磷化銦（InP）目前已成為光電器件和微電子器件不可或缺的重要半導(dǎo)體材料。本期1°姐將為大家詳細(xì)介紹InP單晶襯底的制備以及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀。
一、InP性能簡(jiǎn)介
磷化銦（InP） 是一種具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體材料，質(zhì)地軟脆，呈銀灰色光澤。InP 的熔點(diǎn)為 1335±7K，在熔點(diǎn)附近磷的飽和蒸汽壓為 27.5atm，因此通過(guò)熔體法合成 InP 多晶比較困難，但是其他方法成本昂貴。同Si和GaAs材料相比，InP具有高的電光轉(zhuǎn)換效率，高的電子遷移率，高的工作溫度，強(qiáng)抗輻射能力、以及導(dǎo)熱好的特點(diǎn)。
InP 廣泛應(yīng)用于太赫茲(THz)、激光器、太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器和光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等領(lǐng)域，包括入戶光纖和數(shù)據(jù)中心傳輸。
二、InP多晶制備方法
目前，已有多種合成 InP 多晶料的方法，包括：水平布里奇曼法（HB）、水平溫度梯度凝固法（HGF）、溶質(zhì)擴(kuò)散合成技術(shù)（SSD）和原位直接合成法 (In-situ Synthesis) 包括 P 注入法、P 液封法以及在此基礎(chǔ)上的一些改進(jìn)方法等。 目前，工業(yè)上合成 InP 多晶的主要方法即為 HB/HGF 法。
水平布里奇曼法（HB）/水平溫度梯度凝固法（HGF）簡(jiǎn)介:
通過(guò)使 P 蒸汽和 In 熔體反應(yīng)合成 InP 多晶。當(dāng) In 熔體的溫度高于 InP 熔體的熔點(diǎn)，P 蒸汽就被 In 熔體吸收，直到 In 熔體全部轉(zhuǎn)變?yōu)?InP熔體。
三、 InP 單晶生長(zhǎng)技術(shù)
InP 單晶的生長(zhǎng)過(guò)程是熔體結(jié)晶為固體晶體的過(guò)程，是一種液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟南嘧冞^(guò)程。按生長(zhǎng)方式分類，單晶生長(zhǎng)可分為垂直生長(zhǎng)和水平生長(zhǎng)兩大類。常用的單晶生長(zhǎng)方法主要有：液封直拉(LEC)技術(shù)、改進(jìn)的 LEC技術(shù)、蒸氣壓力控制 LEC（VCz 或稱 PC-LEC，也可稱為熱壁直拉 HW-Cz）技術(shù)、垂直梯度凝固(VGF)和垂直布里奇曼(VB)技術(shù)以及水平梯度凝固(HGF) 和水平布里奇曼(HB)技術(shù)等。在晶體制備過(guò)程中，最關(guān)鍵的技術(shù)是熱場(chǎng)設(shè)計(jì)和孿晶的控制。
從技術(shù)角度和晶體制備的成本角度來(lái)說(shuō)，LEC 技術(shù)制備磷化銦晶體的技術(shù)將是制備大尺寸晶體的主打技術(shù)，而 VGF/VB用于以制備低位錯(cuò)的襯底。
四、襯底類型
按導(dǎo)電性能，InP襯底主要分為半導(dǎo)電和半絕緣襯底。
半導(dǎo)體襯底分為N型和P型半導(dǎo)電襯底。通常選用In2S3 和 Sn 作為N 型襯底的摻雜劑，選用ZnP2 作為 p 型襯底的摻雜劑。各種摻雜劑的使用，其目的是為器件制造提供不同導(dǎo)電類型的襯底。其中：
（1）N 型摻Sn InP 主要用于激光二極管。
（2）N 型摻S的InP 不僅用于激光二極管，而且還用于光探測(cè)器。因?yàn)橐苊馔ㄟ^(guò)位錯(cuò)產(chǎn)生的漏電流，因此無(wú)位錯(cuò)的摻S InP 是必需的。因?yàn)榱蛟?InP 中有明顯的雜質(zhì)硬化作用，因此無(wú)位錯(cuò)單晶很容易生長(zhǎng)。
（3）P 型摻Zn InP 主要用于高功率激光二極管。Zn也有很強(qiáng)的雜質(zhì)硬化效應(yīng)，因此也可以使位錯(cuò)比較低。低位錯(cuò)對(duì)于提高激光器的壽命來(lái)說(shuō)非常重要。
半絕緣襯底按照是否摻雜分為摻雜半絕緣襯底和非摻雜半絕緣襯底。摻雜半絕緣襯底通常采用Fe2P作為摻雜劑。而非摻雜半絕緣襯底是將高純InP單晶襯底通過(guò)高溫退火而成。半絕緣襯底主要用于制作射頻器件。
目前InP單晶襯底的主流尺寸是2-4英寸，最大商用尺寸是 6 英寸。
五、InP單晶市場(chǎng)的主要參與者
目前全世界只有美國(guó)的 AXT，日本的 SUMITOMO ELECTRIC，英國(guó)的WAFER TECH 和法國(guó)的 INPACT 等少數(shù)幾家公司能夠滿足未來(lái)對(duì)大尺寸晶體襯底的要求。其中日本市場(chǎng)份額最大，份額超過(guò)50%。日本住友電工從 1979年開始 InP 的研發(fā)，是世界上技術(shù)最全面的磷化銦晶體制備及加工企業(yè)，擁有多種晶體生長(zhǎng)制備手段。昭和電工率先在國(guó)際上發(fā)表了采用 PC-LEC（熱壁壓力控制液封直拉法）技術(shù)生長(zhǎng)的直徑 150mm 的 InP 單晶。
中電科13所研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)高壓?jiǎn)尉t
由于InP設(shè)備及晶體生長(zhǎng)所需的技術(shù)門檻極高，因而目前只有國(guó)內(nèi)少數(shù)廠家和科研單位可以制造磷化銦單晶生長(zhǎng)設(shè)備和生長(zhǎng)磷化銦單晶襯底。中國(guó)電科13所作為代表最早設(shè)計(jì)了我國(guó)的磷化銦高壓?jiǎn)尉t和制備了我國(guó)第一根InP單晶。其余的生產(chǎn)企業(yè)還包括云南鍺業(yè)股份有限公司、廣東先導(dǎo)半導(dǎo)體材料有限公司等。
參考資料：
周曉龍.《大尺寸InP單晶制備及半絕緣特性研究》，2010年
梁仁和.《InP單晶裝備及工藝熱場(chǎng)技術(shù)研究》，2017年
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