砷化镓晶体定向及籽晶加工.doc

砷化镓晶体定向、籽晶加工和安装技术
一个理想的籽晶，应是同一材料的无缺陷或很少缺陷的有一定取向单晶制成。籽晶可以是圆柱，也可是方形。直径不宜太粗。籽晶必须具有确定的晶向，生长的砷化镓晶体一般有<11l>、<100>、<21l>、<511>等晶向。籽晶加工分同类晶向的籽晶加工和不同类晶向的籽晶加工。为了得到晶向精度较高的籽晶，必须对加工籽晶的晶体进行定向。以下介绍几种定向方法。
1 解理法定向
晶体的解理，就是当晶体受到定向机械应力的作用时，可以平行一个或几个平整的面分裂开的性质。这些分裂的平整平面称为解理面。晶体的解理面形成机理分为三类： (1)晶体在各方向上键结合的方式是否有很大差异，键合较微弱的晶面必然是解理面。(2)如果晶体中各个方向上键合的方式相同，相邻晶面间键密度的大小，键密度小的必然是解理面。(3)对于带有离子键的晶体，晶面间的作用，键密度的大小不是唯一的因素，而还应考虑相邻晶面间的静电作用。
在砷化镓晶体中，(111)晶面(又称为A面)全部是由Ⅲ族镓原子组成，(-1-1-1)晶面(又称B面)全部由V族砷原子组成，而(111)面与(-1-1-1)面在晶体中是交替排列的。砷化镓晶体中的镓原子和砷原子都处于极化状态，即镓原子带负电，砷原子带正电。因此在(111)晶面与(-1-1-1)晶面之间存在静电引力作用，外来的机械作用力不易把它们分裂开。而在每个(110)晶面间上都有相同数目的镓原子和砷原子，所以(110)晶面间不存在静电引力。同时因(110)晶面间单位面积上作用的键数仅比(111)晶面多，而比其它晶面都少，所以(110)晶面在外来机械作用力的作用下极易分裂开，成为极完整的解理面。
单晶体有一种独特的性质各向异性，在晶体生长也表现出这种性质，一般晶体生长时，都优先在原子排列最密集的晶面上生长的倾向。对砷化镓晶体，原子排列最密集的晶面是（111)晶面。镓、砷原子在（111)面上按六角密堆进行排列。晶体生长时，在原子稠密的平面上进行横向扩展，要比垂直此平面产生新的核而生长要迅速。砷化镓晶体属极性晶体，因此极性也影响着砷化镓单晶的生长。埃利斯(E11is)实验证明，直拉砷化镓单晶时，生长速度最慢的面是砷面[(-1-1-1)晶面]，而镓面[(111)晶面]的生长速度较砷面快。
解理插针法定向能可靠地对砷化锿单晶的(100)、(111)和(110)晶面进行定向。此法所用设备简单。定向时间短，但定向偏离度在3～5°。此法不适合籽晶加工定向，也不适合工厂生产。解理法测角定向较为广泛使用．可以获得准确的晶体取向和晶体取向的偏移数值。
2 图像法定向

图1(111)、(-1-1-1)砷化锿简化极射赤面投影，单晶的生长棱线，光反射花样，解理面、位错腐蚀坑图形
光图像定向是根据晶体解理面的光反射性和晶体结构的对称性实现对晶体定向。当一束较细的平行光照射到经一定方法处理过的晶体断面上时，晶体断面上按一定对称方向排列放置的解理面就会产生反射。对不同结构的晶体和不同的晶面，反射光在光屏上形成不同的光圈像。转动晶体，以调整光图像的形状和位置，就可获得所需要的晶体取向。

图2(100)、(1l0)砷化镓简化极射赤面投影，单晶的生长棱线，光反射花样，解理面、位错腐蚀坑图形晶体断面处理的目的使断面上的几个对称解理面组同时显露处理．使平行光束照射到这些解理面上时产生对称的光反射．在光屏上形成对称的光反射图像。一般采用机械处理和化学处理相结合方法。
机械处理： (1)一般根据晶体的生长棱线可以判断出晶体的大致取向。如果所要求的晶向和晶体原来的断面取向基本一致，可用100#碳化硅在平板玻璃上将其断面研磨粗糙。(2)如果不能根据晶体的生长棱线来判断其断面的取向，或者所判定的断面的取向和要求的晶体取向不一致时，需用球面研磨器和100#碳化硅将单晶断面研磨成半球状，也可用砂轮磨去晶体断面处的棱角，选用100#沙子用压缩空气喷沙处理。形成许多可能取向的解理面组，宏观上只能看到晶体断面上有无数凹凸的小坑和有闪光的亮点。它们对入射平行光束将按其取向方向产生光反射。
化学处理：适当的化学腐蚀机械处理过的晶体断面，使断面处凹凸坑里的不同取向的小解理面更分明。同时去除凹凸坑内的一些残余晶体粉末和碳化硅污物。使处理后光图像变得更清晰。然后采用光图像定向仪定向。
砷化镓光图像法定向腐蚀液配方：
<111>HN03：H20=1：2 2～3min
<-1-1-1>HF：HN03：H20：HN03(1％溶液)=1：3：4：1 l min
3 X射线定向
3.1 X射线定向基本原理
当任何一种高速运动的带电粒子与一块金属物质相碰撞时，都会产生X射线。当真空条件下，阴极灯丝发出的电子在高压电场加速成高速运动的带电粒子与阳极金属物质原子的内层电子相作用，内层电子因获得了外来带电粒子的能量而被激发到最外层能级上，或被激发出整个原子体系之外。邻近壳层上电子将向内层能级跃迁，该跃迁电子将放射出等于两个能级的位能能量。这个能量是量子化的，而且是以光的形式释放，此光就是X光。
由于X射线是高速带电粒子和物质原子的内层电子相作用而产生的，因此它的能量高，波长短(0．01埃～100埃)，波长范围和晶体的原子间距有相同的数量级。因此晶体可用作X射线的天然衍射光栅。当x射线照射到晶体上时，在一定条件下就能够产生衍射。不同结构的晶体和不同的晶体取向，X射线所产生的衍射花样形状和衍射斑点的位置是不同的，各个衍射斑点和晶体中的各个晶面有一定的对应关系，衍射斑点的对称关系也反应出了晶体结构的对称情况。因此根据这些衍射花样和衍射斑点的位置可以确定出晶体的取向。
当波长为入的X射线以θ角入射到晶面间距为d的一组晶面上时，晶体将对X射线产生衍射。把衍射现象视为晶体点阵平面的反射现象。如图3可以看出，如果光(1)和光(2)所走过的光程之差为波长的整数倍。

图3布拉格衍射推导几何关系示意图
AB=BC，AB=OAsinθ，
AB+BC=2dsinθ (5-1)
设n为整数，光(1)’和(2)’若要产生“相干"，即发生衍射，光(1)、(1)’和光(2)、(2)’所走过的光程差AB+BC必须满足相干条件：
AB+BC=nλ (5-2)
将(5-2)式代入(5-1)式得：
2dsinθ=nλ (5-3)
(5-3)式称为布拉格方程，式中的θ成为布拉格角，或称衍射角。X射线定向方法不仅适用于一种或几种特殊晶体的某些晶面，而适用各种晶体的许多晶面。采用这种方法定向比解理法定向或光图像定向准确度高(可达到1分)。X射线定向优点非破坏性的，定向前不需对晶体进行研磨、腐蚀等处理，定向过程中不会损失较多的单晶材料。对晶体的大小形状也没有特殊要求。
3.2 X射线定向有两种方法
X射线定向有两种方法，一种是X光照相定向(或劳厄照相法定向)，一种是单色X射线衍射法定向。
X光照相法定向适合用于晶体取向完全未知的情况。它利用晶体对入射连续X射线的衍射而使乳胶感光，拍摄出晶体的劳厄照片，然后用格林仑格网将此照片上的斑点转换成极射赤面投影，再根据此投射图确定出晶体的取向。由于乳胶对衍射X光的感光较慢，而每次定向需进行1至2次照相，加上对底片的处理和分析，因此定向周期较长(1-3小时)。因此照片底片上的感光斑点转换成极射赤面投影，并将各投影极点指标化的工作较为复杂，故操作麻烦，不易掌握。乌尔夫网的最小分格为1度或2度，因此此法测定的晶体转角度数的准确度大约只能达到0．5度到2度。目前这种定向方法多作为实验室研究用。
单色X射线衍射法是利用要求定向切割(hkl)晶面，对入射的特征X射线产生的衍射来实现晶体定向。在晶体取向大概已知，而要求准确地沿所需要晶面进行定向切割最为适用。对晶体取向未知的晶体，一般也能通过晶体对入射X射线的衍射线方位来迅速地判定其晶向，但需根据晶体的外形(生长的棱线和生长的面)特征尝试计数管的放置位置，再转动晶体以找到最强的衍射点位置。利用计数管和放大显示系统来检测衍射X射线的强度和方位。比劳厄照相法操作简单、易于掌握，而且定向周期也短。由于X射线定向仪有精度很高的测角装置(最小读数精度为30”)，其定向准确度可达到1分以上)。这种定向仪检测的晶向偏离不大的晶体较为适用。对于不同的晶体和不同的点阵平面，能用定向仪检测的晶向偏角是不同的。半导体晶体晶向偏离在10度之内可以检测到。
3.3砷化镓(100)晶面布拉格衍射角的计算
砷化镓晶体属于立方晶系中的闪锌矿结构，其晶格常数a=5．6534埃。立方晶系的d值计算公式：
d=a／(h2+k2+12)1/2 (5—1)
表1锗、硅、砷化镓晶体的几个常用晶面对铜靶Ka辐射产生衍射的布拉格角

对(100)晶面，h=l，k=0，1=0。由于(100)晶面的h、k、1为异性数(h，k，1有两个奇数或两个偶数)。其结构因数F=0，按此数据计算出的衍射角位置没有衍射线发生。因此需采用与(100)晶面相平行、指数较高的晶面来计算方能获得较强的衍射。采用(400)晶面计算，此时h=4、k=0、1=0，则：
d=5．6534埃／(42+02+02)1/2
布拉格方程：sinθ=nλ／2d
对铜靶X光管其凡辐射的波长λ≈1．542埃，取第l级衍射，n=l，将d，n，入值代入布拉格方程：sinθ≈0．5453，θ（400）≈33°03’。用完全类似的方法可计算出锗、硅、砷化镓晶体的几个常用晶面对铜靶Ka辐射产生衍射的布拉格衍射角。如表1所示。

4 砷化镓籽晶加工
常规砷化镓晶体有<111>和<100>晶向的晶体。与晶体同晶向的籽晶加工，首先根据晶体头部的生长棱和生长面以及晶体侧面的生长面(参照图1，图2)，确定出原单晶为<111>或<100>晶向的单晶。把单晶侧面粘在石墨条，装在切片机上切下晶体的头尾，从头部先切小片，分切片的正反面，利用单色X射线衍射法定向仪测试其晶向和偏离度，如果偏离度高于0.5°，向偏移相反的方向调节切片机载物台的水平和垂直角度，再切小片测试，直到偏离度小于0.5°。然后平行切下晶体的尾部。去除粘晶体的石墨条，在晶体滚圆机上加工圆柱体，分清晶体头尾，根据预先晶体的外形确定的主次参考面位置标识，在X定向仪上测量找出晶体的主次参考面的确切位置，在滚圆机上制作主次参考面。主次参考面的定向偏离度要求也应小于1°。<100>晶向的晶体的主次参考面制作参照图4图，参考面长度可以小于标准长度。<111>晶向的晶体的主次参考面制作参照图4图，主参考面位置制作在(-110)方向，次参考面位置制作在(2-1-1)方向。如果原<111>晶向的单晶的(111)面和(-1-1-1)面没有区分清楚，可以采用位错腐蚀法确定其Ga面和As面。位错图参照图5。然后粘住晶锭头部或尾部，平行于主次参考面，把晶体切成四方籽晶，四方为4×4mm、6X6mm、9×9mm见方不同尺寸。生长小尺寸砷化镓单晶选小籽晶，生长大单晶选用粗籽晶。多年实验总结的不同籽晶可以承重生长不同重量的晶体如表2所示。
表2 不同尺寸砷化镓籽晶的最大承重量

图4 (100)砷化镓晶片表面晶向和瞬时针晶片外形尺寸

(a)砷化镓(111)面的位错图样 (b)砷化镓(-1-1-1)面的位错图样
图5 砷化镓(111)面和(-1-1-1)面的位错图
不同类晶向的籽晶加工，如图6所示<100>砷化镓晶片的晶向和主次参考面位置立体图，砷化镓晶片的主次参考面是采用顺时针标准加工的，使晶体的轴向平行于主参考面(0 1-1)向(011)面斜15.79°就得到(511)面，然后再加工<5ll>籽晶。从<51l>晶体的轴向平行于主参考面(01-1)向(011)面再旋转19.47°就得到(211)面，再加工成<21l>耔晶。<21l>晶体的轴向平行于主参考面(01-1)向(011)面再旋转19.47°就得到(111)面。就可加工成<111>晶向的籽晶。

图5<100>砷化锿晶片的晶向与(511>、<211>、(111>晶片之间的夹角
5 籽晶的安装技术
砷化镓常用耔晶有<100>、<11l>、<21l>、<51l>晶向，首先根据所要生长单晶的重量选择相对应的籽晶(参照表2)。再设计与籽晶相应的秆晶加头。为了承受高温，制作籽晶夹头的材料一般选用钼或石墨。