半绝缘砷化镓（SI-GaAs）单晶中的杂质与缺陷

论文摘要

GaAs晶体是一种电学性能优越的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，以其为衬底制作的半导体器件及集成电路，由于具有信息处理速度快等优点而受到青睐，成为近年来研究的热点。以液封直拉半绝缘GaAs为衬底的金属半导体场效应晶体管（MESFET）器件是超大规模集成电路和单片微波集成电路广泛采用的器件结构，但衬底的位错、杂质及微缺陷严重影响材料的电学均匀性，进而影响器件的性能和寿命，因此研究LEC法生长SI-GaAs（LEC SI-GaAs）衬底材料中的位错、微缺陷、杂质及它们对器件性能的影响，对GaAs集成电路和相关器件的设计及制造是非常必要的。 本课题采用超声AB腐蚀法、熔融KOH腐蚀法、X射线异常透射形貌、透射电镜、扫描电镜和X射线电子探针微区分析等分析技术对SI-GaAs单晶的位错与微缺陷、杂质等进行了系统研究，并探讨了这些缺陷对MESFET器件电参数的影响。 发现几乎所有高位错密度的SI-GaAs单晶都具有网络状胞状结构或系属结构，首次对该胞状结构和系属结构的形成机制进行了研究，从晶体生长和冷却过程的热应力、弹性形变引起位错的运动和反应考虑，分析了该结构的形成机理与过程。认为这是由高密度位错（EPD）运动和反应所形成的小角度晶界的集合群。 发现SI-GaAs中微缺陷是点缺陷凝聚的结果，它们以微沉淀、小位错环或杂质原子与本征点缺陷复合体的形式存在于砷化镓中。微缺陷的大小在微米量级，φ2″和φ3″晶片中微缺陷的分布规律有差异。多数微缺陷被位错吸附而缀饰于位错上，极少数受位错的吸附作用小，位于剥光区。 发现晶片中位错密度和分布严重影响碳的微区分布，高密度位错区，位错形成较小的胞状结构，胞内无孤立位错，碳在单个胞内呈U型分布；较低密度位错区，胞状结构直径较大，胞内存在孤立位错，碳在单个胞内呈W型分布。分散排列的高密度和低密度位错区，位错线上和完整区碳浓度变化不大。SI-GaAs中胞状结构是引起碳不均匀分布的主要原因。对这种不均匀分布的机理及对材料电学特性的影响进行了分析。 以LEC SI-GaAs晶体为衬底制作注入型MESFET器件，研究了GaAs衬底中AB微缺陷和MESFET器件电性能（包括跨导、饱和漏电流和阈值电压）的关系，并对其影响机理进

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• §1.1 GaAs材料的结构、特点及应用
• 1.1.1 前言
• 1.1.2 GaAs材料的结构
• 1.1.3 GaAs材料的性质
• 1.1.4 GaAs材料的应用
• 1.1.5 SI-GaAs材料的特性
• §1.2 SI-GaAs技术的发展及重要性
• §1.3 国内外SI-GaAs晶体研究的热点问题
• 1.3.1 SI-GaAs晶体中的点缺陷
• 1.3.2 SI-GaAs晶体中位错的研究
• 1.3.3 SI-GaAs单晶中胞状结构和系属结构的研究
• 1.3.4 SI-GaAs单晶中位错的电活性问题
• §1.4 研究SI-GaAs晶体中微缺陷与杂质的重要意义
• 1.4.1 SI-GaAs中单晶中微缺陷的研究现状
• 1.4.2 SI-GaAs单晶中主要杂质的研究现状
• 1.4.3 研究SI-GaAs单晶中微缺陷与杂质的重要意义
• §1.5 本论文的主要研究内容
• 第二章 SI-GaAs单晶的生长工艺
• §2.1 GaAs单晶的生长
• 2.1.1 LEC技术
• 2.1.2.VGF/VB技术
• 2.1.3 其它生长技术
• §2.2 SI-GaAs单晶的生长
• 第三章 SI-GaAs单晶中的位错
• §3.1 SI-GaAs单晶中位错的显示
• 3.1.1 腐蚀机理
• 3.1.2 实验过程
• 3.1.3 实验结果
• §3.2 SI-GaAs单晶中的位错网络
• 3.2.1 X射线透射形貌技术
• 3.2.2 实验过程
• 3.2.3 实验结果
• §3.3 SI-GaAs单晶中胞状结构的本质
• 3.3.1 塑性变形的原因
• 3.3.2 塑性变形第一阶段
• 3.3.3 塑性变形第二阶段
• 3.3.4 塑性变形第三阶段
• 3.3.5 回复过程
• §3.4 小结
• 第四章 SI-GaAs单晶中的微缺陷
• §4.1 SI-GaAs单晶中微缺陷的观察
• 4.1.1 透射电镜（TEM）技术
• 4.1.2 SI-GaAs中微缺陷的TEM观察
• 4.1.3 超声AB腐蚀SI-GaAs中微缺陷的显微观察
• 4.1.4 SI-GaAs单晶中微缺陷与位错的相互作用
• 4.1.5 其它因素引起的缺陷
• §4.2 SI-GaAs单晶中微缺陷的实质及形成
• 4.2.1 微缺陷的实质
• 4.2.2 微缺陷的形成
• §4.3 小结
• 第五章 SI-GaAs单晶中的杂质
• §5.1 LEC SI-GaAs中主要杂质及EL2缺陷
• 5.1.1 As沉淀及其对EL2的影响
• 5.1.2 EL2深施主缺陷
• 5.1.3 碳杂质
• §5.2 LEC SI-GaAs中碳杂质的微区分布
• 5.2.1 透射电镜能谱分析研究SI-GaAs单晶中碳的微区分布
• 5.2.2 EPMA研究SI-GaAs单晶中碳的微区分布
• §5.3 小结
• 第六章 SI-GaAs衬底微缺陷对MESFET器件性能的影响
• §6.1 MESFET器件结构特性和制造工艺
• 6.1.1 GaAs M ESFET器件结构
• 6.1.2 MESFET器件的特性
• 6.1.3 GaAs MESFET器件的制造工艺
• §6.2 LEC SI-GaAs衬底中AB微缺陷对MESFET器件参数的影响
• 6.2.1 LEC SI-GaAs衬底中AB微缺陷对MESFET器件跨导的影响
• 6.2.2 LEC SI-GaAs衬底中AB微缺陷对MESFET器件饱和漏电流的影响
• 6.2.3 LEC SI-GaAs衬底中AB微缺陷对MESFET器件阈值电压的影响
• 6.2.4 LEC SI-GaAs微缺陷对MESFET器件电学参数影响的分析
• §6.3 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果