调整GaAs晶体VGF 生长过程中的加热器功率分布

布里奇曼技术被广泛应用于生长高质量的 III-V 半导体，如 GaAs、InP 等。垂直梯度凝固法（VGF）是对传统布里奇曼法的改进，无需移动安置或加热器。在这种情况下，结晶过程是通过改变电动梯度多区炉中的热量供应来实现的。炉内传热以及熔体和气体流动的优化是培育优质晶体的关键所在。

下列物理现象会影响 VGF 生长过程中的结晶：

• 特定热区的辐射和扩散传热；

• 结晶前沿下的熔体对流和对流热交换，包括自由表面现象和磁场效应；

• 气体/晶体界面上的气体对流和热交换（液态封装晶体生长过程中的封装剂流动）；

• 结晶前沿的潜热释放。

Schematic view of the VGF setup for growing 6 inch diameter GaAs crystals

Computed evolution of temperature distribution in the reactor

优化工艺配方是提高产量和改善晶体质量的有效方法。在本示例中，对工艺的优化是在不修改硬件的情况下进行的—对于三个加热器中的每一个，我们都提出了功率随时间变化的函数关系。优化后的配方使我们能够在晶体圆柱形部分的开端获得更凸的熔体/晶体界面形状，并显著降低多晶材料生长的概率。较低的温度梯度值降低了晶体中的位错密度和晶体开裂的概率。如下图示例：

                Original heater power evolution during the growth process                   Optimized heater power evolution during the growth process

我们可以看到加热器功率优化对结晶前沿形状的明显影响，以及熔体-晶体界面温度梯度的显著下降（下图），这使我们能够期待晶体质量的大幅提高。

加热器功率优化并不是解决这一问题的唯一方法。在 VGF 生长过程中降低温度梯度和位错密度的其他方法包括：

• 在特定热区通过辐射和扩散传热；

• 加热器的特殊设计和增加独立加热器的数量；

• 晶体 "晶种 "部分周围的隔热罩；

• 安放底部的温度设计；

• 侧面和上部隔热层的设计。

Evolution of the crystallization front before (black) and after the optimization (red).

The correlation between the crystal shape and the temperature gradients along the front

掺杂剂分布的建模

GaAs 晶体掺杂了不同的元素，以达到半导电或半绝缘晶片所需的导电率。控制掺杂材料的偏析对于提高 GaAs 晶圆的产量、使其电导率值符合规格限制非常重要。熔体流动模型和偏析模型有助于获得晶体中掺杂剂（如Si或Zn）的分布情况。

                      Si doping distribution                                                                                           Zn doping distribution