低位错6英寸锑化镓单晶生长与性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2024.0277

摘要/Abstract

摘要： 锑化镓因其优越的物理特性和重要的应用价值而受到广泛关注。研究团队采用液封直拉法成功生长出国内首根6英寸n型掺Te锑化镓单晶锭，加工制备出高质量6英寸（1英寸=2.54 cm）锑化镓单晶衬底，并对晶体结晶质量和晶片表面性质进行了研究。测试结果表明，锑化镓衬底（400）面摇摆曲线半峰全宽仅为20″，平均位错密度约为3 177 cm^-2，表面粗糙度Rq为0.42 nm，氧化层厚度为2.92 nm，显示出6英寸锑化镓单晶具有较高的结晶质量和优良的表面形貌。此外，通过对6英寸锑化镓单晶生长过程进行数值模拟计算，获得了其热场分布、流场分布和固液界面偏转情况。这些研究成果为锑化镓材料的高质量生长提供了新的思路，并为大尺寸晶体的产业化应用提供了坚实基础。

关键词: 6英寸; 锑化镓; 液封直拉法; 位错密度; 数值模拟; 热场分布; 氧化层厚度; 粗糙度

Abstract: Gallium antimonide has been widely recognized for its superior physical properties and significant application value. The first domestic 6-inch n-type Te-doped GaSb single crystal ingot was successfully grown by the research team using the liquid encapsulated Czochralski method. High-quality 6-inch GaSb wafers are prepared， and the crystal quality and wafer surface properties are studied. The full width at half maximum of the rocking curve for the （400） plane of the GaSb substrate is only 20″， and the average dislocation density is approximately 3 177 cm^-2. The surface roughness （Rq） is 0.42 nm， and the oxide layer thickness is 2.92 nm. These results demonstrate the high crystalline quality and excellent surface morphology of the 6-inch GaSb single crystal. In addition， numerical simulations of the growth process of the 6-inch GaSb single crystal are conducted， revealing the thermal field distribution， flow field distribution， and solid-liquid interface deflection. These findings provide new insights for the high-quality growth of GaSb materials and lay a foundation for the industrial application of large-sized crystals.

Key words: 6-inch; GaSb; liquid encapsulated Czochralski method; dislocation density; numerical simulation; thermal field distribution; oxide layer thickness; surface roughness

中图分类号:

O782⁺.9

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图/表 8

图1 GaSb单晶生长系统结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the GaSb single crystal growth system structure

表1 模拟计算所用材料的主要物性参数

Table 1 Physical properties of the materials used in simulation

Material	Physical property	Value
GaSb melt	Melting temperature/K	985
	Density/（kg $∙$ m^-3）	5 720
	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	17.1
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	328
	Dynamic viscosity/（Pa $∙$ s）	2.31×10^-3
	Emissivity	0.6
	Latent heat/（J $∙$ kg^-1）	2.606×10⁵
GaSb crystal	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	4.57
	Density/（kg $∙$ m^-3）	5 630
	Emissivity	0.6
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	266
Graphite	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	58
	Density/（kg $∙$ m^-3）	2 230
	Emissivity	0.7
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	720
Steel	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	10
	Density/（kg $∙$ m^-3）	7 850
	Emissivity	0.5
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	500
Felt	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	0.16
	Density/（kg $∙$ m^-3）	120
	Emissivity	0.7
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	200
Quartz	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	2
	Density/（kg $∙$ m^-3）	2 650
	Emissivity	0.85
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	1 232

表1 模拟计算所用材料的主要物性参数

Table 1 Physical properties of the materials used in simulation

Material	Physical property	Value
GaSb melt	Melting temperature/K	985
	Density/（kg $∙$ m^-3）	5 720
	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	17.1
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	328
	Dynamic viscosity/（Pa $∙$ s）	2.31×10^-3
	Emissivity	0.6
	Latent heat/（J $∙$ kg^-1）	2.606×10⁵
GaSb crystal	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	4.57
	Density/（kg $∙$ m^-3）	5 630
	Emissivity	0.6
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	266
Graphite	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	58
	Density/（kg $∙$ m^-3）	2 230
	Emissivity	0.7
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	720
Steel	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	10
	Density/（kg $∙$ m^-3）	7 850
	Emissivity	0.5
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	500
Felt	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	0.16
	Density/（kg $∙$ m^-3）	120
	Emissivity	0.7
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	200
Quartz	Heat conductivity/（W $∙$ m^-1 $∙$ K^-1）	2
	Density/（kg $∙$ m^-3）	2 650
	Emissivity	0.85
	Specific heat/（J∙K^-1∙kg^-1）	1 232

图2 6英寸Te-GaSb单晶锭（a）和单晶衬底（b）照片

Fig.2 Photos of 6-inch Te-GaSb single crystal （a） and wafer （b）

图3 6英寸GaSb生长热场特性模拟结果。（a）结晶区的温度场分布及热通量方向；（b）不同晶体生长长度下，固液界面偏转值Y随晶体径向位置X的变化

Fig.3 Simulation results of thermal field characteristics for 6-inch GaSb growth. （a） Temperature distribution and heat flux direction in the crystallization zone；（b） variation of the solid-liquid interface deflection Y with the radial position X of the crystal under different growth lengths

图4 晶体生长直径分别为3英寸（a）和6英寸（b）时熔体平面速度Vx -Vy 分布和流动模式

Fig.4 Distribution of melt plane velocity Vx -Vy and flow patterns for growth diameters of 3-inch （a） and 6-inch （b）

图5 不同晶体提拉速率（a）和晶体旋转速率（b）下固液界面偏转值Y随晶体径向位置X的变化，以及晶体转速为2 r/min（c）和6 r/min（d）时的熔体流动情况

Fig.5 Variation of the solid-liquid interface deflection Y with the radial position X of the crystal under different pulling rates （a） and crystal rotation rates （b）， as well as the melt convection at crystal rotation rates of 2 r/min （c） and 6 r/min （d）

图6 6英寸Te-GaSb单晶位错腐蚀坑数量分布图（a）和（400）晶面摇摆曲线（b）

Fig.6 Distribution of dislocation etch pit density （a） and （400） plane rocking curve （b） for 6-inch Te-GaSb single crystal

图7 6英寸Te-GaSb（100）衬底表面氧化层厚度（a）及粗糙度（b）分布图

Fig.7 Distribution of oxide layer thickness （a） and roughness （b） on the surface of 6-inch Te-GaSb （100） wafer

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