剖析丨InP衬底的制备以及产业化现状

　　一、InP性能简介

　　磷化铟（InP） 是一种具有闪锌矿结构的化合物半导体材料，质地软脆，呈银灰色光泽。InP 的熔点为 1335±7K，在熔点附近磷的饱和蒸汽压为 27.5atm，因此通过熔体法合成 InP 多晶比较困难，但是其他方法成本昂贵。同Si和GaAs材料相比，InP具有高的电光转换效率，高的电子迁移率，高的工作温度，强抗辐射能力、以及导热好的特点。

　　InP 广泛应用于太赫兹(THz)、激光器、太阳能电池、光电探测器和光纤网络系统等领域，包括入户光纤和数据中心传输。

　　二、InP多晶制备方法

　　目前，已有多种合成 InP 多晶料的方法，包括：水平布里奇曼法（HB）、水平温度梯度凝固法（HGF）、溶质扩散合成技术（SSD）和原位直接合成法 (In-situ Synthesis) 包括 P 注入法、P 液封法以及在此基础上的一些改进方法等。 目前，工业上合成 InP 多晶的主要方法即为 HB/HGF 法。

　　水平布里奇曼法（HB）/水平温度梯度凝固法（HGF）简介:

　　通过使 P 蒸汽和 In 熔体反应合成 InP 多晶。当 In 熔体的温度高于 InP 熔体的熔点，P 蒸汽就被 In 熔体吸收，直到 In 熔体全部转变为 InP熔体。

　　三、 InP 单晶生长技术

　　InP 单晶的生长过程是熔体结晶为固体晶体的过程，是一种液相转变为固相的相变过程。按生长方式分类，单晶生长可分为垂直生长和水平生长两大类。常用的单晶生长方法主要有：液封直拉(LEC)技术、改进的 LEC技术、蒸气压力控制 LEC（VCz 或称 PC-LEC，也可称为热壁直拉 HW-Cz）技术、垂直梯度凝固(VGF)和垂直布里奇曼(VB)技术以及水平梯度凝固(HGF) 和水平布里奇曼(HB)技术等。在晶体制备过程中，最关键的技术是热场设计和孪晶的控制。

　　从技术角度和晶体制备的成本角度来说，LEC 技术制备磷化铟晶体的技术将是制备大尺寸晶体的主打技术，而 VGF/VB用于以制备低位错的衬底。

　　四、衬底类型

　　按导电性能，InP衬底主要分为半导电和半绝缘衬底。

　　半导体衬底分为N型和P型半导电衬底。通常选用In2S3 和 Sn 作为N 型衬底的掺杂剂，选用ZnP2 作为 p 型衬底的掺杂剂。各种掺杂剂的使用，其目的是为器件制造提供不同导电类型的衬底。其中：

　　（1）N 型掺Sn InP 主要用于激光二极管。

　　（2）N 型掺S的InP 不仅用于激光二极管，而且还用于光探测器。因为要避免通过位错产生的漏电流，因此无位错的掺S InP 是必需的。因为硫在 InP 中有明显的杂质硬化作用，因此无位错单晶很容易生长。

　　（3）P 型掺Zn InP 主要用于高功率激光二极管。Zn也有很强的杂质硬化效应，因此也可以使位错比较低。低位错对于提高激光器的寿命来说非常重要。

　　半绝缘衬底按照是否掺杂分为掺杂半绝缘衬底和非掺杂半绝缘衬底。掺杂半绝缘衬底通常采用Fe2P作为掺杂剂。而非掺杂半绝缘衬底是将高纯InP单晶衬底通过高温退火而成。半绝缘衬底主要用于制作射频器件。

　　目前InP单晶衬底的主流尺寸是2-4英寸，最大商用尺寸是 6 英寸。

　　五、InP单晶市场的主要参与者

　　目前全世界只有美国的 AXT，日本的 SUMITOMO ELECTRIC，英国的WAFER TECH 和法国的 INPACT 等少数几家公司能够满足未来对大尺寸晶体衬底的要求。其中日本市场份额最大，份额超过50%。日本住友电工从 1979年开始 InP 的研发，是世界上技术最全面的磷化铟晶体制备及加工企业，拥有多种晶体生长制备手段。昭和电工率先在国际上发表了采用 PC-LEC（热壁压力控制液封直拉法）技术生长的直径 150mm 的 InP 单晶。

中电科13所研制的国内首台高压单晶炉

　　由于InP设备及晶体生长所需的技术门槛极高，因而目前只有国内少数厂家和科研单位可以制造磷化铟单晶生长设备和生长磷化铟单晶衬底。中国电科13所作为代表最早设计了我国的磷化铟高压单晶炉和制备了我国第一根InP单晶。其余的生产企业还包括云南锗业股份有限公司、广东先导半导体材料有限公司等。

　　参考资料：

　　周晓龙.《大尺寸InP单晶制备及半绝缘特性研究》，2010年

　　梁仁和.《InP单晶装备及工艺热场技术研究》，2017年

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