磷化铟晶体半导体材料的研究综述

文献综述

课题名称磷化铟晶体半导体材料的研究学生学院机电工程学院

专业班级2013级机电（3）班

学号*********** 学生姓名王琮

指导教师路家斌

2017年01月06日

中文摘要

磷化铟(InP)已成为光电器件和微电子器件不可或缺的重要半导体材料。本文详细研究了快速大容量合成高纯及各种熔体配比条件的InP材料；大直径 lnP 单晶生长；与熔体配比相关的缺陷性质；lnP中的VIn心相关的缺陷性质和有关InP材料的应用，本文回顾了磷化铟( InP)晶体材料的发展过程,介绍了磷化铟材料的多种用途和优越特性，深入分析InP合成的物理化学过程，国际上首次采用双管合成技术，通过对热场和其他工艺参数的优化，实现在60—90分钟内合成4．6Kg 高纯InP多晶。通过对配比量的调节，实现了熔体的富铟、近化学配比，富磷等状态，为进一步开展不同熔体配比对InP性质的影响奠定了基础.

关键词：磷化铟磷注入合成晶体材料器件

ABSTRACT

Indium Phosphide (InP) has been indispensable to both optical and electronic devices．This paper used a direct P—injection synthesis and LEC crystal growth method to prepare high purity and various melt stoichiometry conditions polycrystalline InP and to grow high quality,large diameter InP single crystal in our homemade pullers．In this work，we have obtained the abstract this paper looks back the developing process on the bulk InP crystals, introduces vario us uses a nd superior character of the InP ma terials and a large quantity of high purity InP crystal material has been produced by the phosphorus in-situ injection synthesis and liquid encapsulated Czochralski(LEC) growth process．In the injection method，phosphorus reacts with indium very quickly so that the rapid polycrystalline synthesis is possible．The quartz injector with two Or multi-transfer tubes was used to improve the synthesis result．It will avoid quartz injector blast when the melt was indraft into the transfer tube．The injection speed，melt temperature，phosphorus excess，and SO on are also important for a successful synthesis process．About 4000—60009 stoichiometric high purity poly InP is synthesized reproducibly by improved P-injection method in the high—pressure puller．

Keywords：InP , P-injection synthesis, Crystal , Material, Device

引言

磷化铟( InP) 是重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料之一,是继Si、Ga As之后的新一代电子功能材料。几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时,科学工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。1952年Welker等人发现Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的化合物也是半导体,而且某些化合物半导体如Ga As、In P等具有Ge、Si所

不具备的优越特性(如电子迁移率高、禁带宽度大等等) ,可以在微波及光电器件领域有广泛的应用,因而开始引起人们对化合物半导体材料的广泛注意。但是,由于这些化合物中含有易挥发的Ⅴ族元素,材料的制备远比Ge、Si等困难。到50年代末,科学工作者应用水平布里奇曼法( HB)、温度梯度法( GF)和磁耦合提拉法生长出了Ga As、InP单晶, 但由于晶体太小不适于大规模的研究。1962年Metz等人提出可以用液封直拉法( LEC)来制备化合物半导体晶体, 1965～1968年M ullin等人第一次用三氧化二硼( B2 O3 ) 做液封剂, 用LEC法生长了Ga As、InP等单晶材料,为以后生长大直径、高质量Ⅲ-Ⅴ族单晶打下了基础, InP材料的研究也才真正开始。但由于InP在熔点温度1335±7K时,磷的离解压为27. 5atm,因此InP多晶的合成相对比较困难,单晶生长也困难得多,就是说整个过程始终要在高温高压下进行,所以InP单晶就难获得,而且在高温高压下生长单晶,其所受到的热应力也大,所以晶片加工就很难,再加上InP的堆垛层错能较低,容易产生孪晶,致使高质量的In P单晶的制备更加困难。所以目前相同面积的InP抛光片要比Ga As 的贵3～5倍。而对In P材料的研究还远不如Si、Ga As等材料来得深入和广泛。只是在70年代由于有人提出了In P可能具有三能谷能带结构而使许多科学工作者的目光投向了In P材料,使In P的研究形成了一次小高潮,但后来证明In P和Ga As一样是两能谷能带结构。但这一过程使国际上形成了一批专门从事InP性质研究的科学家。随着80年代HEM T技术和应用的迅速发展以及光纤通信事业的大发展,光电器件的走红,太阳能电池的大量需求,极大地推动了与这些技术密切相关的InP材料的研究和发展。

由于InP材料的一系列优越性被发现,使其在军用、民用光纤通信、微波、毫米波器件、抗辐射太阳能电池、异质结晶体管等许多高技术领域有广泛应用,所以各技术先进国家普遍加强了对InP材料的重视程度。北大西洋公约组织( N ATO)在1980年就召开了三年一届的In P工作会议并有专门组织进行管理, 到1989 年由于In P材料与器件发展迅速,所以工作会议就改为由IEEE等国际著名组织主办的以In P命名的国际性学术会议——“磷化铟及相关材料国际会议( IPRM )”,会议每年召开一次, 1998年5月在日本的筑波举办第10届IPRM 会议, 这次IPRM’98会议将总结最近10年来国际上In P发展的最新成果, 并将举办隆重的10周年庆祝仪式。中国大陆的两位学者已被邀请参加此次盛会。

美国国防部早在1989年就把InP和Ga As放在一起制定了专门的到2000年的发展规划,其具体目标是到2000年要有6英寸的Ga As单晶,而对In P单晶材料是要有可靠的来源。从目前的资料看,他们的目标提前实现了。而到90年代中期, 美国陆军制定了包括InP技术在内的20项关键电子技术,以提高其在21世纪的实战能力,因为In P的微波和毫米波单片电路能使陆军采用固态器件和相控技术来发展先进的雷达、电子战系统和通信系统。其它英、日、俄、法等技术先进国家也早在70年代末就对InP单晶材料的制备和相关器件的发展给以极大的关注,所以目前仍是这些国家在此领域保持领先地位,并积极开拓市场,逐步将这一高科技军事领域的奇葩转化到民用工业上来,使之真正实现广泛应用。

我国的InP材料研究起步并不晚,在70年代就开始了InP单晶材料的研制工作,到1976年就用国产自行设计制造的首台高压单晶炉生长出了我国第一根具有使用和研究价值的InP单晶。到80年代初开始了我国自己的InP基器件研制工作。在我国老一辈半导体材料专家中科院林兰英院士的始终关注下,尽管由于我国的基础工业还比较落后, In P的应用在我国还远不如人意,但我国一直没有放弃这一重要领域的研究工作。我国的科学工