中国粉体网讯 当CPO（共封装光学）把光引擎从面板插拔件推入交换机ASIC与GPU的同一块封装体内，系统对激光光源的功耗预算被压缩到了毫瓦级，对长期可靠性的容错率趋近于零。行业往往把目光锁在外延生长与异质集成上，却常忽略一个更上游的残酷事实：磷化铟单晶的暗伤，早在多晶合成阶段就已写死。可以说，磷化铟多晶合成这一关，才是CPO光互联真正的技术隘口。
为什么要先合成InP多晶？
InP晶体在熔点温度1062℃下，磷的饱和蒸汽压大约为2.75MPa，而合成过程中，红磷的蒸汽压可高达10MPa，因而制备InP不能像制备GaAs一样在高压釜内直接混合合成，通常需要溶质缓慢的扩散技术或者注入合成技术合成InP多晶料。
当多晶原料熔化后，偏离化学配比较多时容易在晶体内部形成夹杂物、沉淀、孪晶和位错等缺陷，这些缺陷可能严重损害晶体质量和晶体的物理特性。因而，控制化合物半导体多晶料或者熔体的配比度一直是制备晶体材料的首要任务，也是制备高离解压化合物半导体的难点。
因此，为了制备高质量InP单晶，必须要纯度高、近化学配比多晶原料料作为前提保障。
原料
磷化铟多晶料涉及到的主要原材料有：铟、红磷、三氧化二硼。
铟属于稀有金属，主要与其性质类似的锌、铜、锡等共生。生长半导体单晶所用的铟一般都要求达到99.999%以上。高纯铟中的主要杂质是Al、Si、Ca和B等。其中一些杂质对磷化铟材料的电学性质会产生重要的影响。因此选用含低Al、Si的高纯铟可以生长电学性质好的单晶材料。
红磷与白磷和黑磷等都是磷的同素异形体。出于安全考虑，红磷是合成InP时最常用的一种。当加热至416℃以上，红磷就升华成为气体。
三氧化二硼（B2O3）在LEC法晶体生长中被用作覆盖剂来防止InP熔体的离解。
InP多晶的高要求
一般来说，InP多晶合成至少应该能满足以下要求：（1）合成的多晶的纯度应尽可能高，工业上要求测得的载流子浓度至少低于1016cm-3，最好低于5×1015cm-3；（2）化学配比接近理想1:1；（3）合成速度应较快；（4）根据工艺不同，多晶料应有合适的形状和大小；（5）多晶料中不应有夹杂，沉淀，异物等。
为了生产高质量的磷化铟晶片需要高纯原材料，如铟、磷和三氧化二硼等。由于原材料难以达到半导体级的水平，因此提高磷化铟的纯度是非常困难的。
InP多晶合成方法
为合成InP多晶原料，常用方法是把高纯红磷和高纯度金属铟在压力容器内进行高压化合，然后把化合好的InP材料在InP单晶炉内制备成单晶。InP多晶合成手段很多，包括溶质扩散合成技术（SSD），水平布里奇曼法（HB），水平梯度凝固法（HGF）和原位直接合成法，如磷注入法、磷液封法等。
溶质扩散合成技术（SSD）
SSD法是通过红磷挥发为磷气体，在高温高压下与铟熔体通过气-液反应扩散合成的方式。
垂直溶质扩散合成原理示意图
由于该过程需要磷气体通过静止表面扩散至熔体内部，因而合成过程非常缓慢，而且还会影响晶体的纯度。该过程合成温度为900-1000℃，磷在低温下挥发，磷扩散至铟熔体表面，通过气-液反应和磷原子在熔体中扩散直至达到饱和，当熔体达到过饱和时，InP晶体开始析出，随着磷的扩散，晶体不断增加，最终合成配比的InP多晶。由于合成温度低，磷的饱和压力小，石英安瓿爆炸的可能性小，同时硅（Si）和氧（O）对熔体的污染少；但由于气-液界面比较小，因而扩散时间很长，效率低下。
水平布里奇曼法（HB）/水平梯度凝固法（HGF）
类似于SSD法，垂直梯度凝固（VGF)和垂直布里奇曼（VB，日本住友电气称为垂直舟法）技术从原理上基本一致，这两种方法也是利用磷蒸汽与铟熔体反应，通过扩散合成InP多晶，但是合成的温度要高于1062℃，因而，石英管内的压力很大，且磷的吸收很快，效率较高，但是硅对熔体的玷污也严重。
HGF-InP多晶合成技术，是通过P蒸汽和In熔体在高温下反应合成InP多晶材料。由于P蒸汽与In熔体的接触面积足够大，所以当In熔体的温度高于InP熔体的熔点，P蒸汽就很容易被In熔体快速吸收，直到In熔体全部转变为InP熔体，经过合适的降温生长合成，逐步合成出生产所需的InP多晶材料。
利用水平梯度凝固法（HGF）合成InP晶体
目前世界上生产InP晶体的公司，大多采用HB/HGF法合成多晶料，100小时大约可以合成4KgInP多晶。
原位直接合成法
SSD法虽然合成多晶料的纯度很高，但是合成效率很低，而HB/HGF法的效率提高了，但是牺牲了纯度。
为了解决HB法、HGF法、SSD法等方法的技术短板，业内专家经过公关，提出高纯度、高速度的InP材料原位合成技术。原位直接合成法(In-situSynthesis)克服了上述缺点也兼备了它们的优点，是一种极为先进的合成方法。
Fischer提出的原位注入合成技术原理
诸多原位合成方法中，液磷封装技术和高温、高压直接化合技术这两种方法或是工艺不成熟或是成本过高等原因均无法满足大规模生产。因此，更多的人将研究方向集中在磷蒸汽直接注入上。磷直接注入的基本原理是对高纯铟加热，使其高于InP的熔点(1062℃)，然后对磷源炉进行加热，磷泡内的红磷受热挥发，以气体的形式注入到熔体中，磷气体与铟发生反应，获得不同配比的In-P熔融态。
该方法的优势是合成过程污染少、速度快，获得多晶产量大、纯度高，与两步法单晶技术路线比较，磷直接注入在原位合成后，可马上CZ法拉晶，可以实现高纯的InP直拉单晶。未来批量生产InP单晶将更多的使用这种磷直接注入法。
参考来源：
[1]梁仁和.InP单晶装备及工艺热场技术研究
[2]肖亚东等.磷化铟晶体生长技术的现状及其发展趋势
（中国粉体网/山川）
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