组分偏离对液封直拉InP晶体生长稳定性及本征缺陷和Fe杂质影响的研究

The composition deviation from stoichiometry results in the appearance of various intrinsic defects and it can changes the doping behavir of impurities in semiconductor compounds. Intrinsic doping and the modulation of doping behavior of impurity through deviation from stoichiometry has become one new method of controlling properties of semiconductors. The deep donor intrinsic defects introduced by composition deviation from stoichiometry have already been utilized successfully in growth of semi-insulating LEC GaAs single crystals. Up till now, few efforts have been taken to investigate the effects of composition deviation on intrinsic defects and behavior of impurity in InP crystal due to the melt stoichiometry is hard to control over, especially ,a little has been known about the effets of excessive P on intrinsic defects and the electrical active fraction of Fe impurity in InP crystal grown from P-rich InP melt. In our previous study,we found that the excessive P may increace the instrinsic donor defects and help the Fe atoms to occupy the indium lattice sites which results in high Fe activation efficiency. In this study, the crystal growth of InP from nonstoichiometric melt would be carried out by using an phosphorus injection synthesis process developed by our group, the impact of composition deviation from stoichiometry on instrinsic defects and Fe-doping effect would be investigated systematically. Based on the theoretical analysis and valuable results to be obtained, the growth of high quality iron-doped or undoped semi-insulating InP single crystals could be improved.

化合物半导体组分与理想化学配比的偏离引起各种本征缺陷，也直接影响杂质的掺杂行为，利用化学配比偏离实现本征掺杂和调制杂质的掺杂行为是一种改善材料和器件特性的新途径。这种化学配比对缺陷和杂质的影响已被用于半绝缘GaAs单晶的制备。InP是最具战略性的半导体材料之一，由于InP熔体化学配比不易控制，且化学配比偏离易引起晶体生长不稳定，关于InP晶体中化学配比对缺陷和杂质的影响，特别是富P对InP晶体中主要本征缺陷及重要的深受主杂质Fe的电活化率的影响了解还很少。我们的初步研究表明，富P有利于非掺杂LEC InP中主要本征施主缺陷的增加，并有利于掺Fe 的LEC InP中Fe杂质电活化率的提高。本项目利用我们发明的磷注入合成工艺实现不同配比InP多晶的合成和拉晶，系统研究化学配比对本征缺陷及Fe杂质掺杂效应的影响，为制备高质量Fe掺杂和非掺杂半绝缘InP单晶提供理论依据和工艺参考。

本项目利用磷注入合成工艺实现不同配比InP多晶的合成和单晶拉制，系统研究了化学配比对本征缺陷及Fe杂质掺杂效应的影响，所做研究工作及取得的主要成果如下：（1）建立热力学模型，计算了不同磷（P）摩尔分数的InP熔体平衡态对应的P的离解压，为InP多晶合成工艺中P泡内压力和P注入速率控制提供了理论参考；系统研究了合成温度和P泡内压力对合成速率、合成率、合成多晶的化学配比及纯度的影响，优化了工艺参数，获得了合成富In、富P和理想配比InP多晶的温度窗口和优化的P泡加热曲线，合成了单锭重20公斤的多晶锭，这是迄今国内外报道的最大多晶锭；（2）发现了影响孪晶产生的关键因素，提出了相应的抑制孪晶的工艺措施，有效地抑制了孪晶。我们的研究表明，富P和富In熔体条件下均可拉制出InP单晶，在不同配比InP熔体条件下拉制出了直径4吋和6吋的InP<100>单晶锭；（3）发现富P相关的主要点缺陷是In空位与氢原子的络合体浅施主和P反位深施主，富P相关重要的体缺陷是P气泡相关的孔洞和空洞内壁的P晶须，提出了孔洞的形成机理，确定了富p熔体条件下拉晶时，避免拉制的InP晶锭中出现富P相关的孔洞对应的InP熔体富P程度临界值（4）发现过量In相关的重要缺陷是In夹杂(沉淀)，详细研究了其结构特征和分布特征，发现In夹杂具有多面体和条状结构两种类型，条状结构具有择优取向，提出了形成这些结构的机理。首次发现在垂直晶体生长方向切下的（100）晶片中In夹杂呈环状分布，通过对晶体生长过程的模拟仿真，发现熔体对流导致过量In不均匀分布是In夹杂环形分布的起因；（5）系统研究了不同配比对InP晶体中Fe杂质电活化率的影响，发现富P条件下拉制InP晶体有利于Fe杂质电活化率的提高。利用基于密度泛函理论的第一原理计算方法计算了富P和富In条件下In空位和Fe替位In结构的形成能，理论上揭示了富P利于Fe电活化的机理。