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indium phosphide
简介
由铟和磷构成的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。常温下呈银灰色固体。50年代开始研究InP晶体生长和性质，1963年发现晶体的激光性质，同年又观察到甘氏(Gunn)效应。之后一系列研究结果表明：InP电子转移器件比类似的GaAs器件具有更多的优点。尤其1981年以后利用InP晶体所制成的器件实现了光纤通信，使它成为继GaAs之后最重要的化合物半导体材料。
物理性质 InP晶体是一个直接跃迁型的化合物半导体材料，主要物理性质为：
晶格常数/nm 0.5869 介质常数 12.5
密度/g·cm-3 4.8 折射指数 3.0
熔点/C 1062 发射波长/μm 0.92
热导率/W·(cm·C)-1 0.70 禁带宽度/eV 1.35
线性膨胀系数/10-6·C-1 4.5 晶体结构 闪锌矿型
室温本征InP晶体的载流子浓度为2×107/cm3，电子迁移率为4500cm2/(V·s)，空穴迁移率为150cm2/(V·s)，电阻率为8×107Ω·cm。
相图 InP晶体的相图如图所示。
InP系T-X状态图
单晶生长方法 InP晶体在熔点(1062℃)时，磷的离解压高达2.7MPa。在高压单晶炉内直接由铟和磷合成生长单晶比GaAs困难。通常是在 一个高压合成炉内用高纯铟和磷进行反应生成InP多晶。主要方法列于表1。
表1 InP晶体主要生长方法
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高压水平布里支曼 (HB) |
反应接近熔点温度，生成速率快， 晶体致密，铟夹杂少，接近化学配比， 纯度较高，n=2×1015/cm3，μ77k= 41000cm2/(V·s) |
| 高压梯度凝固(GF) |
反应高于熔点，生成速率快，晶体 致密，铟夹杂少，接近化学配比，纯度 较高，n=(2～4)×1015/cm3，μnc= 63000cm2/(V·s) |
| 溶质扩散(SSD) |
低于熔点，生成速率慢，纯度高，非 化学配比，晶体不致密，工业上无前 途。 n=4×1014/cm3， μ77k = 12600cm2/(V·s) |
| 直接反应合成 |
包括高压铟和磷直接合成、磷蒸气 注入和液态磷覆盖等。 反应快，纯度 高，接近化学配比，有发展前途 |
用石英舟合成的InP多晶，一般n=1015～1016/cm3，μ=3500～4500cm2/(V·s)。使用热解氮化硼(PBN)舟纯度会高些。
生长InP单晶的方法虽然很多，但因InP熔体过冷度大，在瞬间会形成大量的晶核，不易获得单晶，几乎没有什么发展。目前主要采用英国马林(J. B.Mullin)等人在1968年发明的高压液封直拉(LEC)工艺。该工艺以InP多晶为原料，干燥无水的B2O3为覆盖剂。炉室充高纯氮或氩气，拉晶时炉室的压力4.0～4.5MPa，可生长直径⏀50～76mm、质量1～2kg<111>和<100>晶向的InP单晶。
InP单晶生长过程中，具有比任何化合物都强的孪生倾向，这归因于InP晶体具有很低的堆垛层错能。为防止单晶生长过程中孪晶的发生，选择没有铟夹杂、接近化学配比的InP多晶;高纯无水的B2O3;提高S-L界面的温度梯度;调整旋转(晶转和埚转)条件，以改善S-L界面的形状;减小炉室温度波动;控制好晶体形状，尤其晶体放肩的形状十分重要。
高压LEC法生长的InP单晶的位错密度通常在104～105/cm2范围。利用杂质和等电子效应，在单晶生长时掺杂某些杂质(如硫、锌或镓、锑、砷)可以降低位错密度。在重掺时，虽然能获得低位错密度单晶，但孪生现象会更严重。现在各种改进型的LEC法和垂直梯度凝固(VGF)法，已经生长出低位错密度(102～103/cm2)的InP单晶，但在工业上尚未推广应用。
为适应各种器件的要求，相继发展了InP气相外延 (VPE)，其纯度达到n=1013～1014/cm3，μ77K=1.4×106cm2/(V·s)。液相外延(LPE)、分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等方法。
工业InP单晶技术规格 如表2。
表2 工业InP单晶技术规格
| 生长方法 | 高压液封直拉 | ||||
| 导电类型 | n | p | 半绝缘 | ||
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掺杂元素 浓度/cm-3 |
非掺 ≤2×1016 |
Sn (0.5～5)×1018 |
S (1～10)×1018 |
Zn (1～7)×1018 |
Fe |
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迁移率/cm2·(V·s)-1 电阻率/Ω·cm 位错密度/cm-2 |
≥3500 ≥0.1 ≤5×104 |
1000～2500 ≥1.0×10-3 ≤5×104 |
800～2100 ≥0.1×10-3 103～104 |
30～80 ≥1.0×10-2 103～104 |
1800 ≥1×107 ≤5×104 |
应用 这些材料在光电器件方面得到广泛应用。尤其在InP衬底上生长的多元外延(InGaAsP，InGaAs)材料，制造出长波长(1.3和1.55μm)发光管、激光器和探测器，在光纤通信中达到实用化。InP材料在光电集成电路、MOS场效应器件、高速MIS场效应器件、高速光电子开关和高速集成电路以及抗辐射、长寿命、高效太阳电池等也有广泛的应用前景。