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半绝缘砷化镓(SI-GaAs)单晶中的杂质与缺陷

孙卫忠  
【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


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