【正文】 理圖圖2．5磷液封原位合成、拉晶示意圖V．Prasad等開發(fā)了一種在極高壓下原位合成InP，之后用MLEK技術連續(xù)拉晶的工藝。該方法基本實現(xiàn)了原位合成，連續(xù)拉晶的概念，但因為固態(tài)紅磷在轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)磷的過程中，會有大量的揮發(fā)，使得使用石英觀察窗進行晶體生長的觀察，基本不可能，所以，為了解決這個問題，他們采用了X射線掃描技術，來觀察籽晶接觸和生長情況。剩下的液態(tài)磷作為液封劑防止晶體生長中磷的離解。這樣使得在這個溫區(qū)磷蒸汽加熱分解到這個壁后形成液態(tài)的磷。用這種方法銦和磷都放在坩堝中。 Inada等發(fā)明了一種多晶合成和晶體生長同步的方法。然而，這種方法因為很難找到磷注入時的合適的熔點溫度因而很難獲得配比的多晶。而且這種方法也非常容易增加產(chǎn)量，因此這種方法有可能在未來 成為大規(guī)模生產(chǎn)磷化銦多晶所使用的方法。由于這種方法所具有的明顯的優(yōu)點，所以很多研究者開展了廣泛的研究。對于直接合成，已經(jīng)研究了三種方法：磷蒸氣注入技術；液態(tài)磷液封技術；在壓力非常高的腔內(nèi)直接合成銦和磷。其他公司采用的合成量也基本在1．4Kg，使得用這種方法合成 lnP的成本始終居高不下，這也說明，高純In、P和高純Ga、As的單位價 格接近，而InP晶片高于GaAs晶片5．10倍的重要因素。但是HB／HGF技術，從原理上還是一種通過溶解進行合成的方法，工 藝上合成量越大則合成時間越長，Si的沾污也越明顯(可能來自石英管壁)， 并且“炸管”的可能性也越大，并且無論什么形式的合成舟，增加In的重 量都非常困難，而且增加石英管的直徑，勢必要求更大口徑的高壓釜，成 本也將迅速增加。用這種石英舟獲 得的多晶料的載流子濃度可以達到5 X 1015cm。在一個經(jīng)過噴砂和打磨的石英舟中將銦和磷合成多晶，防止了多晶料粘在石英面上，而且防止了Si的沾污。而且，目前的脫 舟技術也越來越成熟，使得使用pBN舟的成本得到有效的控制。通過優(yōu)化前述的合成參數(shù)，可以得到少富In或者不富In的多晶InP。 然而合成區(qū)的溫度增加，從前述純度的角度來說是不希望發(fā)生的，即會造 成Si的沾污。合成區(qū)的 溫度會影響純度和生長速度。在多晶生長的過程中，In熔體中的P飽 和，InP就會沿液相線溫度從飽和的In熔體中析出。的水平[64,2371。Dean等認為主要的施主雜質(zhì)是S或者本身的缺陷1236J。當使用6N銦，6N磷的原材料時，通常只能得到剩余載流子濃度n=NDNA=1～5 X l 016 cm一，遷移率ll～3500 cm2／V．s(300K)量級的InP多晶材料。Janson考慮了SiO氣體與ln熔體的熱動力學。盡管In的蒸氣 壓低，但它與舟壁反應并產(chǎn)生SiO氣體。然而，加入In203會增加In熔體 中的O含量。Si的沾污以兩種方式發(fā)生。In熔體的溫度越高，P的溶解度越大，這樣富P的可能性將降 低。在高頻加熱區(qū)的溫度最高，但是仍然低于磷化銦的熔 點，由于提高了溶解度，熔體中的磷不斷增加，直至合成出配比多晶。高純 In在一石英舟或pBN舟內(nèi)，高純紅P密封在一石英安瓿內(nèi)加熱。其目的是克服以前的HB／HGF法的缺點。目前可達到的合成時間和合成量為1 OO小時合成4KgInP多晶。但合成 時間仍相對較長，早期的工作中的一個重點就是防止由于壓力不平衡造成 的“炸管”現(xiàn)象，現(xiàn)在由于壓力傳感器和計算機控制的使用，使得采用 HB／HGF合成InP的技術相當成熟。因為銦熔體 的溫度比熔點的溫度高，而且P蒸汽與In熔體的接觸面積遠遠大于SSD 法，因此合成速率比SSD法要高，但是從石英安瓿產(chǎn)生的Si的沾污也比較明顯。這種方法是使磷蒸 汽和銦熔體反應合成磷化銦多晶。使用這種方法成本太高，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，而從純度方面 講，其他合成方法通過改進工藝條件也可以達到需求。SSD技 術的缺點是和HB法相比合成量太少、速度太慢，目前基本不再使用。的水平。當坩堝底 部的P增加并超過其溶解度時，就從坩堝底部合成并析出InP多晶。P蒸氣溶解于In熔體中，直至達到飽和。SSD法從富 銦的熔體中生長的InP晶體所用的溫度較低(900．1000℃)。 圖2．1磷蒸汽壓與溫度之間的關系2．1．1溶質(zhì)擴散法合成(SSD)溶質(zhì)擴散法(SSD)1229232]最早被用于GaP的晶體生長和InP的多晶合成。因此，一般要在高壓爐內(nèi) 用高純銦和高純紅磷首先合成InP多晶料，然后再進行晶體生長工作，但 是能夠?qū)崿F(xiàn)原位或準原位合成連續(xù)拉晶一直是科學家研究的方向。InP晶體的很多特性，都與起始原料，即多晶材料的特性相關，如材 料的配比度，材料的純度，對晶體生長，晶體的電學表現(xiàn)，晶體的完整性， 均勻性等都有很大的影響。一般不做腐蝕液。以前的InP化學機械 拋光大量使用Br系的溶液，近期發(fā)展出一些無Br系的腐蝕液。InP與HC!．HN03 的混合液、氫鹵酸．雙氧水系也起反應，可作為腐蝕劑，用于厚度控制不嚴 格的表面拋光。 磷化銦在室溫下可以與鹽酸發(fā)生反應。 磷化銦與鹵素發(fā)生反應，溶于C1Br2的有機溶劑(如甲醇或乙醇) 可作為InP的拋光腐蝕劑。1 000℃以上離解加快，在1 062℃(熔點)的離解壓為 2．75MPa。 常溫下磷化銦是穩(wěn)定的，在長時間范圍的觀察，常溫下，表面氧化速 度很慢。這是磷 化銦比硅、磷化鎵、砷化鎵更易碎的主要原因，因而磷化銦的晶片厚度的 規(guī)格就要比硅厚很多。常壓下磷化 銦為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，在壓力≥13．3GPa時，其結(jié)構(gòu)變?yōu)镹aCI型面心立方結(jié)構(gòu)， 空間群為05hFm3m。 圖1．2磷化銦的能帶結(jié)構(gòu)及載流子濃度 表1．1 InP能帶的基本參數(shù) 表1．2 InP材料的基本參數(shù) 磷化銦的分子量為145．795，密度為4．7879／cm3，顯微硬度為 435士20／mm。但是人們還是發(fā)明了許多方法用以合成InP多晶和 4 第一章緒論 生長InP單晶。7K時，磷的離解壓為27．5atm，因此InP 多晶的合成相對比較困難。故其與兩個晶向是不等價的，使其沿 方向具有極性。 圖1．1 InP晶格結(jié)構(gòu)及晶向示意圖從圖1．1可以看到，所有(1l 0)面(族)上都包含In，P兩種原子， 而所有(1 11)面(族)上都只包含P或ln一種原子。28 7。這種結(jié)構(gòu)除每個原子最近鄰是異種原子 外，與金剛石結(jié)構(gòu)是相同的，每個原子最近鄰有4個異種原子，配位數(shù)為 4。InP的晶格可以看作是兩個互穿的面心立方晶格，其中一個是由In 原子構(gòu)成，另一個是由P原子構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)也可看成In原子所構(gòu)成的面 心立方晶格與P原子所構(gòu)成的面心立方晶格沿體對角體(“1方向)互 相位移(1／4，1／4，1／4)套構(gòu)(穿插)而成。具有同樣晶格常數(shù)的InGaAsP的帶寬可以從 1．35eV轉(zhuǎn)變?yōu)?．74eV(0．9．1．7微米)。這就是 為什么磷化銦作為波長在1．3．1．55微米光纖通信中的激光器和光探測器和 像HEMT、HBT等高頻電子器件所必需的襯底材料。常溫 下禁帶寬度1．35eV，直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)射波長0．929m，熔點溫度1335K。1．2 InP半島特材料的基本性能磷化銦(InP)是由III族元素銦(In)和V族元素磷(P)化合而成 IIIV族化合物半導體材料。⑤提高半絕緣InP 單晶片的熱穩(wěn)定性，減少摻雜劑Fe的使用量。④完善 4英寸的InP晶片制備技術。③降低大直徑InP單晶的位錯密度。目前研究的重點主要集中在以下幾個方面：①發(fā)展InP多晶的直接合 成技術，簡化合成工藝、降低成本。而所有的這些應用都 基于高質(zhì)量的InP襯底的提供。并由于其具有高抗輻射性能被用于空間衛(wèi)星的太陽能電池。隨著能帶工程理論、超薄材料工藝技術及深亞微米制造技術的進展越來越顯示出其異乎尋常的特性，成為毫米波高端器件的首選材料，受到廣泛的重視，特別受到軍方的青睞。這相當于一根光纖的理論容量能 夠同時支持一個激活的Internet連接到美國的每個家庭。為了適應日益增長的帶寬需求，OC．768采用了密集波分復 用(DWDM)來在同一光纖上傳輸多重數(shù)據(jù)通路。OC．768(Optical Carrier 768，光載波768是SONET規(guī)范中定義的 傳輸速度。 InP基器件在毫米波通訊、防撞系統(tǒng)、圖像傳感器等新的領域也有廣泛應 用。 InP也非常適用于高頻器件，如高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質(zhì) 結(jié)雙極晶體管(HBT)等方面。因此InP就是生產(chǎn)光通訊中InP基激光二極管(LD)，發(fā)光 二極管(LED)和光探測器等的關鍵材料，這些器件實現(xiàn)了光纖通信中信 息的發(fā)射、傳播、放大、接收等功能。因此 這是光纖通信的兩個主要窗口，前者用于短距離局域通信網(wǎng)，后者用于長 距離高速率的光通信系統(tǒng)。但這一切正說明了