砷化鎵晶體定向及籽晶加工

1、一個理想的籽晶，應(yīng)是同一材料的無缺陷或很少缺陷的有一定取向單晶制成。籽晶可以是圓柱，也可是方形。直徑不宜太粗。籽晶必須具有確定的晶向，生長的砷化鎵晶體一般有<11l>、<100>、<21l>、<511>等晶向。籽晶加工分同類晶向的籽晶加工和不同類晶向的籽晶加工。為了得到晶向精度較高的籽晶，必須對加工籽晶的晶體進行定向。以下介紹幾種定向方法。1解理法定向晶體的解理，就是當(dāng)晶體受到定向機械應(yīng)力的作用時，可以平行一個或幾個平整的面分裂開的性質(zhì)。這些分裂的平整平面稱為解理面。晶體的解理面形成機理分為三類： (1)晶體在各方向上鍵結(jié)合的方式是否有很大差異，

2、鍵合較微弱的晶面必然是解理面。(2)如果晶體中各個方向上鍵合的方式相同，相鄰晶面間鍵密度的大小，鍵密度小的必然是解理面。(3)對于帶有離子鍵的晶體，晶面間的作用，鍵密度的大小不是唯一的因素，而還應(yīng)考慮相鄰晶面間的靜電作用。在砷化鎵晶體中，(111)晶面(又稱為A面)全部是由族鎵原子組成，(-1-1-1)晶面(又稱B面)全部由V族砷原子組成，而(111)面與(-1-1-1)面在晶體中是交替排列的。砷化鎵晶體中的鎵原子和砷原子都處于極化狀態(tài)，即鎵原子帶負(fù)電，砷原子帶正電。因此在(111)晶面與(-1-1-1)晶面之間存在靜電引力作用，外來的機械作用力不易把它們分裂開。而在每個(110)晶面間上都有

3、相同數(shù)目的鎵原子和砷原子，所以(110)晶面間不存在靜電引力。同時因(110)晶面間單位面積上作用的鍵數(shù)僅比(111)晶面多，而比其它晶面都少，所以(110)晶面在外來機械作用力的作用下極易分裂開，成為極完整的解理面。單晶體有一種獨特的性質(zhì)各向異性，在晶體生長也表現(xiàn)出這種性質(zhì)，一般晶體生長時，都優(yōu)先在原子排列最密集的晶面上生長的傾向。對砷化鎵晶體，原子排列最密集的晶面是（111)晶面。鎵、砷原子在（111)面上按六角密堆進行排列。晶體生長時，在原子稠密的平面上進行橫向擴展，要比垂直此平面產(chǎn)生新的核而生長要迅速。砷化鎵晶體屬極性晶體，因此極性也影響著砷化鎵單晶的生長。埃利斯(E11is)實驗證明

4、，直拉砷化鎵單晶時，生長速度最慢的面是砷面(-1-1-1)晶面，而鎵面(111)晶面的生長速度較砷面快。解理插針法定向能可靠地對砷化锿單晶的(100)、(111)和(110)晶面進行定向。此法所用設(shè)備簡單。定向時間短，但定向偏離度在35°。此法不適合籽晶加工定向，也不適合工廠生產(chǎn)。解理法測角定向較為廣泛使用可以獲得準(zhǔn)確的晶體取向和晶體取向的偏移數(shù)值。2圖像法定向圖1(111)、(-1-1-1)砷化锿簡化極射赤面投影，單晶的生長棱線，光反射花樣，解理面、位錯腐蝕坑圖形光圖像定向是根據(jù)晶體解理面的光反射性和晶體結(jié)構(gòu)的對稱性實現(xiàn)對晶體定向。當(dāng)一束較細(xì)的平行光照射到經(jīng)一定方法處理過的晶體斷面

5、上時，晶體斷面上按一定對稱方向排列放置的解理面就會產(chǎn)生反射。對不同結(jié)構(gòu)的晶體和不同的晶面，反射光在光屏上形成不同的光圈像。轉(zhuǎn)動晶體，以調(diào)整光圖像的形狀和位置，就可獲得所需要的晶體取向。圖2(100)、(1l0)砷化鎵簡化極射赤面投影，單晶的生長棱線，光反射花樣，解理面、位錯腐蝕坑圖形晶體斷面處理的目的使斷面上的幾個對稱解理面組同時顯露處理使平行光束照射到這些解理面上時產(chǎn)生對稱的光反射在光屏上形成對稱的光反射圖像。一般采用機械處理和化學(xué)處理相結(jié)合方法。機械處理： (1)一般根據(jù)晶體的生長棱線可以判斷出晶體的大致取向。如果所要求的晶向和晶體原來的斷面取向基本一致，可用100#碳化硅在平板玻璃上將其

6、斷面研磨粗糙。(2)如果不能根據(jù)晶體的生長棱線來判斷其斷面的取向，或者所判定的斷面的取向和要求的晶體取向不一致時，需用球面研磨器和100#碳化硅將單晶斷面研磨成半球狀，也可用砂輪磨去晶體斷面處的棱角，選用100#沙子用壓縮空氣噴沙處理。形成許多可能取向的解理面組，宏觀上只能看到晶體斷面上有無數(shù)凹凸的小坑和有閃光的亮點。它們對入射平行光束將按其取向方向產(chǎn)生光反射?；瘜W(xué)處理：適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)腐蝕機械處理過的晶體斷面，使斷面處凹凸坑里的不同取向的小解理面更分明。同時去除凹凸坑內(nèi)的一些殘余晶體粉末和碳化硅污物。使處理后光圖像變得更清晰。然后采用光圖像定向儀定向。砷化鎵光圖像法定向腐蝕液配方：<111&

7、gt;HN03：H20=1：223min<-1-1-1>HF：HN03：H20：HN03(1溶液)=1：3：4：1 lmin3 X射線定向3.1 X射線定向基本原理當(dāng)任何一種高速運動的帶電粒子與一塊金屬物質(zhì)相碰撞時，都會產(chǎn)生X射線。當(dāng)真空條件下，陰極燈絲發(fā)出的電子在高壓電場加速成高速運動的帶電粒子與陽極金屬物質(zhì)原子的內(nèi)層電子相作用，內(nèi)層電子因獲得了外來帶電粒子的能量而被激發(fā)到最外層能級上，或被激發(fā)出整個原子體系之外。鄰近殼層上電子將向內(nèi)層能級躍遷，該躍遷電子將放射出等于兩個能級的位能能量。這個能量是量子化的，而且是以光的形式釋放，此光就是X光。由于X射線是高速帶電粒子和物質(zhì)原子的內(nèi)

8、層電子相作用而產(chǎn)生的，因此它的能量高，波長短(001埃100埃)，波長范圍和晶體的原子間距有相同的數(shù)量級。因此晶體可用作X射線的天然衍射光柵。當(dāng)x射線照射到晶體上時，在一定條件下就能夠產(chǎn)生衍射。不同結(jié)構(gòu)的晶體和不同的晶體取向，X射線所產(chǎn)生的衍射花樣形狀和衍射斑點的位置是不同的，各個衍射斑點和晶體中的各個晶面有一定的對應(yīng)關(guān)系，衍射斑點的對稱關(guān)系也反應(yīng)出了晶體結(jié)構(gòu)的對稱情況。因此根據(jù)這些衍射花樣和衍射斑點的位置可以確定出晶體的取向。當(dāng)波長為入的X射線以角入射到晶面間距為d的一組晶面上時，晶體將對X射線產(chǎn)生衍射。把衍射現(xiàn)象視為晶體點陣平面的反射現(xiàn)象。如圖3可以看出，如果光(1)和光(2)所走過的光程

9、之差為波長的整數(shù)倍。圖3布拉格衍射推導(dǎo)幾何關(guān)系示意圖AB=BC，AB=OAsin，AB+BC=2dsin(5-1)設(shè)n為整數(shù)，光(1)和(2)若要產(chǎn)生“相干"，即發(fā)生衍射，光(1)、(1)和光(2)、(2)所走過的光程差A(yù)B+BC必須滿足相干條件：AB+BC=n(5-2)將(5-2)式代入(5-1)式得：2dsin=n (5-3)(5-3)式稱為布拉格方程，式中的成為布拉格角，或稱衍射角。X射線定向方法不僅適用于一種或幾種特殊晶體的某些晶面，而適用各種晶體的許多晶面。采用這種方法定向比解理法定向或光圖像定向準(zhǔn)確度高(可達(dá)到1分)。X射線定向優(yōu)點非破壞性的，定向前不需對晶體進行研磨、腐

10、蝕等處理，定向過程中不會損失較多的單晶材料。對晶體的大小形狀也沒有特殊要求。X射線定向有兩種方法X射線定向有兩種方法，一種是X光照相定向(或勞厄照相法定向)，一種是單色X射線衍射法定向。X光照相法定向適合用于晶體取向完全未知的情況。它利用晶體對入射連續(xù)X射線的衍射而使乳膠感光，拍攝出晶體的勞厄照片，然后用格林侖格網(wǎng)將此照片上的斑點轉(zhuǎn)換成極射赤面投影，再根據(jù)此投射圖確定出晶體的取向。由于乳膠對衍射X光的感光較慢，而每次定向需進行1至2次照相，加上對底片的處理和分析，因此定向周期較長(1-3小時)。因此照片底片上的感光斑點轉(zhuǎn)換成極射赤面投影，并將各投影極點指標(biāo)化的工作較為復(fù)雜，故操作麻煩，不易掌握

11、。烏爾夫網(wǎng)的最小分格為1度或2度，因此此法測定的晶體轉(zhuǎn)角度數(shù)的準(zhǔn)確度大約只能達(dá)到05度到2度。目前這種定向方法多作為實驗室研究用。單色X射線衍射法是利用要求定向切割(hkl)晶面，對入射的特征X射線產(chǎn)生的衍射來實現(xiàn)晶體定向。在晶體取向大概已知，而要求準(zhǔn)確地沿所需要晶面進行定向切割最為適用。對晶體取向未知的晶體，一般也能通過晶體對入射X射線的衍射線方位來迅速地判定其晶向，但需根據(jù)晶體的外形(生長的棱線和生長的面)特征嘗試計數(shù)管的放置位置，再轉(zhuǎn)動晶體以找到最強的衍射點位置。利用計數(shù)管和放大顯示系統(tǒng)來檢測衍射X射線的強度和方位。比勞厄照相法操作簡單、易于掌握，而且定向周期也短。由于X射線定向儀有精度

12、很高的測角裝置(最小讀數(shù)精度為30”)，其定向準(zhǔn)確度可達(dá)到1分以上)。這種定向儀檢測的晶向偏離不大的晶體較為適用。對于不同的晶體和不同的點陣平面，能用定向儀檢測的晶向偏角是不同的。半導(dǎo)體晶體晶向偏離在10度之內(nèi)可以檢測到。3.3砷化鎵(100)晶面布拉格衍射角的計算砷化鎵晶體屬于立方晶系中的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a=56534埃。立方晶系的d值計算公式：d=a(h2+k2+12)1/2(51)表1鍺、硅、砷化鎵晶體的幾個常用晶面對銅靶Ka輻射產(chǎn)生衍射的布拉格角對(100)晶面，h=l，k=0，1=0。由于(100)晶面的h、k、1為異性數(shù)(h，k，1有兩個奇數(shù)或兩個偶數(shù))。其結(jié)構(gòu)因數(shù)F=0，按

13、此數(shù)據(jù)計算出的衍射角位置沒有衍射線發(fā)生。因此需采用與(100)晶面相平行、指數(shù)較高的晶面來計算方能獲得較強的衍射。采用(400)晶面計算，此時h=4、k=0、1=0，則：d=56534埃(42+02+02)1/2布拉格方程：sin=n2d對銅靶X光管其凡輻射的波長1542埃，取第l級衍射，n=l，將d，n，入值代入布拉格方程：sin05453，（400）33°03。用完全類似的方法可計算出鍺、硅、砷化鎵晶體的幾個常用晶面對銅靶Ka輻射產(chǎn)生衍射的布拉格衍射角。如表1所示。4 砷化鎵籽晶加工常規(guī)砷化鎵晶體有<111>和<100>晶向的晶體。與晶體同晶向的籽晶加工，

14、首先根據(jù)晶體頭部的生長棱和生長面以及晶體側(cè)面的生長面(參照圖1，圖2)，確定出原單晶為<111>或<100>晶向的單晶。把單晶側(cè)面粘在石墨條，裝在切片機上切下晶體的頭尾，從頭部先切小片，分切片的正反面，利用單色X射線衍射法定向儀測試其晶向和偏離度，如果偏離度高于0.5°，向偏移相反的方向調(diào)節(jié)切片機載物臺的水平和垂直角度，再切小片測試，直到偏離度小于0.5°。然后平行切下晶體的尾部。去除粘晶體的石墨條，在晶體滾圓機上加工圓柱體，分清晶體頭尾，根據(jù)預(yù)先晶體的外形確定的主次參考面位置標(biāo)識，在X定向儀上測量找出晶體的主次參考面的確切位置，在滾圓機上制作主次參

15、考面。主次參考面的定向偏離度要求也應(yīng)小于1°。<100>晶向的晶體的主次參考面制作參照圖4圖，參考面長度可以小于標(biāo)準(zhǔn)長度。<111>晶向的晶體的主次參考面制作參照圖4圖，主參考面位置制作在(-110)方向，次參考面位置制作在(2-1-1)方向。如果原<111>晶向的單晶的(111)面和(-1-1-1)面沒有區(qū)分清楚，可以采用位錯腐蝕法確定其Ga面和As面。位錯圖參照圖5。然后粘住晶錠頭部或尾部，平行于主次參考面，把晶體切成四方籽晶，四方為4×4mm、6X6mm、9×9mm見方不同尺寸。生長小尺寸砷化鎵單晶選小籽晶，生長大單晶選用

16、粗籽晶。多年實驗總結(jié)的不同籽晶可以承重生長不同重量的晶體如表2所示。表2不同尺寸砷化鎵籽晶的最大承重量圖4(100)砷化鎵晶片表面晶向和瞬時針晶片外形尺寸(a)砷化鎵(111)面的位錯圖樣 (b)砷化鎵(-1-1-1)面的位錯圖樣圖5砷化鎵(111)面和(-1-1-1)面的位錯圖不同類晶向的籽晶加工，如圖6所示<100>砷化鎵晶片的晶向和主次參考面位置立體圖，砷化鎵晶片的主次參考面是采用順時針標(biāo)準(zhǔn)加工的，使晶體的軸向平行于主參考面(0 1-1)向(011)面斜15.79°就得到(511)面，然后再加工<5ll>籽晶。從<51l>晶體的軸向平行于主參考面(01-1)向(01°就得到(211)面，再加工成<21l>耔晶。<21l>晶體的