[发明专利]磷化铟多晶材料的快速合成方法及其多管石英磷泡

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及磷化铟多晶材料的合成方法。

背景技术

磷化铟（InP）是由III族元素铟（In）和V族元素磷（P）化合而成III-V族化合物半导体材料，在半导体材料领域具有非常重要的战略性地位，是目前光电器件和微电子器件不可替代的半导体材料。与锗、硅材料相比，InP具有许多优点：直接跃迁型能带结构，具有高的电光转换效率；电子迁移率高，易于制成半绝缘材料，适合制作高频微波器件和电路；工作温度高；具有强的抗辐射能力；作为太阳能电池材料的转换效率高等。因此，InP等材料被广泛应用在固态发光、微波通信、光纤通信、微波、毫米波器件、抗辐射太阳能电池等高技术领域。

随着能带工程理论、超薄材料工艺技术及深亚微米制造技术的进展，InP也越来越显示出其在高端微波、毫米波电子器件和光电子器件方面的优势，成为毫米波高端器件的首选材料，受到广泛的重视，开发应用前景非常广阔。高端InP基微电子和光电子器件的实现取决于具有良好完整性、均匀性和热稳定性的高质量InP单晶的制备，尤其是大直径高压液封直拉（HP-LEC）InP单晶的制备。高纯、不同熔体配比、无夹杂的InP多晶料是生产高质量InP及进行InP相关特性研究的前提条件。InP晶体的很多特性，都与起始原料，即多晶材料的特性相关，如材料的配比度，材料的纯度，对晶体生长，晶体的电学表现，晶体的完整性，均匀性等都有很大的影响。因此，InP熔体的快速大容量合成是InP研究领域非常受关注的问题。

目前，几种常用的合成InP多晶料的方法及其存在的问题如下：

（1）水平Bridgman法（HB）和水平梯度凝固法（HGF）：采用水平Bridgman法（HB）和水平梯度凝固法（HGF）合成InP材料，从工艺上讲，合成量越大则合成时间越长，一般用HB/HGF技术合成1.5KgInP多晶需24h左右，因此Si的沾污也越明显（其来源是石英管壁）；工业上提供的InP多晶的载流子浓度最低为6×10¹⁵cm^-3，对于制备高性能微电子器件和光电器件都有不良的影响，并且“炸管”的可能性也大。无论什么形式的合成舟，增加In的重量都非常困难，而且增加石英管的直径，势必要求更大口径的高压釜，成本也将迅速增加。

（2）液态磷液封技术和超高压直接合成技术：由于该方法合成多晶的速度快、纯度高，因此也曾有研究者对其进行研究，但该类方法对设备要求过高，并且合成量较小，不能规模化生产，目前尚不具有实用性。

（3）水平Bridgman法（HB）和水平梯度凝固法（HGF）及超高压直接合成技术等合成方法：这些方法都是先在合成炉中进行InP合成，然后将合成的InP多晶料从合成炉中取出，对多晶材料进行清洗腐蚀处理，然后再装入高压单晶炉内进行InP单晶生长。合成与晶体生长是采用“两步”法进行的，这就大大增加了材料被沾污的可能性，并且增加了材料制备成本。

综上所述可知，最好的多晶合成技术应该兼具以下特点：能生成出高纯度的多晶、尽可能少量的铟残余和较快的合成速度，并且能够实现合成多晶后即可以连续进行晶体生长。根据这些特点，就要求可以进行原位合成。液态磷液封技术可以做到原位合成，并连续拉晶，但其使用液态白磷作为覆盖剂，造成晶体生长无法直接观察，成晶率过低，不具备实用性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种磷化铟多晶材料的快速合成方法。该方法采用多管石英磷泡实现了快速多管磷注入合成技术，解决了原有合成技术中合成时间长、熔体配比不均以及杂质污染等问题，实现了磷化铟材料的快速高效高纯度合成，且更容易进行InP单晶生长。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种磷化铟多晶材料的快速合成方法，包括以下步骤：

第一步，对铟进行表面清洗处理，将清洗后的铟烘干备用；

第二步，将装有磷的多管（如2、3、4、5、6等）石英磷泡装入磷源炉内，多管石英磷泡包括至少两个石英磷泡管；

第三步，将高压单晶炉擦洗干净，然后将预先设计的保温系统、加热器、装有铟的坩埚、合成所用的磷源炉以及籽晶和液封剂B₂O₃装进高压单晶炉炉膛内；

第四步，对炉内抽真空，然后充高纯氩气；

第五步，将磷泡内的磷加热汽化注入到铟熔体中反应生成磷化铟；

第六步，进行晶体生长。

第一步，对铟进行表面处理以去除铟表面的氧化物和残余杂质，确保铟达到6N纯净度，且表面无尘土杂质。