装备部 ( 0 0JS0 2 2 1QT45 0 1);河北省自然科学基金 ( 5 990 3 3 ) 资助项目;

Research on Microdefects in SI-GaAs Single Crystal via TEM and EDTA

Abstract：

GaAs is one of the second-generation semiconductor materials and the quality of GaAs substrate has a direct influence on devices performance. Microdefects in SI-GaAs single crystal were researched via transmission electron microscope (TEM) and energy dispersion X-ray analysis (EDXA) . It is found that microdefects in SI-GaAs have various forms such as As-riched micro-precipitates, As microdefects, Ga-riched microdefects, polycrystal particles and little dislocation loop. In addition, the formation mechanics of microdefects was discussed.

Keyword：

SI-GaAs; microdefect; little dislocation loop; precipitate nucleating center;

Received： 2003-09-18

半导体材料中的晶格缺陷可以归类为点缺陷、 扩展缺陷和微缺陷。 点缺陷包括空位和间隙原子, 其尺寸小于0.5 nm。 扩展缺陷例如位错、 堆垛层错, 其尺寸量级为数百纳米左右; 微缺陷主要包括位错环、 各种形状的沉积物以及点缺陷的聚合物等等 ^[1] 。

随着砷化镓集成电路 (IC) 的发展, 对SI-GaAs晶体的质量提出了越来越高的要求。 掺In的LEC工艺, 已接近实现无位错生长 ^[2] 。 因此, 除位错外, 晶体中的其他缺陷, 特别是微沉淀等受到关注。 Cullis等 ^[3] 提出了无论掺杂与否, 晶体中均有砷原子沉淀。 Corinier等 ^[4] 报道了在未掺GaAs单晶中发现有微小多晶粒, 并试图将位错的形成与它们联系起来。 而在Ponce等的工作中则发现有非晶态的微沉淀; 对于掺In的低位错晶体, Barrett等 ^[5] 证明有富砷的微沉淀相。 这些结果均意味着无论掺杂与否及位错高低的晶体, 均可能出现沉淀相。 但对这些微沉淀相的形态, 尚没有进行系统研究和取得一致认识。

本文应用透射电镜 (TEM) 方法, 对国内常规LEC法生产的直径3英寸 SI-GaAs单晶中微沉淀等所形成的微缺陷进行了直接的观察, 运用TEM的主要附件X射线能谱仪 (EDXA) 对微缺陷的沉淀相进行了定性和定量的研究, 并对微缺陷的形成机理进行了讨论。

1 实 验

1.1 实验样品

国内外LEC法生产的SI-GaAs双面抛光片 (开盒即用型) , 直接进行实验。 晶体晶向与型号为N<100>; 直径3英寸; 位错密度 (EPD) : 3～5×10⁵/cm²; 霍耳电阻率: ρ≥10⁷ Ω·cm; 霍耳迁移率: 6000～6500 cm²·v^-1·s^-1; 晶片厚度为650～675±30 μm。

1.2 TEM样品制备及观察

将试样研磨至250 μm左右, 用超声波仪切割出直径出0.3 cm的圆片, 再机械研磨至60 μm, 最后在离子减薄仪内进行减薄。 一旦发现穿孔, 立即停止薄化, 此时的试样已符合TEM观察要求。

试样在JEM-2002透射电子显微镜的侧插式倾斜样品台进行观察, 用衍衬法拍摄明场像; 用光栏套在一个附加的衍射斑点上, 观察暗场像。 拍摄暗场像和衍射花样, 并用EDXA技术分析这些微缺陷的成分。

图1为样品OA中微缺陷的TEM明场像, 图的中央清晰可见圆形微缺陷以及等厚等倾条纹, 缺陷的直径大致为150 nm左右。 图2为OE样品中微缺陷明场像, 但是这种缺陷的尺寸明显比样品OA中的缺陷尺寸要大。 通过EDXA能谱对于这两个微缺陷的微区进行物相分析发现, 图1中的微缺陷为富Ga沉淀相, 而图2中的缺陷成分与GaAs本底成分非常接近 (表3) , 因此推断其为GaAs多晶沉淀。

图1 样品OA中微缺陷明场像

Fig.1 Bright field image of microdefects in sample OA

图2 样品OE中微缺陷明场像

Fig.2 Bright field image of microdefects in sample OE

表1 OA样品中微缺陷的EDXA能谱成分分析

Table 1X-ray energy spectrum analysis of microdefects in sample OA

元素	数量	修正 因子	修正 因子	质量分数/ %	原子分数/ %	No.of 阳离子
		X, Si	X, Si
Ga-k	54960	1.425	--	67.49	69.05	NaN
As-k	23105	1.633	--	32.51	30.95	NaN
O-k	0	2.332	--	0.00	0.00
合计				100.00	100.00	NaN

表2 OE样品中微缺陷的EDXA能谱成分分析

Table 2X-ray energy spectrum analysis of microdefects in sample OE

元素	数量	修正 因子	修正 因子	质量分数/ %	原子分数/ %	No.of 阳离子
		X, Si	X, Si
Ga-k	2897	1.425	--	49.66	51.45	NaN
As-k	2563	1.633	--	50.34	48.54	NaN
O-k	0	2.332	--	0.00	0.00
合计				100.00	100.00	NaN

图3为在OF样品中发现的缺陷, 其直径与OA样品中的沉淀相十分接近, 但形状呈六角型, 我们通过EDXA能谱, 对其成分进行分析, 发现这是一个富砷缺陷, 如表4所示。

图4 (a) , (b) 分别为为样品OH中发现的非圆形微缺陷的暗场像和明场像, 微缺陷的整体直径在100 nm左右, 并且被一“圆环” (位错回线) 所分割成两段, 距离微缺陷200 nm处还有一位错线。 于是, 我们分别就图5 (图4放大像) 所示的两个区域1, 2进行了能谱分析, 表明该微缺陷为砷沉淀。

表3 GaAs本底的EDXA能谱分析

Table 3 X-ray energy spectrum analysis of GaAs

元素	数量	修正 因子	修正 因子	质量分数/ %	原子分数/ %	No.of 阳离子
		X, Si	X, Si
Ga-k	3683	1.425	--	49.83	51.63	NaN
As-k	3236	1.633	--	50.17	48.37	NaN
O-k	0	2.332	--	0.00	0.00
C-k	0	12.4		0.00	0.00
合计				100.00	100.00	NaN

图3 样品OF中微缺陷明场像

Fig.3 Bright field image of microdefects in sample OF

表4 OF样品中微缺陷的EDXA能谱成分分析

Table 4X-ray energy spectrum analysis of microdefects in sample OF

元素	数量	修正 因子	修正 因子	质量分数/ %	原子分数/ %	No.of 阳离子
		X, Si	X, Si
O-k	3	2.332	--	0.02	0.10
Ga-k	9008	1.425	--	40.23	41.94	NaN
As-k	11673	1.633	--	59.74	57.94	NaF
合计				100.00	100.00	NaN

图4 样品OH中微缺陷场像

Fig.4 Back field image of microdefect in sample OH (a) 明场; (b) 暗场

图5 样品OH中微缺陷 (区域 (1) 和 (2) ) 及位错高分辨明场像

Fig.5 High resolution bright field image of microdefect and dislocation in sample OH

表5 OH样品中微缺陷中心部位的EDXA能谱成分分析

Table 5X-ray energy spectrum analysis of the central zone of microdefects in sample OH

元素	数量	修正 因子	修正 因子	质量分数/ %	原子分数/ %	No.of 阳离子
		X, Si	X, Si
O-k	12	2.332	--	0.84	3.82
Ga-k	65	1.425	--	2.79	2.90	NaN
As-k	1961	1.633	--	93.28	93.28	NaF
合计				100.00	100.00	NaN

表6 OH样品中微缺陷顶部的EDXA能谱成分析

Table 6X-ray energy spectrum analysis of the top of microdefect in sample OH

元素	数量	修正 因子	修正 因子	质量分数/ %	原子分数/ %	No.of 阳离子
		X, Si	X, Si
O-k	11	2.332	--	0.50	2.28
Ga-k	730	1.425	--	20.46	21.27	NaN
As-k	2461	1.633	--	79.04	76.45	NaF
合计				100.00	100.00	NaN

2 讨论与结论

2.1 SI-GaAs单晶中微缺陷的实质

实验结果证实, 微缺陷不仅包括富Ga沉淀、 富As沉淀和砷沉淀, 而且还有GaAs多晶颗粒以及由于沉淀而产生的小位错回线等。

2.2 SI-GaAs单晶中微缺陷的分布

有位错硅单晶是观察不到微缺陷的。 但高密度位错的SI-GaAs单晶却仍能观察到高密度的微缺陷。 而且GaAs中高密度位错及分布还直接影响微缺陷的分布, 位错吸附微缺陷, 微缺陷缀饰位错。

2.3 SI-GaAs单晶中微缺陷的形成机制

众所周知, 具有一定过冷度的砷化镓熔体, 在结晶过程中, 随着固液界面的推移, 晶体中热点缺陷 (空位、 自间隙、 反位原子) 、 杂质原子和位错线的相互作用, 使得原生晶体开始就偏离了理想的完整晶体。 由于热点缺陷的浓度随晶体冷却过程中温度降低而降低, 因此晶体冷却时产生的过饱和热点缺陷要在晶体点阵中析出, 在扩散时会产生聚集 (自由能下降, 自发过程) , 而杂质原子、 位错线等正是这类聚集或沉淀的成核中心 (择优成核) , 于是便形成了与上述实验结果相吻合的各类沉淀相以及伴生的位错回线等。

2.4 影响微缺陷因素

GaAs晶体的生长工艺和冷却热历史对微缺陷的形成、 密度及分布有直接的影响。 热点缺陷的存在与过饱和热点缺陷的扩散是微缺陷产生的推动力。 杂质原子、 生长条纹、 位错分布是影响微缺陷密度与分布的关键因素。 改善生长工艺 (温场, 生长参数) 、 抑制界面温度波动和单组分挥发等, 都有利于降低微缺陷的密度。

参考文献

[1] 　PonceFA .　Structureofmicrodefectsinsemiconductingmaterials[A].Microsc.Semicond.Mater.Conf.[C], March, 1985.25.

[2] 　DuseauxM , MartinS .　SemiInsulatingⅢⅤMaterials[M].ShivaPublishing, UK :DuseauxM , MartinS , ed.byLookDCandBlack emoreJS , 1984.118.

[3] 　CullisAG , AugustusPD , StirlandDJ .　ArsenicprecipitationatdislocationsinGaAssubstratematerial[J].J .Appl.Phys., 1980, 51 (5) :2556.

[4] 　CornierJP , DuseauxM , ChevalierJP .　Int.Symp.GaAsandRe latedCompounds[A].Inst.Phys.Conf.Ser[C], 1984.95.

[5] 　BarrettDL , McGuiganS , HobgoodHM , etal.　Lowdislocation, semi insulatingIn dopedGaAscrystal[J].CrystalGrowth, 1984, 70 (1～2) :179.