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1、word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 31120000135 学生某某 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与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) 晶体材料的开展过程 , 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，
2、通 过对热场和其他工艺参数的优化，实现在6090分钟内合成46Kg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性质的影响奠定了根底.关键词：磷化铟磷注入合成晶体 材料 器件ABSTRACTIndium Phosphide(InP)has been indispensable to both optical and electronic devicesThis paper used a direct Pinjection synthesis and LEC crystal growth method to prepare hig
3、h purity and various melt stoichiometry conditions polycrystalline InP and to grow high quality,large diameter InP single crystal in our homemade pullersIn 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 sup
4、erior 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 processIn the injection method，phosphorus reacts with indium very quickly so that the rapid p
5、olycrystalline synthesis is possibleThe quartz injector with two Or multi-transfer tubes was used to improve the synthesis resultIt will avoid quartz injector blast when the melt was indraft into the transfer tubeThe injection speed， melt temperature，phosphorus excess，and SO on are also important fo
6、r a successful synthesis processAbout 400060009 stoichiometric high purity poly InP is synthesized reproducibly by improved P-injection method in the highpressure pullerKeywords：InP , P-injection synthesis, Crystal , Material, Device引言磷化铟( InP)是重要的- 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
7、代元素半导体材料的开展和研究的同时 , 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等人发现族和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 ) , 可以在微波与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
8、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- 族单晶打下了根底 , InP材料的研究也才真正开始。但由于InP在熔点温度 13357K时 , 磷的离解压为27. 5atm, 因此 InP多晶的合成相比照拟困难 , 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展, 所以 InP单晶就难获得 , 而且在高温高压下生长单晶 ,
9、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。 所以目前一样面积的 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 技术和应用的迅速开展以与
10、光纤通信事业的大开展 , 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材料的研究和开展。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展管理 , 到 1989 年由于 In P材料与器件开展迅速 , 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
11、与相关材料国际会议 ( 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 IPRM98会议将总结最近10年来国际上 In P开展的最新成果 , 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年的开展规划 , 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
12、, 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开展先进的雷达、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开展给以极大的关注 , 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
13、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 , 尽管由于我国的根底工业还比拟落后 , 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。 我国的科学工作者在艰辛的条件下 , 在 InP多晶合成和单晶生长方面取得了许多成果 , 在某些方面的工艺技术还处于国际先进水平。第一章 绪论11 InP晶体概述 人类认识半导体的历史可以追溯到1782年以前，沃尔特(AVolta) 通过静电计对不同材料进展接地放电，区分了金属，绝缘体和导电性能介 于其间的“半导体，随后他也最早使用了“半导体一词。1833年， 法拉第(MFa
14、raday)发现了A92S具有负的电阻温度系数12J，史密斯(W RSmith)发现硒的光电导现象，布劳恩(FBraun)于1874年发现了 PbS和FeS2与金属探针接触时的整流现象，揭开了人类研究半导体材料 的新篇章。20世纪成为人类在材料开展史中流光溢彩的辉煌历史时期， 由于社会进步与军事电子技术开展的迫切需要，使人们意识到：未雨绸缪 的时候到了。于是一大批新型电子材料应运而生：1910年蒂埃尔(Thiel)等 首次报道了人工合成磷化铟(InP)材料，这成为了人类研究IIIV族化合 物的最早记录；1929年，戈尔德施米特(Goldschmidt)首次合成了出了 GaAs，并指出其具有闪锌
15、矿结构。19401945年，对PbS，PbSe和PbTe 作为红外探测材料进展了大量研究。1950年，用直拉(CZ)法制备出第一颗 锗(Ge)单晶1952年，制备出第一颗硅(si)单晶；1954年，用区熔(FZ) 法，水平(HB)法制备出砷化镓(GaAs)单晶；德国的Welker于1 950年代 初期开展了IIIV族半导体材料的生长研究IlOl，1963年纳尔逊(HNelson) 用液相外延法(LPE)生长了GaAs外延层，并做出了半导体激光器111|。 1965年，耐特(Knight)首次用气相外延(VPE)法成功地制备了砷化镓(GaAs) 单晶薄膜；1965年，Mullin等报道了GaAs
16、单晶的液封直拉生长方法，1960年代末开始用LEC法生长InP和GaP单晶13-151。从新材料家族中涌 现出来的新秀，不但为材料王国的兴盛带来了曙光，也为新一代军事电子装备的开展带来了希望。 与锗、硅材料相比，化合物半导体GaAs、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(400450)；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。这些特性决定了 GaAs、InP等材料在固态发光、微波通信、光纤通信、制导导航、卫星等 民用和军事等领域的应用十分广阔。 半导体技术的商业化生产历史可以看作是一系列工艺技
