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砷化镓单晶线性孪晶长度判断方法研究

2022-02-15王金灵刘火阳

信息记录材料 2022年12期
关键词:孪晶晶面端点

王金灵 ,刘火阳

(1 广东先导微电子科技有限公司 广东 清远 511517)

(2 国家稀散金属工程技术研究中心 广东 清远 511517)

(3 广东先导稀材股份有限公司 广东 清远 511517)

0 引言

砷化镓(GaAs)在光电子和微电子领域应用广泛,是制作通信器件和半导体发光二极管的关键材料。与硅单晶一样,砷化镓衬底正逐步向大尺寸、高几何精度、高表面质量、低损耗方向发展,是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料之一。

砷化镓材料主要分为两类:半绝缘砷化镓材料和半导体砷化镓材料。半绝缘砷化镓材料主要制作MESFET、HEMT和HBT结构的集成电路。主要用于雷达、微波及毫米波通信、超高速计算机及光纤通信等领域。

砷化镓材料是目前生产量最大、应用最广泛的化合物半导体材料,也是仅次于硅的最重要的半导体材料。由于其具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、抗辐射、击穿电压高等特性,是微波、毫米波器件、微波大功率器件、高速数字电路、微波单片集成电路、射频的首选材料。

砷化镓单晶中存在一种孪晶,在晶体横截面上观察呈线状,称线性孪晶[1]。线性孪晶(M-Twin)是一种晶体缺陷,需要将其切除。若M-Twin比较粗,则可根据外圆观察标记长度切除,但在生产中还存在比较细的M-Twin,需将测试片腐蚀后才能观测到[2]。砷化镓是闪锌矿结构,孪晶面总是(111)面[3],因此线性孪晶(M-Twin)在晶体中的生长存在规律性,根据其生长规律,根据几何关系的换算则可以计算出M-Twin需要切割的砷化镓单晶长度。

1 实验和方法

本文采用的样品是判定为有线性孪晶的单晶晶棒,使用内圆切片机从头部切除5~10 mm圆饼料;将圆饼料放入腐蚀液(氢氧化铵:过氧化氢:纯水=2:1:1)中室温下腐蚀4~6 min;用直尺量取靠近头部的端面的孪晶长度记为L1,过头部孪晶的弦长记为L3,孪晶端点到边缘的距离记为D;量取靠近尾部的端面的孪晶长度记为L2,过尾部孪晶的弦长记为L4;再根据测量出的数据利用公式中计算出砷化镓单晶线性孪晶长度。在实际生产中观察到有两种方向分布的孪晶,一种是在晶体表面形成整个晶向面的孪晶,如图1所示;一种是在晶体表面向内部形成的线性孪晶,如图2所示;此孪晶需要腐蚀后才能观察到,而且在晶体侧面观察不到,因此需要切除的长度也不易判断。

图1 晶向面的孪晶

图2 线性孪晶

观察此类线性孪晶的晶片发现有以下规律:一是,线性孪晶总是和解理线呈垂直(平行)的关系。二是,线性孪晶和晶体角度偏转的方向和角度有关联性,如图3所示。

图3 线性孪晶和晶体偏转方向和角度的关系

记(100)面和孪晶面(即(111)面)的夹角为θ,则晶体端面和孪晶面的夹角为(θ+β)。下面以(100)to(111)15°晶棒为例说明计算过程:

式(1)中,L表示线性孪晶端点到晶棒侧面的距离,h表示需要切割的长度。式(2)是根据晶面指数计算晶面夹角的公式,(hkl)代表晶面指数。

代入数值计算得到:

实际过程中会存在其他偏转角度的晶棒,例如(100)to(111)6°,(100)to(111)2°的晶棒等,不能按照式(3)直接计算。但可以使用的通用的计算方法如下:

2 结果与讨论

砷化镓是闪锌矿结构,孪晶面总是(111)面,因此对于一个确定晶向的晶体,线性孪晶经过的面和晶体端面的夹角θ可以根据几何关系求得[4];沿着孪晶面进行延长,延长后可以得到一个椭圆。根据晶棒直径和角度偏转关系(见表1),可以得出椭圆的方程。

表1 θ角与晶体晶向的对应关系表

晶棒直径和角度偏转关系:用15°有线性孪晶的晶片沿垂直于线性孪晶方向解理分开。腐蚀后用显微镜从解理面方向观测线性孪晶,如图4所示。可以看到孪晶面与晶体端面的夹角分别为68.817°、69.592°与理论的角度69.736°非常接近。因此可以说明孪晶面为(111)面,且孪晶面和晶体端面的夹角为固定可计算的值[6]。

图4 线性孪晶与晶体端面的夹角

在实际操作中可以发现,有一些晶棒实际切除长度和理论计算值接近,有一些晶棒实际切除长度未达到理论计算长度时,线性孪晶就已经切完了,而且实际需要切除的长度和理论计算值的差值并未发现规律。由上述可知,孪晶面和晶体端面的夹角是固定的,因此可以推断,晶体在生长过程中,线性孪晶会变短。

对于15°晶棒,若线性孪晶没有变短,可以计算出若晶体轴向相差5 mm,则线性孪晶端点距离晶体侧面的距离相差约为1.85 mm。因此为了提高效率,可以先切5mm长的料,然后将切下的料腐蚀,测量线性孪晶在两个端面距离的差值,若为1.85 mm,则可以按照式(4)计算剩下需要切割的长度。

线性孪晶在两个端面距离的差值若小于1.85 mm,则需要再讨论。如出现孪晶按照线性关系变短,实际可能呈弧线变化,或者突然消失,或者其他不规则的情况。由于无法观测到实际孪晶是如何变化的,若孪晶不规则变化,则无法计算需要切割的长度。若成线性变化,则可以利用几何关系计算需要切割的长度。计算孪晶长度可制定一个晶体模型,如图4所示;沿着孪晶面沿着进行延长,延长后可以得到一个椭圆,如图5所示。根据晶棒直径和角度偏转关系,可以写出椭圆的方程。试切一定厚度的圆饼料,通过测量圆饼料两个端面孪晶的长度可以获得孪晶两个端点的坐标,进而可以求得孪晶端点连线的直线方程。联合直线方程和椭圆方程即可求得相交点的坐标,根据晶棒角度偏转情况可以推算出需要切割的长度。

图5 孪晶在晶体中的几何关系示意图

砷化镓线性孪晶长度计算原理如下:

根据图5延长孪晶面,总会存在某个位置和直径相交,根据晶棒的半径以及上述的夹角θ,可以建立一个椭圆方程,如:

式(5)中:a=r;b=r/cosθ;r为晶棒半径,晶棒半径可根据晶棒尺寸可知;

通过测量圆饼料两个端面孪晶的长度可以获得孪晶两个端点的坐标,进而可以求得孪晶端点连线的直线方程;

式(6)中:

联合直线方程和椭圆方程即可求得相交点的坐标,根据相交点利用一元二次方程计算:

式(9)中:

根据晶棒角度偏转情况可以推算出孪晶长度L,即:

根据实验方法分别取4”-GaAs-15°、4”-GaAs-2°、6”-GaAs-15°、6”-GaAs-2°四种规格的孪晶单晶棒测试,结果见表2。

表2 砷化镓单晶线性孪晶长度 单位:mm

在实验中发现,对于15°晶棒,若线性孪晶没有变短,可以计算出若晶体轴向相差5 mm,则线性孪晶端点距离晶体侧面的距离相差约为1.85 mm。因此为了提高效率,可以先切5 mm长的料,然后将切下的料腐蚀,测量线性孪晶在两个端面距离的差值,通过式(13)计算出线性孪晶的长度。

3 总结

本研究根据晶棒直径和角度偏转关系,利用椭圆方程、直线方程可以推算出线性孪晶的长度,推算出的线性孪晶的长度与实际线性孪晶长度相符。本研究判断孪晶的计算方法的应用,能够提升国内砷化镓单晶检测标准的技术水平,对行业乃至国家半导体发展有重要意义。

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