本发明涉及半导体领域，具体是一种磷化铟多晶的制备方法和磷化铟多晶合成反应器。
背景技术：
1、磷化铟（inp）是由iii族元素铟（in）和v族元素磷（p）化合而成的iii-v族化合物半导体材料。inp是目前长距离光纤通信中所用激光器和光探测器唯一实用的材料，因此inp是生产光通讯中inp基激光二极管、发光二极管和光探测器等的关键材料。在光纤元件中，磷化铟主要用于dwdm激光器、pin、apd二极管和放大器。inp非常适合制作高电子迁移率晶体管（hemt），就衬底材料而言，inp与gaas相比，击穿电场、热导率和电子饱和速度均更高。inp异质结双极晶体管（hbt）由于基区渡越时间短，因而比gaas hbt有更好的rf 特性。
2、高纯、近化学配比和无夹杂的inp多晶料是生产高质量inp单晶的前提条件。inp多晶的很多特性如配比度和纯度对单晶的生长、晶体的电学表现、完整性和均匀性等都有很大的影响。由于inp在熔点温度附近(1335±7) k时,磷的离解压为27.5 mpa，所以inp多晶的合成相对比较困难，一般要在高压炉内合成。目前工业生产磷化铟多晶大多数使用水平布里奇曼法（hb），水平高压法得到的磷化铟多晶具有合适的p与in配比、无富磷富铟现象、设备操作简单和易于大规模工业生产等优点。
3、但是水平高压法合成磷化铟多晶，由于使用石英坩埚作为载体，合成后的磷化铟多晶si含量高，用于生长磷化铟单晶时会影响其电性能。另外由于使用水平高压法合成得到的磷化铟多晶成d型，在生长磷化铟单晶时无法完全与坩埚匹配，d型的多晶会出现棱角熔体划伤坩埚，使坩埚出现厚薄不均，长晶受热不均匀降低单晶成品率；同时由于水平布里奇曼法使磷化铟多晶成水平梯度凝固，多晶凝固时间快，多晶内部的杂质无法通过分凝作用充分排出到多晶尾部；再加上红磷本身容易存在s等杂质高的问题而无法除去，造成合成磷化铟多晶杂质偏高，影响到晶体的电学表现、完整性和均匀性等。还有水平高压法由于多晶凝固时间快，合成多晶的直径基本小于100 mm，如尺寸过大多晶晶棒内部容易出现气孔，断面致密不均匀，表面和内部存在富铟和富磷相等。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种磷化铟多晶的制备方法和磷化铟多晶合成反应器，本发明提供的制备方法能够合成不同尺寸圆柱形磷化铟多晶，最大可以合成6英寸磷化铟多晶，成品率高，杂质含量低。
2、本发明提供了一种磷化铟多晶的制备方法，包括以下步骤：
3、s1）在保护气体和氢气的氛围下，将同一反应体系中位于第一区域的铟和位于第二区域的磷进行反应；所述第二区域位于所述第一区域的上方；所述反应体系外压力比所述反应体系内压力高0.5 atm~1 atm；
4、s2）将步骤s1得到的反应产物由下向上进行梯度冷凝，得到磷化铟多晶。
5、本技术发明人创造性地发现，使用垂直高压梯度冷凝法合成磷化铟多晶，同时控制反应体系外压力高于反应体系内压力，不仅能够合成大尺寸高纯磷化铟多晶，还具有较高的成晶率。
6、本发明所述制备方法与传统的磷化铟单晶制备方法相区别，将磷置于铟的上方进行反应，属于垂直高压梯度冷凝法。本发明首先将同一反应体系中位于第一区域的铟和位于第二区域的磷进行反应，所述第二区域位于所述第一区域的上方；具体而言，所述第二区域位于所述第一区域的垂直上方。
7、本发明在保护气体和氢气的氛围下在同一反应体系中进行反应，通过加入保护气体和氢气可以稳定石英管内部压力，并且可以做到精准控制管内压力，保持反应体系内外压力差。本发明所述反应体系外压力比所述反应体系内压力高0.5 atm~1 atm。
8、本发明所述磷化铟多晶合成需要在高压状态下合成，高压状态不仅能提供磷化铟多晶的生长环境。在本发明的某些实施例中，所述反应体系内压力为27.5 mpa~28.5 mpa。
9、本发明所述氢气可以把高纯磷和铟的金属杂质以及非金属杂质s、cl等除去，在引入氢气除去杂质的同时，为防止氢气出现泄漏爆炸，在通入氢气同时也要通入保护气体，所述保护气体的通入量比氢气大10倍以上；此外所述保护气体还能够提供磷化铟多晶生长所需的高压，以及能够保护反应原料高纯磷和铟避免被氧化。在本发明的某些实施例中，本发明所述保护气体选自氮气、氦气、氖气或者氩气中的至少一种。在本发明的某些实施例中，所述保护气体的流量为20 ml/min~30 ml/min；所述氢气的流量为2 ml/min~3 ml/min。
10、本发明将磷和铟进行反应制备磷化铟多晶，通过高温使磷气化为蒸汽，使铟融化为铟熔融液，进行反应生成磷化铟多晶。在本发明的某些实施例中，所述反应的温度为1000℃~1200℃，优选为1070℃~1100℃；所述反应的时间为6 h~10 h。
11、本发明可以通过加入过量高纯磷，使高温时磷蒸汽更充分与高纯铟反应，避免出现磷蒸汽压力不足，多晶料合成后有重新分解。在本发明的某些实施例中，所述铟和磷的重量比为1：（3.0~3.5），优选为1：（3.2~3.3）。在本发明的一个实施例中，所述铟的用量为5 kg~20 kg。
12、本发明将磷和铟进行反应后，将所得到的反应产物由下向上进行梯度冷凝，得到磷化铟多晶。本发明所得到的反应产物位于第二区域中，由下向上垂直定向凝固以排除熔体中的杂质，能够得到符合磷化铟配比和高纯度的圆柱形磷化铟多晶棒。本发明所述梯度冷凝的速率为8 mm/h~25 mm/h；所述梯度冷凝的时间为24 h~48 h。本发明使高纯铟和磷反应后形成磷化铟熔融液体采用垂直高压梯度冷凝法进行冷凝，可以使多晶内部的杂质通过分凝作用更集中的向磷化铟多晶尾部集中，使多晶内部更纯。
13、本发明还提供了一种应用上述任一技术方案所述的制备方法的磷化铟多晶合成反应器，包括：相互连通的第一容器和第二容器；所述第二容器位于所述第一容器的上方。更具体而言，所述第二容器的底部与所述第一容器的底部之间的垂直距离为1 cm~3 cm。
14、本发明所述第二容器位于所述第一容器的上方并与所述第一容器联通；本发明所述第二容器为具有镂空的锥部的大尺寸容器，镂空的锥部能够使高纯磷蒸汽更容易与铟反应。本发明所述第二容器的最大直径为所述第一容器的1.5倍~2倍，优选为1.5倍。
15、本发明所述第一容器的材质为石英材质，所述第二容器的材质为氮化硼。本发明所述第二容器的材质采用氮化硼，可以减少磷化铟多晶的si。本发明所述第二容器为直径为2英寸~6英寸和长度为300 mm~450 mm的圆柱形容器，可以合成不同尺寸圆柱形磷化铟多晶，最大可以合成6英寸磷化铟多晶，而且所述多晶的型为圆柱形，与后续进行磷化铟单晶生长所需采用的坩埚完全匹配，减少多晶料对坩埚的剐蹭，有助提高成品率。
16、本发明提供了一种磷化铟多晶的制备方法和磷化铟多晶合成反应器。本发明提供的制备方法采用垂直高压梯度冷凝法合成磷化铟多晶，通过控制反应体系外压力高于反应体系内压力，能够合成多种尺寸的磷化铟多晶，最大可以合成6英寸磷化铟多晶，不仅纯度高，并且成晶率也高；通过控制反应容器的形状，还能直接合成得到符合后续用于合成磷化铟单晶的形状的磷化铟多晶。实验表明，本发明提供的制备方法成功合成得到圆柱形磷化铟多晶棒，杂质含量低至423 ppb，成晶率高达93%。
1.一种磷化铟多晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1）中，所述反应的体系内压力为27.5 mpa~28.5 mpa。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1）中，所述保护气体的流量为20ml/min~30 ml/min；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1）中，所述反应的温度为1070℃~1200℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1）中，所述反应的时间为6 h~10h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1）中，所述铟和磷的重量比为1：（3.0~3.5）。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2）中，所述梯度冷凝的速率为8mm/h~25 mm/h；
8.一种应用权利要求1~7中任一所述的制备方法的磷化铟多晶合成反应器，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的磷化铟多晶合成反应器，其特征在于，所述第二容器的底部与所述第一容器的底部之间的垂直距离为1 cm~3 cm。
10.根据权利要求8所述的磷化铟多晶合成反应器，其特征在于，所述第二容器具有镂空的锥部。
