GaInSb晶体的布里奇曼法生长工艺研究

发布时间：2017-09-09 16:37

  本文关键词：GaInSb晶体的布里奇曼法生长工艺研究

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【摘要】：GaInSb作为一种新型的三元合金半导体材料,由于其带隙窄,电子有效质量小,载流子迁移率高等特殊性能,使其在光电子器件、激光器和探测器等领域有着广泛的应用前景。本论文以半导体材料的生长工艺和理论为基础,采用5段独立控温式垂直布里奇曼法(VBM)来生长高质量的Ga1-xInxSb(x=0.14)晶锭。通过采用X-射线衍射仪、扫描电子显微镜和霍尔效应测试系统等专业检测仪器对晶锭样品进行系统分析与检测,研究了多晶体合成工艺,晶体生长工艺,包括过热温度、生长速率和温度梯度等,对晶锭组织和性能的影响。主要结论如下：1.生长了高质量的Ga1-xInxSb(x=0.14)晶锭样品,尺寸可到Φ11 mm,长度达100 mm。2.研究了多晶体合成工艺对晶体组织和性能的影响,实验结果表明多晶体预合成选用Ga、Sb、In三种单质原料合成,生长的晶锭组织较均匀,成分偏析较小,电学性能和物理学性能较优越。3.研究了过热温度对晶体组织和性能的影响。在晶体生长过程中,随着过热温度的增加,熔体粘度越低,晶锭组织越均匀,生长界面越稳定,晶锭质量越高。本论文采用过热温度1500C下生长的GaInSb晶锭,位错密度低,缺陷较少,晶锭质量高。4.研究了晶体生长速率(坩埚移动速率)对晶体组织和性能的影响。当移动速率太慢,晶粒尺寸较小,且成分偏析程度较大；当移动速率太快,晶锭生长界面不稳定,界面晶体结构无法均一,容易出现孪晶,进而降低晶锭质量。本论文GaInSb晶锭生长速率在1-2 mm/h时,晶锭中In的成分偏析较小,组织均匀,电学与物理学性能均达到了实验预期数值。5.研究了炉膛内部温度梯度对晶体组织和性能的影响。当晶体生长过程中温度梯度较小,此时结晶潜能较大,形核较困难；但是,如果温度梯度较大,晶体中将出现较大的应力,对晶体结晶质量的控制不利。实验结果表明,GaInSb晶体生长在温度梯度为PCR=1℃/mm时,晶锭成分偏析程度较小,组织均匀,晶锭质量较高。并且,实验中载流子迁移率和电阻率数值均可达到商业使用的标准。
【关键词】：GaInsb 垂直布里奇曼法 晶体生长 过热温度 生长速率 温度梯度
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O78
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-9
• 第一章 前言9-29
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 半导体材料的发展11-14
• 1.2.1 化合物半导体材料12-13
• 1.2.2 化合物半导体的应用前景13-14
• 1.3 GaSb晶体材料简介14-16
• 1.3.1 锑化镓(GaSb)的应用15-16
• 1.3.2 锑化镓晶(GaSb)的局限性16
• 1.4 锑铟镓晶体材料的基本性质16-22
• 1.4.1 In的掺入对GaSb结构的改变17
• 1.4.2 In的掺入对GaSb性能的改变17-18
• 1.4.3 GaInSb晶体材料的应用18-19
• 1.4.4 GaInSb晶体材料的发展现状19-22
• 1.5 晶体材料的主要生长工艺22-26
• 1.5.1 布里奇曼法(Bridgman)22-25
• 1.5.2 提拉法(Czochralski,Cz)25-26
• 1.5.3 区熔法(Zone melting method)26
• 1.6 本章小结26-29
• 1.6.1 本论文的研究目的27
• 1.6.2 本论文的研究内容27-29
• 第二章 晶锭生长和表征29-39
• 2.1 实验的原料和设备29-31
• 2.1.1 实验的原料29
• 2.1.2 实验的设备29-30
• 2.1.3 石英管的选择30-31
• 2.1.4 装料和封管31
• 2.2 GaInSb晶体生长31-35
• 2.2.1 GaInSb多晶料的合成31-33
• 2.2.2 GaInSb晶体的生长33-34
• 2.2.3 GaInSb晶锭样品处理34
• 2.2.4 GaInSb晶体抛光、腐蚀34-35
• 2.3 表征35-37
• 2.3.1 X-射线衍射仪(XRD)35
• 2.3.2 扫描电子显微镜(SEM/EDS)35-36
• 2.3.3 霍尔效应测试系统36
• 2.3.4 维氏硬度测试36
• 2.3.5 金相显微镜36-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第三章 过热温度和生长速率对GaInSb晶锭组织和性能的影响39-53
• 3.1 预合成方案对晶锭组织和性能的影响39-42
• 3.1.1 预合成方案对晶圆表面形貌的影响40-42
• 3.2 过热温度对晶锭组织和性能的影响42-47
• 3.2.1 X-射线分析43-44
• 3.2.2 晶体生长形态44-46
• 3.2.3 显微硬度分析46-47
• 3.3 生长速率对晶锭组织和性能的影响47-52
• 3.3.1 结果与分析48-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第四章 温度梯度对GaInSb晶锭组织和性能的影响53-59
• 4.1 温度梯度对晶锭组织和性能的影响53-58
• 4.1.1 X-射线衍射分析54-55
• 4.1.2 电阻率测试分析55-56
• 4.1.3 载流子迁移率分析56-57
• 4.1.4 显微硬度的测试分析57-58
• 4.2 本章小结58-59
• 第五章 结论59-61
• 参考文献61-67
• 发表论文和参加科研情况67-69
• 致谢69

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