一种磷化铟多晶合成的方法与流程

本发明属于半导体，涉及磷化铟多晶的制备。

背景技术：

1、磷化铟（inp）是一种iii-v族化合物半导体材料，有直接带隙，具有电子迁移率高、抗辐射、热导率高等特点，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。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，在高端微波、毫米波电子器件和光电子器件方面，inp成为毫米波高端器件的首选材料。

2、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，如多晶材料的配比度、材料的纯度。多晶材料的特性对晶体生长、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。

3、磷化铟多晶由iii族元素铟（in）和v族元素磷（p）化合而成，目前，常用的合成inp多晶料的方法有水平bridgman法（hb）、水平梯度凝固法（hgf）和磷注入法合成技术。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，这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。磷注入法合成技术是将气化的磷蒸气注入到铟熔体中化合成磷化铟熔体，由于该方法是依靠石英磷容器的内外压强差来注入磷蒸气，一旦压强差控制不当，很容易发生炸泡；另一方面，部分磷蒸气不被铟熔体吸收，一方面影响合成效果，另一方面，损失的磷蒸气挥发至炉体中，给炉体清洗带来很大的麻烦。

4、无论哪种方法，在合成之前都需要比较精确地计算磷和铟的量，避免造成反应不充分或浪费材料。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种磷化铟多晶材料的合成方法，采用冷凝技术将逃逸的磷蒸气回收后继续参与反应。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种磷化铟多晶合成的方法，基于具有磷回收装置的磷化铟合成设备实现，所述磷化铟合成设备包括设置在底部的石英磷容器、设置在石英磷容器外围的磷加热器、连接石英磷容器的坩埚、设置在坩埚外围的加热器，关键在于：所述坩埚底部设置微米级孔洞，所述磷化铟合成设备还包括磷回收装置，包括位于坩埚上方的冷凝器、与冷凝器6相对设置的液磷通道、液磷通道尽头的液磷输送管，液磷输送管连通冷凝器附近的空间和石英磷容器，在液磷输送管底部开口处设置封堵。

3、所述方法包括以下步骤：

4、1.1、装铟：对铟进行表面清洗烘干，装入坩埚；

5、1.2、装磷：将红磷装入石英磷容器；

6、1.3、装配：将坩埚和石英磷容器装配在一起；

7、1.4、合成：

8、1.4.1、将坩埚内的铟加热至铟熔化形成熔体；

9、1.4.2、打开冷凝器，通入循环冷却液；

10、1.4.3、将石英磷容器内的磷加热气化，气化的磷蒸气经过坩埚底部的微米级孔洞（10）进入坩埚中的熔体，与铟化合反应生成磷化铟；

11、1.4.4、溢出熔体的磷蒸气与冷凝器发生热交换，凝结成液滴，流入液磷输送管；

12、1.4.5、液磷输送管内的液态磷液面逐渐增加，增加到一定高度时，封堵因液磷的压力而打开，液磷流入到石英磷容器中；

13、1.4.6、反应完成后，停止加热器和磷加热器工作，降至室温，拆分装置，取出坩埚。

14、进一步地：步骤1.4.1中，加热温度为高于铟的熔点10-20℃；步骤1.4.3中，加热温度为高于磷化铟的熔点10-20℃。

15、进一步地：步骤1.4.6中，首先停止加热器工作，待熔体凝固后，停止磷加热器工作。

16、本发明将气化后不被吸收的磷蒸气，经过冷凝器液化为白磷，流入磷输送管，待液磷达到一定量后，液磷流入坩埚，经过加热再次气化参与反应。

17、有益效果：本发明采用冷凝技术将逃逸的磷蒸气回收后继续参与反应，大大提高原材料的利用率，节约成本，提高经济效益；提高单次多晶的合成量，大幅提高合成效率；逃逸的磷蒸气回收利用，省去了了繁琐的炉子清洗过程；可以实现装填一次磷，多次合成磷化铟，不用每次计算磷铟的比例进行填充。

技术特征：

1.一种磷化铟多晶合成的方法，基于具有磷回收装置的磷化铟合成设备实现，所述磷化铟合成设备包括设置在底部的石英磷容器（3）、设置在石英磷容器（3）外围的磷加热器（1）、连接石英磷容器（3）的坩埚（8）、设置在坩埚（8）外围的加热器（9），其特征在于：所述坩埚（8）底部设置微米级孔洞（10），所述磷化铟合成设备还包括磷回收装置，包括位于坩埚（8）上方的冷凝器（6）、与冷凝器（6）相对设置的液磷通道、液磷通道尽头的液磷输送管（5），液磷输送管（5）连通冷凝器（6）附近的空间和石英磷容器（3），在液磷输送管（5）底部开口处设置封堵（4）;

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述液磷通道为倾斜通道（13），倾斜通道（13）将液态磷汇聚至液磷输送管（5）的上开口。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述液磷输送管（5）外围设置液态磷加热器（11）。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述液磷输送管（5）的高度大于铟融化后熔体高度的4.2倍。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

技术总结
一种磷化铟多晶合成的方法，属于半导体技术领域，包括：将坩埚内的铟加热形成熔体；打开冷凝器；将磷加热气化，气化的磷蒸气进入坩埚中的熔体，与铟化合反应生成磷化铟；溢出熔体的磷蒸气与冷凝器发生热交换，凝结成液滴，流入液磷输送管；液磷输送管内的液态磷液面逐渐增加到一定高度时，封堵打开，液磷流入到石英磷容器中；反应完成后，停止加热器和磷加热器工作，降至室温，拆分装置，取出坩埚。本发明采用冷凝技术将逃逸的磷蒸气回收后继续参与反应，大大提高原材料的利用率；提高单次多晶的合成量，大幅提高合成效率；逃逸的磷蒸气回收利用，省去了了繁琐的炉子清洗过程；可以实现装填一次磷，多次合成磷化铟。

技术研发人员：林朋,杨鹏,付莉杰,孙聂枫,史艳磊,王书杰,秦敬凯
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十三研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12